Ein weiterer technologischer Durchbruch: Messung niedrigster Durchflussraten in der Medizin

Sensirion: Bei medizinischen Verfahren und Therapien gilt es häufig, eine ähnliche Herausforderung zu meistern: Es müssen kleinste Durchflussraten – unter einem Milliliter pro Stunde – gemessen und geregelt werden. In den meisten Fällen hängen die Ergebnisse der Therapie – und damit das Wohlbefinden, wenn nicht sogar das Überleben des Patienten – von einer zuverlässigen und kontinuierlichen Medikamentengabe selbst bei äusserst niedrigen Durchflussraten ab. Zwar wurden bereits diverse Massnahmen zur Steigerung der Zuverlässigkeit solcher Therapien evaluiert und eingeführt, doch bleibt immer noch Raum für Verbesserungen mit Hilfe neuer Technologien. Ein enorm vielversprechender Ansatz ist zum Beispiel die Verwendung eines Einweg-Durchflusssensors, mit dem die niedrigsten Durchflussraten gemessen und häufige Fehlermodi schnell und zuverlässig erkannt werden können.

Ambulante Infusionspumpen erfreuen sich wachsender Beliebtheit in der ambulanten Therapie und der häuslichen Pflege, da sie über einen Zeitraum von mehreren Tagen für eine kontinuierliche Abgabe hochkonzentrierter Medikamente sorgen. Durch den Einsatz tragbarer ambulanter Infusionspumpen konnten die Dauer von Krankenhausaufenthalten und die damit einhergehenden Kosten deutlich reduziert werden. Dazu kommt eine erhebliche Verbesserung der Lebensqualität des Patienten, da dieser sich in seiner vertrauten Umgebung aufhalten kann. Die geforderten Durchflussraten reichen bei derartigen Behandlungen in der Regel von einem Milliliter bis hin zu wenigen hundert Millilitern pro Stunde (ml/h). So konnte zum Beispiel nachgewiesen werden, dass im Falle einer Chemotherapie die kontinuierliche Medikamentengabe im Vergleich zu herkömmlichen Injektionen im Tagesrhythmus einen positiven pharmakodynamischen Effekt auf die Wirksamkeit und die Toxizität der Therapie hat.

Eine sogenannte Elastomerpumpe ist einer der am häufigsten genutzten Vertreter ambulanter Infusionspumpen. Typischerweise besteht diese aus einem Druckreservoir, das kontinuierlich Druck auf das Medikament ausübt, einem IV-Infusionsset mit einem Durchflussbegrenzer (z. B. eine dünne Kapillare als Druckabfallelement), der die erforderliche Durchflussrate einstellt, sowie einem Venenkatheter oder Injektionsport. Diese Pumpen funktionieren häufig rein mechanisch und kommen als Einweggeräte in der Chemotherapie, der Schmerztherapie oder der Chelat-Therapie zum Einsatz. Sie weisen in der Regel ein charakteristisches konkaves Druckprofil auf, das heisst, die erzeugte Durchflussrate ist am Ende und am Anfang der Therapie leicht höher als in der Mitte.
Die tatsächlich durch Elastomerpumpen injizierten Durchflussraten werden hauptsächlich durch zwei Parameter beeinflusst: durch den Differenzialdruck zwischen Ein- und Ausgang des Durchflussbegrenzers sowie zweitens durch dessen Widerstand. Während der Eingangsdruck durch das Druckprofil des Pumpenreservoirs bestimmt wird, hängt der Ausgangsdruck von mehreren Faktoren ab: von der Art der Injektionsstelle, vom individuellen Venengegendruck des Patienten sowie vom Höhenunterschied zwischen Reservoir und Injektionsstelle. Der Widerstand des Durchflussbegrenzers wird durch die Viskosität des Medikaments beeinflusst, die wiederum von der molekularen Zusammensetzung und der Temperatur der Lösung abhängt. Damit auch bei sich ändernder Umgebungstemperatur die Temperatur der Lösung möglichst stabil bleibt, empfehlen Hersteller von Elastomerpumpen meistens, den Durchflussbegrenzer über den gesamten Therapieverlauf mit einem Pflaster auf der Haut des Patienten zu befestigen.

Die derzeit etablierten Systeme weisen, wie oben beschrieben, eine Reihe bekannter Schwächen auf.

Die gemäss internationalen Normen erforderliche Genauigkeit der Durchflussrate liegt unter spezifischen Bedingungen bei ±15 %. Für den Patienten ist es während seiner üblichen alltäglichen Abläufe jedoch schwierig, die empfohlenen Handlungsanweisungen so einzuhalten, dass die spezifizierte Pumpenleistung gewährleistet ist. Aus diesem Grund weichen die tatsächlichen Durchflussraten häufig erheblich von den beabsichtigten Werten ab. Während höhere Durchflussraten zu einer erhöhten Toxizität der Therapie führen, reduzieren niedrigere Durchflussraten die Wirksamkeit der Behandlung. Somit verhindern Abweichungen in beide Richtungen ein optimales Therapieergebnis. Wenn zudem Medikamente aufgrund niedrigerer Durchflussraten nicht verabreicht werden, verbleiben sie als Reste im Reservoir und müssen auf spezielle Weise entsorgt werden.

Insbesondere bei niedrigen Durchflussraten sind ohne die Nutzung eines Einweg-Durchflusssensors Verstopfungen des sehr dünnen Durchflussbegrenzers oder der Injektionsstelle nicht ausreichend schnell und zuverlässig zu erkennen. In den meisten Fällen dauert es Stunden, bis eine Okklusion durch den Patienten oder das Pflegepersonal erkannt wird. Auch dies verhindert ein optimales Therapieergebnis.

Derzeit können die hier beschriebenen unerwünschten Effekte weder für ein direktes Feedback noch zu Zwecken der telemetrischen Betreuung überwacht werden. Auch eine Aufzeichnung dieser zur späteren Analyse durch das Klinikpersonal ist aktuell nicht möglich.

Aus diesem Grund entwickeln viele Hersteller ambulanter Infusionspumpen intelligente Versionen ihrer bestehenden Produkte. Eine mögliche Lösung ist die nahtlose Integration eines Einweg-Durchflusssensors im Infusionsset – zum Beispiel des LD20 Sensors von Sensirion.

In der Pädiatrie und der Neonatologie erhalten die winzigen und verletzlichen Patienten sehr viel spezielle Pflege und Aufmerksamkeit – nicht nur vom Pflegepersonal, den Ärzten und Eltern, sondern auch von der Medizinbranche.

Aufgrund des geringen Körpergewichts der Patienten sind in diesem Kontext Durchflussraten von 1ml/h oder auch weniger die Regel. Somit wirken sich die bekannten und inhärenten Probleme der aktuellen Infusionstechnologie (Startverzögerungen, Durchflussstörungen und Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck) sogar noch schädlicher auf das Therapieergebnis aus.

Die Verabreichung lebensrettender Medikamente mit kurzen Halbwertszeiten, wie zum Beispiel Adrenalin, darf auf keinen Fall durch die eingesetzte Infusionstherapie verzögert oder ausgesetzt werden. Dennoch geschieht dies häufig. Grund dafür ist die Compliance der Schläuche und Spritzenkolben, die Bewegung und vertikale Verlagerung von Spritzenpumpen beim Transport des Patienten oder die Befüllung der Pumpe mit einer neuen Spritze.

Die Summe aller injizierten oder sonst wie eingenommenen Flüssigkeiten, sei es in Form von Medikamenten oder als Nahrung sowie der ausgeschiedenen Flüssigkeitsvolumina ist nicht nur für das Wohlbefinden des Kindes wichtig, sondern auch nach oben begrenzt. Daher muss der Flüssigkeitshaushalt des Kindes oder Neugeborenen täglich überwacht und neu berechnet werden.

Einweg-Durchflusssensoren, in Infusionssets integriert, ermöglichen es medizinischen Geräten nicht nur die verabreichten Durchflussraten präzise zu überwachen, sondern auch die bereits genannten üblichen Fehlermodi schnell und zuverlässig zu erkennen.

Für die kontinuierliche Urinflussmessung bei schwer kranken Patienten müssen Durchflussraten im Bereich von einem Milliliter bis 100 Milliliter pro Stunde gemessen werden. Akutes Nierenversagen (ANV) ist eine weit verbreitete Komplikation (mit einer Häufigkeit von 20 bis 30 %) bei schwer kranken Patienten auf der Intensivstation. Die frühe Erkennung und korrekte Diagnose von akutem Nierenversagen wird derzeit in der medizinischen Forschung und Entwicklung umfassend behandelt. Mit Eintreten eines ANV steigt die Patientenmortalität und das Risiko einer chronischen Nierenerkrankung erheblich.

Heutzutage kann akutes Nierenversagen zwar aufgrund von Laborwerten wie der Änderung der Serumkreatinin-Konzentration oder dem Ausstoss von Abfallprodukten aus dem Stickstoffmetabolismus der Nieren diagnostiziert werden. Forschungsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass die Menge produzierten Urins eines katheterisierten Patienten empfindlicher auf Veränderungen der Nierenfunktion reagiert als biochemische Marker. Eine Veränderung des produzierten Urinvolumens ist damit früher aussagekräftig als Veränderungen der biochemischen Zusammensetzung des Urins.

Ärzte steigern die Sensitivität und die Genauigkeit der ANV-Diagnose mithilfe der standardisierten RIFLE-Klassifikation (Risiko, Schädigung, Versagen [der Nieren], Verlust [der Nierenfunktion], terminales Nierenversagen). Diese Klassifikation besagt, dass ein Absinken der Urinausscheidung unter 0,5 ml pro Kilogramm Körpergewicht pro Stunde über mehr als sechs Stunden in Folge ein erstes Anzeichen eines erhöhten Risikos für Nierenversagen ist.

Das grösste Problem bei der Bestimmung des vom Patienten ausgeschiedenen Urinvolumens besteht heute darin, dass dieses in regelmässigen Abständen von Hand vom Pflegepersonal der Intensivstation gemessen und notiert werden muss. Eine Trendanalyse kann also nur aufgrund dieser manuell erfassten Werte durchgeführt werden. Die Möglichkeit einer automatischen und kontinuierlichen Messung und damit einer Aufzeichnung der Urinausscheidungen ermöglicht eine schnellere Diagnose. Nur so können Ärzte ein Nierenversagen zuverlässig erkennen oder bestenfalls sogar verhindern. Der Einweg-Durchflusssensor LD20 kann auch dieses Problem lösen.

Allen hier beschriebenen medizinischen Bereichen und Anwendungen ist Folgendes gemeinsam: Durch einen Einweg-Durchflusssensor können wichtige Messdaten und Vitalparameter automatisch erfasst und beispielsweise im elektronischen Patientendatenmanagementsystem (PDMS) gespeichert werden. Damit werden zeitraubende, ungenaue und aufwendig von Hand geschriebene Patientenakten überflüssig. Zudem wird die zeitnahe Erkennung unerwünschter Effekte möglich und die Daten sind für eine spätere Analyse einfach verfügbar. Vor allem jedoch hat das Pflegepersonal so mehr Zeit für andere Aufgaben, die seine Aufmerksamkeit erfordern.

Der Einweg-Durchflusssensor LD20 von Sensirion revolutioniert zahlreiche bekannte medizinische Anwendungen und ermöglicht zudem völlig neue Anwendungen.

Weitere Informationen

Messprinzip eines mikrothermischen CMOSens® Durchflusssensors
Die CMOSens® Technologie integriert einen sehr schnellen, miniaturisierten thermischen Sensor zusammen mit der gesamten hochpräzisen Auswerteschaltung auf einem einzigen CMOS Mikrochip. Ein Heizelement auf dem Mikrochip bringt für die thermische Flussmessung eine minimale Wärmemenge in das Medium ein. Zwei Temperatursensoren, symmetrisch oberhalb und unterhalb der Wärmequelle positioniert, erfassen mit hoher Sensitivität kleinste Temperaturdifferenzen und liefern so die grundlegende Information über die Wärmeausbreitung, welche direkt mit der Fliessgeschwindigkeit in Abhängigkeit steht. Mit der Integration auf einem einzigen Chip wird sichergestellt, dass die empfindlichen, analogen Sensorsignale störungsfrei und hochpräzise verstärkt, digitalisiert und weiterverarbeitet werden können, sodass der Chip dem Anwender direkt ein kalibriertes und linearisiertes Signal über eine digitale Schnittstelle zur Verfügung stellt.

Einweg-Durchflusssensor LD20
Der Durchflusssensor LD20 kombiniert Sensirions bewährte Sensortechnologie zur Messung von Flüssigkeitsdurchflüssen mit einem kostenoptimierten Einweg-Design für Hochvolumen-Anwendungen in der Medizintechnologie, den Biowissenschaften und der Lebensmittelindustrie. Der Sensor ermöglicht die bidirektionale Messung von Flussraten von wenigen Millilitern pro Stunde bis hin zu 1000 ml/h und kann gleichzeitig typische Fehlermodi wie Okklusion, unkontrollierter Durchfluss oder Luftblasen zuverlässig mit bisher unerreichter Geschwindigkeit und Sensitivität erkennen.

Über Sensirion – Experte für Umwelt- und Durchflusssensorlösungen

Die Sensirion AG mit Sitz im schweizerischen Stäfa ist einer der führenden Hersteller digitaler Mikrosensoren und -systeme. Die Produktpalette des Unternehmens umfasst Gas- und Flüssigkeitssensoren sowie Differenzdruck- und Umweltsensoren zur Messung von Temperatur und Feuchtigkeit, volatilen organischen Verbindungen (VOC), CO2 und Feinstaub (PM2.5). Das Netzwerk mit Niederlassungen in den USA, Europa, China, Taiwan, Japan und Korea unterstützt Kunden sowohl mit Serienprodukten als auch massgeschneiderten Sensorsystemlösungen für verschiedenste Anwendungen. Sensoren von Sensirion finden sich häufig in Medizin-, Industrie- und Automobilanwendungen sowie in Analyseinstrumenten, in der Konsumgüterbranche und in Heizungs-, Lüftungs- und Klimageräten. Zu den Alleinstellungsmerkmalen der Sensirion-Produkte gehört die patentierten CMOSens® Technologie, welche eine intelligente Systemintegration von Sensorelement, Logik, Kalibrierungsdaten und einer digitalen Schnittstelle auf einem einzigen Chip ermöglicht. Die treue Kundenbasis mit vielen namhaften Kunden sowie das Qualitätsmanagement nach ISO/TS16949 bestätigen Sensirion als zuverlässiges Sensorunternehmen.