Soluzioni di sensori di flusso nei ventilatori

Vengono utilizzati sensori di flussoper misurare la portata del sangue o dell'ossigeno attraverso un vaso. I sensori di flusso impiantabili sono comunemente incorporati in un bracciale flessibile (Fig. 20.10) che viene montato attorno al vaso di cui si vuole misurare la portata.

Poiché l'uso e la diffusione dei ventilatori continua a crescere, la tecnologia CMOSens ha creato una nuova generazione di sensori di flusso.

Le misurazioni continue del flusso d'aria durante il monitoraggio dell'anestesia, il trattamento di terapia intensiva, nonché in ambienti clinici e ambulatoriali forniscono informazioni importanti per la valutazione del comportamento del circuito cardiorespiratorio e respiratorio e sono diventate indispensabili nella medicina moderna.

I sistemi di ventilazione meccanica forniscono ai pazienti gas respiratori per mezzo di "pompe ad aria" meccaniche e questa tecnica di ventilazione utilizza una pressione positiva per fornire aria ai polmoni del paziente.

Figura 1: Costruzione schematica di un ventilatore con le tipiche diverse posizioni dei sensori e l'uso di un umidificatore.

L'aumento delle funzioni intelligenti incorporate in questi ventilatori consente loro di adattarsi automaticamente ai cambiamenti della funzione polmonare o della respirazione del paziente. La moderna ventilazione a pressione controllata o a volume controllato è quindi ora più orientata al paziente che mai. Poiché sono necessarie sempre meno modalità di ventilazione a causa dell'aumento dell'intelligenza dei dispositivi, i ventilatori medici sono diventati complessivamente meno complessi da utilizzare.

La ventilazione non invasiva si riferisce alle terapie di ventilazione che vengono eseguite utilizzando maschere o cannule nasali. Questo è spesso indicato come ventilazione con maschera o NIV/NPPV (ventilazione non invasiva o ventilazione a pressione positiva non invasiva). Nella ventilazione invasiva, un tubo endotracheale o una cannula tracheale viene inserito nella trachea del paziente per fornire aria ai polmoni. Entrambi i tipi di ventilazione – non invasiva e invasiva – hanno valore e sono utilizzati in modo complementare.

Un fattore da non sottovalutare è l'umidificazione dell'aria inspirata in quanto va ben oltre il semplice comfort del paziente. L'aria ben umidificata e riscaldata contribuisce in modo significativo al successo della terapia ventilatoria in quanto migliora sia il drenaggio delle secrezioni sia la tolleranza della terapia ventilatoria non invasiva.

Le attuali tendenze negli ospedali mostrano che la ventilazione non invasiva viene utilizzata più frequentemente oggi e per molti più sintomi che mai. Le unità di terapia intensiva, ad esempio, utilizzano sempre più la ventilazione non invasiva come prima linea di trattamento, che riduce le complicanze infettive, i periodi di svezzamento, la durata della degenza in terapia intensiva, i tassi di intubazione e i costi.

La questione chiave per tutti i ventilatori è la misurazione accurata della portata del gas respiratorio e del volume del gas respirabile che entra ed esce dal paziente. Queste misurazioni con la massima sensibilità e precisione consentono la ventilazione orientata al paziente precedentemente menzionata e oggi prevalente, che riflette anche meglio la fisiopatologia del paziente. La Figura 1 mostra la costruzione schematica di un ventilatore con le tipiche posizioni del flusso d'aria/sensore.

Sfide tecniche

I circuiti respiratori complessi presentano un'ampia variabilità di composizione dovuta ai diversi tipi di tubi, umidificatori, filtri e adattatori utilizzati. Ciò si traduce spesso in perdite e imperfezioni, motivo per cui la portata inspiratoria (I) a volte differisce in modo significativo dalla portata che raggiunge effettivamente il paziente. Lo stesso vale per la portata espiratoria (E). Le misurazioni del flusso d'aria sono inoltre ostacolate dai continui cambiamenti della temperatura dell'aria, dell'umidità e della composizione del gas respiratorio, nonché dalla contaminazione dei tubi e dei sensori espiratori/prossimali con espettorato, agenti patogeni e sangue. A causa di limitazioni tecniche, in passato le misurazioni dei flussi inspiratori (I) ed espiratori (E) venivano eseguite all'interno del ventilatore. I valori di flusso approssimativo sono stati quindi corretti il ​​più possibile utilizzando algoritmi di compensazione complessi e spesso imprecisi.

Figura 2. Schema di una configurazione di ventilazione con aria estremamente umida e un volume corrente molto piccolo di soli 5 ml.

I sensori di flusso prossimale devono essere affidabili ed economici, stabili a lungo termine e, inoltre, presentare numerose altre caratteristiche specifiche del ventilatore per essere adatti alla moderna ventilazione orientata al paziente. Inoltre, sono necessari requisiti particolarmente rigorosi per la sterilizzazione igienica poiché i sensori entrano in contatto con aria potenzialmente contaminata da agenti patogeni.

Il tallone d'Achille di tutti gli attuali sensori di flusso d'aria è l'utilizzo in combinazione con umidificatori. L'umidità elevata diventa un problema quando porta alla formazione di condensa, provocando la pioggia di goccioline d'acqua macroscopiche nelle parti più fredde del circuito del ventilatore. Come soluzione, tutti i sensori prossimali ed espiratori Sensirion sono dotati di un ulteriore elemento riscaldante esterno. Il funzionamento di questo elemento riscaldante con un massimo di 0.5 W è sufficiente per prevenire in modo affidabile la formazione di condensa nel sensore e quindi garantire un funzionamento stabile e affidabile a lungo termine.

Lo schema illustrato nella Figura 2 mostra un umidificatore tipicamente utilizzato nelle configurazioni del ventilatore per garantire che l'aria respirabile sia ben umidificata. Il cilindro d'acciaio nel forno è mantenuto a 37 gradi e simula i polmoni con il sensore di pressione collegato utilizzato come riferimento. La valvola controllata viene chiusa durante il ciclo respiratorio inspiratorio e aperta una volta al secondo per la parte espiratoria del ciclo respiratorio.

Senza l'uso del riscaldatore, singole gocce d'acqua possono scorrere sull'elemento sensore e causare errori di lettura dei valori di misurazione. Questo errore di lettura può essere chiaramente riconosciuto dalle deviazioni del volume espiratorio/inspiratorio dal volume di riferimento.

Veduta

L'uso e la diffusione dei ventilatori continueranno a crescere fortemente in futuro a causa del crescente numero di malattie polmonari. I moderni ventilatori pongono requisiti sempre crescenti sui sensori per porre l'attenzione sui pazienti e sulla loro terapia.

La tecnologia CMOSens ha creato una nuova generazione di sensori di flusso che hanno dimostrato la loro affidabilità milioni di volte nel campo dei dispositivi CPAP e delle applicazioni automobilistiche, con evidenti vantaggi per i ventilatori.

È il vantaggio tecnologico che consentirà ai produttori di realizzare i prossimi salti quantici nella ventilazione.