DE19741747C1 - Faseroptisches Hydrophon - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein faseroptisches Hydrophon zur Messung von Druckamplituden in flüssigen Medien durch Be­ stimmung der Änderungen der Lichtreflexion an der Grenzfläche eines in das Medium eintauchenden Lichtleiterendes.

In der Lithotripsie werden Druckpulswellen mit Stoßwellen­ quellen erzeugt. Diese Pulse werden durch eine Ultraschallin­ se gebündelt und erzeugen in einem Wirkort, in einem Bereich von einigen mm³, intensive Stoß- oder Druckwellen zur Thera­ pie vor allem von Steinleiden (Urologie) und Schmerzleiden (Orthopädie). Zur Entwicklung von Druckpulssystemen und deren Funktionsüberwachung ist es nötig und wichtig, den Druckver­ lauf von der Quelle bis zum Fokus qualitativ und reproduzier­ bar zu messen. In der Medizin-Geräteverordnung ist dies aus­ drücklich vorgeschrieben.

Zur Messung derartiger Druckimpulse werden neben Membranhy­ drophonen und piezokeramischen Sensoren bevorzugt faseropti­ sche Hydrophone eingesetzt, bei denen ein Lichtleiterende in das flüssige Medium, in dem die Druckamplituden bestimmt wer­ den sollen, eintaucht. Eine über eine Weiche in den Lichtlei­ ter eingespeiste Lichtstrahlung wird am eingetauchten Stir­ nende reflektiert und nach Auskupplung über die Weiche gemes­ sen, wobei die Reflexion in Abhängigkeit von der Dichte des flüssigen Mediums an der Stirnfläche und damit in Abhängig­ keit von den dort herrschenden Druckamplituden erfolgt. Vor allem im Zugbereich kann durch Abreißen des Wasserfilms es zu einem Signalabriß kommen. Dadurch erhöhen sich zum einen die Meßzeiten und darüber hinaus wird die Glasfaserspitze im Lau­ fe einiger hundert Stoßwellen zerstört und muß neu präpariert werden.

In der DE 195 41 952 A1 und der DE 38 02 024 A1 sind faser­ optische Hydrophone beschrieben, bei denen jeweils die Stirn­ fläche des Lichtleiterendes nicht unmittelbar vom Druck be­ aufschlagt wird. Im Falle der DE 195 41 952 A1 ist nämlich an der Faserstirnfläche eine Beschichtung vorgesehen. Im Falle der DE 38 02 024 A1 befindet sich die Faserstirnfläche inner­ halb eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Ballons. Die Schicht im Falle der DE 195 41 952 A1 kann ferner als Fabry- Perot-Resonator wirken.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein faser­ optisches Hydrophon zu schaffen, das eine höhere Standzeit besitzt und gleichzeitig eine geringere Gefahr eines Signal­ abrisses aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem faseroptischen Hydrophon der eingangs genannten Art vorge­ sehen, daß zumindest die Stirnfläche der Glasfaser des Licht­ leiterendes durch Behandeln mit einer hydrophilen Lösung hydrophiliert ist, insbesondere in der Weise, daß das Ende der Glasfaser mit einem Aminosilan-Haftvermittler beschichtet ist.

Durch die Hydrophilisierung des Glasfaserendes läßt sich der Kontaktwinkel auf Werte unter 10° reduzieren - gegenüber Kon­ taktwinkeln von normalem Glas in der Größenordnung von 65° - was eine bessere Ankopplung der wäßrigen Phase an das Licht­ leiterende bewirkt und ein vorzeitiges Abreißen auch einer Zugwelle des Ultraschallimpulses verhindert.

Die erfindungsgemäß bevorzugte Verwendung eines Aminosilan- Haftvermittlers nutzt die hohe Hydrophilität primärer organi­ scher Aminogruppen, wobei besonders günstig noch hinzu kommt, daß derartige primäre organische Aminogruppen im Gegensatz zu Hydroxylgruppen eine Oberfläche dauerhaft hydrophilisieren können, wenn sie durch chemische Bindungen auf der Oberfläche fest verankert sind. Aminosilane, welche üblicherweise als Haftvermittler für Lacke auf Siliziumoberflächen verwendet werden, verfügen über reaktive Gruppen, mit denen sie sich mit SiOH-Gruppen auf Silizium, Glas oder Keramiken verankern können. Außerdem können sie aus wäßrig-alkoholischer Lösung durch einen einfachen, kostengünstigen Tauchvorgang in mono­ molekularen Schichten auf Gläser aufgebracht werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß das Glasfaserende wenigstens einmal in die Lösung getaucht und nach Abtropfen mit Heißluft getrocknet wird, um eine ge­ wünschte dünne Schicht des Aminosilan-Haftvermittlers zu er­ zielen.

Vorteilhafterweise läßt sich hier eine Lösung einsetzen, die aus 0,5 Gew.% eines Aminosilans, insbesondere N-(2-Ami­ noethyl)-3-aminopropyl-methyldimethoxysilans, 95 Gew.% Metha­ nol und 5 Gew.% Wasser besteht.

Diese Lösung läßt man nach der Zubereitung vorzugsweise etwas altern, ehe das Glasfaserende eines faseroptischen Hydrophons wie vorstehend beschrieben damit behandelt wird. Messungen des Kontaktwinkels einer ebenso behandelten Glasscheibe (aus dem gleichen Material wie die Glasfaser) ergeben sehr nied­ rige Werte zwischen 5 und 10°, die auch nach mehreren Tagen Lagerung der Folie an normaler Luft erhalten bleiben, unab­ hängig davon, ob die Luft trocken oder feucht ist. Selbst das Eintauchen in das flüssige Medium, z. B. in Wasser, führt nicht, oder jedenfalls erst sehr langsam, zu einer Aufhebung der Hydrophilisierung.

Claims (8)

1. Faseroptisches Hydrophon zur Messung von Druckamplituden in flüssigen Medien durch Bestimmung der Änderungen der Lichtreflexion an der Grenzfläche eines in das Medium eintau­ chenden Lichtleiterendes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest die Stirnfläche der Glasfa­ ser des Lichtleiterendes durch Behandeln mit einer hydrophi­ len Lösung hydrophiliert ist.

2. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Glasfaser mit einem Aminosilan-Haftvermittler beschichtet ist.

3. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Aminosilan-Haftvermittler eine alkoholisch/wässrige Lösung eines Aminosilans des Typs R1-NH-R2-Si(O-R3)(R4)(R5) ist, wo­ bei R1 = H, Alkyl, Aminoalkyl, Hydroxyalkyl, R2 = Alkyl, R3 = Alkyl; R4 und R5 = Alkyl, Alkoxy, cyclische Alkyl- oder Alkoxygruppe, insbesondere N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyl­ methyldimethoxy-silan, bedeuten.

4. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Hydrophons nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Glasfaserende wenigstens einmal in die hydrophile Lösung getaucht und nach dem Abtropfen mit Heißluft getrocknet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lösung aus 0,1-10 Gew.% eines Aminosilans und 1-10 Gew.% Wasser in einem Alkohol besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lösung aus 0,5% eines Aminosilans und 5 Gew.% Wasser in einem Alkohol besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lösung als Aminosilan N- (2-Aminoethyl)-3-aminopropyl-methyldimethoxysilans enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lösung als Alkohol Methanol, Ethanol oder Isopropynol ent­ hält.