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Gasfluss-Sensorik

Patienten exakt beatmet

25. September 2014, 8:18 Uhr | von Dr. Daniel Träutlein

Seit der Eisernen Lunge vor 80 Jahren hat sich die Beatmung von Patienten rasant weiterentwickelt. Die Menge und Mischung der verschiedenen Gase wird mittels Sensorik präzise gesteuert und überwacht. Je nach Einsatz des Beatmungsgerätes variieren folglich die Anforderungen an die Sensorik stark.

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Grundsätzlich unterscheiden sich Beatmungsgeräte nach ihren drei wesentlichen Einsatzgebieten: Geräte für die Notfallmedizin, für die Intensivmedizin sowie für den Heimeinsatz. Jeder dieser Bereiche beziehungsweise jedes einzelne Geräte hat natürlich unterschiedliche Merkmale. Bei Systemen für die Notfallmedizin stehen Größe und Gewicht an erster Stelle, da die Sanitäter diese schnell und einfach zum Patienten transportieren müssen. In der Regel gewährleisten Akkus die netzunabhängige Stromversorgung. Beatmungsgeräte für die Intensivmedizin kommen im Krankenhaus zum Einsatz und werden von medizinischem Personal bedient. Hier ist der Funktionsumfang wesentlich größer als bei Systemen für die Notfallmedizin, und die Leistungsfähigkeit steht im Vordergrund. Und beim Heimeinsatz von Beatmungsgeräten müssen die Systeme die Atmung von Patienten sicherstellen, die dauerhaft nicht alleine atmen können.

Aufgrund der genannten drei Hauptanwendungsbereiche ergeben sich diverse Anforderungen an die Fluss-Sensorik. Bei Geräten für die Notfallmedizin soll der Druckabfall, das heißt der Widerstand, den ein Sensor der Gasströmung entgegenbringt, möglichst klein sein. Denn ein höherer Druckabfall bedeutet Mehrarbeit für die Turbine, die den Überdruck für den Patienten erzeugt. Ein geringerer Druckabfall erlaubt folglich eine längere Einsatzzeit beziehungsweise einen kleineren Akkumulator, was sich wiederum positiv auf Größe und Gewicht auswirkt.

Der Wunsch, im Intensivbereich ein Gerät möglichst breit einsetzen zu können, stellt weitere Anforderungen an die Fluss-Sensorik. So sollen Geräte universell einsetzbar sein, egal ob es sich beim Patienten um ein Kleinkind oder um einen Erwachsenen handelt. Ein möglichst weiter dynamischer Bereich und eine hohe Auflösung der Sensoren stellen den Einsatz für unterschiedlich große Patienten sicher. So sollen moderne Fluss-Sensoren im besten Fall Flussmengen bis zu 250 Liter pro Minute messen, gleichzeitig aber auch Mengen unter einem Liter noch mit hoher Genauigkeit detektieren.

Neben diesem weiten dynamischen Messbereich kommt insbesondere der Messgenauigkeit bei kleinen Gasflüssen entscheidende Bedeutung zu. Da in der Intensivmedizin unterschiedliche Beatmungsmodi verwendet werden, müssen die Sensoren auch reaktionsschnell sein. Allen drei Anwendungsbereichen ist gemein, dass die Sensorik möglichst langzeitstabil und robust sein muss, um Rekalibrierungen und Wartungsaufwand gering zu halten.

Weitere Anforderungen an die Sensorik ergeben sich aus den unterschiedlichen Funktionen, die mithilfe der Sensoren gesteuert und überwacht werden. So wird zwischen inspiratorischen, exspiratorischen und patientennahen Sensoren (Spirometrie) unterschieden. Auf der Einatmungsseite (inspiratorisch) sind die Sensoren im Gerät verbaut. Sie sind weit vom Patienten entfernt, und der Gasfluss führt immer vom Sensor zum Patienten und nie in die andere Richtung. Das Gas ist trocken und sauber. Auf der exspiratorischen Seite hingegen wird die Ausatmungsluft gemessen. Die Luft ist feucht und kommt vom Patienten.

Im dritten Bereich, bei der patientennahen Sensorik, gelten schlussendlich die höchsten Anforderungen. Patientennahe Sensoren müssen entweder wiederaufbereitbar, das heißt waschbar und autoklavierbar sein, oder als Einwegmaterial nach dem Einsatz entsorgt werden. Im patientennahen Bereich ist außerdem die Messung der Ein- und Ausatmung nötig, was zwingend einen bidirektional kalibrierten Sensor erfordert. Dies stellt insbesondere für Heizdraht-Anemometer eine große Herausforderung dar. Denn wird ein Patient über längere Zeit beatmet, stellt die Entwöhnung besondere Herausforderungen an die Sensorik, wenn die Atmung des Patienten unterstützt werden soll. Das Einsetzen der Atmung muss vom Gerät ohne zeitliche Verzögerungen erkannt werden.

Verschiedene Messprinzipien

Für die Flussmessung in der Beatmungstechnik eignen sich unterschiedliche Messprinzipien. Die früher häufig eingesetzten Schwebeköper-Durchflussmesser sind heute aufgrund der Genauigkeitsanforderungen und der fortschreitenden Integration in elektronische Steuerungssysteme nur noch in älteren Geräten anzutreffen.

Differenzdrucksensoren kommen in vielen Systemen zum Einsatz. Dabei ist es möglich, den Differenzdrucksensor weiter entfernt vom Patienten zu platzieren und trotzdem den Fluss nahe am Patienten zu bestimmen. Die Genauigkeit bei dieser Messmethode wird nicht allein durch den Sensor bestimmt, sondern auch durch die Kombination aus Differenzdrucksensor und dem für den Druckabfall genutzten Element, einer sogenannten Blende oder einem Linearflusselement. Des Weiteren spielt auch der Schlauch zwischen dem Flusselement und dem Sensor eine wichtige Rolle. Der Schlauch wirkt grundsätzlich dämpfend, weshalb ein Knick im Schlauch vermieden werden sollte.

Ferner sind Lösungen auf dem Markt, die ultraschallbasierte Laufzeitmessungen (Time of Flight) verwenden. Der eigentliche Sensor misst durch eine Kunststoffwand hindurch. Der große Vorteil dieser Messmethode ist die einfache Wiederaufbereitung des Sensors, allerdings ist diese Methode auch mit viel höheren Herstellkosten verbunden.

Schließlich gibt es noch thermische Messprinzipien. Bei diesen Verfahren kann man zwischen herkömmlichen Heizdraht-Anemometern und Heizfilm-Anemometern unterscheiden. Der Nachteil der Hitzdraht-Anemometer besteht darin, dass nur der Betrag des Gasflusses gemessen wird; eine Richtung lässt sich nicht mit angeben. Dieser Nachteil kann mit Heizfilmanemometern mit mehreren Feldern behoben werden.