Piezotechnologie für medizinische Beatmungsgeräte und Vernebler

Im Einsatz gegen COVID-19

Chronische Atemwegserkrankungen wie Mukoviszidose, Asthma oder die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), aber auch Bronchitis, Grippe und Lungenerkrankungen im Zusammenhang mit COVID-19 erfordern eine umfassende medizinische Behandlung. Beatmungsgeräte können für Patienten lebensrettend sein: sie werden eingesetzt, um den klinischen Zustand der Betroffenen zu verbessern, die Genesung zu fördern oder während einer medikamentösen Therapie zu unterstützen. Medizinische Zerstäuber vernebeln Medikamente so fein, dass sie tief in die Lunge inhaliert werden können und ermöglichen so die Therapie von Lungenerkrankungen.

Beatmungsgeräte müssen präzise und zuverlässig sein

Medizinische Beatmungssysteme gewährleisten eine regelmäßige Lungenfunktion: Sie ersetzen die Spontanatmung bei Patienten mit schwer geschädigter Lungenfunktion durch kontrollierte Gasein- und -ausatmung und garantieren so die lebensnotwendige Sauerstoffzufuhr. Sie werden bei schwerem Atemversagen oder Atemmangel infolge verschiedener Erkrankungen eingesetzt, etwa während der Narkose, bei Operationen und in der Intensivpflege. Gerade hier sind Zuverlässigkeit und Präzision entscheidend: als adaptive automatisierte Systeme erfordern diese intelligenten Beatmungsgeräte hochdynamische Elemente wie Piezokomponenten.

Piezo-Ventile steuern Sauerstoffzufuhr

Beatmungsgeräte versorgen den Patienten mit einem Gemisch aus Luft und Sauerstoff und sorgen gleichzeitig für einen zur Beatmung der Lungen ausreichenden Druck. Ventilfunktionen mit Flussraten von hoher bis niedriger Geschwindigkeit können mithilfe von Piezotechnologie realisiert werden: Piezoaktoren schalten Ventile direkt oder arbeiten gegen eine Schließfeder oder einen flexiblen Schlauch zur Volumenverdrängung. Piezoelektrische Ventile können in sehr kompakten Designs hergestellt werden – mit >> PICMA® Multilayer-Biegeaktoren mit Auslenkungen von einigen Millimetern.

Aufgrund ihres extrem niedrigen Energieverbrauchs sind Piezoaktoren ideal für batteriebetriebene portable Beatmungsgeräte geeignet. Die hervorragenden Regeleigenschaften von Piezoventilen mit Proportionaltechnik ermöglichen eine sehr schnelle und dynamische Bewegung des Ventils. Da sie im Betrieb sehr leise sind, eignen sich Piezoventile für den Dauereinsatz auch in geräuschempfindlichen Umgebungen, beispielsweise in Intensivstationen.

Berührungslose Durchflussmessung mit Piezo-Ultraschallwandlern

Die Steuerung und Überwachung von Gasflüssen sind Hauptaufgaben in medizinischen Beatmungsgeräten. Sie ermöglichen einen kontinuierlichen Luftstrom, erkennen aber auch einen Abfall der Flussrate, um den Betrieb des Beatmungssystems anzupassen. Zur Laufzeitmessung können Piezokomponenten wie Scheiben oder Platten in Ultraschallwandlern eingesetzt werden, um die Gasströmungsgeschwindigkeit und Flussrate zuverlässig zu bestimmen. Darüber hinaus ermöglichen sie die berührungslose Überwachung von Flüssigkeiten außerhalb der Flüssigkeitskammern, was eine Kontamination der Flüssigkeit verhindert. Sie eignen sich demnach besonders für den Einsatz in medizinischen Geräten. Ultraschall-Durchflusssensoren werden in Beatmungssystemen je nach Ausführung innerhalb des stationären Gerätes sowie nahe der Atemmaske selbst eingesetzt.

Piezogesteuerte Vernebler bieten viele Vorteile

Die therapeutische Behandlung von Atemwegserkrankungen erfordert traditionell die Verabreichung von Medikamenten über Jet-Vernebler. In diesen Geräten wird die Inhalationslösung zu sehr feinen Tröpfchen verdichtet. Eine alternative Lösung bietet die Erzeugung von Tröpfchen mittels Piezotechnologie in Membranverneblern mit >> Piezoringen, -scheiben oder –platten, die als Ultraschallwandler fungieren. Sie regen eine Edelstahlmembran mit mehreren tausenden mikrometerkleinen Löchern zu hochfrequenten Schwingungen an und erzeugen so besonders homogene Aerosole. Ihr kompaktes Design und ihre flexiblen Bewegungsmodi erlauben hohe Kräfte, Beschleunigungen und Ultraschall-Betriebsfrequenzen.

Membranvernebler: Effiziente Aerosolerzeugung mit Piezos

Die piezobetriebene Aerosolerzeugung sorgt dafür, dass hochwertige Medikamente gezielter appliziert werden können und eröffnet damit innovative Therapiekonzepte, die das Risiko von Nebenwirkungen deutlich senken. Da Piezokeramiken einen Kristalleffekt zur Erzeugung ihrer Auslenkung nutzen, weisen sie weder Reibung noch Verschleiß auf und sind somit wartungsfrei. Ein weiteres Plus piezoelektrischer Aerosolgeneratoren ist, dass sie für die professionelle Reinigung geeignet sind. Für den Patienten dürfte zu den wichtigsten Vorteilen zählen, dass Membranvernebler weitaus weniger Zeit zur Vernebelung von Medikamenten benötigen als herkömmliche Systeme. Im Betrieb sind sie nahezu nicht hörbar und mit minimalem Energieaufwand sind die Piezokomponenten sehr gut für tragbare Inhalationsgeräte geeignet. Vor allem für Patienten mit chronischen Atemwegserkrankungen, die häufig inhalieren müssen, erhöhen sie die Lebensqualität erheblich.


Mehr als nur Piezokeramik: Aufbau- und Verbindungstechnik von PI Ceramic

Ob die Integration von Piezos in Ultraschallwandler oder das Verkleben von Piezokomponenten auf Membranen, PI Ceramic kann mehr für Sie tun, als nur Piezoelemente herzustellen. Mit unserem fundierten Know-how in der Prüfung und Konfektionierung unterstützen wir unsere Kunden auch beim >> Verkleben oder Kontaktieren von Piezokomponenten sowie bei der Assemblierung kompletter Ultraschallwandler.




Über den Autor

Annemarie Oesterle

Segment Marketing Manager Medizintechnik, PI Ceramic GmbH

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