DE69828203T2

DE69828203T2 - Planarer wandler zum messen von biomedizinischen drucken

Info

Publication number: DE69828203T2
Application number: DE69828203T
Authority: DE
Inventors: Vincent Bruff CASEY; Stephen O'sullivan; Ronan Nagle
Original assignee: Abatis Medical Technologies Ltd
Current assignee: Abatis Medical Technologies Ltd
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2018-07-04
Also published as: CA2336405C; JP2002519679A; DE69828203D1; JP4290338B2; EP1094747A1; EP1094747B1; CN1299247A; AU8238898A; US6636760B1; AU758472B2; WO2000001296A1; CA2336405A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Wandler zum Abschätzen des Druckes, der auf Körpergewebe durch ein Objekt ausgeübt wird, wie eine medizinische Vorrichtung oder ein Körperteil. Die Erfindung betrifft insbesondere einen neuen und verbesserten Wandler, der wenigstens zwei Platten hat, die voneinander durch ein elastisches Element separiert sind, das aus Gummi gebildet ist, um Drücke zu messen, die normal zu den Platten wirken, indem die resultierende Änderung in der Separation der Platten detektiert wird. Die Erfindung ist insbesondere nützlich in der Gesundheitsfürsorge, um an der Oberfläche zwischen einem Gewebe und einem Objekt zwischengelegt zu werden, ohne das Gewebe oder das Objekt im wesentlichen gegenüber der Oberfläche zu versetzen, um den Druck abzuschätzen, der durch das Objekt an einer vorgegebenen Stelle aufgebracht wird.
Hintergrund
Bei medizinischen Aderpressenanwendungen ist es wünschenswert, einen Wandler zu haben, der den tatsächlichen Druck, der durch eine Vorrichtung, wie eine Manschette, auf das darunter liegende Gewebe aufgebracht wird, in einer kontinuierlichen Weise feststellt, da der Aderpressenmanschettendruck während einer medizinischen Prozedur variiert. Ein solcher Wandler muss ein niedriges Profil haben und relativ zur Größe der Manschette klein sein, so dass er zwischen der Manschette und dem Gewebe zwischengelegt werden kann, ohne die Funktion der Manschette zu beeinträchtigen oder eine Gewebeverletzung zu verursachen.
Kraft und Druck werden üblicherweise unter Verwendung des "Federgleichgewichtsprinzips" erfasst, wobei in einem primären Umwandlungsschritt ein elastisches Element den Messwert in eine Verbiegung oder Deformation umwandelt, die in einem sekundären Umwandlungsschritt in ein elektrisch nutzbares Signal konvertiert wird. Übliche Druckumwandler neigen dazu, im primären Umwandlungsschritt von der Deformation einer Feder, eines Auslegers oder eines Diaphragmas abhängig zu sein, während elektrische und optische Techniken häufig in dem sekundären Schritt verwendet werden.
Die Eignung von Polymermaterialien und Gummis, zusätzlich zu ihrer Elastizität, macht sie zu attraktiven Materialkandidaten für den primären Umwandlungsschritt. Wiegematten von Miller et al. im US-Patent Nr. 3,875,481 und Belastungszellentypumwandler wurden unter Verwendung von elastomeren Elementen entwickelt, wobei eine Änderung in der Kapazität verwendet wird, um den angewandten Druck abzuleiten. Verbesserungen hinsichtlich Hysterese und Linearität des Ansprechens resultierten aus der Verwendung von Hohlräumen und strukturierten elastomeren Elementen durch Haberl et al. im US-Patent Nr. 4266263 und durch Seimiya et al. im US-Patent Nr. 5,693,886. Jedoch ist es schwierig, die optimalen Formen ohne die Verwendung komplizierter Schneide- und Zusammenbauverfahren und einen individuellen Vorrichtungszusammenbau zu realisieren. Es wurden auch Niedrigprofilvorrichtungen, die elastomere Elemente enthalten, die zur Verwendung als Tastwandler gestaltet wurden, entwickelt, wie zum Beispiel von Boie et al. im US-Patent Nr. 4,526,043 offenbart ist. Jedoch macht die Störungsempfindlichkeit von kondensatorbasierenden Wandlern sie allgemein weniger vorteilhaft für medizinische Anwendungen, da entweder große Flächen oder anspruchsvolle Unterstützungselektroniken erforderlich sind, um ein befriedigendes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis bereitzustellen.
Die Störungsprobleme, die mit kapazitiv basierenden Vorrichtungen verbunden sind, können in einem großen Umfang durch die Verwendung von optischen sekundären Umwandlungstechniken umgangen werden. Druckwandler, die einen flexiblen, druckdeformierbaren Reflektor haben, von welchem Lichtstrahlung reflektiert wird, sind bereits wohl bekannt, wie von Tenerz et al. im US Patent Nr. 5,195,375 offenbart ist. Solche Vorrichtungen haben Vorteile zum Einsatz in medizinischen Kathetern für physiologische in situ Druckmessungen. Jedoch erfordern sie eine anspruchsvolle Mikroverarbeitungstechnologie, um das flexible Glied zu bilden, das zerbrechlich und zur direkten mechanischen Kopplung ungeeignet ist.
Bei einem biomedizinischen Druckwandler, der von McEwen im US Patent Nr. 4,869,265 offenbart ist, ist eine druckbare Kammer, die integrale Membranschaltertypelektrokontakte enthält, zwischen das Gewebe und ein Gerät zwischengelegt, wie eine Aderpressenmanschette. Die normalerweise geschlossenen Kontakte werden geöffnet, wenn der Druck innerhalb der Kammer gleich dem Druck ist, der durch die Manschette aufgebracht wird. Eine fluidgefüllte Leitung wird verwendet, um den Druck innerhalb der Kammer zu einer Detektionsvorrichtung zu übertragen, die entfernt von der Aderpressenseite angeordnet ist, und dadurch eine Abschätzung des tatsächlichen Drucks bereitzustellen, der von der Manschette auf das Gewebe aufgebracht wird. Dieser Ansatz verschafft keine kontinuierliche dynamische Abschätzung des Drucks, der aufgebracht wird, und leidet unter einer Signaldämpfung, die durch die Fluidleitung eingeführt ist.
Die internationale Patentschrift Nr. WO 90/07906 offenbart einen miniaturisierten Drucksensor für physiologische in situ Messungen und hat eine Schale und ein elastisches Diaphragma, eine optische Faser, einen Siliziumkörper innerhalb der Schale und eine reflektierende Oberfläche an dem Siliziumkörper. Der Körper hat eine dünne auslegerartige, kurze Balkenstruktur, die zur Betätigung durch das Diaphragma zum Bewegen der reflektierenden Oberfläche in einer Richtung über der Endoberfläche der optischen Faser angeordnet ist. Die Dicke der Balkenstruktur ist in der Größenordnung von 5–30 μm.
Überblick über die Erfindung
Ein Ziel der Erfindung ist es, einen Wandler zu schaffen, der den Druck zuverlässig und reproduzierbar misst, der durch irgend eine einer Anzahl von medizinischen Vorrichtungen auf einen Teil einer Oberfläche, eines Gewebes oder Organs eines menschlichen Körpers ausgeübt wird. Ein dazu gehörendes Ziel ist es, dass der Wandler den Druck, der durch eine spezifizierte Vorrichtung an einer vorgegebenen Stelle relativ zu der Vorrichtung aufgebracht wird, in einer Richtung normal zu der Ebene der Vorrichtung an der vorgegebenen Stelle messen soll. Ein noch weiter dazu gehörendes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie die aufgebrachten Drücke im Bereich von 0–500 mmHg (10 psi) messen sollte, und dass sie solche Drücke nahe der Stelle gemittelt über einen Bereich messen sollte, der nicht größer als 2 cm² ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckwandler zu schaffen, der ausreichend klein ist, so dass er keinen signifikanten Fehler durch signifikantes Ändern des Gewebe/Vorrichtung-Überganges während einer Messung einführt. Ein dazu gehörendes Ziel ist, dass der Wandler keinen signifikanten Fehler einführen sollte, wenn er beim Messen von Drücken verwendet wird, die auf gekrümmte Oberflächen in zwei Dimensionen aufgebracht werden, die Radien bis herab zu 2 cm haben.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckwandler zu schaffen, der zur Aufnahme in einer Multi-Wandler-Anordnung geeignet ist. Ein dazu gehörendes Ziel ist es, eine Druckwandler-Anordnung zu schaffen, die sich an gekrümmte willkürliche Gewebeoberflächen anpasst.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wandler zu schaffen, der die Verwendung von elektrischen Strömen innerhalb des Körpers des Wandlers nicht erfordert. Ein dazu gehörendes Ziel ist es, einen Wandler zu schaffen, der die Verwendung von Metall innerhalb des Körpers des Wandlers nicht erfordert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wandler zu schaffen, der eine schnelle bequeme Kalibrierung oder Kalibrierungsprüfung des Wandlers in der Anwendungsumgebung gestattet.
Die vorliegende Erfindung ist vorgesehen, um die oben beschriebenen Ziele zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung ist in einem Planarwandler zum Messen biomedizinischer Drücke ausgeführt, ausgelegt zum Einsetzen zwischen einer Aderpressenmanschette und einem menschlichen Glied oder Körperteil, um den Druck zu messen, der von der Manschette auf das Glied oder den Körperteil ausgeübt wird. Der Wandler enthält ein Paar von gegenüberliegenden Platten, eine als eine Substratplatte und die andere als eine Druckplatte. Er enthält auch einen Messkanaloptikfasersatz mit einem proximalen Ende, das an den Wandler angeschlossen ist, und wobei das distale Ende entfernt an ein Elektronikmodul angeschlossen ist. Das Elektronikmodul enthält die Lichtquelle und Fotodetektoren sowie Unterstützungs- und Verarbeitungselektroniken. Der Messkanaloptikfasersatz besteht aus zwei optischen Fasern, einer Emitterfaser und einer Detektorfaser zum Übertragen eines Messkanallichtstrahls zu und von dem Wandler. Eine verformbare Polymerstruktur ist zwischen den Platten angeordnet. Wenn Druck auf den Wandler ausgeübt wird, wird die Deformation der deformierbaren Polymerstruktur zu einer Änderung im Grad der Projektion oder des Vorstehens eines Verschlussreflektors in dem Messkanallichtstrahl führen. Das wird die Kopplung von Licht zwischen den Emitter- und Detektorop tikfasern ändern und dadurch den Messkanallichtstrahl modulieren. Ein Messfotodetektor, der am distalen Ende der Messkanaldetektorfaser angeordnet ist, erzeugt ein Signal, das für die Intensitätsmodulation des Messkanallichtstrahls repräsentativ ist. Der Referenzkanal sorgt für ein Intensitätsreferenzsignal. Beide Signale werden verstärkt und zu einer Analog-zu-Digital- (A/D-) Konvertereinheit weitergegeben. Die Ausgaben der A/D-Einheit werden wiederum zu einer Prozessoreinheit weitergegeben, die an der Ausgabevorrichtung eine Anzeige des angewandten Druckes bereitstellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm, das den Druckwandler und eine elektronische Verarbeitungsschaltung der Erfindung darstellt.
2(A) ist eine gezeichnete Wiedergabe der distalen Enden der Mess- und Referenzkanalfasern.
2(B) ist eine Querschnittsansicht der Fasern der Mess- und Referenzkanäle, die innerhalb eines Kunststoffrohres enthalten sind.
3 ist eine gezeichnete Wiedergabe der Substrat- und Druckplatten jeweils von dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
4 ist eine Draufsicht der Substrat- und Druckplatten des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
5 ist eine vergrößerte fragmentierte gezeichnete Ansicht der Substratplatte des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
6 ist eine gezeichnete Ansicht des proximalen Endes der optischen Fasern.
7 ist eine gezeichnete Wiedergabe der Substrat- und Druckplatten des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels.
8 ist eine Draufsicht der Substrat- und Druckplatten des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels.
9(A), 9(B) und 9(C) stellen entsprechend eine Endansicht und Querschnittsansichten des bevorzugten Ausführungsbeispiels dar.
10(A), 10(B) und 10(C) stellen entsprechend eine Endansicht und Querschnittsansichten des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispieles dar.
11 ist eine gezeichnete Ansicht des betriebsfertigen Wandlers.
12(A) und 12(B) stellen entsprechend Schnittansichten des betriebsfertigen Wandlers dar.
13 stellt die Multi-Wandler-Anordnung von Wandlern dar, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Beste Arten zum Ausführen der Erfindung
Es ist nicht beabsichtigt, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele erschöpfend sind oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränken. Sie sind ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre Anwendung und praktische Verwendung zu erklären und dadurch Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu nutzen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in der 1 dargestellt ist, betreibt eine LED-Betriebsschaltung 12 die Lichtemissionsdiode 11 (LED) mit 1 kHz unter Verwendung einer Niedrigleistungsbetriebsart und eines hohen Stroms, um das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis zu maximieren. Die LED 11 erzeugt optische Energie, die eine Wellenlänge von 850 nm hat. Es ist erkennbar, dass eine andere Lichtquelle, wie eine Laserdiode oder Glühlampe statt der LED verwendet werden könnte, um Licht für den Wandler bereit zu stellen.
Der gepulste Lichtstrahl von der LED 11 ist in die Emitterfasern 4, 6 von sowohl der Mess- als auch Referenzkanalfasersätze eingekoppelt. Der Referenzkanalfotodetektor 8 detektiert die modulierte Intensität des Referenzkanallichtstrahls, und der Messkanalfotodetektor 13 detektiert die Intensität des Messlichtstrahls. Die Fotodetektoren 8, 13 erzeugen Intensitätssignale, die längs separater Signalleitungen zu identischen, aber separaten Signalverarbeitungsschaltungen innerhalb des Elektronikmoduls 2 übertragen werden.
Die 3, 4, 5, 6, 9 demonstrieren die Erfindung genauer. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Stufenindex-Multimodus-Faser verwendet. Die verschiedenen Fasern der Mess- und Referenzkanaloptikfasersätze sind optisch an die LED 11 und Fotodetektoren 8, 13, die innerhalb des Elektronikmoduls 2 enthalten sind, mittels einer transparenten Optikgelvergusskomponente 34 gekoppelt.
Insbesondere ist jede Emitterfaser 4, 6 mit ihrem distalen Ende 42, 41 in Anlage an die Lichtemissionsoberfläche der LED 11 positioniert, und ist jede Detektorfaser 5, 7 mit ihrem distalen Ende in Anlage an die lichtempfindliche Oberfläche der Fotodetektoren 8, 13 positioniert (2(A)). Die verschiedenen Fasern sind innerhalb einer Kunststoffummantelung 3 enthalten, die das Elektronikmodul 2 mit dem Wandler 1 verbindet. Dies hilft, sicher zu stellen, dass alle Fasern den selben Weg zwischen dem Modul 2 und dem Wandler 1 folgen und so ähnliche Umgebungseffekte erfahren und insbesondere denselben Biege- und Mikrobiegekräften ausgesetzt sind.
Die 6 stellt den Abschluss der Fasersätze am Wandler genauer dar. Die Fasern, die den Messkanal 4, 5 bilden, sind in Längsrichtung am Ende proximal zum Wandler unter Verwendung von Epoxidkleber 26 verbunden. Die proximalen Endflächen der Fasern sind dann bündig miteinander geschliffen und poliert, um eine effiziente optische Kopplung zwischen den Fasern und einer lichtreflektierenden Oberfläche 35 einer Messkanalverschlussreflektorstruktur 24 bereitzustellen, die an die Unterseite einer Druckplatte 23 angebracht ist. (4). Die verbundenen Fasern werden an der Substratplatte 19 (6) unter Verwendung eines ultravioletthärtenden Klebers 25 in Position geklebt. Die Referenzkanalfasern 6, 7 sind nach einer ähnlichen Prozedur zusammengebaut.
Führungsschienen 22, die an der Substratplatte 19 (3) angebracht sind, stellen eine geeignete Hilfe für das Positionieren der Fasersätze bereit, so dass die proximalen Endseiten der Fasern in einem vorgeschriebenen Abstand von der reflektiven Oberfläche 35 der Verschlussreflektorstruktur 24, die, wie angegeben ist, an der Druckplatte 23 angebracht ist, im Fall des Messkanals liegen werden. Eine weitere Verschlussreflektorstruktur 20 mit einer reflektiven Oberfläche 36 ist an der Substratplatte 19 (4) in dem Fall des Referenzkanaloptikfasersatzes 6, 7 angebracht. Die Führungsschienen 22 unterstützen auch das Positionieren der Fasern, so dass die optische Achse des Satzes von Fasern grob senkrecht zu den jeweiligen reflektiven Oberflächen ist.
Die 3, 4, 5 zeigen die Substrat- 19 und Druckplatten 23 eines Druckwandlers gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und stellen insbesondere genauer die Positionierführungsschienen 22, die deformierbare Polymerstruktur 21 (5) und die Verschlussreflektorstrukturen 20, 24 dar. Identische Aluminiumplatten (96% Koyrea) werden für sowohl die Substrat- 19 als auch Druckplatten 23 der Vorrichtung verwendet. Während Aluminiumplatten bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden, kann ein weiter Bereich von alternativen Plattenmaterialien ebenfalls in Abhängigkeit von der Anwendung verwendet werden. Die deformier bare Polymerstruktur 21 kann aus einem Material gebildet sein, wie Silikongummi, Polyurethangummi und linearem Polybutadien. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das dargestellt ist, ist RTV-Silastiksilikongummi 9161 mit einem Katalysatorgewicht zum Gesamtgewichtsverhältnis im Bereich von 2–6% verwendet, um die deformierbare Polymerstruktur 21 zu bilden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist RTV-Silastikgummi auch verwendet, um die Führungsschienenstrukturen 22 zu bilden. Diese Strukturen könnten auch aus einem weiten Bereich von Polymer- oder Keramikdielektrikmaterialien gebildet sein.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist RTV-Silastikgummi auch verwendet, um die Verschlussreflektorstrukturen 20, 24 zu bilden. Metallelemente mit hohen Reflexionskoeffizienten können als die Verschlussreflektorstruktur verwendet werden. Alternativ könnten Metallbeschichtungen in Verbindung mit Polymer- oder anderen Nichtmetallkörpern ebenfalls für solche Strukturen verwendet werden. Jedoch ist es eine insbesondere vorteilhafte Konsequenz des Verwendens von RTV-Silastikgummi, um den Verschlussreflektor zu bilden, dass er mit glatten flachen Oberflächen gebildet werden kann, die als gute Reflektoren für Wellenlängen wirken, die in üblichen Emissionsdioden im Sichtbaren und Infraroten (IR) verfügbar sind. Zusätzlich trübt sich das Material nicht und ist im wesentlichen undurchlässig für sowohl sichtbare als auch IR-Strahlung. Somit ist es möglich, den Wandler gemäß der Erfindung aus insgesamt nichtmetallischen Materialien herzustellen.
Eine Anzahl von Techniken, wie Photolithographiedruck, Formgießen und Dickfilm-Filmdruck kann verwendet werden, um die Polymerstrukturen direkt auf den Aluminiumplatten zu bilden. Dieser Bereich von Techniken bietet die Möglichkeit, die Polymermaterialien in einem weiten Bereich von planaren geometrischen Mustern von vorwählbarer Dicke zu bilden.
Das Muster der deformierbaren Polymerstruktur 21 ist so gewählt, um die optimalen Deformationscharakteristika für die Anwendung zu erzeugen. Das planare Muster kann aus einem weiten Bereich ausgewählt sein, einschließlich gestreiften, rechtwinkligen, kreisartigen oder gekreuzten Formen. Wichtige Parameter der deformierbaren Polymerstruktur zum Steuern betreffen die Querschnitte der einzelnen Vorsprünge oder Projektionen der Struktur, den Abstand zwischen einzelnen benachbarten Vorsprüngen und den Kontaktbereich zwischen den Platten und den oberen und Bodenseiten der Vorsprünge.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das optimale Spannweite-zu-Basisweite-Verhältnis (S/W) für individuelle Projektionsquerschnitte innerhalb eines Bereichs von 0,4 bis zu einem Maximum von 10 (siehe 5). Bei Verhältnissen größer als 10 werden übermäßige Deformationen in der Struktur auftreten, die eine erhöhte Nichtlinearität in der Beziehung zwischen dem kompressiven Druck in dem Körper und der Deformation des Körpers und einen verringerten Arbeitsbereich für die Vorrichtung verursachen. Ein SW-Verhältnis von weniger als 0,4 kann andererseits einen Kontakt zwischen benachbarten individuellen Vorsprüngen innerhalb der deformierbaren Polymerstruktur 21 verursachen.
Das Verhältnis W/H der Basisweite zur Höhe der einzelnen Vorsprünge, die die deformierbare Polymerstruktur 21 bilden, kann von einem Wert von 0,8 bis 10 variieren. Ein Wert von 0,8 würde zu einer Struktur führen, die einen relativ geringen Widerstand gegen Scherbelastung haben würde. Für Werte W/H größer als 10 wäre die Empfindlichkeit des Wandlers so niedrig, was die Vorrichtung so unpraktisch wie einen einfachen Druckwandler machen würde. Zusätzlich würde dies zu einer erhöhten Hysterese in der Beziehung zwischen angewandtem Druck und der Deformation führen.
Um ein lineares Ansprechen zu erhalten, ist die Volllastdeformation auf einen Wert von 20% der Höhe H der deformierba ren Struktur beschränkt. Dies führt zu einer praktischen Grenze von 8 für das Verhältnis A_p/A_R, wobei A_p der Gesamtbereich der Druckplatte ist und A_R der Gesamtkontaktbereich der deformierbaren Polymerstruktur 21 mit der Substratplatte 19 ist. A_R ist das Produkt von N (Anzahl von deformierbaren Körpern) und W (Basisweite des Querschnittes) und L (Länge des deformierbaren Körpers.
Die Selektion des Durchmessers der optischen Faser und der Höhen der deformierbaren Polymerstruktur 21 und der Verschlussreflektoren 20, 24 ist wichtig beim Bestimmen des Wandler-Empfindlichkeits-, -Linearitäts- und -Dynamikbereichs, wie auch der Abstand d zwischen dem speziellen Kanalverschlussreflektor und den entsprechenden proximalen Optikfasersatzseiten 39, 40, gemessen in der Ebene der Platten (3–5).
Das Verhältnis der Höhe H der deformierbaren Polymerstruktur 21 zu dem Faserdurchmesser D sollte innerhalb eines Bereichs sein, der definiert ist durch:
für einen Wandler gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in der 5 dargestellt ist. Wenn dieses Verhältnis größer als 4 ist, wird der Wandlung unter hohen Lasten gesättigt. Die untere Grenze repräsentiert eine praktische Grenze, die durch die Notwendigkeit eingestellt ist, um sicherzustellen, dass die Druckplatte 23 unter Hochlastbedingungen nicht an der Faser anliegen wird.
Die Höhe des Messkanalverschlussreflektors 24 (das heißt von der Unterseite der Platte 23) ist so ausgewählt, dass unter Nulllastbedingungen des Wandlers zwischen 10% und 80% des Bereichs der geometrischen Vorsprünge der Emissions- und Detektionsseiten 39, 40 der Messkanaloptikfasern die Reflexionsoberfläche 35 jenes Reflektors 24 schneiden oder überlappen.
Die entsprechende Überlappung für den Referenzkanal ist nützlicherweise auf ungefähr 50% eingestellt, obwohl der genaue Wert nicht kritisch für den befriedigenden Betrieb der Vorrichtung ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Winkel zwischen den Emitterfasern 4, 6 und den Detektorfasern 5, 7 an den proximalen Enden 39, 40 jedes Fasersatzes ungefähr 0°. Die maximale Empfindlichkeit tritt für einen Abstand d zwischen der Verschlussreflektorreflexionsseite und den proximalen Endseiten der Fasersätze auf, wenn erfüllt ist:
wobei D der Faserdurchmesser und NA die fasernumerische Apertur ist. Eine gute Wandlerleistung ist möglich, wo dieser Abstand innerhalb des Bereichs von 1,25 bis 1,75 d für sowohl den Mess- als auch den Referenzkanal ist. Dies entspricht einem Bereich, wo die Lichtintensität des reflektierten Strahls weniger empfindlich von einem exakten Abstand zwischen den Faserenden und der reflektiven Oberfläche abhängt, während gleichzeitig eine hohe Austauschrate einer optischen Kopplung für transverse Bewegung der Verschlussreflektor-Reflektivoberfläche 35 in den Messkanallichtstrahl auftritt.
Die Führungsschienen 22, die an der Substratplatte 19 ausgebildet sind, erleichtern wesentlich eine anfängliche Verlaufanordnung der Fasern. Ein Grad einer anfänglichen Voreinstellung und Trimmung ist durch Überwachen der Ausgabe des Fotodetektors 8, 13 möglich, wenn die optischen Fasern in dem Zusammenbauprozess positioniert werden.
Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in den 7, 8 und 10 gezeigt, wo im wesentlichen undeformierbare Kissen 27 in Verbindung mit deformierbaren Polymerstrukturen 21 verwendet werden, um einen Wandler gemäß der Erfindung herzustellen. Eine vorteilhafte Weise des Herstellens der im wesentlichen undeformierbaren Kissen 27 enthält ein Verwenden von RTV-Silastiksilikongummi 9161 in der Form einer im wesentlichen kontinuierlichen Schicht, wobei die Dicke der Schicht weniger als 5% der Schichtbreite und weniger als 5% der Schichtlänge ist. Die letztere Bedingung stellt sicher, dass die Deformation des Kissens für den Druckbereich, der bei dieser Erfindung von Interesse ist, vernachlässigbar ist.
Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ist insbesondere vorteilhaft, wo deformierbare Polymerstrukturen 21 mit verringerter Höhe verwendet werden müssen. Ein praktischer Bereich für solche Strukturen ist definiert innerhalb der Grenzen:
Dies kann zum Beispiel auftreten, wo es aus Gründen, wie Wirtschaftlichkeit der Herstellung, wünschenswert ist, deformierbare Polymerstrukturen 21 mit Höhen ähnlich oder deutlich geringer als dem Faserdurchmesser zu haben. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind im wesentlichen undeformierbare Polymerkissen 27 an jedem Substrat direkt oberhalb und unterhalb den deformierbaren Polymerstrukturen 21 angeordnet. Die Kissen sind tatsächlich Abstandhalter, die gestaltet sind, um den Abstand zwischen den Platten auf einen Wert zu erhöhen, der ausreicht, um ein Unterbringen der Fasern zwischen den Platten zu gestatten und auch eine durch die Fasern unbeschränkte Deformation der deformierbaren Polymerstrukturen 21 zu gestatten.
Das in Bezug auf die Dimensionen der deformierbaren Polymerstruktur 21 und der Verschlussreflektoren 20, 24 verwendete Kriterium und der Abstand zwischen den Verschlussreflektoren 20, 24 und den proximalen Endseiten 39, 40 der Optikfasersätze für das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel sind gleichermaßen anwendbar in dem Fall des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels und werden hier nicht weiter genau ausgeführt.
Die 11, 12 stellen eine Weise des Unterbringens des Wandlers 1 dar. Die Packung 28 sollte aus einem nichtmetallischen Material, wie HDPE, Nylon oder Teflon bestehen. Das Profil der Packung 28 muss wenigstens so niedrig wie der komplette Wandler unter maximaler Kompression sein. Eine Polymerkappe 29, die an der Außenoberfläche der Druckplatte 23 angebracht ist, stellt sicher, dass dieses Erfordernis erfüllt ist. Zusätzlich kann die Kappe 29 helfen, die Scherkraftinterferenz zu verringern und den auf den Wandler 1 aufgebrachten Druck besser zu übersetzen.
Der Messkanaloptikfasersatz ist durch eine flexible Hülse 30 hindurchgeführt, die in der Wandlerpackungswand liegt. Die flexible Hülse 30 besteht aus den üblichen Materialien, die zur Verwendung bei Faseroptikverkabelung bekannt ist. Der Innendurchmesser der Hülse ist geringfügig größer als die kombinierten Durchmesser der Fasern in dem Satz, so dass sie leicht darin hinein passen. Epoxidharz wird dann in die Hülse gezogen, um den Raum zwischen den Fasern und der Innenwand der Hülse 30 zu füllen. Diese Hülse schafft eine flexible spannungsentlastende Leitung für eine Faserpassage durch die Wandlerpackungswand. Eine ähnliche Anordnung kann bei dem Referenzkanaloptikfasersatz verwendet werden. Ein geformter Puffer 31 stellt einen weiteren Schutz und Spannungsentlastung für die Verbindung zwischen dem Faserkabel, das beide Sätze von Fasern enthält, und der Wandlerpackung 28 bereit.
Es ist weit verbreitet akzeptiert, dass Faseroptikwandler basierend auf Intensitätsmodulationsprinzipien teilweise anfällig für Interferenzeffekte aufgrund von Quellen- und Detektortemperaturfluktuationen, Alterungseffekten und Biegungs- und Umgebungseffekten, längs des Weges der Fasern sowie Variationen in der Reflektivität von reflektierenden Oberflächen sind. Solche Effekte können Intensitätsvariationen erzeugen, die ununterscheidbar von der Intensitätsmodulation sind, die durch den interessierenden Parameter erzeugt werden, und so eine signifikante Unsicherheit in den Messprozess einführen.
Gemäß der Erfindung enthält der Wandler 1 einen zweiten Satz von optischen Fasern, die einen Referenzkanal bilden und die innerhalb einer Kunststoffumhüllung 3 angeordnet sind, die den Wandler 1 und das Elektronikmodul 2 verbindet und die auch die Messkanaloptikfasern enthält. Diese Hülse ist koaxial mit den kombinierten Sätzen von optischen Fasern. Der Verschlussreflektor, der an der Substratplatte 19 mit einer reflektierenden Oberfläche und gemäß obiger Beschreibung angeordnet angebracht ist, hat eine feste Position bezüglich den proximalen Endflächen 40 des Referenzkanalfasersatzes. Er reflektiert daher eine vorgegebene Proportion des Lichts, das von der Referenzemitterfaser 6 emittiert wurde, in die Referenzdetektorfaser 7. Der Referenzlichtstrahl wird daher durch Druck, der auf die Platten angewandt wird, nicht moduliert. Jedoch wird er den oben aufgelisteten Interferenzeffekten unterzogen. Da die Fasern des Referenzkanals angeordnet sind, um im wesentlichen demselben Pfad zwischen dem Elektronikmodul und dem Wandler 1 zu folgen, wie die Messkanalfasern, kann die Intensität des Referenzkanallichtsignals verwendet werden, um ein signifikantes Ausmaß der Effekte von solchen Interferenzeffekten zu neutralisieren. Ferner wird eine signifikante Immunität gegen elektromagnetische Störinterferenz und elektrisches Triften innerhalb der elektronischen Verarbeitungsschaltung durch die Verwendung von Nicht-DC-Signalen sichergestellt.
Einige Faktoren, die bei der Herstellung des Wandlers inhärent sind, verursachen eine Unsicherheit oder Ungenauigkeit in der Beziehung zwischen dem angewandten Druck und dem gemessenen Druck. Diese Faktoren enthalten Unsicherheiten in der Geometrie der reflektierenden Oberfläche, Unsicherheiten in den relativen Positionen der Fasern bezüglich der reflektierenden Oberflächen und Unsicherheiten in den Faserverbindungen und Abschlüssen. Jegliche solche Ungenauigkeit in Verbindung mit dem Messsignal kann durch geeignetes Kalibrieren jedes Wandlers kompensiert werden. Insbesondere kann dies durch Platzieren des Wandlers 1 in einer einfachen Vorrichtung bewerkstel ligt werden, die eine einfache Klemme enthält, die dazu gebracht werden kann, an der Druckplatte des Wandlers getragen zu werden, um einen bekannten Druck auf den Wandler 1 auszuüben.
Im Gebrauch kann der Wandler 1 zwischen eine Aderpressenmanschette 18 und ein Glied oder Gewebe eingesetzt werden ( 1). Der Druckwandler 1 ist gestaltet, um ausreichend dünn zu sein, so dass er das Gewebe nicht wesentlich von seinem normalen Ort bezüglich der Aderpressenmanschette 18 verschiebt. Der Druck, der durch die Manschette 18 durch das Gewebe ausgeübt wird, kann unter Verwendung des Wandlers 1 in Verbindung mit geeigneter Elektronikschaltung bestimmt werden. Wenn ein Druck auf den Wandler 1 ausgeübt wird, wird die Deformation der deformierbaren Polymerstruktur 21 zu einer Änderung des Projektionsgrades des Messkanalverschlussreflektors 24 in den Messkanallichtstrahl führen. Dies wird die Kopplung von Licht zwischen der Messkanalemitterfaser 4 und -detektorfaser 5 ändern und dadurch den Messkanallichtstrahl modulieren.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2(A) erzeugt ein Referenzfotodetektor 8, der am distalen Ende der Referenzdetektorfaser 7 liegt, ein elektrisches Signal, das für die Intensitätsmodulation des Referenzkanallichtstrahls repräsentativ ist. Dieses wird einem Verstärker 9 zugeführt, der wiederum an einen Analog-in-Digital-Konverter 10 angeschlossen ist, bevor es in digitaler Form zum Prozessor 16 geführt wird.
Das Intensitätsreferenzsignal, das von dem Messkanalfotodetektor 13 verfügbar ist, wird in einer ähnlichen Weise zu dem Referenzkanalsignal verarbeitet. Die Signale können digital von dem Prozessor 16 verarbeitet werden, um eine Ausgabenauslesung zu erzeugen, die hinsichtlich ungemessenen zugehörigen Intensitätsvariationen kompensiert ist. Ein einfacher Ansatz würde ein Erhalten einer radiometrischen Ausgabe enthalten, die für einen angewandten Druck repräsentativ ist. Jedoch würde eine einfache alternative Kompensationstechnik das Verwenden des Intensitätsreferenzsignals enthalten, um ein Rückkoppelsteuersignal zu der LED-Impulssteuerschaltung 12 bereitzustellen, um die Intensität des Strahls in dem Referenzkanal auf einem konstanten Einstellwertniveau zu halten. Beide Kompensationstechniken sind wohl bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.
Der Wandler 1 kann somit den Arzt mit nicht elektrischen Einrichtungen zum Bestimmen des Drucks versorgen, der durch die Manschette 18 an einer vorgegebenen Stelle unter der Manschette 18 aufgebracht wird.
Aufgrund der Fähigkeit, Wandler von minimaler Dicke und Weite herzustellen, kann eine Anzahl von Wandlern an einer flexiblen Trägerschicht 32 angebracht werden, wie ein Mylar- (Dupont Marke) Streifen, um eine Gruppierung zu bilden. Die 13 demonstriert eine 2 × 4 Gruppierung 44, die unter einer Aderpressenmanschette 18 angeordnet werden kann, um eine Messung des Druckverteilungsprofils bereitzustellen, das auf ein darunter liegendes Glied oder Organ durch die Manschette 18 aufgebracht wird. Die Trägerschicht stellt eine lange Plattform bereit, die ein Verankern der Kunststoffumhüllung 3 unter Verwendung eines Ankerstreifens 33 erleichtert. Die Schicht 32 trägt auch die verschiedenen Sätze von optischen Fasern und gestattet ein bequemes Ausfächern der individuellen Faseroptiksätze.
Die vier Fasern, die die Messkanal- und Referenzkanaloptikfasersätze für einen gegebenen Wandler der Gruppierung 44 bilden, sind unter Verwendung eines Epoxidklebers an der Trägerschicht 32 angebracht. Sorgfalt wird bei der Anordnung der einzelnen Wandler 1 aufgewandt, um sicherzustellen, dass jegliches Biegen in den Fasern, um allen Wandlern zu gestatten, mit geeigneten Sätzen von Fasern erreicht zu werden, nicht gegen den vom Hersteller empfohlenen Langzeit-Minimalbiegeradius für die betroffenen Fasern verstößt. Zur Erleichterung kann die gesamte Gruppierung 44 an der inneren Oberfläche der Manschette 18 unter Verwendung von doppelseitigem Klebeband oder einfachen Verbindungseinrichtungen angebracht werden. Die Steuerschaltung und Signalverarbeitungsschaltung sind in dem Kontrollmodul für jeden Wandler der Gruppierung repliziert.
Während beschrieben wurde, wovon gegenwärtig angenommen wird, dass es die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass zahlreiche Änderungen in der Struktur, den Materialien, den Proportionen und den Bedingungen, die bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen angegeben wurden, durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert ist. Zum Beispiel könnte, während die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele eine Modulation eines reflektierten Lichtstrahls verwenden, um daraus den Druck abzuleiten, der auf den Wandler ausgeübt wird, klar ebenfalls eine Modulation eines Wandlerstrahls verwendet werden. Auch könnte ein Faser-"T"-Koppler verwendet werden, um zwei Strahlen von der einzelnen Quellen-LED für die Emitterfasern von sowohl dem Mess- als auch Referenzkanal bereit zu stellen. Spezieller könnte zu diesem Zweck ein Faseroptikstrahlteiler mit unentfernbaren Anschlüssen verwendet werden. Ähnlich könnten unentfernbare Anschlüsse zum Anschließen der Detektorfasern an die Fotodetektoren verwendet werden. Ferner ist es denkbar, dass der Wandler mit Verbindungsfasern und den erforderlichen Lichtquellen und -detektoren mit niedrigen Kosten als eine einzelne Wegwerfeinheit zusammengebaut werden könnten.

Claims

Planarwandler (1) zum Messen biomedizinischer Drücke, welcher enthält: eine Substratplatte (19) und eine gegenüberliegende Druckplatte (23); einen Messkanaloptikfasersatz (4, 5) mit proximalen und distalen Enden, welches proximale Ende an der Substratplatte angebracht ist, welches distale Ende entfernt an ein Elektronikmodul anschließbar ist; einen Referenzkanaloptikfasersatz (6, 7) mit proximalen und distalen Enden, welches proximale Ende an der Substratplatte angebracht ist, welches distale Ende entfernt an ein Elektronikmodul anschließbar ist; eine deformierbare Struktur (21), die zwischen den Substrat- und Druckplatten angeordnet ist; eine Messkanalverschlussreflektorstruktur (24), die an der Druckplatte angebracht ist, welcher Verschlussreflektor eine reflektive Oberfläche hat, die der proximalen Endseite des Messkanaloptikfasersatzes zugewandt ist; und welcher Wandler konfiguriert ist, so dass, wenn die Platten aufeinander zu gedrückt werden, die Messkanal-Verschluss-Reflektor-Struktur (24) einen Lichtstrahl in dem Messkanal in Korrelation mit einer Variation bei der Deformation der deformierbaren Struktur moduliert, und so dass ein Lichtstrahl in dem Referenzkanaloptiksatz nicht moduliert wird, wenn die Platten aufeinander zu gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die deformierbare Struktur (21) eine deformierbare Polymerstruktur ist, und dass eine Referenzkanal-Verschlussreflektorstruktur (20) an der Substratplatte angebracht ist, welcher Verschluss-Reflektor eine reflektive Oberfläche hat, die der proximalen Endseite des Referenzkanaloptikfasersatzes zugewandt ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei der Messfasersatz (4, 5) und der Referenzfasersatz (6, 7) jeweils eine Emitter- und eine Detektorfaser enthalten.
Wandler nach Anspruch 1, wobei die deformierbare Polymerstruktur (21) eine Mehrzahl von beabstandeten Vorsprüngen enthält.
Wandler nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Höhe der deformierbaren Polymerstruktur (21) zu dem Optikfaserdurchmesser zwischen 1,25 und 4 ist.
Wandler nach Anspruch 1, wobei die Messkanal-Verschluss-Reflektor-Struktur (24) so bemessen ist, dass unter Nulllastbedingungen des Wandlers zwischen 10% und 80% der Fläche der geometrischen Vorsprünge der proximalen Enden des Messkanalfaseroptiksatzes die reflektierende Oberfläche der Messkanal-Verschlussreflektorstruktur überlappt.
Wandler nach Anspruch 1, wobei der Wandler in einer Richtung normal zu den Platten eine dimensionsmäßige Ausdeh nung hat, die weniger als die dimensionsmäßige Ausdehnung des Wandlers in der Ebene der Platten ist.
Wandler nach Anspruch 1, ferner enthaltend Optikfaserpositioniereinrichtungen, die Polymerführungsschienen (22) enthalten, die an der Substratplatte (19) angebracht sind.
Wandler nach Anspruch 1, ferner enthaltend Kalibriereinrichtungen in Verbindung mit dem Messkanal zum Kalibrieren des Wandlers hinsichtlich bekannten Druckwerten, wobei die Kalibriereinrichtungen Klemmen zum Klemmen des Wandlers enthalten, wobei eine der Klemmen relativ zu der anderen beweglich ist, um einen vorgegebenen Druck auf die Druckplatte (23) auszuüben.
Wandler nach Anspruch 1, wobei der Wandler an einer flexiblen Schicht (32) angebracht ist, die bemessen ist, um zwei oder mehrere solche Wandler zu halten.
Wandler nach Anspruch 1, ferner enthaltend einen Satz von im wesentlichen undeformierbaren Kissen (27), die an jeder Platte ausgebildet sind; wobei die deformierbare Palymerstruktur (21) zwischen den undeformierbaren Kissen angeordnet ist.
Wandler nach Anspruch 10, wobei der Messfasersatz (4, 5) und der Referenzfasersatz (6, 7) von Anspruch 1 jeweils eine Emitter- und eine Detektorfaser enthält.
Wandler nach Anspruch 10, wobei die deformierbare Polymerstruktur (21) eine Mehrzahl von beabstandeten Vorsprüngen enthält.
Wandler nach Anspruch 10, wobei das Verhältnis der Höhe der deformierbaren Polymerstruktur (21) zu dem Optikfaserdurchmesser zwischen 0,25 und 1,05 ist.
Wandler nach Anspruch 10, wobei die im wesentlichen undeformierbaren Kissen (27) eine kontinuierliche Polymerschicht enthalten.
Wandler nach Anspruch 14, wobei die Polymerschicht eine Dicke von weniger als 5% der Schichtbreite und weniger als 5% der Schichtlänge hat.
Wandler nach Anspruch 1, wobei die Referenzkanal-Verschluss-Reflektor-Struktur (20) so bemessen ist, dass unter Nulllastbedingungen des Wandlers zwischen 10% und 80% der Fläche der geometrischen Vorsprünge von den proximalen Enden des Referenzkanalfaseroptiksatzes die reflektierende Oberfläche des Referenzkanal-Verschluss-Reflektors überlappen.