DE3935083A1 - Messanordnung zum erfassen einer atembewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum Erfassen der Atembewegung eines Probanden.

In der bildgebenden Kernspintomographie wird bei bestimmten Auf­ nahmen die Atembewegung des Probanden detektiert und aus dem Atemsignal ein Signal abgeleitet, das dazu dient, Bewegungs­ artefakte im Bild zu vermeiden. Mit Hilfe eines pneumatischen Atemgürtels wird dabei die durch die Atmung verursachte Be­ wegung in ein Drucksignal übergeführt, das über einen Druck­ schlauch an einen piezoresistiven Drucksensor weitergeleitet wird.

Wegen der Einflüsse der starken Hochfrequenz-Felder auf elek­ tronische Bauelemente ist es erforderlich, alle elektrisch leitenden Materialien in den feldfreien Raum zu verlegen. Der piezoresistive Drucksensor muß somit außerhalb des Hochfre­ quenz-Feldes angeordnet sein, so daß ein langer Druckschlauch notwendig ist. Dabei geht ein Teil des Drucksignals durch das inaktive Volumen des Schlauches verloren. Dies führt zu einer unbefriedigenden Empfindlichkeit der Meßanordnung und zu einer fehlerhaften Korrelation zwischen dem abgeleiteten Signal und der Atembewegung.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Meßanord­ nung zum Erfassen einer Atembewegung anzugeben, mit der die vorstehend erläuterten Nachteile vermieden sind.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merk­ malen des Hauptanspruches. Durch die Verwendung eines optischen Druckaufnehmers, der das Drucksignal in ein optisches Signal überführt, ist der Aufbau einer Meßanordnung ermöglicht, bei der der Druckaufnehmer unmittelbar am pneumatischen Atemgürtel angeschlossen werden kann. Ein optischer Druckaufnehmer kann unter Vermeidung der Verwendung magnetischer oder elektrisch leitfähiger Werkstoffe aufgebaut werden. Die vom Druckaufnehmer bereitgestellten optischen Signale können außerdem unbeeinflußt von den Hochfrequenz-Feldern des Kernspintomographen über län­ gere Strecken störungsfrei über Glasfasern weitergeleitet wer­ den.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der Unteransprüche.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 eine Meßanordnung gemäß der Erfindung schematisch ver­ anschaulicht ist.

Fig. 2 und 3 zeigen jeweils eine besonders vorteilhafte Aus­ gestaltung eines optischen Druckaufnehmers zum Er­ fassen des von der Atembewegung hervorgerufenen Druck­ signals im Schnitt.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Atemgürtel 2 ein durch einen elasti­ schen Balg abgeschlossenes Bewegungsvolumen 4, das durch die Atembewegung eines Probanden vergrößert oder verringert wird. Die mit dieser Volumenänderung einhergehenden Druckänderungen werden über einen Anschlußschlauch 5 an einen optischen Druck­ sensor 6 weitergeleitet, der die Druckänderungen in ein opti­ sches Signal umwandelt und über einen Lichtwellenleiter 8 an einen in einer Auswerteeinheit 10 angeordneten Lichtempfänger 12, beispielsweise eine Fotodiode, weiterleitet. Der Druckauf­ nehmer 6 ist über den Lichtwellenleiter 8 mit einer ebenfalls in der Auswerteeinheit angeordneten Lichtquelle 11, beispiels­ weise eine LED, verbunden, die das für den Betrieb des Druckaufnehmers 6 erforderliche Licht zur Verfügung stellt. In der Auswerteeinheit 10 befinden sich außerdem noch in der Figur nicht dargestellte Einrichtungen zur Weiterverarbeitung des vom Lichtempfänger 12 bereitgestellten elektrischen Signals.

Das von der Lichtquelle 11 bereitgestellte, über den Licht­ wellenleiter 8 zum Druckaufnehmer 6 weitergeleitete Licht wird durch das vom Anschlußschlauch 5 an den Druckaufnehmer geführte Drucksignal moduliert und über den Lichtwellenleiter 8 an den Lichtempfänger 12 zurückgeleitet. Diese Modulation kann beispielsweise eine Änderung der spektralen Zusammensetzung des Lichtes oder eine Änderung der Lichtintensität sein. Vorzugs­ weise ist ein optischer Druckaufnehmer 6 vorgesehen, der ein intensitätsmoduliertes optisches Signal erzeugt, wie er bei­ spielsweise aus "K.Spenner, R.Th.Kersten, S.Ramakrischnan, Laser und Optoelektronik, 3, 1983, Seiten 226 bis 234, insbe­ sondere Fig. 12 und 13", bekannt ist. Der dort offenbarte Druckaufnehmer 6 arbeitet nach dem Prinzip eines faseroptischen Reflexionssensors zur Messung von Abstandsänderungen. Ein der­ artiger optischer Drucksensor läßt sich ohne die Verwendung magnetischer oder elektrisch leitfähiger Materialien kon­ struieren, so daß ein störungsfreier Betrieb auch im Hochfre­ quenz-Feld eines Kernspintomographen möglich ist. Der optische Druckaufnehmer 6 kann dann in unmittelbarer Nähe zum Atemgürtel 2 angeordnet werden, so daß der Anschlußschlauch 5 entweder vollständig entfallen oder sehr kurz sein kann.

Gemäß Fig. 2 enthält ein für die Aufnahme des vom Atemgürtel bereitgestellten Drucksignals besonders geeigneter optischer Druckaufnehmer 6 eine Membran 7, deren verstärkter Randbereich 71 in zwei ineinandersteckbare Gehäuseteile 61 und 62 aus Kunststoff, beispielsweise Polyvinylchlorid PVC, eingeklemmt ist. Das Gehäuseteil 62 hat die Gestalt eines Hohlzylinders, dessen eine Stirnfläche verschlossen und mit einem Anschlußstutzen 63 zur Aufnahme des Anschlußschlauches 5 (Fig. 1) ver­ sehen ist. Das Gehäuseteil 61 ist ebenfalls hohlzylindrisch und kann in das Gehäuseteil 62 eingesteckt werden, wobei der Hohl­ raum des Gehäuseteiles 61 zur Aufnahme des Lichtwellenleiters 8 dient.

Die Gehäuseteile 61 und 62 sind jeweils mit Ausnehmungen ver­ sehen, die im zusammengesteckten Zustand einander gegenüber an­ geordnet sind und einen Innenraum 64 zur Aufnahme der Membran 7 bilden. Dabei wird die Membran 7 durch die die Ausnehmungen be­ grenzenden Schultern in ihrem Randbereich 71 eingeklemmt. Durch die Membran 7 wird dabei der Innenraum 64 in zwei Kammern auf­ getrennt, von denen die eine mit dem Atemgürtel und die andere über eine im Gehäuseteil 61 befindliche Entlüftungsöffnung 65 mit der Außenluft verbunden ist. Die Gehäuseteile 61 und 62 sind vorzugsweise so geformt, daß sich eine Bewegungsbegrenzung der Membran ergibt und somit ein Berstschutz erreicht wird. Dieser Berstschutz verhindert eine Zerstörung der Membran bei hohen Druckdifferenzen. Diese können entstehen, wenn bei­ spielsweise der Atemgürtel 2 mit bereits auf den Druckaufnehmer 6 aufgestecktem Anschlußschlauch 5 an den Probanden angelegt wird. Bei einem hohen Unterdruck im Atemgürtel verschließt außerdem die Membran 7 die Öffnung zum Anschlußstutzen 63, so daß zusätzlich die wirksame Druckdifferenz begrenzt ist.

Die Membran 7 weist in ihrem zentralen Bereich eine vorzugs­ weise rotationssymmetrische, beispielsweise kreisscheibenförmi­ ge Verdickung 73 mit einem ebenen Flächenbereich auf, der der in den Innenraum 64 mündenden Stirnfläche des Lichtwellenlei­ ters 8 zugewandt ist und mit einem Reflektor 72 versehen ist. Der mit dem Reflektor 72 versehene Flächenbereich der Membran und die Stirnfläche des Lichtwellenleiters 8 sind dabei im nicht ausgelenkten Zustand parallel zueinander angeordnet. Die Verdickung 73 erhebt sich im Beispiel der Figur stufenförmig über eine ringförmige dünne Membranzone und der Reflektor 72 ist auf der erhabenen Flachseite angeordnet. Die Verdickung 73 kann sich jedoch auch auf der vom Lichtwellenleiter abge­ wandten Seite oder auf beiden Seiten der Membran 7 über die ringförmige dünne Zone erheben. Durch die stufenförmig erha­ bene Verdickung 73 wird dabei bewirkt, daß zur Auslenkung der Membran bei Druckbeaufschlagung nur eine kreisringförmige Zone beiträgt, so daß die der Stirnfläche des Lichtwellenleiters 8 und der verspiegelten Flachseite der Membran 7 auch im ausge­ lenkten Zustand nahezu parallel zueinander orientiert sind.

Der Reflektor 72 kann beispielsweise durch eine mit Aluminium bedampfte Mylarfolie oder eine direkt auf die Membran 7 auf­ gedampfte dünne metallische Schicht gebildet sein. Da es sich hierbei nur um metallische Schichten handelt, deren Dicke im Bereich weniger µm liegt, kann die vom Hochfrequenzfeld ver­ ursachte Erwärmung praktisch vernachlässigt werden. Vorzugs­ weise ist jedoch als Reflektor 72 ein dielektrischer Spiegel vorgesehen.

Die Membran 7 besteht beispielsweise aus Silikonkautschuk und wird durch ein Vulkanisierverfahren bei hoher Temperatur und hohem Druck geformt.

Als Lichtwellenleiter 8 ist in einer bevorzugten Ausführungs­ form ein Glasfaserbündel 81 vorgesehen, das beispielsweise aus 50 µm-Fasern besteht und einen Gesamtdurchmesser von 1,6 mm hat und von einem Mantel 82 aus Polyvinylchlorid PVC umgeben ist. Die Trennung des Faserbündels 81 in einen Sende- und einen Empfangsstrang kann dabei willkürlich erfolgen, so daß sich an der im Druckaufnehmer 6 befindlichen Stirnfläche des Faserbündels eine statistische Verteilung der Sende- und Empfangsfasern ergibt. Aus Gründen der Reproduzierbarkeit wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung, bei der jede Sendefaser eine benachbarte Empfangsfaktor hat, bevorzugt.

Claims (10)

1. Meßanordnung zum Erfassen einer Atembewegung mit Mitteln (2) zum Erzeugen eines der Atembewegung entsprechenden Drucksignals und einem optischen Druckaufnehmer (6) zum Umwandeln des Druck­ signals in ein optisches Signal.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Druckaufnehmer (6) vorgesehen ist, der das Drucksignal in ein intensitätsmoduliertes optisches Signal umwandelt.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckaufnehmer (6) eine durch das Drucksignal auslenkbare Membran (7) enthält, deren Auslenkung optisch erfaßt wird.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (7) eine mit einem Reflek­ tor (72) versehenen ebenen Flächenbereich aufweist, die der freien Stirnfläche eines in den Druckaufnehmer (6) mündenden Lichtwellenleiters (8) zugewandt ist.

5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Membran (7) aus Silikonkautschuk vorgesehen ist.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Reflektor (72) eine mit Aluminium bedampfte Mylarfolie vorgesehen.

7. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Reflektor (72) ein dielektrischer Spiegel vorgesehen ist.

8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß im zentra­ len Bereich der Membran (7) eine stufenförmige Verdickung vorgesehen ist, auf deren dem Lichtwellenleiter (8) zugewandten Flachseite der Reflektor (72) angeordnet ist.

9. Meßanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Lichtwellenleiter (8) ein Glasfa­ serbündel (81) vorgesehen ist.

10. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel zur Be­ grenzung der Auslenkung der Membran (7) vorgesehen sind.