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First Sensor Keine Luft nach oben – Beatmungsgeräte stellen höchste Ansprüche an Sensortechnik

| Redakteur: Julia Engelke

Menschen mit gestörter Atemfunktion haben – neben den behandelnden Medizinern – vor allem einen wichtigen, lebensrettenden Verbündeten: Beatmungsgeräte. Diese Geräte versorgen die Patienten mechanisch mit Atemgas. Das mit Sauerstoff angereicherte Gas wird dabei mit einem vom Gerät erzeugten positiven Druck in die Lunge gebracht. Damit das gerade in diesem besonders sensiblen Bereich mit maximaler Präzision geschehen kann, braucht es leistungsfähige und hochentwickelte Sensoren.

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Der digitale LME-Differenzdrucksensor von First Sensor kann auch extrem niedrige Drücke ab 25 Pa (0,25 mbar) erfassen.
Der digitale LME-Differenzdrucksensor von First Sensor kann auch extrem niedrige Drücke ab 25 Pa (0,25 mbar) erfassen.
(Bild: First Sensor)
  • Hochempfindliche, extrem schnell arbeitende thermische Massendurchflusssensoren registrieren Volumendurchflüsse
  • Wichtig bei Sensoren für Respiratoren: Möglichkeit, je nach Gerätehersteller spezifische Programmierungen und Konfigurierungen vornehmen zu können
  • Niedrigstdrucksensoren kontrollieren Druck und Gasdurchfluss bei Beatmungsgeräten

Beatmung kann in kontrollierter Form geschehen, wobei das Beatmungsgerät per Ventilator die vollständige Atmung des Betroffenen übernimmt, oder als assistierte Beatmung mit entsprechender Unterstützungsfunktion der Eigenatmung. Dabei können sich die Geräte nach heutigem technischem Stand an den Atemhub des Patienten anpassen. Nicht zuletzt muss in den Beatmungsgeräten der eingestellte Beatmungsdruck und das dem Patienten verordnete Tidalvolumen genauestens überwacht werden, damit ein sicherer und effizienter Betrieb möglich ist.

Massendurchfluss und Druckdifferenzen schnell erkennen

So unterschiedlich die Einsatzbereiche und Ausführungen von Beatmungsgeräten auch sind – technisch basieren sie auf demselben Prinzip. Grundsätzlich bedienen sie sich zweier Arten von Sensoren: thermische Massendurchflusssensoren und Differenzdrucksensoren. Diese sollten Auflösungen von 0,01 Prozent im unteren Druckbereich und dynamischen Messbereichen >10.000 aufweisen. Ferner sollten sie in der Lage sein, kleinste Strömungen um den Nullpunkt des Atemflusses zu erkennen und zusätzlich Durchflüsse von mehreren hundert Litern pro Minute zu messen.

Bei der Beatmung geht es um die präzise Registrierung von Volumendurchflüssen. Diese Aufgabe übernehmen hochempfindliche, extrem schnell arbeitende thermische Massendurchflusssensoren, die Verschiebungen im Temperaturprofil per Heizelement zwischen temperaturempfindlichen Widerständen erkennen können. Eine andere, indirekte Methode zur Volumendurchflussmessung erfasst den Druckabfall über einem Strömungselement: Durchströmen Luft oder Atemgas eine künstliche Verengung in der Strömungsleitung mit einem sehr kleinen Strömungswiderstand, entsteht hier ein geringer Druckabfall. Dieser wird präzise erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Zur Messung kleinster Differenzdrücke können dabei sowohl durchflussbasierte Differenzdrucksensoren als auch piezoresistive Drucksensoren mit einer extrem dünnen Siliziummembran zum Einsatz kommen.

Ein wichtiges Leistungsmerkmal bei der Steuerung von Beatmungsgeräten ist die frühzeitige Erkennung der Einatmungs-Phase des Patienten mithilfe eines so genannten Flowtriggers. Damit kann das Gerät einen spontanen Atemzug sofort mit einem voreingestellten Überdruck unterstützen und damit die Eigenarbeit des Patienten beim Atmen möglichst gering halten. Hier messen Sensoren kleinste Strömungen, um den Nullpunkt des Atemflusses zu erkennen.

Kundenspezifische Ausgestaltung

Wichtig ist bei Sensoren für Respiratoren die Möglichkeit, je nach Gerätehersteller spezifische Programmierungen und Konfigurierungen vornehmen zu können. Optimale Voraussetzung dafür ist eine modulare Technologieplattform im Zusammenspiel mit der entsprechenden Aufbau- und Verbindungstechnik, damit aus einzelnen Chipelementen komplexe integrierte Lösungen gefertigt werden können, die genau ihrem Einsatzprofil entsprechen. Werden diese dann auch noch durch eine integrierte analoge oder digitale Signalaufbereitung und Serviceleistungen des Sensorherstellers wie etwa eine individuelle Sensorkalibrierung und -programmierung ergänzt, steht den Herstellern von Beatmungsgeräten alles zur Verfügung, was sie in puncto Sensoren für leistungsfähige und fortschrittliche Geräteentwicklungen benötigen.

Und Leistung ist bei Respiratoren neben der Zuverlässigkeit der wichtigste Qualitätsfaktor. Für die verbauten Komponenten bedeutet das Anforderungen wie etwa die Fähigkeit von LME- und LDE-Differenzdrucksensoren, auch extrem niedrige Drücke ab 25 Pa (0,25 mbar) erfassen zu können. Membranbasierte, piezoresistive Drucksensoren sollten lineare Signal-Druck-Kennlinien für Druckmessbereiche ab 2,5 mbar Messbereichswert erreichen. Darüber hinaus sind Eigenschaften wie hohe Offset-Stabilität, höchste Auflösung und eine ebenfalls hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Staub und Feuchtigkeit ausschlaggebend.

Präzision entscheidet

Beatmungsgeräte erfordern eine genaue Kontrolle von Drücken und Gasdurchflüssen. Hochempfindliche Niedrigstdrucksensoren detektieren das plötzliche Einsetzen selbst geringster spontaner Eigenatmung und können dem Patienten den Weg zur eigenständigen Atmung ebnen.

Doch nicht nur dort, sondern bei jeder einzelnen Sensorart kommt es darauf an, möglichst leistungsfähige und zuverlässige Modelle in Beatmungsgeräte zu verbauen. Das kann im Einzelfall eine Menge Arbeit und viele Entscheidungen für die Geräteentwickler bedeuten. Daher gibt es noch eine weitere Möglichkeit: auf den spezifischen Kundenbedarf zugeschnittene Multi-Sensor-Module als Plug & Play-Lösung, die mehrere Sensoren zu vollständig kalibrierten und getesteten Systemen mit integrierter Signalaufbereitung und definierten Schnittstellen zusammenfassen. Sie nehmen Entwicklern Einzelentscheidungen ab und bieten ihnen im Gegenzug die Sicherheit von präzise aufeinander abgestimmten Hochleistungs-Gesamtlösungen.

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