Durchflussmessung in intelligenten medizinischen Inhalatoren

Jun 18, 2023

Inhalatoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Geräten zur Behandlung von Atemwegserkrankungen wie Asthma und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD). Bei jeder Inhalation durch den Inhalator gibt das Gerät eine bestimmte Menge Medikament an die Lunge ab. Allerdings kommt es häufig zu Missbrauch, da Patienten häufig Probleme mit der richtigen Inhalationstechnik haben und daher nicht ausreichend Medikamente erhalten. Dies führt zu einer schlechten Krankheitskontrolle und erhöhten Gesundheitskosten.

Die weltweiten jährlichen Kosten im Zusammenhang mit der Asthma- und COPD-Behandlung sind sowohl aus Sicht der Kostenträger im Gesundheitswesen als auch aus gesellschaftlicher Sicht erheblich. Forschungsergebnisse zeigen, dass die Gesundheitsausgaben für einen nicht kontrollierten Patienten mehr als doppelt so hoch sind wie die eines kontrollierten Patienten. 1 Studien haben außerdem ergeben, dass die meisten Patienten bei der Einnahme von Inhalationsmedikamenten mindestens einen Fehler machen, was dazu führt, dass nur 7 % bis 40 % des Arzneimittels in die Lunge gelangen. Die beiden größten und schwerwiegendsten Fehler bei der Verwendung von Dosieraerosolen (MDIs) hängen mit der Inhalation durch den Patienten zusammen. Der erste Fehler hängt mit der Koordination zwischen Inhalation und Auslösung der Dosisfreisetzung des Inhalators zusammen. Selbst eine kurze Verzögerung kann dazu führen, dass nur 20 % des Medikaments in die Lunge gelangen. Der zweitwichtigste Fehler ist die unzureichende Atmung, wodurch weitere 10 % weniger Medikamente in die Lunge gelangen können.

Um diese Probleme anzugehen, hat die Sensirion AG (Stäfa, Schweiz) einen Prototyp entwickelt, der am Inhalator befestigt werden kann, um den Inhalationsluftstrom des Patienten zu messen und zu bestimmen, wann während der Inhalation der Inhalator aktiviert wird.

Da die beiden größten und schwerwiegendsten Fehler bei der Verwendung von Inhalatoren mit der Inhalation durch den Patienten zusammenhängen, ist es wichtig, den Luftstrom durch den Inhalator und bei MDIs auch den Zeitpunkt der Arzneimittelabgabe zu messen. Dies gibt Aufschluss darüber, ob das Medikament innerhalb des optimalen Fensters des Inhalationszyklus freigesetzt wurde (siehe Abbildung 1). Diese Korrelation zwischen Dosisauslöser-Timing und Fluss ist ein entscheidender Parameter für das Verständnis, ob der Arzneimittelfluss tief in die Bronchien gelangt und die gewünschte hohe Lungenablagerung erreicht hat.

Der zweite kritische Parameter ist das Profil des eingeatmeten Luftstroms. Ähnlich wie bei der Verwendung eines Spirometers können aus dem Inhalationsluftstromprofil mehrere Parameter abgeleitet werden, die Aufschluss über die Inhalation jedes Patienten geben:

Tiefe und Länge der Inhalation

Vollständiges Ausatmen vor dem Einatmen

Langsames Einatmen gemäß den Anweisungen

Lungenfunktion und ihre zeitliche Entwicklung (Änderung der Inhalationsströmungseigenschaften)

Genaue und kalibrierte Echtzeitaufzeichnungen des Inhalationsflussprofils liefern diese Informationen, anhand derer festgestellt werden kann, ob der Patient die Inhalation korrekt durchgeführt hat.

Weitere interessante Parameter sind das inhalierte Volumen (IV) und die maximale Inspirationsflussrate (PIF) sowie die Charakteristik des gesamten Inhalationsluftstroms, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Aus dem Inhalationsluftstromprofil können auch Teilmengen von Parametern wie der Atemwegswiderstand (RAW) bestimmt werden. Die Ableitung von RAW ist in Abbildung 3 dargestellt. Wenn der Inhalator als spirometerähnliches Gerät verwendet wird, werden alle Parameter während der regulären Inhalation abgeleitet, sodass der Patient nichts weiter tun muss, als seine Medikamente so einzunehmen, wie er es verwendet Zu. Gleichzeitig registriert das Gerät auch, ob der Patient die Medikamente nicht eingenommen hat, was den Patienten daran erinnern kann, die verordnete Therapie einzuhalten.

Neben der Überwachung jeder Inhalation können die wichtigen Parameter über einen längeren Zeitraum verfolgt werden und geben so Rückmeldung über die korrekte Anwendung des Inhalators, die Wirksamkeit der Medikamente und den Krankheitsverlauf. Diese Informationen können an den Gesundheitsdienstleister gesendet werden und auch zur Motivation des Benutzers beitragen. Diese Kombination aus Medikamentenverabreichung und Diagnoseeinheit in einem einzigen Gerät ist ein leistungsstarkes Instrument zur Verbesserung der Patientenergebnisse.

Abbildung 4 zeigt das schematische Verhalten von PIF, IV und RAW im Zeitverlauf. Es visualisiert den positiven Effekt des Beginns der Behandlung, die stabile Behandlungsphase bei regelmäßiger Dosierung und den negativen Effekt einer Unterbrechung der Behandlung.

In der Vergangenheit war die genaue Messung des Durchflusses durch den Inhalator eine Herausforderung, da es an ausreichend robusten und dennoch empfindlichen Geräten mangelte, die in der Lage waren, kleinste Durchflussmengen zu messen. Um eine erneute Validierung des Inhalators durch die FDA und die Aufrechterhaltung der Zulassung zu vermeiden, verlangt die wichtigste regulatorische Anforderung für Inhalator-Clip-Ons, dass der Strömungsweg des Inhalators unverändert bleibt, um sicherzustellen, dass er die bestehende Funktion des Inhalationsgeräts nicht beeinträchtigt. Genau das macht der Sensirion Clip-on-Inhalator.

Abbildung 5 zeigt den 3D-gedruckten Inhalator-Clip-on, der den Sensirion-Durchflusssensor SDP3x sowie einen Bluetooth-Low-Energy-Kommunikationschip und eine Batteriestromquelle enthält. Das Gehäuse des Inhalators wurde nicht verändert.

Der Bernoulli/Venturi-Effekt erklärt, dass die durch das Einatmen des Patienten verursachte Beschleunigung des in den Inhalator eintretenden Luftstroms einen Unterdruck an der oberen Öffnung des Inhalators, um den Kanister und die Öffnung des angebrachten Clip-Ons erzeugt. Die Größe des Unterdrucks steht in direktem Zusammenhang mit der Größe der Durchflussrate des Luftstroms durch den Inhalator zum Patienten und wird vom Durchflusssensor gemessen.

Eine anschaulichere Möglichkeit, das Prinzip zu verstehen, besteht darin, den Strömungsaufbau als ein Bypass-Hauptpasssystem zu betrachten (siehe Abbildung 6). Während der Patient einatmet, zieht der Unterdruck um die Öffnung des Inhalators eine kleine Menge sauberer Umgebungsluft durch den Bypass-Pfad des Sensors und in den Hauptkanal des Inhalators. Durch Messen des Bypass-Luftstroms und Kenntnis des Bypass-/Hauptpass-Verhältnisses, das durch die Inhalator-/Clip-On-Geometrie bereitgestellt wird, kann die Gesamtmenge des Luftstroms zum Patienten bestimmt werden.

Es gibt viele verschiedene Methoden zur Messung des Gasdurchflusses: mechanische Volumenmessung, Schwebekörpermessung, Differenzdruckmessung, Ultraschall, Coriolis, magnetisch-induktive und thermische Durchflussmessung, um nur einige zu nennen. Messtechniken ohne Kontakt zwischen Gas und Sensor erfordern eine relativ aufwendige Technik und kommen daher für viele Anwendungen nicht in Frage. Bei der klassischen Differenzdruckmethode können Hystereseeffekte und Membranermüdung zu Driftproblemen und mangelnder Nullpunktgenauigkeit sowie geringer Durchflussempfindlichkeit führen, da die mechanische Auslenkung einer Sensormembran über einer Blende zur Messung des Druckabfalls genutzt wird.

Daher sind auf thermischen Prinzipien basierende Messtechniken eine gute Lösung. Beim einfachsten davon – dem Hitzdrahtanemometer – wird der Gasfluss über die Abkühlgeschwindigkeit eines elektrisch beheizten Drahtes mit temperaturabhängigem Widerstand bestimmt. Fortgeschrittene Methoden nutzen ein Heizelement und zwei Temperatursensoren, die den Wärmetransport durch das Gas messen. Sensirion verwendet den Begriff „mikrothermische Durchflusssensoren“, weil bei der MEMS-basierten Durchflusschiplösung, die in der SDP3x-Durchflusssensorserie verwendet wird, die Sensorkomponenten in einen millimetergroßen Silizium-Mikrochip integriert sind.

Der kalibrierte Inhalator-Luftstrom zeigt in einem Laboraufbau eine hervorragende Übereinstimmung mit einer kalibrierten Spirometerspritze oder einer externen Flussreferenz.

Das Hinzufügen einer Diagnoseeinheit zum Medikamentenverabreichungsgerät, mit dem der Patient bereits vertraut ist, ist ein leistungsstarkes Instrument bei der Behandlung von Asthma- und COPD-Erkrankungen. Eine unsachgemäße Inhalationstechnik führt zu einer verminderten Wirksamkeit aufgrund einer geringeren Ablagerung des Medikaments in der Lunge, was wiederum zu einer erhöhten Schwere der Erkrankung führt. Es hat sich bereits gezeigt, dass die Lösung, den Patienten anzuleiten und direktes Feedback zu geben sowie den Patienten bei der Kontrolle der Krankheit und der Erhöhung der Therapietreue zu unterstützen, die Patientenergebnisse durch derzeit verwendete vernetzte Arzneimittelverabreichungsgeräte verbessert.

Der hohe Anteil von Patienten, die an Asthma oder COPD leiden und ihr Inhalationsgerät missbrauchen, obwohl bei richtiger Krankheitsbehandlung ein beschwerdefreies Leben grundsätzlich möglich wäre, wird weiterhin Innovationen für die vernetzte Arzneimittelabgabe vorantreiben. Die Branche geht in die Richtung, Patienten bei der optimalen Behandlung ihrer Krankheit zu unterstützen, und zwar nicht nur als einfaches medizinisches Instrument, sondern auch als Begleitgerät zur Erinnerung, zum Coaching und zur Bereitstellung relevanter Einblicke in die Behandlung und den Krankheitsverlauf voranschreiten.

Dieser Artikel wurde von Dr. Andreas Alt, PhD, Sales Director Medical bei Sensirion AG, verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dr. Alt unter: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Um es anzuzeigen, muss JavaScript aktiviert sein. oder besuchen Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2022 des Sensor Technology Magazine.

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