DE2709984C3 - Druckaufnehmer zum Messen der Wanddrücke menschlicher oder tierischer Körperhohlräume - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckaiifnchmcr /um Messen der Wanddrückc menschlicher oder tierischer Körperhohlräume mit einem Tragkörper und wenigstens einem mit der zu untersuchenden Wand in Berührung zu bringenden, gegenüber dem Tragkörper elastisch befestigten Tastelement In diesem Zusammen hang sollen unter Körperhohlräumen alle schlaucharti gen Organe des menschlichen oder tierischen Körpers verstanden werden, also Röhren, Därme, Blutgefäße u. dgl.

Die Messung der Wanddrücke von Körperhohlräu-

to men, kurz intraluminarer Drücke, gibt wichtige Aufschlüsse über Zustand und Funktion solcher Hohlräume. In der physiologischen Forschung und medizinischen Diagnose wird der intraluminaren Druckmessung eine bedeutsame Rolle zukommen, sobald Druckaufnehmer zur Verfügung stehen, die die gestellten medizinischen t-nd meßtechnischen Forderungen voll erfüllen. Dies gilt insbesondere für Messungen im Verdauungstrakt Bisher wird dort intraluminare Druckmessung vorwiegend mit Hilfe der Perfusionsmanometrie durchgeführt Das geschieht, indem ein oder mehrere Katheter, die am vorderen Ende eine oder mehrere öffnungen aufweisen, in den zu untersuchenden Hohlraum, z. B. den ösophagus, eingeführt werden. In das externe Ende des Katheters wird Wasser eingeleitet, das den Katheter mit einer bestimmten Geschwindigkeit durchströmt und durch die genannten öffnungen verläßt Im Inneren des Katheters stellt sich in Abhängigkeit vom intraluminaren Druck am Ort der öffnungen ein bestimmter Staudruck ein, der mit Hilfe eines ebenfalls am externen Ende des Katheters angebrachten Manometers gemessen und als Maß für den intraluminaren Druck genommen werden kann.

Über den Zustand eines längeren Bereichs erhält man Aufschluß, indem man entweder einen Katheter durch den Hohlraum hindurchzieht und die sich einstellenden inlraluminaren Drücke in Abhängigkeit von der Zeit registriert oder indem man den intraluminaren Druck an mehreren charakteristischen Punkten ortsfest überwacht, während eine Druckänderung den Hohlraum durchläuft.

Obwohl mit ihrer Hilfe aufschlußreiche Messungen durchgeführt und wesentliche physiologische Erkenntnisse gewonnen werden konnten, ist es der Perfusionsmanometrie nicht gelungen, sich auf breiter Basis durchzusetzen. Schuld hieran sind in erster Linie der große Zeitaufwand für die Durchführung der Messung und die hohen Kosten der notwendigen Einrichtung. Darüber hinaus stehen einige andere Nachteile der weiteren Verbreitung der Perfusionsmanometrie im

■jo Wege. Die Ansprechzeit des Meßsystems ist für die Wiedergabe schneller Vorgänge, z. B. des Schluckvorganges im Ösophagus zu groß. Sie kann nur verringert werden durch Vergrößerung der Perfusionsgeschwindigkeit des Wassers. Eine Vergrößerung der austreten- den Wassermenge kann jedoch zu einer störenden Rückwirkung auf den zu untersuchenden Patienten führen. Weiter ist die horizontale Lage des Katheters und damit zumeist die Rückenlage des Patienten erforderlich. Höchst unerwünscht ist auch die Abhän gigkeit der Meßergebnisse von verschiedenen Parame tern: der Perfusionsgeschwindigkeit, der Durchzugsgeschwindigkeit des Katheters bei axial bewegtem Katheter, der Dimensionierung der Öffnungen des Katheters. Die Konstanz dieser Parameter bildet mithin

h5 eine Voraussetzung für brauchbare Meßergebnissc. Die Konstanthaltung insbesondere der Durchzugsgcschwindigkeit des Katheters bedeutet jedoch eine zusätzliche wesentliche Erweiterung des erforderlichen Aufwandes.

Ein bedeutsamer Nachteil ist schließlich noch die mangelnde Linearität der Messung.

Aus CH-PS 4 89 236 ist eine Einrichtung zur Messung des Druckes im ösophagus bekannt, der jedoch ebenfalls schwerwiegende Mangel anhaften. Die Einrichtung besteht aus einem mehrere Segmente aufweisenden, in den ösophagus einführbaren flexiblen Schlauch, aus zwischen den Segmenten angeordneten Druckwandlerhaltern und in die letzteren eingebauten elektromechanischen Druckwandlern. Der Druckwandler besitzt vier biegeempfindliche Halbleiter, die auf eine dünne Membran aufgeklebt sind und die elektrisch zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet sind. Die Membran ist an der Vorderseite eines tellerförmigen Körpers angebracht, der seinerseits mit elastischen Mitteln, einem federnden Klebemittel und einem ebensolchen Ring in einer Ausnehmung des Druckwandlerhalters befestigt ist.

Die benutzten Halbleiter weisen eine sehr hohe und stark streuende Temperaturabhängigkeit ihres elektrischen Widerstandswertes auf. Obwohl alle vier zur Brücke geschalteten Halbleiter sich im gleichen Temperaturfeld befinden, muß für jeden smzelnen Wandler in einem aufwendigen Temperaturversuch ein Kompensationswiderstand ermittelt werden, der die Temperaturabhängigkeit der Meßbrückenschaltung auf ein erträgliches Maß herabsetzt Ein weiterer Nachteil der Einrichtung besteht darin, daß zum Befestigen des Wandlerkörpers im Wandlerhalter ein federndes Klebemittel und ein federnder Ring verwendet werden. Ein undefinierbarer Teil des zu messenden Druckes wird zur Bewegung des Wandlerkörpers aufgewandt und bleibt daher ohne Einfluß auf die eigentlichen Meßorgane.

In der elektromechanischen Meßtechnik ist aus GB-PS 11 79 973 ein induktiver Druckwandler bekannt, bei dem ein ferromagnetischer Kern sich zwischen zwei zum Kern koaxialen zylindrischen Spulen befindet und mechanisch mit zwei Druckmembranen verbunden isL Verschiebungen des Kernes, die auf Druckänderungen an den Membranen zurückgehen, bewirken eine Änderung des Induktivitätsverhältnisses der beiden Spulen, die in einer Meßbrücke erfaßt werden kann.

Der Erfindung liegt daher als Aufgabe zugrunde, einen Druckaufnehmer zu schaffen, der trotz der für den vorgesehenen Einsatz erforderlichen Kleinheit linear und unabhäügig von seiner Lage und ΐ Ortbewegungsgeschwindigkeit mißt, hohe Empfindlichkeit und geringe Ansprechzeit aufweist, gut verträglich für den Probanden ist und mit einem vernünftigen Aufwand hergestellt werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer weist gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe wesentlicher Vorteile auf. Dadurch, daß das Tastelement des Druckaufnehmers mit der Wand des zu untersuchenden Körperhohlraums direkt in Berührung gebracht wird, ist ein besonderes Ankoppelmedium nicht mehr erforderlich. Durch den Wegfall des Ankoppelmediums ergeben sich sehr kleine Ansprechzeiten, die den höchsten Anforderungen des vorliegenden Einsatzgebietes geniigen. Die Linearität des Druckaufnehmers erstreckt sich über den ganzen Bereich der interessierenden intraluminnren Drücke. Lage und Fortbewegung des Druckaufnehmers üben keinen Einfluß auf das Meßergebnis aus. Aufgrund der hohen möglichen Empfindlichkeit bei der Messung von Induktivität änderungen werden nur sehr kleine Auslenkungen des Tastelementes erforderlich. Das wiederum führt zur mechanischen Robustheit und Stabilität des Druckaufnehmers, dessen einfacher Aufbau nur einen relativ geringen Herstellungsaufwand erfordert Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe einiger Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 und 2 einen Druckaufnehmer,
F i g. 3 eine Meßschaltung
F i g. 4 bis 6 Diagramme.

Die F i g. 1 und 2 stellen in Längs- und Querschnitt einen Druckaufnehmer 1 dar, in dem die Lehre der Erfindung angewendet wird und der vorwiegend im Verdauungstrakt, dort insbesondere im ösophagealen Bereich, zum Einsatz kommt Das tragende Konstruktionsteil des Druckaufnehmers 1 ist eins Sondenkörper 2 mit einer kegelförmigen Führungsspitze 3, einer Bohrung 4 für das Anschlußkabel 5 sowie einer Öffnung 6 zur Aufnahme einer Meßeinheit 7, di' die eigentlichen Meßelemente des Druckaufnehrnert * beinhaltet. Hierzu gehören im wesentlichen eine Meßspule 8, ein die Meßspule 8 aufnehmender ferritischer Schalenkern 9, eine Ferritplatte 10, zwei Membranen U und 12 sowie zwei backenförmige Fühler 13 und 14. Die beiden rechteckigen Membranen U, 12 sind in geeigneter Weise an zwei Vorsprüngen 15 des Sondenkörpers 2 befestigt. Alternativ hierzu können auch zwei kreisför-

jo mige Membranen vorgesehen werden, die an ihrem Rand aufliegen. In diesem Fall wird die öffnung 6 zweckmäßigerweise als Bohrung ausgeführt. Schalenkern 9 ist durch einen Bolzen 16 mit der Membrane 11, diese über eine Distanzscheibe 17 mit Fühler 13

is verbunden. In gleicher Weise ist Ferritscheibe 10 durch einen Bolzen 18 mit der Membrane 12, diese über eine Distanzscheibe 19 mit Fühler 14 verbunden. Zwischen der offenen Seite des Schalenkernes 9 und der Ferritplatte 10 besteht ein Abstand s, der durch Auslenken der beiden Fühler 13, 14 verändert werden kann. Dabei werden die Membranen 11, 12 federnd dun. hgebogen. Über Anschlußdrähte 20 ist die Spule 8 an das Kabel 5 angeschlossen. Die Außenfläche des Druckaufnehmers 1 ist umgeben von einer dünnen Hülle 21, an deren Werkstoff eine Reihe von Forderungen zu stellen sind, nämlich: physiologische Neutralität, eine so hohe Elastizität, daß das Druckaufnehmersystem durch keine Vorspannung gestört wird, gute Langzeitstabilität der elastischen Eigenschaften. Als diese Forderungen bestens erfüllender Werkstoff wurde ein ausvulkanisierter, additionsvernetzender Zweikomponenten-Siliconkautschuk gefunden. Die Hülle 21 umschließt den Druckaufnehmer 1 von der Führungsspitze 3 bis zur Herausführung des Kabels 5 aus der Bohrung 4, wo das

v> eng am Mantel des Kabels 5 anliegende Ende der Hülle 21 seinerseits von einem flexiblen Katheterrohr 22 umfangen wird. Durch eine Klebestelle 23 sind Hülle 21 und Katheterrohr 22 fugenlos und abdichtend mit einander verbunden. Das Katheterrohr 22 hat die

w) doppelte Aufgabe, sowohl der Einführung des Druckaufnehmers 1 zu dienen, als auch das Anschlußkabel 5 nach außen zu leiten.

Die Induktivität des Druckaufnehmers I \ann in einer Meßschaltung gemäß F i g. 3 gemessen und ausgewertet

H5 werden. Ein Generator 31 speist über einen Übertrager 32 eine Scheinwidetstandsn-.eUbrücke 3}, die aus den .Sekundärwicklungen des Übcririigcrs 32, einen einstellbaren Widerstand 34 und der Serienschaltnrm ein. r

einstellbaren Kapazität 35 nut der Induktivität des Druckaufnehmers 1 besteht. War zuvor die Meßbrücke

33 abgeglichen worden, indem man mit der Kapazität 35 Resonanz der Serienschaltung und mit dem Widerstand

34 einen Ausgleich für den Verlustwiderstand der .Serienschaltung eingestellt hatte, so ergibt jede Änderung der Induktivität des Druckaufnehmers eine dieser Änderung proportionale Brückenspannung am Ausgang 36 der Meßbrücke 33. Die Brückenspannung wird im Verstärker 37 verstärkt, im Gleichrichter 38 gleichgerichtet und von Meßinstrument 39 bzw. Schreiber 40 angezeigt. Obwohl grundsätzlich jeder Meßgleichrichter benutzt werden kann, ist im vorliegenden Fall ein phasenselektiver Gleichrichter 38 vorgesehen, dessen Steuereingang über Leitung 40 vom Generator 31 gespeist wird. Der phasenselektive Gleichrichter 38 ermöglicht es, unerwünschte Meßspannungen zu unterdrücken, sofern diese eine andere Phasenlage aufweisen, als die von einer Induktivitätsänderung herrührende McßsparmüMg. t\ü\ icmpcräiurücdingte Änderungen des Kupferwiderstandes des Spule 8 zurückzuführende Störeffekte werden auf diese Weise ausgeschaltet.

Um mit dem oben beschriebenen Druckaufnehmer 1 zu Meßergebnissen zu kommen, die mit nach anderen Verfahren gemessenen Ergebnissen verglichen werden können, muß zunächst eine Eichvorrichtung benützt werden. Eine solche kann in einer Druckkammer mit angeschlossenem Manometer und angeschlossener Druckpumpe bestehen. Ein für die Aufnahme des zu eichenden Druckaufnehmers 1 vorgesehener, sehr dünner Kunststoffschlauch ragt von außen her in die Druckkammer hinein. Wird die Druckkammer unter Druck gesetzt, so legt sich der Kunststoffschlauch eng an den Dmckaufnehmer 1 an und überträgt den am Manometer ablesbaren Innendruck der Druckkammer auf den Druckaufnehmer. Dieser läßt sich so ohne weiteres in z. B. mm Hg eichen.

Im folgenden soll nun die Arbeitsweise des Druckaufnehmers 1 beschrieben werden. Bewegt man die beiden Fühler 13 und 14 nach innen, indem man den Druckaufnehmer I in einer Eichvorrichtung oder in einem zu untersuchenden Körperhohlraum einem intraiuminaren Dn.jck müsset/t ^o yprrinrrprt qjrh Her \bstand 5 zwischen Schalenkern 9 und Ferritscheibe 10.

Die Induktivität /. des Driickaufnehmers 1 ändert si< dabei gemäß der Kurve 41 in I- i g. 4. Der Wert l.\ so dabei der Ruhelage des Druckaufnehmers I entspri chen, bei der die Auslenkung AS — 0 ist, während de

-, Wert Li der maximal vorgesehenen Auslenkung Δ entsprechen soll. Das zwischen den Weiten /.ι und / liegende Kurvenstück 42 kommt in manchen (-"allen de angestrebten Linearität hinreichend nahe. In diese Fällen kann man für die noch erforderliche Kraft-Weg

ίο Umformung ein beliebiges linear wirkendes Federele ment einsetzen. Im vorliegenden Beispiel sollen jedoc an die Linearität der Druckmessung höhere Anfordt rungen gestellt werden. Man kommt diesen Anforde rungen nach, indem man Federelemente benutzt, dere Kennlinie der Kurve 43 von F i g. 5 entspricht, bei dene also die Kraft K bei wachsender Auslenkung /h?stärke als linear ansteigt. Ein umgekehrtes Verhalten, also ei Verhalten gemäß Kurve 44, ist von Tellerfeder bekannt. Werden Tellerfedern jedoch, entgegen ihre

^O LFUJtIIIIIIIUIIg. Ill IVH-IIlUIIg (till T Cl £1 UUCI UMg MIIC Wölbung beansprucht, so ergibt sich eine Kennlini gemäß Kurve 43. Ein entsprechendes Verhalten zeige auch die im vorliegenden Beispiel benutzten Membran federn 11 und 12. Krümmung und Steilheit der Kennlini

I=, können dabei in gewissem Umfang durch die Art un Weise der Einspannung der Membranfedern 11 und I beeinflußt werden. So wird es möglich, innerhalb de klinisch interessierenden Bereichs intraluminarer Drük ke zu eh :r absolut linearen Anzeige A in Abhängigke

ίο vom der Anzeige zugrunde liegenden Druck ζ gelangen, wie dies in F i g. 6 dargestellt ist.

Beim Einsatz des als Anwendungsbeispiel beschriebe nen Druckaufnehmers 1 zeigte es sich als vo ausreichend, daß die eigentliche Kraftmessung in nu einer diametralen Ausrichtung erfolgt. Durch di backenförmige Ausbildung der Fühler 13 und 14. dere jeder einen wesentlichen Teil des halben Umfanges de Druckaufnehmers 1 umfaßt, gelang in vorteilhafte Weise die Bildung eines örtlichen Mittelwertes. A

•to günstig hat sich auch erwiesen, daß der intraluminar Druck an zwei Fühlern 13 und 14 in entgegengesetzte Richtungen angreifen kann. Bei einem angelegte Druckanstieg von 0 bis 100 mm Hg wurde an einen Oszillograph eine Ansprechzeit des Druck aufnehmer von ca. 1 msec, ermittelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Druckaufnehmer zum Messen der Wanddrücke menschlicher oder tierischer Körperhohlräume mit einem Tragkörper und wenigstens einem mit der zu untersuchenden Wand in Berührung zu bringenden, gegenüber dem Tragkörper elastisch befestigten Tastelement, gekennzeichnet durch eine Induktionsspule (8), zwei im magnetischen Kraftlinienfluß der Induktionsspule (8) gelegene, relativ zu einander verlagerbare ferromagnetische Kerne (9, 10), deren Verlagerung eine Änderung der Induktivität der Induktionsspule (8) verursacht, und wenigstens einem am Tragkörper (2) befestigten Federelement (U, 12), wobei wenigstens ein Federelement (11,12) mit einem Tastelement (13,14) und mit einem der beiden Kerne (9, 10) kraftschlüssig in Verbindung steht

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (11,12) eine nichtlineare Kennlinie aufweist, deren Verlauf die Krümmung der Kennlinie der Induktivität ganz oder teilweise aufhebt.

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (U, 12) als Membrane ausgebildet ist, die wenigstens an zwei Randzonen aufliegt, während die kraftschlüssige Verbindung zum Tastelement (13,14) zwischen den beiden Randzonen erfolgt

4. Druckaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (11, 12) als kreisflächige Membrane ausgebildet ist, die an ihrem Rand aufliegt, während die kraftschlüssige Verbindung zum Tastelement (13, 14) innerhalb der Kreisfläche der Membrane erfolgt

5. Druckaufnehmer nach einen· der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Kerne (9, 10) als Schalenkern (9) ausgebildet ist, in den die Induktionsspule (8) eingebettet ist

6. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastelement (13, 14) in Form einer Backe ausgebildet ist, die einen wesentlichen Teil des halben Umfanges des Druckaufnehmers (1) umfaßt.

7. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich diametral gegenüberliegende Tastelemente (13, 14) vorgesehen sind.

8. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer (1) von einer Hülle (21) aus dünnem hochelastischen Material umgeben ist.

9. Druckaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (21) aus ausvulkanisiertem additionsvernetzendem Zweikomponenten-Siiiconkautschuk besteht.

10. Druckaufnehmer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer (1) sich an der Spitze eines Katheterrohres (22) befindet, durch das das Anschlußkabel (5) nach auUen geführt und das mit der Hülle (21) abdichtend verbunden ist.