In der Zukunft der Medizin wird erwartet, dass personalisierte Behandlungsmethoden zu effizienteren Heilungsprozessen führen. Eine präzise Messung von Gasfluss und -zusammensetzung, insbesondere in der Atemluft, wird eine entscheidende Rolle bei der Erreichung dieses Ziels spielen. Da thermische Durchflussmesser von den Eigenschaften des Gasgemischs abhängig sind, konzentriert sich Bronkhorst auf die Forschung an seinen Massendurchflussmessgeräten, wie beispielsweise der FLEXI-FLOW-Serie, um gasunabhängige und konstant genaue Messergebnisse zu erzielen.

Projekt Gasüberwachungsmodul für Atemanalysen

Im Jahr 2021 wurde ein Projekt zwischen der Universität Twente und Bronkhorst gestartet, um die Möglichkeiten der Verwendung von thermischen Durchflusssensoren für die Messung von Gasfluss und -zusammensetzung zu erkunden. Diese Zusammenarbeit soll einen Demonstrator für ein Gasüberwachungsmodul für Atemgeräte hervorbringen, dass für die personalisierte Therapie von Patienten mit Atem- und Lungenerkrankungen verwendet werden kann (siehe Abbildung 1).

Die Aufgabe des Gasüberwachungsmoduls besteht darin, verschiedene Gase in der ausgeatmeten Atemluft zu analysieren, um Therapiemöglichkeiten zu bewerten. Das System muss die Echtzeitkonzentrationen mehrerer Gase präzise messen, dabei kostengünstig bleiben und eine kompakte Größe beibehalten.

Abbildung 1. Beispiel für ein Beatmungssystem für Patienten mit Atemwegs- und Lungenerkrankungen

MEMS-basierte, thermische Massendurchflusssensoren als potenzielle Lösung

Der Kern des Gasüberwachungsmoduls ist ein MEMS-basierter thermischer Massendurchflusssensor. Diese Sensoren haben das Potenzial, eine entscheidende Rolle bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen zu spielen. Sie sind klein, schnell reagierend und kostengünstig. Es müssen jedoch noch mehrere grundlegende Probleme gelöst werden, wie die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Durchflusssensors von der Gassorte und die gleichzeitige Extraktion von Durchflussrate und Gaszusammensetzung.

Erfassung der Gassorte mit einem Wärmeleitfähigkeitssensor

Ein erstes Design des thermischen Durchfluss- und Zusammensetzungsmessgeräts wurde aufgrund von Modellierung und Verständnis physikalischer Wandlerprinzipien entwickelt. Dieses Design wurde im Reinraum des MESA+ an der Universität Twente hergestellt und anschließend charakterisiert.

Drei Drahtpaare werden als kalorimetrische Durchflusssensoren verwendet, um das Strömungsprofil und die Strömungsrichtung in einem Strömungskanal zu messen (siehe Abbildung 2). Ein unabhängiger Wärmeleitfähigkeitssensor erkennt die Gasart durch eine einfache Gleichspannungsmessung.

Validierung durch Messergebnisse

Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit wurden Gase mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgewählt: Helium (He), Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N2) und Argon (Ar). Erste Ergebnisse deuten auf eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen Ausgangsspannungen und theoretischen Berechnungen hin, was die Bestimmung der Durchflussraten ermöglicht.

Reine Luft wurde als Testgas verwendet. Ihre Wärmeleitfähigkeit wird aus der gemessenen Spannung mithilfe eines theoretischen Modells bestimmt. Eine empirische Beziehung für den thermischen Massendurchflusssensor wurde abgeleitet, welche die thermischen Eigenschaften des Gases und die Durchflussrate verknüpft. Diese Beziehung wurde verwendet, um Durchflussraten zu messen, indem die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit ausgeglichen wurde.

Fazit und zukünftige Perspektiven

Letztendlich legt das Projekt nahe, dass ein gasunabhängiger thermischer Massendurchflusssensor zu einem wesentlichen Bestandteil für pharmazeutische und biotechnologische Unternehmen werden könnte, um die personalisierte Medizin zu realisieren. Zukünftige Messungen von Gas-eigenschaften wie Dichte und Wärmekapazität sowie sich schnell ändernden Gasgemischen sind erforderlich, um das Gasüberwachungsmodul auf eine experimentelle Validierung in einem klinischen Umfeld vorzubereiten.

Zusätzliche Anwendungen?
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Möchten Sie mehr wissen?

Mehr Informationen zu dieser Forschung finden Sie hier:
[1] S. Azadi Kenari, R.J. Wiegerink, H.W. Veltkamp, R.G.P. Sanders, J.C. Lötters, Thermal flow meter with integrated thermal conductivity sensor, Micromachines 2023, 14, 1280.

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Auf dem Weg zur gasunabhängigen, thermischen Durchflussmessung