Strømningssensorløsninger i ventilatorer

Strømningssensorer brukeså måle strømningshastigheten til blod eller oksygen gjennom et kar. Implanterbare strømningssensorer er vanligvis integrert i en fleksibel mansjett (fig. 20.10) som er montert rundt karet hvis strømningshastighet skal måles.

Ettersom bruken og spredningen av ventilatorer fortsetter å vokse, har en CMOSens-teknologi etablert en ny generasjon strømningssensorer.

Kontinuerlige luftstrømmålinger under anestesiovervåking, intensivbehandling samt i kliniske og ambulatoriske miljøer gir viktig informasjon for vurdering av kardiorespiratorisk og pustekretsatferd og har blitt uunnværlig i moderne medisin.

Mekaniske ventilasjonssystemer forsyner pasienter med pustegass ved hjelp av mekaniske «luftpumper» og denne ventilasjonsteknikken bruker positivt trykk for å levere luft til pasientens lunger.

Figur 1: Skjematisk konstruksjon av en ventilator med de typiske forskjellige sensorposisjonene og bruk av en luftfukter.

Økningen av intelligente funksjoner som er integrert i disse ventilatorene, lar dem automatisk tilpasse seg endringer i lungefunksjon eller pasientpust. Moderne trykk- eller volumkontrollert ventilasjon er derfor nå mer pasientrettet enn noen gang. Siden færre og færre ventilasjonsmoduser kreves på grunn av økningen i enhetens intelligens, har medisinske ventilatorer totalt sett blitt mindre kompliserte å betjene.

Ikke-invasiv ventilasjon refererer til ventilasjonsterapier som utføres ved bruk av masker eller nesekanyler. Dette omtales ofte som maskeventilasjon eller NIV/NPPV (non-invasiv ventilasjon eller ikke-invasiv overtrykksventilasjon). Ved invasiv ventilasjon settes en endotrakealtube eller en trakealkanyle inn i luftrøret til pasienten for å forsyne lungene med luft. Begge typer ventilasjon – ikke-invasiv og invasiv – har fordeler og brukes på en komplementær måte.

En faktor som ikke bør undervurderes er befuktningen av innåndingsluften, da det går langt utover bare pasientkomfort. Godt fuktet og oppvarmet luft bidrar betydelig til suksessen med ventilasjonsterapi, da den forbedrer både sekretdrenering og toleransen for ikke-invasiv ventilasjonsterapi.

Aktuelle trender på sykehus viser at ikke-invasiv ventilasjon brukes hyppigere i dag og for langt flere symptomer enn noen gang før. Intensivavdelinger bruker for eksempel i økende grad ikke-invasiv ventilasjon som førstelinjebehandling, noe som reduserer smittsomme komplikasjoner, avvenningsperioder, oppholdslengder på intensivavdelingen, intubasjonsrater og kostnader.

Nøkkelspørsmålet for alle ventilatorer er nøyaktig måling av pustegassens strømningshastighet og volumet av pustegass som strømmer inn og ut av pasienten. Disse målingene med høyeste sensitivitet og nøyaktighet muliggjør den tidligere nevnte og i dag rådende pasientorienterte ventilasjon, som også bedre reflekterer patofysiologien til pasienten. Figur 1 viser den skjematiske konstruksjonen av en ventilator med typiske luftstrøm-/sensorposisjoner.

Tekniske utfordringer

De komplekse pustekretsene har et bredt spekter av komposisjonsvariasjoner på grunn av de forskjellige typene slanger, luftfuktere, filtre og adaptere som brukes. Dette resulterer ofte i lekkasjer og ufullkommenheter, og det er derfor den inspiratoriske strømningshastigheten (I) noen ganger skiller seg betydelig fra strømningshastigheten som faktisk når pasienten. Det samme gjelder ekspiratorisk strømningshastighet (E). Luftstrømmålinger hemmes også av konstante endringer i lufttemperatur, fuktighet og pustegasssammensetning samt forurensning av slanger og ekspiratoriske/proksimale sensorer med sputum, patogener og blod. På grunn av tekniske begrensninger ble målinger av inspiratoriske (I) og ekspiratoriske strømningshastigheter (E) utført inne i respiratoren tidligere. De grove strømningsverdiene ble så korrigert så langt det var mulig ved bruk av komplekse og ofte unøyaktige kompensasjonsalgoritmer.

Figur 2. Skjematisk over et ventilasjonsoppsett med ekstremt fuktig luft og et svært lite tidevolum på kun 5 ml.

Proksimale strømningssensorer må være pålitelige og kostnadseffektive, langtidsstabile og dessuten ha en rekke andre ventilatorspesifikke funksjoner for å være egnet for moderne pasientrettet ventilasjon. I tillegg er det nødvendig med spesielt strenge krav til hygienisk sterilisering da sensorene kommer i kontakt med luft som er potensielt forurenset med patogener.

Akilleshælen til alle nåværende luftstrømssensorer er bruken i kombinasjon med luftfuktere. Høy luftfuktighet blir et problem når det fører til kondens, som får makroskopiske vanndråper til å regne ut i de kjøligere delene av ventilatorkretsen. Som en løsning er alle Sensirion proksimale og ekspiratoriske sensorer utstyrt med et ekstra eksternt varmeelement. Drift av dette varmeelementet med maksimalt 0,5 W er tilstrekkelig for pålitelig å forhindre kondens i sensoren og dermed sikre langsiktig stabil og pålitelig drift.

Skjemaet illustrert i figur 2 viser en luftfukter som vanligvis brukes i ventilatoroppsett for å sikre at pusteluften er godt fuktet. Stålsylinderen i ovnen holdes på 37 grader og simulerer lungene med den tilkoblede trykksensoren brukt som referanse. Den kontrollerte ventilen lukkes under den inspiratoriske pustesyklusen og åpnes en gang per sekund for den ekspiratoriske delen av pustesyklusen.

Uten bruk av varmeapparatet kan individuelle vanndråper renne over sensorelementet og forårsake feillesing av måleverdiene. Denne feillesingen kan tydelig gjenkjennes av avvikene til det ekspiratoriske/inspiratoriske volumet fra referansevolumet.

Outlook

Bruk og spredning av ventilatorer vil fortsette å vokse sterkt i fremtiden på grunn av det økende antallet lungesykdommer. Moderne ventilatorer stiller stadig økende krav til sensorer for å sette fokus på pasientene og deres terapi.

CMOSens-teknologien har etablert en ny generasjon strømningssensorer som har bevist sin pålitelighet millioner av ganger innen CPAP-enheter og bilapplikasjoner, med fordelene for ventilatorer åpenbare.

Det er den teknologiske fordelen som vil gjøre det mulig for produsenter å realisere de neste kvantesprangene innen ventilasjon.