Senzor průtoku pro vysokofrekvenční oscilační ventilaci

Abstract

Průtokový senzor u vysokofrekvenční oscilační (HFO) ventilaceslouží k měření průtoku plynu do plic ventilovaného pacienta. Integrací naměřeného průtoku včase lze následně určit velikost dechového objemu (VT) pacienta. Tento parametr bylo dříve možné měřit svyužitím monitoru Florian (ACUTRONIC Medical Systems AG, Švýcarsko), avšak pro vysoký odpor jeho senzoru nebylo možné pacienta dostatečně ventilovat. V současné době není velikost dechového objemu u HFO ventilace monitorována, ačkoliv u konvenční ventilace je jedním zezákladních parametrů určujících aktuální stav ventilace pacienta. Cílem studie je vytvořit nový průtokový senzor pro monitoraci dechového objemu pacienta ventilovaného HFO ventilátoremSensormedics 3100B (CareFusion, USA). Pro optimalizaci návrhu nového průtokového senzoru byly nejprve změřeny parametry u třech velikostí kovových clon vlastní konstrukce, dále vlastnosti senzoru D-lite (GE Healtcare, Velká Británie) a senzoru monitoru Florian. Na základě zjištěných údajů o velikosti mrtvého prostoru, charakteristice (závislosti průtoku na tlaku) prvku pro měření průtoku, velikosti odporu prvku a vlastnostech prvků při použití umělé plicní ventilace vlaboratoři byl navržen nový senzor. Ten byl optimalizován pomocí simulace vprogramu COMSOL Multiphysics využívající metodu konečných prvků. Celkem byly vyhotoveny čtyři prototypy senzoru, znichž pro tři byla využitatechnologie Rapid prototyping (metody SLA, Multijet, Polyjet), nazývaná také jako "3D tisk". Čtvrtý model byl vysoustružen z bronzu. Parametry nových senzorůbyly proměřeny vlaboratorních podmínkácha porovnány svlastnostmi ostatních senzorů. Na závěr bylysenzorytestoványvrámci animálního experimentu pro zjištění jejich použitelnostiv klinické praxi. iiTvar a rozměry senzoru byly optimalizovány pro co nejmenší velikost mrtvého prostoru (6,3mL)vporovnání sostatními používanými senzory (7 mL pro kovovou clonu a 8,5 mL umonitoru Florian). Byl zajištěn odpor menší či stejný jako u senzoru D-lite, který se používá u konvenční ventilace vklinické praxi a nevykazuje zhoršenou ventilaci pacienta. Utechnologie SLA byla rozpoznána nevhodnost dlouhodobého použití plastového materiálu, zněhož byl senzor vyroben, jelikož docházelo kjeho deformaci a následnému zkreslení výsledku. U prvků vyrobených technologií Multijettaké docházelo knepřesnostem vměření, především díky laminární struktuřematriálu typické pro tuto technologii. Všechny senzory byly proměřeny v průběhuanimálníhoexperimentu. Nejlepší vlastnosti vykazovala technologie Polyjet sestřední odchylkouvelikosti dechového objemu odreferenčního měřidla Florian 8,6 %a variačním koeficientem 2 %. Nově navržený senzor je svými parametry vhodný pro monitoraci dechového objemu uHFOventilátoru Sensormedics 3100B. Bylo zjištěno, že vlastnosti senzoru jsou značně ovlivněny použitým materiálemVpřípadě dalšího vývoje by bylonutné nejprvezvolit materiál vhodný ke klinickým účelům a následně tento senzor testovat

In high-frequency oscillatory (HFO) ventilation flow sensor is used to measure the gas flow into the patient's lungs. Integrating the gas flow in time, tidal volume (V T) can be calculated. Previously, it was possible to measure this parameter using a hot-wire anemometer Florian (ACUTRONIC Medical Systems AG, Switzerland) but sufficient ventilation of the patient was not possible because of high resistance of the sensor. Therefore, VTis not currently monitoredduring HFO ventilation, although it is one of the essential parameters measured during conventional mechanical ventilation. The aim of the study is to create a new flow sensor for V Tmonitoring during ventilation with HFO ventilator Sensormedics 3100B (CareFusion, USA). Parameters of three sensors of different sizes of our own construction, of the D -lite sensor (GEHealthcare, Great Britain) and of the Florian sensor were obtained for optimization of the new sensor design. Based on the dead space volumes, pressure-flow characteristics, resistance of the component and the properties of the component measured in laboratory conditions new sensor was designed. The sensor was optimized using finite element method simulation inCOMSOL Multiphysics software. Four prototypes of the sensor were produced altogether: for three prototypes, rapid prototyping technology (methods SLA, Multijet and Polyjet) was used. The fourth prototype was made from bronze. The parameters of new sensors were measured in laboratory conditions and compared with parameters of the original sensors. Intheend, all the prototypes were tested during animal experiment to determine their possibilities inclinical conditions. The shape and the dimensions of the new sensor were optimized to minimizethe dead space (6,3 mL) in comparison with currently used sensors (7 mL and 8,5 mL for the iron aperture and the Florian sensor, respectively). The resistance of the new sensor was smaller or equal ivincomparison with the D-lite sensor which is clinically used during conventional mechanical ventilation and does not show any worsening of patient's ventilation. The SLA technology appeared to be unsuitable fora long-termusein clinical environment since there were deformations of the plastic material usedwith subsequent influence of the valuesmeasured. Similar results were reached for the Multijet technology because of the laminar structure of the material. All the sensor prototypes were used during animal trial. The best properties incomparison with the reference sensor showed the Polyjet technology with the mean deviation of 8,6 % and coefficient of variation 2 %. The new sensoris suitable for monitoring of tidal volume during HFO ventilation withSensormedics 3100B ventilator. The properties of the sensor are greatly influenced by the material used. For further development of the sensor it would be necessary to choose thesuitable material for clinical use first, and then test the sensor parameters