Rozwiązania czujników przepływu w respiratorach

Stosowane są czujniki przepływudo pomiaru natężenia przepływu krwi lub tlenu przez naczynie. Wszczepialne czujniki przepływu są zwykle wbudowane w elastyczny mankiet (ryc. 20.10), który jest zakładany wokół naczynia, którego natężenie przepływu ma być mierzone.

Ponieważ wykorzystanie i rozprzestrzenianie się respiratorów stale rośnie, technologia CMOSens ustanowiła nową generację czujników przepływu.

Ciągłe pomiary przepływu powietrza podczas monitorowania znieczulenia, intensywnej terapii, a także w środowisku klinicznym i ambulatoryjnym dostarczają ważnych informacji do oceny zachowania układu krążeniowo-oddechowego i oddechowego i stały się nieodzowne we współczesnej medycynie.

Systemy wentylacji mechanicznej dostarczają pacjentom gaz do oddychania za pomocą mechanicznych „pomp powietrza”, a ta technika wentylacji wykorzystuje nadciśnienie do dostarczania powietrza do płuc pacjenta.

Rysunek 1: Schemat budowy respiratora z typowymi różnymi położeniami czujników i zastosowaniem nawilżacza.

Rosnąca liczba inteligentnych funkcji wbudowanych w te respiratory pozwala im automatycznie dostosowywać się do zmian czynności płuc lub oddychania pacjenta. Nowoczesna wentylacja sterowana ciśnieniem lub objętością jest teraz bardziej zorientowana na pacjenta niż kiedykolwiek wcześniej. Ponieważ coraz mniej trybów wentylacji jest wymaganych ze względu na wzrost inteligencji urządzeń, respiratory medyczne stały się ogólnie mniej skomplikowane w obsłudze.

Wentylacja nieinwazyjna odnosi się do terapii wentylacyjnych, które są wykonywane przy użyciu masek lub kaniul nosowych. Jest to często określane jako wentylacja przez maskę lub NIV/NPPV (wentylacja nieinwazyjna lub nieinwazyjna wentylacja dodatnim ciśnieniem). W wentylacji inwazyjnej do tchawicy pacjenta wprowadza się rurkę dotchawiczą lub kaniulę dotchawiczą w celu doprowadzenia powietrza do płuc. Oba rodzaje wentylacji – nieinwazyjna i inwazyjna – mają swoje zalety i są stosowane w sposób komplementarny.

Czynnikiem, którego nie należy lekceważyć jest nawilżanie wdychanego powietrza, które wykracza daleko poza komfort pacjenta. Dobrze nawilżone i ogrzane powietrze znacząco wpływa na powodzenie terapii wentylacyjnej, ponieważ poprawia zarówno drenaż wydzieliny, jak i tolerancję wentylacji nieinwazyjnej.

Obecne trendy w szpitalach pokazują, że wentylacja nieinwazyjna jest obecnie stosowana częściej i w przypadku znacznie większej liczby objawów niż kiedykolwiek wcześniej. Na przykład na oddziałach intensywnej terapii coraz częściej stosuje się wentylację nieinwazyjną jako pierwszą linię leczenia, co zmniejsza powikłania infekcyjne, okresy odstawiania od piersi, długość pobytu na OIT, częstość intubacji i koszty.

Kluczową kwestią dla wszystkich respiratorów jest dokładny pomiar natężenia przepływu gazu oddechowego oraz objętości gazu oddechowego wpływającego i wychodzącego z pacjenta. Pomiary te z najwyższą czułością i dokładnością umożliwiają wspomnianą wcześniej i obecnie dominującą wentylację zorientowaną na pacjenta, która jednocześnie lepiej odzwierciedla patofizjologię pacjenta. Rysunek 1 przedstawia schematyczną budowę wentylatora z typowymi pozycjami przepływu powietrza/czujników.

Wyzwania techniczne

Złożone obwody oddechowe mają szeroki zakres zmienności składu ze względu na różne rodzaje rur, nawilżaczy, filtrów i adapterów. Często skutkuje to nieszczelnościami i niedoskonałościami, dlatego wdechowe natężenie przepływu (I) czasami znacznie różni się od natężenia przepływu, które faktycznie dociera do pacjenta. To samo dotyczy wydechowego natężenia przepływu (E). Pomiary przepływu powietrza utrudniają również ciągłe zmiany temperatury, wilgotności i składu gazów oddechowych oraz zanieczyszczenie przewodów i czujników wydechowych/proksymalnych plwociną, patogenami i krwią. Ze względu na ograniczenia techniczne pomiary natężenia przepływu wdechowego (I) i wydechowego (E) wykonywano w przeszłości wewnątrz respiratora. Wartości przepływu zgrubnego były następnie korygowane w miarę możliwości przy użyciu złożonych i często niedokładnych algorytmów kompensacji.

Rycina 2. Schemat konfiguracji wentylacji z bardzo wilgotnym powietrzem i bardzo małą objętością oddechową wynoszącą zaledwie 5 ml.

Czujniki przepływu proksymalnego muszą być niezawodne i ekonomiczne, stabilne przez długi czas, a ponadto posiadać wiele innych cech charakterystycznych dla respiratora, aby nadawały się do nowoczesnej wentylacji ukierunkowanej na pacjenta. Ponadto potrzebne są szczególnie rygorystyczne wymagania dotyczące higienicznej sterylizacji, ponieważ czujniki stykają się z powietrzem potencjalnie zanieczyszczonym patogenami.

Piętą achillesową wszystkich obecnych czujników przepływu powietrza jest zastosowanie w połączeniu z nawilżaczami. Wysoka wilgotność staje się problemem, gdy prowadzi do skraplania, powodując przedostawanie się makroskopowych kropelek wody do chłodniejszych części obwodu wentylatora. Jako rozwiązanie, wszystkie czujniki proksymalne i wydechowe Sensirion są wyposażone w dodatkowy zewnętrzny element grzejny. Praca tego elementu grzejnego z maksymalną mocą 0,5 W jest wystarczająca, aby niezawodnie zapobiegać kondensacji w czujniku, a tym samym zapewnić długotrwałą stabilną i niezawodną pracę.

Schemat przedstawiony na rysunku 2 przedstawia nawilżacz zwykle używany w konfiguracjach z respiratorami w celu zapewnienia dobrego nawilżenia powietrza do oddychania. Stalowy cylinder w piekarniku jest utrzymywany w temperaturze 37 stopni i symuluje płuca z podłączonym czujnikiem ciśnienia używanym jako odniesienie. Sterowany zawór jest zamknięty podczas wdechowego cyklu oddechowego i otwierany raz na sekundę w wydechowej części cyklu oddechowego.

Bez użycia grzałki pojedyncze krople wody mogą spływać po elemencie czujnika i powodować błędne odczyty wartości pomiarowych. Ten błędny odczyt można wyraźnie rozpoznać po odchyleniach objętości wydechowej/wdechowej od objętości referencyjnej.

Perspektywy

Użycie i rozpowszechnienie respiratorów będzie nadal silnie rosło w przyszłości ze względu na rosnącą liczbę chorób płuc. Nowoczesne respiratory stawiają coraz większe wymagania czujnikom, aby skupić się na pacjencie i jego terapii.

Technologia CMOSens stworzyła nową generację czujników przepływu, które miliony razy udowodniły swoją niezawodność w dziedzinie urządzeń CPAP i zastosowań motoryzacyjnych, przy czym zalety dla respiratorów są oczywiste.

Jest to przewaga technologiczna, która umożliwi producentom realizację kolejnych skoków kwantowych w wentylacji.