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
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
In
Mittels des Indentierungsmessgeräts
In
Das stabförmige Messelement
Das äußere Führungsröhrchen
Das Röhrchen
Die Messsonde umfasst das Röhrchen
Zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften des jeweiligen Gewebes wird die beim Eindrücken auf die Spitze der ersten Glasfaser
Bei dem in
Zusätzlich zum ersten Faser-Bragg-Gitter
Dabei ist es von Vorteil, wenn das zweite Faser-Bragg-Gitter
Bei der in
Die optische Kopplung zwischen der ersten Glasfaser
Nach der Reinigung wird das Indentierungsmessgerät wieder zusammengebaut. Hierzu wird zunächst der innere Flansch
Bei dem in
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
Bei dem in
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
Bei dem in
Das äußere Führungsröhrchen
Das zweite Faser-Bragg-Gitter
Über die beiden GRIN-Linsen
In
Im Folgenden soll anhand der
Die in
In
Das Faser-Bragg-Gitter
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
Das Faser-Bragg-Gitter
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: 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:
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
Der optische Messaufbau, der häufig auch als ”optischer Interrogator” bezeichnet wird, umfasst eine Lichtquelle
Bei dem Vorschubelement
Der Zusammenhang zwischen der Spannung U und der Ausdehnung Δx des piezoelektrischen Stellelements
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
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
Der Ablauf einer Indentierungsmessung ist in den
Die während des Vortriebs des Vorschubelements auf die Messspitze wirkende Kraft wird mittels des ersten Faser-Bragg-Gitters
In
Aus dem in den
Zunächst soll der Zusammenhang zwischen der Indentierungskraft F, der Stauchung der ersten Glasfaser
Darüber hinaus besteht ein Zusammenhang zwischen der Dehnung bzw. Stauchung ε der ersten Glasfaser
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 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 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 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
Aufgelöst nach dem Elastizitätsmodul E des untersuchten Gewebes ergibt sich Resolved according to the elastic modulus E of the examined tissue results
Mit Hilfe dieser Formel lässt sich aus den in
In
In
Im unteren Teil von
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