Eine vergleichende Analyse: Turbinen-Spirometrie und Ultraschall-Spirometrie

Lungenerkrankungen nehmen weltweit an Häufigkeit und Schwere zu. Um dieser zunehmenden Verbreitung von Lungenerkrankungen Rechnung zu tragen, muss die Diagnoserate auf globaler Ebene verbessert werden.

Zur Diagnose beispielsweise einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) ist eine spirometrische Untersuchung notwendig. Bei anderen Erkrankungen, wie z. B. der zystischen Fibrose^* und der Lungenfibrose, wird die Spirometrie zur klinischen Kontrolle eingesetzt. Darüber hinaus dient die Spirometrie zur klinischen Ergebnisbewertung, die für die Beurteilung und Zulassung von Medikamenten erforderlich ist. Voraussetzung für eine objektive Analyse sind dabei eine geringe Variabilität und eine hohe Reproduzierbarkeit der Messungen.

Spirometer basieren im Wesentlichen auf drei Funktionsprinzipien: Differenzdruck, Turbine und Ultraschall. Zwischen diesen drei Funktionsprinzipien gibt es erhebliche Unterschiede. In diesem Blogartikel widmen wir uns dem Vergleich von Spirometern mit Turbinen und solchen mit Ultraschall.

Turbinen-Spirometer

Bei Turbinen-Spirometern befindet sich ein leichtes mechanisches Flügelrad im Strömungsweg der Luft. Weitere mechanische Elemente im Strömungsweg lenken den Luftstrom so, dass die durch das Spirometer strömende Atemluft das Flügelrad in Drehung versetzt. Diese Drehung wird optisch gemessen. Die Drehgeschwindigkeit kann dann in einen Wert für die Luftstromgeschwindigkeit umgewandelt werden.

Vorteile & Nachteile: Turbinen-Sensor

Die wichtigsten Vorteile von Flow-Sensoren mit Turbine sind:

• Wiederverwendbare Turbine.
• Geringes Gewicht des Sensors.
• Niedrige Kosten durch einfache Technologie.

Die wichtigsten Nachteile sind:

• Die empfindlichen mechanischen Bauteile im Strömungsweg sind schadensanfällig.
• Beschädigungen und Blockierungen durch feine Härchen, Staubpartikel usw. können die Geräteeigenschaften verändern.
• Die Abtastrate des Sensors ist abhängig vom Luftstrom. Bei geringen Luftströmen unterschreitet die Abtastrate eventuell die von ATS/ERS empfohlene Rate von 100 Hz.
• Luftströme, die zu gering sind oder sich schnell beschleunigen, werden nur ungenau gemessen.
• Die Durchflussmessung wird durch Änderungen in der Gaszusammensetzung, Temperatur und/oder Feuchtigkeit beeinflusst.

Ultraschall-Spirometer

In grossen Rohren werden Durchflussmessungen mittels Ultraschall bereits seit langem eingesetzt. Die Ultraschall-Spirometrie hingegen wurde erst um das Jahr 2000 von ndd Medical Technologies eingeführt.

Flow-Sensoren auf Ultraschallbasis messen die Geschwindigkeit des Luftstroms mit Hilfe von Ultraschallsignalen, die innerhalb des Strömungsrohrs übertragen werden. Die beiden Ultraschallwandler werden dazu auf gegenüberliegenden Seiten des Strömungsrohrs angebracht (siehe Abbildung 2 unten). Wenn Luft von links nach rechts strömt, benötigt ein Ultraschallimpuls, der sich vom unteren zum oberen Wandler bewegt, weniger Zeit als ein Impuls, der sich in entgegengesetzter Richtung bewegt. Der Grund dafür ist, dass die durch das Rohr strömende Luft die Impulse, die sich zwischen den Wandlern bewegen, entweder beschleunigt oder abbremst. Ultraschall-Spirometer haben einen vollständig freien Strömungsweg ohne mechanische Teile im Strömungsrohr.

Vorteile: Flow-Sensor mit Ultraschall

Die wichtigsten Vorteile der Ultraschall-Flow-Sensoren von ndd sind:

• Das Strömungsrohr ist komplett frei, d. h. keine Sensorelemente innerhalb des Strömungswegs.
• Die Durchflussmessung wird nicht durch Gaszusammensetzung, Feuchtigkeit und Temperatur beeinflusst.
• Die Abtastrate ist konstant und hängt nicht vom Luftstrom ab.
• Austauschbare Strömungsrohre eliminieren die Gefahr einer Kreuzkontamination.
• Nachgewiesene Langzeitstabilität^*, d. h. die Geräte sind kalibrierungsfrei^*.
• Hohe Messgenauigkeit von Durchfluss und Volumen über den gesamten Flow‑Bereich^*.

Fazit

Alle Geräte für Lungenfunktionsprüfungen von ndd nutzen Flow-Sensoren auf Ultraschallbasis. Die Messung erfolgt in einem von ndd entwickelten integrierten Kreislauf. Dieser Kreislauf wurde präzise daraufhin optimiert, den Einfluss von Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur und Feuchtigkeit auf die Geräteleistung auszuschliessen. Diese Optimierungen sind ausschlaggebend dafür, dass die Geräte von ndd anderen Ultraschall-Flow-Sensoren überlegen sind. Nicht zuletzt deshalb wurden unsere Geräte in zahlreichen, hochrangigen klinischen Studien eingesetzt, darunter COPDGene, die Multicenter AIDS Cohort Study (MACS) sowie die BOLD und PLATINO Studien. Ohne die einzigartige Charakteristik der von ndd entwickelten Ultraschalltechnologie wäre dies nicht möglich.

Die grössten Vorteile der Ultraschallsensorik von ndd sind ihre hohe Genauigkeit bei geringem Durchfluss, die Langlebigkeit in Verbindung mit einer geringen Messvariabilität und die hohe Reproduzierbarkeit. Mit diesen Vorteilen können Turbinen-Spirometer nicht mithalten.

Die Leistung eines Spirometers im unteren Durchflussbereich – ein klarer Nachteil von Turbinen-Spirometern – ist ein Schlüsselelement bei der Untersuchung von Patienten mit COPD. Da diese Patienten lange Exspirationen bei niedrigem Luftstrom durchführen, ist eine genaue Messung in diesem Bereich für eine korrekte Diagnose unerlässlich.

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