Kontinuierliche Atemluftflussmessungen während der Anästhesieüberwachung, einer intensivmedizinischen Behandlung und in anderen klinischen oder ambulanten Umgebungen, stellen wichtige Informationen für die Einschätzung der kardiorespiratorischen sowie der Atemkreislauffunktion zur Verfügung. Aus der modernen Medizin sind sie nicht mehr wegzudenken. 90 Jahre nach dem ersten Einsatz der Eisernen Lunge haben maschinelle Beatmungsverfahren Einzug gehalten, die mittels maschinellen Luftpumpen den Patienten mit Atemgas versorgen. Ein Überdruckbeatmungsverfahren führt hierbei mithilfe von positivem Druck Luft in die Patientenlunge. Im Laufe der Zeit integrierten die Hersteller zunehmend intelligente Funktionen in diese Beatmungsgeräte, sodass sie sich automatisch den Veränderungen der Lungenmechanik oder Patientenatmung anpassen.

Eckdaten

Dreh- und Angelpunkt aller Beatmungsgeräte ist die genaue Messung der Atemgasflussrate und des Atemgasvolumens. Erst diese Messungen mit höchster Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit ermöglichen die patientenorientierte Beatmung. So macht beispielsweise die Überwachung von Druck-, Massenfluss- und Volumenwerten über die Zeit Veränderungen im Zustand des Patienten erkennbar.

Heutige druck- oder volumenorientierte Beatmung ist damit patientenorientierter als früher. Da aufgrund der geräteseitigen Intelligenz immer weniger Beatmungsverfahren notwendig sind, hat sich gleichzeitig auch die Beatmung vereinfacht. Unterdrückten Mediziner früher noch die Spontanatmung durch Sedierung und Muskelrelaxation bei invasiv beatmeten Patienten, um die mechanische Beatmung zu erleichtern, kennen sie heutzutage die Vorteile der Spontanatmung und versuchen diese über einen möglichst langen Zeitraum aufrechtzuerhalten.

Beatmungstherapien

Nichtinvasive Beatmung beschreibt Beatmungstherapien, bei der Geräte gar nicht in den Körper eindringen. Dazu zählen etwa Atemmasken oder eine Nasenbrille. Oft spricht man deshalb in diesem Zusammenhang von Maskenbeatmung, NIV (Non-Invasive Ventilation) oder auch NPPV (Non-Invasive Positive Pressure Ventilation). Bei der invasiven Beatmung wird ein endotrachealer Tubus oder eine tracheale Kanüle in die Luftröhre des Patienten geführt, um die Lunge mit Atemluft zu versorgen. Sowohl die nichtinvasive als auch die invasive Beatmungsart haben ihre Berechtigung und Mediziner setzen bei der Behandlung beide Methoden oft komplementär ein. Die nichtinvasive Beatmung kommt vor der Intubation oder nach der Extubation im klinischen Umfeld zum Einsatz. Eine weitere klassische Anwendung der NIV-Therapie ist die häusliche Pflege, bei der sie Patienten Beatmungsunterstützung bietet. Dabei unterscheidet man zwischen hoch entwickelten Beatmungsgeräten für die Intensivpflege mit einer nichtinvasiven Beatmungsoption und weniger komplexen nichtinvasiven Beatmungsgeräten für den Einsatz im subakuten Bereich und in der häuslichen Pflege.

Einsatz von Befeuchtungsgeräten

Bild 1: Schematischer Aufbau eines Beatmungsgerätes mit den typischen verschiedenen Sensorpositionen und dem Einsatz eines Befeuchtungsgerätes.

Bild 1: Schematischer Aufbau eines Beatmungsgerätes mit den typischen verschiedenen Sensorpositionen und dem Einsatz eines Befeuchtungsgerätes. Sensirion

Ein nicht zu unterschätzender Faktor, der weit über den bloßen Patientenkomfort hinausgeht, ist die Befeuchtung der inhalierten Luft. Obwohl die nichtinvasive Beatmung die oberen Atemwege nicht umgeht und die Befeuchtung der inhalierten Luft teilweise noch auf natürliche Weise stattfindet, kommt es häufig zur Verwendung eines Befeuchtungssystems, insbesondere bei Patienten, die durch den Mund atmen. Gut befeuchtete und angewärmte Luft trägt wesentlich zum Erfolg der Beatmungstherapie bei, da sie sowohl die Sekretableitung als auch die Toleranz der nichtinvasiven Beatmungstherapie verbessert.

Beatmungstherapie – Trends

Bild 2: Proximale Sensoren (Einweg und Mehrweg) für die Erwachsenenbeatmung.

Bild 2: Proximale Sensoren (Einweg und Mehrweg) für die Erwachsenenbeatmung. Sensirion

Aktuelle Trends in Krankenhäusern zeigen, dass die nichtinvasive Beatmung heute häufiger und für weitaus mehr Krankheitsbilder Anwendung findet als je zuvor. Patienten mit chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen stellen dabei einen großen Anteil der Patientenpopulation dar, deren Behandlung mittels nichtinvasiver Beatmung auf Intensivstationen erfolgt. Im Fall von akutem Lungenversagen verwenden Mediziner zum Beispiel auf Intensivstationen immer häufiger nichtinvasive Beatmung als First-Line-Therapie, was zu einer Verminderung infektiöser Komplikationen führt, die Entwöhnungszeit und die Verweildauer auf der Intensivstation verkürzt, die Intubationsrate reduziert und mit Kostensenkungen einhergeht. Aber auch im Heimbereich nimmt der Einsatz der nichtinvasiven Langzeitbeatmung aufgrund von Lungenkrankheiten wie COPD, Lungenfibrosen oder Cystischer Fibrose zu.

Dreh- und Angelpunkt aller Beatmungsgeräte ist die genaue Messung der Atemgasflussrate und des Atemgasvolumens, das in den Patienten hinein- und wieder aus ihm herausfließt. Erst diese Messungen mit höchster Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit ermöglichen die heute übliche, eingangs erwähnte patientenorientierte Beatmung, die auch die Pathophysiologie des Patienten besser widerspiegelt. So erlauben beispielsweise die Überwachung von Druck-, Massenfluss- und Volumenwerten über die Zeit, Veränderungen im Zustand des Patienten zu beobachten, zum Beispiel eine verringerte Lungenkapazität. Der schematische Aufbau eines Beatmungsgerätes mit den typischen Luftfluss-/Sensorpositionen ist in Bild 1 dargestellt.

Technische Herausforderungen

Die komplexen Beatmungskreisläufe befinden sich durch die individuell eingesetzten Schläuche, Befeuchtungsgeräte, Filter und Adapterstücke in unterschiedlichsten Zusammensetzungen. Dadurch kann es immer wieder zu Leckagen kommen, weshalb die inspiratorisch gemessene Flussrate (I) teils stark von der Flussrate, die den Patienten tatsächlich erreicht, abweicht. Gleiches gilt für die exspiratorisch gemessene Flussrate (E). Zudem erschweren die ständigen Veränderungen der Lufttemperatur, Feuchtigkeit und Atemgaszusammensetzung sowie die Kontamination der Schläuche und der exspiratorischen und proximalen Sensoren durch Auswürfe, Pathogene und Blut die Luftflussmessungen. Aufgrund technischer Limitierungen erfolgte die Messungen der inspiratorischen (I) und exspiratorischen Flussraten (E) in der Vergangenheit im Beatmungsgerät. Die teils grob unterschiedlichen Flusswerte zu den eigentlich beatmeten Werten musste das Beatmungsgerät soweit möglich durch aufwendige und mit Ungenauigkeiten behaftete Kompensationen korrigieren. Um dieser technischen Herausforderung entgegenzuwirken, erfolgt die Messung des Atemflusses heute möglichst nahe beim Patienten, also proximal.

Vorteile in der Flussmessung durch proximale Sensorik

Bild 3: Schematischer Aufbau eines herausfordernden neonatologischen Beatmungsfalls mit sehr feuchter Luft und kleinstem Tidalvolumen von nur 5 ml.

Bild 3: Schematischer Aufbau eines herausfordernden neonatologischen Beatmungsfalls mit sehr feuchter Luft und kleinstem Tidalvolumen von nur 5 ml. Sensirion

Für Atemgasfluss-, Volumen- und Druckmessungen ist inzwischen von der Neonatologie ausgehend akzeptiert, dass die beste Messposition möglichst nahe, also proximal (P), beim Patienten ist. So lassen sich die Patienten mit möglichst genauen Tidalvolumen beatmen und die oben erwähnten Einflüsse der Beatmungskreislaufzusammensetzung nahezu vollständig eliminieren. Insbesondere für neonatologische und pädiatrische Anwendungsfälle, bei denen es auf die zuverlässige Messung kleinster Flüsse ankommt, hat sich die proximale Flussmessung inzwischen durchgesetzt. Weitere Vorteile der proximalen Flussmessung sind die verzögerungsfreie Atemsignalerfassung, auf die das Beatmungsgerät noch schneller reagieren kann, und die Detektion von Leckagen. Insbesondere der Einsatz eines proximalen Sensors bei der Leckagenreduktion erweist sich sowohl bei der volumenkontrollierten als auch der druckkontrollierten Beatmung als hilfreich, um die Ursachen für Überwachungs- und Triggerprobleme zu reduzieren.

Schritthalten der Sensortechnologie

Die Weiterentwicklung der Beatmungsgeräte war immer auch an die zur Verfügung stehende Sensortechnologie gekoppelt. Von den anfangs eingesetzten Schwebekörper-Durchflussmesser über Flussmessungen mit Differenzdrucksensoren an Blenden oder Heizdraht-Anemometern hat sich auch die Sensormesstechnik stark weiterentwickelt, um mit den steigenden Anforderungen der Beatmungsgeräte Schritt zu halten. Eine Weiterentwicklung des Heizdraht-Anemometers ist die CMO-Sens-Technologie von Sensirion, die in allen Massenflusssensoren und Differenzdrucksensoren von Sensirion zum Einsatz kommt. Mit der CMO-Sens-Technologie hat Sensirion ein auf MEMS-Technologie (Mikro-Elektro-Mechanisches System) basierendes und stetig wachsendes Sensorportfolio, welches inzwischen alle Sensoranforderungen eines Beatmungsgerätes abdeckt:

  • Inspiratorische Sensorlösung (I) zur genauen und verzögerungsfreien Steuerung des Gebläses und zur Überwachung des inspiratorischen Luftflusses
  • Exspiratorische Sensorlösung (E) zum Abgleich der vom Patienten ausgeatmeten Luft mit der inspiratorisch beatmeten Luft
  • Proximale Sensorlösung (P) zur Messung der inhalierten und exhalierten Luft direkt beim Patienten mit höchster Genauigkeit

Insbesondere bei der proximalen Messung umfasst das Sensorportfolio von Sensirion nicht nur Beatmungsanwendungen der Erwachsenen-Therapie, sondern auch der Neonatologie mit Einweg- und Mehrwegsensorlösungen. Da sowohl die exspiratorischen als auch die proximalen Sensoren mit feuchter oder kontaminierter Luft des Patienten in Kontakt kommen, ist hier ein Austausch oder eine Reinigung unverzichtbar. Aus diesem Grund lassen sich alle Mehrwegsensorlösungen mit verschiedenen Methoden von Waschen bis hin zu Autoklavieren reinigen.

Vorteile der Next-Generation-Flussmesstechnologie

Bild 4: Sensoreinsatz des SFM3400 bei sehr hoher Feuchtigkeit ohne (oben) und mit Einsatz (unten) des speziellen externen Heizelements. Inspiratorisches und exspiratorisches Volumen mit proximaler SFM3400 Sensorlösung über 16 Stunden gemessen.

Bild 4: Sensoreinsatz des SFM3400 bei sehr hoher Feuchtigkeit ohne (oben) und mit Einsatz (unten) des speziellen externen Heizelements. Inspiratorisches und exspiratorisches Volumen mit proximaler SFM3400 Sensorlösung über 16 Stunden gemessen. Sensirion

Einige der wichtigsten Unterschiede zur Vorgängertechnologie, den Heizdraht-Anemometern, bestehen darin, dass die modernen Durchflusssensorlösungen ein digitales und vollständig kalibriertes und temperaturkompensiertes Ausgangssignal ausgeben. Damit lassen sich die Sensoren direkt und ohne vorgängige, zeitraubende oder periodisch zu wiederholende Kalibration beim Patienten einsetzen. Weiterhin erlauben die Sensoren symmetrisch in beide Richtungen zu messen. Die Sensortechnologie benötigt dabei keinen Nullpunktabgleich und driftet mit der Zeit nicht davon. Zudem müssen Anwender die Sensoren über die Lebensdauer nicht neu kalibrieren. Die Technologie erlaubt außerdem einen hysteresefreien und positionsunabhängigen Einsatz mit einem dynamischen Messbereich und einer hohen Messempfindlichkeit. Da der Sensor das Messsignal direkt verarbeitet und die Messwerte digital ausgibt, fallen keine weiteren kostspieligen Bauteile wie A/D-Wandler für den Einsatz an. Alle diese Vorteile ermöglichen den Krankenpflegern und dem medizinischem Personal eine einfache und schnelle Handhabung der Beatmung von Patienten, was sowohl im anspruchsvollen Segment der Notfallbeatmung als auch im subakuten Bereich und in der häuslichen Pflege Vorteile bringt.

Anforderungen an die Flusssensoren

Die Anforderungen an die proximalen Durchflusssensoren sind vielseitig und herausfordernd. Die Sensoren müssen zuverlässig und zugleich kostengünstig sein, eine hohe Langzeitstabilität bieten und darüber hinaus zahlreiche weitere beatmungsgerätespezifische Eigenschaften wie beispielsweise einen geringen Druckabfall, ein geringes Totraumvolumen, einen bidirektionalen Messbereich und eine hohe Empfindlichkeit erfüllen, um eine moderne patientenorientierte Beatmung zu ermöglichen. Außerdem gelten hohe Anforderungen in Bezug auf hygienische Sterilisation, da die Patienten mit Luft in Kontakt kommen, die potenziell mit Krankheitserregern kontaminiert ist.

Einsatz mit hoher Feuchtigkeit

Eine Achillesferse aller am Markt befindlichen Luftflusssensoren ist der Einsatz in Kombination mit Befeuchtungsgeräten. Deren Einsatz ist nicht nur aus Komfortgründen für die Therapie wichtig und wird daher entsprechend häufig eingesetzt. Dabei macht die hohe Feuchtigkeit durch Kondensation zu makroskopischen Tropfen in kühleren Teilen des Beatmungskreislaufes Probleme. Zur Lösung dieses schwierigen, aber weitverbreiteten Anwendungsfall versieht Sensirion alle proximalen und exspiratorischen Sensoren mit einem zusätzlichen externen Heizelement. Der Betrieb dieses Heizelements mit maximal 0,5 W reicht bereits aus, um Kondensation im Sensor zuverlässig zu verhindern und damit einen langzeitstabilen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Sensirion stellte dies an einem simulierten neonatologischen Beatmungsfall mit sehr feuchter Luft und kleinstem Tidalvolumen von nur 5 ml unter Beweis. Der in Bild 3 skizzierte Aufbau zeigt, dass ein in der Beatmung typisch eingesetztes Befeuchtungsgerät für die starke Befeuchtung der Atemluft sorgt. Der im Ofen bei 37 °C befindliche Stahlzylinder simuliert die Lunge des Säuglings mit der angeschlossenen Drucksensorreferenz. Das gesteuerte Ventil schließt sich dabei für den inspiratorischen Atemzyklus und öffnet sich für den exspiratorischen Atemzyklus einmal pro Sekunde.

Ohne den Einsatz des Heizers laufen im Verlauf von 16 Stunden während der Beatmung des Tidalvolumens immer wieder einzelne Wassertropfen über die Sensoroberfläche, was zu einer Verfälschung der Messwerte führt. Dies ist an den Abweichungen des exspiratorischen/inspiratorischen Volumens zum Referenzvolumen aus Bild 4 (oben) gut zu erkennen.

Umgekehrt verhält es sich, wenn das Heizelement eingeschaltet ist. Über den gesamten Verlauf der 16 Stunden Beatmung kam es zu keiner nennenswerten Beeinträchtigung der proximalen Messung durch die hohe Feuchte.

Ausblick

Sowohl Einsatz als auch Verbreitung von Beatmungsgeräten werden in Zukunft aufgrund der zunehmenden Zahl an Lungenerkrankungen weiter steigen. Heutige Beatmungsgeräte stellen dabei stets steigende Anforderungen an die Sensorik, um die Patienten und deren Therapie in den Mittelpunkt stellen zu können. Die CMO-Sens-Technologie  von Sensirion begründete eine neue Generation von Flusssensoren, die sich bereits millionenfach im Feld bei CPAP-Geräten oder im Automobilbereich bewährt hat.