DE69106367T2

DE69106367T2 - Druckwandler mit optischer faser.

Info

Publication number: DE69106367T2
Application number: DE69106367T
Authority: DE
Inventors: Philippe Chevalier
Original assignee: Cosurvey Optics
Current assignee: Cosurvey Optics
Priority date: 1990-07-27
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2011-07-27
Also published as: DE69106367D1; CA2088167A1; WO1992002796A1; DK0541587T3; EP0541587B1; BE1003189A5; AU653537B2; GR3015621T3; AU8099391A; JPH06502718A; ATE116433T1; US5425273A; ES2069301T3; EP0541587A1

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druck- Meßwertgeber, bei dem Lichtleitfasern für die Übertragung durch Lichtbündel verwendet werden, und erstreckt sich auf mit einem solchen Meßwertgeber versehene Nachweis- oder Meßvorrichtungen.

Beschreibung des Standes der Technik

Die Druck-Meßwertgeber können in zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich die extrinsischen und die intrinsischen Meßwertgeber.
Bei den extrinsischen Meßwertgebern ist die Lichtleitfaser passiv und wird nur verwendet, um das Licht von einem Punkt nach einem anderen zu übertragen. Bei den intrinsischen Meßwertgebern ist die Lichtleitfaser aktiv und wird verwendet, um die physikalische Größe (Druck, Temperatur, pH, ...) zu quantifizieren.
In dem Patent US-A-4 691 709 (Cohen) wird ein Meßwertgeber beschrieben, der die Geschwindigkeit des Blutes und den statischen Druck messen kann Dieser Meßwertgeber basiert auf Lichtenergieverlusten, die sich bei dem Kontakt eines elastischen Schaumstoffs mit der Lichtleitfaser ergeben. Die Verluste nehmen entsprechend der Vergrößerung der Kontaktzone zu.
Dieser Funktionsmodus ist als intrinisch zu bezeichnen, da die Grundeigenschaft der Lichtleitfaser, die vollständige Reflexion, bei dem Kontakt mit dem Schaumstoff verändert wird.
Dieser Meßwertgeber benutzt auch den extrinsischen Funktionsmodus, da bei ihm eine reflektierende Membran verwendet wird, die an dem Ende der Lichtleitfaser angeordnet ist, und deren Krümmungsradius in Abhängigkeit von dem Druck variiert.
Wenn gewünscht wird, diesen Meßwertgeber in großer Serie herzustellen, ruft die Positionierung dieser Membran in dem Meßwertgeber jedoch technologische Probleme hervor, deren Auswirkung auf die Kosten nicht vernachlässigbar ist.
In der Patentanmeldung JP-A-62 294 928 (Idemitsu Kosan Co. LTD) wird ein optischer Abschwächer beschrieben, der den Druck auf der Grundlage der Veränderung der Übertragung des Systems mißt.
Der Abschwächer besteht aus einer Farbstoffdispersion in einem Elastomer. Die räumliche Verteilung der Farbstoffpartikel wird durch den auf das Elastomer ausgeübten Druck derart geändert, daß sich eine Veränderung der Übertragung des Systems ergibt.
Dieser extrinsische Meßwertgeber basiert größtenteils auf einer durch das Gesetz von Behr-Lambert festgelegten Übertragungsfunktion, was bedeutet, daß diese Funktion vom Typ exp(-ax) ist, wobei a der Abschwächungskoeffizient, und x der von dem Lichtbündel zurückgelegte optische Weg ist.
Bei einer Serienproduktion kann ein bei einem solchen Meßwertgeber jedoch keine reproduzierbare Verteilung des Farbstoffs in dem Elastomer garantiert werden, und folglich kann keine reproduzierbare Konfiguration des Meßwertgebers erhalten werden.
Außerdem kann ein solcher Übertragungs-Meßwertgeber kein genügend hohes Signal/Rausch-Verhältnis liefern, und er ist wegen des erforderlichen Platzbedarfs schwierig umstellbar auf eine Messung des arteriellen Drucks.
Außerdem sind Druck-Meßwertgeber bekannt, bei denen Lichtleitfasern verwendet werden, und deren allgemeine Funktionsweise auf der Verschiebung von Spiegeln basiert, die auf Membranen oder Kolben befestigt sind, die den Druckkräften unterworfen werden [Scheggi (Institut di Ricerca Sulle Onde Electromagnetische CNR-Firenze, Italy), und Matsumoto (J. Med. Eng. and Tech. 2, 239 (5) Sept. 1978)].
Die Verschiebung der Spiegel ändert die Verteilung der Lichtintensität in der Lichtleitfaser und ermöglicht so, den auf die Membran oder den Kolben ausgeübten Druck zu messen.
In der Patentanmeldung EP-A-0178806 (Sperry Corporation) wird ein Meßwertgeber vom intrinsischen Typ beschrieben, bei dem ein 2x2-Koppler verwendet wird, bei dem das Energieverhältnis der Ausgangskanäle von der Veränderung des Brechungsindex in Abhängigkeit von dem Druck beeinflußt wird.
Druck-Meßwertgeber, bei denen gegabelte Fasern verwendet werden, bei denen ein Ende an eine Membran angeschlossen ist, wurden von Hansen (CLEO'81 Tech. Dig. FI4, 176 (1981) beschrieben.
Anstatt die Verschiebung einer Membran auszunutzen, wird von Lawson (Opt. Lett. 8, 286 (5) 1983), und in der Patentanmeldung JP-A-56 7034 (Tokyo Shibaura Denki K.K.) ein Meßwertgeber beschrieben, bei dem der Krümmungsradius der reflektierenden Membran benutzt wird. Der Krümmungsradius der Membran variiert in diesem Fall in Abhängigkeit von dem Druck.
In dem Patent US-A-3 273 447 (Frank) wird eine Lichtleitfaser beschrieben, die durch eine Zwiebel aus einem bei Verformung elastischem Material abgeschlossen ist, die mit einer reflektierenden Schicht bedeckt werden kann.
Diese Zwiebel hat eine asphärische Form und wurde entsprechend dem zu messenden Druck und entsprechend den elastischen Eigenschaften des Materials einer Vorspannung unterworfen. Die Zwiebel verformt sich entsprechend dem ausgeübten Druck und reflektiert das Licht mehr oder weniger in die Lichtleitfaser.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann ein Hohlraum in dieser Zwiebel angebracht werden. Dem Hohlraum wird eine solche asphärische Form gegeben, daß ein Lichtbündel um den Hohlraum herum läuft und in die Lichtleitfaser zurückgeschickt wird.
Jeder auf die Zwiebel ausgeübte Druck bewirkt, daß die optischen Verluste zunehmen, was darauf zurückzuführen ist, daß das Bündel an manchen Stellen der Oberfläche nicht mehr vollständig reflektiert wird, da sich der Krümmungsradius an diesen Stellen geändert hat.
Ein solcher Meßwertgeber weist jedoch die Nachteile auf, daß er eine ungenügende Empfindlichkeit hat, und daß er eine nicht reproduzierbare Konfiguration hat, wenn er in Serie hergestellt wird.

Ziele der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Meßwertgeber mit einem im Vergleich zu den gegenwärtig angebotenen Meßwertgebern sehr niedrigen Selbstkostenpreis zu verwirklichen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, Druck- Meßwertgeber zu verwirklichen, die sich für medizinische Anwendungen eignen, die folglich Kriterien bezüglich geringer Abmessungen erfüllen, die implantiert werden können, und die folglich von dem Organismus toleriert werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Druck-Meßwertgeber zu verwirklichen, der eine genügende Präzision und Zuverlässigkeit für eine medizinische Anwendung hat.
Ein zusätzliches Ziel der varliegenden Erfindung ist, einen Druck-Meßwertgeber zu verwirklichen, der bei einer Serienproduktion eine reproduzierbare Konfiguration aufweist.

Kennzeichnende Elemente der Erfindung

Die Erfindung betrifft im wesentlichen einen Druck- Meßwertgeber, der an eine Lichtleitfaser anschließbar ist, die die Übertragung eines Lichtbündels ermöglicht, und der aus einem im wesentlichen bei Verformung elastischen und bei den verwendeten Wellenlängen optisch transparenten Material, vorzugsweise einem Elastomer besteht, das mindestens einen aus mindestens einem Lichtleitfaser-Abschnitt bestehenden Einschluß umfaßt, dessen Übertragungsfunktion bei Verformung verändert wird.
In vorteilhafter Weise hat der Einschluß eine toroide Form, vorzugsweise eine zylindrische Form, und weist einen Durchmesser zwischen 10 um und 500 um auf.
Dieser Einschluß kann aus organischem Glas, anorganischem Glas, einem Fluid und/oder einem Elastomer bestehen, wobei dieses Elastomer verschieden von dem Elastomer ist, das den Einschluß umgibt.
In vorteilhafter Weise weist der Lichtleitfaser-Abschnitt eine Drehachse auf, die mit der Drehachse der Lichtleitfaser, die die Übertragung der Lichtbündel ermöglicht, einen Winkel bildet. Dieser Winkel beträgt vorzugsweise ungefähr 90º.

Kurze Beschreibung der Figuren

- Die Figur 1 gibt eine schematische Ansicht des herkömmlichen Nachweissystems wieder, das einen Druck-Meßwertgeber aufweist.
- Die Figur 2 gibt den Nachweismodul im Detail wieder.
- Die Figur 3 gibt einen Längsschnitt des Druck-Meßwertgebers der vorliegenden Erfindung wieder.
- Die Figur 4a gibt eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßwertgebers wieder.
- Die Figur 4b gibt einen der Figur 4a entsprechenden Grundriß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßwertgebers wieder.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Die Figur 1 gibt eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Nachweissystems wieder. Die Kennziffer 1 bezeichnet den Nachweismodul, der in der Figur 2 detaillierter wiedergegeben ist.
Um eine zuverlässige Messung zu erhalten, ist es in herkömmlicher Weise notwendig, dauernd eine Kompensation vorzunehmen, um die Signale zu eliminieren, die von einer Änderung der intrinsischen Parameter der Übertragungsfaser und von anderen Störungen des Signals herrühren.
Zu diesem Zweck ist eine sogenannte Kompensationsfaser 3 vorgesehen, die parallel zu der Übertragungs faser 4 angeordnet ist, an deren Ende der Druck-Meßwertgeber angebracht ist.
Am Ende der Kompensationsfaser 3 ist ein Spiegel angeordnet, der eine vollständige Reflexion des Lichtstrahls ermöglicht.
Ein Verbinder 2 für die Lichtleitfasern ermöglicht, die zwei Lichtleitfasern 3 und 4 anzuschließen und abzutrennen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird es im allgemeinen vorgezogen, mit Reflexion zu arbeiten. Aber es ist auch möglich, eine Funktionsweise des Lichtleitfaser-Meßwertgebers mit Transmission des Lichtbündels in Betracht zu ziehen.
Jeder Druck, der auf den Meßwertgeber ausgeübt wird, äußert sich durch eine Änderung der in der Übertragungs- Lichtleitfaser reflektierten und/oder gestreuten Lichtintensität.
Das Lichtbündel wird von einer Lichtquelle 6 (Laser/LED) ausgesandt. Das anfängliche Lichtbündel wird durch die Linse 7 parallel gemacht und dann durch einen Separator 8 in zwei Lichtbündel A und B aufgeteilt.
Das Lichtbündel A wird durch einen Separator 9 in die Lichtbündel A' und A" aufgeteilt.
Das Lichtbündel A' geht durch einen Separator 11 hindurch und wird durch eine Linse 12 auf eine Lichtleitfaser 13 fokussiert. Diese Lichtleitfaser ist an den Verbinder 14 angeschlossen. Eine Lichtleitfaser 15 leitet das Lichtbündel bis zu einem Druck-Meßwertgeber 16. Dieser Druck-Meßwertgeber ist einem geeichten Druck unterworfen. Das von diesem Meßwertgeber kommende Signal wird in die Lichtleitfaser 15 zurückgeschickt und über den Verbinder 14 nach der Lichtleitfaser 13 übertragen. Das Lichtbündel wird danach durch die Linse 12 gesammelt und über den Separator 11 nach der Linse 17 übertragen. Das Lichtbündel wird danach auf die Photodiode 18 fokussiert.
Das Lichtbündel A" wird nach dem Separator 10 übertragen und danach durch die Linse 19 in die Lichtleitfaser 20 fokussiert. Die Lichtleitfaser 20 ist an den Verbinder 14 angeschlossen, und das Lichtbündel wird nach der Lichtleitfaser 21 übertragen. Diese Lichtleitfaser 21 ist parallel zu der Lichtleitfaser 15 und durch einen Spiegel 22 abgeschlossen.
Das Lichtbündel wird durch den Spiegel 22 reflektiert und von der Faser 21 über den Verbinder 14 nach der Lichtleitfaser 20 übertragen. Die Linse 19 fängt das Lichtbündel auf und überträgt es über den Separator 10 nach der Linse 23. Die Linse 23 fokussiert das Lichtbündel auf die Photodiode 24.
Die von den Photodioden 18 und 24 kommenden Signale werden von einem Prozessor 25 verarbeitet. Die von dem Prozessor ausgeführte hauptsächliche Rechenoperation ist die Bildung des Verhältnisses der zwei Signale.
Die interne Eichung basiert auf der Aufzeichnung des Signals in Abhängigkeit von dem auf dem Meßwertgeber 16 ausgeübten Druck. Diese Funktion wird gespeichert.
Es wird ein Arbeitsdruck gewählt, und dieser Arbeitsdruck ist die Grundlage für die Bestimmung der Differenz zwischen dem von dem Meßwertgeber 16 erzeugten Signal und dem von Meßwertgeber 31 erzeugten Signal. Bei der Eichung werden die Meßwertgeber 31 und 16 dem gleichen Druck unterworfen.
Das Lichtbündel B wird durch einen Separator 10 in die Lichtbündel B' und B" aufgeteilt. Das Lichtbündel B' geht durch einen Separator 26 hindurch und wird durch eine Linse 27 auf eine Lichtleitfaser 28 fokussiert. Diese Lichtleitfaser ist an den Verbinder 29 angeschlossen. Eine Lichtleitfaser 30 leitet das Lichtbündel bis zu einem Druck-Meßwertgeber 31. Ein solcher Druck-Meßwertgeber kann bei einem Patienten implantiert sein. Das von diesem Meßwertgeber kommende Signal wird in die Lichtleitfaser 30 zurückgeschickt und über den Verbinder 29 auf die Lichtleitfaser 28 gegeben. Das Lichtbündel wird danach von der Linse 27 gesammelt und über den Separator 26 nach der Linse 32 übertragen. Das Lichtbündel wird danach auf die Photodiode 33 fokussiert.
Das Lichtbündel B" wird nach dem Separator 34 übertragen und danach durch die Linse 35 in die Lichtleitfaser 36 fokussiert. Die Lichtleitfaser 36 ist an den Verbinder 29 angeschlossen, und das Lichtbündel wird nach der Lichtleitfaser 37 übertragen. Diese Lichtleitfaser 37 ist parallel zu der Lichtleitfaser 30 und durch einen Spiegel 38 abgeschlossen.
Das Lichtbündel wird von dem Spiegel 38 reflektiert und von der Faser 37 über den Verbinder 29 in die Lichtleitfaser 36 übertragen. Die Linse 35 fängt das Lichtbündel auf und überträgt es über den Separator 34 nach der Linse 39. Die Linse 39 fokussiert das Lichtbündel auf die Photodiode 40.
Die von den Photodioden 33 und 40 kommenden Signale werden von einem Prozessor 25 verarbeitet. Die von dem Prozessor ausgeführte hauptsächliche Rechenoperation ist die Bildung des Verhältnisses der zwei Signale.
Zum Schluß verarbeitet der Prozessor die von den Photodioden 18, 24, 33 und 40 kommenden Signale, um daraus den Druckwert zu gewinnen.
Die Figur 3 ist ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Druck-Meßwertgebers, der in eine Vorrichtung von der oben beschriebenen Art eingebaut werden kann.
Ein Block 41 aus Elastomer und die Lichtleitfaser 4 sind aneinandergeklebt. Eine feine Schutzmembran 42, beispielsweise aus Latex, bedeckt den ganzen Meßwertgeber. Um die Hülle 42 an der Lichtleitfaser 44 zu befestigen, wird eine Muffe 44 verwendet.
Der Meßwertgeber besteht vorzugsweise aus einem Silikon. Da diese Meßwertgeber speziell für medizinische Anwendungen, beispielsweise die Messung des Blutdrucks oder des Atmungsdrucks, bestimmt sind, ist es notwendig, daß der Druck- Meßwertgeber in einem von dem menschlichen Organismus tolerierten Katheter 43 untergebracht wird. Im allgemeinen besteht dieser Katheter aus einer Latexhülle. Selbstverständlich muß für eine solche Anwendung der Meßwertgeber ebenfalls solche Abmessungen haben, daß er in Form eines Implantats von dem menschlichen Organismus toleriert wird, das heißt, Abmessungen in der Größenordnung von einem Millimeter.
Die von den erfindungsgemäßen Meßwertgebern erfaßten Drücke liegen zwischen 0 und 300 mm Quecksilber.
Die Figuren 4a und 4b geben eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßwertgebers wieder.
Der Meßwertgeber besteht aus einem Silikonblock 41, in dem kleine Zylinder einer Lichtleitfaser aus Siliziumdioxid sichtbar sind, die im wesentlichen senkrecht zu dem Lichtbündel angeordnet sind. Bei dem ausgesandten Lichtstrahl treten Reflexions-, Streuungs- und Fokussierungsphänomene auf. Wenn ein Druck auf den Meßwertgeber ausgeübt wird, variiert der Abstand zwischen den Einschlüssen, und daher variiert die Brennweite des optischen Systems, was eine Veränderung der von der Übertragungsfaser gesammelten Lichtenergie zur Folge hat.
Es gilt als vereinbart, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die nur zur Veranschaulichung wiedergegeben wurden. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf medizinische Anwendungen beschränkt, wie sie vorstehend beschrieben wurden.
Es können auch zahlreiche andere technische und industrielle Anwendungen auf sehr verschiedenartigen Gebieten in Betracht gezogen werden, wie die Messung der Vibrationen von Maschinen, die Messung der Dichte des Verkehrs, die Messung der Geschwindigkeit bei Sportwettkämpfen, die Erfassung von Sicherheitsparametern bei Brücken und Ingenieurbauten, usw.

Claims

1. Druck-Meßwertgeber (1), der an eine Lichtleitfaser (4) anschließbar ist, die die Übertragung eines Lichtbündels ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem im wesentlichen bei Verformung elastischen und bei den verwendeten Wellenlängen optisch transparenten Material (41) besteht, das mindestens einen aus mindestens einem Lichtleitfaser-Abschnitt (46) bestehenden Einschluß umfaßt, dessen Übertragungsfunktion bei Verformung verändert wird.

2. Druck-Meßwertgeber gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen elastische Material aus einem Elastomer besteht.

3. Druck-Meßwertgeber gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschluß eine toroide Form hat.

4. Druck-Meßwertgeber gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschluß eine zylindrische Form hat.

5. Druck-Meßwertgeber gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschluß einen Durchmesser zwischen 10 und 500 um aufweist.

6. Druck-Meßwertgeber gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschluß aus organischem oder anorganischem Glas, einem Fluid und/oder einem Elastomer besteht, wobei dieses Elastomer verschieden von dem Elastomer ist, das den Einschluß umgibt.

7. Druck-Meßwertgeber gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitfaser- Abschnitt eine Drehachse aufweist, die mit der Drehachse der Lichtleitfaser, die die Übertragung der Lichtbündel ermöglicht, einen Winkel bildet.

8. Druck-Meßwertgeber gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ungefähr 90º beträgt.

9. Nachweis- oder Meßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Druck-Meßwertgeber gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8 umfaßt.

10. Anwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 9 zur Messung des Blutdrucks oder Atmungsdrucks durch Implantation bei einem Patienten.