Anwendung für medizinische Pumpen – Whitepaper

Diese Trends haben die Gesamtnachfrage nach Sensoren in medizinischen Produkten und Geräten erhöht, aber sie führen auch dazu, dass diese Sensoren kleiner, schneller, genauer und zuverlässiger werden. Und für die meisten Hersteller sind die Budgets begrenzt, was bedeutet, dass kostengünstige Komponenten ideal sind. Daher müssen Sensorinnovationen, die auf den Markt kommen, kleinere Formfaktoren aufweisen und gleichzeitig eine hohe Funktionalität und Erschwinglichkeit beibehalten.

Sensoren spielen eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl von medizinischen Funktionen, einschließlich verschiedener medizinischer Pumpen- und Durchflussanwendungen. Eine Infusionspumpe ist eine Art medizinisches Pumpengerät, das Flüssigkeiten wie Nährstoffe und Medikamente in präzisen und genau enden vorgeschriebenen Mengen über einen bestimmten Zeitraum an den Körper eines Patienten liefert. Diese Arten von medizinischen Pumpen sind in klinischen Umgebungen wie Krankenhäusern, Pflegeheimen und zu Hause weit verbreitet, da sie erhebliche Vorteile gegenüber der manuellen Verabreichung von Flüssigkeiten bieten. Zu diesen Vorteilen gehören die Möglichkeit, sehr kleine Dosen zu verabreichen, programmierte Volumina zu bestätigen und die Arbeitsbelastung der Mitarbeiter durch automatisierte Verwaltung zu reduzieren.

Da Infusionspumpen häufig zur Verabreichung kritischer Flüssigkeiten, einschließlich Hochrisikomedikamenten, eingesetzt werden, können Pumpenausfälle erhebliche Auswirkungen auf die Patientensicherheit haben. Viele Infusionspumpen sind mit Sicherheitsfunktionen wie Alarmen oder anderen Bedienerwarnungen ausgestattet, die im Falle eines Problems aktiviert werden sollen. Beispielsweise sind einige Pumpen so ausgelegt, dass sie Patienten und Mitarbeiter warnen, wenn Luft oder eine andere Verstopfung in den Schläuchen erkannt wird. Einige neuere Infusionspumpen, oft als intelligente Pumpen bezeichnet, sind so ausgelegt, dass sie den Benutzer warnen, wenn die Gefahr einer unerwünschten Wechselwirkung zwischen Arzneimitteln besteht oder wenn der Benutzer die Parameter der Pumpe außerhalb der festgelegten Sicherheitsgrenzwerte festlegt.

Im Bereich der herkömmlichen und intelligenten Pumpenanwendungen sind Sensorenwichtige Komponenten bei der Steuerung und Überwachung von Infusionspumpen. Sie sind dafür ausgelegt, Verstopfungen zu erkennen, Flüssigkeitsdurchfluss zu überwachen, Feedback zur Motorsteuerung bereitzustellen und in manchen Fällen auch die Temperatur der zugeführten IV-Flüssigkeit zu messen. Die folgende Abbildung zeigt die potenziellen Standorte von Sensoren, die in einer typischen Infusionspumpe eingesetzt werden.

Es gibt viele Pumpenvariablen, die in medizinischen Pumpenanwendungen berücksichtigt werden müssen. Zu diesen Variablen gehören das Flüssigkeitsvolumen, aber auch die Infusionsart, die kontinuierlich, intermittierend oder patientengesteuert sein kann. Um einen korrekten Flüssigkeitsfluss zu gewährleisten, werden Kraftsensoren in die Pumpe integriert, um mögliche Verstopfungen zu erkennen. Der Kraftsensor wird in der Regel unter einem Teil des Schlauches installiert, der die IV-Flüssigkeit trägt. Wenn eine Verstopfung in einer Pumpe auftritt, dehnt sich der Schlauch aus. Ein Kraftsensor, der an der Stelle platziert wird, an der der Schlauch auf das Gehäuse trifft, kann diese Ausdehnung erkennen, indem er die auf den Sensor ausgeübte Kraft durch einen Teil des Schlauches überwacht. Der Sensor kann einen Alarm auslösen, um den Benutzer zu warnen, wenn diese Ausdehnung erkannt wird. Die gleichen Betriebsprinzipien können in Infusionspumpen und Geräten angewendet werden, die für den Betrieb von medizinischen Fachkräften in Umgebungen wie Krankenhäusern, Hospizen und häuslicher Pflege entwickelt wurden. Ausdehnung durch Überwachung der auf den Sensor ausgeübten Kraft durch einen Teil des Schlauches. Der Sensor kann einen Alarm auslösen, um den Benutzer zu warnen, wenn diese Ausdehnung erkannt wird. Die gleichen Betriebsprinzipien können in Infusionspumpen und Geräten angewendet werden, die für den Betrieb von medizinischen Fachkräften in Umgebungen wie Krankenhäusern, Hospizen und häuslicher Pflege entwickelt wurden.

Obwohl medizinische Sensoren für den externen Einsatz, wie z. B. in Infusionspumpen, eher eine kleinere technologische Herausforderung darstellen als implantierbare Sensoren, müssen sie dennoch strenge Anforderungen erfüllen. Auch wenn Geräte für eine höhere Portabilität kleiner werden, erwarten Benutzer immer noch, dass diese Systeme Funktionalität und Genauigkeit beibehalten. Um kleine, aber genaue medizinische Geräte zu konstruieren, müssen Komponenten wie Sensoren auch robuste Funktionen zu niedrigen Kosten bieten. Darüber hinaus ist Zuverlässigkeit für die meisten medizinischen Pumpenanwendungen unerlässlich, insbesondere wenn kritische Flüssigkeiten infundiert werden.

Ein Kraftsensor ist ein Sensor, dessen Eigenschaften sich ändern, wenn eine Kraft, ein Druck oder eine mechanische Beanspruchung angewendet wird. Bei der Entwicklung und Herstellung eines Kraftsensors kann eine Reihe von Technologien eingesetzt werden. TE Connectivity (TE) entwickelt und fertigt Kraftsensoren für Anwendungen, die hohe Leistung oder eine spezifische Bauform erfordern, einschließlich medizinische Geräte und Ausrüstung. Die Kraftsensoren von TE basieren auf einer proprietären piezoresistiven Silizium-Dehnungsmessstreifen-Technik (Microfused), die Haltbarkeit und Langzeitstabilität in extrem kostengünstigen Bauformen vereint. Kraftsensoren (auch als „Messzellen“ bezeichnet) werden in einer Vielzahl von medizinischen Anwendungen, einschließlich Infusionspumpen, eingesetzt. Weitere Anwendungen im medizinischen Markt sind Physiotherapie, Krankenhausbetten (Patientengewicht), chirurgische Hefter, Herz-Lungen-Wiederbelebung (CPR) Assistenzmaschinen für die Notfallbehandlung sowie für die Überwachung von Sauerstofftanks.

Der piezoresistive Effekt ist in der Sensortechnik weit verbreitet. Der piezoresistive Effekt ist eine Änderung des elektrischen Widerstands eines Halbleiters oder Metalls, wenn eine mechanische Dehnung angewendet wird. Ein piezoresistiver Kraftsensor enthält mehrere dünne Wafer aus Silizium, die zwischen Schutzflächen eingebettet sind. Die Oberfläche ist mit einer Wheatstone-Brücke verbunden, einer Vorrichtung zur Erkennung kleiner Widerstandsunterschiede. Die Wheatstone-Brücke fließt eine kleine Menge Strom durch den Sensor. Wenn sich der Widerstand ändert, ändert sich auch der Strom, der durch den Sensor geht. Die Wheatstone-Brücke erkennt diese Veränderung und meldet eine Druckänderung.

Die proprietäre TE-Technologie der Microfused-Fertigung basiert auf der Mikrobearbeitung von piezoresistiven Silizium-Dehnungsmessstreifen und deren Verschmelzung in einem Hochtemperatur-Glasverbindungsprozess mit einem Hochleistungssubstrat aus Edelstahl. Dieser ausgereifte und zuverlässige Prozess hat Millionen von Kraftsensoren geliefert und ist eine bewährte Technologie in einer Vielzahl von medizinischen Anwendungen. Die Microfused Technik macht die alterungsanfälligen organischen Epoxide herkömmlicher Messzellendesigns überflüssig und bietet daher eine hervorragende, dauerhafte Stabilität bezüglich Spanne und Nullposition. Die Tellen messen die Kraft direkt und sind daher nicht anfällig für die Materialermüdung, unter der die Designs anderer

Anbieter, bei denen in mit Silikongel gefüllte Kavitäten eingebettete Druckkapseln verwendet werden, häufig mit der Zeit leiden. Die belastungsarme Microfused-Technik sorgt für eine nahezu unbegrenzte Zykluslebenserwartung, eine überragende Auflösung, Hochfrequenzgang und hohe Überlastkapazitäten. Insgesamt haben Mikrofused-Kraftsensoren ihre Robustheit und Zuverlässigkeit in einer Vielzahl von medizinischen Geräten unter Beweis gestellt.

Einige Produktbeispiele veranschaulichen die Funktionsprinzipien: Im Kraftsensor FS20 ist ein scheibenförmiger Lastkollektor an der Oberseite der Zelle der mechanischen Belastung durch den Flüssigkeitsdruck in der Pumpe ausgesetzt. Der Metalllastsammler fungiert als Arbeitspunkt. Er wird bei Nennlast um etwa 0,05 Millimeter umgelenkt. Unter dem Lastkollektor wird ein piezoresistiver Dehnungsmessstreifen aus Silizium fixiert. Wenn der Dehnungsmessstreifen durch die elastische Biegung des Lastkollektors einer Spannung ausgesetzt wird, ändert sich der Widerstand der Dehnungsmessstruktur. Diese Änderung wird in einem integrierten Stromkreis (IC) verarbeitet und dem Ausgangsvorsprung zugeführt. Null- und Spannweite der Zelle werden normalisiert, um die Austauschbarkeit des Sensors zu gewährleisten. Miniatur-Kraftsensoren vom Typ FS20 bieten eine besonders attraktive Kombination aus elektromechanischen und wirtschaftlichen Eigenschaften.

Die RoHS-konforme FS20-Zelle ist in zwei Ausführungen mit bis zu 750 Gramm Kraft oder mit bis zu 1500 g Kraftbereich erhältlich. Ein hoher Ausgangspegel, geringes Rauschen, niedrige außermittige Fehler und eine hohe Überreichweitenfähigkeit (bis zu 2,5x) in Kombination mit schnellen und genauen Ergebnissen (± 1 % der Messspanne) sowie Temperaturkompensation für einen Bereich zwischen 0 °C und 50 °C machen die Zelle zu einer ausgezeichneten Wahl für die Pumpenüberwachung. Da die Lastkollektorverformung sehr klein ist, hat die Zelle eine im Wesentlichen unbegrenzte Lebensdauer. Die kompakte Bauweise der Zelle (25,1 x 17,27 x 8,26 mm) ermöglicht den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen mit Platzbeschränkungen wie Infusionspumpen und anderen tragbaren medizinischen Anwendungen. 

Der Miniaturkraftsensor FC22 basiert auf dem gleichen Funktionsprinzip, der Arbeitsbereich ist jedoch kleiner, um die Punktlastmessung zu erleichtern. Der Formfaktor und die Kabelverbindung der Zelle bieten verschiedene Integrationsmöglichkeiten. Die FC22-Zelle ist auch in einer Millivolt-Brückenversion erhältlich.

Der RoHS-konforme FX1901 Kompressionssensor wird beispielsweise in der Physiotherapie zur Messung des Patientengewichts (Skalen) sowie in Chiropraktik und Trainingsgeräten eingesetzt. Fünf Messbereiche umfassen maximale Lasten von 50 N bis 1000 N (ca. 5 kg bis 100 kg). Das analoge Ausgangssignal relativ zur Eingangsspannung beträgt 20 mV/V (20 mV Ausgang für jede 1-V-Eingangsspannung). Diese Messzelle mit einer Genaugikeit von 1 % basiert auf einem kostengünstigen Design.

Die FX29 ist das neueste innovative Messzellenprodukt von TE und bietet mehrere neue und verbesserte Funktionen und wird aufgrund vieler Designänderungen zu deutlich geringeren Kosten als bisherige Messzellenmodelle erhältlich sein. Die FX29 ist eine Miniatur-Kompressionsmesszelle, die für eingebettete Kraftmessanwendungen entwickelt wurde. Der Sensor verfügt über die hochzuverlässige Microfused-Technologie für die Kraftelemente und wird in Den Bereichen von 50 N bis 1000 N angeboten. Die FX29 hat die Verfügbaren Ausgangstypen erweitert und umfasst mV-, verstärkte und digitale Ausgabeoptionen. Der Einbau digitaler Schaltungen sorgt für eine höhere Systemgenauigkeit insgesamt und die niedrigen verfügbaren Messbereiche ermöglichen den Einsatz in einem breiteren Anwendungsspektrum. Ein hoher Überbereichsschutz schützt den Sensor vor Überspannungen und Spitzen im System und die geringe Durchbiegung mit hoher Ausgangsempfindlichkeit bedeutet weniger Belastung der Sensormembran, was die FX29 ideal für anspruchsvolle medizinische Anwendungen macht.

Blasendetektoren ist für Anwendungen wie Infusionspumpen, Hämodialyse und Blutflussüberwachung entscheidend, bei denen eine Leistungsunterbrechung lebensbedrohlich sein kann. Ultraschall-Blasendetektoren sind berührungslose akustische Blasen- und Flüssigkeitsdetektoren, die zur Identifizierung von Luftblasen und Flüssigkeiten in Infusionsröhren verwendet werden. Sie sind weit verbreitet in Anwendungen wie Flüssigkeitstransfer und Infusion in medizinischen Pumpen, Pharmazeutika und in der industriellen und wissenschaftlichen Forschung.

Der Luftblasensensor AD-101 von TE zur nicht-invasiven, kontinuierlichen Überwachung von Flüssigkeiten zur Erkennung von Luftblasen verwendet Ultraschalltechnologie, um das Vorhandensein einer Unterbrechung im Fluss jeder Art von Flüssigkeit positiv zu erkennen. Mit kontinuierlicher Selbstdiagnose und Flexibilität bei der Verpackung bieten diese Sensoren eine zuverlässige und genaue Blasenerkennung für kritische Anwendungen wie Infusionspumpen.

Wie unter unten gezeigt, ist ein Luftblasendetektor wie der AD-101 von TE so ausgelegt, dass er direkt auf den Schlauch installiert wird, mit dem die Flüssigkeit in den Patienten einfließen kann. Der Blasendetektor enthält einen eingebetteten Piezo-Messumformer, der ein Tonimpuls-Ultraschallsignal aussendet. Das Signal geht durch den Schlauch und seinen Inhalt. Ein Piezo-Empfänger hört auf das Ultraschallsignal. Flüssigkeiten übertragen Ultraschall effizient, sodass ein starkes Signal übergeht, wenn nur Flüssigkeit in den Schläuchen vorhanden ist. Luftblasen übertragen Ultraschallwellen nicht effizient, sodass das Signal durch jede Blase in der Flüssigkeit geschwächt wird. Ein interner Schaltkreis misst die Amplitude des Empfängersignals und liefert den entsprechenden Ausgang. Der Ultraschall-Luftblasendetektor ist nicht-invasiv und hat keinen direkten Kontakt mit der Flüssigkeit. Der AD-101 kann Rohrgrößen von 3 mm bis 10 mm verarbeiten und individuell für ungewöhnliche Rohrgrößen angepasst werden. Die Reaktionszeit beträgt weniger als 2 ms, bietet einen 3,3-V-TTL-Ausgangslogikpegel und verfügt über eine integrierte LED, die eine visuelle Anzeige liefert, wenn eine Blase erkannt wird.

Der AD-101 verfügt zudem über eine integrierte Selbstdiagnosefunktion, die den Betrieb des Sensors kontinuierlich überwacht. Der Sensor kann in jeder Position mit Flüssigkeit betrieben werden, die nach oben, unten oder in jedem Winkel fließt. Die Schwerkraft hat keinen Einfluss auf die Erkennungsfähigkeit.

Die Designs für Infusionspumpen werden immer ausgefeilter und es werden zusätzliche Funktionen und Diagnosen hinzugefügt. Dies erfordert den Einsatz zusätzlicher Sensoren sowie Sensoren mit verbesserter Leistung. Zwei weitere Bereiche in medizinischen Pumpen, in denen Sensoren eingesetzt wurden, sind Positionssensoren für Motorrückmeldung und Diagnose sowie Temperatursensoren zur Überwachung und Steuerung von Infusionsflüssigkeiten.

Mit anisotropen magneto-resistiven Wegsensoren (AMR) können die Änderungen des Winkels eines Magnetfelds in Relation zum Sensor präzise und kontaktlos gemessen werden. Die Magnetsensoren von TE ermöglichen stabile kontaktlose Positionsmessungen in rauen Umgebungen. Beispielsweise ermöglichen die einzigartigen Merkmale des AMR-Effekts die Messung von Verschiebungen unterhalb des Mikrometerbereichs in linearen Präzisionswertgebern. Außerdem wird die AMR-Technologie erfolgreich für die Präsenzerkennung eingesetzt, z. B. zur Endpunkterkennung in pneumatischen Zylindern. Diese  AMR-Technologie bietet eine kostengünstige, robuste Technologie zur Überwachung von Linear- oder Drehbewegungen und ermöglicht eine präzise Positionsrückmeldung für eine Reihe von Motoren, die die meisten Infusionspumpen antreiben. Diese langlebigen Produkte wurden entwickelt, um eine verbesserte Ausgangsgenauigkeit für eine reibungslose Motorsteuerung zu bieten, und ihre geringe Größe reduziert häufig die Wiederbeschaffungskosten und ermöglicht das Design in vielen kompakten, automatisierten und kostengünstigen Baugruppen.

Auf der Seite des Temperatursensors wurde gezeigt, dass intraoperative intravenöse Flüssigkeitsverabreichung und Blutprodukttransfusion erhebliche Auswirkungen auf die Körpertemperatur haben. Daher ist es wichtig, die Temperatur von Flüssigkeiten zu überwachen und zu kontrollieren. Eine Reihe von medizinischen Flüssigkeitswärmern werden häufig verwendet, wenn Flüssigkeiten intravenös infundiert werden, und Temperatursensoren werden als Teil dieser Systeme integriert, um die Temperatur der Flüssigkeit zu überwachen und zu steuern. Während viele der Wärmeeinheiten getrennt und außerhalb der Infusionspumpe sind, gibt es einen Schub, diese Option in neue Infusionspumpen-Designs zu integrieren.

TE Connectivity entwickelt und fertigt eine breite Palette von Temperaturkomponenten und -baugruppen, die in einer Vielzahl von invasiven und nicht-invasiven medizinischen Anwendungen eingesetzt werden, um alles von der Körperkerntemperatur bis hin zur Temperatur kryogener Gase, die für Angioplastie-Ballons verwendet werden, zu überwachen.

TE entwickelt und fertigt eine breite Palette von Sensoren mit vielen verschiedenen Technologien, die für die Überwachung und Steuerung von elektronischen Systemen für eine Reihe von Anwendungen im medizinischen Bereich entscheidend sind. Einer der Hauptbereiche in der Patientenbehandlung sind medizinische Pumpen und insbesondere Infusionspumpen. TE-Sensoren werden in folgenden Bereichen von Infusionspumpen eingesetzt:

• Kraftsensoren zur Erkennung von Verstopfungen, um zu bestätigen, dass keine Verstopfung in dem Schlauch vorliegt, der dem Patienten Medikamente verabreicht.
• Luftblasendetektoren sind in der Lage, das Vorhandensein eines Durchflusses jeder Art von Flüssigkeit positiv zu identifizieren.
• Anisotrope magneto-resistive Wegsensoren (AMR) überwachen die Winkel- oder Linearposition von medizinischen Pumpenmotoren.
• Temperatursensoren werden verwendet, um die Temperatur der infundierten Flüssigkeiten zu überwachen und zu steuern, die in den Körper eines Patienten geliefert werden.

OEMs für Medizinprodukte suchen nach Produkten, die Zuverlässigkeit, angemessene Größe (Miniaturisierung), niedrigere Kosten und eine bessere Gesamtleistung bieten. Zu den vielen medizinischen Einsatzgebieten der Krafterfassung gehören:

• Ambulante Arzneimittelabgabesysteme, von denen der Mensch auf Krafterfassung als primäre Sensortechnologie für die Rückkopplungssteuerung angewiesen ist.
• Auch die chirurgischen Verfahren verbessern sich rasch, da kostengünstige, hochzuverlässige Kraft-/Drehmomentmessungen präzises Messen ermöglichen. Klammermaschinen und okularchirurgische Geräte werden mit Kraftsensoren ausgestattet, um schnellere und präzisere chirurgische Eingriffe zu ermöglichen.
• Pumpen, die zur Spülung und Kochsalzlösungsspülung von Stellen bei Knie- und Schulteroperationen eingesetzt werden, verwenden zunehmend die Kraftsensorik zur Optimierung der Flussrate.
• Messzellen werden heute in großem Umfang bei der Messung des Tropfgewichts in Kochsalzlösung eingesetzt.

Bei Anwendungen wie Infusionspumpen, Hämodialyse und Blutflussüberwachung ist eine Blasenerkennung unverzichtbar. Der AD-101 Luftblasendetektor von TE bietet folgende Funktionen:

• Selbstdiagnosefunktionen einschließlich Einschaltdiagnose und kontinuierliche Selbstdiagnose
• Flexibilität, an jeden Schlauch oder Rohr angepasst werden zu können
• Integrale Elektronik für kompaktes Produktdesign mit einfacher Integration
• 20 Jahre bewährte Leistung mit weltweit verkauften Sensoren

TE entwickelt und fertigt Sensoren für eine Vielzahl an medizinischen Anwendungen. Viele Sensoren und Baugruppen von TE sind ISO 13485-zertifiziert und FDA-registriert. Unser globales Netzwerk von Ingenieuren bietet anwendungsspezifisches Sensordesign, vom Produktkonzept bis zur Fertigung. Das engagierte Team für Medizinsensoren von TE bietet schnelle Prototypenerstellung für eine schnelle Produktentwicklung und bietet Unterstützung während des gesamten Lebenszyklus des Produkts.