DE19650992C2

DE19650992C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von mechanischen Eigenschaften elastischer Materialien

Info

Publication number: DE19650992C2
Application number: DE1996150992
Authority: DE
Inventors: Oliver Dipl Ing Machui; Uwe Dipl Ing Bluecher
Original assignee: MACHUI OLIVER DIPL ING FH
Current assignee: MACHUI OLIVER DIPL ING FH
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2016-11-27
Also published as: DE19650992A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von mechanischen Eigenschaften eines elastischen Materials, insbesondere von tierischem oder menschlichem Gewebe und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die quantitative Untersuchung der Eigenschaften von elasti schen Materialien (Kunststoff, Haut, Gewebe etc.) ist z. B. in der Werkstoffkunde und der Medizin von großer Bedeutung. Wichtig ist dabei, daß Meßwerte schnell in-situ und nichtin vasiv gewonnen werden können, und daß die Materialprüfung ohne Beschädigung des zu prüfenden Materials durchführbar ist. So sind aus dem Bereich der Medizin eine Reihe von Vor richtungen zur Untersuchung der Hautoberfläche bekannt.

Aus der DE 36 12 312 A1 ist eine Vorrichtung zur Untersu chung der Eigenschaften einer Oberfläche, insbesondere der Hautelastizität bekannt. Mit dieser Vorrichtung wird die Oberfläche durch einen Gasstrom deformiert und die dabei auftretende Deformationsgeschwindigkeit wird optisch oder mittels Ultraschall gemessen. Dabei wird eine Düse in einem vorgegebenen Abstand von der Haut positioniert. Die Haut wird durch die Düse angeblasen und die sich in Abhängigkeit von der Verformung der Haut einstellenden Reflexionseigen schaften sind ein Maß für die Elastizität der Haut. Die Meß werte werden an ein Auswertungssystem übertragen. Nachtei lig ist dabei die aufwendige Auswertung der Meßwerte und er hebliche Ungenauigkeiten durch die geringen Reflexionen an der deformierten Oberfläche.

In der DE 33 04 503 A1 wird ein Meßgerät zur Messung des Verformungsverhaltens der Haut beschrieben. Das Meßgerät weist ein Gehäuse auf, an das ein Über- oder Unterdruck anlegbar ist. Im Gehäuseboden, der auf der Haut aufliegt, befindet sich mindestens eine Öffnung. Wird Unterdruck an das Gehäuse angelegt, so wird die Haut unter dem Gehäuse zu einem Teil in die Öffnung hinein gesaugt. Die von einem im Gehäuse angeordneten Ultraschallsender ausgehenden Wellen werden von der eingesogenen Haut reflektiert, wobei ein Ultraschallempfänger das reflektierte Signal auswertet und somit ermittelt, wie weit die Haut in die Öffnung eingedrun gen ist. Anhand der Eindringtiefe können Rückschlüsse auf die Hautelastizität gezogen werden.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE 34 45 587 A1 bekannt, in der eine Vorrichtung zur Messung mechanischer Eigenschaften von lebender Haut beschrieben wird. Die Messung erfolgt durch die Verformung von Hautbereichen, auf die eine Öffnung der Vorrichtung ausgerichtet ist. Für eine Dickemessung wird der Hautbereich in die Öffnung eingesaugt. Anhand von Ultraschallreflexionen wird dann die Dicke der eingesaugten Haut bestimmt.

Bei den beiden Vorrichtungen, die Haut einsaugen, ist der aufwendige Aufbau der Vorrichtung und der dazugehörigen Meß vorrichtungen ein großer Nachteil. Zur Abdichtung des eingesaugten Hautbereiches muß außerdem jeweils ein gewis ser Druck vom Untersuchenden auf die Haut ausgeübt werden, was die Reproduzierbarkeit der Messungen sehr erschwert. Auch führt ein schiefes Ansetzen der Meßsonde zu einer Verfälschung der Meßergebnisse.

Aus der DE 38 32 690 C1 ist eine Vorrichtung zur Untersu chung der Eigenschaften der Haut bekannt, bei der eine Meßsonde vorgesehen ist, die die Hautoberfläche durch einen Meßsondenkanal mit einem Unter- bzw. Überdruck beaufschlagt, wobei im Bereich des Meßsondenkanals eine Lichtschranke angeordnet ist. Die Änderung der Lichtintensi tät dient als Maß für die Deformation der Hautoberfläche.

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Elastizität der Haut gemäß der EP 0 337 842 A1 wird die Haut ebenfalls angesaugt und es wird der Unterdruck bestimmt, der für eine vorbe stimmte Amplitude der angesaugten Haut erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah rens zu schaffen, mit denen eine einfach durchzuführende und gut reproduzierbare Messung von mechanischen Eigenschaf ten elastischer Materialien möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Eigen schaften elastischer Materialien, insbesondere von tieri schen oder menschlichen Geweben, auf einfache Weise gut reproduzierbar zu ermitteln.

Wesentlich für das Verfahren ist, daß eine hohle Meßsonde während der Annäherung an das Material einen Gasstrom auf das Material richtet, wobei durch eine kontinuierliche Überwachung des Druckes in der Meßsonde, der durch die Annäherung bewirkte Druckanstieg registriert wird. Wird ein bestimmter Druckanstieg erreicht, wird von "Anblasen" auf "Ansaugen" geschaltet.

Insbesondere erfolgt eine Messung nur dann, wenn das Anset zen der Meßsonde in einem definierten Winkel erfolgt. Meßfehler durch schiefes Aufsetzen werden vermieden. Auch scheidet der subjektive Ansetzdruck der Meßsonde auf das Material als Fehlerquelle aus. Die Sonde wird an das Materi al angenähert bis es das Material maximal ohne Druck be rührt. Auch hierdurch wird die Objektivität der Messung erhöht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Materialeigenschaften durch Geschwindigkeitsmessung durch Abschattung des aufsteigenden Gewebes oder mittels Reflexionsmessung mit elektromagnetischen Wellen und/oder Ultraschall gemessen. Mit diesen Wellenarten läßt sich eine breite Klasse von elastischen Materialien untersuchen, um Rückschlüsse auf ihre Eigenarten zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit besonderem Vorteil für die Bestimmung von tierischen oder menschlichen Gewebeeigenschaften, wie der Gewebeelasitzität einsetzen. Diese medizinisch wichtigen Parameter lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren schnell und quantitativ reprodu zierbar auf nichtinvasive Weise ermitteln.

Mit besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund konstruktiver Gestaltungsmöglichkeiten in Körper höhlen des Menschen anwendbar. Bei diesen Untersuchungen fehlt dem Untersuchenden teilweise die Sicht auf die Unter suchungsstelle, so daß durch die definierten Meßbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine hohe Meßsicherheit er reicht wird. Durch die besonders materialschonende Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen die Vorteile insbe sondere bei der Messung des zervikalen Tonuses zum Tragen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Strömungsum kehr der Gasströmung durch eine pneumatische, hydraulische und/oder elektronische Schaltung bewirkt. Diese Schaltungen arbeiten besonders schnell und zuverlässig, so daß die Meßbedingungen exakt eingehalten werden können.

Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 werden auf apparativ einfache Weise, schnel le und sicher reproduzierbare Meßergebnisse der Eigenschaf ten von elastischen Materialien ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind an der Meßsonde mindestens eine elektroma gnetische Strahlungsquelle, insbesondere eine Infrarot-Leuchtdiode und mindestens ein Sensor für die elektromagnetische Strahlung, insbesondere ein Infrarot-Fo totransistor bzw. eine Fotodiode zur Bestimmung von Materia leigenschaften angeordnet. Die Strahlungsquellen und Senso ren für dieses optische Verfahren lassen sich besonders klein ausführen, so daß eine Anordnung in oder an der Meßsonde problemlos möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Ultraschallsender und einen Ultraschallde tektor an der Meßsonde auf. Sowohl ein Ultraschallsender als auch ein Ultraschalldetektor lassen sich sehr kompakt ausführen, so daß sie in einfacher Weise in oder an der Meßsonde angeordnet werden können.

Mit Vorteil weist die Meßsonde der erfindungsgemäßen Vor richtung mindestens einen Sensor für die Verformung oder die Verformungsgeschwindigkeit des Materials auf. Insbeson dere in miniaturisierter Form lassen sich diese Sensoren einfach in oder an der erfindungsgemäßen Meßsonde anordnen.

Mit besonderem Vorteil ist am unteren Ende der Meßsonde ein Antastring angeordnet, in den mindestens eine Strahlungs quelle und mindestens ein Sensor integriert sind. Auf diese Weise lassen sich die wertvollen Meßeinrichtungen von einer an sich einfach aufgebauten Meßsonde trennen und leicht reinigen und sterilisieren.

Weiterhin ist vorteilhafterweise am unteren Ende der Meßsonde eine Schutzkappe angeordnet. Beim Berühren des Materials wird das Innere der Meßsonde so gegenüber der um gebenden Luft abgedichtet. Durch die Schutzkappe wird der Querschnitt, der mit dem zu untersuchenden Material in Kontakt steht, vergrößert, wodurch die Dichtwirkung erhöht wird.

Mit besonderem Vorteil ist die Meßsonde als länglicher Stab zur Messung von Gewebeeigenschaften in Körperhöhlen, insbe sondere an der Zervix oder Leber, ausgebildet. Da sich mit der erfindungsgemäßen Meßsonde besonders gewebeschonend arbeiten läßt, ist sie besonders für den Einsatz in Körper höhlen geeignet, in denen empfindliches Gewebe untersucht werden soll. Für diesen Zweck, und insbesondere für die Un tersuchung an zervikalem Gewebe, ist eine gerade, hohle Meßsonde besonders geeignet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine Druckpumpe zur Erzeugung eines Gasstroms in Richtung des zu prüfenden Materials und eine Vakuumpumpe zur Erzeugung eines entgegengesetzen Gasstromes auf. Durch diese beiden Pumpen können auf einfache Weise die Voraussetzungen für die Strömungsumkehr ("Anblasen"/ "Ansaugen") geschaffen werden.

Mit besonderem Vorteil weist die erfindungsgemäße Vorrich tung einen Unterdruckbehälter auf. Durch die ständige Bereithaltung eines Behälters unter Unterdruck ist es möglich, eine besonders schnelle Umschaltung der Strömungen zu erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Umschaltung der Gasströme durch eine pneumatische, hydraulische und/oder elektronische Schaltung gesteuert. Solche Schaltungen weisen eine hohe Zuverlässigkeit auf und lassen sich auch in kleinen Einheiten verwirklichen.

In vorteilhafter Weise ist die hohle Meßsonde über einen Schlauch für die Gasströmung an ein Gehäuse mit verschiede nen Aggregaten angeschlossen. Insbesondere ist es vorteil haft, wenn die Druckpumpe zur Förderung des Gasstroms, die Vakuumpumpe zur Erzeugung des Unterdruckes, der Unterdruck behälter, Manometer zur Druckmessung der Gasströme, ein Da tenverarbeitungssystem zur Auswertung der Meßdaten und ein Abscheidebehälter und ein Bakterienfilter in oder an dem Gehäuse integriert sind. Auf diese Weise wird eine kompakte und platzsparende Bauform erreicht. In einer besonders vor teilhaften Ausgestaltung ist das Gehäuse tragbar ausgebil det, so daß es für Materialprüfungen vor Ort mitgenommen werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung sind im Schlauch und/ oder in der Meßsonde Kabel zur Übertragung der Meßwerte an ein Auswertungssystem angeordnet. Durch die Führung der Kabel im Schlauch und/oder der Meßsonde werden die Kabel gut vor äußeren Einwirkungen geschützt und der Schlauch und die Meßsonde lassen sich auf diese Weise gut reinigen und sterilisieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist an den Schlauch ein Y-Stück angeschlossen, durch dessen einen Zweig die Gasströmung und durch dessen anderen Zweig die Kabel verlau fen. Durch das Y-Stück wird die Trennung der Gaszuleitung von der Meßdatenleitung ermöglicht, so daß beide Leitungen in einfacher Weise z. B. am Gehäuse anschließbar sind. Anstelle des Y-Stückes ist auch eine konzentrische Mehr weg-Verbindung möglich. Mit Vorteil ist die Meßsonde aus sterilisierbarem Material (z. B. Stahl) hergestellt, so daß diese leicht wiederverwend bar ist. In anderen Fällen ist es wirtschaftlich und hyg ienisch vorteilhaft, wenn die Meßsonde aus Einwegmaterial (z. B. Kunststoff) besteht.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsge mäßen Vorrichtung verfügt über ein Heizaggregat zur Anwär mung des Gasstroms und/oder der Meßsonde. Dieses ist im Gehäuse und/oder direkt an der Meßsonde angeordnet. Insbesondere bei medizinischen Anwendungen der erfindungsge mäßen Vorrichtung ist eine Temperierung der Apparaturen für den Patienten angenehm. Aber auch bei der Anwendung an unbelebten Materialien kann es notwendig sein, die Meßsonde und/oder den Gasstrom auf eine bestimmte Temperatur zu bringen, um die Meßergebnisse nicht zu verfälschen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften von Zervixge webe;

Fig. 2 ein Schaltbild für die Steuerung einer Gasströ mung in einer Meßsonde: "Anblasphase";

Fig. 3 ein Schaltbild für die Steuerung der Gasströ mung in der Meßsonde: "Saugphase";

Fig. 4 ein Schaltbild für die Steuerung der Gasströ mung in der Meßsonde: "Entlüftungsphase".

Fig. 5 eine Detailansicht der Meßsonde in einer typi schen Meßsituation;

Fig. 6a, b Schnittansichten von der Spitze der Meßsonde;

Fig. 7 Schematische Darstellung einer Messung mit einer Leuchtdiode und einem Fototransistor;

Fig. 8 Schematische Darstellung einer Messung mit einer Leuchtdiode und einem Fototransistor unter Einsatz von Prismen zur Umlenkung eines Lichtstrahls;

Fig. 9 Diagramm über die zeitliche Abhängigkeit einer gemessenen Einsaughöhe von Gewebe.

Als Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften elastischer Materialien wird hier eine Vor richtung zur Bestimmung der Elasitizität oder Härte des Zervixtonuses beschrieben. Die quantitative Bestimmung des Zervixtonuses ist insbesondere kurz vor der Geburt eines Kindes eine wichtige Größe zur Beurteilung des Zustandes der Schwangeren.

Dieses Beispiel soll das Prinzip der Erfindung darstellen, wobei offensichtlich ist, daß dieses Prinzip auch auf andere flexible Materialien (z. B. Silikone, Urethane, Haut, Fettgewebe, Lederhaut etc. ) anwendbar ist.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Komponenten einer Vorrich tung zur Bestimmung des Zervixtonuses dargestellt. Zuerst sollen die wesentlichen Komponenten beschrieben werden, deren Funktion anschließend im Zusammenhang mit den Fig. 2 bis 4 dargestellt wird.

Im wesentlichen besteht die Vorrichtung aus einer hohlen Meßsonde 1, die über einen Schlauch 2 (z. B. aus Silikon) mit einem Gehäuse 6 verbunden ist. In dem Schlauch 2 verlau fen Kabel 10 (siehe Fig. 6a, b), die Meßwertesignale von der Spitze der Meßsonde 1 zu einem Auswertungssystem im Ge häuse 6 übertragen. Dabei wird der Schlauch 2 über ein Y-Stück 3 verzweigt, so daß am Gehäuse 6 ein Eingang für einen Druckanschluß 8 und ein Kabelanschluß 7 für die Kabel 10 angeordnet ist.

Im Inneren des tragbaren Gehäuses 6 sind verschiedene Aggregate (siehe Fig. 2 bis 4), wie Meßelektronik, Netzge rät, Druckpumpe 15, Vakuumpumpe 16, Datenverarbeitungs sytem, Unterdruckbehälter 17 und ein Heizaggregat zur Beheizung des Luftstromes angeordnet.

Die Meßwerte werden von der Meßelektronik aufbereitet und an das Datenverarbeitungssystem weitergeleitet. Das Daten verarbeitungssystem speichert die Daten und über eine Schnittstelle 33 können die Meßwerte an externe Computer übertragen sowie das Datenverarbeitungssystem programmiert werden. Das Datenverarbeitungssystem übernimmt auch die Aufgabe, die Daten über einen Drucker 9 auszugeben.

Am Gehäuse 6 ist ein Abscheidebehälter 4 angeordnet, dessen Funktion im Zusammenhang mit der Beschreibung des Verfah rens erläutert wird (Fig. 2 bis 4). Des weiteren ist ein Schalter 5 zum Ein- oder Ausschalten der Pumpen am Gehäuse 6 angeordnet. Über einen Drehregler 23 läßt sich die Pum penleistung und damit der Volumenstrom der Luft steuern.

In anderen Ausführungsformen können die beschriebenen Aggregate ganz oder teilweise in einem stationären Gehäuse 6 angeordnet sein. Auch ist es denkbar, daß in dem Gehäuse 6 ein Bildschirm zur Anzeige von Meßergebnissen unterge bracht ist.

Anhand der Fig. 2 bis 4 wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der mechani schen Eigenschaften des zervikalen Tonuses erläutert.

Vor der Messung strömt ein Luftstrom durch die hohle Meßson de 1, der durch das steuerbare Heizaggregat auf Körpertempe ratur gebracht wird. Der Luftstrom wird dabei von der Druckpumpe 15 gefördert, wobei die Durchflußrate des Luft stroms je nach Einsatzgebiet einstellbar ist.

In anderen Ausführungsformen wird je nach der Art der zu überprüfenden Materialien ein anderer gasförmiger Stoff (z. B. reiner Stickstoff, Edelgase) verwendet. Durch Filter wird sichergestellt, daß der Luftstrom nicht durch Parti kel, Bakterien oder ähnliches verunreinigt ist.

Im Gehäuse 6 ist ein elektrisches Manometer 19 angeordnet, das den Druck im Gasstrom mißt und die Ergebnisse ständig an das Datenverarbeitungssystem im Gehäuse 6 weiterleitet.

Die Meßsonde 1 mit dem am unteren Ende austretenden Luft strom wird auf das hier nicht dargestellte, zervikale Gewebe gerichtet, wobei die Meßsonde 1 dem Gewebe langsam angenähert wird.

Ab einem bestimmten Abstand zum Gewebe oder einer leichten Berührung des Gewebes, staut sich der austretende Luftstrom vor dem Gewebe in die Meßsonde 1 zurück, was zu einer Erhö hung des Druckes im Inneren der Meßsonde 1 führt. Dieser Druckanstieg wird durch das Manometer 19 registriert. Mit einer zunehmenden Annäherung der Meßsonde 1 an das Gewebe steigt der Druck in der Meßsonde 1 an.

Ab einem vorbestimmbaren Druckwert wird eine schnelle Umschaltung des Luftstromes in Richtung des Gewebes zu einem Saugstrom vom Gewebe weg vorgenommen, so daß ein Teil des Gewebes in die hohle Meßsonde 1 eingesaugt wird. Durch die Messung des Einsaugweges in die Meßsonde 1 kann dann die Elastizität des Zervixgewebes bestimmt werden. Als Meßwert wird die Einsauggeschwindigkeit ausgegeben, die durch die im Gehäuse 6 vorhandene Datenverarbeitungsanlage durch Differentiation des Einsaugweges gewonnen wird. Denkbar wäre auch eine direkte Geschwindigkeitsmessung mit optischen Mitteln (Lichtschranke) oder mit Ultraschall (Dopplereffekt)

Einzelheiten zur Messung der Materialeigenschaften werden im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6a, b beschrieben.

Die Umschaltung der Luftströme erfolgt über zwei pneumati sche Magnetventile, die ebenfalls in das Gehäuse 6 inte griert sind; das Saugventil 20 (3/2 Wegeventil) und das Ent lüftungsventil 21 (2/2 Wegeventil).

Während der Annäherung an das Gewebe befindet sich das Saugventil 20 in der in Fig. 2 dargestellten Stellung. Die Druckpumpe 15 bläst Luft durch den Abscheidebehälter 4, den Schlauch 2 und die hohle Meßsonde 1 in Richtung des Gewe bes. Der Druck wird durch das Manometer 19 gemessen.

Nachdem der vorbestimmbare Druckwert für den Rückstau in der hohlen Meßsonde überschritten ist, schaltet das Saugven til 20 um, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Nunmehr tritt plötzlich eine Stömungsumkehr ein, so daß über den Abschei debehälter 4, den Schlauch 2 und die Meßsonde 1 ein Vakuum anliegt und das Gewebe teilweise in die Meßsonde 1 einge saugt wird.

Der vorbestimmbare Druckwert ist so gewählt, daß ein zu schiefes Aufsetzen der Meßsonde 1 erst gar nicht zu dem erforderlichen Druckanstieg in der Meßsonde 1 führt. Somit wird sichergestellt, daß die Stellung der Meßsonde 1 zum Gewebe immer innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches liegt, und somit immer reproduzierbare und benutzerunabhän gige Ergebnisse erhalten werden.

Das Vakuum zum Ansaugen wird durch die Vakuumpumpe 16 in dem Unterdruckbehälter 17 aufgebaut und gehalten. Der Unterdruck wird dabei vom elektrischen Manometer 18 über wacht. Dadurch daß der Unterdruck sofort in dem Unterdruck behälter 17 vorliegt und die Totvolumina der Vorrichtung klein sind, können sehr kurze Umschaltzeiten für die Strö mung realisiert werden. Die Aufgabe des Abscheidebehälters 4 ist es dabei, mitgerissene Tröpfchen, Partikel oder Bakterien aufzufangen, so daß diese nicht zur Vakuumpumpe 16 oder in den Unterdruckbehälter 17 gelangen. Da der Ab scheidebehälter 4 nach jeder Verwendung gereinigt werden muß, ist er sinnvollerweise an der Außenseite des Gehäuses 6 angeordnet (siehe Fig. 1).

Nachdem die Messung am eingesaugten Gewebe durchgeführt wurde, was bei Zervix-Gewebezwischen 4 und 100 ms dauern kann, wird das Entlüftungsventil 21 aktiviert, so daß die in Fig. 4 dargestellte Schaltung realisiert ist. Es findet ein Druckausgleich mit der Umgebung statt, so daß das in die Meßsonde 1 eingesogene Gewebe wieder aus der Meßsonde 1 austritt. In einer anderen Ausführungsform könnte auch wieder auf die Druckpumpe umgeschaltet werden, so daß das Gewebe oder ein anderes Material aus der hohlen Meßsonde gedrückt wird.

Somit besteht das Meßverfahren zur Bestimmung von mechani schen Eigenschaften elastischer Materialien aus den Vorgän gen Blasen und Annähern an das Material, Stömungsumkehr und Ansaugen des Materials, Messen am eingesaugten Material, Entlüften und Ablassen des Materials.

In Fig. 5 ist in schematischer Weise eine Detailansicht der Meßsonde 1 in einer typischen Meßsituation an Zervixgewebe 30 dargestellt.

Für die Untersuchung der Zervix weist die Meßsonde eine Länge von 250 mm, einen Innendurchmesser von 6 mm und einen Außendurchmesser von 8 mm auf. Prinzipiell ist jede Form für eine hohle Meßsonde 1 wählbar, so lange sie die Möglichkeit bietet, Gase zu fördern. Auch Meßsonden 1 in denen verschie dene Kanäle für verschiedene Funktionen eingebaut sind, sind denkbar. Auch kann die Meßsonde 1 in ein übliches Endoskop eingebaut sein.

Am unteren Ende der Meßsonde 1 ist eine ringförmige Schutz kappe 14 angeordnet, die sicherstellt, daß während des Ansaugens des Gewebes eine hinreichende Abdichtung gegen über der Umgebung gewährleistet ist.

Die Meßsonde 1 und die Schutzkappe 14 sind aus Kunststoff hergestellt, so daß sie als Einmalartikel hergestellt werden können. In anderen Ausführungsformen sind die Meßson den 1 aus temperaturbeständigem Kunststoff oder Metall hergestellt, so daß sie einfach sterilisierbar sind. Alle Kanten der Meßsonde 1 und der Schutzkappe 14 sind gut gerundet, so daß Verletzungen des Gewebes vermieden werden.

In Fig. 6a ist ein Schnitt durch die Meßsonde 1 darge stellt. Der Schlauch 2 ist über das obere Ende der Meßsonde 1 gestülpt. Der Schlauch 2 besteht aus Silikon, so daß bei den in der Medizin gebräuchlichen Drücken eine hinreichende Abdichtung gewährleistet ist. Bei Ausführungsformen für höhere Drücke könnte auch eine druckfeste Verbindung (z. B. Bajonettverschluß) zwischen Schlauch 2 und Meßsonde 1 gewählt werden.

Im Inneren des Schlauches 2 und der Meßsonde 1 verlaufen Kabel 10, die die Meßeinrichtungen am unteren Ende der Meßsonde 1 über den Kabelanschluß 7 mit dem Datenverarbei tungssystem im Gehäuse 6 verbinden. Dadurch, daß die Kabel 10 im Inneren des Schlauches 2 und der Meßsonde 1 angeord net sind, wird eine besonders kompakte Bauform der gesamten Vorrichtung erreicht. Da der lichte Querschnitt des Schlau ches 2 und der Meßsonde 1 durch die dünnen Kabel 10 nicht wesentlich verringert wird, werden auch die Strömungsver hältnisse nicht beeinträchtigt.

Am unteren Ende der Meßsonde 1 ist ein Antastring 13 ange ordnet, in dem eine Infrarot-LED 11 und gegenüberliegend ein Infrarot-Fototransistor/Fotodiode 12 oder/und in Verbindung mit Prismen integriert sind. Durch den Aufbau dieser Lichtschranke läßt sich die Verformungsgeschwindig keit des eingesaugten Gewebes messen, so daß quantitative Rückschlüsse auf die Gewebeelastizität möglich sind. Nach außen wird der Antastring 13 von der Schutzkappe 14 umge ben.

In anderen Ausführungsformen können entsprechend andere Meßeinrichtungen angeordnet sein. Auch die geometrischen Anordnungen können von der dargestellten Form abweichen.

In anderen Ausgestaltungen der Erfindung sind mehrere Sensoren angeordnet, die gleichzeitig verschiedene Messun gen (z. B. Temperatur und Verformungsgeschwindigkeit; Absorp tion bestimmter Wellen und Temperatur) an das Datenverarbei tungssystem übertragen.

In Fig. 6b ist die Spitze der Meßsonde 1 mit eingesaugtem Gewebe 30 dargestellt. Insbesondere ist die Zuführung der Kabel 10 zu der IR-LED 11 und dem IR-Fototransistor 12 dargestellt. Dazu sind im unteren Ende des Antastrings 13 schräge Bohrungen 22 angeordnet, durch die die Kabel 10 vom Inneren der Meßsonde 1 bis zu der IR-LED 11 und dem IR-Fo totransistor 12 geführt werden.

Bei den optischen Eigenschaften der IR-LED 11 und des IR-Fototransistors/Fotodiode 12 ist die Form der Kennlini en (Eindringtiefe/Spannung) für die Reproduzierbarkeit der Meßwerte von Bedeutung. Eine möglichst lineare Kennli nie ist deshalb erforderlich, damit auch balliges Gewebe 30, welches schon vor Beginn der Messung in dem Strahlen gang der Lichtschranke ragt, mit derselben Kennlinienstei gung wie bei ebenen Gewebe gemessen wird. Außerdem sollte die Kennlinie möglichst durch den Nullpunkt gehen, um auch harte Gewebe, welche nicht so tief eingesaugt werden kön nen, messen zu können.

Zur Erreichung einer linearen Kennlinie können z. B. die Kunststoffkörper der IR-LED 11 und des IR-Fototransistors/Fotodiode 12 einen geeigneten Schliff (z. B. fokussiert, gerade, konkav, konvex) erhalten. Auch ist es möglich die LED an einem Prisma aus Acrylglas oder Glas anzuordnen, das die Kennlinie um so mehr linearisiert, je länger das Prisma ausgebildet ist.

Auch ist es möglich, eine experimentell ermittelte, nichtli neare Kennlinie, mathematisch zu parametrisieren, so daß die Meßwerte durch ein geeignetes Programm im Auswertungssy stem entsprechend bearbeitet werden können.

In Fig. 7 ist in schematischer Weise die Meßanordnung an der Spitze der Meßsonde 1 dargestellt. Das Gewebe 30, das in die hier nicht dargestellte Meßsonde 1 mit einer Einsaug tiefe S eingesaugt ist, befindet sich teilweise in einem Lichtstrahl 34, der von der IR-LED 11 ausgesandt wird. Der Anteil des Lichtstrahls 34, der vom Gewebe 30 nicht abge schattet ist, wird vom IR-Fototransistor 12 empfangen und in eine Meßspannung U_Meß umgesetzt. Die Meßspannung U_Meß ist umgekehrt proportional zur Höhe des eingesaugten Gewebes 30.

In Fig. 8 ist eine andere konstruktive Gestaltung der Meßanordnung dargestellt. Der von der IR-LED 11 ausgesandte Lichtstrahl 34, der teilweise vom Gewebe 30 abgeschattet wird, wird dabei über Prismen 31, 32 umgelenkt.

Durch die Prismen 31, 32 wird eine Linearisierung der Kennlinien erreicht. Auch kann mit den Prismen 31, 32 die Einsaugtiefe des Gewebes 30 direkt von der unteren Kante der Meßsonde 1 gemessen werden, da der Lichtstrahl der IR-LED 11 entsprechend aufgeweitet wird. Eine Umlenkung des Lichtstrahls 34 über Prismen 31, 32 kann u. U. auch aus kon struktiven Gründen notwendig sein. Die Funktion der Meß anordnung an sich ist analog zu der Meßanordnung, die in Fig. 7 dargestellt ist.

In Fig. 9 ist ein Diagramm dargestellt, das mit der Meßson de 1 erhaltene Meßergebnisse zeigt. In dem Diagramm ist die Einsaughöhe S des Gewebes 30 über der Zeit (jeweils in willkürlichen Einheiten) aufgetragen.

Eine Kurve A stellt das Verhalten von weichem Gewebe 30 dar. Eine Kurve B stellt das Verhalten von hartem Gewebe 30 dar.

Der Anstieg der Einsaughöhe S ist in Kurve A wesentlich steiler als in Kurve B, da sich das weiche Gewebe 30 schneller in die Meßsonde 1 einsaugen läßt, als das harte Gewebe 30. Auch in der End-Einsaughöhe unterscheiden sich die Kurven A und B erheblich. Das Diagramm zeigt, daß das weiche Gewebe 30 sich ungefähr doppelt so weit in die Meßsonde einsaugen läßt wie das harte Gewebe 30.

Aus der zeitlichen Änderung der Einsaughöhe S (d. h. einer Ableitung der Kurven A oder B) und dem Absolutwert der Einsaughöhe S können Rückschlüsse auf die Gewebeelastizität gezogen werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von mechanischen Eigen schaften eines elastischen Materials, insbesondere von tierischem oder menschlichem Gewebe, bei dem

a) ein Gasstrom, insbesondere ein Luftstrom, durch eine hohle Meßsonde (1) auf das Material gerich tet wird,
b) der Gasdruck im Inneren der Meßsonde (1) gemes sen wird,
c) die Meßsonde (1) an das Material angenähert wird,
d) der mit der Annäherung an das Material ansteigen de Druck in der Meßsonde (1) registriert wird,
e) ab einem vorbestimmbaren Druckwert in der hohlen Meßsonde (1) ein Unterdruck erzeugt wird, so daß
f) das Material in die Meßsonde (1) gesaugt wird,
g) Eigenschaften des Materials durch eine Strah lungsquelle und einen Sensor (12), die beide in oder an der Meßsonde (1) angeordnet sind, gemes sen werden und
h) nach einer vorbestimmbaren Zeit in der Meßsonde (1) Normaldruck oder Überdruck angelegt wird, so daß das Material die Meßsonde (1) wieder ver läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Materialeigenschaften durch Durchstrahlung des Materials mit elektromagnetischen Wellen und/oder Ultraschall gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß Messungen der Verformung und/oder der Verformungsgeschwindigkeit des Materials zur Er mittlung der Materialeigenschaften verwendet wer den.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messun gen in Körperhohlräumen eines Menschen, insbesonde re an der Zervix oder der Leber vorgenommen werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehr der Gasströmung durch eine pneumatische, hydrauli sche und/oder elektronische Schaltung erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

a) einer hohlen Meßsonde (1) mit mindestens einer Strahlungsquelle (11) und einem Sensor (12) zur Bestimmung von Materialeigenschaften,
b) einer Vorrichtung (15, 16) zur Erzeugung einer Gasströmung in der Meßsonde (1),
c) einer Vorrichtung (18, 19) zur Messung des Gas druckes in der Meßsonde (1), und
d) einer Vorrichtung (20, 21) zur Umkehr der Gasströmung in der Meßsonde (1) in Abhängigkeit eines vorbestimmbaren Druckwertes in der Meßson de (1).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß an der Meßsonde (1) mindestens eine elek tromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere eine Infrarot-Leuchtdiode (11) und mindestens ein Sensor für die elektromagnetische Strahlung, insbesondere ein Infrarot-Fototransistor und eine Fotodiode (12) zur Bestimmung von Materialeigenschaften angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallsender und ein Ultraschalldetektor an der Meßsonde (1) an geordnet sind.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (1) mindestens einen Sensor (12) für die Verformung oder die Verformungsgeschwindigkeit des Materials aufweist.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Strahlungsquelle (11) und mindestens ein Sensor (12) in einem Antastring (13) integriert sind, der am unteren Ende der Meßsonde (1) angeordnet ist oder ein Lichtleiter zum Strahlungstransport zum Antastring (13) vorhanden ist.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der Meßsonde (1) eine Schutzkappe (14) zur Abdich tung des Inneren der Meßsonde (1) gegenüber der um gebenden Luft angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (1) als länglicher Stab zur Messung von Gewebeeigen schaften in Körperhöhlen, insbesondere an der Zervix oder Leber ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch eine Druckpumpe (15) zur Erzeugung eines Gasstroms in Richtung des zu prüfenden Materials und eine Vakuumpumpe (16) zur Erzeugung eines entgegengesetzen Gasstromes.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterdruck behälter (17) einen Vorrat für ein Vakuum aufweist.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 14, gekennzeichnet durch eine pneumatische, hydraulische und/oder elektronische Schaltung (20, 21) zur Steuerung der Umschaltung der Gasströ mung.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Meßsonde (1) über einen Schlauch (2) für die Gasströmung an ein Gehäuse (6) angeschlossen ist, daß die Druckpumpe (15) zur Förderung des Gasstroms, die Vakuumpumpe (16) zur Erzeugung des Unterdruckes, der Unterdruckbehälter (17), Manome ter (18, 19) zur Druckmessung des Gasstroms, ein Da tenverarbeitungssystem zur Auswertung der Messdaten und ein Abscheidebehälter (4) in oder an dem Gehäu se (6) integriert sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß das Gehäuse (6) tragbar ist.

18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Schlauch (2) und/oder in der Meßsonde (1) Kabel (10) zur Über tragung der Meßwerte an ein Auswertungssystem ange ordnet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß an den Schlauch (2) ein Y-Stück (3) oder ein Mehrweg-Koaxstecker angeschlossen ist, durch dessen einen Zweig die Gasströmung und durch dessen anderen Zweig die Kabel (10) verlaufen.

20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (1) aus sterilisierbarem Material hergestellt ist.

21. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (1) aus Einwegmaterial hergestellt werden kann.

22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse und/oder an der Meßsonde (1) ein Heizaggregat zur Anwärmung des Gasstroms und/oder der Meßsonde (1) vorgesehen ist.