DE102015003432A1 - Indentierungsvorrichtung with feed element - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Indentierungsvorrichtung zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats beschrieben. Die Indentierungsvorrichtung weist eine Messsonde zur Indentierung des Substrats auf, welche ein Röhrchen und eine innerhalb des Röhrchens befestigte optische Faser umfasst, wobei das Röhrchen einen Außendurchmesser von weniger als 1 Millimeter aufweist. Des Weiteren umfasst die Indentierungsvorrichtung mindestens ein in die optische Faser eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter, das dazu vorgesehen ist, eine auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu detektieren, sowie ein Vorschubelement zur Positionierung der Messsonde, das mit der Messsonde mechanisch verbunden ist und das dazu ausgelegt ist, die Messsonde auf das zu vermessende Substrat zu zu bewegen und in das Substrat einzudrücken. Die Indentierungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, den Vorschub der Messsonde und die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu erfassen.An indentation device for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate is described. The indentation device comprises a probe for indentation of the substrate comprising a tube and an optical fiber mounted within the tube, the tube having an outer diameter of less than 1 millimeter. Furthermore, the indentation device comprises at least one fiber Bragg grating inscribed in the optical fiber, which is intended to detect a force acting on the tip of the optical fiber and a feed element for positioning the measuring probe, which is mechanically connected to the measuring probe and which is adapted to move the probe to the substrate to be measured and press into the substrate. The indentation device is designed to detect the advancement of the probe and the force acting on the tip of the optical fiber.

Description

Die Erfindung betrifft eine Indentierungsvorrichtung zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats.The invention relates to an indentation device for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate. Furthermore, the invention relates to a method for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Indentierungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die eine genaue Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats ermöglicht.It is an object of the invention to provide an indenting device and a method which enables an accurate determination of elastic or viscoelastic properties of a substrate.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Indentierungsvorrichtung zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats gemäß Anspruch 13 sowie durch ein Verfahren zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats gemäß Anspruch 14 gelöst.The object of the invention is achieved by an indenting device for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate according to claim 1, by a method for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate according to claim 13 and by a method for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate according to Claim 14 solved.

Eine Indentierungsvorrichtung entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung dient zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats. Die Indentierungsvorrichtung weist eine Messsonde zur Indentierung des Substrats auf, welche ein Röhrchen und eine innerhalb des Röhrchens befestigte optische Faser umfasst, wobei das Röhrchen einen Außendurchmesser von weniger als 1 Millimeter aufweist. Des Weiteren umfasst die Indentierungsvorrichtung mindestens ein in die optische Faser eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter, das dazu vorgesehen ist, eine auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu detektieren, sowie ein Vorschubelement zur Positionierung der Messsonde, das mit der Messsonde mechanisch verbunden ist und das dazu ausgelegt ist, die Messsonde auf das zu vermessende Substrat zu zu bewegen und in das Substrat einzudrücken. Die Indentierungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, den Vorschub der Messsonde und die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu erfassen.An indenting device according to the embodiments of the invention serves to determine elastic or viscoelastic properties of a substrate. The indentation device comprises a probe for indentation of the substrate comprising a tube and an optical fiber mounted within the tube, the tube having an outer diameter of less than 1 millimeter. Furthermore, the indentation device comprises at least one fiber Bragg grating inscribed in the optical fiber, which is intended to detect a force acting on the tip of the optical fiber and a feed element for positioning the measuring probe, which is mechanically connected to the measuring probe and which is adapted to move the probe to the substrate to be measured and press into the substrate. The indentation device is designed to detect the advancement of the probe and the force acting on the tip of the optical fiber.

Durch eine Indentierungsvorrichtung entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine genaue Bestimmung der elastischen Eigenschaften des untersuchten Gewebes ermöglicht. Dabei wird zur Steuerung des Vorschubs der Messsonde ein Vorschubelement eingesetzt. Das Vorschubelement ermöglicht Stellwege mit hoher Positioniergenauigkeit.An indentation device according to embodiments of the present invention enables accurate determination of the elastic properties of the examined tissue. In this case, a feed element is used to control the feed of the probe. The feed element allows travel with high positioning accuracy.

Die hohe Positioniergenauigkeit bei der Steuerung des Vorschubs wird durch eine präzise Messung der Indentierungskraft ergänzt. Diese genaue Kraftmessung wird durch die Verwendung von mindestens einem in die Glasfaser eingeschriebenen Faser-Bragg-Gitter ermöglicht. Dabei wird die auf die Glasfaser einwirkende Indentierungskraft gemessen, indem die spektroskopische Verschiebung der Bragg-Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters verfolgt wird. Durch den Einsatz einer rein optischen Kraftmessmethode ist sichergestellt, dass die Indentierungsmessung nicht durch elektromagnetische Interferenz beeinträchtigt oder gestört werden kann. Darüber hinaus sind Glasfasern als Messsonden für minimalinvasive „in vivo”-Messungen am menschlichen Körper gut geeignet, unter anderem weil sie sich sehr gut sterilisieren lassen.The high positioning accuracy in the control of the feed is supplemented by a precise measurement of the indentation force. This accurate force measurement is made possible by the use of at least one fiber Bragg grating inscribed in the glass fiber. In this case, the indentation force acting on the glass fiber is measured by following the spectroscopic shift of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating. The use of a purely optical force measurement method ensures that the indentation measurement can not be impaired or disturbed by electromagnetic interference. In addition, glass fibers are well suited as probes for minimally invasive "in vivo" measurements on the human body, among other things because they can be sterilized very well.

Der Einsatz von Glasfasern ermöglicht es, die Messsonden sehr dünn zu gestalten. Das Röhrchen der Messsonde weist dabei einen Außendurchmesser von weniger als 1 mm auf. Die Messsonde wird perkutan (also durch die Haut hindurch) bis zum zu vermessenden Gewebe vorgeschoben und ermöglicht eine minimalinvasive Bestimmung der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Gewebes, insbesondere beispielsweise eines Knorpelgewebes.The use of glass fibers makes it possible to make the measuring probes very thin. The tube of the probe has an outer diameter of less than 1 mm. The measuring probe is advanced percutaneously (ie through the skin) to the tissue to be measured and allows a minimally invasive determination of the elastic or viscoelastic properties of the tissue, in particular, for example, of a cartilaginous tissue.

Durch die Möglichkeit, Elastizitätsveränderungen in dünnen Gewebeschichten zu erfassen und quantitativ zu bestimmen, eignet sich die vorgeschlagene Indentierungsvorrichtung insbesondere für eine Früherkennung der Arthrose. Durch die Vermessung von dünnen Oberflächenschichten von Knorpelgewebe und die Erkennung von degenerativen Veränderungen kann der Zeitpunkt, zu dem die Arthrose in der Früherkennungsdiagnose erkennbar wird, nach vorne verlagert werden. Dies ermöglicht eine frühzeitige Behandlung und eine dementsprechende Verzögerung des Krankheitsverlaufs.Due to the possibility of detecting and quantifying elasticity changes in thin tissue layers, the proposed indentation device is particularly suitable for the early detection of osteoarthritis. By measuring thin surface layers of cartilage tissue and detecting degenerative changes, the time at which osteoarthritis can be detected in early diagnosis can be moved forward. This allows for early treatment and a corresponding delay in the course of the disease.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die optische Faser in das Röhrchen der Messsonde eingeschoben und am Röhrchen befestigt. Es ist von Vorteil, wenn das Röhrchen der Messsonde dazu ausgelegt ist, die im Inneren des Röhrchens befestigte optische Faser zu stabilisieren und zu fixieren. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn es sich bei dem Röhrchen der Messsonde um ein Metallröhrchen oder ein Glasröhrchen handelt. Es ist von Vorteil, wenn das Röhrchen der Messsonde einen Außendurchmesser im Bereich von ca. 200 Mikrometer bis 500 Mikrometer aufweist. Es ist von Vorteil, wenn das Röhrchen der Messsonde einen Außendurchmesser im Bereich von ca. 200 Mikrometer bis 300 Mikrometer aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Röhrchen der Messsonde einen Innendurchmesser im Bereich von ca. 90 Mikrometer bis 170 Mikrometer auf. Es ist von Vorteil, wenn die optische Faser einen Außendurchmesser im Bereich von ca. 80 Mikrometer bis 125 Mikrometer aufweist.According to an advantageous embodiment, the optical fiber is inserted into the tube of the measuring probe and attached to the tube. It is advantageous if the tube of the measuring probe is designed to stabilize and fix the optical fiber mounted inside the tube. Furthermore, it is advantageous if the tube of the measuring probe is a metal tube or a glass tube. It is beneficial if the tube of the probe has an outer diameter in the range of about 200 microns to 500 microns. It is advantageous if the tube of the probe has an outer diameter in the range of about 200 microns to 300 microns. According to a preferred embodiment, the tube of the measuring probe has an inner diameter in the range of about 90 microns to 170 microns. It is advantageous if the optical fiber has an outer diameter in the range of about 80 microns to 125 microns.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Indentierungsvorrichtung zusätzlich ein äußeres Führungsröhrchen für die Messsonde auf, wobei die Messsonde im äußeren Führungsröhrchen verschieblich aufgenommen ist.According to an advantageous embodiment, the indentation additionally comprises an outer guide tube for the probe, wherein the probe is slidably received in the outer guide tube.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Indentierungsvorrichtung ein Gehäuse auf und das äußere Führungsröhrchen ist mit dem Gehäuse der Indentierungsvorrichtung mechanisch verbunden. Es ist von Vorteil, wenn die Messsonde, angetrieben durch das Vorschubelement und geführt im äußeren Führungsröhrchen, zum Substrat hin und vom Substrat weg bewegbar ist. Es ist von Vorteil, wenn es sich bei dem äußeren Führungsröhrchen um ein Metallröhrchen handelt. Es ist von Vorteil, wenn das Röhrchen der Messsonde so dimensioniert ist, dass es im äußeren Führungsröhrchen verschieblich aufgenommen werden kann. Dabei ist es von Vorteil, wenn das äußere Führungsröhrchen einen Außendurchmesser im Bereich von ca. 0,6 mm bis 1 mm aufweist.According to an advantageous embodiment, the indentation device has a housing and the outer guide tube is mechanically connected to the housing of the indentation device. It is advantageous if the measuring probe, driven by the feed element and guided in the outer guide tube, is movable toward the substrate and away from the substrate. It is advantageous if the outer guide tube is a metal tube. It is advantageous if the tube of the measuring probe is dimensioned so that it can be slidably received in the outer guide tube. It is advantageous if the outer guide tube has an outer diameter in the range of about 0.6 mm to 1 mm.

Es ist von Vorteil, wenn das Vorschubelement dazu ausgelegt ist, die Messsonde in Richtung auf das Substrat zu und vom Substrat weg zu positionieren. Es ist von Vorteil, wenn das Vorschubelement dazu ausgelegt ist, die Messsonde auf das zu vermessende Substrat zu und vom Substrat weg zu bewegen. Es ist von Vorteil, wenn das Vorschubelement dazu ausgelegt ist, die Messsonde in Richtung auf das Substrat zu und vom Substrat weg zu bewegen und dabei in das Substrat einzudrücken. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Vorschubelement dazu ausgelegt, die Messsonde während einer Indentierungsmessung mit einem linearen Vorschub in Richtung des Substrats zu bewegen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Indentierungsvorrichtung dazu ausgelegt, die während eines linearen Vorschubs der Messsonde auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu erfassen.It is advantageous if the advancing element is designed to position the measuring probe in the direction of the substrate towards and away from the substrate. It is advantageous if the feed element is designed to move the measuring probe towards the substrate to be measured and away from the substrate. It is advantageous if the feed element is designed to move the measuring probe in the direction of the substrate to and away from the substrate and thereby to press it into the substrate. According to an advantageous embodiment, the feed element is designed to move the measuring probe in the direction of the substrate during an indentation measurement with a linear feed. According to an advantageous embodiment, the indentation device is designed to detect the force acting on the tip of the optical fiber during a linear advance of the measuring probe.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Vorschubelement um eine magnetische Vorschubeinrichtung.According to a preferred embodiment, the feed element is a magnetic feed device.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Vorschubelement um ein piezoelektrisches Stellelement.According to a preferred embodiment, the advancing element is a piezoelectric adjusting element.

Es ist von Vorteil, wenn das piezoelektrische Stellelement dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem Hochspannungssignal die Messsonde in Richtung auf das Substrat zu und vom Substrat weg zu positionieren. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zur Steuerung des Vorschubs an das piezoelektrische Stellelement eine Spannung von bis zu einigen hundert Volt anlegbar, wobei durch die angelegte Spannung ein Vorschub der Messsonde von bis zu einigen hundert Mikrometer bewirkt wird. Es ist von Vorteil, wenn es sich bei dem piezoelektrischen Stellelement um ein rückgekoppeltes piezoelektrisches Stellelement handelt, das dazu ausgelegt ist, die am piezoelektrischen Stellelement anliegende Spannung in Abhängigkeit vom tatsächlichen Vorschub des piezoelektrischen Stellelements einzuregeln. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Indentierungsvorrichtung eine Spannungsversorgung, die dazu ausgelegt ist, die am piezoelektrischen Stellelement anliegende Spannung so zu erhöhen, dass die Messsonde mit einem linearen Vorschub auf das Substrat zu bewegt und in das zu untersuchende Substrat eingedrückt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Indentierungsvorrichtung eine Spannungsversorgung, die dazu ausgelegt ist, dem piezoelektrischen Stellelement eine sägezahnförmige oder dreieckförmige Spannung zuzuführen. Es ist von Vorteil, wenn die durch das piezoelektrische Stellelement bewirkte Positionierung der Messsonde mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich erfolgt.It is advantageous if the piezoelectric actuating element is designed to position the measuring probe in the direction of the substrate towards and away from the substrate in dependence on a high-voltage signal. According to an advantageous embodiment, a voltage of up to a few hundred volts can be applied to control the feed to the piezoelectric actuator, wherein the feeding of the probe by up to a few hundred micrometers is effected by the applied voltage. It is advantageous if the piezoelectric adjusting element is a feedback piezoelectric adjusting element which is designed to regulate the voltage applied to the piezoelectric adjusting element as a function of the actual feed of the piezoelectric adjusting element. According to an advantageous embodiment, the indentation device comprises a voltage supply which is designed to increase the voltage applied to the piezoelectric actuating element in such a way that the measuring probe moves toward the substrate with a linear feed and is pressed into the substrate to be examined. According to an advantageous embodiment, the indentation device comprises a voltage supply which is designed to supply the sawtooth or triangular voltage to the piezoelectric actuator. It is advantageous if the positioning of the measuring probe effected by the piezoelectric adjusting element takes place with an accuracy in the submicrometer range.

Es ist von Vorteil, wenn der Vorschub der Messsonde während einer Indentierungsmessung so einstellbar ist, dass eine Indentierungstiefe von weniger als 40 Mikrometer erzielt wird. Es ist von Vorteil, wenn der Vorschub der Messsonde während einer Indentierungsmessung so einstellbar ist, dass eine Indentierungstiefe von weniger als 20 Mikrometer erzielt wird. Es ist von Vorteil, wenn der Vorschub der Messsonde während einer Indentierungsmessung so einstellbar ist, dass eine Indentierungstiefe von weniger als 10 Mikrometer erzielt wird.It is advantageous if the feed of the measuring probe during an indentation measurement is adjustable so that an indentation depth of less than 40 micrometers is achieved. It is advantageous if the feed of the measuring probe during an indentation measurement is adjustable so that an indentation depth of less than 20 micrometers is achieved. It is advantageous if the feed of the measuring probe during an indentation measurement is adjustable so that an indentation depth of less than 10 micrometers is achieved.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die optische Faser ein erstes Faser-Bragg-Gitter auf, das dazu ausgelegt ist, die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu detektieren.According to an advantageous embodiment, the optical fiber has a first fiber Bragg grating which is designed to detect the force acting on the tip of the optical fiber.

Es ist von Vorteil, wenn das erste Faser-Bragg-Gitter im Bereich der Spitze der optischen Faser angeordnet ist. Es ist von Vorteil, wenn die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft eine Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters verursacht. Es ist von Vorteil, wenn während der Indentierung des Substrats durch die Messsonde auf die Spitze der optischen Faser eine Kraft einwirkt, die eine entsprechende Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters hervorruft. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform verursacht die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft eine Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters, wobei die Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters eine entsprechende Verschiebung der Mittenwellenlänge des vom ersten Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichts zu kleineren Wellenlängen hin bewirkt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform verursacht die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft eine Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters, wobei die Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters eine entsprechende Verschiebung der Bragg-Wellenlänge des ersten Faser-Bragg-Gitters zu kleineren Wellenlängen hin bewirkt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist anhand einer Verschiebung der Wellenlänge des vom ersten Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Lichts die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft bestimmbar. It is advantageous if the first fiber Bragg grating is arranged in the region of the tip of the optical fiber. It is advantageous if the force acting on the tip of the optical fiber causes a compression of the first fiber Bragg grating. It is advantageous if, during the indentation of the substrate by the measuring probe, a force acting on the tip of the optical fiber causes a corresponding compression of the first fiber Bragg grating. According to an advantageous embodiment, the force acting on the tip of the optical fiber causes a compression of the first fiber Bragg grating, wherein the compression of the first fiber Bragg grating to a corresponding shift of the center wavelength of the light reflected from the first fiber Bragg grating to smaller wavelengths causes. According to an advantageous embodiment, the force acting on the tip of the optical fiber causes a compression of the first fiber Bragg grating, wherein the compression of the first fiber Bragg grating a corresponding shift of the Bragg wavelength of the first fiber Bragg grating to smaller Wavelengths causes. According to an advantageous embodiment, the force acting on the tip of the optical fiber can be determined by means of a shift in the wavelength of the light reflected back from the first fiber Bragg grating.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die optische Faser in das Röhrchen der Messsonde eingeschoben und an mindestens einer Verklebungsstelle mit dem Röhrchen verklebt.According to an advantageous embodiment, the optical fiber is inserted into the tube of the measuring probe and glued to the tube at at least one bonding point.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die optische Faser ein erstes Faser-Bragg-Gitter auf, das dazu ausgelegt ist, die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu detektieren, wobei das erste Faser-Bragg-Gitter zwischen der vordersten der mindestens einen Verklebungsstelle und der Spitze der optischen Faser angeordnet ist.According to an advantageous embodiment, the optical fiber has a first fiber Bragg grating designed to detect the force acting on the tip of the optical fiber, the first fiber Bragg grating between the foremost of the at least one adhesion point and the tip of the optical fiber is arranged.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die optische Faser im Bereich hinter der vordersten der mindestens einen Verklebungsstelle ein zweites Faser-Bragg-Gitter auf, das als Referenz-Faser-Bragg-Gitter zur Durchführung einer Temperaturkompensation für das erste Faser-Bragg-Gitter vorgesehen ist.According to an advantageous embodiment, the optical fiber has a second fiber Bragg grating in the region behind the foremost of the at least one adhesion point, which is provided as a reference fiber Bragg grating for carrying out a temperature compensation for the first fiber Bragg grating.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist Licht von außen in die optische Faser einkoppelbar. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist von dem mindestens einen Faser-Bragg-Gitter rückreflektiertes Licht aus der optischen Faser auskoppelbar. Es ist von Vorteil, wenn das Ein- und Auskoppeln von Licht in die optische Faser über Gradientenindexlinsen erfolgt.According to an advantageous embodiment, light can be coupled from the outside into the optical fiber. According to an advantageous embodiment, light reflected back from the at least one fiber Bragg grating can be coupled out of the optical fiber. It is advantageous if the coupling and decoupling of light into the optical fiber via gradient index lenses.

Es ist von Vorteil, wenn die Indentierungsvorrichtung eine Auswerteeinheit umfasst, die dazu ausgelegt ist, die auf die optische Faser einwirkende Kraft in Abhängigkeit vom Vorschub der Messsonde zu erfassen.It is advantageous if the indentation device comprises an evaluation unit which is designed to detect the force acting on the optical fiber in dependence on the feed of the measuring probe.

Es ist von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, aus dem Vorschub der Messsonde und der auf die Spitze der optischen Faser einwirkenden Kraft elastische oder viskoelastische Eigenschaften des Substrats zu ermitteln. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, aus dem Zusammenhang zwischen dem Vorschub der Messsonde und der auf die Spitze der optischen Faser einwirkenden Kraft ein Elastizitätsmodul des untersuchten Substrats zu bestimmen.It is advantageous if the evaluation unit is designed to determine elastic or viscoelastic properties of the substrate from the feed of the measuring probe and the force acting on the tip of the optical fiber. Moreover, it is advantageous if the evaluation unit is designed to determine from the relationship between the feed of the measuring probe and the force acting on the tip of the optical fiber, a modulus of elasticity of the examined substrate.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Indentierungsvorrichtung dazu ausgelegt, das Vorschubelement so anzusteuern, dass der in das Substrat eingedrückten Messsonde eine oszillierende Bewegung aufgeprägt wird.According to an advantageous embodiment, the indentation device is designed to control the advancing element so that the probe pressed into the substrate is impressed with an oscillating movement.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Indentierungsvorrichtung dazu ausgelegt, die während der oszillierenden Bewegung der Messsonde auf die Spitze der optischen Faser einwirkende oszillierende Kraft zu erfassen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Indentierungsvorrichtung eine Auswerteeinheit, die dazu ausgelegt ist, einen Phasenversatz zwischen der oszillierenden Bewegung der Messsonde und einer während der oszillierenden Bewegung der Messsonde auf die Spitze der optischen Faser einwirkenden oszillierenden Kraft zu bestimmen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Indentierungsvorrichtung eine Auswerteeinheit, die dazu ausgelegt ist, einen Phasenversatz zwischen der oszillierenden Bewegung der Messsonde und einer während der oszillierenden Bewegung der Messsonde auf die Spitze der optischen Faser einwirkenden oszillierenden Kraft zu bestimmen und aus der Abhängigkeit des Phasenversatzes von der Frequenz der oszillierenden Bewegung ein Relaxationsverhaltens des Substrats abzuleiten.According to an advantageous embodiment, the indentation device is designed to detect the oscillating force acting on the tip of the optical fiber during the oscillating movement of the measuring probe. According to an advantageous embodiment, the indentation device comprises an evaluation unit which is designed to determine a phase offset between the oscillating movement of the measuring probe and an oscillating force acting on the tip of the optical fiber during the oscillating movement of the measuring probe. According to an advantageous embodiment, the indentation device comprises an evaluation unit which is designed to determine a phase offset between the oscillating movement of the measuring probe and an oscillating force acting on the tip of the optical fiber during the oscillating movement of the measuring probe, and the dependence of the phase offset on the optical fiber Frequency of the oscillating motion to derive a relaxation behavior of the substrate.

Es ist von Vorteil, wenn die Indentierungsvorrichtung als auseinandernehmbare Indentierungsvorrichtung realisiert ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Messsonde zu Reinigungszwecken vom Gehäuse lösbar. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Messsonde über eine lösbare mechanische Verbindung mit dem Vorschubelement verbunden. Es ist von Vorteil, wenn die Messsonde mittels eines Bajonett- oder Schraubverschlusses mit dem Vorschubelement verbunden ist. Es ist von Vorteil, wenn das Ein- und Auskoppeln von Licht in die optische Faser über Gradientenindexlinsen erfolgt.It is advantageous if the indentation device is realized as a disassemblable indentation device. According to an advantageous embodiment, the measuring probe can be detached from the housing for cleaning purposes. According to an advantageous embodiment, the measuring probe is connected to the feed element via a detachable mechanical connection. It is advantageous if the measuring probe by means of a Bayonet or screw closure is connected to the feed element. It is advantageous if the coupling and decoupling of light into the optical fiber via gradient index lenses.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Indentierungsvorrichtung ein äußeres Führungsröhrchen für die Messsonde auf, wobei das äußere Führungsröhrchen zu Reinigungszwecken vom Gehäuse lösbar ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Indentierungsvorrichtung ein äußeres Führungsröhrchen für die Messsonde auf, wobei das äußere Führungsröhrchen über eine lösbare mechanische Verbindung mit dem Gehäuse der Indentierungsvorrichtung verbunden ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Indentierungsvorrichtung ein äußeres Führungsröhrchen für die Messsonde auf, wobei das äußere Führungsröhrchen mittels eines Bajonett- oder Schraubverschlusses mit dem Gehäuse der Indentierungsvorrichtung verbunden ist.According to an advantageous embodiment, the indentation device has an outer guide tube for the measuring probe, wherein the outer guide tube is detachable from the housing for cleaning purposes. According to an advantageous embodiment, the indentation device has an outer guide tube for the measuring probe, wherein the outer guide tube is connected via a releasable mechanical connection with the housing of the indentation device. According to an advantageous embodiment, the indentation device has an outer guide tube for the measuring probe, wherein the outer guide tube is connected by means of a bayonet or screw cap with the housing of the indentation device.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat um ein Gewebe. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat um Knorpelgewebe. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat um Knorpelgewebe, wobei die Indentierungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, die elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Knorpelgewebes zu bestimmen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Indentierungsvorrichtung für eine minimalinvasive Diagnostik ausgelegt. Es ist von Vorteil, wenn die Indentierungsvorrichtung für eine Untersuchung von Gewebe in vivo ausgelegt ist. Es ist von Vorteil, wenn die Indentierungsvorrichtung für eine Untersuchung von Knorpelgewebe in vivo ausgelegt ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat um Knorpelgewebe, wobei die Indentierungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, anhand einer Veränderung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Knorpelgewebes eine beginnende Degeneration des Knorpelgewebes festzustellen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Indentierungsvorrichtung für eine Diagnose der Arthrose ausgelegt.According to an advantageous embodiment, the substrate is a tissue. According to an advantageous embodiment, the substrate is cartilage tissue. According to an advantageous embodiment, the substrate is cartilage tissue, wherein the indentation device is designed to determine the elastic or viscoelastic properties of the cartilage tissue. According to an advantageous embodiment, the indentation device is designed for minimally invasive diagnostics. It is advantageous if the indentation device is designed for examination of tissue in vivo. It is advantageous if the indentation device is designed for a study of cartilage tissue in vivo. According to an advantageous embodiment, the substrate is cartilage tissue, wherein the indentation device is designed to detect an incipient degeneration of the cartilaginous tissue by means of a change of elastic or viscoelastic properties of the cartilaginous tissue. According to an advantageous embodiment, the indentation device is designed for a diagnosis of osteoarthritis.

Eine Messanordnung entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung dient zur Messung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats und umfasst eine oben beschriebene Indentierungsvorrichtung sowie einen optischen Interrogator, der dazu ausgelegt ist, Anregungslicht in die optische Faser einzukoppeln und das von dem mindestens einen Faser-Bragg-Gitter rückreflektierte Licht aus der optischen Faser auszukoppeln und auszuwerten.A measuring assembly according to embodiments of the invention is for measuring elastic or viscoelastic properties of a substrate and includes an indenting device as described above and an optical interrogator configured to couple excitation light into the optical fiber and that of the at least one fiber Bragg grating to decouple and evaluate back-reflected light from the optical fiber.

Es ist von Vorteil, wenn der optische Interrogator eine Lichtquelle, einen Faserkoppler und einen Fotodetektor umfasst.It is advantageous if the optical interrogator comprises a light source, a fiber coupler and a photodetector.

Es ist von Vorteil, wenn es sich bei der Lichtquelle um einen durchstimmbaren Laser oder um eine breitbandige Weißlichtquelle handelt. Es ist von Vorteil, wenn der optische Interrogator dazu ausgelegt ist, Anregungslicht in die optische Faser einzukoppeln und das von dem mindestens einen Faser-Bragg-Gitter rückreflektierte Licht aus der optischen Fasern auszukoppeln und auszuwerten.It is advantageous if the light source is a tunable laser or a broadband white light source. It is advantageous if the optical interrogator is designed to couple excitation light into the optical fiber and to decouple and evaluate the light reflected back from the at least one fiber Bragg grating from the optical fibers.

Ein Verfahren entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung dient zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats. Die Bestimmung der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften erfolgt mittels einer Indentierungsvorrichtung. Die Indentierungsvorrichtung umfasst eine Messsonde zur Indentierung des Substrats, welche ein Röhrchen und eine innerhalb des Röhrchens befestigte optische Faser umfasst, wobei das Röhrchen einen Außendurchmesser von weniger als 1 Millimeter aufweist, mindestens ein in die optische Faser eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter sowie ein Vorschubelement zur Positionierung der Messsonde, das mit der Messsonde mechanisch verbunden ist. Das Verfahren umfasst Aufsetzen der Indentierungsvorrichtung auf das zu vermessende Substrat, Vorschieben der Messsonde mittels des Vorschubelements und Eindrücken der Messsonde in das zu vermessende Substrat, Erfassen der während der Indentierung auf die Spitze der optischen Faser einwirkenden Kraft mittels des mindestens einen Faser-Bragg-Gitters und Auswerten des Zusammenhangs zwischen dem Vorschub der Messsonde und der auf die Spitze der optischen Faser einwirkenden Kraft.A method according to embodiments of the invention is for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate. The elastic or viscoelastic properties are determined by means of an indentation device. The indentation device comprises a probe for indentation of the substrate comprising a tube and an optical fiber mounted within the tube, the tube having an outside diameter of less than 1 millimeter, at least one fiber Bragg grating inscribed in the optical fiber, and a feed element for positioning the probe, which is mechanically connected to the probe. The method comprises placing the indentation device on the substrate to be measured, advancing the probe by means of the advancing element and pressing the probe into the substrate to be measured, detecting the force acting on the tip of the optical fiber during the indentation by means of the at least one fiber Bragg grating and evaluating the relationship between the advancement of the probe and the force acting on the tip of the optical fiber.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren das Ansteuern des Vorschubelements dergestalt, dass der in das Substrat eingedrückten Messsonde eine oszillierende Bewegung aufgeprägt wird.According to an advantageous embodiment, the method comprises the activation of the advancing element in such a way that the measuring probe pressed into the substrate is impressed by an oscillating movement.

Ein Verfahren entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung dient zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats. Die Bestimmung der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften erfolgt mittels einer Indentierungsvorrichtung. Die Indentierungsvorrichtung umfasst eine Messsonde zur Indentierung des Substrats, welche ein Röhrchen und eine innerhalb des Röhrchens befestigte optische Faser umfasst, wobei das Röhrchen einen Außendurchmesser von weniger als 1 Millimeter aufweist, mindestens ein in die optische Faser eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter sowie ein Vorschubelement zur Positionierung der Messsonde, das mit der Messsonde mechanisch verbunden ist. Das Verfahren umfasst Aufsetzen der Indentierungsvorrichtung auf das zu vermessende Substrat, Ansteuern des Vorschubelements dergestalt, dass der in das Substrat eingedrückten Messsonde eine oszillierende Bewegung aufgeprägt wird, Erfassen der auf die Spitze der optischen Faser einwirkenden oszillierenden Kraft mittels des mindestens einen Faser-Bragg-Gitters und Auswerten des Zusammenhangs zwischen der oszillierenden Bewegung der Messsonde und der auf die Spitze der optischen Faser einwirkenden oszillierenden Kraft.A method according to embodiments of the invention is for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate. The elastic or viscoelastic properties are determined by means of an indentation device. The indentation device comprises a probe for indentation of the substrate, which comprises a tube and a tube mounted within the tube optical fiber, wherein the tube has an outer diameter of less than 1 millimeter, at least one fiber Bragg grating inscribed in the optical fiber, and a feed element for positioning the measuring probe, which is mechanically connected to the measuring probe. The method comprises placing the indentation device on the substrate to be measured, driving the feed element such that an oscillating motion is imparted to the probe pressed into the substrate, detecting the oscillatory force acting on the tip of the optical fiber by means of the at least one fiber Bragg grating and evaluating the relationship between the oscillating motion of the probe and the oscillatory force acting on the tip of the optical fiber.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter beschrieben. Es zeigenThe invention will be further described with reference to several embodiments shown in the drawings. Show it

1 eine schematische Darstellung einer Indentierungsmessung an einem Knorpel des Kniegelenks; 1 a schematic representation of an indentation measurement on a cartilage of the knee joint;

2 einen Querschnitt durch ein Indentierungsmessgerät; 2 a cross section through an indentimeter;

3 eine Schrägbilddarstellung eines Indentierungsmessgeräts; 3 an oblique view of an indentierungsmessgeräts;

4 eine vergrößerte Darstellung des stabförmigen Messelements des Indentierungsmessgeräts; 4 an enlarged view of the rod-shaped measuring element of the indentierungsmessgeräts;

5A eine Glasfaser, in die ein Faser-Bragg-Gitter eingeschrieben ist; 5A a glass fiber in which a fiber Bragg grating is inscribed;

5B die Variation des Brechungsindex n entlang der Längsausdehnung der Glasfaser; 5B the variation of the refractive index n along the longitudinal extent of the glass fiber;

6A das Spektrum der einfallenden Lichtleistung PI als Funktion der Wellenlänge λ; 6A the spectrum of the incident light power P I as a function of the wavelength λ;

6B das Spektrum der reflektierten Lichtleistung PB als Funktion der Wellenlänge λ; 6B the spectrum of the reflected light power P B as a function of the wavelength λ;

6C das Spektrum der transmittierten Lichtleistung PT als Funktion der Wellenlänge λ; 6C the spectrum of the transmitted light power P T as a function of the wavelength λ;

7 eine optische Messanordnung zur spektralen Analyse des rückreflektierten Lichts; 7 an optical measuring arrangement for the spectral analysis of the back-reflected light;

8A eine Darstellung der Funktionsweise eines piezoelektrischen Stellelements; 8A a representation of the operation of a piezoelectric actuator;

8B den Zusammenhang zwischen der an das piezoelektrische Stellelement angelegten Spannung U und der dadurch bewirkten Ausdehnung Δx des Piezos; 8B the relationship between the voltage applied to the piezoelectric actuator U and the resulting expansion Δx of the piezo;

9A die Position x der Messsondenspitze als Funktion der Zeit; 9A the position x of the probe tip as a function of time;

9B die Verstimmung der Bragg-Wellenlänge λB als Funktion der Zeit; 9B the detuning of the Bragg wavelength λ B as a function of time;

9C den Verlauf der Indentierungskraft F als Funktion der Zeit; 9C the course of the indentation force F as a function of time;

10 eine schematische Darstellung der Geometrie einer Indentierungsmessung; 10 a schematic representation of the geometry of an indentation measurement;

11 ein Messverfahren, bei dem der Phasenversatz zwischen der sinusförmig variierten Position x der Messsondenspitze und der Indentierungskraft F erfasst und ausgewertet wird; und 11 a measuring method in which the phase offset between the sinusoidally varied position x of the probe tip and the indentation force F is detected and evaluated; and

12 ein Messverfahren, bei dem sich ein linearer Vorschub der Messsondenspitze mit einer sinusförmigen Variation der Position abschnittsweise abwechselt. 12 a measuring method in which a linear feed of the probe tip alternates with a sinusoidal variation of the position in sections.

Im Folgenden wird ein Indentierungsmessgerät beschrieben, mit dem die elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften von Gewebe durch Eindrücken einer Messsonde in das Gewebe erfasst werden können. Mittels eines derartigen Indentierungsmessgeräts lassen sich insbesondere die elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften von Knorpelgewebe bestimmen. Dies ist z. B. für die Diagnose der Arthrose von Bedeutung, bei der das Knorpelgewebe im Verlauf der Erkrankung immer weiter degeneriert. Darüber hinaus eignet sich das Indentierungsmessgerät jedoch auch zur Bestimmung der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften von anderen Geweben oder Substraten.In the following, an indentation meter is described with which the elastic or viscoelastic properties of tissue can be detected by pushing a measuring probe into the tissue. In particular, the elastic or viscoelastic properties of cartilage tissue can be determined by means of such an indentation measuring device. This is z. As for the diagnosis of osteoarthritis of importance, in which the cartilage tissue degenerate in the course of the disease continues to degenerate. In addition, however, the indentation meter is also suitable for determining the elastic or viscoelastic properties of other fabrics or substrates.

In 1 ist die prinzipielle Funktionsweise eines Indentierungsmessgeräts 100 schematisch gezeigt. Das Indentierungsmessgerät 100 umfasst ein Gehäuse 101 mit einem stabförmigen Messelement 102. In dem Gehäuse 101 ist ein Vorschubelement 103 untergebracht. Das stabförmige Messelement 102 umfasst eine Messsonde, die durch das Vorschubelement 103 auf das Gewebe zu und vom Gewebe weg bewegt werden kann. Während des Vorschubs wird die auf die Messsonde einwirkende Kraft erfasst, und aus dem Zusammenhang zwischen Vorschub und Kraft können dann die elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Gewebes hergeleitet werden. In 1 is the basic operation of an indentation meter 100 shown schematically. The indentation meter 100 includes a housing 101 with a rod-shaped measuring element 102 , In the case 101 is a feed element 103 accommodated. The rod-shaped measuring element 102 includes a measuring probe by the feed element 103 on the tissue to and from the tissue can be moved away. During the feed, the force acting on the probe is detected, and from the relationship between feed and force can then be derived the elastic or viscoelastic properties of the tissue.

In 1 wird das Indentierungsmessgerät 100 zur Bestimmung der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Gelenkknorpels 104 am Oberschenkelknochen 105 des menschlichen Kniegelenks eingesetzt. In 1 sind darüber hinaus die Kniescheibe 106, der Meniskus 107, das Schienbein 108 und das Wadenbein 109 zu erkennen.In 1 becomes the indentation meter 100 for determining the elastic or viscoelastic properties of a joint cartilage 104 on the thighbone 105 of the human knee joint. In 1 are beyond the kneecap 106 , the meniscus 107 , the tibia 108 and the fibula 109 to recognize.

Mittels des Indentierungsmessgeräts 100 können die elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Gelenkknorpels 104 minimalinvasiv bestimmt werden. Hierzu wird das stabförmige Messelement 102 mit der Messsonde durch die Haut hindurch bis zur Oberfläche des Gelenkknorpels 104 vorgeschoben. Anschließend wird die Indentierungsmessung in vivo vorgenommen. Die Messsonde wird durch das Vorschubelement 103 vorgeschoben und in den Gelenkknorpel 104 eingedrückt. Während des Eindrückens wird die Kraft erfasst, die beim Eindrücken auf die Messsonde einwirkt. Aus dem Zusammenhang zwischen Vorschub und Kraft können dann die elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Gelenkknorpels 104 hergeleitet werden.By means of the indentation meter 100 may be the elastic or viscoelastic properties of the articular cartilage 104 be determined minimally invasive. For this purpose, the rod-shaped measuring element 102 with the probe through the skin to the surface of the articular cartilage 104 advanced. Subsequently, the indentation measurement is carried out in vivo. The measuring probe is controlled by the feed element 103 advanced and into the articular cartilage 104 pressed. During the indentation, the force acting on the probe when pressed in is detected. The elastic or viscoelastic properties of the articular cartilage can then be derived from the relationship between the force of advance and the force 104 be derived.

In 2 ist einen Querschnitt durch ein Indentierungsmessgerät gezeigt, wobei insbesondere die Struktur des stabförmigen Messelements 102 erkennbar ist.In 2 is a cross-section through an indentierungsmessgerät shown, in particular the structure of the rod-shaped measuring element 102 is recognizable.

Das stabförmige Messelement 102 umfasst ein äußeres Führungsröhrchen 200, welches vorzugsweise aus Metall besteht. Das äußere Führungsröhrchen 200 wird am Gehäuse 101 befestigt. Hierzu kann das äußere Führungsröhrchen 200 z. B. mittels eines äußeren Flansches 201 in einem Bajonett- oder Schraubverschluss am vorderen Ende des Gehäuses 101 befestigt werden. Das äußere Führungsröhrchen 200 weist vorzugsweise einen Außendurchmesser von z. B. 0,6 mm bis 1 mm auf, wobei eventuell auch kleinere Außendurchmesser möglich wären. Je kleiner der Außendurchmesser des äußeren Führungsröhrchens 200 ist, desto besser eignet sich das Indentierungsmessgerät für die minimalinvasive Diagnostik.The rod-shaped measuring element 102 includes an outer guide tube 200 , which preferably consists of metal. The outer guide tube 200 will be on the case 101 attached. For this purpose, the outer guide tube 200 z. B. by means of an outer flange 201 in a bayonet or screw cap at the front of the case 101 be attached. The outer guide tube 200 preferably has an outer diameter of z. B. 0.6 mm to 1 mm, possibly also smaller outer diameter would be possible. The smaller the outer diameter of the outer guide tube 200 the better the indentation meter is for minimally invasive diagnostics.

Das äußere Führungsröhrchen 200 dient als Führungshülse für die eigentliche Messsonde, die innerhalb des äußeren Führungsröhrchens 200 verschieblich gelagert ist. Die Messsonde besteht aus einem Röhrchen 202 und einer im Inneren des Röhrchens 202 angebrachten ersten Glasfaser 206, die zur Erfassung der beim Eindrücken der Messsonde in das Gewebe auftretenden Kraft dient.The outer guide tube 200 serves as a guide sleeve for the actual probe that is inside the outer guide tube 200 is slidably mounted. The probe consists of a tube 202 and one inside the tube 202 attached first fiberglass 206 which is used to detect the force occurring when the probe is pressed into the tissue.

Das Röhrchen 202 besteht vorzugsweise aus Metall und kann z. B. einen Außendurchmesser von 250 μm und einen Innendurchmesser von 140 μm aufweisen. Das Röhrchen 202 weist einen inneren Flansch 203 auf. Über den inneren Flansch 203 kann das Röhrchen 202 z. B. mittels eines Bajonett- oder Schraubverschlusses mit einer Halterungsscheibe 204 mechanisch verbunden werden, die ihrerseits mit der Stirnseite des Vorschubelements 103 verbunden ist. Bei dem Vorschubelement 103 kann es sich beispielsweise um eine magnetische Vorschubeinrichtung oder um ein piezoelektrisches Stellelement handeln. Angetrieben durch das Vorschubelement 103 wird die Halterungsscheibe 204 mit der daran befestigten Messsonde hin- und herbewegt, wie dies durch den Doppelpfeil 205 veranschaulicht ist. Dadurch wird die Messsonde innerhalb des äußeren Führungsröhrchens 200 hin- und herbewegt. Auf diese Weise ist es möglich, die Messsonde mittels des Vorschubelements 103 aus dem äußeren Führungsröhrchen 200 herauszubewegen und in das zu vermessende Gewebe einzudrücken.The tube 202 is preferably made of metal and may, for. B. have an outer diameter of 250 microns and an inner diameter of 140 microns. The tube 202 has an inner flange 203 on. About the inner flange 203 can the tube 202 z. B. by means of a bayonet or screw cap with a mounting plate 204 be mechanically connected, in turn, with the end face of the advancing element 103 connected is. At the feed element 103 it may be, for example, a magnetic feed device or a piezoelectric actuator. Driven by the feed element 103 becomes the retaining disc 204 with the attached measuring probe reciprocated, as by the double arrow 205 is illustrated. This will cause the probe within the outer guide tube 200 moved back and forth. In this way it is possible to use the probe by means of the feed element 103 from the outer guide tube 200 move out and press into the tissue to be measured.

Die Messsonde umfasst das Röhrchen 202 und die darin angebrachte erste Glasfaser 206. Die erste Glasfaser 206 ist als Kraftaufnehmer ausgebildet und dient zur Erfassung der beim Eindrücken der Messsonde in das Gewebe auftretenden Kraft. Die erste Glasfaser 206 kann beispielsweise einen Außendurchmesser von ca. 125 μm aufweisen. Da das Röhrchen 202 z. B. einen Innendurchmesser von 140 μm aufweist, kann die erste Glasfaser in das Röhrchen 202 eingeschoben werden. Die erste Glasfaser 206 wird mit Hilfe einer hinteren Verklebung 207 und einer vorderen Verklebung 208 mechanisch mit dem Röhrchen 202 verbunden. Auf diese Weise wird die erste Glasfaser 206 durch das Röhrchen 202 fixiert und stabilisiert.The probe includes the tube 202 and the first optical fiber mounted therein 206 , The first fiberglass 206 is designed as a force transducer and serves to detect the force occurring when pressing the probe into the tissue. The first fiberglass 206 may for example have an outer diameter of about 125 microns. Because the tube 202 z. B. has an inner diameter of 140 microns, the first glass fiber in the tube 202 be inserted. The first fiberglass 206 is using a rear gluing 207 and a front gluing 208 mechanically with the tube 202 connected. In this way, the first fiber becomes 206 through the tube 202 fixed and stabilized.

Zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften des jeweiligen Gewebes wird die beim Eindrücken auf die Spitze der ersten Glasfaser 206 wirkende Kraft 210 erfasst. Die Bestimmung dieser Kraft 210 erfolgt bei dem in 2 gezeigten Indentierungsmessgerät mit Hilfe von einem oder mehreren Faser-Bragg-Gittern, die in die erste Glasfaser 206 eingeschrieben sind. Derartige Faser-Bragg-Gitter verursachen eine Reflexion des einfallenden Lichts bei einer Bragg-Wellenlänge λB. Wenn die Kraft 210 auf die erste Glasfaser 206 einwirkt, bewirkt diese Kraft 210 eine Stauchung der ersten Glasfaser 206, was zu einer entsprechenden Verringerung der Gitterkonstante des Faser-Bragg-Gitters führt. Durch diese Stauchung verschiebt sich die Wellenlänge λB des reflektierten Lichts. Diese Verschiebung der Bragg-Wellenlänge stellt ein Maß für die auf die erste Glasfaser 206 einwirkende Kraft 210 dar.To determine the elastic properties of the respective tissue is the when pressing on the tip of the first glass fiber 206 Acting force 210 detected. The determination of this force 210 takes place at the in 2 shown with the aid of one or more fiber Bragg gratings, the in the first fiberglass 206 are inscribed. Such fiber Bragg gratings cause reflection of the incident light at a Bragg wavelength λ B. When the force 210 on the first fiberglass 206 acts, causes this force 210 a compression of the first fiberglass 206 , which leads to a corresponding reduction in the lattice constant of the fiber Bragg grating. By this compression shifts the wavelength λ B of the reflected light. This shift in the Bragg wavelength provides a measure of that on the first fiber 206 acting force 210 represents.

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist in der Nähe der Spitze der ersten Glasfaser 206 ein erstes Faser-Bragg-Gitter 209 eingeschrieben. Wenn nun beim Indentieren eines Gewebes die Kraft 210 auf die Spitze der ersten Glasfaser 206 einwirkt, dann wird das erste Faser-Bragg-Gitter 209 infolge dieser Krafteinwirkung gestaucht. Diese Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters 209 kann anhand der Verschiebung der reflektierten Wellenlänge detektiert und ausgewertet werden. Dadurch ist es möglich, die während der Indentierung auf die Spitze der ersten Glasfaser 206 einwirkende Kraft 210 in ihrem zeitlichen Verlauf zu erfassen.At the in 2 Example shown is near the top of the first fiber 206 a first fiber Bragg grating 209 enrolled. Now, when indenting a tissue, the force 210 to the top of the first fiberglass 206 then it becomes the first fiber Bragg grating 209 compressed due to this force. This compression of the first fiber Bragg grating 209 can be detected and evaluated based on the shift of the reflected wavelength. This makes it possible, while indenting on the top of the first fiberglass 206 acting force 210 to record in their time course.

Zusätzlich zum ersten Faser-Bragg-Gitter 209 kann zwischen der hinteren Verklebung 207 und der vorderen Verklebung 208 ein zweites Faser-Bragg-Gitter 211 angeordnet sein, dessen Gitterkonstante sich von der Gitterkonstante des ersten Faser-Bragg-Gitters 209 unterscheidet. Die Wellenlänge des vom zweiten Faser-Bragg-Gitter 211 reflektierten Lichts unterscheidet sich daher von der Wellenlänge, die vom ersten Faser-Bragg-Gitter 209 reflektiert wird. Da das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 hinter der vorderen Verklebung 208 angeordnet ist, wird es durch die auf die Sondenspitze einwirkende Kraft nicht gestaucht. Das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 ist so angeordnet, dass es dazu verwendet werden kann, die Temperaturabhängigkeit der von den beiden Faser-Bragg-Gittern 209, 211 reflektierten Wellenlängen zu erfassen und rechnerisch die Temperaturabhängigkeit des ersten Faser-Bragg-Gitters 209 zu kompensieren. Das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 dient also zur Durchführung einer Referenzmessung bei einer zweiten Wellenlänge, die nur von der Temperatur, nicht aber von der einwirkenden Kraft 210 abhängt.In addition to the first fiber Bragg grating 209 can be between the rear gluing 207 and the front bonding 208 a second fiber Bragg grating 211 be arranged, whose lattice constant is different from the lattice constant of the first fiber Bragg grating 209 different. The wavelength of the second fiber Bragg grating 211 reflected light therefore differs from the wavelength used by the first fiber Bragg grating 209 is reflected. Because the second fiber Bragg grating 211 behind the front gluing 208 is arranged, it is not compressed by the force acting on the probe tip. The second fiber Bragg grating 211 is arranged so that it can be used to measure the temperature dependence of the two fiber Bragg gratings 209 . 211 to detect reflected wavelengths and computationally the temperature dependence of the first fiber Bragg grating 209 to compensate. The second fiber Bragg grating 211 So it is used to perform a reference measurement at a second wavelength, the only of the temperature, but not by the applied force 210 depends.

Dabei ist es von Vorteil, wenn das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 dicht hinter der vorderen Verklebung 208 angeordnet ist, also möglichst weit vorn im vorderen Bereich der ersten Glasfaser 206. Dadurch ist gewährleistet, dass nach dem Einschieben des stabförmigen Messelements 102 in den Körper des Patienten auch das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 möglichst rasch auf Körpertemperatur erwärmt wird und somit auf dieselbe Temperatur wie das erste Faser-Bragg-Gitter 209 gebracht wird.It is advantageous if the second fiber Bragg grating 211 close behind the front gluing 208 is arranged, so as far ahead in the front region of the first glass fiber 206 , This ensures that after inserting the rod-shaped measuring element 102 in the patient's body also the second fiber Bragg grating 211 is heated as quickly as possible to body temperature and thus to the same temperature as the first fiber Bragg grating 209 is brought.

Bei der in 2 gezeigten Lösung ist die erste Glasfaser 206 über zwei Gradientenindex-Linsen bzw. GRIN-Linsen 212, 213 mit einer zweiten Glasfaser 214 optisch gekoppelt. Über die zweite Glasfaser 214 und die GRIN-Linsen 212, 213 kann Licht in die erste Glasfaser 206 eingekoppelt werden. Gewisse spektrale Teilbereiche dieses Lichts werden durch das erste Faser-Bragg-Gitter 209 und das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 zurückreflektiert. Die zurückreflektierten Lichtkomponenten können über die beiden GRIN-Linsen 212, 213 und die zweite Glasfaser 214 ausgekoppelt und spektral analysiert werden.At the in 2 The solution shown is the first fiberglass 206 via two gradient index lenses or GRIN lenses 212 . 213 with a second fiberglass 214 optically coupled. About the second fiberglass 214 and the GRIN lenses 212 . 213 can light in the first fiberglass 206 be coupled. Certain spectral portions of this light are transmitted through the first fiber Bragg grating 209 and the second fiber Bragg grating 211 reflected back. The reflected-back light components can be transmitted through the two GRIN lenses 212 . 213 and the second fiberglass 214 decoupled and analyzed spectrally.

Die optische Kopplung zwischen der ersten Glasfaser 206 und der zweiten Glasfaser 214 über die beiden GRIN-Linsen 212, 213 ermöglicht es, das in 2 gezeigte Indentierungsmessgerät auseinanderzubauen. Zum Auseinanderbauen des Indentierungsmessgeräts wird zunächst das äußere Führungsröhrchen 200 abgenommen. Hierzu wird der äußere Flansch 201 aus dem Bajonett- oder Schraubverschluss am Gehäuse 101 gelöst, anschließend kann das äußere Führungsröhrchen 200 abgezogen werden. Als nächstes wird die Messsonde abgenommen. Hierzu wird der innere Flansch 203 aus dem Bajonett- oder Schraubverschluss an der Halterungsscheibe 204 gelöst. Anschließend kann das Röhrchen 202 zusammen mit der darin befindlichen GRIN-Linse 213 und der eingeklebten ersten Glasfaser 206 abgenommen werden. Dadurch ist es möglich, sämtliche Bestandteile des stabförmigen Messelements 102 zu reinigen und zu desinfizieren.The optical coupling between the first fiber 206 and the second fiberglass 214 over the two GRIN lenses 212 . 213 allows that in 2 disassemble shown Indentierungsmessgerät. To disassemble the Indentierungsmessgeräts is first the outer guide tube 200 decreased. For this purpose, the outer flange 201 from the bayonet or screw cap on the housing 101 dissolved, then the outer guide tube 200 subtracted from. Next, the probe is removed. For this purpose, the inner flange 203 from the bayonet or screw cap on the mounting disc 204 solved. Then the tube can 202 together with the GRIN lens inside 213 and the glued-in first fiberglass 206 be removed. This makes it possible, all components of the rod-shaped measuring element 102 to clean and disinfect.

Nach der Reinigung wird das Indentierungsmessgerät wieder zusammengebaut. Hierzu wird zunächst der innere Flansch 203 des Röhrchens 202 in den zugehörigen Bajonett- oder Schraubverschluss der Halterungsscheibe 204 eingedreht. Anschließend wird das äußere Führungsröhrchen 200 auf das Röhrchen 202 aufgeschoben, und der äußere Flansch 201 wird in den zugehörigen Bajonett- oder Schraubverschluss am vorderen Ende des Gehäuses 101 eingedreht.After cleaning, the indentation meter is reassembled. For this purpose, first the inner flange 203 of the tube 202 in the associated bayonet or screw the retaining disc 204 screwed. Subsequently, the outer guide tube 200 on the tube 202 deferred, and the outer flange 201 is in the associated bayonet or screw at the front end of the housing 101 screwed.

Bei dem in 2 gezeigten Indentierungsmessgerät wird zur Erfassung der Indentierungskraft eine optische Kraftdetektion mit Hilfe von einem oder mehreren Faser-Bragg-Gittern eingesetzt. Dabei wird die optische Faser sowohl als Sensorelement als auch zur Signalübertragung genutzt. Die Signalgewinnung und -übertragung erfolgt daher ohne den Einsatz von Elektrizität und kann daher durch elektromagnetische Störungen nicht beeinträchtigt werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung bei der Anwesenheit von starken magnetischen Feldern, wie sie beispielsweise innerhalb von Magnetresonanztomographen zum Einsatz kommen.At the in 2 shown indentierungsmessgerät an optical force detection by means of one or more fiber Bragg gratings is used to detect the indentation force. The optical fiber is used both as a sensor element and for signal transmission. The signal acquisition and transmission therefore takes place without the use of electricity and can therefore by electromagnetic Disturbances are not affected. This is particularly important in the presence of strong magnetic fields, such as those used for example within magnetic resonance tomographs.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Glasfasern einen sehr geringen Durchmesser von beispielsweise 125 μm aufweisen, so dass eine minimalinvasive Diagnostik ermöglicht wird. Es sind auch Spezialfasern erhältlich, die noch kleinere Faserdurchmesser aufweisen (beispielsweise 80 μm). Das Glasmaterial der Sensorfasern ist biokompatibel. Wie weiter oben beschrieben, kann das Indentierungsmessgerät auf einfache Weise in seine Bestandteile zerlegt werden, so dass die Komponenten des stabförmigen Messelements 102 gereinigt werden können. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von Faser-Bragg-Gittern ist, dass in eine einzige optische Faser unterschiedliche Faser-Bragg-Gitter eingeschrieben werden können, welche Licht von unterschiedlicher Wellenlänge reflektieren. Durch einen derartigen Wellenlängenmultiplex können mehrere Faser-Bragg-Gitter in die gleiche Glasfaser integriert werden, so dass beispielsweise Temperatur und Dehnung getrennt voneinander erfasst werden können.Another advantage is that the glass fibers have a very small diameter of, for example, 125 microns, so that a minimally invasive diagnosis is possible. Special fibers are also available which have even smaller fiber diameters (for example 80 μm). The glass material of the sensor fibers is biocompatible. As described above, the Indentierungsmessgerät can be easily decomposed into its components, so that the components of the rod-shaped measuring element 102 can be cleaned. Another advantage of using fiber Bragg gratings is that different fiber Bragg gratings can be inscribed into a single optical fiber which reflect light of different wavelengths. By such a wavelength division multiple fiber Bragg gratings can be integrated into the same glass fiber, so that, for example, temperature and strain can be detected separately.

Bei dem in 2 gezeigten Indentierungsmessgerät wird ein Vorschubelement 103 als Vortrieb für die Messsonde verwendet. Als Vorschubelement 103 kann beispielsweise ein piezoelektrisches Stellelement verwendet werden. Ein derartiges piezoelektrisches Stellelement ermöglicht einen Vorschub der als Kraftaufnehmer dienenden ersten Glasfaser 206 im Bereich von ca. 0 bis 500 μm mit einer Stellgenauigkeit im Sub-Mikrometerbereich. Diese hohe Positionierungsgenauigkeit ermöglicht es, bereits kleine Veränderungen der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften an der Oberfläche eines Gewebes zu detektieren. Dies ist insbesondere bei der Diagnose der Arthrose von Bedeutung, wo im Frühstadium zunächst eine leichte Veränderung der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften in einer dünnen Oberflächenschicht des Knorpelgewebes auftritt.At the in 2 shown indentimeter becomes a feed element 103 used as propulsion for the probe. As feed element 103 For example, a piezoelectric actuator can be used. Such a piezoelectric actuator allows a feed of serving as a force transducer first optical fiber 206 in the range of approx. 0 to 500 μm with a positioning accuracy in the sub-micrometer range. This high positioning accuracy makes it possible to detect even small changes in the elastic or viscoelastic properties on the surface of a fabric. This is of particular importance in the diagnosis of osteoarthritis, where in the early stage a slight change in the elastic or viscoelastic properties first occurs in a thin surface layer of the cartilaginous tissue.

Der Verlauf der Arthrose wird in vier unterschiedliche Stadien eingeteilt. Das erste Stadium der Arthrose ist durch Rauigkeiten und eine Ausdünnung der Knorpelschicht gekennzeichnet. Durch die hohe Stellgenauigkeit, die beispielsweise durch ein piezoelektrisches Stellelement ermöglicht wird, können sehr hoch aufgelöste Indentierungen mit weniger als 10 μm Eindringtiefe durchgeführt werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Indentoren des Stands der Technik, die typischerweise Indentierungstiefen von 80 μm und mehr aufweisen, wird durch den piezoelektrischen Antrieb eine Untersuchung von Oberflächenbereichen in einem Dickenbereich von weniger als 10 μm ermöglicht. Dabei können die in diesen dünnen Oberflächenschichten auftretenden Veränderungen der Elastizitätseigenschaften durch die simultane Erfassung von Position und Kraft aufgelöst werden.The course of osteoarthritis is divided into four different stages. The first stage of osteoarthritis is characterized by roughness and thinning of the cartilage layer. Due to the high positioning accuracy, which is made possible for example by a piezoelectric actuator, very high-resolution indentations with less than 10 microns penetration depth can be performed. Unlike conventional indentors of the prior art, which typically have indentation depths of 80 μm and more, the piezoelectric drive allows examination of surface areas in a thickness range of less than 10 μm. In this case, the changes in elasticity properties occurring in these thin surface layers can be resolved by the simultaneous detection of position and force.

Dies ermöglicht es, eine Degradation der äußersten Schichten des Knorpels zu einem früheren Zeitpunkt zu erkennen, als dies mit den bisherigen deutlich gröberen Messverfahren möglich war. Je früher die Krankheit erkannt werden kann, desto besser kann die Degeneration des Knorpels verzögert werden, so dass die Lebensqualität des Patienten länger erhalten werden kann. Da es sich bei dem hier vorgestellten Indentierungsverfahren um eine minimalinvasive Prozedur handelt, ist der diagnostische Eingriff für den Patienten mit vergleichsweise geringen Belastungen verbunden.This makes it possible to detect a degradation of the outermost layers of the cartilage at an earlier point in time than was possible with the previously considerably coarser measuring methods. The earlier the disease can be detected, the better the cartilage degeneration can be delayed, so that the patient's quality of life can be maintained longer. Since the method of identification presented here is a minimally invasive procedure, the diagnostic procedure for the patient is associated with comparatively low loads.

In 3 ist ein Beispiel eines Indentierungsmessgeräts in Schrägbildansicht gezeigt, wobei gleiche oder funktionell entsprechende Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie in 1 und 2 versehen sind.In 3 an example of an indentimeter is shown in an oblique view, wherein the same or functionally corresponding features with the same reference numerals as in 1 and 2 are provided.

Bei dem in 3 gezeigten Indentierungsmessgerät ist das Gehäuse als zweiteiliges Gehäuse ausgebildet und umfasst einen stationären Teil 300 sowie einen beweglichen Teil 301, der innerhalb des stationären Teils 300 beweglich gelagert ist. Am hinteren Ende des stationären Teils 300 ist eine Feder 302 angeordnet, die den beweglichen Teil 301 des Gehäuses nach vorne drückt. Während der Durchführung der Indentierungsmessung hält die Bedienperson das Indentierungsmessgerät am stationären Teil 300 fest und drückt das stabförmige Messelement 102 gegen das zu vermessende Gewebe. Dabei wird der bewegliche Teil 301 mit dem stabförmigen Messelement 102 durch die Feder 302 mit einer konstanten Anpresskraft 303 gegen das zu vermessende Gewebe gedrückt. Dadurch liegt der vordere Bereich des äußeren Führungsröhrchens 200 mit konstanter Anpresskraft 303 am zu vermessenden Gewebe an. Dadurch werden definierte und reproduzierbare Ausgangsbedingungen für die Durchführung der Indentierungsmessung geschaffen.At the in 3 shown indentierungsmessgerät the housing is formed as a two-part housing and includes a stationary part 300 and a moving part 301 that is inside the stationary part 300 is movably mounted. At the rear end of the stationary part 300 is a spring 302 arranged the the moving part 301 of the housing pushes forward. While performing the indentation measurement, the operator holds the indentation meter at the stationary part 300 firmly and pushes the rod-shaped measuring element 102 against the tissue to be measured. This is the moving part 301 with the rod-shaped measuring element 102 through the spring 302 with a constant contact force 303 pressed against the tissue to be measured. This is the front of the outer guide tube 200 with constant contact pressure 303 on the tissue to be measured. This creates defined and reproducible starting conditions for carrying out the indentation measurement.

Das äußere Führungsröhrchen 200 ist über den äußeren Flansch 201 am vorderen Ende des beweglichen Teils 301 des Gehäuses befestigt. Im Inneren des äußeren Führungsröhrchens 200 ist die Messsonde angeordnet, die das Röhrchen 202 und die darin befestigte erste Glasfaser 206 umfasst. Die Messsonde kann mittels des Vorschubelements 103 innerhalb des äußeren Führungsröhrchens 200 vor- und zurückbewegt werden. Dazu ist der innere Flansch 203 des Röhrchens 202 an der Halterungsscheibe 204 befestigt, die ihrerseits mit der Stirnseite des Vorschubelements 103 verbunden ist. Innerhalb des Röhrchens 202 ist die erste Glasfaser 206 angebracht, die über die beiden Verklebungen 207, 208 mit dem Röhrchen 202 verbunden ist. Dadurch wird die erste Glasfaser 206 durch das Röhrchen 202 fixiert und stabilisiert. Das erste Faser-Bragg-Gitter 209 ist zwischen der vorderen Verklebung 208 und der Spitze der ersten Glasfaser 206 angeordnet. Wenn die Spitze der ersten Glasfaser 206 gegen das zu vermessende Gewebe gedrückt wird, wird das erste Faser-Bragg-Gitter 209 entsprechend gestaucht, und die Wellenlänge des rückreflektierten Lichts verschiebt sich. Das erste Faser-Bragg-Gitter 209 dient daher zur Bestimmung der Indentierungskraft.The outer guide tube 200 is over the outer flange 201 at the front end of the moving part 301 attached to the housing. Inside the outer guide tube 200 the measuring probe is arranged, which is the tube 202 and the first optical fiber fixed therein 206 includes. The measuring probe can by means of the feed element 103 inside the outer guide tube 200 be moved back and forth. This is the inner flange 203 of the tube 202 on the mounting disc 204 attached, the in turn, with the end face of the advancing element 103 connected is. Inside the tube 202 is the first fiberglass 206 attached, over the two bonds 207 . 208 with the tube 202 connected is. This will be the first fiberglass 206 through the tube 202 fixed and stabilized. The first fiber Bragg grating 209 is between the front gluing 208 and the tip of the first fiberglass 206 arranged. If the tip of the first fiberglass 206 is pressed against the tissue to be measured, becomes the first fiber Bragg grating 209 correspondingly compressed, and the wavelength of the reflected-back light shifts. The first fiber Bragg grating 209 therefore serves to determine the indentation force.

Das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 ist hinter der vorderen Verklebung 208 angeordnet und wird daher durch die bei der Indentierung einwirkende Kraft nicht gestaucht. Das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 dient als Referenzsensor und kann zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit eingesetzt werden.The second fiber Bragg grating 211 is behind the front gluing 208 arranged and is therefore not compressed by the force acting during the indentation. The second fiber Bragg grating 211 serves as a reference sensor and can be used to compensate for the temperature dependence.

Über die beiden GRIN-Linsen 212, 213 ist die erste Glasfaser 206 mit einer zweiten Glasfaser 214 optisch gekoppelt. Über die zweite Glasfaser 214 kann Licht in die erste Glasfaser 206 eingekoppelt werden. Darüber hinaus kann das von den Faser-Bragg-Gittern 209, 211 rückreflektierte Licht über die zweite Glasfaser 214 ausgekoppelt werden.About the two GRIN lenses 212 . 213 is the first fiberglass 206 with a second fiberglass 214 optically coupled. About the second fiberglass 214 can light in the first fiberglass 206 be coupled. In addition, that can be done by the fiber Bragg gratings 209 . 211 reflected light over the second fiberglass 214 be decoupled.

In 4 ist das vordere Ende des stabförmigen Messelements 102 noch einmal vergrößert herausgezeichnet. Zu erkennen sind das äußere Führungsröhrchen 200, das Röhrchen 202 sowie die erste Glasfaser 206. Im Unterschied zu 3 befindet sich die vordere Verklebung 400 in 4 unmittelbar am vorderen Ende des Röhrchens 202. Das erste Faser-Bragg-Gitter 209 befindet sich zwischen der vorderen Verklebung 400 und dem vorderen Ende der ersten Glasfaser 206, während das zweite Faser-Bragg-Gitter 211 hinter der vorderen Verklebung 400 angeordnet ist.In 4 is the front end of the rod-shaped measuring element 102 once again magnified drawn out. To recognize are the outer guide tube 200 , the tube 202 as well as the first fiberglass 206 , In contrast to 3 is the front gluing 400 in 4 immediately at the front end of the tube 202 , The first fiber Bragg grating 209 is located between the front gluing 400 and the front end of the first fiberglass 206 while the second fiber Bragg grating 211 behind the front gluing 400 is arranged.

Im Folgenden soll anhand der 5A und 5B sowie 6A bis 6C die Struktur und Funktionsweise eines Faser-Bragg-Gitters beschrieben werden. Hierzu ist in 5A eine Glasfaser 500 gezeigt, die einen Faserkern (core) 501 sowie einen Mantel (cladding) 502 aufweist, wobei der Mantel 502 den Faserkern 501 rundum umschließt. Der Brechungsindex n2 des Faserkerns 501 ist dabei größer als der Brechungsindex n1 des Mantels 502, so dass also gilt: n2 > n1. Durch diese Bedingung wird eine Lichtausbreitung innerhalb der Glasfaser 500 ermöglicht.The following is based on the 5A and 5B such as 6A to 6C the structure and operation of a fiber Bragg grating will be described. This is in 5A a fiberglass 500 shown that a fiber core 501 and a coat (cladding) 502 having, wherein the jacket 502 the fiber core 501 surrounds all around. The refractive index n 2 of the fiber core 501 is greater than the refractive index n 1 of the shell 502 , so that then: n 2 > n 1 . This condition causes light to propagate within the glass fiber 500 allows.

Die in 5A gezeigte Glasfaser 500 weist ein Faser-Bragg-Gitter 503 auf. Als Faser-Bragg-Gitter bezeichnet man ein in die Faser eingeschriebenes optisches Interferenzfilter, das eine periodische Abfolge von Bereichen 504 mit hohem Brechungsindex und Bereichen 505 mit niedrigem Brechungsindex aufweist. Die Bereiche 504 mit hohem Brechungsindex n3 sind in 5A schraffiert eingezeichnet. Die dazwischenliegenden Bereiche 505 weisen einen niedrigeren Brechungsindex n2 auf. Als Gitterperiode Λ bezeichnet man den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Bereichen mit hohem Brechungsindex n3.In the 5A shown fiberglass 500 has a fiber Bragg grating 503 on. A fiber Bragg grating is an optical interference filter inscribed in the fiber, which is a periodic sequence of regions 504 with high refractive index and ranges 505 having a low refractive index. The areas 504 with high refractive index n 3 are in 5A hatched drawn. The intermediate areas 505 have a lower refractive index n 2 . The grating period Λ is the distance between successive regions of high refractive index n 3 .

In 5B ist die Variation des Brechungsindex n entlang der Längsrichtung der Glasfaser 500 aufgetragen. Anhand von 5B ist erkennbar, dass die schraffiert eingezeichneten Bereiche 504 einen Brechungsindex n3 aufweisen, der höher ist als der Brechungsindex n2 der dazwischenliegenden Bereiche 505.In 5B is the variation of the refractive index n along the longitudinal direction of the glass fiber 500 applied. Based on 5B it can be seen that the hatched areas 504 have a refractive index n 3 higher than the refractive index n 2 of the intermediate regions 505 ,

Das Faser-Bragg-Gitter 503 wirkt als optisches Interferenzfilter, das einfallendes Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektiert. Die Mittenwellenlänge des rückreflektierten Lichts wird als ”Bragg-Wellenlänge” λB bezeichnet. Die Bragg-Wellenlänge λB des Faser-Bragg-Gitters ergibt sich aus der Bragg-Bedingung: λB = neff·2Λ (1) The fiber Bragg grating 503 acts as an optical interference filter that reflects incident light of a specific wavelength. The center wavelength of the back-reflected light is referred to as "Bragg wavelength" λ B. The Bragg wavelength λ B of the fiber Bragg grating results from the Bragg condition: λ B = n eff · 2Λ (1)

In dieser Formel bezeichnet λB die Wellenlänge des rückreflektierten Lichts im Vakuum, Λ die Gitterperiode des Faser-Bragg-Gitters und neff den effektiven Brechungsindex. Der effektive Brechungsindex neff hängt von der Geometrie (Kern- und Manteldurchmesser) des Wellenleiters, von den Brechungsindizes n1, n2, n3 und von den Wellenmoden ab. Die spektrale Breite des rückreflektierten Lichts hängt von der Länge des Faser-Bragg-Gitters und der Stärke der Brechungsindexänderung zwischen den benachbarten Brechungsindexbereichen ab.In this formula, λ B denotes the wavelength of the back-reflected light in vacuum, Λ the grating period of the fiber Bragg grating, and n eff the effective refractive index. The effective refractive index n eff depends on the geometry (core and cladding diameters) of the waveguide, refractive indices n 1 , n 2 , n 3 and the wave modes. The spectral width of the back-reflected light depends on the length of the fiber Bragg grating and the strength of the refractive index change between the adjacent refractive index regions.

Zur Veranschaulichung der Bragg-Beziehung kann man sich vorstellen, dass das Faser-Bragg-Gitter aus vielen aufeinanderfolgenden Abschnitten der Länge Λ = λ/2 zusammengesetzt ist. Jeder Abschnitt der Länge Λ = λ/2 setzt sich aus einem ersten λ/4-Abschnitt mit hohem Brechungsindex n3 und einem zweiten λ/4-Abschnitt mit niedrigem Brechungsindex n2 zusammen. An jeder Grenzfläche zwischen den Abschnitten wird ein Teil der eingespeisten Amplitude durch die Fresnel-Reflexion reflektiert, so dass die reflektierte Welle am Ende jedes λ/4-Abschnitts entweder einen Phasensprung von 0° oder von 180° erfährt. Wenn die Bragg-Bedingung erfüllt ist, kommt es infolge der Mehrfachreflexion an den verschiedenen Grenzflächen bei der reflektierten Welle zu konstruktiver Interferenz, und die an den einzelnen Grenzflächen rückreflektierten Teilamplituden überlagern sich zu einer reflektierten Welle.To illustrate the Bragg relationship, one can imagine that the fiber Bragg grating is composed of many consecutive sections of length Λ = λ / 2. Each section of length Λ = λ / 2 is composed of a first λ / 4 section of high refractive index n 3 and a second λ / 4 section of low refractive index n 2 . At each interface between sections, a portion of the injected amplitude is reflected by the Fresnel reflection, such that the reflected wave at the end of each λ / 4-section experiences either a phase jump of 0 ° or 180 °. If the Bragg condition is satisfied, constructive interference occurs at the various interfaces in the reflected wave due to multiple reflection, and the partial amplitudes reflected back at the individual interfaces are superimposed to form a reflected wave.

In den 6A, 6B und 6C sind die einfallende Leistung PI, die reflektierte Leistung PB und die durchgelassene Leistung PT jeweils als Funktion der Wellenlänge aufgetragen.In the 6A . 6B and 6C For example, the incident power P I , the reflected power P B, and the transmitted power P T are plotted as a function of wavelength, respectively.

6A zeigt das Spektrum der einfallenden Leistung PI als Funktion der Wellenlänge λ. Es ist zu erkennen, dass das einfallende Licht relativ breitbandig ist und eine Vielzahl von unterschiedlichen Lichtwellenlängen umfasst. Als Lichtquelle kann beispielsweise eine Weißlichtquelle eingesetzt werden. 6A shows the spectrum of the incident power P I as a function of the wavelength λ. It can be seen that the incident light is relatively broadband and includes a plurality of different wavelengths of light. As a light source, for example, a white light source can be used.

6B zeigt das Spektrum der vom Faser-Bragg-Gitter 503 reflektierten Leistung PB als Funktion der Wellenlänge λ. Es ist zu erkennen, dass Wellenlängen, die innerhalb der Filterbandbreite um die Bragg-Wellenlänge λB liegen, vom Faser-Bragg-Gitter 503 zurückreflektiert werden. 6B shows the spectrum of the fiber Bragg grating 503 reflected power P B as a function of wavelength λ. It can be seen that wavelengths that lie within the filter bandwidth around the Bragg wavelength λ B , from the fiber Bragg grating 503 be reflected back.

6C zeigt das Spektrum der durchgelassenen Leistung PT als Funktion der Wellenlänge λ. Es ist zu erkennen, dass sowohl der Teil des einfallenden Spektrums unterhalb der Bragg-Wellenlänge λB als auch der Teil des einfallenden Spektrums oberhalb der Bragg-Wellenlänge λB durchgelassen werden, wohingegen diejenigen Wellenlängen, die innerhalb der Filterbandbreite um λB liegen, nicht durchgelassen werden. Diese Wellenlängen fehlen daher in der durchgelassenen Leistung PT. 6C shows the spectrum of the transmitted power P T as a function of the wavelength λ. It can be seen that both the portion of the incident spectrum below the Bragg wavelength λ B and the portion of the incident spectrum above the Bragg wavelength λ B are transmitted, whereas those wavelengths that are within the filter bandwidth are λ B , not be let through. These wavelengths are therefore absent in the transmitted power P T.

Das Faser-Bragg-Gitter 503 kann beispielsweise mit Hilfe von UV-Licht in die Glasfaser 500 eingeschrieben werden, um auf diese Weise die charakteristische Abfolge von Bereichen mit hohem und niedrigem Brechungsindex zu erzeugen. Für die Herstellung des Faser-Bragg-Gitters 503 kann beispielsweise ein Excimerlaser mit einer Wellenlänge λ = 248 nm verwendet werden. Durch das UV-Licht des Excimerlasers kann die für das Faser-Bragg-Gitter charakteristische Modulation des Brechungsindex innerhalb des Faserkerns 501 der Glasfaser 500 erzeugt werden.The fiber Bragg grating 503 For example, with the help of UV light in the glass fiber 500 so as to produce the characteristic sequence of high and low refractive index regions. For the production of the fiber Bragg grating 503 For example, an excimer laser with a wavelength λ = 248 nm can be used. Due to the UV light of the excimer laser, the characteristic of the fiber Bragg grating modulation of the refractive index within the fiber core 501 the fiberglass 500 be generated.

Die Mittenwellenlänge λB der Filterbandbreite eines Faser-Bragg-Gitters wird sowohl durch eine mechanische Stauchung oder Dehnung als auch durch eine Temperaturänderung beeinflusst. Wenn beispielsweise infolge einer Krafteinwirkung eine Stauchung des Faser-Bragg-Gitters auftritt, dann verringert sich die Gitterperiode Λ des Faser-Bragg-Gitters, und dementsprechend verringert sich auch die Bragg-Wellenlänge λB.The center wavelength λ B of the filter bandwidth of a fiber Bragg grating is affected by both mechanical compression or strain and by a change in temperature. If, for example, a compression of the fiber Bragg grating occurs as a result of a force, then the grating period Λ of the fiber Bragg grating decreases, and accordingly the Bragg wavelength λ B is also reduced.

Eine Temperaturänderung dagegen führt zu zwei unterschiedlichen Effekten: zum einen führt die thermische Ausdehnung zu einer Veränderung der Gitterperiode, die durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α der Glasfaser beschrieben werden kann. Zum andern besitzt der Brechungsindex n eine Temperaturabhängigkeit, so dass eine Temperaturänderung auch zu einer Änderung der Brechungsindizes n1, n2 und n3 und somit auch von neff führt. Beide Effekte tragen zur Temperaturabhängigkeit der Bragg-Wellenlänge λB bei. Insgesamt kann die Verschiebung ΔλB der Bragg-Wellenlänge in Abhängigkeit von der Dehnung ε und der Temperaturänderung ΔT durch folgende Formel beschrieben werden:

Figure DE102015003432A1_0002
In contrast, a temperature change leads to two different effects: on the one hand, the thermal expansion leads to a change in the grating period, which can be described by the thermal expansion coefficient α of the glass fiber. On the other hand, the refractive index n has a temperature dependence, so that a temperature change also leads to a change of the refractive indices n 1 , n 2 and n 3 and thus also of n eff . Both effects contribute to the temperature dependence of the Bragg wavelength λ B. Overall, the shift Δλ B of the Bragg wavelength as a function of the strain ε and the temperature change ΔT can be described by the following formula:
Figure DE102015003432A1_0002

In dieser Formel bezeichnet λB die Bragg-Wellenlänge, und ΔλB die Änderung der Bragg-Wellenlänge. ε bezeichnet die (dimensionslose) Dehnung oder Stauchung des Glasfasermaterials, und ΔT bezeichnet die Temperaturänderung, α den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, pe den effektiven elektrooptischen Koeffizienten (0,211) und ξ den thermooptischen Koeffizienten.In this formula, λ B denotes the Bragg wavelength and Δλ B the change in Bragg wavelength. ε denotes the (dimensionless) elongation or compression of the glass fiber material, and ΔT denotes the temperature change, α the thermal expansion coefficient, p e the effective electro-optical coefficient (0.211) and ξ the thermo-optical coefficient.

In 7 ist das Indentierungsmessgerät 100 zusammen mit einer zugehörigen optischen Messanordnung gezeigt. Das Indentierungsmessgerät 100 umfasst das Gehäuse 101 sowie das stabförmige Messelement 102 mit der Messsonde, die durch das im Gehäuse 101 angeordnete Vorschubelement 103 vor- und zurückbewegbar ist. Die Messsonde umfasst eine Glasfaser mit den beiden Faser-Bragg-Gittern 209 und 211.In 7 is the indentation meter 100 shown together with an associated optical measuring arrangement. The indentation meter 100 includes the housing 101 and the rod-shaped measuring element 102 with the probe, which by the in the housing 101 arranged feed element 103 is movable back and forth. The probe includes a glass fiber with the two fiber Bragg gratings 209 and 211 ,

Der optische Messaufbau, der häufig auch als ”optischer Interrogator” bezeichnet wird, umfasst eine Lichtquelle 700, die über eine optische Faser 701, einen Faserkoppler 702 und eine optische Faser 703 Licht in das Indentierungsmessgerät 100 einspeist. Als Lichtquelle 700 kann ein durchstimmbarer Laser eingesetzt werden, wobei die Frequenz des emittierten Laserlichts innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs periodisch durchgefahren wird. Alternativ dazu kann als Lichtquelle 700 eine Weißlichtquelle verwendet werden, deren Licht ein ganzes Frequenzband von unterschiedlichen spektralen Lichtkomponenten enthält. Das emittierte Licht wird über die optische Faser 701, den Faserkoppler 702 und die optische Faser 703 in das Indentierungsmessgerät 100 eingespeist. Das erste Faser-Bragg-Gitter 209 reflektiert das einfallende Licht bei einer ersten Bragg-Wellenlänge, während das als Referenz dienende zweite Faser-Bragg-Gitter 211 Licht bei einer zweiten Bragg-Wellenlänge reflektiert. Die rückreflektierten spektralen Komponenten gelangen über die optische Faser 703, den Faserkoppler 702 und eine optische Faser 704 zu einer Detektionseinheit 705, die beispielsweise mittels einer Fotodiode realisiert sein kann. Die Detektionseinheit 705 ist dazu ausgelegt, die Spektralkomponenten des rückreflektierten Signals auszuwerten. Anhand der Wellenlängen der rückreflektierten Spektralkomponenten kann die auf die Messsonde einwirkende Kraft als Funktion der Zeit verfolgt und aufgezeichnet werden.The optical measurement setup, which is often referred to as "optical interrogator" includes a light source 700 that have an optical fiber 701 , a fiber coupler 702 and an optical fiber 703 Light in the indentation meter 100 feeds. As a light source 700 For example, a tunable laser can be used where the frequency of the emitted laser light is within a certain frequency range is passed periodically. Alternatively, as a light source 700 a white light source are used whose light contains a whole frequency band of different spectral light components. The emitted light is transmitted through the optical fiber 701 , the fiber coupler 702 and the optical fiber 703 in the indentation meter 100 fed. The first fiber Bragg grating 209 Reflects the incident light at a first Bragg wavelength, while serving as a reference second fiber Bragg grating 211 Reflected light at a second Bragg wavelength. The back-reflected spectral components pass over the optical fiber 703 , the fiber coupler 702 and an optical fiber 704 to a detection unit 705 , which can be realized for example by means of a photodiode. The detection unit 705 is designed to evaluate the spectral components of the back-reflected signal. Based on the wavelengths of the reflected-back spectral components, the force acting on the probe can be tracked and recorded as a function of time.

Bei dem Vorschubelement 103 kann es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Stellelement handeln. In 8A ist ein piezoelektrisches Stellelement 800 dargestellt. Das piezoelektrische Stellelement 800 ist als zylinderförmiges Piezoelement ausgebildet, welches ein Loch 801 für die Durchführung der zweiten Glasfaser 214 aufweist. Das piezoelektrische Stellelement 800 dient als Stellglied für das Röhrchen 202 und die darin befestigte erste Glasfaser 206. Wenn an das piezoelektrische Stellelement 800 z. B. eine Spannung U im Bereich bis zu 400 V angelegt wird, so führt dies zu einer entsprechenden Ausdehnung des piezoelektrischen Stellelements 800 in lateraler Richtung, wie dies durch den Pfeil 802 in 8A veranschaulicht ist. Über die angelegte Spannung U lässt sich der Vorschub des Röhrchens 202 und der darin angebrachten ersten Glasfaser 206 mit hoher Genauigkeit steuern.At the feed element 103 it may be, for example, a piezoelectric actuator. In 8A is a piezoelectric actuator 800 shown. The piezoelectric actuator 800 is formed as a cylindrical piezoelectric element, which is a hole 801 for the implementation of the second fiberglass 214 having. The piezoelectric actuator 800 serves as an actuator for the tube 202 and the first optical fiber fixed therein 206 , When connected to the piezoelectric actuator 800 z. B. a voltage U in the range up to 400 V is applied, this leads to a corresponding expansion of the piezoelectric actuator 800 in the lateral direction, as indicated by the arrow 802 in 8A is illustrated. About the applied voltage U can be the feed of the tube 202 and the first optical fiber mounted therein 206 control with high accuracy.

Der Zusammenhang zwischen der Spannung U und der Ausdehnung Δx des piezoelektrischen Stellelements 800 ist in 8B gezeigt. Entlang der Rechtsachse ist die angelegte Spannung U aufgetragen, die sich z. B. im Bereich zwischen 0 V und 400 V bewegt. Entlang der Hochachse ist die durch die Spannung bewirkte Auslenkung Δx des piezoelektrischen Stellelements 800 aufgetragen, welche sich beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 100 μm bewegen kann. Wenn die Spannung von 0 V auf einen Wert von z. B. einige zehn Volt oder einige hundert Volt erhöht wird, dann folgt die Ausdehnung des Piezos der Kurve 803. Wenn die Ausdehnung Δx am Punkt 804 einen gewissen Wert erreicht hat und die Spannung dann wieder reduziert wird, dann folgt die Ausdehnung des piezoelektrischen Stellelements 800 der Kurve 805, die sich von der Kurve 803 unterscheidet. Das Ausdehnungsverhalten des piezoelektrischen Stellelements 800 weist also eine gewisse Hysterese auf.The relationship between the voltage U and the extension .DELTA.x of the piezoelectric actuator 800 is in 8B shown. Along the right axis, the applied voltage U is applied, the z. B. in the range between 0 V and 400 V moves. Along the vertical axis is the displacement caused by the voltage .DELTA.x of the piezoelectric actuator 800 applied, which can move, for example, in the range between 0 and 100 microns. If the voltage of 0 V to a value of z. B. several tens of volts or a few hundred volts is increased, then the expansion of the piezos follows the curve 803 , If the expansion Δx at the point 804 has reached a certain value and the voltage is then reduced again, then follows the expansion of the piezoelectric actuator 800 the curve 805 that are different from the curve 803 different. The expansion behavior of the piezoelectric actuator 800 thus has a certain hysteresis.

Um die durch diese Hysterese verursachte Beeinträchtigung der Stellgenauigkeit zumindest zum Teil auszugleichen, kann die am Piezo anliegende Spannung mittels eines Regelkreises geregelt werden. Dabei kann die aktuelle Position des Piezo beispielsweise mittels eines Dehnungsmessstreifens oder mittels eines kapazitiven Abstandssensors oder mittels eines dritten Faser-Bragg-Gitters erfasst werden, und in Abhängigkeit von dieser aktuellen Position wird die angelegte Spannung mittels des Regelkreises so nachgeregelt, dass eine gewünschte Sollposition erreicht wird. Durch den Einsatz eines derartigen rückgekoppelten piezoelektrischen Stellelements, welches mittels eines Regelkreises betrieben wird, lässt sich die ohnehin gute Stellgenauigkeit des piezoelektrischen Stellelements noch weiter verbessern.In order to at least partially compensate for the impairment of the positioning accuracy caused by this hysteresis, the voltage applied to the piezoelectric element can be regulated by means of a control circuit. In this case, the current position of the piezo can be detected for example by means of a strain gauge or by means of a capacitive distance sensor or by means of a third fiber Bragg grating, and depending on this current position, the applied voltage is readjusted by means of the control loop so that reaches a desired target position becomes. By using such a feedback piezoelectric actuator, which is operated by means of a control loop, the already good positioning accuracy of the piezoelectric actuator can be further improved.

Das piezoelektrische Stellelement 800 kann als einzelnes Element aus piezokeramischem Material ausgebildet sein. Alternativ dazu kann das piezoelektrische Stellelement 800 aus einem Stapel (Stack) von mehreren einzelnen Stapelelementen aus piezokeramischem Material aufgebaut sein, wobei jedes Stapelelement einzeln ansteuerbar ist und wobei sich die Ausdehnungen der einzelnen Stapelelemente addieren. Die Stapelelemente werden dabei in der Regel alle mit derselben Spannung beaufschlagt. Die Vorteile eines aus einem Stapel von mehreren Stapelelementen aufgebauten Piezos gegenüber einem einstückigen Piezo sind ein größerer Stellweg, eine verbesserte Positioniergenauigkeit sowie eine geringere Hysterese.The piezoelectric actuator 800 may be formed as a single element of piezoceramic material. Alternatively, the piezoelectric actuator 800 be constructed of a stack (stack) of several individual stack elements of piezoceramic material, each stack element is individually controllable and wherein the extensions of the individual stack elements add. The stack elements are usually all subjected to the same voltage. The advantages of a piezos composed of a stack of several stack elements compared to a one-piece piezo are a greater travel, an improved positioning accuracy and a lower hysteresis.

Damit eine beginnende Knorpeldegeneration in einer nur wenige μm dicken oberflächennahen Knorpelschicht erkannt werden kann, sollte sich auch die Indentierungstiefe im Bereich von einigen μm bewegen. Dies ist mit einem piezoelektrischen Stellelement 800 ohne Probleme möglich. Wenn an das piezoelektrische Stellelement 800 beispielsweise Spannungen im Bereich von 0 bis ca. 40 V angelegt werden, erhält man eine zugehörige Indentierungstiefe von 0 μm bis ca. 10 μm mit einer Stellgenauigkeit im Sub-Mikrometerbereich. Mit einer Ansteuerspannung U in diesem Spannungsbereich lassen sich daher die benötigten Indentierungstiefen von weniger als 10 μm realisieren, die zur Erkennung der Arthrose im Frühstadium benötigt werden.In order for an incipient cartilage degeneration to be detected in a cartilaginous layer only a few μm thick, the indentation depth should also be in the range of a few μm. This is with a piezoelectric actuator 800 without problems possible. When connected to the piezoelectric actuator 800 For example, voltages in the range of 0 to about 40 V are applied, one obtains an associated indentation depth of 0 .mu.m to about 10 .mu.m with a positioning accuracy in the sub-micrometer range. With a drive voltage U in this voltage range, therefore, the required indentation depths of less than 10 .mu.m can be realized, which are required for the detection of osteoarthritis in the early stages.

Der Ablauf einer Indentierungsmessung ist in den 9A bis 9C veranschaulicht. 9A zeigt die Auslenkung x des Vorschubelements 103 als Funktion der Zeit. Zwischen den Zeitpunkten 900 und 901 erhält man einen linearen Vorschub des Vorschubelements 103. Zwischen den Zeitpunkten 900 und 901 wird daher das Röhrchen 202 mit der darin befestigten ersten Glasfaser 206 gleichmäßig nach vorne geschoben. Zwischen den Zeitpunkten 901 und 902 wird die Auslenkung des Vorschubelements wieder linear zurückgefahren.The course of an indentation measurement is in the 9A to 9C illustrated. 9A shows the deflection x of the feed element 103 as a function of time. Between the times 900 and 901 receives a linear feed of the feed element 103 , Between the times 900 and 901 therefore becomes the tube 202 with the first glass fiber fixed therein 206 evenly pushed forward. Between the times 901 and 902 the deflection of the feed element is again reduced linearly.

Die während des Vortriebs des Vorschubelements auf die Messspitze wirkende Kraft wird mittels des ersten Faser-Bragg-Gitters 209 erfasst. Wenn eine Kraft auf die Messspitze einwirkt, wird das erste Faser-Bragg-Gitter 209 dementsprechend gestaucht, und die Bragg-Wellenlänge λB verschiebt sich zu kleineren Wellenlängen hin. In 9B ist zu dem in 9A gezeigten Vorschub ein möglicher zugehöriger Verlauf der Bragg-Wellenlänge λB des ersten Faser-Bragg-Gitters 209 als Funktion der Zeit aufgetragen. Die Bragg-Wellenlänge λB des ersten Faser-Bragg-Gitters 209 bleibt bis zum Zeitpunkt 903 konstant. Der Zeitpunkt 903 bezeichnet den sogenannten Kontaktpunkt, bei dem die Spitze der vorgeschobenen Messsonde die Oberfläche des Knorpelgewebes erreicht. Zwischen dem Zeitpunkt 903 und dem Zeitpunkt 901 wird die Messsonde noch weiter vorgeschoben und somit in das Knorpelgewebe eingedrückt. Dementsprechend beginnt eine immer größer werdende Indentierungskraft auf die Messsondenspitze zu wirken. Dies führt zu einer entsprechenden Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters 209. Das erste Faser-Bragg-Gitter 209 wird infolge der einwirkenden Kraft gestaucht, und dementsprechend verringert sich die Bragg-Wellenlänge λB des rückreflektierten Lichts. Die zunehmende Verringerung der Bragg-Wellenlänge λB zwischen den Zeitpunkten 903 und 901 ist in 9B zu erkennen. Ab dem Zeitpunkt 901 wird die Messsonde wieder zurückbewegt. Dementsprechend verringert sich die auf das erste Faser-Bragg-Gitter 209 einwirkende Kraft, und zwischen den Zeitpunkten 901 und 904 kehrt die Bragg-Wellenlänge λB wieder zu ihrem ursprünglichen Wert zurück.The force acting on the measuring tip during the advancement of the advancing element is produced by means of the first fiber Bragg grating 209 detected. When a force is applied to the tip, the first fiber Bragg grating becomes 209 compressed accordingly, and the Bragg wavelength λ B shifts towards smaller wavelengths. In 9B is to the in 9A shown feed a possible associated course of the Bragg wavelength λ B of the first fiber Bragg grating 209 plotted as a function of time. The Bragg wavelength λ B of the first fiber Bragg grating 209 stays until the time 903 constant. Point of time 903 refers to the so-called contact point at which the tip of the advanced probe reaches the surface of the cartilaginous tissue. Between the time 903 and the time 901 the probe is advanced even further and thus pressed into the cartilaginous tissue. Accordingly, an ever-increasing indentation force begins to act on the probe tip. This leads to a corresponding compression of the first fiber Bragg grating 209 , The first fiber Bragg grating 209 is compressed due to the applied force, and accordingly reduces the Bragg wavelength λ B of the back-reflected light. The increasing reduction of the Bragg wavelength λ B between the times 903 and 901 is in 9B to recognize. From the moment 901 the measuring probe is moved back again. Accordingly, the reduced to the first fiber Bragg grating 209 acting force, and between times 901 and 904 the Bragg wavelength λ B returns to its original value.

In 9C ist die auf die Spitze der Sonde einwirkende Kraft F als Funktion der Zeit dargestellt. Je geringer die in 9B dargestellte Bragg-Wellenlänge λB ist, desto höher ist die auf die Sondenspitze einwirkende Kraft F. Es muss kein linearer Zusammenhang zwischen dem Vorschub und der Kraft bestehen.In 9C the force F acting on the tip of the probe is plotted as a function of time. The lower the in 9B The Bragg wavelength λ B shown is the higher the force F acting on the probe tip. There need not be a linear relationship between the feed and the force.

Aus dem in den 9A bis 9C gezeigten Zusammenhang zwischen Vorschub und Kraft können Messparameter, wie möglicherweise ein Elastizitätsmodul E des untersuchten Gewebes, abgeleitet werden. Im Folgenden soll das zur Berechnung verwendete Modell kurz diskutiert werden. Die hierzu verwendete Terminologie ist anhand von 10 veranschaulicht.From the into the 9A to 9C shown relationship between feed and force measurement parameters, such as possibly a modulus of elasticity E of the examined tissue derived. In the following, the model used for the calculation will be briefly discussed. The terminology used for this purpose is based on 10 illustrated.

10 zeigt, wie die Spitze der ersten Glasfaser 206 in das zu untersuchende Gewebe 1000 eingedrückt wird. Der Radius an der Spitze der ersten Glasfaser 206 ist mit a bezeichnet, und die Tiefe der Indentierung wird mit δ bezeichnet. Infolge der Eindrückung wirkt eine Kraft F auf die Spitze der ersten Glasfaser 206 ein. Infolge dieser Indentierungskraft F kommt es zu einer entsprechenden Verschiebung ΔλB der Bragg-Wellenlänge. Das (vorbekannte) Elastizitätsmodul der ersten Glasfaser 206 wird mit EFBG bezeichnet, wohingegen das zu bestimmende Elastizitätsmodul des untersuchten Gewebes 1000 mit E bezeichnet ist. 10 shows how the tip of the first fiberglass 206 into the tissue to be examined 1000 is pressed. The radius at the top of the first fiber 206 is denoted by a, and the depth of the indentation is denoted by δ. As a result of the indentation, a force F acts on the tip of the first glass fiber 206 one. As a result of this indentation force F, a corresponding shift Δλ B of the Bragg wavelength occurs. The (previously known) Young's modulus of the first glass fiber 206 is denoted by E FBG , whereas the modulus of elasticity of the examined tissue 1000 is denoted by E.

Zunächst soll der Zusammenhang zwischen der Indentierungskraft F, der Stauchung der ersten Glasfaser 206 und der dadurch bewirkten Verstimmung ΔλB der Bragg-Wellenlänge untersucht werden. Für den Zusammenhang zwischen der Indentierungskraft F und der Dehnung bzw. Stauchung ε kann möglicherweise der Zusammenhang gelten: F = ε·π·a2·EFBG (3) wobei ε die Stauchung der ersten Glasfaser 206 bezeichnet, a den Radius an der Spitze der ersten Glasfaser 206 und EFBG das Elastizitätsmodul der ersten Glasfaser 206 bezeichnet.First, the relationship between the indentation F, the compression of the first fiber 206 and the detuning Δλ B of the Bragg wavelength caused thereby is investigated. The relationship between the indentation force F and the strain or compression ε may possibly be related: F = ε · π · a 2 · E FBG (3) where ε is the compression of the first glass fiber 206 a denotes the radius at the tip of the first fiber 206 and E FBG is the modulus of elasticity of the first fiber 206 designated.

Darüber hinaus besteht ein Zusammenhang zwischen der Dehnung bzw. Stauchung ε der ersten Glasfaser 206 und der dadurch bewirkten Verschiebung ΔλB der Bragg-Wellenlänge:

Figure DE102015003432A1_0003
wobei pe den effektiven elastooptischen Koeffizienten bezeichnet (ca. 0,211 für eine Faser vom Typ GF1B). Wenn man diese Beziehung nach ε auflöst und in Gleichung (3) einsetzt, dann erhält man für die Kraft F:
Figure DE102015003432A1_0004
In addition, there is a relationship between the strain or compression ε of the first glass fiber 206 and the resulting shift Δλ B of the Bragg wavelength:
Figure DE102015003432A1_0003
where p e denotes the effective elasto-optic coefficient (about 0.211 for a GF1B fiber). If one solves this relationship for ε and uses it in equation (3), one obtains for force F:
Figure DE102015003432A1_0004

Es ergibt sich also eine direkte Proportionalität zwischen ΔλB und der Indentierungskraft F. This results in a direct proportionality between Δλ B and the indentation force F.

Die Indentierungskraft F lässt sich unter bestimmten Bedingungen mittels des Hertz-Modells auch aus der Sicht des eingedrückten Gewebes beschreiben. Dabei ergibt sich für die Indentierungskraft F

Figure DE102015003432A1_0005
wobei E ein Elastizitätsmodul des untersuchten Gewebes, a den Radius an der Spitze der Glasfaser und δ die Indentierungstiefe bezeichnet. Der Koeffizient κ bezeichnet einen durch eine Finite-Elemente-Methode (FEM) ermittelten Koeffizienten, der zu κ = 1,218 ermittelt wurde. Im Nenner von Gleichung (6) taucht die Querkontraktionszahl bzw. Poissonzahl ν auf, wobei hier ν = 0,185 gesetzt werden kann.The indentation force F can be described under certain conditions by means of the Hertz model also from the perspective of the depressed tissue. This results for the indentation F
Figure DE102015003432A1_0005
where E denotes a modulus of elasticity of the examined fabric, a the radius at the tip of the glass fiber and δ the depth of indentation. The coefficient κ denotes a coefficient determined by a finite element method (FEM), which was determined to be κ = 1.218. In the denominator of equation (6), the transverse contraction number or Poisson number ν appears, whereby ν = 0.185 can be set here.

Man kann die Indentierungskraft jetzt also zum einen mit Hilfe von Gleichung (5) über das Elastizitätsmodul EFBG der Glasfaser und die Verstimmung ΔλB der Bragg-Wellenlänge ausdrücken. Zum andern kann man die Indentierungskraft F entsprechend Gleichung (6) mittels des Hertz-Modells über das Elastizitätsmodul E des untersuchten Gewebes und die Indentierungstiefe δ ausdrücken. Wenn man die beiden Ausdrücke für die Indentierungskraft F gleichsetzt, ergibt sich

Figure DE102015003432A1_0006
The indentation force can now be expressed on the one hand by means of equation (5) on the modulus of elasticity E FBG of the glass fiber and the detuning Δλ B of the Bragg wavelength. On the other hand one can express the indentation force F according to equation (6) by means of the Hertz model on the elastic modulus E of the examined tissue and the indentation depth δ. If one equates the two terms for the indentation force F, the result is
Figure DE102015003432A1_0006

Aufgelöst nach dem Elastizitätsmodul E des untersuchten Gewebes ergibt sich

Figure DE102015003432A1_0007
Resolved according to the elastic modulus E of the examined tissue results
Figure DE102015003432A1_0007

Mit Hilfe dieser Formel lässt sich aus den in 9A bis 9C gezeigten Indentierungskurven ein Elastizitätsmodul E für das untersuchte Gewebe bestimmen. Die Bestimmung eines Elastizitätsmoduls kann für bestimmte Parameterbereiche und Indentierungstiefen ein sinnvolles Hilfsmittel für die Beschreibung der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Substrats sein.With the help of this formula can be from the in 9A to 9C Indentierungskurven shown determine a modulus of elasticity E for the examined tissue. The determination of a modulus of elasticity can be a useful tool for the description of the elastic or viscoelastic properties of the substrate for certain parameter ranges and indentation depths.

In 11 ist ein weiteres Messverfahren zur Ermittlung der elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Gewebes gezeigt, bei dem das Vorschubelement 103 so angesteuert wird, dass sich eine sinusförmige Variation der Position x der Messspitze ergibt. Im oberen Diagramm von 11 ist die sinusförmige Variation 1100 der Position x der Messspitze gezeigt. Wenn man die auf die Messspitze einwirkende Indentierungskraft als Funktion der Zeit aufzeichnet, ergibt sich die im unteren Diagramm von 11 gezeigte sinusförmige Variation 1101 der Indentierungskraft, die eine gewisse Phasenverschiebung 1102 gegenüber der Position x aufweist. Diese Phasenverschiebung 1102 beschreibt das elastische Response-Verhalten des jeweiligen Gewebes und kann als Funktion der Frequenz der Sinusanregung erfasst werden. Dazu kann die Frequenz der Sinusanregung im Bereich von beispielsweise 0,5 bis 100 Hz durchgestimmt werden. Da insbesondere bei einem Knorpelgewebe mit Relaxationszeiten im Bereich von Sekunden zu rechnen ist, dürften signifikante Aussagen über das Relaxationsverhalten des Knorpelgewebes bei Anregungsfrequenzen insbesondere im Bereich von 0,5 bis 2 Hz erhalten werden.In 11 is shown another measuring method for determining the elastic or viscoelastic properties of a fabric, wherein the advancing element 103 is controlled so that there is a sinusoidal variation of the position x of the probe tip. In the upper diagram of 11 is the sinusoidal variation 1100 the position x of the measuring tip shown. If one records the indentation force acting on the tip as a function of time, the result is the one in the lower diagram of 11 shown sinusoidal variation 1101 the indentation force, which has a certain phase shift 1102 opposite to the position x. This phase shift 1102 describes the elastic response behavior of the respective tissue and can be detected as a function of the frequency of the sinusoidal excitation. For this purpose, the frequency of the sine excitation in the range of, for example, 0.5 to 100 Hz can be tuned. Since relaxation times in the range of seconds are to be expected, in particular in the case of a cartilaginous tissue, significant statements about the relaxation behavior of the cartilaginous tissue at excitation frequencies, in particular in the range from 0.5 to 2 Hz, are likely to be obtained.

In 12 ist ein weiteres Anregungsmuster für die Erfassung von elastischen Eigenschaften eines Gewebes gezeigt. Im oberen Teil von 12 ist die Position x der Sondenspitze als Funktion der Zeit t aufgetragen. Im Bereich 1200 ergibt sich ein linearer Vorschub der Sondenspitze, anschließend wird die Position der Sondenspitze im Bereich 1201 sinusförmig variiert. Im Bereich 1202 schließt sich ein weiterer linearer Vorschub der Sondenspitze an, und daraufhin wird im Bereich 1203 erneut eine sinusförmige Variation auf die Position x aufgeprägt.In 12 Another excitation pattern for the detection of elastic properties of a tissue is shown. In the upper part of 12 the position x of the probe tip is plotted as a function of time t. In the area 1200 results in a linear feed of the probe tip, then the position of the probe tip in the area 1201 varies sinusoidally. In the area 1202 joins another linear feed of the probe tip, and then is in the area 1203 again imprinted a sinusoidal variation on the position x.

Im unteren Teil von 12 ist der zugehörige Verlauf der Indentierungskraft F als Funktion der Zeit aufgetragen. In den Bereichen 1204 und 1206 ergibt sich jeweils ein linearer Anstieg der Indentierungskraft mit der Zeit. In den Bereichen 1205 und 1207 ergibt sich jeweils eine sinusförmige Variation der Indentierungskraft F, die jeweils eine gewisse Phasenverschiebung zur zugrundeliegenden sinusförmigen Variation der Position x aufweist. Mit Hilfe des in 12 gezeigten Anregungsschemas kann ein Elastizitätsmodul E des untersuchten Gewebes ermittelt werden. Darüber hinaus ermöglicht die sinusförmige Variation der Position x und die Erfassung der zugehörigen Indentierungskraft F eine Aussage über das zeitliche Relaxationsverhalten des Knorpelgewebes.In the lower part of 12 the associated course of the indentation force F is plotted as a function of time. In the fields of 1204 and 1206 results in each case a linear increase in the indentation force with time. In the fields of 1205 and 1207 results in each case a sinusoidal variation of the indentation force F, each having a certain phase shift to the underlying sinusoidal variation of the position x. With the help of in 12 shown excitation schemes, a modulus of elasticity E of the examined tissue can be determined. In addition, the sinusoidal variation of the position x and the detection of the associated indentation force F allow a statement about the temporal relaxation behavior of the cartilaginous tissue.

Claims (14)

Indentierungsvorrichtung (100) zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats, wobei die Indentierungsvorrichtung (100) aufweist – eine Messsonde zur Indentierung des Substrats, welche ein Röhrchen (202) und eine innerhalb des Röhrchens (202) befestigte optische Faser (206) umfasst, wobei das Röhrchen (202) einen Außendurchmesser von weniger als 1 Millimeter aufweist, – mindestens ein in die optische Faser (206) eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter (209, 211), das dazu vorgesehen ist, eine auf die Spitze der optischen Faser (206) einwirkende Kraft (210) zu detektieren, – ein Vorschubelement (103) zur Positionierung der Messsonde, das mit der Messsonde mechanisch verbunden ist und das dazu ausgelegt ist, die Messsonde auf das zu vermessende Substrat zu zu bewegen und in das Substrat einzudrücken, – wobei die Indentierungsvorrichtung (100) dazu ausgelegt ist, den Vorschub der Messsonde und die auf die Spitze der optischen Faser (206) einwirkende Kraft (210) zu erfassen.Indenting device ( 100 for the determination of elastic or viscoelastic properties of a substrate, wherein the indentation device ( 100 ) - a measuring probe for the indentation of the substrate, which is a tube ( 202 ) and one within the tube ( 202 ) attached optical fiber ( 206 ), wherein the tube ( 202 ) has an outer diameter of less than 1 millimeter, - at least one in the optical fiber ( 206 ) inscribed fiber Bragg grating ( 209 . 211 ), which is intended to be placed on the tip of the optical fiber ( 206 ) acting force ( 210 ), - a feed element ( 103 ) for positioning the probe, which is mechanically connected to the probe and which is adapted to move the probe to the substrate to be measured and press into the substrate, - wherein the indenting device ( 100 ) is adapted to the feed of the probe and the tip of the optical fiber ( 206 ) acting force ( 210 ) capture. Indentierungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – die optische Faser ist in das Röhrchen der Messsonde eingeschoben und am Röhrchen befestigt; – das Röhrchen der Messsonde ist dazu ausgelegt, die im Inneren des Röhrchens befestigte optische Faser zu stabilisieren und zu fixieren; – bei dem Röhrchen der Messsonde handelt es sich um ein Metallröhrchen oder ein Glasröhrchen; – das Röhrchen der Messsonde weist einen Außendurchmesser im Bereich von ca. 200 Mikrometer bis 500 Mikrometer auf; – das Röhrchen der Messsonde weist einen Außendurchmesser im Bereich von ca. 200 Mikrometer bis 300 Mikrometer auf; – das Röhrchen der Messsonde weist einen Innendurchmesser im Bereich von ca. 90 Mikrometer bis 170 Mikrometer auf; – die optische Faser weist einen Außendurchmesser im Bereich von ca. 80 Mikrometer bis 125 Mikrometer auf.Indentation device according to claim 1, characterized by at least one of the following: - The optical fiber is inserted into the tube of the probe and attached to the tube; - The tube of the probe is designed to stabilize the fixed inside the tube optical fiber and fix; - The tube of the probe is a metal tube or a glass tube; - The tube of the probe has an outer diameter in the range of about 200 microns to 500 microns; - The tube of the probe has an outer diameter in the range of about 200 microns to 300 microns; - The tube of the probe has an inner diameter in the range of about 90 microns to 170 microns; - The optical fiber has an outer diameter in the range of about 80 microns to 125 microns. Indentierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Indentierungsvorrichtung zusätzlich ein äußeres Führungsröhrchen für die Messsonde aufweist, wobei die Messsonde im äußeren Führungsröhrchen verschieblich aufgenommen ist.Indentierungsvorrichtung according to claim 1 or claim 2, characterized in that the indentation device additionally comprises an outer guide tube for the measuring probe, wherein the measuring probe is slidably received in the outer guide tube. Indentierungsvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – die Indentierungsvorrichtung weist ein Gehäuse auf und das äußere Führungsröhrchen ist mit dem Gehäuse der Indentierungsvorrichtung mechanisch verbunden; – angetrieben durch das Vorschubelement und geführt im äußeren Führungsröhrchen ist die Messsonde zum Substrat hin und vom Substrat weg bewegbar; – bei dem äußeren Führungsröhrchen handelt es sich um ein Metallröhrchen; – das Röhrchen der Messsonde ist so dimensioniert, dass es im äußeren Führungsröhrchen verschieblich aufgenommen werden kann; – das äußere Führungsröhrchen weist einen Außendurchmesser im Bereich von ca. 0,6 mm bis 1 mm auf.Indentation device according to claim 3, characterized by at least one of the following: - The indentation device has a housing and the outer guide tube is mechanically connected to the housing of the indentation device; - driven by the advancing element and guided in the outer guide tube, the probe is movable towards the substrate and away from the substrate; - The outer guide tube is a metal tube; - The tube of the probe is dimensioned so that it can be slidably received in the outer guide tube; - The outer guide tube has an outer diameter in the range of about 0.6 mm to 1 mm. Indentierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – das Vorschubelement ist dazu ausgelegt, die Messsonde in Richtung auf das Substrat zu und vom Substrat weg zu positionieren; – das Vorschubelement ist dazu ausgelegt, die Messsonde auf das zu vermessende Substrat zu und vom Substrat weg zu bewegen; – das Vorschubelement ist dazu ausgelegt, die Messsonde in Richtung auf das Substrat zu und vom Substrat weg zu bewegen und dabei in das Substrat einzudrücken; – das Vorschubelement ist dazu ausgelegt, die Messsonde während einer Indentierungsmessung mit einem linearen Vorschub in Richtung des Substrats zu bewegen; – die Indentierungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, die während eines linearen Vorschubs der Messsonde auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu erfassen. Indentation device according to one of claims 1 to 4, characterized by at least one of the following: - the advancing element is adapted to position the measuring probe towards the substrate and away from the substrate; - The advancing element is designed to move the probe to the substrate to be measured and away from the substrate; - The advancing element is adapted to move the probe towards the substrate and away from the substrate and thereby press into the substrate; - The feed element is designed to move the probe during a Indentierungsmessung with a linear feed toward the substrate; - The indentation device is designed to detect the force acting on the tip of the optical fiber during a linear advance of the probe force. Indentierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Vorschubelement um eine magnetische Vorschubeinrichtung handelt.Indentierungsvorrichtung according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is the feed element to a magnetic feed device. Indentierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Vorschubelement um ein piezoelektrisches Stellelement handelt.Indentierungsvorrichtung according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is the feed element is a piezoelectric actuator. Indentierungsvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – das piezoelektrische Stellelement ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von einem Hochspannungssignal die Messsonde in Richtung auf das Substrat zu und vom Substrat weg zu positionieren; – zur Steuerung des Vorschubs ist an das piezoelektrische Stellelement eine Spannung von bis zu einigen hundert Volt anlegbar, wobei durch die angelegte Spannung ein Vorschub der Messsonde von bis zu einigen hundert Mikrometer bewirkt wird; – bei dem piezoelektrischen Stellelement handelt es sich um ein rückgekoppeltes piezoelektrisches Stellelement, das dazu ausgelegt ist, die am piezoelektrischen Stellelement anliegende Spannung in Abhängigkeit vom tatsächlichen Vorschub des piezoelektrischen Stellelements einzuregeln; – die Indentierungsvorrichtung umfasst eine Spannungsversorgung, die dazu ausgelegt ist, die am piezoelektrischen Stellelement anliegende Spannung so zu erhöhen, dass die Messsonde mit einem linearen Vorschub auf das Substrat zu bewegt und in das zu untersuchende Substrat eingedrückt wird; – die Indentierungsvorrichtung umfasst eine Spannungsversorgung, die dazu ausgelegt ist, dem piezoelektrischen Stellelement eine sägezahnförmige oder dreieckförmige Spannung zuzuführen; – die durch das piezoelektrische Stellelement bewirkte Positionierung der Messsonde erfolgt mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich; – der Vorschub der Messsonde während einer Indentierungsmessung ist so einstellbar, dass eine Indentierungstiefe von weniger als 40 Mikrometer erzielt wird; – der Vorschub der Messsonde während einer Indentierungsmessung ist so einstellbar, dass eine Indentierungstiefe von weniger als 20 Mikrometer erzielt wird; – der Vorschub der Messsonde während einer Indentierungsmessung ist so einstellbar, dass eine Indentierungstiefe von weniger als 10 Mikrometer erzielt wird.Indentation device according to claim 7, characterized by at least one of the following: - The piezoelectric actuator is adapted to position the probe in the direction of the substrate and away from the substrate in response to a high voltage signal; - To control the feed to the piezoelectric actuator, a voltage of up to several hundred volts can be applied, wherein the feed voltage of the probe by up to several hundred micrometers is effected; - The piezoelectric actuator is a feedback piezoelectric actuator, which is adapted to regulate the voltage applied to the piezoelectric actuator voltage in response to the actual feed of the piezoelectric actuator; - The indentation device comprises a power supply which is adapted to increase the voltage applied to the piezoelectric actuator voltage so that the probe moves to the substrate with a linear feed and is pressed into the substrate to be examined; - The indentation device comprises a power supply, which is adapted to supply the piezoelectric actuator, a sawtooth or triangular voltage; - The effected by the piezoelectric actuator positioning the probe takes place with an accuracy in the submicron range; - The feed of the probe during an indentation measurement is adjustable so that an indentation depth of less than 40 microns is achieved; - The feed of the probe during an indentation measurement is adjustable so that an indentation depth of less than 20 microns is achieved; - The feed of the probe during an indentation measurement is adjustable so that an indentation depth of less than 10 microns is achieved. Indentierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser ein erstes Faser-Bragg-Gitter aufweist, das dazu ausgelegt ist, die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft zu detektieren.Indentation device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the optical fiber comprises a first fiber Bragg grating, which is adapted to detect the force acting on the tip of the optical fiber force. Indentierungsvorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – das erste Faser-Bragg-Gitter ist im Bereich der Spitze der optischen Faser angeordnet; – die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft verursacht eine Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters; – während der Indentierung des Substrats durch die Messsonde wirkt auf die Spitze der optischen Faser eine Kraft ein, die eine entsprechende Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters hervorruft; – die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft verursacht eine Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters, wobei die Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters eine entsprechende Verschiebung der Mittenwellenlänge des vom ersten Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichts zu kleineren Wellenlängen hin bewirkt; – die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft verursacht eine Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters, wobei die Stauchung des ersten Faser-Bragg-Gitters eine entsprechende Verschiebung der Bragg-Wellenlänge des ersten Faser-Bragg-Gitters zu kleineren Wellenlängen hin bewirkt; – anhand einer Verschiebung der Wellenlänge des vom ersten Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Lichts ist die auf die Spitze der optischen Faser einwirkende Kraft bestimmbar.Indentation device according to claim 9, characterized by at least one of the following: The first fiber Bragg grating is arranged in the region of the tip of the optical fiber; The force acting on the tip of the optical fiber causes a compression of the first fiber Bragg grating; During the indentation of the substrate by the probe, a force acting on the tip of the optical fiber causes a corresponding compression of the first fiber Bragg grating; The force acting on the tip of the optical fiber causes a compression of the first fiber Bragg grating, wherein the compression of the first fiber Bragg grating results in a corresponding shift of the center wavelength of the light reflected from the first fiber Bragg grating to smaller wavelengths causes; - The force acting on the tip of the optical fiber causes a compression of the first fiber Bragg grating, wherein the compression of the first fiber Bragg grating causes a corresponding shift of the Bragg wavelength of the first fiber Bragg grating toward smaller wavelengths ; - Based on a shift in the wavelength of the light reflected from the first fiber Bragg grating light acting on the tip of the optical fiber force can be determined. Indentierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch mindestens eines von folgenden: – bei dem Substrat handelt es sich um ein Gewebe; – bei dem Substrat handelt es sich um Knorpelgewebe; – bei dem Substrat handelt es sich um Knorpelgewebe, wobei die Indentierungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, die elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Knorpelgewebes zu bestimmen; – die Indentierungsvorrichtung ist für eine minimalinvasive Diagnostik ausgelegt; – die Indentierungsvorrichtung ist für eine Untersuchung von Gewebe in vivo ausgelegt; – die Indentierungsvorrichtung ist für eine Untersuchung von Knorpelgewebe in vivo ausgelegt; – bei dem Substrat handelt es sich um Knorpelgewebe, wobei die Indentierungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, anhand einer Veränderung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften des Knorpelgewebes eine beginnende Degeneration des Knorpelgewebes festzustellen; – die Indentierungsvorrichtung ist für eine Diagnose der Arthrose ausgelegt.Indentation device according to one of claims 1 to 10, characterized by at least one of the following: - the substrate is a tissue; - The substrate is cartilage tissue; The substrate is cartilage tissue, the indentation device being designed to determine the elastic or viscoelastic properties of the cartilaginous tissue; The identification device is designed for minimally invasive diagnostics; The identification device is designed for examination of tissue in vivo; The indentation device is designed for examination of cartilage tissue in vivo; The substrate is cartilage tissue, the indentation device being designed to detect incipient degeneration of the cartilaginous tissue by altering elastic or viscoelastic properties of the cartilaginous tissue; - The indentation device is designed for a diagnosis of osteoarthritis. Messanordnung zur Messung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats, welche aufweist: – eine Indentierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, – einen optischen Interrogator, der dazu ausgelegt ist, Anregungslicht in die optische Faser einzukoppeln und das von dem mindestens einen Faser-Bragg-Gitter rückreflektierte Licht aus der optischen Faser auszukoppeln und auszuwerten.Measuring arrangement for measuring elastic or viscoelastic properties of a substrate, comprising - An indentation device according to one of claims 1 to 11, - An optical interrogator, which is adapted to couple excitation light into the optical fiber and to extract the light reflected back from the at least one fiber Bragg grating light from the optical fiber and evaluate. Verfahren zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats mittels einer Indentierungsvorrichtung (100), welche aufweist – eine Messsonde zur Indentierung des Substrats, welche ein Röhrchen (202) und eine innerhalb des Röhrchens (202) befestigte optische Faser (206) umfasst, wobei das Röhrchen (202) einen Außendurchmesser von weniger als 1 Millimeter aufweist, – mindestens ein in die optische Faser (206) eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter (209, 211), – ein Vorschubelement (103) zur Positionierung der Messsonde, das mit der Messsonde mechanisch verbunden ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Aufsetzen der Indentierungsvorrichtung (100) auf das zu vermessende Substrat; – Vorschieben der Messsonde mittels des Vorschubelements (103) und Eindrücken der Messsonde in das zu vermessende Substrat; – Erfassen der während der Indentierung auf die Spitze der optischen Faser (206) einwirkenden Kraft (210) mittels des mindestens einen Faser-Bragg-Gitters (209, 211); – Auswerten des Zusammenhangs zwischen dem Vorschub der Messsonde und der auf die Spitze der optischen Faser (206) einwirkenden Kraft (210).Method for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate by means of an indentation device ( 100 ), comprising - a probe for indentation of the substrate, which is a tube ( 202 ) and one within the tube ( 202 ) attached optical fiber ( 206 ), wherein the tube ( 202 ) has an outer diameter of less than 1 millimeter, - at least one in the optical fiber ( 206 ) inscribed fiber Bragg grating ( 209 . 211 ), - a feed element ( 103 ) for positioning the probe mechanically connected to the probe, the method comprising the steps of: - placing the indenting device ( 100 ) on the substrate to be measured; - advancing the probe by means of the advancing element ( 103 ) and pressing the probe into the substrate to be measured; Detecting during the indentation on the tip of the optical fiber 206 ) acting force ( 210 ) by means of the at least one fiber Bragg grating ( 209 . 211 ); Evaluating the relationship between the feed of the measuring probe and that on the tip of the optical fiber ( 206 ) acting force ( 210 ). Verfahren zur Bestimmung von elastischen oder viskoelastischen Eigenschaften eines Substrats mittels einer Indentierungsvorrichtung (100), welche aufweist – eine Messsonde zur Indentierung des Substrats, welche ein Röhrchen (202) und eine innerhalb des Röhrchens (202) befestigte optische Faser (206) umfasst, wobei das Röhrchen (202) einen Außendurchmesser von weniger als 1 Millimeter aufweist, – mindestens ein in die optische Faser (206) eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter (209, 211), – ein Vorschubelement (103) zur Positionierung der Messsonde, das mit der Messsonde mechanisch verbunden ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Aufsetzen der Indentierungsvorrichtung (100) auf das zu vermessende Substrat; – Ansteuern des Vorschubelements (103) dergestalt, dass der in das Substrat eingedrückten Messsonde eine oszillierende Bewegung aufgeprägt wird; – Erfassen der auf die Spitze der optischen Faser (206) einwirkenden oszillierenden Kraft mittels des mindestens einen Faser-Bragg-Gitters (209, 211); – Auswerten des Zusammenhangs zwischen der oszillierenden Bewegung der Messsonde und der auf die Spitze der optischen Faser (206) einwirkenden oszillierenden Kraft.Method for determining elastic or viscoelastic properties of a substrate by means of an indentation device ( 100 ), comprising - a probe for indentation of the substrate, which is a tube ( 202 ) and one within the tube ( 202 ) attached optical fiber ( 206 ), wherein the tube ( 202 ) has an outer diameter of less than 1 millimeter, - at least one in the optical fiber ( 206 ) inscribed fiber Bragg grating ( 209 . 211 ), - a feed element ( 103 ) for positioning the probe mechanically connected to the probe, the method comprising the steps of: - placing the indenting device ( 100 ) on the substrate to be measured; - driving the feed element ( 103 ) such that the probe pressed into the substrate is impressed with an oscillating motion; Detecting the tip of the optical fiber 206 ) acting oscillating force by means of at least one fiber Bragg grating ( 209 . 211 ); Evaluating the relationship between the oscillating movement of the measuring probe and that on the tip of the optical fiber ( 206 ) acting oscillating force.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112945776A (en) * 2021-02-04 2021-06-11 惠州检微科技有限公司 Gun type measuring head of real-time indentation analyzer

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