Fertige Flow-Sensor-Lösung für Beatmungsgeräte

Eine möglichst patientennahe Messung von inspiratorischen und exspiratorischen Atemgas-Flussraten ist die Grundlage dafür, patientengerecht zu beatmen. Die Nicolay GmbH/GPE Group und die Sensirion AG haben diesen Bedarf erkannt, ihr jeweils spezifisches Know-how gebündelt und in Kooperation eine Sensor-Stecker-Kabel-Kombination für die proximale Platzierung in Beatmungssystemen entwickelt. Die Stecker-Kabel-Kombination basiert auf den Werkstoffen TPU (Thermoplastisches Polyurethan), PUR (Polyurethan) und Silikon. Die Sensorik ist autoklavier- und waschbar oder als Einweg-Lösung erhältlich, jeweils für die proximale/patientennahe Beatmung von Erwachsenen als auch für die Neonatologie und zudem eine spezielle Variante für exspiratorische Anwendungen.

Ob Komponenten selbst entwickelt, deren Entwicklung outgesourct oder sie fertig eingekauft werden, ist eine Frage, mit der sich OEMs tagtäglich auseinandersetzen. Sensorik und Kabel zur Patientenüberwachung, die zwischen Monitor und Patient eingesetzt werden, erfordern spezielle Expertise und gehören deshalb typischerweise zu den Komponenten, die von Beatmungsgeräteherstellern nicht oder zumindest nicht komplett in Eigenregie produziert werden. Das fertige Produkt ist eine gute Alternative zu individuell entwickelten Lösungen. Der Einsatz der standardisierten, hochwertigen Flow-Sensoren mit diversen Verkabelungsmöglichkeiten ist beispielsweise dann besonders attraktiv, wenn Investitionen in eigene Entwicklung und Werkzeuge zeitlich kritisch oder nicht gerechtfertigt sind – etwa zu Testzwecken, beim Entwicklungsstart oder für Produkte in kleineren Serien.

Die Sensoren messen Atemgas-Flussraten hochgenau und geben kalibrierte und temperaturkompensierte Ausgangssignale zur weiteren Verarbeitung aus. Die Performance der Gasfluss-Sensoren basiert auf der patentierten CMO-Sens-Technologie, bei der ein mikrothermisches Sensorelement die Gas-Flussrate misst. Dieses Sensorelement, die Signalverarbeitung und die digitale Kalibrierung sind auf einem einzigen Mikrochip monolithisch integriert. Die komplette Lösung besteht aus der Kombination des jeweiligen Sensors und diversen elektrischen Anschlussmöglichkeiten zum Beatmungsgerät in Form von Steckerkappe und Kabel. Sie lässt sich also modular zusammenstellen und ist dadurch kompatibel mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen.

Das Sensorsignal von der Schnittstelle zum Medizinprodukt zu bringen, ist die klassische Aufgabe, der sich die Spezialisten von Nicolay widmen. Für die Flow-Sensor-Lösung haben sie eine mechanische Schnittstelle entwickelt, die robust und benutzerfreundlich ist. Hierbei musste in der Gestaltung und Kunststofffertigung unter anderem darauf geachtet werden, dass Deckel und Gehäuse zuverlässig miteinander verbunden sind und die Leiterplatte dabei geschützt bleibt. In der Hektik eines Notfalleinsatzes kann es in der Medizin immer passieren, dass robust mit dem Material umgegangen wird. Damit es das aushält, kam für den Stecker Glasfaser-(GF-)verstärktes TPU zum Einsatz. Die Entwickler hatten damit bereits sehr gute Erfahrung bei medizinischen Anwendungen gemacht: Es ist biokompatibel und bringt mit der GF-Verstärkung die notwendigen Eigenschaften mit, nämlich eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig guten Dehnungseigenschaften, um mechanischen Beanspruchungen standzuhalten. Ein PU-Verguss verbindet Ober- und Unterteil des Steckers kompakt und sicher und eine Dichtung aus Silikon ermöglicht, dass die Steckverbindung dicht, dauerhaft und robust schließt.

Was die Gestaltung der Tülle am Stecker betrifft, wurde auf eine Arretierung mittels Fangstiften oder eine aufwendige Umspritzung verzichtet. Sie ist aufgeschoben und damit zwar möglichst einfach, aber dennoch sicher fixiert. Die Materialpaarungen wurden ganz bewusst so zusammengestellt und auf diese medizintechnische Anwendung hin optimiert. Sie ergänzen sich und sind reinigungsmittelbeständig. Und apropos Reinigung und Dichtigkeit: Die Kabel und Schnittstelle sind im ungesteckten Zustand geeignet zur Wischdesinfektionen; die aufgesteckte Schnittstelle bringt eine Dichtigkeit nach Schutzart IP54, ist also geschützt gegen Staub und allseitiges Spritzwasser.

Auch was die Elektronik betrifft, sind unterschiedliche Anforderungen abgedeckt: Für die Kommunikation mit dem Sensor-I2C-Bus reicht bei einer Kabellänge von 30 cm ein Anschluss mit einfachen Federkontaktstiften aus. Für den sicheren Signaltransfer über längere Kabelwege hinweg ist im Stecker auf kleinem Raum Elektronik zur Signalkonvertierung integriert. Die Ausstattung mit einem RS485- oder RS232-Interface übersetzt die Signale für die erforderlichen Kommunikationsprotokolle des Beatmungsgeräts. Für den Geräteeingang stehen je nach Bedarf des OEMs unterschiedliche Schnittstellen zur Verfügung, beispielsweise die Stecksysteme Nicolay Mini7 oder Mini12. Neben den standardisierten Produktvarianten lassen sich kundenspezifische PCB-Layouts im Stecker integrieren und umsetzen. Gerätestecker von Drittanbietern lassen sich ebenfalls problemlos integrieren. Weitere Varianten, die zusätzlich eine integrierte Druckmessung ermöglichen, sind seit Mai 2021 erhältlich