DE2345270A1

DE2345270A1 - Druckfuehleinrichtung

Info

Publication number: DE2345270A1
Application number: DE19732345270
Authority: DE
Inventors: David Thomas Delpy
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1973-09-07
Publication date: 1974-03-21
Also published as: US3911902A; GB1440761A; DE7332605U; JPS4969177A; FR2199120A1; FR2199120B1; CA985062A

Description

DR. MÜLLER-BORE DIPL.-PHYS. DR. .YiAHITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL

DIPL.-ING. FINSTERWALD DIPL.-JNG. GRÄMKOW 2345270

PATENTANWÄLTE

München, den 7. September 1973 Hl/Sv - N 1137

NATIONAL· HESEAROH DEVELOPMENT COHPOHATION 66-74 Victoria Street, London SW1,England

Druckfühleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Druckfühleinrichtung mit einem Katheter, einem Miniatur-Druckwandler, der von dem Katheter angrenzend an ein Ende von diesem getragen wird, und einer Verbindungseinrichtung bzw. Übertragungseinrichtung, die von dem Katheter getragen wird und aufgrund deren der Betrieb des Wandlers an dem anderen Ende des Katheters gefühlt bzw· gemessen werden kann. Mit dem Begriff "Katheter" ist ein langgestrecktes Glied gemeint, das für ein Einsetzen in Längsrichtung in einen Kanal eines lebenden Körpers geeignet ist unabhängig davon, ob das Glied hohl ist oder nicht.

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Es ist vorgeschlagen worden, solche Druckfühleinrichtungen zu benutzen anstelle der herkömmlichen Praxis, Blutdruckmessungen, beispielsweise im Bereich des Herzens auszuführen, wobei ein mit einer salzhaltigen !flüssigkeit unter Druck gefülltes Katheter eingesetzt wird, das an dem äußeren Ende des Katheters mit einem Druckwandler, beispielsweise einem Widerstandsdehnungsmeßstreifen in Verbindung steht. Bei einer bekannten Ausführungsform einer Druckfühleinrichtung der obengenannten Gattung umfaßt der Druckwandler einen Silikon-Folien-Dehnungsmesser bzw. -Spannungsmesser. Während diese bekannte Ausführungsform im allgemeinen für Forschungszwecke sehr geeignet ist, ist sie für eine routinemäßige klinische Benutzung ungeeignet aufgrund der Empfindlichkeit des Wandlers bezüglich einer Beschädigung und aufgrund ihres relativ hohen Preises.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Druckfühleinrichtung der obengenannten Gattung, die wenig aufwendig ist und für eine häufige klinische Benutzung geeignet ist.

Erfindungsgemäß ist eine Druckfühleinrichtung der genannten Gattung vorgesehen, bei der der Wandler eine im wesentlichen starrwandige Kapillarrohre umfaßt, die an zumindest einem Ende offen ist und eine Flüssigkeitssäule, die sich entlang einem Teil der Länge der Röhre von dem einen Ende aus erstreckt, und eine Gassäule enthält, die sich entlang dem verbleibenden Teil der Länge der Eöhre erstreckt; ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Behälter steht mit der Flüssigkeitssäule an dem einen Ende der Röhre in "Verbindung, der eine Wand aufweist, von der zumindest ein Teil durch äußeren Druck verformbar ist, so daß eine Variation der Position der Gas-Flüssigkeits-Zwischenflache in der Röhre hervorgerufen wird; die Verbindungseinrichtung ermöglicht dabei das Fühlen der Position der Gas-Flüssigkeits-Zwischenflache.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung "beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:

Ji¹Xg. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckfühleinrichtung, "bei der eine Variation des Außendruckes eine Variation in dem Ansprechen auf ein elektrisches Signal hervorruft,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Druckfühleinrichtung, bei der eine Variation des Außendrucks eine Variation in dem Ansprechen auf ein optisches Signal hervorruft,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Druckfühleinrichtung, bei der eine Variation des Aüßendrucks eine Variation im Ansprechen auf ein UItrasch allsignal hervorruft, und

Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen bevorzugter Modifikationen des in Fig. 1 dargestellten Wandlers.

Nach Fig. 1 umfaßt eine erfindungsgemäße Einrichtung ein Katheter 1 in der Form eines Rohres aus einem geeigneten polymeren Material wie beispielsweise Polyäthylen, wobei das Rohr einen Außendurchmessar von näherungsweise 2,0 mm und eine Wandstärke von 0,5 mm aufweist. Ein Ende des Katheters 1 ist in das offene Ende 2 einer mit einem Dom bzw. einer Kuppel versehenen Kammer 3 aus Silikon-Kautschuk dicht eingesetzt, die etwa Ί0 mm lang ist und eine flexible Wand aufweist. Eine starre, dünnwandige, elektrisch leitende Röhre 4- erstreckt sich koaxial in der Bohrung des Katheters 1 und es ist eine Dichtung 5 zwischen der äußeren Oberfläche der Röhre und der inneren Oberfläche des Katheters 1 nahe deren entsprechenden Enden angeordnet. Die Röhre 4- ist ein Längenstück eines Rohrmaterials, wie es beispielsweise für hypodermatisehe bzw. unter die Haut gehende Nadeln benutzt wird, das typischerweise einen Außen-

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durchmesser von 0,6 um und eine Wandstärke von 0,15 imi aufweist. Ein Draht bzw. Leiter 6 mit einem Durchmesser von 0,1 mm erstreckt sich koaxial in der gesamten Länge der Bohrung der Röhre 4 und geht durch eine Dichtung 7 hindurch, die an dem von der Dichtung 5 abgelegenen Ende der Röhre 4 angeordnet ist. Der Leiter 6 und die innere Oberfläche der Röhre 4 bilden die Elektroden eines Kondensators, von dem ein Koaxialkabel 10 durch die Länge des Katheters 1 zu einem Koaxial-Verbindungsstück bzw. einer Koaxialkupplung 11 geführt ist für eine äußere Verbindung der Kapazitäts-Fühl-ibizeige-Einrichtung. Die Kammer 3 und der benachbarte Teil der Röhre 4 sind mit einer Flüssigkeit 8 mit sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise entionisiertem Wasser oder öl gefüllt und das verbleibende innere Volumen der Röhre 4 ist mit einer Luftsäule 9 gefüllt. Wenn Wasser als die dielektrische Flüssigkeit 8 benutzt wird, kann der Leiter 6 eine inerte isolierende Beschichtung bzw. einen solchen Überzug aufweisen. Als Alternativen zu dem Koaxialkabel 10 können Leiter auf der inneren Oberfläche ausgebildet oder in der Dicke der Wand des Katheters 1 geführt bzw. getragen sein.

Im Betrieb führt eine Deformation der flexiblen Wand der Kammer J aufgrund einer Änderung des Außendrucks zu einer Zunahme oder Abnahme des Volumens der in der Röhre 4 eingeschlossenen Luft und zu einer Änderung der Kapazität zwischen dem Leiter 6 und der Röhre 4 in Abhängigkeit von der Änderung der Position der Luft-iTüssigkeits-Zwischenfläche in der Röhre 4. Das Anfangsvolumen und der Druck der eingeschlossenen Luft müssen infolgedessen so gewählt sein, daß über den gesamten anzuzeigenden Bereich des Außendrucks die Luft-Iflüssigkeits-Zwischenflache in der Röhre 4 liegt.

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Als eine Alternative zu einer Betriebsweise gegen einen festen Innendruck kann ein Differentialdruck-Anzeigesystem vorgesehen werden, in dem das Luftvolumen in der Röhre 4 mit einer Druckquelle verbunden wird, die in einer gesteuerten Weise variiert werden kann.

Als eine Alternative zu der Benutzung einer getrennten Röhre kann die Innenwandung des Katheters 1 metallisiert sein, um so eine Elektrode des Fühl-Kondensators zu bilden. Die Wand des Katheters 1 ist genügend starr, um durch den äußeren Druck nicht nachteilig beeinflußt zu werden.

Eine Struktur ähnlich der oben beschriebenen kann als ein elektrischer Widerstandswandler angepaßt werden, wobei die Flüssigkeit 8 wenigstens leicht leitend gemacht und der Leiter 6 mit einer nicht-isolierenden Oberfläche vorgesehen und so angeordnet wird, daß eine führung mit der Innenwandung der Röhre 4 verhindert wird.

Nach Fig. 2 ist eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer 3 mit einem Katheter 1, wie es in Fig. 1 auch dargestellt ist, dicht verbunden, wobei die Flüssigkeitssäule 8¹ und die Luftsäule in der Bohrung des Katheters 1 vorgesehen sind. Die Luftsäule 9 endet an einem Stopfen 12, der die Bohrung des Katheters 1 abdichtet. Durch den Stopfen 12 gehen zwei Glas-Fasern oder andere optisch übertragende Fiber bzw. Fasern 13 und 14 hindurch, die ein kurzes Stück in die Luftsäule 9 vorstehen und sich von der atgegengesetzten Seite des Stopfens 12 durch die Bohrung zu dem Ende des Katheters 1 erstrecken, wo ein optischer Abschlußblook bzw. optischer Klemmenblock 15 angeordnet ist. Der Block 15 kann eine nicht gezeigte Lichtquelle für die Übertragung von Licht entlang der Faser 13 und einen nicht gezeigten Lichtfühler zur Feststellung von durch die Faser 14 übertragenem Licht aufnehmen. Die Fasern 13 und 14 sind so angeordnet, daß durch die Faser 14 nur Licht von der Faser 13 nach einer Reflektion an der Oberfläche der Flüssig-

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keitssäule 8¹ empfangen werden kann und dadurch dessen Intensität ein Maß für die Position der Flüssigkeitsoberflache ist.

Nach Fig. 3 sind die Flüssigkeitssäule 8' und die Luftsäule 9 in der Bohrung des Katheters 1 in der in Fig. 2 gezeigten Weise vorgesehen und endet die Luftsäule 9 an einem Dichtungsstopfen 16. Der Raum zwischen dem Stopfen 16 und dem abgelegenen Ende des Katheters 1 ist mit einem Material 17, beispielsweise einem Gel gefüllt, das genügend flexibel ist, um das Biegen des Katheters 1 nicht zu behindern, jedoch ein wirksames Übertragungsmedium für Ultraschallenergie darstellt.

Ultraschallenergie wird in den Übertragungspfad durch die Kopplung eines nicht gezeigten Wandlers an einen Block 18 eingeführt, der das von der Flüssigkeitssäule 8' abgelegene Ende des Katheters 1 abdichtet. Um den Übertragungspfad in die Flüssigkeitssäule 8' zu verlängern, erstreckt sich von dem Stopfen 16 aus ein Metallstift 19, der selbst ein wirksames Ultraschallübertragungsmedium darstellt, durch die Luftsäule 9 in die Kammer J» ohne die Seitenwände zu berühren.

Im Betrieb verläuft ein in den Block 18 gekoppelter Ultraschallimpuls durch das Gel 17 und in den Stift 19· Eine Reflektion tritt an irgendeiner Diskontinuität in dem Pfad des Impulses auf und wird bei dessen Rückkehr durch einen nicht gezeigten Empfangswandler festgestellt, der an den Block 18 gekoppelt ist. Eine solche Reflektion tritt an der durch den Punkt repräsentierten Diskontinuität auf, an dem der Stift 19 in die Flüssigkeitssäule 8' eintritt, wobei die Position der Flüssigkeitsoberfläche dann in Werten der Verzögerungszeit der Reflexion berechenbar ist.

Druckwandler des oben beschriebenen Typs können zumindest in dem Bereich der durch biomedizinische Untersuchungen bzw. Forschungen gegebenen Bedingungen mit einer annehmbaren bzw.

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wahrscheinlichen Genauigkeit von + 1 mm Hg arbeiten. Im Verlauf einer solchen Untersuchung kann sich der Bereich der angetroffenen Drücke von -20 "bis +200 mm Hg in "bezug auf den Atmosphärendruck erstrecken; die Fluktuationsrate bzw. Schwankungsgeschwindigkeit des Druckes ist derart, daß der Fühler auf Frequenzen im Bereich von 0 bis 50 Hz ansprechen muß. Das Frequenzansprechen bzw. der Frequenzbereich bzw. der Frequenzgang ist prinzipiell abhängig von den Biegungseigenschaften des verformbaren Doms bzw. der verformbaren Kuppel 3 und kann infolgedessen festgelegt werden durch die Auswahl eines Materials mit geeigneter Wandstärke und vom geeigneten Typ. Wenn das Material aus einer Lösung abgeschieden wird, kann die Wandstärke leicht gesteuert werden, indem eine Wachsform mit der gewünschten Kuppelgestalt beschichtet wird.

Die Viskosität der Flüssigkeit 8 trägt ebenfalls zu dem Frequenzgang bei und der Bereich der zur Verfügung stehenden Viskositäten bei Silikonölen ermöglicht üblicherweise eine Auswahl, die für irgendeine auszuführende Anwendung geeignet ist. Normalerweise ist eine niedrige Viskosität geeignet, um den höchstmöglichen Frequenzgang bzw. Frequenzbereich aufrechtzuerhalten.

Als eine Alternative zu dem nicht unterstützten flexiblen Dom bzw. Kuppelkörper 3, wie er in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, kann es erwünscht sein, eine flexible Membrane vorzusehen, die so angebracht ist, daß sie gegen Biegekräfte unempfindlich ist. Es sind in den Fig. 4 und 5 Modifikationen der in Fig. dargestellten Einrichtung gezeigt, die diese Alternative berücksichtigen. Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Einrichtungen können in ähnlicher Weise modifiziert werden.

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Nach S¹Ig. 4 ist die Röhre 4, anstatt an dem Ende des Katheters zu enden, durch einen starren Stopfen 20 abgedichtet bzw. dicht hindurchgeführt, der in das Ende des Katheters 1 dicht eingesetzt ist, wobei das Ende der Röhre 4 in ein starres Endstück 21 dicht eingesetzt ist. Ein ringförmiges Volumen zwischen dem Stopfen und dem Endstück 21 ist durch eine flexible Membran 22 eingeschlossen, die sowohl mit dem Stopfen 20 als auch mit dem Endstück 21 dicht verbunden ist. Das ringförmige Volumen ist mit der Flüssigkeit 8 gefüllt, die ebenfalls eine Säule 8' in dem Teil der Röhre 4 bildet, der in dem Endstück 21 endet. Ein Loch 23 in der Wand der Röhre 4, das nahe dem Endstück 21 gelegen ist, sieht eine Verbindung zwischen dem Ringvolumen und der Säule 8' vor. Der Stopfen 20 und das Endstück 21 bestehen vorteilhafterweise aus Nylon oder Polyvinylchlorid. Der Leiter 6 wird an jedem Ende der Röhre 4 starr gehalten und infolgedessen die Kapazität stabilisiert durch eine Dichtung 24 zusätzlich zu der in Fig. 1 gezeigten Dichtung 7·

Wasser ist für eine Benutzung als die Flüssigkeit 8 geeignet, wenn es entionieiert und frei von Luft ist, und die Membran kann dann eine Lage allein aus Silikon-Kautschuk sein. Wenn die Flüssigkeit 8 öl ist, ist die Silikon-Kautschuk-Membran 22 in einem gewissen Umfange durchlässig und vorteilhafterweise wird eine äußere Lage aus undurchlässigem Polyvinylchlorid auf die Membran 22 aufgebracht. In Verbindung mit einem Stopfen 20 und einem Endstück 21 aus dem gleichen Material dichtet, dann eine Lage aus Polyvinylchlorid die Katheterspitze vollständig ab.

Beim Zusammenbau des Wandlers ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß die Bildung von Luftblasen in der Vorratsflüssig-

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keit 8 w* vermieden^ beispielsweise indem die folgende Prozedur ausgeführt wird. Die aus dem Stopfen 20, dem Endstück 21 und der Membran 22 bestehende Unteranordnung wird bis zum Überfließen mit Flüssigkeit gefüllt und die aus der Röhre 4 und dem Leiter 6 bestehende Unteranordnung, die durch die Dichtungen

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und 24 zusammengehalten wird, wird dann durch den Stopfen 20 hindurchgedrückt, bis sie in dem Endstück 21 lokalisiert ist. Der kleine Ringspalt zwischen der Röhre 4 und dem Stopfen 20 wird dann dicht verschlossen.

Nach Fig. 5 ist die Röhre 4 in einen starren Stopfen25 dicht eingesetzt, der in das Ende des Katheters 1 dicht eingesetzt ist. Das von dem Katheter 1 abgelegene Ende des Stopfens 25 ist so vorgesehen, daß es einen Hohlraum 26 bildet, der in die Röhre 4 führt, wobei das offene Ende des Hohlraums 26 durch eine flexible Membran 27 abgedichtet und die Membran 27 an dem Stopfen 25 durch einen Rückhaltering 28 befestigt ist. Der Hohlraum 26 und der anschließende Abschnitt der Röhre 4 sind mit öl gefüllt. Bei einer alternativen Konstruktion kann auf den Haltering 28 verzichtet werden, bei der eine Membran aus Nylon benutzt wird, die an den Stopfen 25» der in diesem Falle ebenfalls aus Nylon besteht, angeschweißt ist. Da die Membran 27 aus Folienmaterial gebildet wird, besteht eine größere Auswahl an Materialien, als sie für die Membran 22 der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform zur Verfügung stehen. Von den in den Fig. 4 und 5 dargestellten Einrichtungen ist die in Fig. 4 gezeigte Seitenwand-Halterung bei einer chirurgischen Benutzung gegenüber der in Fig. 5 dargestellten Stirnhalterung bevorzugt, da sie unerwünschte bzw. störende Druckanzeigen in Situationen weniger leicht verursacht, bei denen die Katheterspitze gegen eine Arterienwandung gedrückt wird oder eine Hochgeschwindigkeits-Blutströmung antrifft. Bei beiden Einrichtungen ist eine Membrandicke in dem Bereich von 0,025 mm bis 0,075 mm (0.001"-0.003") typisch, obgleich in Abhängigkeit von den erforderlichen Eigenschaften andere Wandstärken bzw. Dicken benutzt werden können und eine ähnliche Empfindlichkeit und Ansprechlinearität bzw. Linearität des Frequenzganges bis zu 200 mm Hg erreichbar ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Druckfüllleinrichtung mit einem Katheter, einem Miniatur-Druckwandler, der von dem Katheter an einem Ende von diesem getragen wird, und einer von dem Katheter getragenen Verbindungseinrichtung, aufgrund deren die Tätigkeit des Wandlers an dem anderen Ende des Katheters fühlbar bzw. messbar ist, dadurch gekennz eichnet, daß der Wandler eine im wesentlichen starrwandige Kapillarrohre (1) umfaßt, die an zumindest einem Ende offen ist, daß die Röhre (1) eine Flüssigkeitssäule (8¹), die sich entlang einem Teil ihrer Länge von dem einen Ende aus erstreckt, und eine Gassäule (9) enthält, die sich entlang dem verbleibenden Teil der Länge der Röhre (1) erstreckt, daß ein mit Flüssigkeit (8) gefüllter Behälter (3) mit der Flüssigkeitssäule (8¹) an dem einen Ende der Röhre (1) in Verbindung steht, daß der Behälter (3) eine Wand aufweist, von der zumindest ein Teil durch äußeren Druck verformbar ist, so daß eine Variation der Position der Gas-Flüssigkeits-Zwischenflache in der Röhre (1) hervorrufbar ist, und daß durch die Verbindungseinrichtung (4·,6;13,14-;16-19;22;2?) die Position der Gas-Flüssigkeits-Zwischenflache fühlbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Flüssigkeit (8) ein Dielektrikum ist, daß die Verbindungseinrichtung ein Paar von mit Abstand voneinander angeordneten Elektroden (4,6) umfaßt, daß die Kapazität zwischen den Elektroden von der Position der Gas-Flüssigkeits-Zwischenfläche abhängig ini, und daß ein Paar von Leitungsdrähten vorgesehen ist, die mit der jeweils zugeordneten Elektrode verbunden sind und sich zu dem anderen Ende des Katheters erstrecken.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (8) ein Leiter ist, daß die Verbindungseinrichtung ein Paar von mit Abstand voneinander angeordneten Elektroden (4,6) umfaßt, daß der Widerstand zwischen -den Elektroden abhängig von der Position der Gas-Flüssigkeits-Zwischenfläche ist und daß ein Paar von Leitungsdrähten vorgesehen ist, die mit der jeweils zugeordneten Elektrode verbunden sind und sich zu dem anderen Ende des Katheters erstrecken.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die mit Abstand voneinander angeordneten Elektroden (4,6) koaxial angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung ein Paar von optisch leitenden Fasern (13,14) umfaßt, die sich entlang der Länge des Katheters erstrecken, und daß die Fasern (13,14) so angeordnet sind, daß entlang einer Faser von dem anderen Ende des Katheters geführtes Licht auf die Zwischenfläche fällt und von der Zwischenfläche reflektiertes Licht entlang der Faser zu dem anderen Ende des Katheters geführt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung einen ultraschallleitenden Fühler 09) umfaßt, der sich axial entlang einem Teil der Länge des Katheters erstreckt und teilweise in die Flüssigkeit (8_t 8¹) eingetaucht ist, und daß sich ein ultraschalleitendes Medium (17) von dem Fühler (19) zu dem anderen Ende (18) des Katheters erstreckt.

7· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g ekennz eichnet, daß sich der verformbare Wandabschnitt (3;22) im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Katheters (1) erstreckt.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der verformbare Wandabschnitt in der Form eines rohrförmigen Gliedes vorgesehen ist, das an einem Ende durch ein starres Dichtungsglied (21) verschlossen und an dem anderen Ende mit dem einen Ende des Katheters dicht verbunden ist.

9. Einrichtung' nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e kennz eichnet, daß sich der verformbare Wandabschnitt (27) im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse des Katheters erstreckt und einen Oberflächenbereich aufweist, der wesentlich größer als der Querschnittsflächenbereich der Kapillarröhre (1) ist.

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