Mesure de débit dans les inhalateurs médicaux intelligents

Jun 18, 2023

Les inhalateurs sont parmi les dispositifs les plus couramment utilisés pour traiter les maladies respiratoires telles que l'asthme et la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC). À chaque inhalation par l'inhalateur, l'appareil délivre une quantité spécifique de médicament aux poumons. Cependant, il est souvent mal utilisé car les patients ont souvent des difficultés à adopter la bonne technique d'inhalation et reçoivent donc une médication insuffisante. Cela conduit à un mauvais contrôle de la maladie et à une augmentation des coûts de santé.

Les coûts annuels mondiaux associés à la prise en charge de l'asthme et de la MPOC sont considérables tant du point de vue du payeur de soins de santé que de la société. Les résultats de la recherche montrent que les dépenses de santé d'un patient non contrôlé sont plus du double de celles d'un patient contrôlé. 1 Des études ont également révélé que la plupart des patients commettent au moins une erreur lors de la prise de médicaments par inhalation, ce qui fait que seulement 7 % à 40 % du médicament est délivré aux poumons. Les deux erreurs les plus importantes et les plus graves lors de l'utilisation d'inhalateurs-doseurs (MDI) sont toutes deux liées à l'inhalation du patient. La première erreur est liée à la coordination entre l'inhalation et le déclenchement de la libération de dose de l'inhalateur. Même un court délai peut faire en sorte que seulement 20 % du médicament soit délivré aux poumons. La deuxième erreur la plus importante est de ne pas respirer assez profondément, ce qui peut faire en sorte que 10 % de médicaments en moins atteignent les poumons.

Pour résoudre ces problèmes, Sensirion AG (Stäfa, Suisse) a développé un prototype qui peut être clipsé sur l'inhalateur pour mesurer le débit d'air d'inhalation du patient et déterminer quand pendant l'inhalation l'inhalateur est actionné.

Étant donné que les deux erreurs les plus importantes et les plus graves dans l'utilisation des inhalateurs sont liées à l'inhalation du patient, il est important de mesurer le débit d'air à travers l'inhalateur et, pour les inhalateurs-doseurs, également le moment où le médicament est délivré. Cela fournit des informations indiquant si le médicament a été libéré dans la fenêtre optimale du cycle d'inhalation (voir la figure 1). Cette corrélation entre le moment du déclenchement de la dose et le débit est un paramètre essentiel pour comprendre si le flux transportant le médicament a atteint profondément les bronches et atteint le dépôt pulmonaire élevé souhaité.

Le deuxième paramètre critique est le profil du débit d'air inhalé. Semblable à l'utilisation d'un spiromètre, plusieurs paramètres peuvent être dérivés du profil de débit d'air d'inhalation qui fournissent des informations sur l'inhalation de chaque patient :

Profondeur et durée de l'inspiration

Expiration complète avant l'inspiration

Inhalation lente selon les instructions

Fonction pulmonaire et son évolution dans le temps (modification des caractéristiques du débit inspiratoire)

Des enregistrements en temps réel précis et calibrés du profil de débit d'inhalation fournissent ces informations, à partir desquelles il est possible de déterminer si le patient a effectué l'inhalation correctement.

D'autres paramètres d'intérêt incluent le volume inhalé (IV) et le débit inspiré maximal (PIF), ainsi que la caractéristique de débit d'air d'inhalation complète, comme illustré à la figure 2.

Des sous-ensembles de paramètres tels que la résistance des voies respiratoires (RAW) peuvent également être déterminés à partir du profil de débit d'air d'inhalation. La dérivation de RAW est illustrée à la figure 3. Lorsque l'inhalateur est utilisé comme un appareil de type spiromètre, tous les paramètres sont dérivés lors de l'inhalation régulière, de sorte qu'il n'y a rien de plus que le patient doit faire par rapport à la prise de ses médicaments comme ils sont utilisés. pour. Dans le même temps, l'appareil enregistrera également si le patient n'a pas pris le médicament, ce qui peut être utilisé pour rappeler au patient de respecter le traitement prescrit.

En plus de surveiller chaque inhalation, les paramètres importants peuvent être suivis dans le temps, fournissant des informations sur l'utilisation correcte de l'inhalateur, l'efficacité du médicament et l'évolution de la maladie. Ces informations peuvent être envoyées au prestataire de soins de santé et contribuer également à motiver l'utilisateur. Cette combinaison d'administration de médicaments et d'unité de diagnostic dans un seul appareil est un outil puissant pour améliorer les résultats des patients.

La figure 4 montre le comportement schématique de PIF, IV et RAW en fonction du temps. Il visualise l'effet positif du démarrage du traitement, la phase de traitement stable lors d'un dosage régulier et l'effet négatif de l'interruption du traitement.

Dans le passé, la mesure précise du débit à travers l'inhalateur était difficile en raison du manque d'appareils suffisamment robustes et pourtant sensibles capables de mesurer les plus petits débits. Pour éviter d'avoir à revalider l'inhalateur auprès de la FDA et de maintenir l'approbation, l'exigence réglementaire clé pour les clips d'inhalateur exige que le circuit d'écoulement de l'inhalateur reste inchangé afin de garantir qu'il n'interfère pas avec la fonction existante de l'inhalateur. C'est exactement ce que fait l'inhalateur à pince Sensirion.

La figure 5 montre le clip d'inhalateur imprimé en 3D contenant le capteur de débit Sensirion SDP3x ainsi qu'une puce de communication Bluetooth à faible énergie et une source d'alimentation par batterie. Le boîtier de l'inhalateur n'a pas été modifié.

L'effet Bernoulli/Venturi explique que l'accélération du flux d'air entrant dans l'inhalateur provoquée par l'inhalation du patient crée une pression négative au niveau de l'ouverture supérieure de l'inhalateur, autour de la cartouche et de l'ouverture du clip attaché. L'amplitude de la pression négative est directement liée à l'amplitude du débit du flux d'air à travers l'inhalateur vers le patient et est mesurée par le capteur de débit.

Une manière plus graphique de comprendre le principe consiste à considérer la configuration du débit comme un système de dérivation à passage principal (voir la figure 6). Lorsque le patient inhale, la pression négative autour de l'ouverture de l'inhalateur aspire une petite quantité d'air ambiant propre à travers le trajet de dérivation du capteur et dans le passage principal de l'inhalateur. En mesurant le débit d'air de dérivation et en connaissant le rapport dérivation/passe principale, qui est fourni par la géométrie inhalateur/clip-on, la quantité totale de débit d'air vers le patient peut être déterminée.

Il existe de nombreuses méthodes différentes de mesure du débit de gaz : volumétrique mécanique, à flotteur, à pression différentielle, à ultrasons, à effet Coriolis, magnétique inductif et thermique, pour n'en citer que quelques-unes. Les techniques de comptage sans contact entre le gaz et le capteur nécessitent une technologie relativement coûteuse et sont donc hors de question pour de nombreuses applications. Dans la méthode de pression différentielle classique, les effets d'hystérésis et la fatigue de la membrane peuvent entraîner des problèmes de dérive et un manque de précision du point zéro ainsi qu'une faible sensibilité au débit car la déviation mécanique d'une membrane de capteur sur un orifice est utilisée pour mesurer la chute de pression.

Les techniques de mesure basées sur des principes thermiques sont donc une bonne solution. Dans le plus simple d'entre eux - l'anémomètre à fil chaud - le débit de gaz est déterminé via la vitesse de refroidissement d'un fil chauffé électriquement avec une résistance dépendant de la température. Les méthodes avancées utilisent un élément chauffant et deux capteurs de température, qui mesurent le transport de la chaleur à travers le gaz. Sensirion fait référence au terme "capteurs de débit microthermiques" car dans la solution de puce de débit basée sur MEMS utilisée dans sa série de capteurs de débit SDP3x, les composants du capteur sont intégrés dans une micropuce en silicium à l'échelle millimétrique.

Le débit d'air de l'inhalateur calibré montre un excellent accord dans une configuration de laboratoire par rapport à une seringue de spiromètre calibrée ou à une référence de débit externe.

L'ajout d'une unité de diagnostic au dispositif d'administration de médicaments que le patient connaît déjà est un outil puissant dans la gestion de l'asthme et de la MPOC. Une mauvaise technique d'inhalation entraîne une diminution de l'efficacité en raison du dépôt réduit de médicaments dans les poumons, ce qui à son tour entraîne une augmentation de la gravité de la maladie. Il a déjà été démontré que la solution consistant à guider le patient et à fournir une rétroaction directe, ainsi qu'à aider le patient à contrôler la maladie et à augmenter l'observance, améliore les résultats pour les patients grâce aux dispositifs d'administration de médicaments connectés actuellement utilisés.

Le pourcentage élevé de patients souffrant d'asthme ou de BPCO et faisant une mauvaise utilisation de leur inhalateur, alors qu'une vie sans problèmes serait généralement possible avec une bonne gestion de la maladie, continuera de stimuler l'innovation pour l'administration connectée de médicaments. Accompagner le patient dans le traitement optimal de sa maladie, non seulement comme un simple outil médical mais comme un dispositif compagnon pour rappeler, coacher et donner un aperçu pertinent du traitement et de l'évolution de la maladie, c'est la direction dans laquelle l'industrie s'oriente. avancer.

Cet article a été rédigé par le Dr Andreas Alt, PhD, Sales Director Medical chez Sensirion AG. Pour plus d'informations, contactez le Dr Alt à : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir. ou rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2022 de Sensor Technology Magazine.

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