Wenn Sensor und Auswerteelektronik auf einem Halbleiterchip vereint sind, lassen sich die unterschiedlichen Anforderungen an Sensorik in Beatmungsgeräten erfüllen. Ein Beispiel dafür sind die in großen Stückzahlen gefertigten CMOSens-Massenflusssensoren.
Wenn heute ein Patient künstlich beatmet wird, sind im Gerät verschiedene Sensoren im Einsatz. Sie messen den Fluss der Luft oder der Gase wie zum Beispiel Sauerstoff im System, die in einer speziellen Mischung und mit exakt dem richtigen Druck der menschlichen Lunge zugeführt werden müssen. Je nachdem, ob das Beatmungsgerät im Notfallbereich, auf der Intensivstation oder zu Hause beim Pateinten eingesetzt wird, variieren die Anforderungen an die Sensorik.
Bei leichten Geräten für die Notfallmedizin, die nur wenig Energie verbrauchen dürfen, soll zum Beispiel der Druckabfall möglichst klein sein: Je weniger Widerstand ein Sensor der Gasströmung entgegenbringt, desto weniger muss die Turbine arbeiten, um Überdruck für den Patienten zu erzeugen. Ein geringerer Druckabfall erlaubt folglich eine längere Einsatzzeit oder auch einen kleineren Akkumulator für die Energieversorgung. Das macht das Gerät kleiner und leichter und vereinfacht dem Notarzt den Transport.
Im Intensivbereich wiederum steht im Vordergrund, dass die Geräte universell einsetzbar sein sollen, damit sowohl ein Kleinkind als auch ein Erwachsener behandelt werden kann. Für die Sensoren bedeutet dies, dass sie einen möglichst weiten dynamischen Bereich und eine hohe Auflösung bieten müssen. So sollen moderne Flusssensoren im besten Fall Flussmengen bis zu 250 Liter pro Minute messen können, gleichzeitig aber auch Mengen unter 1 l noch mit hoher Genauigkeit detektieren. Neben diesem weiten dynamischen Messbereich ist insbesondere die Messgenauigkeit bei kleinen Gasflüssen entscheidend.
Um diese Anforderungen in der Beatmungstechnik zu erfüllen, wurden bisher unterschiedliche Messprinzipien genutzt, zum Beispiel Schwebeköper-Durchflussmesser. Sie entsprechen jedoch nicht mehr den Erwartungen an die Genauigkeit und lassen sich nicht im erforderlichen Maß in elektronische Steuerungssysteme integrieren.
Heute werden oft Flussmessungen mit Differenzdrucksensoren eingesetzt. Diese können weit entfernt vom Patienten platziert werden. Wie genau die Ergebnisse sind, hängt bei dieser Methode allerdings nicht allein vom Sensor ab, sondern auch davon, mit welchem Element für den Druckabfall – einer so genannten Blende oder einem Linearflusselement – er kombiniert wird. Auch der grundsätzlich dämpfende Schlauch zwischen Flusselement und Sensor spielt eine Rolle. Er darf auf keinen Fall geknickt sein.
Auf dem Markt sind daneben Ultraschall basierte „time of flight“-Messungen: Hier misst der Sensor durch eine Kunststoffwand hindurch, was seine Wiederaufbereitung vereinfacht und ein wesentlicher Vorteil dieser Messmethode ist. Allerdings sind die Herstellkosten für solche Sensoren vergleichsweise hoch.
Bei den thermischen Verfahren, die ebenfalls in Beatmungsgeräten genutzt werden, sind herkömmliche Heizdraht- und Heizfilm-Anemometer zu nennen. Der Nachteil der Heizdraht- Anemometer besteht darin, dass auf diesem Weg nur gemessen werden kann, wieviel Gas sich im System bewegt – eine Aussage zur Flussrichtung kann nicht gemacht werden. Heizfilm-Anemometer, die mit mehreren Feldern ausgestattet sind, zeigen diesen Nachteil nicht. Allerdings muss beim Einsatz der Sensoren im patientennahen Bereich nicht nur die Gaszufuhr oder die ausgeatmete Luftmenge bestimmt werden, sondern es gilt, sowohl die Ein- als auch die Ausatmung zu messen. Das erfordert zwingend einen bidirektional kalibrierten Sensor.
Eine Weiterentwicklung der thermischen Messverfahren, die alle heutigen Anforderungen erfüllt, ist der CMOSens-Massenflusssensor, den die Sensirion AG aus Staefa in der Schweiz anbietet. Da die CMOSens-Technologie Sensor und Auswertelektronik auf einem Halbleiterchip vereint, lassen sich große Stückzahlen in hoher Qualität und bei niedrigen Kosten produzieren. Beim Massenflussmesser dieses Typs sind Temperatursensoren symmetrisch um ein Heizelement platziert. Damit lässt sich nicht nur bestimmen, in welche Richtung das Gas strömt, sondern auch dessen Menge lässt sich präzise bidirektional messen.
Da der Sensor mit analoger und digitaler Auswertungselektronik auf einem Mikrochip integriert ist, ist eine präzise Kalibration und Temperaturkompensation der Flussmessung gewährleistet. Auch lassen sich die Messsignale besonders schnell auswerten. Dabei können je nach Gas und Gasgemisch weitere Informationen über den Gasfluss gewonnen werden. Falls es sich um eine Mischung zweier reiner Gase handelt, die unterschiedliche thermische Eigenschaften aufweisen, lässt sich neben dem Fluss zum Beispiel auch deren Mischungsverhältnis bestimmen. In der Beatmungstechnik wird ein solches Signal verwendet, wenn eine Lachgas/Luft-Mischung oder ein Heliox-Gemisch bestimmt werden sollen. Wenn die Mischung bereits durch Flusssensoren geregelt wird, dienen die Werte des CMOSens-Massenflusssensors mitunter als redundantes Signal.
Neben reinen Flusssensoren lassen sich aber auch Massenflussregler einsetzen. Sie enthalten bereits ein Ventil. Gerade für kleinere Hersteller von Beatmungsgeräten sind sie eine interessante Alternative zu einer Eigenentwicklung, da die Kosten dafür nicht zu unterschätzen sind. Darüber hinaus erlaubt eine fertige Lösung, das Gerät schneller auf den Markt zu bringen. Massenflussregler in der Beatmungstechnik sind jedoch mit Reglern für die Industrie nicht zu vergleichen: Um der Atmung des Patienten folgen zu können, müssen Massenflussregler in medizinischen Anwendungen deutlich schneller sein als in der Industriefertigung.
Dr. Daniel Träutlein Sensirion, Staefa/Schweiz
Sensor für die Medizintechnik
Der digitale Massenflusssensor SFM3000 wurde speziell für Anwendungen in der Medizintechnik entwickelt. Er eignet sich für hoch-voluminöse Anwendungen, wie sie in der medizinischen Beatmung und Anästhesie typisch sind. Das Design des Strömungskanals wurde so optimiert, dass er einen Druckabfall von weniger als 1,5 mbar aufweist. Der Sensor misst Flussraten von Luft und anderen nicht aggressiven Gasen bidirektional bis 200 slm mit hoher Genauigkeit und sehr schneller Durchlaufzeit. Er gibt bei einer Frequenz von 2 kHz ein digitales, intern linearisiertes und temperaturkompensiertes 14-bit-Signal wieder. Zudem arbeitet der Massenflussmesser mit einer 5-VDC-Versorgungsspannung, die den direkten Anschluss an einen Mikroprozessor einfach und schnell ermöglicht.
Ihr Stichwort
- Sensoren in Beatmungsgeräten
- Integration von Sensor und Auswerteelektronik
- Bidirektionale Messung
- Kombination mit Ventil als Massenflussregler
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