SE453561B - Miniatyriserad sensor for fysiologiska tryckmetningar - Google Patents

Description

4-55 561 2 Samt "30 th ACMB" - LOS. ANGELES, 5-9 november 1977, “AN IMPROVED FIBEROPTIC CATHETER FOR INTRAVASCULAR PRESSURE AND SOUND MEASUREMENTS" s. 292 av French och Gerhard). Den kliniska användningen har emellertid varit ytterst begränsad.

Orsaken till detta är främst att miniatyriseringsgraden varit otillräcklig.

Ytterligare ett exempel beskrivs i det amerikanska patentet US-4 6l1 600. Tryckomvandlaren enligt detta patent har emellertid en ytterdiameter på cirka 1,7 mm, och de kommersiellt tillgängliga sensorerna har samtliga en ytter- diameter på 1,5 mm och uppåt. Detta medför att kliniska rutiner måste frångås, i vissa fall blir kirurgiska ingrepp nödvändiga. Sådana komplikationer kan oftast inte accepteras, vilket har inneburit att de miniatyriserade sensorernas användning blivit mycket begränsad. En annan betydelsefull faktor är sensorernas höga pris, vilket delvis är en följd av den relativt komplexa uppbyggnaden med ett flertal. komplicerade element, vilkas montering och sammansättning ofta 'skett med hantverksmässiga metoder. Frånvaron av fungerande kalibreringsrutiner är ytterligare en faktor som begränsat minisensorernas spridning.

Den föreliggande uppfinningen är en lösning på dessa och därmed sammanhängande problem, genom att en miniatyriserad trycksensor med en ytterdiameter på 0,5 mm har konstruerats- Detta gör sensorn användbar utan att etablerade kliniska rutiner behöver frångås. Sensorn kan införas genom vanliga injektionsnålar och katetrar även i trånga blodkärl och 'hâlrum. Sensorn tillverkas med material och metoder hämtade från halvledarteknologin, vilket innebär låga styckekcstnader.

Hantverksmässiga och manipulativa tillverkningssteg ersätts med satsvis produktion av hundratals element samtidigt. Vidare medger de små dimensionerna en praktisk lösning på den kalibreringsproblematik som framgår av det svenska patentet 441 725. 453 561 3 De för trycksensorn enligt uppfinningen kännetecknande särdragen framgår av de bifogade patentkraven.

I det följande kommer en föredragen utföringsform av upp- finningen att beskrivas i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka fig. 1 visar en principiell utföringsform av trycksensorn enligt uppfinningen, fig. 2 visar sensorn i ett komplett mätsystem, fig. 3 visar en utföringsform av sensorn med särskild kalibre- ringsfunktion. och fig. 4 visar en detalj i konstruktionen.

I fig. l visas sensorns funktionsprincip. Ljus från en externt placerad instrumentenhet leds genom en ljusledare 2 till själva sensorstrukturen. Ljusledaren 2 kan t ex utgöras av en glas- eller plastfiber, med kärna och mantel med olika optiska brytningsindex i enlighet med känd teknik. I sensor- strukturen är ljusledaren 2 fast anbringad mot kropp 3, vars form är sådan att ljusledarens 2 ändyta 4 är placerad intill en spekulärt reflekterande yta 5 på kroppen 3. Mellan ljus- ledarens 2 ände och den fasta kroppen finns vidare ett spelrum 16, vilket möjliggör elastiska böjningsrörelser hos ljus- ledaren 2. Sådana böjningsrörelser induceras av hydrostatiskt tryck applicerat på det elastiska membran l som ligger an mot ljusledarens böjliga del. Det elastiska membranet, exempelvis utfört i silicone eller liknande material, är spänt över ett Vkanylrör ll som omger kroppen 3 och ljusledarens 2 böjliga del, varvid membranmaterialet omsluter sensorn till ett tätt hölje. I kanylröret ll finns ett sidohål 12 som möjliggör kraftöverföring från membranet l till ljusledarens 2 böjliga del. Membranet 1 har i övrigt formen av en omslutande mantel. vilken även är stängd i ändytan, varigenom sensorns inre 453 561 4 hålrum 9 skiljs från den närmaste_nmgivníndenl närßmnæ har hålrummet 9 förbindelse med omgivande lufttryck genom en ventilatíonskanal 10. Denna kanal 10 löper parallellt med ljusledaren 2 vilken också används för signaltransmission till en ansluten instrumentenhet. Trycksignalen utgörs av den ljusreflex som återkastas från den reflekterande ytan 3. vid böjningsrörelser hos ljusledaren 2 kommer nämligen den reflekterade ljusintensiteten att vara beroende av det inbördes läget mellan ljusledarens 2 ändyta 4 och den reflekterande ytan 5.

Fig. 2 visar sensorns inkoppling till en yttre instrument- enhet 8. Inkopplingen sker lämpligen med hjälp av fiber- optiska kontaktdon 15. Instrumentenheten 8 innehåller ljus- källa,t.ex en lysdiod, en detektor, t ex en fotodiod, samt en fiberoptisk förgrening. Därutöver innehåller instrument- enheten förstärkare, kontrollenhet och presentationsenhet, t ex en skrivare.

I fig.2 visas en utföringsform av sensorn där ljusledaren 6 delats upp i två delar, 6 och 7, av tillverkningstekniska skäl. Vidare finns ett ventilationshål 17 upptaget för säker- ställande av tryckförbindelse mellan ventilationskanalen 10 och omgivande lufttryck.

Pig. 3 visar en utföringsform som medger en förenklad kalibrering av sensorn. Framför sensorstrukturen med ljus- ledaren 2, membranet 1 och kroppen 3 finns ett hålrum 14 med elastiska väggar, lämpligen tillverkade av samma material och i samma stycke somumembranet 1. Hålrummet 14 står genom en kanal 13 i förbindelse med externt placerbar pumpanordning, t ex en injektionsspruta. Hålrummet 14 kan följaktligen pumpas upp för att därvid expandera och täta mot innerväggen av en omslutande kateter. Därvid blir trycksensorn åtkomlig för ett kalibreringstryck som appliceras genom denna kateter (jfr svenska patentet 441 725). 455 561 5 Pig. 4 visar detaljutformningar av ljusledarens ändyta 4 och kroppens 3 reflekterande yta 5. I fig. 4a är kroppens 3 bredd större än ljusledarens 2 diameter, medan det motsatta för- hållandet råder i fig. 4b. De streckade areorna 18 och 20 representerar det tillskott i reflekterad ljusintensitet som fås vid en given relativ lägesändring mellan ytorna 4 och 5.

På grund av ljusledarens cirkulära tvärsnitt fås i fallet 4a en olinjäritet, medan fallet i fig. 4b ger ett linjärt beroende. Fallet i fig. 4b är alltså gynnsammast i detta avseende. Flera detaljutformningar är möjliga för att uppnå samma effekt, t ex kan den reflekterande ytans 5 lodräta kanter avfasas.

Kroppens 3 form kan erhållas på flera sätt- En lämplig metod utnyttjar enkristallint kisel som material. Därvid kan den reflekterade ytan 5 utgöras av ett elementärt kristallplan, t ex (lll)-planet eller (100)-planet, enligt Millers nomenklatur för kubisk kristallsymmetri. I flera etsvätskor, t ex kaliumhydroxid, är etshastigheten lägre i dessa båda kristallriktningar jämfört med högre ordningars kristall- riktningarn Vi s k mönsteretsning, d v s etsning med en litografisk mask med givet mönster, kommer elementärplanen därför att utbildas efter en längre tids påverkan från etsvätskan. Etsningens añisotropi gör också att de resulterande ytorna får hög jämnhet och därmed god spekulär reflektans. Genom tunnfilmsbeläggning med t ex aluminium kan reflektansen för övrigt ytterligare förbättras.

Vid mönsteretsning utgår man lämpligen från en stor skiva av enkristallint kisel, ur vilken ett stort antal element kan tillverkas samtidigt. Detta möjliggör god tillverknings~ ekonomi trots de extrema kraven på dimensionstoleranser och ytfinhet. Vanligen utgår man från en kiselskiva med diameter .5¥l5O mm och en tjocklek på 0,2-0,4 mm. Skivans kristall- orientering är vanligtvis sådan att de plana ytorna är (lO0)- A._plan eller (110)-plan. Dessa ytor får bilda kroppens tre ¿ huvudytor 19, 20. Vid etsningen kan då i det förra fallet den :reflekterande ytan 5 utgöras av ett (l00)+plan, och i det 453 561 6 senare fallet av ett (lll)-plan. Etsningen tillgår så att en mask definierar spelrummets 16 utsträckning i längsled, medan etstiden bestämmer spelrummets 16 djup. Masken kan vidare definiera den reflekterande ytans 5 bredd, liksom hela kroppens 3 bredd. Från den ursprungliga skivan kan nämligen de enskilda kropparna 3 brytas av, om brottanvisningar i form av längsgående spår etsas samtidigt med spelrummet l6. alternativt kan skivan delas till de enskilda kropparna 3 genom sågning med diamantklinga.

Fackmannen inser att uppfinningen kan varieras på många sätt inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (1)

1. 7 PATENTKRAV 1. » Miniatyriserad trycksensor för fysiologiska tryckmät- ningar in situ, k ä n n e t e c k n a d av en mantel (19) av ett"elastiskt material som omsluter SEHSOIH: ett membran (1) som är format i samma stycke som manteln (19). och således också är elastiskt, en ljusledare (2), som är anordnad att skjuta ut från en stöaxropp (3), så att dess utskjutande ände är fritt elastiskt böjbar som gensvar på en kraft som verkar på änden i en riktning huvudsakligen vinkelrätt mot ljusledarens' längdriktning, varvid dess avböjning är en monton funktion av kraften som verkar på den, och vars distala ändparti står i kontakt med membranet (1), och Vgen reflekterande yta (5) som är anordnad intill ljusledarens*ändyta((4)Å¿ 7 2- Ü Sensor enligt krav 1, k a nin e t e c k n a d av att stödkroppen (3) är formad av enkristallint kisel. och att den (,reflekterande ytan (5) på kroppen utgöres av ett elementärt kristallplan, exempelvis (100)-planet eller (lll)-planet. 3. Sensor enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d avs att både den reflekterande ytan (5) och kroppens (3) firhuvudytor (21, 22) utgöres av (100)~plan. v4§ ' Sensor enligt kraven 1 eller 2,,k ä n n e t e c k n a d Iwav«'attgden reflekterande ytan (5) utgöres av ett (lll)-plan, ¶;'och kroppens huvudytor (2l; 22) av (1l0)fplan. :'Sensor§enligt krav l¿wyk ärn n e t e c,k nya d av att fp7fden{re§lekterande ytan utgöres av en tunn film av ett hög- d Wireflekterande @&fiBrial} t en Üaluminium;. ß.i 1 "i ' ' «~_\,~,.~>.~,~,,«,«,>..-;~- -, ,> .- .v -~-f. »_;»,_,_,,=-;.,; ,.~,.,_ _¿_._; 453 561 8 6. Sensor enligt något av föregående krav, k ä n n e - t.e c k n a d av att ljusledaren (2) är sammansatt av minst två sammankopplade delar (6, 7), nämligen en del (6) i mekanisk förbindelse med det flexibla membranet (1), och dels en del (7) som utgörs av en optisk fiber avsedd för överföring av ljus till och från en instrumentenhet (8). 7. Sensor enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att membranet (l) avskiljer ett inre, luftfyllt hålrum (9) i sensorn, vilket längs en luftfylld kanal (10) står i förbindelse med ett referenstryck, exempel- pvis det rådande lufttrycket. 8. Sensor enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e cltrxa d .av ett skyddsrör (ll) av exempelvis rostfritt stål, med minst ett sidohål (12) som möjliggör den mekaniska kopplingen mellan det på rörets utsida belägna membranet (1) och den på rörets insida belägna ljusledaren (2). 9. Sensor enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k nia d av (åtminstone ett rör (13), som löper parallellt med ljusledaren (2) och vars ena ände utmynnar i en kammare (14) med elastiskt väggmaterial. 10. Sensor enligt något av föregående krav, k ä n n e ~ 7 t e_c k nia d avi att minst ett fiberoptiskt kontaktdon (15) >g¿.för anslutning till en apparatenhet (8) är anbringat på U'tljnsledarens (2), eller den optiska fiberns (7) ena ände. åïllg Ü Éensor enligt något av föregående krav, k ä n n e - lefeeíë» f? .e e' (W see efi-eafifepfiäfffi êæy äefiï-ëatessçs, wffçffieffšlf \áïššï§ï6É”ÉïfäïëffäÉä°êlñfiïáfí pl2;f¿sensorfenligt något av föregående krav, k ä n n e - dvdnytt-få? eviêfëfv»liflåišådåšëlíåàflvsm äïífïåftfi ä? Cirkulär- e<ßí>åivdliiflsfißiv°fl iden riktning <4» i i ¿§íg@š@er¿ L flffl fär"mindre ån ändytans KS),