Kapnografie in der Notfallmedizin und klinischen Anwendung  

Dr. Tobias Tröger, Leiter Forschung & Entwicklung der Firma Corscience GmbH &Co. KG

Um den Gesundheitszustand von beatmeten Patienten überwachen und beurteilen zu können, ist eine kontinuierliche Analyse der Atemluft unter Verwendung medizinischer Gassensoren notwendig. Eine typische Messgröße ist die endtidale Kohlendioxidkonzentration (etCO2) die durch die Kapnometrie als Maximalwert am Ende der Ausatemphase ermittelt wird. Anhand des etCO2-Werts kann auf die Patientenatmung sowie auf den CO2-Partialdruck des arteriellen Bluts (paCO2) zurückgeschlossen werden, der andernfalls mittels Blutgasanalyse bestimmt werden müsste. Zudem wird die Kontrolle und Überwachung der Tubuslage bei endotracheal intubierten Patienten ermöglicht.

Die Kapnografie, also die grafische Darstellung der CO2-Messkurve, ist deshalb heute eine weit verbreitete Technik in der Notfallmedizin und bei klinischen Anwendungen wie der Intensivmedizin und der Anästhesie. Sie stellt in vielen Bereichen den Goldstandard dar.

 

Auch bei der Überwachung von Patienten, die bislang nicht künstlich beatmet werden, spielt die Kapnometrie eine wichtige Rolle. So kann beispielsweise eine unzureichende Spontanatmung des Patienten und damit die Notwendigkeit einer Intubation erkannt werden. Zudem können bei der Lungenfunktionsmessung und in der Leistungsdiagnostik mittels Kapnografie die Funktionsfähigkeit des Atemapparates sowie die körperliche Leistungsfähigkeit eines Patienten beurteilt werden.

Als erfahrener und kompetenter Anbieter von Sensoren zur Gasanalyse verfügt Corscience mit dem CAP201 über ein ausgereiftes und bewährtes OEM-Modul zur Kapnografie in der Notfallmedizin und in klinischen Anwendungen. Das Messprinzip basiert auf der nicht-dispersiven Infrarot-Spektroskopie, die die spezifischen Absorptionseigenschaften von CO2 im Infrarotspektrum ausnutzt. Bei der Messung wird das Atemgas in einem Messvolumen mittels eines Breitbandstrahlers durchstrahlt. Zur Erfassung des Messsignals kommt ein Infrarot-Detektor zum Einsatz. Diesem ist ein optisches Bandpassfilter vorgelagert, das auf die relevante Wellenlänge abgestimmt ist. Aufgrund der physikalischen Wechselwirkung mit den CO2-Molekülen wird die Intensität des infraroten Lichts abgeschwächt. Da das Messsignal mit steigender Anzahl der CO2-Moleküle im Messvolumen sinkt, kann auf Basis des Gesetzes von Lambert-Beer die CO2-Konzentation berechnet werden.

 

Das CAP201 arbeitet im Nebenstromverfahren, bei dem eine Pumpe kontinuierlich einen geringen Teil der Atemluft in eine Messkammer, die Küvette, saugt. Im Vergleich zu Hauptstrom-Modulen, die direkt am Beatmungsschlauch messen und dessen Gewicht erhöhen, wirken bei beatmeten Patienten keine zusätzlichen Kräfte auf den Tubus und das Extubationsrisiko bleibt gering. Zudem sind Nebenstrommodule einer geringeren Verschmutzung ausgesetzt und können einfacher zur Überwachung nicht-intubierter Patienten eingesetzt werden.

 

Bei der Entwicklung des Kapnografie-Moduls CAP201 wurde insbesondere den Anforderungen aus dem Rettungsdienst (IEC 60601-1-12, EN 1789) sowie aus den klinischen Anwendungen Rechnung getragen. Das Modul zeichnet sich deshalb durch eine hohe Zuverlässigkeit aus und ist durch seinen kompakten und stabilen Aufbau für den robusten Einsatz ausgelegt. Zudem bietet es eine wesentlich höhere Genauigkeit als normativ für Atemgasmonitore (ISO 80601-2-55) gefordert. Durch die Referenzmessung mittels eines zusätzlichen Messkanals kompensiert das CAP201 Alterungseffekte und stellt die Einhaltung der Messgenauigkeit während der kompletten Lebenszeit sicher. Es muss deshalb nicht im Feld kalibriert werden.

 

Der Messbereich des CAP201 deckt eine CO2-Konzentration von 0 bis 16 Volumenprozent ab, wobei die CO2-Werte alternativ als Partialdruck in Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) bzw. kPa ausgegeben werden können. Je nach Anwendung stehen mit 8 Hz und 40 Hz zwei Abtastraten zur Auswahl. Die Messgenauigkeit beträgt +/-0,26 Volumenprozent +/-5 % des gemessenen CO2-Wertes bei einer Messauflösung von 0,1 Volumenprozent. Die Anstiegszeit T10-90, also die minimale Dauer eines Anstiegs von 10 % auf 90 % des Signalpegels, ist bei einem Volumenstrom von 80 ml/min kleiner als 100 ms.

 

Insbesondere in der Notfallmedizin müssen Kapnografie-Module unter widrigen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten. Das CAP201 kann in einem Luftdruckbereich von 540 hPa bis 1200 hPa eingesetzt werden und damit sowohl in Höhenlagen als auch in Regionen, die deutlich unterhalb des Meeresspiegels liegen. Zudem sind Messungen in einem Temperaturbereich von -10°C bis 65°C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von bis zu 95% möglich. Abweichungen des Messsignals aufgrund von Luftdruck- oder Temperaturschwankungen, die durch das Messprinzip unvermeidlich sind, korrigiert das CAP201 zuverlässig mittels eines integrierten Kompensationsverfahren. Eine Aufwärmzeit von weniger als 5 Sekunden stellt sicher, dass das Modul im Rettungsdienst unverzüglich einsatzbereit ist.

 

Das CAP201 zeichnet sich bei einer Größe von 70 x 40 x 26 mm durch ein niedriges Gewicht von 69 g (inklusive Pumpe) aus. Das Modul kann mit einer Eingangsspannung zwischen 3,3 V und 7,2 V betrieben werden. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme beträgt ca. 1 Watt.

 

Zur Analyse der Atemkurve ermittelt das CAP201 einige klinische Parameter. Zusätzlich zum etCO2-Wert werden die Konzentration des eingeatmeten Kohlendioxids (fiCO2) sowie die Atemrate in einem Bereich von 3 bis 150 Atemzügen pro Minute berechnet. Falls keine Atemkurve vorliegt oder eine Obstruktion im Schlauchsystem detektiert wird, sendet das CAP201 Alarmsignale an das Hostsystem.

 

Einige medizinische Spezialanwendungen stellen zusätzliche Anforderungen an Kapnografiemodule. Um beispielsweise Patienten in Magnetresonanztomografen mit einer Feldstärke von bis zu 3 Tesla zuverlässig überwachen zu können, steht eine CAP201-Variante ohne ferromagnetische Bauteile zur Verfügung. Zudem sind kundenspezifische Anpassungen des CAP201 für eine Hochdruck-Umgebung, für die Leistungs- und Lungenfunktionsdiagnostik mit erhöhter Genauigkeit oder für den Einsatz in der Hautstrommessung möglich.

"Ausgehend von der Kapnographie verfügt Corscience über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Fertigung und Serienbetreuung spektroskopischer Gassensoren. Unser fundiertes technisches Know-how in der medizinischen Gasanalyse reicht von der Nebenstrommessung in der Notfallbeatmung bis hin zur Hauptstrommessung in der Intensivmedizin. Spezifisches Anwenderwissen sowie kundenzentriertes Denken runden unser Profil als kompetenter OEM-Partner und Entwicklungsdienstleister ab."

 

Dr. Tobias Tröger - Leiter für Forschung und Entwicklung

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