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Die CPET-ODM-Lösung von Cubic ermöglicht zuverlässige und präzise kardiopulmonale Belastungstests

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Wie die Sensortechnologien und Entwicklungskompetenzen von Cubic maßgeschneiderte CPET-Lösungen für Partner aus der Medizintechnikbranche unterstützen

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Hintergrund: Förderung der Standardisierung und Zuverlässigkeit bei CPET-Anwendungen
Die klinischen Leitlinien der European Respiratory Society (ERS) für Belastungstests aus dem Jahr 2025 verdeutlichen einen zunehmenden Wandel in der Rolle der kardiopulmonalen Belastungsuntersuchung (CPET).[1] Über einzelne Testergebnisse hinaus wird von modernen CPET-Systemen zunehmend erwartet, dass sie standardisierte, zuverlässige und vergleichbare physiologische Daten liefern, die das Krankheitsmanagement, die Beurteilung der Rehabilitation, die Bewertung der Behandlung und die langfristige Nachsorge der Patienten unterstützen.

Um dieses Ziel zu erreichen, legt die ERS Wert auf standardisierte Testverfahren, strenge Kalibrierung und Qualitätssicherung, damit Ärzte Ergebnisse über wiederholte Tests, klinische Standorte und verschiedene Phasen der Patientenversorgung hinweg zuverlässig vergleichen können.

Herausforderung: Gewährleistung einer zuverlässigen und konsistenten CPET-Leistung über einen längeren Zeitraum
Für longitudinale CPET-Anwendungen ist eine konsistente Messleistung über wiederholte Untersuchungen hinweg unerlässlich. Ein zuverlässiger Vergleich von Patientendaten über einen längeren Zeitraum erfordert nicht nur genaue Messungen, sondern auch langfristige Stabilität und Wiederholbarkeit über das gesamte Messsystem hinweg. Dies hängt von mehreren Faktoren ab, darunter eine stabile Gassensorik, genaue Durchflussmessung, präzise Signalsynchronisation, standardisierte Kalibrierungsverfahren und eine strenge Qualitätskontrolle während des gesamten Produktlebenszyklus.

Unter diesen Faktoren bilden fortschrittliche Sensortechnologien die Grundlage für zuverlässige CPET-Messungen, indem sie eine schnelle Ansprechzeit, hohe Präzision und langfristige Stabilität bei der Erfassung dynamischer Veränderungen der Sauerstoff-, Kohlendioxid- und Atemflusssignale während jedes Atemzugs gewährleisten.
Die Signalsynchronisation zwischen Atemfluss- und Gaskonzentrationsmessungen stellt eine der wichtigsten technischen Herausforderungen bei der Erzielung einer genauen Atemzug-für-Atemzug-Analyse dar. In Nebenstrom-Gasprobenahmesystemen strömt das entnommene Gas durch die Probenahmeleitung und die Pumpe, bevor es das Gasanalysemodul erreicht, wo die O₂- und CO₂-Konzentrationen gemessen werden. Aufgrund des Gastransportwegs, der Probenahmedynamik und der Ansprechcharakteristik der Sensoren kommt es unvermeidlich zu Verzögerungen der Gaskonzentrationssignale gegenüber dem Atemflusssignal. Ohne eine effektive Synchronisation und dynamische Verzögerungskompensation können diese Zeitunterschiede die Genauigkeit der „Breath-by-Breath“-Parameterberechnungen beeinträchtigen und die Vergleichbarkeit der Daten bei wiederholten Untersuchungen verringern.

Über die Sensorleistung und die Signalsynchronisation hinaus sind standardisierte Kalibrierungs- und Verifizierungsverfahren unerlässlich, um die Messkonsistenz über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu gewährleisten. Regelmäßige Kalibrierung stellt sicher, dass Sensorausgänge und Systemmessungen über die Zeit hinweg rückverfolgbar und vergleichbar bleiben, während Verifizierungsprozesse dazu beitragen, eine konsistente Systemleistung über verschiedene Geräte und Testumgebungen hinweg zu gewährleisten.

Da CPET-Anwendungen in der klinischen Beurteilung, der Rehabilitation und der Langzeitbetreuung von Patienten immer weiter zunehmen, benötigen Medizintechnikunternehmen Lösungen, die eine zuverlässige Leistung über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg gewährleisten können. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert umfassende Kompetenzen in den Bereichen Gassensorik, Durchflussmessung, Signalverarbeitung, Systemintegration, Kalibrierung und Qualitätskontrolle in der Fertigung.

Lösung: Das CPET-ODM-System von Cubic für standardisierte und hochzuverlässige Daten
Vor diesem Hintergrund müssen CPET-Systeme gleichzeitig über hochpräzise Messfunktionen, Signalsynchronisationsfunktionen und durchgängige Qualitätssicherungsfunktionen verfügen. Als führender Hersteller von Gassensoren und -analysatoren setzt sich Cubic – gestützt auf seine eigens entwickelten Gassensor-Technologien, die hauseigene Fertigung sowie die Prototypentests und -validierung – dafür ein, standardisierte, hochzuverlässige CPET-Komplettsystem-ODM-Lösungen für medizinische Kunden weltweit bereitzustellen.

• Präzise CPET-Messungen beginnen mit fortschrittlichen Sensortechnologien
Cubic integriert TDLAS-basierte Sauerstoffmessung, NDIR-basierte CO₂-Messung und Ultraschall-Durchflussmesstechnologien in CPET-Kernmodule. Der TDLAS-Sauerstoffsensor bietet einen breiten Messbereich von 0–100 % O₂ und eine schnelle Ansprechzeit von ≤ 170 ms bei einem Durchfluss von 150 ml/min, was eine zuverlässige Sauerstoffüberwachung für die VO₂-Analyse ermöglicht. Der NDIR-CO₂-Sensor liefert schnelle und stabile Kohlendioxidmessungen zur Unterstützung der VCO₂- und RER-Berechnung. Gleichzeitig gewährleistet die Ultraschall-Durchflussmessung mit einer Auflösung von 0,1 ml/s eine genaue Messung des Atemflusses während der Atemzug-für-Atemzug-Analyse.

• Echtzeitsteuerung für präzise „Breath-by-Breath“-Analyse
Um die Datenlatenz zu überwinden, hat Cubic eine proprietäre Echtzeit-PCB-Verarbeitungsplattform entwickelt, die mit dynamischen Kompensationsalgorithmen integriert ist. Durch schnelle Datenerfassung und ein einheitliches Zeitstempel-Management synchronisiert das System Atemfluss-, O₂- und CO₂-Signale in Echtzeit. Es überwacht kontinuierlich die Probenahmebedingungen, die Sensorantwort und den Status des Gaskreislaufs und kompensiert dabei dynamisch Signalverzögerungen auf der Grundlage der Gastransportzeit und der Ansprechcharakteristik des Analysegeräts. Dadurch wird sichergestellt, dass die Gaskonzentrationsdaten genau auf den entsprechenden Atemfluss jedes Atemzyklus abgestimmt sind.

Sobald die Signalsynchronisation abgeschlossen ist, werden die kompensierten Durchfluss- und Gaskonzentrationsdaten zur Berechnung von VO₂, VCO₂, RER und anderen Stoffwechselparametern herangezogen und bieten so eine zuverlässige Grundlage für fortgeschrittene Analysen wie die Bestimmung der anaeroben Schwelle (AT). Durch die Integration von Echtzeitsteuerung und dynamischer Verzögerungskompensation minimiert Cubic Berechnungsfehler, die durch Abtastverzögerungen und Schwankungen der Sensoransprechzeit verursacht werden, und verbessert so die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der „Breath-by-Breath“-Parameterberechnung. Dies bietet eine zuverlässigere Datengrundlage für Langzeitbeobachtungen, Behandlungsbewertungen und eine präzise kardiopulmonale Versorgung.

• Standardisierte Qualitätssicherung für zuverlässige CPET-Messungen
Auf der Messebene gewährleistet Cubic die Genauigkeit der zentralen Sensormodule durch automatisierte O₂-Null- und Spannenkalibrierung, CO₂-Kalibrierung sowie Durchfluss-Volumen-Kalibrierung. Diese Verfahren stellen sicher, dass jede Sensorkomponente innerhalb definierter Leistungsspezifikationen arbeitet, und minimieren Messabweichungen, die durch Sensordrift oder Umgebungsschwankungen verursacht werden.

Auf Systemebene überprüft Cubic die Integrität des gesamten Messpfads durch Kompensation der Umgebungsbedingungen, Leckageerkennung im Gaskreislauf und Überprüfung der Signalsynchronisation. Durch die kontinuierliche Überwachung des Zusammenspiels zwischen Sensormodulen, Gaswegen und Signalverarbeitung gewährleistet das System eine zuverlässige Messleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Durch die Integration automatisierter Kalibrierungsroutinen und einer Echtzeit-Systemüberprüfung verbessert Cubic die Wiederholbarkeit und Konsistenz der Messungen über wiederholte Tests und unterschiedliche klinische Umgebungen hinweg. Dieser standardisierte Qualitätssicherungsansatz bietet eine zuverlässige Grundlage für die langfristige Patientennachsorge, die Behandlungsbewertung und die präzise kardiopulmonale Versorgung.

Warum Cubic
Gestützt auf mehr als zwei Jahrzehnte Erfahrung im Bereich der Gassensorik hat Cubic eigene Sensorplattformen entwickelt, die NDIR-, TDLAS- und Ultraschall-Messtechnologien abdecken. Auf der Grundlage dieser selbst entwickelten Technologien finden Produkte wie der Laser-Sauerstoffsensor Gasboard-2510, der CO₂-Sensor MED-CD1001 und der Ultraschall-Durchflusssensor breite Anwendung in der Medizin und im Gesundheitswesen und zeichnen sich durch hohe Messgenauigkeit, Langzeitstabilität und zuverlässige Leistung aus.

Mit vertikal integrierten Forschungs-, Entwicklungs- und Fertigungskapazitäten entwickelt und fertigt Cubic Kernsensoren und Schlüsselkomponenten eigenständig, unterstützt durch ein strenges Qualitätsmanagement, das die gesamte optische Montage, die Sensorkalibrierung, die elektronische Integration und die Produktionsprüfung umfasst. Dies gewährleistet eine gleichbleibende Produktqualität, vollständige Rückverfolgbarkeit und eine zuverlässige Versorgung von der Entwicklung bis zur Serienfertigung.

Über die Sensortechnologien hinaus bietet Cubic umfassende OEM- und ODM-Lösungen über den gesamten CPET-Produktentwicklungszyklus hinweg. Von der Hardwarearchitektur und dem strukturellen Design bis hin zur Softwareentwicklung und Systemintegration unterstützt Cubic seine Kunden dabei, Produktkonzepte in komplette CPET-Lösungen umzusetzen, die auf spezifische Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind.

Cubic bietet zudem Kompetenzen in den Bereichen Prototypenentwicklung, Verifizierungstests und Formenbau, um einen reibungslosen Übergang vom ersten Entwurf zur Serienfertigung zu gewährleisten. In Kombination mit einem integrierten Lieferkettenmanagement und skalierbaren Fertigungskapazitäten hilft Cubic seinen Partnern dabei, Entwicklungszyklen zu verkürzen, eine zuverlässige Produktqualität sicherzustellen und nachhaltige CPET-Produktplattformen aufzubauen.

Quellenangaben:
1. Technischer Standard der ERS zu Referenzwerten für kardiopulmonale Belastungstests: Zusammenfassender Bericht und Aufruf zum Handeln https://publications.ersnet.org/content/erj/67/6/2502463