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Erfassung hämodynamischer Transienten im Millisekundenbereich

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Anwendungen von Ultraschall-Durchflussmessern bei der Untersuchung pulsierender Strömungen in der Medizin

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Im menschlichen Kreislaufsystem unterscheidet sich die Blutströmung erheblich von der stationären Strömung in industriellen Rohrleitungen. Angetrieben durch die rhythmischen Kontraktionen und Entspannungen des Herzens weist die Blutströmung von Natur aus ausgeprägte pulsierende Eigenschaften auf, wobei sich ihre Geschwindigkeit, ihr Druck und ihr Durchfluss im Millisekundenbereich periodisch ändern. Bei der Forschung, Entwicklung und Validierung von Medizinprodukten wie künstlichen Herzpumpen, Herzklappen, extrakorporalen Kreislaufsystemen (ECMO) und hämodynamischen Simulationstests ist die Fähigkeit, diese dynamischen pulsierenden Wellenformen genau nachzubilden und präzise zu messen, entscheidend für die Bewertung der hydraulischen Leistung und Sicherheit des Geräts. Herkömmliche mechanische Sensoren weisen jedoch häufig erhebliche Rotationsträgheit und Dämpfungseffekte auf, was es ihnen erschwert, die sich schnell ändernden Momentansignale des pulsierenden Flusses zu erfassen.

Um authentische Daten zum pulsierenden Fluss zu erhalten, ist eine Messleitung mit minimaler Strömungsstörung unerlässlich. Die Ultraschall-Durchflusssensoren der TH-Serie sind mit einer geraden Rohrstruktur ausgelegt. Der interne Strömungsweg des Sensors ist glatt und enthält keine beweglichen Teile, abrupte Verengungen oder Mess-Totzonen. Diese Konstruktion bewahrt das ursprüngliche Strömungsfeld so weit wie möglich und stellt sicher, dass das Geschwindigkeitsprofil und der Strömungszustand des Testmediums beim Durchströmen des Sensors nahezu keine zusätzlichen Störungen erfahren, wodurch die inhärenten hydrodynamischen Eigenschaften der pulsierenden Strömung erhalten bleiben. Für medizinische Testszenarien, die häufige Reinigung, Sterilisation oder die Verwendung biologischer Simulationsflüssigkeiten erfordern, verringert die durchgehende Rohrstruktur ohne Messtote nicht nur das Risiko von Flüssigkeitsrückständen und Kreuzkontamination erheblich, sondern minimiert auch deutlich die Möglichkeit von Messabweichungen, die durch Partikelansammlungen oder Ablagerungen während Langzeitexperimenten verursacht werden. Dies bietet eine zuverlässige physikalische Grundlage für hochreproduzierbare Tests mit pulsierender Strömung.

Bei der Überwachung einer dynamischen pulsierenden Strömung ist zwar die Erhaltung der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit von entscheidender Bedeutung, doch die Fähigkeit des Systems, transiente Veränderungen zu erfassen, sowie die Effizienz der Mensch-Maschine-Interaktion sind für das Testerlebnis von zentraler Bedeutung. Die Sensoren der TH-Serie, die auf dem Ultraschall-Laufzeitverfahren basieren, berechnen die momentane Strömungsgeschwindigkeit präzise, indem sie abwechselnd hochfrequente Ultraschallsignale auf beiden Seiten des Strömungskanals senden und empfangen und dabei die Laufzeitdifferenz zwischen den stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Signalen nutzen. Dank der hohen zeitlichen Auflösung bei der Erfassung und Verarbeitung der Ultraschallsignale erreicht das System eine Abtastrate im Millisekundenbereich, was die Echtzeiterfassung momentaner strömungsdynamischer Veränderungen ermöglicht. Um Ingenieuren einen intuitiven Überblick über den Teststatus zu verschaffen, ist die Host-Einheit der TH-Serie mit einem hochempfindlichen Touchscreen-Display ausgestattet. Ingenieure können Parameter direkt auf dem Terminalbildschirm konfigurieren, ohne auf komplexe computergestützte Software angewiesen zu sein, und die vollständige dynamische Pulsationswellenform, die aus den Hochfrequenzdaten in Echtzeit erstellt wird, anzeigen. Dies ermöglicht eine intuitive Analyse von Schlüsseldaten wie maximaler Durchfluss, minimaler Durchfluss und Frequenz innerhalb jedes Pulsationszyklus.

Um den Anforderungen komplexer medizinischer Experimente und mehrkanaliger Parallelversuche noch besser gerecht zu werden, zeichnet sich die TH-Serie zudem durch eine gute Erweiterbarkeit des Systems aus: Eine einzelne Haupteinheit unterstützt bis zu vier Kanäle gleichzeitig. In Szenarien wie der Simulation von mehrverzweigten Gefäßen, Mehrkanal-Shunt-Tests im kardiopulmonalen Bypass oder parallelen Vergleichsexperimenten an mehreren Komponenten desselben Modells ermöglicht das 4-Kanal-Design Ingenieuren die synchrone Datenerfassung und vergleichende Analyse mehrerer Flüssigkeitsströme mit einem einzigen Gerät. Diese Mehrkanal-Synchronität steigert nicht nur die Effizienz von Labortests erheblich, sondern vermeidet auch effektiv Probleme mit Datenphasenabweichungen, die durch Zeitunterschiede bei der Datenerfassung von mehreren unabhängigen Geräten verursacht werden.

Neben einer schnellen unidirektionalen Reaktion und der parallelen Mehrkanal-Erfassung erfordert die Prüfung komplexer pulsierender medizinischer Strömungen häufig die Überwachung von Änderungen der Strömungsrichtung und des Mediumsstatus. Beispielsweise ist bei der Prüfung von Herzklappeninsuffizienzen der winzige Rückstrom, der im Moment des Schließens der Klappe entsteht, entscheidend für die Bewertung ihrer Dichtungsleistung. Die Sensoren der TH-Serie sind in der Lage, bidirektionale Strömungen empfindlich zu messen, wodurch sie die kumulierten Volumina von Vorwärts- und Rückströmung erfassen und unterscheiden können. Dies hilft dem Prüfpersonal, die Regurgitationsfraktion und das Nettoausstoßvolumen genau zu berechnen. Gleichzeitig kann bei der extrakorporalen Zirkulation und bei hochpräzisen Fluidexperimenten das Eindringen von Mikrobläschen nicht nur vorübergehende Anomalien in den Messsignalen verursachen, sondern auch potenziell die Prüfmuster oder das Versuchssystem beschädigen. Der integrierte Blasenerkennungsmechanismus des Sensors kann unter den meisten Betriebsbedingungen das Vorhandensein von Blasen im Strömungsweg in Echtzeit erkennen, ohne die Durchflussüberwachung zu unterbrechen, und fügt komplexen strömungsdynamischen Experimenten damit eine notwendige Dimension der Sicherheitsüberwachung hinzu.

Von der In-vitro-Hydraulikbewertung medizinischer Geräte bis hin zu laborbasierten hämodynamischen Simulationen ist die Messung pulsierender Strömungen nicht nur ein Durchbruch bei den technischen Spezifikationen, sondern eine ingenieurtechnische Nachbildung der physiologischen Realität. Durch sein auf einen geringen Widerstand ausgelegtes Strömungswegdesign, seine Ultraschall-Reaktionsgeschwindigkeit im Millisekundenbereich und die Ausgabe mehrdimensionaler Wellenformdaten bietet der Durchfluss-Ultraschallsensor der TH-Serie Forschungs- und Entwicklungsteams im Bereich der Medizintechnik eine störungsfreie, hochauflösende und äußerst zuverlässige Lösung für dynamische Messungen. Durch die Umwandlung komplexer Momentangeschwindigkeiten in präzise und aussagekräftige Datendiagramme hilft der Sensor Ingenieuren dabei, die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und medizinischen Geräten besser zu verstehen, und liefert eine solide Datengrundlage für die technologische Weiterentwicklung medizinischer Geräte der nächsten Generation.