Soluciones de sensores de flujo en ventiladores médicos modernos by Sensirion AGMedicalExpo

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Noventa años después del primer uso del pulmón de acero, se trata ahora de sistemas de ventilación mecánica que suministran gas respirable al paciente mediante "bombas de aire" mecánicas Esta técnica de ventilación utiliza presión positiva para llevar aire a los pulmones del paciente. El aumento de las características inteligentes incorporadas a estos ventiladores les permite adaptarse automáticamente a los cambios en la función pulmonar o en la respiración del paciente. Debido a esto, la ventilación moderna controlada por presión o por volumen está más orientada al paciente que nunca. Debido a que cada vez se requieren menos modos de ventilación debido al aumento de la inteligencia del dispositivo, los ventiladores médicos se han vuelto menos complejos de operar. En el pasado, la respiración espontánea en pacientes con ventilación invasiva se suprimía mediante sedación para facilitar la ventilación mecánica. Ahora, se comprenden los beneficios de la ventilación espontánea, y un objetivo es mantenerla durante el mayor tiempo posible, lo que a menudo conduce a mejores resultados.

La ventilación no invasiva se refiere a las terapias de ventilación que se realizan con máscaras o cánulas nasales, a menudo conocidas como ventilación con máscara o VNI/VNIPP (ventilación no invasiva o ventilación con presión positiva no invasiva). En la ventilación invasiva, se inserta un tubo endotraqueal o una cánula traqueal en la tráquea del paciente para suministrar aire a los pulmones. Ambos tipos de ventilación -no invasiva e invasiva- tienen mérito y se utilizan de forma complementaria. La ventilación no invasiva a menudo se implementa antes de la intubación o después de la extubación en un entorno clínico. Otra aplicación clásica de la terapia de VMNI es en un entorno de atención domiciliaria, donde proporciona apoyo respiratorio a los pacientes sin la supervisión constante de los profesionales médicos. A menudo se hace una distinción entre ventiladores sofisticados para cuidados intensivos, equipados con una opción de ventilación no invasiva, y ventiladores no invasivos menos complejos para su uso en entornos de cuidados subagudos y cuidados en el hogar.

Un factor que no debe subestimarse es la humidificación del aire inhalado, ya que va mucho más allá de la mera comodidad del paciente. Aunque la ventilación no invasiva no pasa por alto el tracto respiratorio superior, y algo de humidificación del aire inhalado aún ocurre naturalmente, es común usar un sistema de humidificación (Figura 1), particularmente para los pacientes que respiran por la boca. El aire bien humedecido y calentado contribuye significativamente al éxito de la terapia de ventilación, ya que mejora tanto el drenaje de las secreciones como la tolerancia de la terapia de ventilación no invasiva[1]

Las tendencias actuales en los hospitales muestran que la ventilación no invasiva se utiliza hoy en día con más frecuencia y para muchos más síntomas que nunca. Los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica forman una gran fracción de la población de pacientes tratados con ventilación no invasiva en las unidades de cuidados intensivos. En el caso de la insuficiencia respiratoria aguda, por ejemplo, las unidades de cuidados intensivos utilizan cada vez más la ventilación no invasiva como primera línea de tratamiento, lo que reduce las complicaciones infecciosas, los períodos de destete, la duración de la estancia en la UCI, las tasas de intubación[2] y los costes. También en el ámbito de la atención domiciliaria, está aumentando el uso de la ventilación no invasiva a largo plazo para enfermedades pulmonares como la EPOC, la fibrosis pulmonar o la fibrosis quística.

La cuestión clave para todos los ventiladores es la medición precisa de la tasa de flujo de gas respiratorio y el volumen de gas respiratorio que entra y sale del paciente. Estas mediciones, con la máxima sensibilidad y precisión, permiten la ventilación orientada al paciente antes mencionada, que también refleja mejor la fisiopatología del paciente. Por ejemplo, el monitoreo de la presión, el flujo másico y el flujo volumétrico a lo largo del tiempo nos permite observar cambios en el estado del paciente, como la reducción de la capacidad pulmonar. La figura 1 muestra la construcción esquemática de un ventilador con las posiciones típicas del flujo de aire/sensor.

Los complejos circuitos de respiración tienen un amplio rango de variabilidad de composición debido a los diferentes tipos de tubos, humidificadores, filtros y adaptadores utilizados. Esto a menudo resulta en fugas e imperfecciones, razón por la cual la tasa de flujo inspiratorio (I) a veces difiere significativamente de la tasa de flujo que realmente llega al paciente. Lo mismo se aplica a la tasa de flujo espiratorio (E). Las mediciones del flujo de aire también se ven obstaculizadas por los cambios constantes en la temperatura del aire, la humedad y la composición del gas respiratorio, así como por la contaminación de las mangueras y los sensores espiratorio/proximal con esputo, patógenos y sangre. Debido a las limitaciones técnicas del pasado, se realizaron mediciones de los caudales inspiratorios (I) y espiratorios (E) en el interior del respirador. Los valores de flujo aproximados, que a veces eran significativamente diferentes a los valores realmente ventilados, se corrigieron en la medida de lo posible utilizando algoritmos de compensación complejos y a menudo inexactos. Para contrarrestar este desafío técnico, el flujo respiratorio se mide ahora lo más cerca posible del paciente, es decir, proximalmente.

A partir de la neonatología, se acepta que la mejor posición de medición para las mediciones de flujo de aire, volumen y presión del paciente es lo más cerca posible, es decir, proximalmente (P), del paciente[2]. Esto permite ventilar a los pacientes con un volumen tidal lo más preciso posible, y los efectos de la composición del circuito de ventilación mencionados anteriormente se eliminan casi por completo. Particularmente para aplicaciones neonatales y pediátricas que dependen de la medición precisa de flujos muy pequeños, la medición de flujo proximal se ha convertido en el estándar.

Las ventajas adicionales de la medición de flujo proximal son la detección instantánea de señales respiratorias, a las que el ventilador puede responder aún más rápido, así como la detección de fugas. Particularmente para reducir el efecto de las fugas, los sensores proximales (Figura 2) resultan útiles tanto en la ventilación controlada por volumen como por presión, y ayudan a reducir las causas de los problemas de monitorización y activación.

El desarrollo continuo de los ventiladores siempre ha estado ligado a la tecnología de sensores disponible. Desde los rotámetros utilizados en los primeros días hasta las mediciones de flujo con sensores de presión diferencial, pasando por orificios o anemómetros de hilo caliente, la tecnología de medición de sensores ha evolucionado considerablemente para seguir el ritmo de los requerimientos cada vez mayores de los ventiladores. Un desarrollo de nueva generación del anemómetro de hilo caliente es la tecnología Sensirion CMOSens®, que se utiliza en todos los sensores de flujo de masa y sensores de presión diferencial de Sensirion. Con la tecnología CMOSens®, Sensirion ha desarrollado una gama de sensores de flujo en constante expansión basada en la tecnología MEMS (sistema micromecánico) que cubre ahora todos los requisitos modernos de sensores para ventiladores:

Especialmente en el caso de la medición proximal, la gama de sensores Sensirion cubre aplicaciones de ventilación para adultos y neonatos con soluciones de sensores de un solo uso y reutilizables. Dado que tanto el sensor espiratorio como el proximal entran en contacto con el aire húmedo o potencialmente contaminado del paciente, es esencial reemplazarlo o limpiarlo. Por esta razón, todas las soluciones de sensores de caudal reutilizables pueden limpiarse utilizando varios métodos, desde el lavado hasta el autoclave (135°C, >2 bar de presión y 100% de humedad relativa).

Algunas de las diferencias clave de su tecnología predecesora, los anemómetros de hilo caliente, son que las soluciones modernas de sensores de flujo entregan una señal de salida digital, completamente calibrada y compensada por temperatura. Los sensores se pueden utilizar directamente con el paciente y, por lo tanto, sin necesidad de recalibración previa, que requiere mucho tiempo o de forma periódica. Además, los sensores miden el flujo de aire simétricamente en ambas direcciones. La robusta tecnología de sensores no requiere ajuste de punto cero, no deriva en el tiempo y no necesita ser calibrada durante la vida útil del sensor.

La tecnología de sensores de caudal de última generación también permite un uso sin histéresis e independiente de la posición con un rango de medición dinámico y una alta sensibilidad de medición en todos los rangos de flujo. Dado que la señal de medición se procesa directamente en el interior del sensor y la salida es digital y los valores de caudal compensados por temperatura, no se necesitan más componentes costosos como los convertidores A/D. Todos estos beneficios permiten al personal médico gestionar de forma segura, fácil y rápida, así como fiable, la ventilación del paciente, lo que proporciona ventajas significativas cuando se trata de la desafiante ventilación de emergencia, así como en los entornos de atención subaguda y de atención domiciliaria.

Los retos que enfrentan los sensores de flujo proximal son variados y exigentes. Los sensores deben ser fiables y rentables, ofrecer estabilidad a largo plazo y ofrecer muchas otras características específicas del ventilador, como una baja caída de presión, un pequeño volumen de espacio muerto, un rango de medición bidireccional y un alto nivel de sensibilidad, para poder adaptarse a la ventilación moderna orientada al paciente. Además, existen requisitos especialmente estrictos para la esterilización higiénica, ya que los sensores pueden encontrar aire potencialmente contaminado con patógenos.

El talón de Aquiles de todos los sensores de flujo de aire existentes en el mercado es el uso de sensores en combinación con humidificadores. Como se ha descrito anteriormente, los humidificadores se utilizan con frecuencia y su importancia va mucho más allá de la comodidad del paciente durante la terapia. Una humedad elevada se convierte en un problema cuando conduce a la condensación, provocando la entrada de gotas de agua macroscópicas en las partes más frías del circuito del ventilador. Equipar el sensor con un elemento de calentamiento externo adicional, como es el caso de los sensores proximales y espiratorios de Sensirion, puede ayudar. El funcionamiento de este elemento calefactor con un máximo de 0,5 W es suficiente para evitar la condensación en el sensor y garantizar así un funcionamiento estable y fiable a largo plazo.

Demostramos esto en un caso de ventilador neonatal simulado con aire extremadamente húmedo y un volumen tidal muy pequeño de sólo 5 ml. El diagrama, ilustrado en la Figura 3, muestra un humidificador que se utiliza normalmente en las instalaciones de ventiladores para garantizar que el aire respirable esté bien humidificado. El cilindro de acero en el horno se mantiene a 37°C y simula los pulmones del niño con el sensor de presión conectado utilizado como referencia. La válvula controlada se cierra durante el ciclo respiratorio inspiratorio y se abre una vez por segundo para la parte espiratoria del ciclo respiratorio.

Sin el uso del calentador, gotas individuales de agua corren sobre el elemento sensor y causan una lectura errónea de los valores de medición en el transcurso de 16 horas durante la ventilación del volumen tidal de 5 ml. Esta mala interpretación puede ser claramente reconocida por las desviaciones del volumen espiratorio/inspiratorio con respecto al volumen de referencia mostrado en la Figura 4.

El uso y la propagación de los respiradores seguirán creciendo fuertemente en el futuro debido al creciente número de enfermedades pulmonares. Los ventiladores modernos exigen cada vez más a los sensores que se centren en los pacientes y su terapia. Una nueva generación de sensores de flujo ha demostrado su fiabilidad millones de veces en el campo de los dispositivos CPAP y aplicaciones de automoción, siendo evidentes las ventajas para los ventiladores. Esta ventaja tecnológica permitirá a los fabricantes realizar los próximos saltos cuánticos en ventilación.

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