Solutions de capteur de débit dans les ventilateurs

Des capteurs de débit sont utiliséspour mesurer le débit de sang ou d'oxygène dans un vaisseau. Les capteurs de débit implantables sont généralement intégrés dans un ballonnet flexible (Fig. 20.10) qui est ajusté autour du vaisseau dont le débit doit être mesuré.

Alors que l'utilisation et la diffusion des ventilateurs continuent de croître, la technologie CMOSens a mis en place une nouvelle génération de capteurs de débit.

Les mesures continues du débit d'air pendant la surveillance de l'anesthésie, les soins intensifs ainsi que dans les environnements cliniques et ambulatoires fournissent des informations importantes pour l'évaluation du comportement cardiorespiratoire et du circuit respiratoire et sont devenues indispensables dans la médecine moderne.

Les systèmes de ventilation mécanique fournissent aux patients du gaz respiratoire au moyen de « pompes à air » mécaniques et cette technique de ventilation utilise une pression positive pour fournir de l'air aux poumons du patient.

Figure 1 : Construction schématique d'un ventilateur avec les différentes positions de capteur typiques et l'utilisation d'un humidificateur.

L'augmentation des fonctionnalités intelligentes intégrées à ces ventilateurs leur permet de s'adapter automatiquement aux changements de la fonction pulmonaire ou de la respiration du patient. La ventilation moderne à pression contrôlée ou à volume contrôlé est donc plus que jamais orientée vers le patient. Étant donné que de moins en moins de modes de ventilation sont nécessaires en raison de l'augmentation de l'intelligence des appareils, les ventilateurs médicaux sont globalement devenus moins complexes à utiliser.

La ventilation non invasive fait référence aux thérapies de ventilation qui sont effectuées à l'aide de masques ou de canules nasales. Ceci est souvent appelé ventilation au masque ou VNI/NPPV (ventilation non invasive ou ventilation à pression positive non invasive). En ventilation invasive, un tube endotrachéal ou une canule trachéale est inséré dans la trachée du patient pour alimenter les poumons en air. Les deux types de ventilation – non invasive et invasive – ont leur mérite et sont utilisés de manière complémentaire.

Un facteur qui ne doit pas être sous-estimé est l'humidification de l'air inhalé car elle va bien au-delà du simple confort du patient. Un air bien humidifié et réchauffé contribue de manière significative au succès de la thérapie par ventilation car il améliore à la fois le drainage des sécrétions et la tolérance de la thérapie par ventilation non invasive.

Les tendances actuelles dans les hôpitaux montrent que la ventilation non invasive est utilisée plus fréquemment aujourd'hui et pour beaucoup plus de symptômes que jamais auparavant. Les unités de soins intensifs, par exemple, utilisent de plus en plus la ventilation non invasive comme traitement de première ligne, ce qui réduit les complications infectieuses, les périodes de sevrage, les durées de séjour en USI, les taux et les coûts d'intubation.

Le problème clé pour tous les ventilateurs est la mesure précise du débit de gaz respiratoire et du volume de gaz respiratoire qui entre et sort du patient. Ces mesures avec la sensibilité et la précision les plus élevées permettent la ventilation orientée vers le patient mentionnée précédemment et actuellement en vigueur, qui reflète également mieux la physiopathologie du patient. La figure 1 montre la construction schématique d'un ventilateur avec les positions typiques du débit d'air/capteur.

Défis techniques

Les circuits respiratoires complexes ont une large plage de variabilité de composition en raison des différents types de tubulures, d'humidificateurs, de filtres et d'adaptateurs utilisés. Il en résulte souvent des fuites et des imperfections, c'est pourquoi le débit inspiratoire (I) diffère parfois sensiblement du débit qui atteint réellement le patient. Il en va de même pour le débit expiratoire (E). Les mesures du débit d'air sont également entravées par les changements constants de la température de l'air, de l'humidité et de la composition des gaz respiratoires, ainsi que par la contamination des tuyaux et des capteurs expiratoires/proximaux par des expectorations, des agents pathogènes et du sang. En raison de limitations techniques, les mesures des débits inspiratoires (I) et expiratoires (E) ont été effectuées à l'intérieur du ventilateur dans le passé. Les valeurs de débit approximatif ont ensuite été corrigées dans la mesure du possible à l'aide d'algorithmes de compensation complexes et souvent imprécis.

Figure 2. Schéma d'une installation de ventilation avec de l'air extrêmement humide et un très petit volume courant de seulement 5 ml.

Les capteurs de débit proximaux doivent être fiables et rentables, stables à long terme et, en outre, présenter de nombreuses autres caractéristiques spécifiques au ventilateur afin d'être adaptés à la ventilation moderne axée sur le patient. De plus, des exigences particulièrement strictes en matière de stérilisation hygiénique sont nécessaires car les capteurs entrent en contact avec de l'air potentiellement contaminé par des agents pathogènes.

Le talon d'Achille de tous les capteurs de débit d'air actuels est l'utilisation en combinaison avec des humidificateurs. Une humidité élevée devient un problème lorsqu'elle conduit à la condensation, provoquant la pluie de gouttelettes d'eau macroscopiques dans les parties les plus froides du circuit du ventilateur. En guise de solution, tous les capteurs Proximaux et Expiratoires Sensirion sont équipés d'un élément chauffant externe supplémentaire. Le fonctionnement de cet élément chauffant avec un maximum de 0.5 W est suffisant pour empêcher de manière fiable la condensation dans le capteur et ainsi assurer un fonctionnement stable et fiable à long terme.

Le schéma illustré à la figure 2 montre un humidificateur généralement utilisé dans les configurations de ventilateur pour s'assurer que l'air respirable est bien humidifié. Le cylindre en acier dans le four est maintenu à 37 degrés et simule les poumons avec le capteur de pression connecté utilisé comme référence. La valve contrôlée est fermée pendant le cycle respiratoire inspiratoire et ouverte une fois par seconde pendant la partie expiratoire du cycle respiratoire.

Sans l'utilisation du chauffage, des gouttes d'eau individuelles peuvent couler sur l'élément capteur et entraîner une lecture erronée des valeurs de mesure. Cette erreur de lecture se reconnaît clairement aux écarts du volume expiratoire/inspiratoire par rapport au volume de référence.

Perspectives

L'utilisation et la diffusion des ventilateurs continueront de croître fortement à l'avenir en raison du nombre croissant de maladies pulmonaires. Les ventilateurs modernes imposent des exigences toujours croissantes aux capteurs afin de se concentrer sur les patients et leur traitement.

La technologie CMOSens a établi une nouvelle génération de capteurs de débit qui ont prouvé leur fiabilité des millions de fois dans le domaine des appareils CPAP et des applications automobiles, les avantages pour les ventilateurs étant évidents.

C'est l'avantage technologique qui permettra aux fabricants de réaliser les prochains sauts quantiques en matière de ventilation.