DE10335313B4 - Force sensor, force sensor unit, elongate device and method for detecting a force - Google Patents

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Abstract

Sensor zum Erfassen von einer auf eine langgestreckte Einrichtung, insbesondere eine langgestreckte medizintechnische Einrichtung, wie einen Katheter, wirkenden Kraft (F) mit einer nicht vernachlässigbaren Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung, umfassend – einen Kraftaufnehmer (3) für die zu erfassende Kraft, – einen Anschluß zum Anbringen des Sensors (1) an die langgestreckte Einrichtung, – mindestens einen Lichteinkoppelbereich, welcher mit wenigsten einem Licht in den Sensor (1) einkoppelnden Lichtwellenleiter (11) optisch verbindbar ist, – einen Lichtintensitätsmodulator, der eine vorbestimmbare Intensität des in den Sensor (1) einkoppelbaren Lichts (21) entsprechend der an dem Kraftaufnehmer (3) angreifenden Kraft (F) moduliert, und – wenigstens einen Lichtauskoppelbereich, über welchen das Licht (21) modulierter Intensität in wenigstens einen Lichtleiter (11) auskoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor mit einer dem wenigstens einen Lichtauskoppelbereich (17) zugeordneten Reflexionsfläche (15) versehen ist, die ihre Reflexionseigenschaften abhängig von der zu erfassenden Kraft (F) ändern kann, vorzugsweise sich insbesondere irreversibel oder reversibel und abhängig von der zu erfassenden Kraft (F) verformen, insbesondere vergrößern und/oder verkleinern, kann, in dem eine unebene Reflexionsfläche (15) vorgesehen ist, auf welche die an dem Kraftaufnehmer (3) angreifende Kraft (F) derart wirken kann, dass sich der Grad der Unebenheit abhängig von der Kraft (F) ändert und einen mit dem wenigstens einen Lichtauskoppelbereich (17) optisch verbundenen Bereich der Reflexionsfläche (15) erweitert und/oder eingrenzt.Sensor for detecting a force (F) acting on an elongate device, in particular an elongate medical device, such as a catheter, with a non-negligible force component in the longitudinal direction of the elongated device, comprising: - a force transducer (3) for the force to be detected; a terminal for attaching the sensor (1) to the elongated device, - at least one Lichteinkoppelbereich, which at least one light in the sensor (1) einkopoppeln optical waveguide (11) is optically connectable, - a light intensity modulator having a pre-definable intensity of the in the Sensor (1) einkoppelbaren light (21) in accordance with the force on the force transducer (3) acting force (F) modulated, and - at least one Lichtauskoppelbereich, through which the light (21) of modulated intensity in at least one light guide (11) can be coupled out, characterized characterized in that a reflector with a we at least one Lichtauskoppelbereich (17) associated reflection surface (15) is provided, which can change their reflection properties depending on the force to be detected (F), preferably in particular irreversible or reversible and deformed depending on the force to be detected (F) deform, especially enlarge and and / or downsize, in which an uneven reflection surface (15) is provided, to which the force (F) acting on the force transducer (3) can act such that the degree of unevenness changes depending on the force (F) and one with the at least one Lichtauskoppelbereich (17) optically connected region of the reflection surface (15) expands and / or limited.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, eine Kraftsensoreinheit, eine langgestreckte Einrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Kraft.The invention relates to a force sensor, a force sensor unit, an elongate device and a method for detecting a force.

Ein besonderer Anwendungsfall dieser Erfindung betrifft die Kathetertechnik, die von einer langgestreckten Einrichtung zum zumindest teilweise Einführen in einen Organismus durch eine Körperöffnung bestimmt ist. Diese langgestreckten Einrichtungen kommen vor allem in der minimalinvasiven Chirurgie an insbesondere menschlichen Körpern zum Einsatz. Damit bei der Invasion der langgestreckten Einrichtung keine Körpergefäße durch die körpernahe Spitze der von dem behandelnden Arzt manuell zu bedienenden langgestreckten Einrichtung verletzt werden, orientiert sich der Arzt notwendigerweise daran, welche Kräfte ihm an einer Handhabe der langgestreckten Einrichtung mitgeteilt werden. Wegen der Reibung und der eingeschobenen im Verlauf der Invasion des Katheters in den Körper kontinuierlich zunehmende Kathetermasse gibt die dem behandelnden Arzt an der Handhabe mitgeteilte Kraft einen kaum noch nutzbaren Aufschluß über den tatsächlich an der Katheterspitze auftretenden Widerstand. Damit der behandelnde Arzt der Handhabe des Katheters die richtige Betätigungskraft mitteilen kann, ist ein außergewöhnlich reicher Erfahrungsschatz bei der Bedienung von Kathetern erforderlich.A particular application of this invention relates to the catheter technique, which is defined by an elongated means for at least partially introducing it into an organism through a body orifice. These elongated devices are mainly used in minimally invasive surgery on especially human bodies. So that during the invasion of the elongated device no body vessels are injured by the proximal tip of the elongated device to be operated manually by the attending physician, the physician necessarily orientates himself by what forces are communicated to him at a handle of the elongated device. Because of the friction and the inserted in the course of the invasion of the catheter into the body continuously increasing catheter mass gives the treating physician notified to the handle a barely usable information about the actually occurring at the catheter tip resistance. In order for the treating physician to be able to communicate the correct actuating force to the handle of the catheter, an extraordinarily rich amount of experience in the operation of catheters is required.

Aus der DE 103 03 270 A1 ist eine Katheteranordnung bekannt, bei der die auf die Katheterspitze beim Einschieben wirkende Kraft durch einen Kraftsensor gemessen wird. Die entsprechende Meßgröße wird dem Arzt über eine haptische Handhabe taktil mitgeteilt. Auf diese Weise wird das Auffinden beispielsweise von Aderabzweigungen oder Perforationen an der Herzscheidewand gerade für einen unerfahrenen Arzt erleichtert. Eine die die Kraft an der Spitze repräsentierende Meßgröße verwendende, elektrodynamische Antriebsvorrichtung zur Erzeugung der haptischen Kraftvorspannung ist aus der DE 103 19 081 A1 bekannt. Beide vorgenannten Dokumente sollen hier mit Bezug eingearbeitet sein, insbesondere im Hinblick auf die Sensorik zur Erfassen der Kräfte an der Spitze der langgestreckten Einrichtung und der Auswertung der Meßsignale.From the DE 103 03 270 A1 a catheter arrangement is known in which the force acting on the catheter tip during insertion force is measured by a force sensor. The corresponding measured quantity is communicated tactfully to the physician via a haptic handle. In this way, the discovery of, for example, vein branches or perforations on the cardiac septum is made easier for an inexperienced doctor. An electrodynamic drive device for generating the haptic force prestressing using the force representing the force at the tip is known from US Pat DE 103 19 081 A1 known. Both of the aforementioned documents are intended to be incorporated herein by reference, particularly with regard to the sensors for detecting the forces at the tip of the elongate device and the evaluation of the measured signals.

Gemäß der US 6 221 023 B1 wird ein Kraftsensor an der Spitze von Kathetern vorgesehen, der auf einen resistiven Funktionsbetrieb basiert. Die in den Sensor eingeleitete Kraft wird durch eine Widerstandsbrückenschaltung aufgenommen. Der Sensor muß über mehrere Leitungen insbesondere zur Versorgung mit elektrischer Energie und zur Signalübertragung an eine externe Auswerteinheit verbunden sein, wobei die Verlegung mindestens eines Kabels einen hohen Raumbedarf längs des Katheters erfordert. Der Aufbau dieses Sensors ist aufgrund der großen Teilezahl aufwendig, und die damit verbundenen hohen Fertigungskosten machen den bekannten Sensor insbesondere für Katheter aufgrund deren bevorzugten Einweg-Eigenschaft ungeeignet. Außerdem ist die Miniaturisierbarkeit des elektrisch betriebenen Kraftsensors insbesondere unterhalb eines Katheterdurchmessers von weniger als 3 mm, wenn überhaupt, nur mit einem äußerst hohen konstruktiven Aufwand realisierbar. Ferner ist ein elektrischer Kraftsensor hinsichtlich elektromagnetischer Strahlung eines Magnetresonanztomographen störanfällig, welche Anfälligkeiten insbesondere in der Medizintechnik auszuschalten sind.According to the US Pat. No. 6,221,023 B1 For example, a force sensor is provided at the tip of catheters based on a resistive function operation. The force introduced into the sensor is picked up by a resistance bridge circuit. The sensor must be connected via several lines, in particular for the supply of electrical energy and for signal transmission to an external evaluation unit, wherein the laying of at least one cable requires a large space along the catheter. The design of this sensor is complicated due to the large number of parts, and the associated high manufacturing costs make the known sensor, in particular for catheters due to their preferred disposable property unsuitable. In addition, the miniaturization of the electrically operated force sensor, in particular below a catheter diameter of less than 3 mm, if at all, can be realized only with an extremely high design effort. Furthermore, an electrical force sensor is susceptible to interference with respect to electromagnetic radiation of a magnetic resonance tomograph, which vulnerabilities are to be eliminated in particular in medical technology.

Die DE 44 10 463 A1 offenbart einen faseroptischen Sensor mit zwei Lichtwellenleitern, von denen ein Lichtwellenleiter an einer Lichtquelle angeschlossen ist. Die Enden der beiden Lichtwellenleiter liegen einem verspiegelten Ende eines Biegebalkens gegenüber, der in einem Kapselgehäuse quasi-fest eingespannt ist. Die Position des verspiegelten Endes wird durch die Reflexion des Endes des Biegebalkens gemessen. Das Verhältnis der in den beiden Enden der Lichtwellenleiter reflektierten Lichtanteile ergeben eine Auswertung unabhängig von absoluten Intensitätsmessungen. Dieser faseroptische Sensor ist für den Einsatz bei einem Katheter insofern nicht geeignet, als mit dem Sensor ausschließlich Kräfte quer zur Längserstreckung der Lichtwellenleiter erfassbar sind. Ferner ist der offenbarte Sensoraufbau für eine Miniaturisierung von langgestreckten Einrichtungen mit lateralen Abmessungen von weniger als 3 mm nicht geeignet.The DE 44 10 463 A1 discloses a fiber optic sensor with two optical fibers, of which an optical fiber is connected to a light source. The ends of the two optical fibers are opposite to a mirrored end of a bending beam, which is clamped quasi-fixed in a capsule housing. The position of the mirrored end is measured by the reflection of the end of the bending beam. The ratio of the light components reflected in the two ends of the optical waveguides results in an evaluation independent of absolute intensity measurements. This fiber-optic sensor is not suitable for use with a catheter insofar as forces can be detected transversely to the longitudinal extension of the optical waveguide with the sensor only. Furthermore, the disclosed sensor structure is not suitable for miniaturization of elongated devices with lateral dimensions of less than 3 mm.

Im Stand der Technik [H. Emanuelsson, et al., Initial Experiences With a Miniaturized Pressure Transducer During Coronary Angioplasty”, Catheterization and Cardiovascular Diagnosis 24 (1991), Seiten 137–143] ist ein faseroptischer Drucksensor bekannt, der zur Integration in Führungsdrähte mit einem Durchmesser von 0,36 mm geeignet ist und zur Messung des Blutdrucks dient. Es kann mit diesem Sensor ein Druck lateral, nicht aber eine Kraft senkrecht auf die Achse eines Führungsdrahts bestimmt werden, weshalb dieser Sensor zur Erfassung der Vorschub-/Kontaktkraft nicht geeignet ist.In the prior art [H. Emanuelsson, et al., "Initial Experiences With a Miniaturized Pressure Transducer During Coronary Angioplasty", Catheterization and Cardiovascular Diagnosis 24 (1991), pp. 137-143] discloses a fiber optic pressure sensor suitable for integration into guidewires having a diameter of 0.36 mm is suitable and used to measure blood pressure. It can be determined with this sensor, a pressure lateral, but not a force perpendicular to the axis of a guide wire, which is why this sensor is not suitable for detecting the feed / contact force.

Häufig werden auch phasensensitive Auswertungsverfahren im Messkopf angewendet, in dem Abstände von reflektierenden Flächen im Bereich der Wellenlänge des eingesetzten Lichtes moduliert werden. Aufgrund der kleinen Modulationswege sind diese Verfahren sehr empfindlich gegenüber Temperaturausdehnungen der Konstruktionswerkstoffe und weisen hohe Montagekosten aufgrund extrem kleiner Fertigungstoleranzen auf. Neben der sehr exakten Montage ist auch immer ein robuster Rahmen zur Halterung der reflektierenden Fläche notwendig. Dies ist für die Messung eines Druckes, der immer gleichmäßig verteilt und senkrecht auf eine Fläche wirkt, nicht nachteilig. Für eine Kraftmessung bildet ein stabiler Rahmen aber einen Kraftnebenschluss, der einen nicht vorhersagbaren Teil der Messkraft an dem Sensor vorbei leitet und so eine exakte Kraftmessung verhindert. Vorteilhaft kann also ein Sensor angewendet werden, der große Verformungen bereitstellt, die Kraft vollständig aufnimmt, eine axiale Kraft in ein bestimmbares Ausgangssignal wandelt und günstig herstellbar ist.Frequently, phase-sensitive evaluation methods are also used in the measuring head in which distances of reflecting surfaces in the range of the wavelength of the light used are modulated. Due to the small modulation paths, these methods are very sensitive to thermal expansion of the construction materials and have high assembly costs due to extremely small manufacturing tolerances. In addition to the very exact installation is always a robust frame for holding the reflective surface necessary. This is for measuring a pressure that is always evenly distributed and perpendicular to a surface, not detrimental. For a force measurement, however, a sturdy frame forms a force shunt which directs an unpredictable portion of the measuring force past the sensor, thus preventing accurate force measurement. Advantageously, therefore, a sensor can be used, which provides large deformations, the force completely absorbs, converts an axial force into a determinable output and is inexpensive to produce.

Aus der DE 100 55 629 A1 ist ein faseroptischer Sensor bekannt, der einen Druck auf seine Flächen durch die durch Druckeinwirkung veränderten Doppelbrechungseigenschaften messbar macht. Der Sensor besteht aus einem Sandwichaufbau von zwei Polarisationsfiltern mit dazwischen eingeschlossenem Flüssigkristall. Durch Variation der Polarisationslage ändert sich die Intensität des zurückgestrahlten Lichts und ermöglicht so eine Messung eines anliegenden Druckes oder einer Kraft. Die Änderung der Doppelbrechungseigenschaften ist neben dem Druck aber auch mit der Temperatur korreliert und muss kompensiert werden.From the DE 100 55 629 A1 For example, a fiber optic sensor is known which makes pressure on its surfaces measurable by the birefringence properties altered by pressure. The sensor consists of a sandwich of two polarizing filters with liquid crystal trapped therebetween. By varying the polarization position, the intensity of the reflected light changes and thus enables a measurement of an applied pressure or a force. The change in the birefringence properties is correlated not only with the pressure but also with the temperature and must be compensated.

Aus der US 5 987 995 A ist ein faseroptischer Drucksensor bekannt, mit dessen Hilfe über einen Hebelmechanismus Blutdruck mit einem medizinischen Instrument gemessen werden kann. Hierbei kann über eine seitliche Öffnung der Blutdruck auf eine Membran wirken, die wiederum mit einem Hebel verbunden ist, der wiederum die von einer Faser eingespeistes Licht unterschiedlich reflektiert. Hierbei ist die Faser konzentrisch in einem Halter zu befestigen, an dem auch der Reflektionsarm befestigt ist. In der Kammer, in der die Lichtintensität moduliert wird, ist ein Gegendruck bereitzustellen, der eine Druckmessung ermöglicht. Der Aufbau ist relativ aufwendig und erfordert die Einhaltung kleiner Montage- bzw. Fertigungstoleranzen, wodurch der Aufbau im Gegensatz zur vorgeschlagenen Erfindung teurer ist. Der Aufbau ist nicht geeignet, eine axial anliegende Kraft annähernd fehlerfrei zu messen.From the US 5 987 995 A a fiber optic pressure sensor is known, with the help of a lever mechanism blood pressure can be measured with a medical instrument. Here, the blood pressure can act on a membrane via a lateral opening, which in turn is connected to a lever, which in turn reflects the light fed in by a fiber differently. Here, the fiber is concentrically fastened in a holder to which the reflection arm is attached. In the chamber in which the light intensity is modulated, a back pressure is to be provided, which allows a pressure measurement. The structure is relatively expensive and requires compliance with small assembly or manufacturing tolerances, whereby the structure is more expensive in contrast to the proposed invention. The structure is not suitable to measure an axially applied force approximately error-free.

Aus der US 2002/0162399 A1 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem über eine steife Randstruktur eine Membran angeschlossen ist, an deren Zentrum wiederum ein biegesteifer Lichtreflektor befestigt ist. Diese Struktur ist aufgrund des steifen Rahmens nicht ohne zusätzliche Adapter zur Kraftmessung verwendbar. Weiterhin wird das sehr sensitive Interferenzverfahren zur Auswertung der Phasenlage des Lichtes ausgewertet, was eine Temperaturkompensation erschwert, bzw. notwendig macht und, wie beschrieben, aufgrund der notwendigen kleinen Toleranzen hohe Fertigungskosten bedingt.From the US 2002/0162399 A1 a pressure sensor is known in which a membrane is connected via a rigid edge structure, to the center of which a rigid light reflector is again attached. This structure is not usable without additional adapters for force measurement due to the rigid frame. Furthermore, the very sensitive interference method for evaluating the phase position of the light is evaluated, which makes temperature compensation difficult or necessary and, as described, due to the necessary small tolerances high production costs.

In der DE 691 06 367 T2 wird ein faseroptischer Drucksensor offenbart, der einen elastischen Verformungskörper mit einem oder mehreren Einschlüssen umfasst. Das elastische Gehäuse ermöglicht neben einer Druckmessung auch eine Kraftmessung in axialer Richtung auf die langgestreckte Einrichtung. Die Einschlüsse werden aufgrund der mechanischen Größe Kraft oder Druck relativ zur Faserfläche bewegt, aus der Licht aus-, und auch wieder eintritt. Der Sensor beruht im Wesentlichen auf der Abstandsmodulation der reflektiven Teilchen in Bezug zur Lichtaustrittsfläche. Je nach Verteilung der Dichte und der Position der reflektiven Teilchen ist der Sensor unterschiedlich empfindlich auf Kräfte und Drücke und erfordert vor der Weitergabe an den Kunden sicherlich eine genaue, aufwendige Kalibrierung. Aufgrund des vorgeschlagenen Aufbaus beruht das Wirkprinzip auf Abstandsmodulation von reflektiven Teilchen, die sich in einem bestimmten Abstand zum Lichtaustritt befinden. Diese Modulation erbringt in der Regel nicht den Modulationsgrad, der durch Änderung der Krümmung mit der einhergehenden besseren Fokussierung des Lichtes erreicht werden kann, wodurch nachteiligerweise das Signal-/Rauschverhältnis sinkt, und damit auch die kleinste detektierbare Messeinheit steigt. Eine stärkere Modulation durch eine direkte Modulation durch Verkrümmung der Reflektions- oder der Lichtaustrittsfläche in direktem Kontakt mit dem Reflektionskörper zur Erhöhung des Modulationsgrades ist nicht vorgesehen.In the DE 691 06 367 T2 discloses a fiber optic pressure sensor comprising an elastic deformation body having one or more inclusions. The elastic housing allows in addition to a pressure measurement and a force measurement in the axial direction of the elongated device. The inclusions are moved due to the mechanical size force or pressure relative to the fiber surface, out of the light, and also enters again. The sensor is essentially based on the distance modulation of the reflective particles with respect to the light exit surface. Depending on the distribution of the density and the position of the reflective particles, the sensor is differently sensitive to forces and pressures and, prior to being passed on to the customer, certainly requires a precise, complex calibration. Due to the proposed structure, the operating principle is based on distance modulation of reflective particles that are located at a certain distance from the light exit. This modulation does not usually provide the degree of modulation, which can be achieved by changing the curvature with the associated better focusing of the light, which disadvantageously decreases the signal / noise ratio, and thus increases even the smallest detectable measuring unit. A stronger modulation by a direct modulation by curvature of the reflection or the light exit surface in direct contact with the reflection body to increase the degree of modulation is not provided.

Aus der US 4599908 ist ein faseroptischer Drucksensor bekannt, der einen Lichtweg durch die Sensorzelle aufweist, der durch die mechanische Messgröße verengt wird und so zur Modulation des Lichtstroms führt. Schwierig bei der Fertigung dieses Sensors im Mikro-Maßstab ist eine definierte Locherzeugung, durch die das Licht definiert passieren kann. Seitlich angreifende Kräfte führen bei diesem Sensor sicherlich zur Verschiebung der Flächen und damit zum Verschließen der Kanäle und somit zu einer Fehlmessung der Kraft.From the US 4599908 a fiber-optic pressure sensor is known, which has an optical path through the sensor cell, which is narrowed by the mechanical measurement variable and thus leads to the modulation of the luminous flux. Difficult in the production of this sensor in the micro-scale is a defined hole production, through which the light can pass defined. Laterally acting forces in this sensor certainly lead to the displacement of the surfaces and thus to the closing of the channels and thus to a false measurement of the force.

In der US 3 580 082 A wird ein faseroptischer Drucksensor vorgestellt, dessen Ausgangssignal über eine Membran, deren Zentrum sich in einem definierten Abstand über der Lichtaustrittsfläche einer optischen Faser befindet, moduliert wird. Hierbei ist wiederum die Membran durch einen stabilen Rahmen zu stützen, der bei einer vollflächige Krafteinkopplung zu Fehlern aufgrund eines Kraftnebenschlusses führt.In the US Pat. No. 3,580,082 A fiber-optic pressure sensor is presented whose output signal is modulated by a membrane whose center is located at a defined distance above the light exit surface of an optical fiber. In this case, in turn, the membrane is supported by a stable frame, which leads to errors in a full-surface force coupling due to a force shunt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebauten Sensor bereitzustellen, der in langgestreckte Einrichtungen von weniger als 3 mm Durchmesser, insbesondere 0,33 mm (1 French), integrierbar ist und Kräfte erfassen kann, welche zumindest teilweise an der langgestreckten Einrichtung in deren Längsrichtung angreifen. Hierbei soll eine vollflächige Krafteinkopplung zu genauen Messergebnissen führen, der Modulationsgrad soll deutlich höher als der bei einfacher Abstandsmodulation sein, seitliche Kräfte sollen nicht zu übermäßigen Fehlmessungen führen und der Sensor soll kostengünstig gefertigt werden können.It is an object of the invention to provide a sensor of simple construction, which can be integrated into elongate devices of less than 3 mm diameter, in particular 0.33 mm (1 French), and can detect forces which at least partially on the elongate device in the longitudinal direction attack. Here, a full-surface force coupling should lead to accurate measurement results, the degree of modulation should be significantly higher than that of simple distance modulation, lateral forces should not lead to excessive incorrect measurements and the sensor should be able to be manufactured inexpensively.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist der erfindungsgemäße Sensor dazu ausgelegt, eine Kraft zu erfassen, die an einer langgestreckten Einrichtung, insbesondere einer langgestreckten medizintechnischen Einrichtung, wie einem Katheter oder Führungsdraht, angreift, welche Kraft eine nicht vernachlässigbare Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung aufweisen kann. Der erfindungsgemäße Sensor hat einen Kraftaufnehmer, an dem zumindest der wesentliche Teil der zu erfassenden Kraft entweder über die langgestreckte Einrichtung oder direkt in den Sensor gerichtet einleitbar ist. Der Sensor soll erfindungsgemäß derart beschaffen sein, daß er an der langgestreckten Einrichtung anbringbar und insbesondere bei bereits existierenden langgestreckten Einrichtungen nachrüstbar ist. Erfindungsgemäß weist der Sensor mindestens einen Lichteinkoppelbereich auf, an dem Licht in den Sensor insbesondere in einer vorab festgelegten, bekannten Intensität eintreten kann. Der Lichteinkoppelbereich ist mit wenigstens einem Lichtwellenleiter optisch verbunden, welche Verbindung im Inneren des Sensors oder außerhalb realisierbar ist, wobei der Lichtwellenleiter vorzugsweise außerhalb des Sensors an eine Lichtquelle anschließbar ist. Der erfindungsgemäße Sensor hat einen Lichtintensitätsmodulator, der die vorab bestimmte Intensität des in den Sensor einkoppelbaren Lichts in Abhängigkeit von der Kraft, die über den Kraftaufnehmer in den Sensor eingeleitet ist, moduliert, also abhängig von der Kraft ändert. Der erfindungsgemäße Sensor weist einen Lichtauskoppelbereich auf, der zugleich auch den Lichteinkoppelbereich bilden kann und über welchen das Licht modulierter Intensität in wenigstens einen Lichtleiter auskoppelbar ist. Dabei kann der selbe Lichtleiter verwendet werden, der bereits zum Einkoppeln des Lichts in den Sensor genutzt ist. Die modulierte oder unmodulierte Lichtintensität kann von einer insbesondere sensorexternen Auswerteinheit bewertet werden, die unter Nutzung eines Proportionalverhältnisses zwischen der Intensitätsänderung und der Kraft den zu ermittelnden Kraftbetrag bestimmen kann.This object is solved by the features of patent claim 1. Thereafter, the sensor according to the invention is adapted to detect a force acting on an elongate device, in particular an elongate medical device, such as a catheter or guidewire, which force may have a non-negligible force component in the longitudinal direction of the elongate device. The sensor according to the invention has a force transducer on which at least the essential part of the force to be detected can be introduced either via the elongate device or directly into the sensor. According to the invention, the sensor should be such that it can be attached to the elongate device and, in particular, can be retrofitted to already existing elongate devices. According to the invention, the sensor has at least one light coupling region, at which light can enter the sensor, in particular at a predetermined, known intensity. The Lichteinkoppelbereich is optically connected to at least one optical waveguide, which connection in the interior of the sensor or outside can be realized, wherein the optical waveguide is preferably connected outside the sensor to a light source. The sensor according to the invention has a light intensity modulator which modulates the previously determined intensity of the light which can be coupled into the sensor as a function of the force which is introduced into the sensor via the force transducer, that is to say it changes as a function of the force. The sensor according to the invention has a light coupling-out region, which at the same time can also form the light coupling region and via which the light of modulated intensity can be coupled out into at least one light guide. In this case, the same light guide can be used, which is already used for coupling the light into the sensor. The modulated or unmodulated light intensity can be evaluated by a particularly sensor-external evaluation unit, which can determine the amount of force to be determined by using a proportional ratio between the intensity change and the force.

Der erfindungsgemäße Sensor bietet die folgenden Vorteile gegenüber den oben genannten bekannten Kraftsensoren:

  • – mit dem erfindungsgemäße Sensor besteht die Möglichkeit, eine Kraftsensorik in langgestreckten Einrichtungen zu integrieren, welche eine laterale Erstreckung oder einen Durchmesser von weniger als 3 mm, insbesondere 0,33 mm (1 French), aufweisen;
  • – der erfindungsgemäße Sensor ist wegen der geringen Teileanzahl für eine Massenproduktion geeignet;
  • – der einfache Aufbau des erfindungsgemäßen Sensor erfüllt ohne weiteres die hohen Anforderung der Hygiene in der Medizintechnik;
  • – mit dem erfindungsgemäßen Sensor können aufgrund der Nutzung der sensiblen Lichtintensitätsmeßgröße sehr genaue Kraftbetrags- und/oder Kraftwirkungsmessungen erreicht werden; und
  • – der erfindungsgemäße Sensor verzichtet auf elektrische Leitungen, die insbesondere bei einem Einsatz von einem Magnetresonanztomographen wegen der dabei auftretenden elektromagnetischen Wechselfeldern die Meßergebnisse verfälschend beeinflussen können.
The sensor according to the invention offers the following advantages over the known force sensors mentioned above:
  • - With the sensor according to the invention it is possible to integrate a force sensor in elongate devices, which have a lateral extent or a diameter of less than 3 mm, in particular 0.33 mm (1 French);
  • - The sensor according to the invention is suitable because of the small number of parts for mass production;
  • - The simple construction of the sensor according to the invention readily meets the high requirement of hygiene in medical technology;
  • - Due to the use of the sensitive Lichtintensitätsmeßgröße very accurate Kraftbetrags- and / or force measurements can be achieved with the sensor according to the invention; and
  • - The sensor according to the invention dispenses with electrical lines, which can affect the measurement results in particular when using a magnetic resonance imaging because of the electromagnetic alternating fields occurring in the process.

Der erfindungsgemäße Sensor kann Kräfte dem Betrag und/oder der Wirkrichtung nach in Echtzeit und insbesondere kontinuierlich erfassen. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Sensor dazu ausgelegt, eine Kraft hauptsächlich in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung zu erfassen.The sensor according to the invention can detect forces in the amount and / or direction of action in real time and in particular continuously. In particular, the sensor according to the invention is designed to detect a force mainly in the longitudinal direction of the elongate device.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein Reflektor vorgesehen, der eine dem wenigstens einem Lichtauskoppelbereich zugeordnete Reflexionsfläche aufweist. Die Reflexionsfläche ist derart kraft- oder druckempfindlich ausgebildet, daß es seine Reflexionseigenschaften in Abhängigkeit von der an dem Kraftaufnehmer angreifenden Last ändern kann. Vorzugsweise stellen sich die anfänglichen, unbelasteten Reflexionseigenschaften des Reflektors nach Lösen der Last selbständig wieder her. Bei bestimmten Einwegprodukten kann es allerdings vorteilhaft sein, im Hinblick auf günstige Herstellungskosten auf eine Reversibilität der Reflexionseigenschaften zu verzichten. Vorzugsweise ändert sich die Reflexionsfläche auf eine Kraftwirkung dahingehend, daß sie vergrößert oder verkleinert wird.In a preferred embodiment of the invention, a reflector is provided, which has a reflection surface assigned to the at least one light outcoupling region. The reflection surface is designed to be so sensitive to force or pressure that it can change its reflection properties as a function of the load acting on the load cell. Preferably, the initial, unencumbered reflection properties of the reflector automatically restore after the load has been released. In the case of certain disposable products, however, it may be advantageous to dispense with a reversibility of the reflection properties with regard to favorable production costs. Preferably, the reflecting surface changes to a force effect such that it is increased or decreased.

Die Reflexionsfläche ist uneben, insbesondere gewölbt, ausgestaltet. Durch die Unebenheit der Reflexionsfläche wird das eingekoppelte Licht mehr oder minder stark reflektiert. Diese Verschlechterung oder Verbesserung der Reflexionseigenschaften kann durch den Krafteintrag in den Kraftaufnehmer des Sensors dadurch verändert werden, daß sich der Grad der Unebenheit entsprechend ändert. Bei einer gewölbten Reflexionsfläche kann diese vorzugsweise bei einem Krafteintrag abgeflacht oder eingeebnet werden, wodurch eine höhere oder geringere Lichtintensität auf eine vorbestimmte Stelle geschaffen werden kann, welche vorzugsweise der Lichtauskoppelbereich des Sensors ist. Damit kann eine gegenüber der vorbestimmten, bekannten Anfangsintensität höhere oder niedrigere Intensität erzeugt werden, welche als zunehmende oder abnehmende Kraft an der langgestreckten Einrichtung von der Auswerteinheit interpretiert werden kann.The reflection surface is uneven, in particular curved, designed. Due to the unevenness of the reflection surface, the coupled-in light is reflected more or less strongly. This deterioration or improvement of the reflection properties can be changed by the force input into the force sensor of the sensor in that the degree of unevenness changes accordingly. In the case of a curved reflection surface, it can preferably be flattened or flattened when a force is introduced, as a result of which a higher or lower light intensity can be created at a predetermined point, which is preferably the light outcoupling region of the sensor. In this way, a higher or lower intensity than the predetermined, known initial intensity can be generated, which can be interpreted by the evaluation unit as an increasing or decreasing force on the elongate device.

In einer besonderen Weiterentwicklung der Erfindung ist ein kugelförmiger Kraftaufnehmer vorgesehen, welcher auf seiner dem Lichtein- und/oder Lichtauskoppelbereich zugewandten Seite reflektierend ausgestaltet ist. In a particular further development of the invention, a spherical force transducer is provided, which is designed to be reflective on its side facing the light input and / or light outcoupling region.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann die insbesondere unebene Reflexionsfläche derart formbeständig sein, daß sie die Abmessungen des Lichtauskoppelbereichs irreversibel oder reversibel erweitert und/oder begrenzt. Insbesondere ist das dem Lichtauskoppelbereich definierende Material weicher als die formbeständige Reflexionsfläche ausgeführt, so daß bei einem Krafteintrag auf den Kraftaufnehmer des Sensors die insbesondere unebene Reflexionsfläche mit dem Material in Eingriff kommt und letzteres auf eine die Form der Reflexionsfläche einprägende Weise vergrößert und/oder verkleinert.In a further development of the invention, the particular uneven reflection surface can be dimensionally stable in such a way that it irreversibly or reversibly expands and / or limits the dimensions of the light outcoupling region. In particular, the material defining the light outcoupling region is softer than the dimensionally stable reflection surface, so that when force is applied to the force transducer of the sensor, the uneven reflection surface in particular engages with the material and the latter is enlarged and / or reduced to a manner impressing the shape of the reflection surface.

Mit dieser weiterbildenden Ausführung wird die Teileanzahl des Sensors weiter reduziert, weil mit den Härteeigenschaften von Hauptbauteilen die Funktionen von Unterbauteilen des Sensors mitübernommen werden.With this further development, the number of parts of the sensor is further reduced, because the functions of sub-components of the sensor are taken over with the hardness properties of main components.

Vorzugsweise wird das aus dem Sensor austretende Lichtintensitätssignal monochromatisch und/oder über ein Spektrum ausgewertet.Preferably, the light intensity signal emerging from the sensor is evaluated monochromatically and / or over a spectrum.

Desweiteren betrifft die Erfindung eine Sensoreinheit, welche wenigstens einen Lichtwellenleiter, der an wenigstens einer Lichtquelle anschließbar oder angeschlossen ist, und einen erfindungsgemäßen Sensor aufweist.Furthermore, the invention relates to a sensor unit which has at least one optical waveguide which can be connected or connected to at least one light source, and a sensor according to the invention.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Sensor an der Endfläche des wenigstens einen Lichtwellenleiters angeordnet, wobei vorzugsweise der Sensor insbesondere mit seinem Kraftaufnehmer, in unmittelbarem Kontakt mit dem wenigstens einen Lichtwellenleiter stehen kann.In one development of the invention, the sensor according to the invention is arranged on the end surface of the at least one optical waveguide, wherein preferably the sensor, in particular with its force transducer, can be in direct contact with the at least one optical waveguide.

Damit die Kraft einem bestimmten Sensoraufbau gemäß in den Sensor, insbesondere am Kraftaufnehmer, vorbestimmbar einleitbar ist, kann ein Adapter zwischen der langgestreckten Einrichtung und dem Sensor angeordnet sein.So that the force can be predeterminedly introduced into the sensor, in particular on the force transducer, according to a specific sensor structure, an adapter can be arranged between the elongate device and the sensor.

Zudem betrifft die Erfindung eine langgestreckte Einrichtung, insbesondere eine medizinischtechnische langgestreckte Einrichtung, wie einen Katheter, welche Einrichtung wenigstens einen Lichtwellenleiter, der an wenigstens einer Lichtquelle angeschlossen ist, und einen erfindungsgemäßen Sensor aufweist, der mit dem Lichtwellenleiter optisch verbunden ist.In addition, the invention relates to an elongate device, in particular a medical-technical elongated device, such as a catheter, which device has at least one optical waveguide which is connected to at least one light source, and a sensor according to the invention, which is optically connected to the optical waveguide.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist bei der langgestreckten Einrichtung der erfindungsgemäße Sensor oder die erfindungsgemäße Sensoreinheit im Bereich des distalen Endes der langgestreckten Einrichtung positioniert, wobei ein geringer Abstand von dem distalen Ende bevorzugt ist. Der Sensor soll nicht direkt den Kräften ausgesetzt werden, vielmehr sollen die Kräfte über ein Adapterstück der langgestreckten Einrichtung auf den Sensor oder die Sensoreinheit übertragen werden.In a development of the invention, in the case of the elongate device, the sensor according to the invention or the sensor unit according to the invention is positioned in the region of the distal end of the elongate device, wherein a small distance from the distal end is preferred. The sensor should not be exposed directly to the forces, but the forces should be transmitted via an adapter piece of the elongated device to the sensor or the sensor unit.

In einer Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der wenigstens eine Lichtwellenleiter längs der langgestreckten Einrichtung von dem Sensor vorzugsweise zu einer Auswerteinheit. Vorzugsweise ist der Sensor an wenigstens einem Führungsdraht der langgestreckten Einrichtung angebracht.In one development of the invention, the at least one optical waveguide extends along the elongate device from the sensor, preferably to an evaluation unit. Preferably, the sensor is attached to at least one guidewire of the elongate device.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird die Längserstreckung der langgestreckten Einrichtung im wesentlichen ausschließlich durch den wenigstens einen Lichtwellenleiter gebildet. Führungsdrähte sind damit nicht notwendig, wenn für den Lichtwellenleiter ein Fasermaterial ausgewählt wird, das sowohl die entsprechenden optischen Eigenschaften als auch die notwendige Festigkeit und Flexibilität besitzt.In a particular embodiment of the invention, the longitudinal extension of the elongate device is formed essentially exclusively by the at least one optical waveguide. Guide wires are therefore not necessary if a fiber material is selected for the optical waveguide, which has both the corresponding optical properties and the necessary strength and flexibility.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer auf eine langgestreckte Einrichtung wirkende Kraft. Danach wird eine Anfangsintensität einer Lichtmeßgröße vorbestimmt, die Lichtmeßgröße in Abhängigkeit von der Kraft moduliert, die modulierte Lichtintensität mit der vorbestimmten Anfangsintensität verglichen und eine nicht vernachlässigbare Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung anhand des Verhältnisses von Anfangsintensität zur modulierter Intensität bestimmt.Finally, the invention relates to a method for detecting a force acting on an elongate device. Thereafter, an initial intensity of a photometric quantity is predetermined, the quantity of photometry modulated as a function of the force, the modulated luminous intensity compared with the predetermined initial intensity, and a non-negligible longitudinal force component of the elongate device determined from the ratio of the initial intensity to the modulated intensity.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigenFurther advantages, features and characteristics of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings, in which show

1a eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Sensors in einer ersten Ausführung, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist; 1a a schematic diagram of the sensor according to the invention in a first embodiment, which is shown in an unloaded state;

1b den Sensor gemäß 1a in einem belasteten Zustand; 1b according to the sensor 1a in a loaded condition;

2a eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist; 2a a schematic diagram of a second embodiment of the sensor according to the invention, which is shown in an unloaded state;

2b den Sensor gemäß 2a in einem belasteten Zustand; 2 B according to the sensor 2a in a loaded condition;

3 einen distalen Bereich eines Endes einer medizintechnischen langgestreckten Einrichtung, wie eines Katheters. 3 a distal portion of one end of a medical elongate device, such as a catheter.

Die in den 1a und 1b dargestellte Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors 1 umfaßt einen Kraftaufnehmer 3, der in der Ausführung gemäß den 1a und 1b einen kugelförmigen elastischen Körper 5 und/oder ein Gehäuse 7 aufweist, das beispielsweise aus Silikon gebildet ist. Für eine einfache Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Sensors ist das Gehäuse 7 als Einkapselteil um den Körper 5 umgießend gebildet. Für eine montagefeste Kopplung des Kraftaufnehmers an einen Lichtwellenleiter 11 umgreift das Gehäuse 7 das Ende 13 des Lichtwellenleiters 11 fest. The in the 1a and 1b illustrated embodiment of the sensor according to the invention 1 includes a force transducer 3 in the execution according to the 1a and 1b a spherical elastic body 5 and / or a housing 7 has, which is formed for example of silicone. For ease of manufacture of the sensor according to the invention, the housing 7 as an encapsulation part around the body 5 formed overflowing. For a fixed mounting coupling of the force transducer to an optical fiber 11 surrounds the housing 7 the end 13 of the optical fiber 11 firmly.

Der kugelförmige Körper 5 hat eine Reflexionsfläche 15, die einem Lichtein- und Lichtauskoppelbereich zugeordnet ist, welche beiden als Zwischen- oder Übergangsstelle definierbar sind, an der Licht den Lichtwellenleiter verläßt und in den Körper 5, also in den Sensor, gelangt.The spherical body 5 has a reflection surface 15 , which is assigned to a Lichtein- and Lichtauskoppelbereich, which are both defined as an intermediate or transition point at the light leaves the optical waveguide and into the body 5 , ie into the sensor.

In der Ausführung gemäß 1a und 1b liegt der kugelförmige Körper 5 an der Endfläche 19 des Endes 13 des Lichtleiters 11 an, so daß sich im Kontaktbereich des kugelförmigen Körpers 5 und des Lichtwellenleiters 11 eine Reflexionsfläche 15, auch benachbart dem Kontaktbereich, in den Lichtwellenleiter 11 gerichtet wirksam ist. Das durch den Lichtleiter 11 hindurch einzukoppelnde Licht 21, das eine Anfangsintensität aufweist, gelangt durch den Lichteinkoppelbereich an der Fläche 19 unmittelbar an die Reflexionsfläche 15 des kugelförmigen Körpers 5, wird dort reflektiert und gelangt über den Lichtauskoppelbereich an der Fläche 19 des Lichtwellenleiters 11 wieder in letzteren als Lichtstrahl 23, dessen Lichtintensität von einer vorzugsweise am Ende des Lichtleiters 11 angeordneten monochromatischen Auswerteinheit (nicht dargestellt) oder einem Spektrum ausgewertet wird.In the execution according to 1a and 1b lies the spherical body 5 at the end surface 19 of the end 13 of the light guide 11 on, so that in the contact area of the spherical body 5 and the optical fiber 11 a reflection surface 15 , also adjacent to the contact area, in the optical fiber 11 is effective. That through the light guide 11 through light to be coupled 21 , which has an initial intensity, passes through the Lichteinkoppelbereich on the surface 19 directly to the reflection surface 15 of the spherical body 5 , is reflected there and passes through the light extraction area on the surface 19 of the optical fiber 11 again in the latter as a ray of light 23 , the light intensity of a preferably at the end of the light guide 11 arranged monochromatic evaluation unit (not shown) or a spectrum is evaluated.

Wie in 1a schematisch angedeutet ist, wird nur ein Teil des eingekoppelten Lichts an der gewölbten Fläche 15 des kugelförmigen Körpers 5 so reflektiert, daß Licht wieder über den Lichtauskoppelbereich in den Lichtwellenleiter zurückkehrt. Je stärker die Wölbung an dem kugelförmigen Körper 5 ausgebildet ist, desto schwacher ist das in den Lichtwellenleiter reflektierte Licht 23, was durch den gegenüber dem Pfeil 21 schmäleren Pfeil 23 angedeutet sein soll.As in 1a is indicated schematically, only a part of the coupled light on the curved surface 15 of the spherical body 5 reflected so that light returns to the optical fiber again via the light extraction area. The stronger the curvature on the spherical body 5 is formed, the weaker is the reflected light in the optical waveguide 23 , which by the opposite the arrow 21 narrower arrow 23 should be indicated.

Es ist denkbar auch eine diametral der Reflexionsfläche 15 gegenüberliegende Reflexionsfläche 25 bei einer abgewandelten Ausführung vorzusehen. In diesem Fall ist der kugelförmige Körper 5 transparent auszugestalten, so daß das eingekoppelte Licht durch den Lichtkörper 5 hindurch an der Reflexionsfläche 25 reflektiert wird, um teilweise über den Lichtauskoppelbereich in den Lichtwellenleiter 11 zu gelangen.It is also conceivable a diametrically the reflection surface 15 opposite reflection surface 25 to provide in a modified version. In this case, the spherical body 5 transparent, so that the coupled light through the light body 5 through at the reflection surface 25 is reflected to partially over the Lichtauskoppelbereich in the optical waveguide 11 to get.

Wird eine im wesentlichen längs des Wellenleiters 11 gerichtete Kraft F dem Kraftaufnehmer 3 mitgeteilt, wie in 1b dargestellt ist, so verformen sich sowohl das elastische Gehäuse 7 als auch der elastische, kugelförmige Körper 5 von ihrer im wesentlichen kugelförmigen Ausgangsform in eine Ei- oder Ellipsoidform, wie in 1b angedeutet ist. Aufgrund dieser Verformung nimmt der Wölbungsgrad an den Reflexionsflächen 15 und/oder 25 ab, so daß die wirksame Reflexionsfläche 15 und/oder 25 zunimmt und das dem Lichtauskoppelbereich des Sensors 1 zugeordnete reflektierte Licht mit höherer Intensität in den Wellenleiter 11 eingeleitet werden kann.Becomes one substantially along the waveguide 11 directed force F the force transducer 3 communicated as in 1b is shown, so deform both the elastic housing 7 as well as the elastic, spherical body 5 from their substantially spherical initial shape into an egg or ellipsoidal shape as in 1b is indicated. Due to this deformation, the degree of curvature at the reflection surfaces decreases 15 and or 25 so that the effective reflection surface 15 and or 25 increases and that the light extraction area of the sensor 1 associated higher-intensity reflected light into the waveguide 11 can be initiated.

Über eine Kalibrierung des Kraftsensors bezüglich des Verhältnisses Wölbungsgrad/Kraft, Wölbungsgrad/wirksame Reflexionsfläche, wirksame Reflexionsfläche/modulierte Intensität kann eine quantitative Kraftauswertung anhand der modulierten Lichtintensität erfolgen.By means of a calibration of the force sensor with regard to the ratio of degree of curvature / force, degree of curvature / effective reflection surface, effective reflection surface / modulated intensity, a quantitative evaluation of the force can take place on the basis of the modulated light intensity.

Sollte der Lichtwellenleiter 111 an seinem Ende elastisch reversibel ausgeführt sein, können beliebig viele Krafteindrücke durch den erfindungsgemäßen Sensor 101 erfaßt werden. In den 2a und 2b ist eine alternative Ausführung dargestellt, wobei für eine bessere Lesbarkeit der Figurenbeschreibung für identische und ähnliche Bauelemente des erfindungsgemäßen Sensors der alternativen Ausführung gleiche Bezugszeichen verwendet werden, die um 100 erhöht sind.Should the fiber optic cable 111 Be carried out elastically reversible at its end, any number of power impressions by the sensor of the invention 101 be detected. In the 2a and 2 B an alternative embodiment is shown, wherein for better readability of the figure description for identical and similar components of the inventive sensor of the alternative embodiment, the same reference numerals are used to 100 are increased.

Der in 2a und 2b dargestellte erfindungsgemäße Sensor 101 unterscheidet sich von dem Sensor 1 gemäß den 1a und 1b darin, daß der kugelförmige Körper 105 aus einem festen Material gebildet ist, das härter als das Material des Lichtwellenleiters 111 an dessen Ende 113 ist. Für das Gehäuse 107 wird, wie auch bei der Ausführung gemäß den 1a und 1b, ein elastisches Material, wie Silikon, eingesetzt, damit eine flexible Einkapselung und Befestigung des Kraftaufnehmers 103 an dem Lichtwellenleiter 111 sichergestellt ist.The in 2a and 2 B illustrated inventive sensor 101 is different from the sensor 1 according to the 1a and 1b in that the spherical body 105 is formed of a solid material that is harder than the material of the optical waveguide 111 at the end 113 is. For the case 107 is, as well as in the execution according to the 1a and 1b , an elastic material, such as silicone, used to allow flexible encapsulation and attachment of the force transducer 103 on the optical fiber 111 is ensured.

Wie in 2b dargestellt ist, wird das Ende 113 des Wellenleiters 100 aufgrund der sich in Längsrichtung des Lichtwellenleiters 100 wirkenden Kraft F eingedrückt. Aufgrund des kugelförmigen Eindrückbereichs wird die Kontaktfläche erhöht, ergo die Reflexionsfläche 115 wird vergrößert, was dazu führt, daß Licht mit einer größeren modulierten Intensität über den Lichtauskoppelbereich des Sensors 101 in den Lichtwellenleiter 111 gelangt.As in 2 B is shown, the end is 113 of the waveguide 100 due to moving in the longitudinal direction of the optical waveguide 100 acting force F is depressed. Due to the spherical indentation area, the contact area is increased, ergo the reflection surface 115 is increased, resulting in that light with a greater modulated intensity over the light extraction area of the sensor 101 in the optical fiber 111 arrives.

Sollte der Lichtwellenleiter 111 an seinem Ende elastisch reversibel ausgeführt sein, können beliebig viele Krafteindrücke durch den erfindungsgemäßen Sensor 101 erfaßt werden.Should the fiber optic cable 111 Be carried out elastically reversible at its end, any number of power impressions by the sensor of the invention 101 be detected.

In 3 ist schematisch der Endbereich 71 eines erfindungsgemäßen Katheters dargestellt, dessen Ende leicht gekrümmt oder hakenförmig ausgebildet ist, um das Katheterende leichter in Y-Arterienabzweigungen einführen zu können. Der erfindungsgemäße Sensor 1 ist nicht unmittelbar an der Spitze 73 angeordnet, sondern in einem gewissen Abstand von der Spitze 73, damit ein axialer Krafteintrag in dem Sensor erzwungen werden kann. Der der Spitze 73 zugewandte Bereich 75 des Katheters kann Katheterzusatzeinrichtungen aufweisen. Auf der der Spitze 73 abgewandten Seite 77 des Sensors 1 ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter (nicht näher dargestellt) vorgesehen, wobei der Katheter in diesem Abschnitt von dem Sensor bis zur Betätigungseinrichtung ausschließlich aus einem Lichtwellenleiter gebildet sein kann, der eine lichtundurchlässige, organismusverträgliche Außenhaut (nicht dargestellt) aufweisen kann.In 3 is schematically the end area 71 a catheter according to the invention shown, the end of which is slightly curved or hook-shaped, in order to introduce the catheter end more easily in Y-arterial branches can. The sensor according to the invention 1 is not right at the top 73 arranged but at some distance from the top 73 so that an axial force can be forced in the sensor. The top 73 facing area 75 The catheter may include catheter accessories. On the top 73 opposite side 77 of the sensor 1 the at least one optical waveguide (not shown in detail) is provided, wherein the catheter in this section from the sensor to the actuating device can be formed exclusively from an optical waveguide which can have an opaque, organism-compatible outer skin (not shown).

Claims (11)

Sensor zum Erfassen von einer auf eine langgestreckte Einrichtung, insbesondere eine langgestreckte medizintechnische Einrichtung, wie einen Katheter, wirkenden Kraft (F) mit einer nicht vernachlässigbaren Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung, umfassend – einen Kraftaufnehmer (3) für die zu erfassende Kraft, – einen Anschluß zum Anbringen des Sensors (1) an die langgestreckte Einrichtung, – mindestens einen Lichteinkoppelbereich, welcher mit wenigsten einem Licht in den Sensor (1) einkoppelnden Lichtwellenleiter (11) optisch verbindbar ist, – einen Lichtintensitätsmodulator, der eine vorbestimmbare Intensität des in den Sensor (1) einkoppelbaren Lichts (21) entsprechend der an dem Kraftaufnehmer (3) angreifenden Kraft (F) moduliert, und – wenigstens einen Lichtauskoppelbereich, über welchen das Licht (21) modulierter Intensität in wenigstens einen Lichtleiter (11) auskoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor mit einer dem wenigstens einen Lichtauskoppelbereich (17) zugeordneten Reflexionsfläche (15) versehen ist, die ihre Reflexionseigenschaften abhängig von der zu erfassenden Kraft (F) ändern kann, vorzugsweise sich insbesondere irreversibel oder reversibel und abhängig von der zu erfassenden Kraft (F) verformen, insbesondere vergrößern und/oder verkleinern, kann, in dem eine unebene Reflexionsfläche (15) vorgesehen ist, auf welche die an dem Kraftaufnehmer (3) angreifende Kraft (F) derart wirken kann, dass sich der Grad der Unebenheit abhängig von der Kraft (F) ändert und einen mit dem wenigstens einen Lichtauskoppelbereich (17) optisch verbundenen Bereich der Reflexionsfläche (15) erweitert und/oder eingrenzt.Sensor for detecting a force (F) acting on an elongated device, in particular an elongate medical device, such as a catheter, with a non-negligible force component in the longitudinal direction of the elongate device, comprising - a force transducer ( 3 ) for the force to be detected, - a connection for attaching the sensor ( 1 ) to the elongated device, - at least one Lichteinkoppelbereich, which with at least one light in the sensor ( 1 ) einkoppelnden optical waveguide ( 11 ) is optically connectable, - a light intensity modulator having a predeterminable intensity of the in the sensor ( 1 ) coupled-in light ( 21 ) according to the on the load cell ( 3 ) modulating force (F), and - at least one Lichtauskoppelbereich, over which the light ( 21 ) modulated intensity in at least one light guide ( 11 ) can be coupled, characterized in that a reflector with a the at least one Lichtauskoppelbereich ( 17 ) associated reflection surface ( 15 ), which can change its reflection properties depending on the force to be detected (F), preferably in particular irreversible or reversible and depending on the force to be detected (F) deform, in particular enlarge and / or reduce, in which an uneven Reflection surface ( 15 ) is provided, to which the on the load cell ( 3 ) acting force (F) can act such that the degree of unevenness changes depending on the force (F) and one with the at least one Lichtauskoppelbereich ( 17 ) optically connected region of the reflection surface ( 15 ) extended and / or limited. Sensor nach Anspruch 1, bei dem der insbesondere kugelförmige Kraftaufnehmer (3) eine gewölbte Reflexionsfläche (15) aufweist.Sensor according to Claim 1, in which the in particular spherical load cell ( 3 ) a curved reflection surface ( 15 ) having. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, der zum kontinuierlichen Echtzeit-Erfassen von Kräften (F) dem Betrag und/oder der Wirkrichtung nach ausgelegt ist.Sensor according to claim 1 or 2, which is designed for the continuous real-time detection of forces (F) according to the magnitude and / or direction of action. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Sensor (1) an einer Endfläche (19) des wenigstens einen Lichtwellenleiters (11) angebracht ist, wobei insbesondere der Kraftaufnehmer (3) im unmittelbaren Kontakt mit dem wenigsten einen Lichtwellenleiter (11) steht.Sensor unit according to one of claims 1 to 3, in which the sensor ( 1 ) on an end face ( 19 ) of the at least one optical waveguide ( 11 ), in particular the force transducer ( 3 ) in direct contact with the at least one optical waveguide ( 11 ) stands. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Sensor (1) von einem flexiblen und/oder verformbaren, insbesondere elastischen Wandmaterial, insbesondere Silikon, begrenzt ist.Sensor unit according to one of claims 1 to 4, in which the sensor ( 1 ) is limited by a flexible and / or deformable, in particular elastic wall material, in particular silicone. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Adapter anbringbar ist, der zum vorbestimmbaren Einleiten der an der langgestreckten Einrichtung angreifenden Kraft (F) ausgelegt ist.Sensor unit according to one of claims 1 to 5, in which an adapter is arranged, which is designed for the predeterminable introduction of the force acting on the elongated device force (F). Langgestreckte Einrichtung mit einem nach den Ansprüchen 1 bis 6 ausgebildeten Sensor (1) zum Erfassen von einer auf die langgestreckte Einrichtung wirkenden Kraft (F), insbesondere medizinisch technische langgestreckte Einrichtung, wie Katheter, mit wenigstens einem Lichtwellenleiter (11), der an wenigstens eine Lichtquelle angeschlossen ist, und mit dem Sensor (1) optisch verbunden ist.Elongated device with a sensor according to claims 1 to 6 ( 1 ) for detecting a force acting on the elongated device (F), in particular medically technical elongated device, such as catheters, with at least one optical waveguide ( 11 ), which is connected to at least one light source, and to the sensor ( 1 ) is optically connected. Langgestreckte Einrichtung nach Anspruch 7, bei welcher der Sensor (1) im Bereich eines distalen Endes der langgestreckten Einrichtung angeordnet ist, insbesondere in einem Abstand von dem distalen Ende.Elongated device according to claim 7, in which the sensor ( 1 ) is disposed in the region of a distal end of the elongate device, in particular at a distance from the distal end. Langgestreckte Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem der Sensor (1) an wenigstens einem Führungsdraht der langgestreckten Einrichtung angebracht ist.Elongated device according to one of Claims 7 to 8, in which the sensor ( 1 ) is attached to at least one guidewire of the elongated device. Langgestreckte Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, deren Längserstreckung im wesentlichen durch den wenigstens einen Lichtwellenleiter (11) gebildet ist.Elongated device according to one of Claims 7 to 9, whose longitudinal extension is essentially defined by the at least one optical waveguide ( 11 ) is formed. Verfahren zum Messen einer an einer langgestreckten Einrichtung mit einem nach den Ansprüchen 1 bis 6 ausgebildeten Sensor (1), insbesondere einer langgestreckten medizintechnischen Einrichtung, wie einem Katheter, eingreifenden Kraft (F), wobei: eine Anfangsintensität einer Lichtmeßgröße vorbestimmt wird, die Lichtmeßgröße in Abhängigkeit von der Kraft (F) moduliert wird, die modulierte Lichtintensität mit der vorbestimmten Anfangsintensität verglichen wird und eine nicht vernachlässigbare Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung anhand des Verhältnisses von Anfangsintensität zur modulierter Intensität bestimmt wird, mit Verfahrensschritten entsprechend der Funktionsweise des in einem der Ansprüche 1 bis 6 angegebenen Sensors (1).Method for measuring a sensor formed on an elongate device with a sensor according to claims 1 to 6 ( 1 ), in particular an elongated medical device, such as a catheter, engaging force (F), wherein: an initial intensity of a Lichtmeßgröße is predetermined, the Lichtmeßgröße is modulated in dependence on the force (F), the modulated light intensity is compared with the predetermined initial intensity, and a non-negligible longitudinal force component of the elongate device is determined from the ratio of initial intensity to modulated intensity, with method steps according to the operation of the sensor recited in any one of claims 1 to 6 ( 1 ).
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