Ultraschallsensoren

Hybrider Sensor schützt Herz und Lunge

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Ultraschallsensoren | Herz-Lungen-Maschinen stellen während einer Herz-OP den menschlichen Blut- und Sauerstoffkreislauf sicher. Dafür muss das zuverlässige Funktionieren aller eingesetzten Komponenten jederzeit gewährleistet sein. Die Kombination von Durchflussmessung und Luftblasendetektion gilt dabei als wichtiges Sicherheitsmerkmal.

Daniel Thieme
Sonotec, Halle (Saale)

Herz-Lungen-Maschinen (HLM) müssen unter technischen Gesichtspunkten das Herz als „Pumpe“ und den Gasaustausch der Lunge ersetzen. Dabei werden im kardiopulmonalen Bypass, kurz CPB, zwei Hauptkreisläufe initiiert: Der venöse Kreislauf sowie der arterielle Kreislauf mit weiteren Zuleitungen. Der Venenkreislauf der Herz-Lungen-Maschine wird von venösem Blut aus der rechten Herzkammer des Patienten gespeist, welches in das Venöse Reservoir der HLM abgelassen, verarbeitet und anschließend als arterielles Blut in die Aorta des menschlichen Körpers zurückgepumpt wird.

Die arterielle Pumpe, die aus dem venösen Reservoir gespeist und direkt mit einem extrakorporalen Oxygenator verbunden ist, ist die Hauptpumpe der Maschine und übernimmt ganz oder teilweise die Funktion des Herzens. Alle anderen Pumpen und Komponenten der HLM sind ihr untergeordnet. Die implementierten Alarmsettings regeln beziehungsweise stoppen die Hauptpumpe und die zugehörigen Komponenten bei Bedarf.

Kommt die Herz-Lungen-Maschine während der OP zum Einsatz, überwachen eine Vielzahl an Sensoren die technischen Abläufe und schützen somit die wichtigsten menschlichen Körperfunktionen: Drucksensoren beispielsweise messen und dokumentieren kontinuierlich den Druck in den Schlauchsystemen. Bei Erreichen bestimmter Druckgrenzen wird ein Alarmsignal ausgelöst. Damit ist sichergestellt, dass die HLM das Blut nicht mit zu hohem Druck in das Gefäßsystem des Patienten zurückpumpt.

Zum Überwachen von Veränderungen der Flüssigkeit oder des Blutvolumens im Venösen Reservoir der Herz-Lungen-Maschine werden Füllstandsensoren eingesetzt. Die Schlüsselsensoren für die Patientensicherheit sind jedoch Luftblasendetektoren. Sie müssen zwingend nach dem arteriellen Filter an die Arterienleitung geklemmt werden, um vor massiver Luftembolie zu schützen. Die Sensoren warnen und unterbrechen die arterielle Pumpe automatisch. Es gibt zusätzlich weitere Möglichkeiten, Luftblasensensoren innerhalb des HLM-Kreislaufes zu platzieren.

Sensoren erkennen Luftblasen im HLM-Kreislauf

Da das Venöse Reservoir die erste und wahrscheinlichste Stelle für eine Blasenkontamination ist, ist die Platzierung eines Blasendetektors zwischen diesem und der arteriellen Pumpe eine ebenso sinnvolle Option. Auch die Integration eines entsprechenden Sensors zwischen dem Oxygenator und dem arteriellen Filter ermöglicht das rechtzeitige Isolieren von Luftblasen. Die ideale und sicherste Lösung ist jedoch die Implementierung mehrerer Blasensensoren.

Um Luftblasen nicht nur zu erkennen, sondern auch effektiv zu managen, ist die Verwendung von Shunts zur Verbindung der arteriellen Leitung und des Venösen Reservoirs ein kritischer Punkt. Wenn Luft im arteriellen System erfasst wird, wird diese Linie sofort durch den Shunt geschlossen und das blasenkontaminierte Blut direkt in das Venöse Reservior abgeleitet. Wenn keine Luft mehr detektiert wird, öffnet der Shunt die arterielle Linie automatisch, um das Blut wieder direkt in den menschlichen Körper zu speisen. Aus diesem Grund müssen die den Shunt passierenden Durchflussmengen kontinuierlich mit den von der Arterienpumpe erzeugten Durchflussmengen verglichen, überwacht und über die Einsatzzeit der Herz-Lungen-Maschine gesteuert werden. Für diesen Zweck werden Durchflusssensoren eingesetzt, die diese Aufgabe störungsfrei und zuverlässig erfüllen.

Da sowohl Blasendetektoren als auch Durchflusssensoren elementare Sicherheitsfeatures in Herz-Lungen-Maschinen sind, hat die Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH die Produktlinie Sonoflow CO.56 entwickelt. Sie vereint die Durchflussmessung und die Luftblasenerkennung in Flüssigkeiten in einem kompakten Gerät. Die integrierte Elektronik und die Möglichkeit, bis zu zwölf unabhängige Sensoren mit nur einer Steuereinheit zu betreiben, sorgen für den weltweit kleinsten Footprint bei einem OEM Flow-Bubble-Sensor in Herz-Lungen-Maschinen.

Die nicht-invasiven Ultraschallsensoren führen schnelle bi-direktionale Messungen durch und lassen sich leicht frei am Schlauch anklemmen. Die Genauigkeit des Sonoflow CO.56 liegt bei 2 %, die Wiederholgenauigkeit bei 1 %. Diese Werte sind abhängig von der Montage des Sensors und der Art der gemessenen Flüssigkeiten. Zusätzlich zur Messung der Durchflussrate detektiert der Sensor Luftblasen mit einer Größe von bis zu einem Drittel des Schlauchinnendurchmessers.

Fünf intelligente Sensoren in einer Herz-Lungen-Maschine

Ein weltweit agierender Hersteller von Herz-Lungen-Maschinen hat die hybride Sensorlösung in seine kürzlich lancierte Neuentwicklung integriert. Den Branchenführer überzeugten das kompakte Design der Sensoren, die integrierte Elektronik sowie die Möglichkeit der Mehrpunktmessung. So konnten fünf der intelligenten Sensoren mit unterschiedlichen Kanalgrößen in die neu entwickelte Konsole implementiert werden. Die integrierte Elektronik vereinfacht den Anschluss der hybriden Sensoren. Der eingebaute Mikrocontroller ermöglicht zudem die Steuerung aller Prozesse, deren Daten über die RS485-Schnittstelle übertragen werden.

www.sonotec.de


Zur Anwendung

Der kardiopulmonale Bypass (CPB) ist ein medizinisches Standardverfahren, das bei Operationen vorübergehend die Funktion des Herzens und der Lunge übernimmt und den menschlichen Blut- und Sauerstoffkreislauf gewährleistet. Die CPB-Pumpe wird in diesem Zusammenhang auch oft als Herz-Lungen-Maschine (HLM) bezeichnet. Da es sich bei HLM um hochkomplexe medizinische Geräte handelt, die einen direkten Einfluss auf Menschenleben haben, sind die technologischen Anforderungen besonders hoch. Ein zuverlässiges Funktionieren aller eingesetzten Komponenten muss dabei jederzeit gewährleistet sein. Aus diesem Grund gilt die Kombination von Durchflussmessung und Luftblasendetektion als wichtiges Sicherheits- und Komfortmerkmal.

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