Beatmungsgeräte Was beim Einsatz von Sensoren in der Medizintechnik zu beachten ist

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Was ein Beatmungsgerät ist und wozu es genutzt wird, dürfte inzwischen vielen Menschen bekannt sein. Von seiner Funktionstüchtigkeit und Präzision hängen Menschenleben ab. Beatmungsgeräte beinhalten zahlreiche Komponenten, die sich einem hohen Qualitätsanspruch stellen müssen. Dazu gehören auch und vor allem Sensoren, denn sie sind für die Erfassung des Drucks der Atemluft verantwortlich.

Nur wenn die entsprechenden Drücke hochpräzise gemessen werden, können Beatmungsgeräte den Patienten optimal bei der Atmung unterstützen. Die Sensoren des Geräts registrieren sein Atemmuster und regulieren den Gasstrom. Für die Triggerung mithilfe eines Flowtriggers muss das Einatmen des Patienten über den gesamten Strömungsbereich hinweg exakt überwacht werden – von minimalen Strömungen um den Nullpunkt bis hin zu Durchflüssen von 100 l/min.

Beim thermischen Massendurchflussverfahren ist die zentrale Funktion die Volumendurchflussmessung. Um diese zu gewährleisten, hat sich der Einsatz von Differenzdrucksensoren bewährt. Solche Sensoren gibt es in zwei verschiedenen technischen Ausführungen: als piezoresistive oder durchflussbasierte Sensoren. Mit der LDE/LME/LMI-Serie bietet First Sensor leistungsfähige durchflussbasierte Sensoren, die sich unter anderem in den aktuellen Spirometern der Spirostik-Blue-Modellreihe des Herstellers Geratherm finden.

Spirometer werden zur Überprüfung der Lungenfunktion bzw. der Vitalkapazität eingesetzt. Hier nutzt Geratherm zwei LDE-Sensoren, die nach dem thermischen Massendurchflussverfahren arbeiten. Beide Ausführungen (einer mit einem Spektrum von +/- 20 mbar, einer mit 1 mbar) verfügen über eine interne Zero-Funktion zur kontinuierlichen Neukalibrierung des Nullpunkts ohne Beeinträchtigung des Sensorsignals.

Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren: flexibel und hocheffizient

Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren zeigen den Volumendurchfluss indirekt anhand des Druckabfalls über ein Strömungselement im Bypass-Kanal an. Die MEMS-Sensoren der L-Reihe von First Sensor verwenden dazu einen in den Silizium-Chip integrierten Strömungskanal. Darin ist ein Heizelement zwischen zwei temperaturempfindlichen Widerständen angeordnet. Tritt zwischen den Widerständen ein Temperaturwechsel auf, wird ein zum Massendurchfluss proportionales Spannungssignal erzeugt.

In der Anwendung wird die Atemluft durch eine Nebenleitung mit einem hohen Strömungswiderstand gelenkt. Über dem Strömungselement entsteht ein Druckabfall, der als Maßstab für die Stärke des Atemstroms dient und mit dem Differenzdrucksensor im Bypass-System gemessen werden kann.

Hochempfindlich über den gesamten Messbereich

Damit der Atemvorgang des Patienten möglichst ideal unterstützt werden kann, bedarf es einer hohen Sensitivität des Beatmungsgeräts, speziell an den Umkehrpunkten zwischen Ein- und Ausatmen. Das bedeutet: Auch die zu messenden Differenzdrücke fallen niedrig aus. Bei einem Atemfluss von 0,1 l/s beim Ein- und 7 l/s beim kräftigen Ausatmen liegen die Differenzdrücke in einem Bereich von 50 bis zu mehreren 1.000 Pascal (Pa). Die Sensoren sollten in der Lage sein, Drücke schon ab 25 Pa zu messen – und das mit entsprechend hoher Auflösung. Sensoren mit einem im Siliziumchip integrierten Strömungskanal sind genau für diese Aufgabe konzipiert, speziell für eine hohe Empfindlichkeit bis nahe dem Nullpunkt.

Inzwischen vereint ein Sensor-Modell sogar zwei Elemente für unterschiedliche Druckbereiche in einem einzigen Gehäuse. Bei der LHD Ultra-Serie löst das eine Element Druckschwankungen unter 50 Pa auf, das andere erweitert den Messbereich auf bis zu 5.000 Pa – es sind also hochpräzise Messungen über den gesamten Bereich möglich.

Hohe Widerstandsfähigkeit ist elementar

Wer vor der Aufgabe der Auswahl eines geeigneten Sensortyps für medizinische Ausrüstung steht, sollte angesichts der komplexen Anforderungen und der spezifischen Leistungsprofile der einzelnen Ausführungen einige zentrale Punkte beachten.

Dazu gehören neben den aufgeführten Punkten auch möglichst flexible Einbauoptionen und vor allem eine hohe Resistenz gegen Temperaturschwankungen, Vibrationen, Staub und Feuchtigkeit. Neben Gesamtgenauigkeit und Messbereich spielen auch Lageunempfindlichkeit und Langzeitstabilität eine entscheidende Rolle bei der Auslegung des Gesamtsystems. Thermische Differenzdrucksensoren reagieren auf kleinste Druckschwankungen und somit auch auf die vorherrschenden Umgebungsdrücke.

Gerade bei Beatmungsgeräten enthält das durchströmende Gas eine beträchtliche Menge Feuchtigkeit. Zudem ist die Temperatur der Atemluft in der Regel höher als die Umgebungstemperatur. Kleine Wassertröpfchen können sich bilden und zu größeren Wassertropfen verbinden, was die pneumatischen Eigenschaften des Messgeräts negativ beeinflussen kann.

Das erklärt die Bedeutung eines hohen Strömungswiderstands von durchflussbasierten Differenzdrucksensoren für einen zuverlässigen Betrieb auch bei warmer und feuchter Luft. Sensoren der L-Serien von First Sensor arbeiten selbst unter verschärften Bedingungen einwandfrei – vor allem wegen des Strömungskanals im Sensor-Chip, der kleinsten Partikeln keinerlei Durchlass gewährt.

Hochsensibel, hochpräzise und dabei widerstandsfähig: Die Ansprüche an Sensoren in medizinischen Geräten bzw. Beatmungsgeräten sind groß. Die Anwender (und Patienten) müssen sich auf volle Funktionsfähigkeit verlassen können. Bei der Wahl eines geeigneten Modells sollten also alle relevanten Parameter gut geprüft und bedacht sein, bevor die Entscheidung fällt.

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* Der Autor: Michael Sammüller ist Product Manager bei First Sensor.

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