Řešení průtokových senzorů ve ventilátorech

Používají se průtokové snímaček měření průtoku krve nebo kyslíku cévou. Implantovatelné snímače průtoku jsou běžně zabudovány do pružné manžety (obr. 20.10), která je připevněna kolem nádoby, jejíž průtok má být měřen.

Vzhledem k tomu, že používání a rozšíření ventilátorů stále roste, technologie CMOSens vytvořila novou generaci průtokových senzorů.

Kontinuální měření průtoku vzduchu během monitorování anestezie, intenzivní péče i v klinickém a ambulantním prostředí poskytuje důležité informace pro hodnocení chování kardiorespiračního a dýchacího okruhu a stalo se nepostradatelným v moderní medicíně.

Mechanické ventilační systémy zásobují pacienty dýchacím plynem pomocí mechanických „vzduchových pump“ a tato ventilační technika využívá přetlak k dodávání vzduchu do plic pacienta.

Obrázek 1: Schématická konstrukce ventilátoru s typickými různými polohami senzorů a použití zvlhčovače.

Rozšíření inteligentních funkcí zabudovaných do těchto ventilátorů jim umožňuje automaticky se přizpůsobit změnám ve funkci plic nebo dýchání pacienta. Moderní tlakově řízená nebo objemově řízená ventilace je proto nyní více než kdy jindy zaměřena na pacienta. Vzhledem k tomu, že kvůli zvýšení inteligence zařízení je vyžadováno stále méně ventilačních režimů, jsou lékařské ventilátory celkově méně složité na provoz.

Neinvazivní ventilací se rozumí ventilační terapie, které se provádějí pomocí masek nebo nosních kanyl. To se často označuje jako ventilace maskou nebo NIV/NPPV (neinvazivní ventilace nebo neinvazivní ventilace pozitivním tlakem). Při invazivní ventilaci se do průdušnice pacienta zavádí endotracheální trubice nebo tracheální kanyla, která zásobuje plíce vzduchem. Oba typy ventilace – neinvazivní i invazivní – mají své opodstatnění a používají se komplementárně.

Faktorem, který není radno podceňovat, je zvlhčování vdechovaného vzduchu, které dalece přesahuje pouhé pohodlí pacienta. Dobře zvlhčený a ohřátý vzduch významně přispívá k úspěchu ventilační terapie, protože zlepšuje jak drenáž sekretu, tak toleranci neinvazivní ventilační terapie.

Současné trendy v nemocnicích ukazují, že neinvazivní ventilace se dnes používá častěji a pro mnohem více příznaků než kdy dříve. Jednotky intenzivní péče například stále častěji používají neinvazivní ventilaci jako první linii léčby, která snižuje infekční komplikace, období odstavení, délku pobytu na JIP, míru intubace a náklady.

Klíčovou otázkou pro všechny ventilátory je přesné měření rychlosti průtoku dýchacího plynu a objemu dýchacího plynu, který proudí dovnitř a ven z pacienta. Tato měření s nejvyšší citlivostí a přesností umožňují dříve zmíněnou a v dnešní době převažující ventilaci orientovanou na pacienta, která také lépe odráží patofyziologii pacienta. Obrázek 1 ukazuje schematickou konstrukci ventilátoru s typickými polohami průtoku vzduchu/snímače.

Technické výzvy

Komplexní dýchací okruhy mají širokou variabilitu složení díky různým typům použitých hadic, zvlhčovačů, filtrů a adaptérů. To má často za následek netěsnosti a nedokonalosti, což je důvod, proč se inspirační průtok (I) někdy výrazně liší od průtoku, který skutečně dosáhne pacienta. Totéž platí pro rychlost výdechového průtoku (E). Měření průtoku vzduchu také ztěžují neustálé změny teploty vzduchu, vlhkosti a složení dýchacího plynu, stejně jako kontaminace hadic a exspiračních/proximálních senzorů sputem, patogeny a krví. Z důvodu technických omezení byla v minulosti prováděna měření inspiračních (I) a exspiračních průtoků (E) uvnitř ventilátoru. Hrubé hodnoty průtoku byly poté co nejvíce korigovány pomocí složitých a často nepřesných kompenzačních algoritmů.

Obrázek 2. Schéma ventilačního zařízení s extrémně vlhkým vzduchem a velmi malým dechovým objemem pouze 5 ml.

Proximální průtokové senzory musí být spolehlivé a nákladově efektivní, dlouhodobě stabilní a navíc se vyznačovat řadou dalších funkcí specifických pro ventilátor, aby byly vhodné pro moderní ventilaci orientovanou na pacienta. Kromě toho jsou zapotřebí zvláště přísné požadavky na hygienickou sterilizaci, protože senzory přicházejí do kontaktu se vzduchem, který je potenciálně kontaminován patogeny.

Achillovou patou všech současných senzorů proudění vzduchu je použití v kombinaci se zvlhčovači vzduchu. Vysoká vlhkost se stává problémem, když vede ke kondenzaci, což způsobuje, že makroskopické kapičky vody prší do chladnějších částí okruhu ventilátoru. Jako řešení jsou všechny proximální a exspirační senzory Sensirion vybaveny přídavným externím topným tělesem. Provoz tohoto topného tělesa s max. 0,5 W postačuje ke spolehlivému zabránění kondenzace v senzoru a tím k zajištění dlouhodobého stabilního a spolehlivého provozu.

Schéma znázorněné na obrázku 2 ukazuje zvlhčovač obvykle používaný ve ventilátorových sestavách, aby se zajistilo dobré zvlhčení dýchaného vzduchu. Ocelový válec v troubě je udržován na 37 stupních a simuluje plíce s připojeným tlakovým senzorem použitým jako referenční. Řízený ventil je uzavřen během cyklu inspiračního dýchání a otevřen jednou za sekundu pro exspirační část cyklu dýchání.

Bez použití ohřívače mohou jednotlivé kapky vody stékat přes snímací prvek a způsobit chybné čtení naměřených hodnot. Toto chybné čtení lze jasně rozpoznat podle odchylek exspiračního/inspiračního objemu od referenčního objemu.

Výhled

Používání a šíření ventilátorů bude v budoucnu nadále silně růst kvůli zvyšujícímu se počtu plicních onemocnění. Moderní ventilátory kladou stále rostoucí požadavky na senzory, aby se zaměřily na pacienty a jejich terapii.

Technologie CMOSens vytvořila novou generaci průtokových senzorů, které svou spolehlivost prokázaly milionykrát v oblasti zařízení CPAP a automobilových aplikací, přičemž výhody pro ventilátory jsou evidentní.

Právě technologická výhoda umožní výrobcům realizovat další kvantové skoky ve ventilaci.