Sensores de flujo de aire para sistemas médicos.

Soluciones de sensores de flujo en ventiladores médicos modernos.

Las mediciones continuas del flujo de aire durante el monitoreo de la anestesia, el tratamiento de cuidados intensivos, así como en entornos clínicos y ambulatorios, proporcionan información importante para la evaluación del comportamiento del circuito cardiorrespiratorio y respiratorio y se han vuelto indispensables en la medicina moderna. 90 años después del primer uso del pulmón de hierro, ahora se esta tratando con sistemas de ventilación mecánica que suministran al paciente gas para respirar mediante «bombas de aire» mecánicas. Esta técnica de ventilación utiliza presión positiva para suministrar aire a los pulmones del paciente. El aumento de las funciones inteligentes incorporadas en estos ventiladores les permite adaptarse automáticamente a los cambios en la función pulmonar o la respiración del paciente. Por lo tanto, la ventilación moderna controlada por presión o volumen está más orientada al paciente que nunca antes. Dado que se requieren cada vez menos modos de ventilación debido al aumento en la inteligencia del dispositivo, los ventiladores médicos en general se han vuelto menos complejos de operar. Un ejemplo interesante para los puntos anteriormente mencionados es que, si bien en el pasado la respiración espontánea en pacientes con ventilación invasiva fue suprimida por la sedación para facilitar la ventilación mecánica, hoy en día se comprenden los beneficios de la ventilación espontánea y uno de los objetivos es mantenerla durante el mayor tiempo posible, a menudo conduciendo a mejores resultados.

Terapias de ventilación

La ventilación no invasiva se refiere a las terapias de ventilación que se realizan con máscaras o cánulas nasales. Esto a menudo se conoce como ventilación con máscara o NIV / NPPV (ventilación no invasiva o ventilación con presión positiva no invasiva). En la ventilación invasiva, se inserta un tubo endotraqueal o una cánula traqueal en la tráquea del paciente para suministrar aire a los pulmones.  Ambos tipos de ventilación, no invasiva e invasiva, tienen mérito y se usan de manera complementaria. La ventilación no invasiva a menudo se implementa antes de la intubación o después de la extubación en un entorno clínico. Otra aplicación clásica de la terapia NIV es el entorno de atención domiciliaria, donde proporciona soporte de ventilación a pacientes sin supervisión constante por parte de profesionales médicos. A menudo se hace una distinción entre ventiladores sofisticados para cuidados intensivos, equipados con una opción de ventilación no invasiva, y ventiladores no invasivos menos complejos para su uso en entornos de atención subaguda y domiciliaria.

Uso de humidificadores

Un factor que no debe subestimarse es la humidificación del aire inhalado, ya que va mucho más allá de la simple comodidad del paciente. Aunque la ventilación no invasiva no pasa por alto el tracto respiratorio superior y todavía se produce cierta humidificación del aire inhalado de forma natural, es común utilizar un sistema de humidificación, particularmente para pacientes que respiran por la boca. El aire bien humedecido y calentado contribuye significativamente al éxito de la terapia de ventilación ya que mejora tanto el drenaje de secreción como la tolerancia de la terapia de ventilación no invasiva [1]

Esquemática de un ventilador con las diferentes posiciones típicas del sensor y el uso de un humidificador.

Terapia de ventilación: tendencias

Las tendencias actuales en los hospitales muestran que la ventilación no invasiva se usa con más frecuencia hoy en día y para muchos más síntomas que nunca. Los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica forman una gran fracción de la población de pacientes tratados con ventilación no invasiva en unidades de cuidados intensivos. En el caso de la insuficiencia respiratoria aguda, por ejemplo, las unidades de cuidados intensivos utilizan cada vez más la ventilación no invasiva como tratamiento de primera línea, lo que reduce las complicaciones infecciosas, los períodos de destete, la duración de la estancia en la UCI, las tasas de intubación y los costos. También en el ámbito de la atención domiciliaria está aumentando el uso de ventilación no invasiva a largo plazo para enfermedades pulmonares como la EPOC, la fibrosis pulmonar o la fibrosis quística.

La cuestión clave para todos los ventiladores es la medición precisa de la tasa de flujo de gas de respiración y el volumen de gas de respiración que fluye dentro y fuera del paciente. Estas mediciones con la mayor sensibilidad y precisión permiten la ventilación orientada al paciente que se menciona anteriormente y que prevalece en la actualidad, que también refleja mejor la fisiopatología del paciente. Por ejemplo, el monitoreo de la presión, el flujo de masa y el flujo de volumen a lo largo del tiempo nos permite observar cambios en la condición del paciente, como la capacidad pulmonar reducida. La Figura 1 muestra la construcción esquemática de un ventilador con las posiciones típicas de flujo de aire / sensor.

Desafíos técnicos

Los complejos circuitos de respiración tienen una amplia gama de variabilidad de composición debido a los diferentes tipos de tubos, humidificadores, filtros y adaptadores utilizados. Esto a menudo resulta en fugas e imperfecciones, razón por la cual la tasa de flujo inspiratorio (I) a veces difiere significativamente de la tasa de flujo que realmente alcanza al paciente. Lo mismo se aplica al caudal espiratorio (E). Las mediciones del flujo de aire también se ven obstaculizadas por los cambios constantes en la temperatura del aire, la humedad y la composición del gas de respiración, así como por la contaminación de las mangueras y los sensores espiratorios / proximales con esputo, patógenos y sangre. Debido a limitaciones técnicas, las mediciones de las tasas de flujo inspiratorio (I) y espiratorio (E) se realizaban dentro del ventilador en el pasado. Los valores de flujo aproximado, que a veces eran significativamente diferentes a los valores realmente ventilados, se corrigieron lo más posible utilizando algoritmos de compensación complejos y a menudo inexactos. Para contrarrestar este desafío técnico, el flujo respiratorio ahora se mide lo más cerca posible del paciente, es decir, proximalmente.

Ventajas en la medición de flujo a través de sensores proximales

Originario de la neonatología, se acepta que la mejor posición de medición para las mediciones de flujo de aire, volumen y presión del paciente es lo más cercana posible, es decir, proximalmente (P) al paciente. Esto permite que los pacientes sean ventilados con un volumen corriente lo más preciso posible y los efectos de la composición del circuito de ventilación mencionados anteriormente se eliminan casi por completo. Particularmente para aplicaciones neonatales y pediátricas que se basan en la medición precisa de flujos muy pequeños, la medición del flujo proximal se ha convertido en el estándar. Las ventajas adicionales de la medición del flujo proximal son la detección instantánea de señales respiratorias, a las cuales el ventilador puede responder aún más rápido, así como la detección de fugas. En particular, para reducir el efecto de las fugas, los sensores proximales son útiles tanto en ventilación controlada por volumen como por presión y ayudan a reducir las causas de los problemas de monitoreo y activación.

Manteniendo la tecnología de sensores a la vanguardia

El desarrollo continuo de los ventiladores siempre se ha relacionado con la tecnología de sensores disponible. Desde rotámetros utilizados en los primeros días hasta mediciones de flujo con sensores de presión diferencial sobre orificios o anemómetros de alambre caliente, la tecnología de medición de sensores ha evolucionado considerablemente para mantener el ritmo de los requisitos cada vez mayores de los ventiladores. Un desarrollo de próxima generación del anemómetro de alambre caliente es la tecnología Sensirion CMOSens®, que se utiliza en todos los sensores de flujo másico y sensores de presión diferencial de Sensirion. Con la tecnología CMOSens®, Sensirion ha desarrollado una gama de sensores de flujo en constante expansión basada en la tecnología MEMS (sistema microelectromecánico) que ahora cubre todos los requisitos modernos de sensores de ventilador:

  • Solución de sensor inspiratorio (I) para un control preciso e instantáneo del ventilador y monitoreo del flujo de aire inspiratorio
  • Solución de sensor espiratorio (E) para equilibrar el aire exhalado por el paciente con aire inspiratorio ventilado
  • Solución de sensor proximal (P) para medir el aire inhalado y exhalado directamente al paciente con la máxima precisión

Particularmente en el caso de la medición proximal, la gama de sensores Sensirion cubre aplicaciones de ventilación para adultos y neonatos con soluciones de sensores de un solo uso y reutilizables. Dado que los sensores espiratorios y proximales entran en contacto con el aire del paciente húmedo o potencialmente contaminado, es esencial reemplazarlo o limpiarlo. Por esta razón, todas las soluciones de sensores de flujo reutilizables se pueden limpiar utilizando varios métodos, desde el lavado hasta el autoclave (135 ° C,> 2 bar de presión y 100% de humedad relativa).

Sensores proximales (de un solo uso y reutilizables) para ventilación de adultos.

Beneficios de la tecnología de medición de flujo de próxima generación

Algunas de las principales diferencias con su tecnología predecesora, los anemómetros de alambre caliente, son que las soluciones modernas de sensores de flujo entregan una señal de salida digital, completamente calibrada y con compensación de temperatura. De este modo, los sensores pueden usarse directamente con el paciente y, por lo tanto, sin una recalibración previa que requiera mucho tiempo o que se requiera periódicamente. Además, los sensores permiten medir el flujo de aire simétricamente en ambas direcciones. La tecnología robusta del sensor no requiere un ajuste de punto cero, no tiene un desplazamiento temporal  y no necesita ser calibrado durante la vida útil del sensor. Eta tecnología también permite un uso sin histéresis e independiente de la posición con un impresionante rango de medición dinámica y una alta sensibilidad de medición en todos los rangos de flujo. Dado que la señal de medición se procesa directamente dentro del sensor y la salida es digital y los valores de flujo compensados ​​por temperatura, no se requieren componentes costosos como convertidores A / D. Todos estos beneficios permiten que el personal médico administre la ventilación del paciente de manera segura, fácil y rápida, así como de manera confiable, lo que proporciona ventajas significativas cuando se trata de desafiar la ventilación de emergencia, así como en entornos de atención subaguda y atención domiciliaria.

Requisitos para los sensores de flujo (proximales)

Los desafíos en los sensores de flujo proximal son variados y exigentes. Los sensores deben ser confiables y rentables, estables a largo plazo y, además, contar con muchas otras características específicas del ventilador (por ejemplo, una baja caída de presión, un pequeño volumen de espacio muerto, un rango de medición bidireccional y un alto nivel de sensibilidad) además de ser adecuado para la ventilación orientada al paciente. Se establecen requisitos particularmente estrictos para la esterilización higiénica a medida que los sensores entran en contacto con aire potencialmente contaminado con patógenos.

Usar con alta humedad

El talón de Aquiles de todos los sensores de flujo de aire actuales existentes en el mercado es el uso en combinación con humidificadores. Como se describió anteriormente, los humidificadores se usan con frecuencia ya que su importancia va mucho más allá de la comodidad del paciente durante la terapia. La alta humedad se convierte en un problema cuando conduce a la condensación, lo que hace que lluevan gotas de agua macroscópicas en las partes más frías del circuito del ventilador. Como solución a esta aplicación común pero desafiante, todos los sensores proximales y espiratorios Sensirion están equipados con un elemento de calentamiento externo adicional. El funcionamiento de este elemento calefactor con un máximo de 0,5 W es suficiente para evitar de forma fiable la condensación en el sensor y garantizar así un funcionamiento estable y fiable a largo plazo.

Comprobamos  esto en un caso de ventilador neonatal simulado con aire extremadamente húmedo y un volumen corriente muy pequeño de solo 5 ml. El esquema ilustrado en la Figura 3 muestra un humidificador típicamente utilizado en configuraciones de ventiladores para asegurar que el aire respirable esté bien humedecido. El cilindro de acero en el calefactor se mantiene a 37 ° C y simula los pulmones del bebé con el sensor de presión conectado que se utiliza como referencia. La válvula controlada se cierra durante el ciclo de respiración inspiratoria y se abre una vez por segundo durante la parte espiratoria del ciclo de respiración.

Esquema de una configuración de ventilación neonatal con aire extremadamente húmedo y un volumen corriente muy pequeño de solo 5 ml.

Sin el uso del calentador, puede ver cómo gotas individuales de agua corren sobre el elemento sensor y causan una lectura errónea de los valores de medición en el transcurso de 16 horas durante la ventilación del muy pequeño volumen corriente de 5 ml. Esta lectura errónea se puede reconocer claramente por las desviaciones del volumen espiratorio / inspiratorio del volumen de referencia que se muestra en la siguiente figura:

El sensor SFM3400 se utiliza en entornos de muy alta humedad sin (arriba) y con (abajo) el uso del elemento de calentamiento externo especial. El volumen inspiratorio y espiratorio se mide con la solución del sensor SFM3400 proximal durante un período de 16 horas.

Se puede observar lo contrario cuando se enciende el elemento calefactor. Durante todo el transcurso del período de ventilación de 16 horas, no hubo fallas significativas en la lectura de la medición proximal debido a la alta condición de humedad.

El uso y la difusión de los ventiladores continuarán creciendo fuertemente en el futuro debido al creciente número de enfermedades pulmonares. Los ventiladores modernos exigen cada vez más demandas de sensores para centrar la atención en los pacientes y su terapia. La tecnología CMOSens® ha establecido una nueva generación de sensores de flujo que han demostrado su fiabilidad millones de veces en el campo de los dispositivos CPAP y las aplicaciones automotrices con las ventajas para los ventiladores que son evidentes. Esta ventaja tecnológica permitirá a los fabricantes darse cuenta de los próximos saltos cuánticos en la ventilación.

El medidor de flujo SFM3400

El sensor SFM3400 es un sensor de flujo proximal para aplicaciones neonatales y pediátricas en dispositivos respiratorios como ventilación o anestesia. El sensor está disponible como versión de un solo uso (SFM3400-D) y como versión reutilizable (SFM3400-AW). La solución reutilizable es autoclavable y lavable.

El sensor de flujo SFM3400 tiene una precisión de medición excepcional y un tiempo de procesamiento de señal corto, así como una gran robustez. El sensor de flujo digital mide caudales bidireccionales de hasta 33 slm y está completamente calibrado para gases de aire, N2 y O2. El diseño especial del canal de flujo da como resultado un volumen de espacio muerto bajo de menos de 1 ml. El sensor presenta conos médicos estándar para la conexión neumática al ciclo respiratorio y tiene una interfaz mecánica para una conexión eléctrica simple y fácil de usar. Gracias a sus características de rendimiento, los medidores de flujo másico SFM3400 son ideales para mediciones de flujo proximal en aplicaciones OEM neonatales y pediátricas, ventilación en hospitales, situaciones de emergencia y aplicaciones de atención domiciliaria.

Características

  • Para aplicaciones neonatales y pediátricas.
  • Versiones reutilizables (autoclavables / lavables) y de un solo uso
  • Caudales: ± 33 slm (bidireccional)
  • Totalmente calibrado, sin recalibración
  • Tiempo de actualización muy rápido (0.5 ms)
  • Pequeño espacio muerto: <1 ml
  • La mejor precisión de su clase
  • Robusto
  • Mayor sensibilidad
  • Baja dependencia de diferentes condiciones de entrada
  • Conos médicos para conexión neumática a circuitos respiratorios estándar
  • Interfaz mecánica para reconexión eléctrica.

Aplicaciones

  • Medición de flujo proximal (aplicaciones neonatales y pediátricas)
  • Ventilación
  • Anestesia
  • Mediciones respiratorias.
  • Mediciones metabólicas

 


Fuentes:

Esta nota fue publicada gracias a la autorización de Sensirion, The Sensor Company.  Laubisruetistrasse 50. 8712 Staefa ZH, Switzerland. Tel. +41 44 306 40 00

[1] S. Crane, M. Elliot, P. Gilligan, et al, “Noninvasive ventilation in cardiogenic pulmonary edema: a multicenter randomized trial,” Am Journal Respir Crit Care Med, Vol. 168, pp. 1432–1437, 2003. [2] R. A. Castle, C. J. Dunne, Q. Mok, A. M. Wade and J. Stocks, “Accuracy of displayed values of tidal volume in the pediatric intensive care unit,” Crit. Care Med., p. 2566–74, No. 11, Vol. 30, 2002.

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