Soluzioni di sensori di flusso nei moderni ventilatori medici by Sensirion AGMedicalExpo

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#Tendenze

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A novant'anni dal primo utilizzo del polmone di ferro, ci troviamo di fronte a sistemi di ventilazione meccanica che forniscono al paziente gas respirabile tramite "pompe d'aria" meccaniche Questa tecnica di ventilazione utilizza la pressione positiva per convogliare l'aria nei polmoni del paziente. L'aumento delle funzioni intelligenti incorporate in questi ventilatori consente loro di adattarsi automaticamente ai cambiamenti nella funzione polmonare o nella respirazione del paziente. Per questo motivo, la moderna ventilazione a pressione o a volume controllato è più orientata al paziente che mai. Poiché sono necessarie sempre meno modalità di ventilazione a causa dell'aumento dell'intelligenza del dispositivo, i ventilatori medici sono diventati meno complessi da utilizzare. In passato, la respirazione spontanea in pazienti con ventilazione invasiva è stata soppressa dalla sedazione per facilitare la ventilazione meccanica. Ora, i benefici della ventilazione spontanea sono compresi e un obiettivo è quello di mantenerla il più a lungo possibile, portando spesso a risultati migliori.

La ventilazione non invasiva si riferisce alle terapie di ventilazione che vengono eseguite utilizzando maschere o cannule nasali, spesso note 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 dei meriti e sono utilizzati in modo complementare. La ventilazione non invasiva è spesso implementata prima dell'intubazione o dopo l'estubazione in ambiente clinico. Un'altra applicazione classica della terapia NIV è in un ambiente di assistenza domiciliare, dove fornisce supporto di ventilazione ai pazienti senza il costante controllo da parte dei professionisti del settore medico. Spesso si distingue tra ventilatori sofisticati per la terapia intensiva, dotati di un'opzione di ventilazione non invasiva, e ventilatori non invasivi meno complessi per l'uso in ambienti di cura subacuta e domiciliare.

Un fattore da non sottovalutare è l'umidificazione dell'aria aspirata, che va ben oltre il semplice comfort del paziente. Anche se la ventilazione non invasiva non bypassa le vie respiratorie superiori e l'umidificazione dell'aria inspirata avviene ancora naturalmente, è comune l'uso di un sistema di umidificazione (Figura 1), in particolare per i pazienti che respirano attraverso la bocca. L'aria ben umidificata e riscaldata contribuisce in modo significativo al successo della terapia di ventilazione, poiché migliora sia il drenaggio della secrezione che la tolleranza della terapia di ventilazione non invasiva [1]

Le tendenze attuali negli ospedali dimostrano che la ventilazione non invasiva viene utilizzata oggi più frequentemente e per molti più sintomi che mai. I pazienti con malattia polmonare ostruttiva cronica ostruttiva costituiscono una larga parte della popolazione di pazienti trattati con ventilazione non invasiva in unità di terapia intensiva. Nel caso di insufficienza respiratoria acuta, ad esempio, le unità di terapia intensiva utilizzano sempre più spesso la ventilazione non invasiva come prima linea di trattamento, il che riduce le complicanze infettive, i periodi di svezzamento, la durata della permanenza in terapia intensiva, i tassi di intubazione [2] e i costi. Anche nell'ambito dell'assistenza domiciliare, l'uso della ventilazione non invasiva a lungo termine per malattie polmonari come la BPCO, la fibrosi polmonare o la fibrosi cistica è in aumento.

La questione chiave per tutti i ventilatori è la misurazione accurata della portata dei gas respiratori e del volume di gas respiratorio che fluisce dentro e fuori dal paziente. Queste misurazioni, con la massima sensibilità e precisione, consentono la già citata ventilazione orientata al paziente, che riflette meglio anche la fisiopatologia del paziente. Ad esempio, il monitoraggio della pressione, del flusso di massa e del flusso volumetrico nel tempo ci permette di osservare i cambiamenti delle condizioni del paziente, come la riduzione della capacità polmonare. La figura 1 mostra la costruzione schematica di un ventilatore con le tipiche posizioni del flusso d'aria/sensore.

I complessi circuiti respiratori hanno un'ampia gamma di variabilità di composizione dovuta ai diversi tipi di tubi, umidificatori, filtri e adattatori utilizzati. Ciò comporta spesso 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 dalle variazioni costanti della temperatura dell'aria, dell'umidità e della composizione dei gas respiratori, nonché dalla contaminazione dei tubi flessibili e dei sensori espiratorio/prossimale con espettorato, agenti patogeni e sangue. A causa di limitazioni tecniche del passato, all'interno del ventilatore sono state effettuate misurazioni di portata inspiratoria (I) ed espiratoria (E). I valori di portata approssimativa, a volte significativamente diversi da quelli effettivamente ventilati, sono stati corretti il più possibile con algoritmi di compensazione complessi e spesso imprecisi. Per contrastare questa sfida tecnica, il flusso respiratorio viene ora misurato il più vicino possibile al paziente, cioè prossimalmente.

Proveniente dalla neonatologia, è accettato che la migliore posizione di misurazione del flusso d'aria, del volume e della pressione del paziente è il più vicino possibile, cioè, prossimalmente (P), al paziente [2]. In questo modo i pazienti possono essere ventilati con un volume corrente il più accurato possibile e gli effetti della composizione del circuito di ventilazione di cui sopra sono quasi completamente eliminati. In particolare per applicazioni neonatali e pediatriche che si basano sulla misurazione accurata di flussi molto piccoli, la misurazione del flusso prossimale è diventata lo standard.

Ulteriori vantaggi della misurazione del flusso prossimale sono la rilevazione istantanea dei segnali respiratori, ai quali il ventilatore può rispondere ancora più rapidamente, nonché la rilevazione di perdite. In particolare per ridurre l'effetto delle perdite, i sensori prossimali (Figura 2) si rivelano utili sia per la ventilazione a volume controllato che a pressione controllata e contribuiscono a ridurre le cause dei problemi di monitoraggio e di attivazione.

Il continuo sviluppo dei ventilatori è sempre stato legato alla tecnologia dei sensori disponibili. Dai rotametri utilizzati nei primi tempi alle misure di portata con sensori di pressione differenziale su orifizi o anemometri a filo caldo, la tecnologia di misura dei sensori si è notevolmente evoluta per stare al passo con le sempre maggiori esigenze dei ventilatori. Uno sviluppo di nuova generazione dell'anemometro a filo caldo è la tecnologia Sensirion CMOSens® , utilizzata in tutti i sensori di flusso di massa e di pressione differenziale di Sensirion. Con la tecnologia CMOSens®, Sensirion ha sviluppato una gamma in continua espansione di sensori di flusso basati sulla tecnologia MEMS (micro sistema elettromeccanico) che ora copre tutte le esigenze dei moderni sensori per ventilatori:

In particolare nel caso della misurazione prossimale, la gamma di sensori Sensirion copre sia le applicazioni di ventilazione per adulti che neonatale con soluzioni di sensori monouso e riutilizzabili. Poiché sia i sensori espiratori che prossimali vengono a contatto con l'aria umida o potenzialmente contaminata del paziente, la sostituzione o la pulizia è essenziale. Per questo motivo, tutte le soluzioni di sensori di flusso riutilizzabili possono essere pulite con vari metodi, dal lavaggio all'autoclave (135°C, pressione >2 bar e umidità relativa del 100%).

Alcune delle differenze principali rispetto alla tecnologia precedente, gli anemometri a filo caldo, sono che le moderne soluzioni di sensori di flusso forniscono un segnale di uscita digitale, completamente calibrato e compensato in temperatura. I sensori possono quindi essere utilizzati direttamente con il paziente e quindi senza necessità di ricalibrazione preventiva o di ricalibrazione periodica. Inoltre, i sensori misurano simmetricamente il flusso d'aria in entrambe le direzioni. La robusta tecnologia del sensore non richiede la regolazione del punto zero, non si sposta nel tempo e non deve essere calibrata durante il ciclo di vita del sensore.

La tecnologia dei sensori di flusso di nuova generazione consente inoltre un utilizzo senza isteresi e indipendente dalla posizione, con un campo di misura dinamico e un'elevata sensibilità di misura a tutti i campi di portata. Poiché il segnale di misura viene elaborato direttamente all'interno del sensore e l'uscita è digitale e i valori di portata compensati in temperatura, non sono necessari altri componenti costosi come i convertitori A/D. Tutti questi vantaggi consentono al personale medico di gestire in modo sicuro, semplice e rapido, nonché in modo affidabile, la ventilazione del paziente, che offre vantaggi significativi quando si tratta di problemi di ventilazione d'emergenza, così come nell'ambito dell'assistenza subacuta e dell'assistenza domiciliare.

Le sfide sui sensori di flusso prossimale sono varie ed esigenti. I sensori devono essere affidabili ed economici, offrire una stabilità a lungo termine e presentare numerose altre caratteristiche specifiche del ventilatore, come una bassa perdita di carico, un piccolo volume di spazio morto, un campo di misura bidirezionale e un elevato livello di sensibilità, per essere adatti alla moderna ventilazione orientata al paziente. Inoltre, sono in vigore requisiti particolarmente severi per la sterilizzazione igienica, poiché i sensori possono incontrare aria potenzialmente contaminata da agenti patogeni.

Il tallone d'Achille di tutti gli attuali sensori di flusso d'aria sul mercato è l'uso di sensori in combinazione con gli umidificatori. Come descritto in precedenza, gli umidificatori sono utilizzati frequentemente e la loro importanza va ben oltre il comfort del paziente durante la terapia. L'elevata umidità diventa un problema quando porta alla condensa, causando la pioggia di macroscopiche gocce d'acqua nelle parti più fredde del circuito del ventilatore. Può essere utile dotare il sensore di un elemento riscaldante esterno aggiuntivo, come nel caso dei sensori prossimali ed espiratori di Sensirion. Il funzionamento di questo elemento riscaldante con un massimo di 0,5 W è sufficiente per evitare la formazione di condensa nel sensore e garantire così un funzionamento stabile e affidabile a lungo termine.

Lo abbiamo dimostrato in un ventilatore neonatale simulato con aria estremamente umida e un volume di marea molto piccolo di soli 5 ml. Lo schema, illustrato in Figura 3, mostra un umidificatore tipicamente utilizzato nei sistemi di ventilazione per garantire che l'aria respirabile sia ben umidificata. Il cilindro in acciaio nel forno viene mantenuto a 37°C e simula i polmoni del neonato con il sensore di pressione collegato utilizzato come riferimento. La valvola controllata viene chiusa durante il ciclo respiratorio e aperta una volta al secondo per la parte espiratoria del ciclo respiratorio.

Senza l'uso del riscaldatore, singole gocce d'acqua scorrono sull'elemento sensore e causano un'errata lettura dei valori di misura nel corso di 16 ore durante la ventilazione del volume di marea di 5 ml. Questo errore di lettura può essere chiaramente riconosciuto dalle deviazioni del volume espiratorio/inspiratorio rispetto al volume di riferimento mostrato in Figura 4.

L'uso e la diffusione dei ventilatori continuerà a crescere fortemente in futuro a causa del numero crescente di malattie polmonari. I moderni ventilatori pongono esigenze sempre maggiori ai sensori per focalizzare l'attenzione sui pazienti e sulla loro terapia. Una nuova generazione di sensori di flusso ha dimostrato la loro affidabilità milioni di volte nel campo dei dispositivi CPAP e delle applicazioni automotive, con evidenti vantaggi per i ventilatori. Questo vantaggio tecnologico permetterà ai produttori di realizzare i prossimi passi da gigante nella ventilazione.

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