MEMS-Strukturen nutzen Wärmeströmung für exakte Messungen Neue Wege für die Durchflussmessung #####

Neue klinische Erfordernisse und die Sorge um die Sicherheit des Patienten treiben die Standards beim Design medizinischer Geräte in punkto Genauigkeit und Reproduzierbarkeit immer höher. Eine neue Generation von Massendurchfluss-Sensoren erfüllt diese Anforderungen und ist bei vergleichsweise geringen Gesamtkosten zuverlässig und wartungsarm.

MEMS-Strukturen nutzen Wärmeströmung für exakte Messungen

Neue klinische Erfordernisse und die Sorge um die Sicherheit des Patienten treiben die Standards beim Design medizinischer Geräte in punkto Genauigkeit und Reproduzierbarkeit immer höher. Eine neue Generation von Massendurchfluss-Sensoren erfüllt diese Anforderungen und ist bei vergleichsweise geringen Gesamtkosten zuverlässig und wartungsarm.

Bei zahlreichen medizinischen Geräten – Beatmungsgeräten, Sauerstoff-Konzentratoren und Anästhesie-Apparaten – muss der Durchfluss von Luft oder anderen Gasen genau eingestellt und überwacht werden. In diesen Geräten wurden in der Vergangenheit dafür mechanische Messverfahren eingesetzt. Der Trend geht jedoch zur elektronischen Messung, mit der sich einerseits die Genauigkeit und Zuverlässigkeit erhöhen lässt und andererseits die Aufnahme eines genauen Protokolls des Behandlungsverlaufs ermöglicht wird.

Es gibt eine Reihe bewährter Verfahren zur Durchflussmessung, darunter Differenzdruck-, Verdrängungsund Turbinenverfahren. Für die Differenzdruck-Durchflussmessung stehen verschiedene Elemente zur Verfügung: Pitot-Rohre, Venturi-Rohre, kritische Düsen und der V-Konus. Differenzdruck-Durchflussmesser können in den meisten nichtkorrosiven Gasumgebungen verwendet werden, sie verursachen jedoch in der Regel größere Druckverluste. Auch bei Verdrängungsmessgeräten ist ein Druckabfall unvermeidlich, zudem verschleißen die beweglichen Teile, und die Geräte sind bei geringem Durchfluss nicht genau genug. Gleichwohl ist das Verfahren bei der Durchflussmessung von Flüssigkeiten weit verbreitet, insbesondere bei zähflüssigen Medien. Turbinen-Durchflussmessgeräte funktionieren mit einem Rotor und sind für saubere Flüssigkeiten und Gase geeignet. Allerdings verursachen auch sie einen Druckabfall und ihre beweglichen Teile verschleißen.

Ein neuer elektronischer Massendurchfluss-Sensor stößt auf wachsendes Interesse. Dieser wird in MEMS-Technologie realisiert und erreicht auch bei geringem Gasdurchfluss eine deutlich höhere Empfindlichkeit und bessere Reproduzierbarkeit. Die mikrobearbeiteten Strukturen der Sensor-Chips erreichen in Verbindung mit den Thermosäulen einen Strömungsmessbereich, der sich von 1 mm/s bis 40 m/s erstreckt.

Durchflussmessung in medizinischen Instrumenten

Ein Gerät wie zum Beispiel ein „Continuous Positive Airway Pressure“-Apparat (CPAP) zur Behandlung des Schlaf-Apnoe-Syndroms kann auch ohne Durchfluss-Sensor konstruiert werden. Dazu werden einfach die Steuersignale zur Pumpe dafür verwendet, die Durchflussraten abzuschätzen. Mit dieser Methode werden jedoch keine Lecks in den Geräten oder bestimmte Arten des Missbrauchs erkannt. Um zu gewährleisten, dass der Apparat Luft mit einem vorgeschriebenen Druck in die Lungen des Patienten pumpt, muss der Durchfluss der Luft in den Atemschläuchen gemessen werden. Die immer stärker nachgefragten „Bilevel Positive Airway Pressure“-Geräte (BIPAP) stellen noch größere Anforderungen an die Durchflussmessung. BIPAP-Geräte erhöhen das Wohlbefinden des Patienten, indem sie den Druck reduzieren, wenn der Patient ausatmet. Um den maximalen Komfort für den Patienten zu erzielen, ist ein empfindlicher Durchfluss-Sensor mit kurzer Ansprechzeit erforderlich, der schnell erkennt, wenn der Patient aufhört einzuatmen und mit dem Ausatmen beginnt, um dann auf den niedrigeren Druck umzuschalten.

Bei anderen Behandlungen, zum Beispiel bei Geräten zur Brustkorb-Drainage nach einer Lungenoperation, kann der Luftdurchfluss in den Drainage-Schläuchen klinische Bedeutung haben und ist dann ein Maß für den Heilungsfortschritt. Am Ende der jeweiligen Operation werden in den allermeisten Fällen Drainagen in das Operationsgebiet eingeführt, damit Wundflüssigkeit und Luft herausgezogen werden. Die Drainage kann nach einigen Tagen wieder gezogen werden.

Wird hier ein elektronischer Durchfluss-Sensor mit einem Computer oder einem anderen Gerät zur Protokollierung von Daten verbunden, kann der Arzt den zeitlichen Heilungsverlauf besser bewerten, im Gegensatz zu einer Momentanaufnahme bei z.B Schwebekörper-Durchflussmessern.