Ultraschallmesstechnik in Geräten der Intensivmedizin

Im Einsatz gegen COVID-19

Die intensivmedizinische Behandlung ist ein zunehmend wichtiger Bereich der Patientenversorgung in Krankenhäusern, insbesondere in globalen medizinischen Krisen wie der aktuellen COVID-19-Pandemie. Viren und andere Infektionen betreffen vor allem Menschen mit Vorerkrankungen, z. B. der Nieren oder des Herz-Kreislauf-Systems. Im Hinblick auf die Behandlung und Therapie solcher Erkrankungen steigen auch die Anforderungen an die eingesetzten Medizinprodukte stetig. Die Piezotechnologie bietet hier verschiedene Möglichkeiten, sie zu verbessern: Piezo-Ultraschallwandler beispielsweise machen Intensivpflegegeräte wie Infusionssysteme intelligenter und erleichtern die Überwachung lebenswichtiger Körperfunktionen.

Infusionssysteme mit Ultraschallsensoren

Infusionsgeräte sind in der Intensivmedizin weit verbreitet, z. B. in Hämodialysegeräten zur Behandlung chronischer Nierenerkrankungen. Diese Systeme reinigen das Blut des Patienten in einem extrakorporalen Zyklus in einem Dialysator. Die Diffusion der Giftstoffe erfolgt zwischen dem Blut und einer Dialyseflüssigkeit, die durch eine biokompatible Dialysemembran getrennt sind. So werden Giftstoffe aus dem Blut entfernt, die sonst aufgrund der Nierenschädigung und der dadurch beeinträchtigten Entgiftungsfunktion im Blutkreislauf verbleiben würden. Nach der Dialyse wird das Blut in den Blutkreislauf des Patienten zurückgeführt.

Weitere Einsatzbereiche für Infusionssysteme sind Bluttransfusion oder der sogenannte kardiopulmonale Bypass, auch bekannt als Herz-Lungen-Maschine. Bei lebensrettenden Operationen, z. B. am offenen stillstehenden Herzen, übernehmen diese Systeme die Pumpfunktion des Herzens und sorgen für die Sauerstoffversorgung des Blutes, die sonst von der Lunge ausgeführt würde.

Laufzeitmessung mit Piezokomponenten

In einen Ultraschallsensor integrierte >> Piezokomponenten können gleichzeitig als Sender und Empfänger von Ultraschallwellen dienen. Die piezoelektrische Festkörperumwandlung verhindert Reibung oder Verschleiß der Komponenten, was jegliche Wartung überflüssig macht. Wird eine Spannung an eine piezokeramische Scheibe angelegt, wirkt diese als Aktor mit einer dynamischen Bewegung und erzeugt Ultraschallwellen (inverser piezoelektrischer Effekt). Unter Ausnutzung des direkten piezoelektrischen Effekts ist die Piezokeramik in der Lage, Schallwellen zu erfassen und in elektrische Signale umzuwandeln. Piezokomponenten messen, wenn sie in einem Schallweg schräg zur Strömungsrichtung angeordnet sind, die Laufzeit der Schallwellen in und gegen die Strömungsrichtung. Die Strömungsgeschwindigkeit kann aus der Differenz der Schalllaufzeit bestimmt werden.

 

 

Smart Metering in Medizingeräten

Infusionssysteme und andere medizinische Geräte greifen zunehmend auf Ultraschallsensoren zurück, um den Blutfluss in Schläuchen zu messen oder lebensgefährliche Luftblasen zu erkennen. Piezokomponenten sind dafür besonders gut geeignet – sie sind sehr kompakt und können an der Außenseite des Schlauches angebracht werden. Dieser Prozess ist nicht-invasiv und verhindert eine Kontamination der zu überwachenden Flüssigkeiten durch das Messsystem.

Die integrierten Piezoplatten oder -scheiben können den Durchfluss von Flüssigkeiten in einer Vielzahl von Schläuchen messen, unabhängig von Viskosität, Dichte oder Farbe der Flüssigkeit oder des Schlauches. Diese Sensoren sind außerdem in der Lage, in den Blutkreislauf injizierte Luftblasen in Echtzeit zu erkennen, sodass medizinisches Personal diese frühzeitig entdecken und lebensbedrohliche Luftembolien verhindern kann. Ein weiterer Pluspunkt piezobetriebener Ultraschall-Messsysteme: Aufgrund der Großserienfertigung sind Piezosensoren sehr kostengünstig.

Lebensrettende Luftblasendetektion

Die Möglichkeit der Erkennung von Luftblasen erhöht die Patientensicherheit erheblich. Infusionssysteme können zur besseren Überwachung mehrere Luftblasendetektoren enthalten. Diese machen sich die Laufzeitmessung der induzierten Schallwellen zunutze: Wenn Schallwellen in einem Rohr auf eine Luftblase treffen, werden sie an der Grenzfläche der Blase reflektiert, da zwischen den beiden Medien ein Impedanzunterschied besteht. Im Vergleich zur Laufzeitmessung in einem blasenfreien Schlauch kann eine Luftblase aufgrund der verkürzten Laufzeit der Schallwellen sofort erkannt werden. Wird eine Luftblase im Schlauch z. B. einer Herz-Lungen-Maschine festgestellt, wird der Pumpvorgang des Infusionssystems sofort unterbrochen. Das mit Luftblasen verunreinigte Blut wird dann in ein Reservoir umgeleitet, damit der extrakorporale Blutkreislauf wieder ohne Unterbrechung funktionieren kann.

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

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Über den Autor

Annemarie Oesterle

Segment Marketing Manager Medizintechnik, PI Ceramic GmbH

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