Wiederverwendbare Sensoren – trotz schwieriger Bedingungen

In Beatmungs- und Anästhesiegeräten werden Flusssensoren verwendet, um die saubere Luft zu messen, die zum Patienten hingeführt wird. Neben diesem „sauberen“ Zweig gibt es aber auch Bedarf dafür, den Fluss der ausgeatmeten Luft zu erfassen. Dieser Wert wird als proximale oder exspiratorische Flussmessung ermittelt.

In beiden Fällen hat der Sensor Kontakt mit Luft, die vom Patienten kommt und damit potenziell mit Erregern belastet ist. Daher werden diese Messungen entweder mit Wegwerfkomponenten realisiert, oder es werden Produkte eingesetzt, die sich aufbereiten lassen.

Die heute gängigen Lösungen, um Flussmessungen rund ums Atmen auszuführen, sind Hitzdraht-Anemometer oder variable Blenden in Kombination mit einem Differenzdrucksensor. Insbesondere bei Messungen mit dem Differenzdruckverfahren wird hier lediglich die Messstrecke ausgetauscht, da der Sensor im Gerät selbst nicht in allen Fällen austausch- oder sterilisierbar ist. Dass im Betrieb keine Luft bis zum Sensor kommt, soll über lange Schläuche zum Patientenkreislauf sichergestellt werden.

Im Gegensatz dazu sind Hitzdrahtsensoren in der Regel komplett austauschbar oder sterilisierbar. Die filigranen Hitzedrähte sind aber relativ empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen, was insbesondere bei der Reinigung, speziell bei der Thermodesinfektion, zu Problemen führen kann.

Die Schweizer Sensirion AG, Stäfa, hat nun auf Basis der CMOSens-Technologie eine neue Lösung zur Flussmessung entwickelt. Die Massenflussmesser SFM3200-AW und SFM3300-AW eignen sich für Anwendungen in der exspiratorischen und proximalen Beatmung und sind sowohl autoklavierbar als auch waschbar.

Die Flusssensoren wurden umfangreich geprüft – vor allem daraufhin, ob sie sich für das Autoklavieren eignen, da die Dampfsterilisation als besonders kostengünstige Methode gilt, was dem Gesundheitssystem geringe Gesamtbetriebskosten ermöglicht.

Das chipbasierte Sensorelement wurde daher für mehr als 1000 h bei 150 °C getestet. Zusätzlich liegen Ergebnisse vor, wonach die Sensorelemente 1000 Temperaturzyklen mit einem Wechsel von –40 °C zu 140 °C bestanden haben. Diese Testergebnisse belegen die sehr gute Nullpunktstabilität des Messelements und der Elektronik, welche die Signale verarbeitet. Alterungsmodelle lassen darauf schließen, dass der Offset-Drift über 10 Jahre Lebensdauer kleiner als 0,2 slm ist. Dichtigkeitstest und Präzision wurden nach der Behandlung mit Hitze und Dampf geprüft, wobei die Senoren auch dann noch die Spezifikation gemäß Datenblatt3 erfüllten.

Auch nach 50 Zyklen im Autoklaven waren 59 von 60 Sensoren noch innerhalb der Spezifikation, das heißt, die Sensoren können im Schnitt mehr als 50 Mal wiederaufbereitet werden.

Bei sterilisierbaren Lösungen geht es jedoch nicht nur um das Sensorelement selbst. Für den Kunststoff des Gehäuses wird bei den neuen Flusssensoren ein PPSU-Material eingesetzt. Dieses besitzt sehr gute Temperatureigenschaften und kommt mit den Inhalationsanästhetika besser zurecht als andere Kunststoffmaterialien.

Neben der Sterilisation im Autoklaven wurde untersucht, ob die Sensoren auch nach der Tauchdesinfektion mit Cidex Activated Dialdehyde Solution stabil sind. Hier wurden nach zehn Zyklen – mit je 15 min Immersion und anschließender Trocknung – keinerlei Effekte beobachtet. Daher wurde der weitere Test beschleunigt und der Sensor für mehr als 25 h in der Lösung aufbewahrt, was einer Behandlungsdauer entspricht, wie sie bei ungefähr 100 Zyklen auftreten würde. Anschließend wurden Dichtigkeit und Genauigkeit unter denselben Testbedingungen wie nach dem Autoklavieren geprüft: Alle acht Sensoren waren funktionstüchtig und innerhalb der Spezifikation.

Die von Sensirion verwendete CMOSens-Technologie ist aufgrund sinkender Herstellkosten bei hohen Stückzahlen jedoch auch für Einwegprodukte geeignet. Aktuell entwickelt Sensirion ein Einwegprodukt in Form eines vereinfachten Sensors ohne Siebe. Dieser soll im Jahr 2017 auf den Markt gebracht werden.

Die Hamburger Weinmann Emergency Medical Technology GmbH + Co. KG wird diesen Sensor als erster Anwender im besonders anspruchsvollen Feld der Notfallbeatmung und Transportbeatmung einsetzen, wo spezielle Anforderungen zum Beispiel durch den Einsatz des Beatmungsgerätes bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erfüllt werden müssen. Weinmann Emergency hat den Sensor im Laufe der Entwicklung auch für den Einsatz unter diesen anspruchsvollen Bedingungen geprüft.

Aktuell setzt das Unternehmen einen Hitzdraht-basierten Sensor ein sowie weitere Sensoren von Sensirion. Laut Weinmann-Entwicklungsleiter Ulrich Palm haben die Vorteile der Sensoren überzeugt: „Aufgrund des geringen Atemwiderstandes, der hohen Genauigkeit und Stabilität des Messsignals sowie der mechanischen und elektrischen Robustheit haben wir uns für Sensoren auf Basis der CMOSens-Technologie entschieden.“

Dr. Daniel Träutlein Sensirion, Stäfa/Schweiz

Weitere Informationen Über den Anwender: www.weinmann-emergency.de Sensirion ging aus der Eidgenössisch Technischen Hochschule (ETH) Zürich hervor und beschäftigt heute weltweit mehr als 600 Mitarbeiter: www.sensirion.com

Der SFM3200-AW Sensor erreicht dank des Designs seines Flusskanals einen niedrigen Druckabfall, weshalb er sich besonders für exspiratorische Flussmessungen in Applikationen wie der Beatmung eignet. Der Sensor misst Flussraten nicht-aggressiver Gase und überzeugt bei tiefen Flussraten durch seine sehr gute Leistung. Er misst aber auch Flussraten bis 250 slm. Der Sensor SFM3300-AW kann bi-direktional verwendet werden und misst jeweils Flüsse bis 250 slm. Daher eignet er sich besonders für die proximale Flussmessung in der Beatmung und weiteren respiratorischen Anwendungen. Während der Entwicklung wurde der Kompromiss zwischen Totraumvolumen und Druckabfall gesucht. Der etwas höhere Druckabfall im Vergleich zum SFM3200-AW sorgt für mehr Stabilität bei variierenden Einlaufbedingungen.