Flödessensorlösningar i Ventilatorer

Flödessensorer användsför att mäta flödet av blod eller syre genom ett kärl. Implanterbara flödessensorer är vanligtvis inbyggda i en flexibel manschett (Fig. 20.10) som är monterad runt kärlet vars flöde ska mätas.

Eftersom användningen och spridningen av ventilatorer fortsätter att växa, har en CMOSens Technology etablerat en ny generation av flödessensorer.

Kontinuerliga luftflödesmätningar under anestesiövervakning, intensivvårdsbehandling samt i kliniska och ambulatoriska miljöer ger viktig information för bedömning av kardiorespiratoriska och andningskretsens beteende och har blivit oumbärliga i modern medicin.

Mekaniska ventilationssystem förser patienter med andningsgas med hjälp av mekaniska "luftpumpar" och denna ventilationsteknik använder övertryck för att leverera luft till patientens lungor.

Figur 1: Schematisk konstruktion av en ventilator med de typiska olika sensorpositionerna och användningen av en luftfuktare.

Ökningen av intelligenta funktioner som ingår i dessa ventilatorer gör att de automatiskt kan anpassa sig till förändringar i lungfunktion eller patientens andning. Modern tryckstyrd eller volymstyrd ventilation är därför nu mer patientorienterad än någonsin. Eftersom färre och färre ventilationslägen krävs på grund av den ökade enhetens intelligens, har medicinska ventilatorer totalt sett blivit mindre komplicerade att använda.

Icke-invasiv ventilation avser ventilationsterapier som utförs med hjälp av masker eller näskanyler. Detta kallas ofta för maskventilation eller NIV/NPPV (icke-invasiv ventilation eller icke-invasiv övertrycksventilation). Vid invasiv ventilation förs en endotrakealtub eller en trakealkanyl in i patientens luftstrupe för att förse lungorna med luft. Båda typerna av ventilation – icke-invasiv och invasiv – har förtjänst och används på ett komplementärt sätt.

En faktor som inte bör underskattas är befuktningen av inandningsluften eftersom det går långt utöver bara patientkomfort. Välfuktad och uppvärmd luft bidrar väsentligt till framgången med ventilationsterapi eftersom den förbättrar både sekretdränering och toleransen för icke-invasiv ventilationsterapi.

Aktuella trender på sjukhus visar att icke-invasiv ventilation används mer frekvent idag och för mycket fler symtom än någonsin tidigare. Intensivvårdsavdelningar, till exempel, använder i allt högre grad icke-invasiv ventilation som en första behandlingslinje, vilket minskar infektionskomplikationer, avvänjningsperioder, ICU-vistelselängder, intubationsfrekvens och kostnader.

Nyckelfrågan för alla ventilatorer är den exakta mätningen av andningsgasens flödeshastighet och volymen andningsgas som strömmar in och ut ur patienten. Dessa mätningar med högsta känslighet och noggrannhet möjliggör den tidigare nämnda och numera rådande patientorienterade ventilationen, vilket också bättre speglar patientens patofysiologi. Figur 1 visar den schematiska konstruktionen av en fläkt med de typiska luftflödes-/sensorpositionerna.

Tekniska utmaningar

De komplexa andningskretsarna har ett brett utbud av sammansättningsvariationer på grund av de olika typerna av slangar, luftfuktare, filter och adaptrar som används. Detta resulterar ofta i läckor och defekter, varför det inandningsflöde (I) ibland skiljer sig väsentligt från det flöde som faktiskt når patienten. Detsamma gäller utandningsflödet (E). Luftflödesmätningar hämmas också av de ständiga förändringarna i lufttemperatur, fuktighet och andningsgassammansättning samt kontaminering av slangar och expiratoriska/proximala sensorer med sputum, patogener och blod. På grund av tekniska begränsningar har mätningar av inspiratoriska (I) och expiratoriska flödeshastigheter (E) utförts inuti ventilatorn tidigare. De grova flödesvärdena korrigerades sedan så långt det var möjligt med hjälp av komplexa och ofta felaktiga kompensationsalgoritmer.

Figur 2. Schematisk beskrivning av en ventilationsuppställning med extremt fuktig luft och en mycket liten tidalvolym på endast 5 ml.

Proximala flödessensorer måste vara tillförlitliga och kostnadseffektiva, långsiktigt stabila och dessutom ha många andra ventilatorspecifika egenskaper för att vara lämpade för modern patientorienterad ventilation. Dessutom krävs särskilt stränga krav på hygienisk sterilisering då sensorerna kommer i kontakt med luft som är potentiellt kontaminerad med patogener.

Akilleshälen för alla nuvarande luftflödessensorer är användningen i kombination med luftfuktare. Hög luftfuktighet blir ett problem när det leder till kondens, vilket gör att makroskopiska vattendroppar regnar ut i de kallare delarna av ventilatorkretsen. Som en lösning är alla Sensirions proximala och expiratoriska sensorer utrustade med ett extra externt värmeelement. Drift av detta värmeelement med maximalt 0,5 W är tillräckligt för att på ett tillförlitligt sätt förhindra kondens i sensorn och därmed säkerställa en långsiktig stabil och tillförlitlig drift.

Schemat som illustreras i figur 2 visar en luftfuktare som vanligtvis används i ventilatoruppställningar för att säkerställa att andningsluften är väl fuktad. Stålcylindern i ugnen hålls vid 37 grader och simulerar lungorna med den anslutna trycksensorn som används som referens. Den kontrollerade ventilen stängs under inandningscykeln och öppnas en gång per sekund under den expiratoriska delen av andningscykeln.

Utan användning av värmaren kan enskilda vattendroppar rinna över sensorelementet och orsaka felläsning av mätvärdena. Denna felaktiga läsning kan tydligt kännas igen av avvikelserna i exspiratorisk/inspiratorisk volym från referensvolymen.

Syn

Användningen och spridningen av ventilatorer kommer att fortsätta växa kraftigt i framtiden på grund av det ökande antalet lungsjukdomar. Moderna ventilatorer ställer ständigt växande krav på sensorer för att sätta fokus på patienterna och deras terapi.

CMOSens-tekniken har etablerat en ny generation av flödessensorer som har bevisat sin tillförlitlighet miljontals gånger inom området CPAP-enheter och fordonstillämpningar med fördelarna för ventilatorer uppenbara.

Det är den tekniska fördelen som gör det möjligt för tillverkare att realisera nästa kvantsprång inom ventilation.