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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Messen von einem oder von mehreren
physikalischen Parametern durch eine medizinische Sonde.
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Stand der Technik
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Die
medizinischen Sonden oder Katheder haben die Funktion, ein Fluid
in das Körperinnere
eines Patienten einzuspeisen oder dort bestimmte physikalische Parameter
zu messen. Diese Parameter können
Parameter sein, die mit der Fluideinspeisung verbunden sind, wie
zum Beispiel der Menge oder der chemischen Zusammensetzung, oder
einfache Umgebungsparameter wie zum Beispiel Druck, Temperatur,
Feuchtigkeit oder der ph-Wert. Dieses Fluid kann eine Flüssigkeit
sein, um zum Beispiel intravaskuläre oder urodynamische Messungen
durchzuführen,
oder auch ein Gas für
zum Beispiel pulmonare Messungen.
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Zur
Messung des distalen Drucks, also des Drucks am Ende der Sonde (im
Körperinnern),
besteht eine häufig
angewandte Methode darin, die Messung proximal vorzunehmen, also
außerhalb
der Sonde, um den Druck mit Hilfe eines klassischen elektronischen
Sensors zu messen, der nicht miniaturisiert sein muss. Zur Realisierung
der Schnittstelle zur Druckübertragung
können
zwei Haupttechniken angewendet werden: die der flüssigen Sonde
oder die der gasförmigen
Sonde. Jedoch sind diese Techniken mit Problemen der Zuverlässigkeit,
der Anwendbarkeit und der Genauigkeit verbunden. Der direkte Einsatz
von Gas als Schnittstellenelement ist mit einer Dämpfung des
gemessenen Signal und einem Mangel an Zuverlässigkeit verbunden, denn es besteht
eine Verstopfungsgefahr der Druckanzapfungsstelle durch die Sekrete
des Patienten. Die Technik der flüssigen Sonde hat den Vorteil, über eine
nicht komprimierbare Schnittstelle zu verfügen. Sie zur Messung von Flüssigkeiten
benutzt werden, aber – mit
Hilfe einer entsprechenden Schnittstelle – auch zur Messung von Gasdrücken, wie
vorgeschlagen in dem Patent US-A-4 813 431. Es existiert jedoch
das Risiko des Entstehens von Luftbläschen in der Säule, was
eine potentielle Gefahr für
den Patienten darstellt. Gegebenenfalls muss man Operationen zur
Blasenbeseitigung bzw. -vermeidung vorsehen. Zudem, aufgrund der
hohen Dichte von Wasser, verursacht die Flüssigkeitssäule das Eintreten einer Abweichung
des abgelesenen Drucks von dem Innendruck, die von der Höhendifferenz
zwischen den beiden Punkten abhängt.
Das Dokument WO 95/22 280 hat eine Laser-Messmethode zur Bewertung
dieser Differenz vorgeschlagen, aber diese Technik erfordert eine
unpraktische und teure Gerätschaft.
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Die
Sonden oder Katheder werden auf dem Gebiet der Medizin für verschiedene
Anwendungen benutzt, wobei die Anforderungen und die technischen
Probleme im Wesentlichen dieselben sind. Ein besonders wichtiges
Beispiel ist der Fall der künstlichen
Beatmung.
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Die
Reanimationsbeatmung eines Patienten kann sich über mehrere Wochen, ja sogar
Monate erstrecken. Der Beatmungsspezialist benutzt oft die Druckbeatmungsarten,
bei denen der Beatmungsapparat ein Druckniveau erreichen muss (kontrollierender
Druck) oder die Einatmung des Patienten erleichtern muss (assistierender
Druck). Der Beatmungsapparat wird durch die Reaktionen des Patienten
geführt,
die ihr durch Mengen- oder Drucksensoren übertragen werden. Dabei ist
es wünschenswert,
die Aggressivität
der Beatmungsarten zu begrenzen, um den Zustand des Patienten nicht
zu erschweren, seine Heilung zu beschleunigen und so die progressive Rückkehr zu
seiner selbstständigen
Atmung zu begünstigen.
Wenn der Patient noch – oder
wieder – über seine
Atmungsreflexe verfügt,
wird die Gasabgabe durch den Beatmungsapparat durch den Patienten
selbst ausgelöst.
Die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit
der Sensoren und insbesondere der Drucksensoren sind also wesentlich
für eine
gute Anpassung der künstlichen
Beatmung an die wirklichen Bedürfnisse
des Patienten.
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Gegenwärtig befinden
sich die Drucksensoren in der Außenleitung, die den Patienten
mit dem Beatmungsapparat verbinden. Die durch diese Sensoren gelieferten
Signale reflektieren aufgrund der Abweichungen, verursacht durch
die Verbindungs- bzw. Anschlusselemente, insbesondere die Intubationssonde,
nicht die realen Bedingungen am lebenden Objekt. Dieses Phänomen ist
während
der Entwöhnungs-
bzw. Entgiftungsphase des Patienten, die hohen Momentanmengen entspricht,
besonders bedeutend. Die Technik der gasförmigen Sonde wird kommerziell
von allen Sondenherstellern vorgeschlagen, wird aber wegen ihres
Mangels an Zuverlässigkeit
nicht angewendet zur direkten Steuerung des Beatmungsapparats.
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Das
direkte und zuverlässige
Messen des Drucks im Innern der Atemwege stellt einen bedeutenden
Fortschritt im Sinne der Sicherheit des Patienten dar und öffnet den
Weg zur Realisierung leistungsfähigerer
Beatmungsarten, die ermöglichen,
die durchschnittliche Aufenthaltsdauer auf den Intensivstationen
zu reduzieren, was sich auch positiv auf die Hospitalkosten auswirkt.
Die Nützlichkeit
solcher Techniken erhöht
sich durch die neuen Beatmungsmethoden mit hoher Frequenz nicht
nur für
Erwachsene, sondern vor allem für Kleinkinder,
für die
bis heute keine routinemäßig einsetzbaren Überwachungseinrichtungen
existieren.
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Ein
weiteres Beispiel betrifft die urodynamischen Messungen. Bestimmte
urologische Untersuchungen erfordern die Injektion einer Flüssigkeit
in die Harnblase des Patienten, wobei die Druckentwicklung verfolgt
wird. Die gegenwärtigen
Kosten für Katheder
der elektronischen Drucksensoren sind hoch. Sie sind daher im Wesentlichen
Forschungszwecken vorbehalten. Auch wird die Druckmessung bei der
Zuführung
der physiologischen Flüssigkeit bevorzugt.
Aber aufgrund der Probleme der Blasenbildung und der Druckabweichung,
verursacht durch die Höhe
der Säule
der injizierten Flüssigkeit,
ist die Anwendung dieser Technik schwierig, was sie unzuverlässig macht.
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Ein
weiteres Beispiel betrifft die auf dem Gebiet der Herzkranzgefäße benutzten
Sonden. Der Arteriendruck wird außerhalb des proximalen Endes
eines Katheders gemessen, das gefüllt ist mit physiologischer
Flüssigkeit
unter Druck. Diese Technik erfordert die Verwendung eines Druckserumbeutels
bzw. -behälters
und eines Regelventils, was in der Umgebung des Patienten Platz
beansprucht. Diese Anwendung ist die Illustration bzw. Realisation
der Verwendung eines Katheders mit einem Drucksensor – aber ohne
die Abgabe einer Flüssigkeit.
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Es
besteht also insbesondere bei der Druckmessung ein Bedarf an einer
Technik, die ermöglicht, den
elektronischen Sensor direkt in das Ende der Sonde oder des Katheders
zu integrieren, an eben der Stelle, wo die Messung erfolgen muss.
Diese Bedarf umfasst das Messen mehrerer Parameter am Ende des Katheters.
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Aus
hygienischen Gründen
werden die Sonden vorzugsweise nur einmal benutzt. Sie sollten also
zu mäßigen Kosten
hergestellt werden. Geeignet sind also Extrusionstechniken, die
auch für
mittlere Serien mäßige Herstellungskosten
ermöglichen. Diese
Techniken sind zwingend, da sie hinsichtlich Material und Form eine
Symmetrie der Sonde in Bezug auf die Längsachse gewährleisten.
Techniken, die ermöglichen,
eine Sonde mit einem Ende aus einem anderen Material als dem des
Sondengehäuses herzustellen,
sind bekannt (s. zum Beispiel die Dokumente US-A-3 890 976 und WO
94/00174). Die Techniken zur Messung eines Drucks am Ende einer
Sonde mit Hilfe eines direkt in die Sonde integrierten und durch
Kabel mit der Außenseite
verbundenen Sensors sind bekannt. Sie ermöglichen, den intratrachealen
Druck (s. WO 94/22518) oder den arteriellen Druck (s. WO 97/17888)
zu messen. Es wurden Multiplexiertechniken, um zu ermöglichen,
mit nur einem einzigen Kabelpaar zu arbeiten (s. Patent US-A-4 432
372). Jedoch sind diese Techniken sehr teuer wegen der Befestigung
des Sensors in der Sonde und wegen der elektrischen Verbindungen,
die nicht direkt kompatibel sind mit den Extrusionstechniken. Ihre
Benutzung ist also auf einige Anwendungen beschränkt.
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Generell
und insbesondere für
die Druckmessung beruht die Herstellung der Mikrosensoren auf den
Mikrotechnologien, die sich aufgrund der Fortschritte der Mikroelektronik-Industrie
in voller Entwicklung befinden. Die bis heute entwickelten Techniken
ermöglichen,
in elektronische Bauteile mechanische Funktionen zu integrieren
und elektronische Miniatursensoren zu realisieren. Diese Sensoren
haben in Bezug auf die traditionellen mechanischen Sensoren den
Vorteil, empfindlicher, zuverlässiger
und vielseitiger zu sein, da sie direkt mit einer Signalverarbeitungseinheit
verbunden werden können.
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Im
speziellen Fall der Drucksensoren wurden für diese Systeme verschiedene
Techniken zum Messen der Verformung einer Membran vorgeschlagen.
Die piezoresistiven Messungen ermöglichen, die Verformungen eines
auf der Oberfläche
der Membran abgeschiedenen piezoresistiven Elements zu messen. Die
Druckbestimmung erfolgt durch Messen der Widerstandsveränderung.
Diese Technik wird heute eingeschränkt durch die minimale Größe des Drucksensors,
die sie vorschreibt, und durch den Verbrauch des Detektionssystems.
Das Messen der Verformung durch ein optisches System (s. das Patent
US-A-5 546 935) ermöglicht,
die Probleme der elektrischen Verbindungen zu vereinfachen, ist
aber schwierig anwendbar zu Messung mehrerer Parameter, und ermöglicht keine
Verarbeitung des Signals in situ. Die kapazitiven Techniken sind
heute in Bezug auf den Platzbedarf und den Stromverbrauch die vielversprechendsten.
Sie erfordern jedoch eine Verarbeitungselektronik der Kapazitätsveränderung
in unmittelbarer Nähe.
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Diese
Mikrosensoren sind klassischerweise durch Verbindungsdrähte oder
durch eine optische Faser mit ihren Datenverarbeitungsvorrichtungen verbunden.
Das Patent US-A-4
127 110 beschreibt eine Variante eines Mikrosensors ohne Verbindungsdraht,
der in dem Fall der kapazitiven Sensoren zum Messen des Hirndrucks
verwendet wird. Die Kapazität
des Sensors dient als Basis einer LC-Schaltung, deren Resonanzfrequenz
ermöglicht,
die Druckveränderungen
zu messen. Diese Technik ist jedoch beschränkt auf die Erfassung eines
einzigen Parameters und die Übertragung
des Messwerts ist notwendigerweise analog, was die Genauigkeit begrenzt. Seine
Ausdehnung auf das Messen mehrerer Parameter wird in dem Patent
US-A-4 556 063 für
den Fall von integrierten bzw. eingebauten Schaltungen mit einer
Batterie-Stromversorgung vorgeschlagen. Diese Technik wird heute
zur Programmierung der Herzschrittmacher angewendet. Infolge der
Fortschritte der Miniaturisierung ist es möglich, mit Hilfe von Miniaturschaltungen
Fernversorgungs- und Fernübertragstechniken
anzuwenden. Diese Techniken haben den Vorteil, flexibler zu sein hinsichtlich
der Verarbeitung. Die Anwendung bei Systemen, die nur passive Messschaltungen
umfassen, kennt man bei integrierbaren bzw. einbaubaren Systemen
(s. zum Beispiel das Patent US-A-5 704 352).
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Das
Hauptproblem, das sich bei der Verwendung von Bauteilen auf der
Basis von Mikrosystemen in den medizinischen Sonden stellt, sind
die Kosten ihrer Integration.
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Darstellung der Erfindung
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Um
dieses Problem zu beseitigen, wird vorgeschlagen, den mechanischen
Teil der Sonde (die Stange) mittels einer konventionellen und kostengünstigen
Technik herzustellen, ohne Integration von elektronischen Bauteilen
oder elektrischen Verbindern, und ihm einen elektronischen Messmodul
hinzuzufügen,
der einen oder mehrere Sensoren, eine miniaturisierte Verarbeitungselektronik
in situ zur Verarbeitung des Messsignals und ein Bauteil zur Übertragung
der gemessenen Werte und zum Empfang eines Fernversorgungssignals
umfasst.
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Die
Erfindung hat also ein System zum Messen wenigstens eines physikalischen
Parameters an einer mittels einer medizinischen Sonde zugänglichen
Körperstelle
eines Patienten zum Gegenstand, das eine medizinische Sonde umfasst,
die an ihrem distalen oder fernen Ende einen Sensor dieses Parameters
enthält,
um ein für
diesen Parameter repräsentatives
Signal an eine Datenverarbeitungsvorrichtung zu liefern, die sich
außerhalb
des Körpers
des Patienten befindet, wobei dieses System dadurch gekennzeichnet
ist:
- – dass
die genannte Sonde durch eine Stange mit Befestigungseinrichtungen
gebildet wird, mit denen ein elektronischer Messmodul an dieser
Stange befestigt wird,
- – dass
der Sensor des genannten Parameters in dem elektronischen Messmodul
enthalten ist, der auch andere Elemente enthält, gebildet durch elektronische
Einrichtungen, dem Sensor zugeordnet, um ein Messsignal zu liefern,
Fernübertragungseinrichtungen
des Messsignals, elektrische Versorgungseinrichtungen der dem Sensor
zugeordneten elektronischen Einrichtungen und Fernübertragungseinrichtungen,
wobei der Messmodul außerdem
weitere Befestigungseinrichtungen umfasst, zusätzlich zu denen der Sondenstange,
- – dass
die Einrichtungen zum Liefern eines repräsentativen elektrischen Signals
des genannten Parameters an die Datenverarbeitungsvorrichtung Empfangseinrichtungen
sind, so angeordnet, dass sie das durch die Fernübertragungseinrichtungen übertragene
Signal empfangen können,
- – dass
die Fernübertragungseinrichtungen
eine Antenne in Form einer Wicklung umfassen,
- – dass
die elektrischen Versorgungseinrichtungen einen Strom- bzw. Schaltkreis
umfassen, der dank der genannten Wicklung durch Fernversorgung aufgeladen
werden kann.
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Die
Befestigungseinrichtungen der Stange können eine Aufnahme umfassen,
in die der Messmodul eingesetzt werden kann. Wenn die Stange hohl
ist, kann diese Aufnahme in einer Innenwand der Stange vorgesehen
werden. Der Messmodul kann ringförmig
sein, wobei die Aufnahme dann eine Ringnut in der Stange sein kann.
Wenn der Messmodul ein geschlossener Ring ist, kann die Stange aus einem
Material sein, das so elastisch ist, dass der Messmodul durch Verformung
der Stange in seine Aufnahme eingeführt werden kann. Die Stange
kann auch eine Begrenzung bzw. Durchmesserreduzierung aufweisen,
die dem Messmodul als Anschlag dient. In diesem Fall kann die Stange
auch eine Verankerungssystem umfassen, das den Messmodul in seiner
Aufnahme hält.
Der Messmodul kann ein offener Ring nach Art eines Clips sein, der
sich von selbst in dieser Aufnahme anordnet.
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Die
Befestigungseinrichtungen zwischen dem Messmodul und der Stange
können
Kontaktflächen
zwischen dem Messmodul und der Stange umfassen. Die Befestigungseinrichtungen
zwischen dem Messmodul und der Stange können eine Haftsubstanz umfassen
oder auf Vergieß-
bzw. Ausgießtechniken
beruhen.
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Die
Empfangseinrichtungen können
sich in dem Ende der Sonde befinden, das sich außerhalb des Körpers des
Patienten befindet. Es können
auch Einrichtungen sein, die in dem Körper des Patienten befinden:
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Die
Fernübertragungseinrichtungen
und die Empfangseinrichtungen können
Radiofrequenz-Kommunikationseinrichtungen, Infrarot-Kommunikationseinrichtungen
oder Ultraschall-Kommunikationseinrichtungen sein.
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Vorteilhafterweise
umfasst der Messmodul eine Verbindungsebene mit Leiterbahnen, die
ermöglichen,
die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen
des Messmoduls zu gewährleisten.
Diese Verbindungsebene kann durch einen flexiblen, röhrenförmig aufgerollten
und in eine Gießsubstanz
eingebetteten Träger
gebildet werden. Die Elemente des Messmoduls können elektrische Kontakte haben,
die dann an den entsprechenden Leiterbahnen festgeschweißt sind.
Sie können
Elemente sein, die in dem Messmodul durch Einführung angebracht werden, wobei
die Einführung
elektrische Kontakte zwischen diesen Elementen und den entsprechenden
Leiterbahnen herstellt.
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Da
die Fernübertragungseinrichtungen
und die Empfangseinrichtungen Radiofrequenz-Kommunikationseinrichtungen
sind, kann der Messmodul eine durch eine Metallisierung realisierte
Antenne umfassen, abgeschieden auf dem flexiblen Träger. Diese Antenne
kann ein angefügtes,
mit der Verbindungsebene verbundenes und in die Gießsubstanz eingebettetes
Element sein.
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Die
medizinische Sonde kann eine Intubationssonde sein, die im Falle
einer künstlichen
Beatmung ein Gas liefert. Sie kann auch eine für urodynamische Messungen dienende
Harnleitersonde sein. Sie kann auch ein Katheder zur Messung des
Arteriendrucks sein.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Erfindung, weitere ihrer Vorteile und Besonderheiten werden besser
verständlich
durch die Lektüre
der nachfolgenden, beispielhaften und nicht einschränkenden
Beschreibung, bezogen auf die beigefügten Figuren:
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die 1 zeigt die Art, wie eine
medizinische Sonde des erfindungsgemäßen Messsystems den ihr zugeordneten
Messmodul aufnehmen kann;
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die 2 zeigt eine medizinische
Sonde des erfindungsgemäßen Messsystems
nach der vorliegenden Erfindung, ausgestattet mit ihrem elektronischen
Messmodul;
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die 2A und 3 zeigen andere Arten der Ausstattung
einer medizinischen Sonde mit einem elektronischen Messmodul für ein erfindungsgemäßes Messsystem;
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die 4 ist ein Blockschaltbild
des elektronischen Messmoduls des erfindungsgemäßen Messsystems;
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die 5 ist eine Schnittansicht
eines elektronischen Messmoduls für ein erfindungsgemäßes Messsystem;
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die 6 stellt die Art der Ausführung eines elektronischen
Messmoduls für
ein erfindungsgemäßes Messsystem
dar;
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die 7 und 8 zeigen zwei Varianten des elektronischen
Messmoduls für
ein erfindungsgemäßes Messsystem,
ausgerüstet
mit Außenantennen;
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die 9 zeigt einen elektronischen
Messmodul für
ein erfindungsgemäßes Messsystem,
wobei dieser Modul für
eine medizinische Sonde mit einer dünnen Wand konzipiert ist.
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Detaillierte Beschreibung
von Ausführungsarten
der Erfindung
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Das
Messsystem nach der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, eine
medizinische Sonde zu benutzen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Sie wird vorteilhaft durch Extrusion mittels Techniken hergestellt,
die dem Fachmann gut bekannt sind.
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Wie
die 1 zeigt, kann die
Sonde 1 durch ein Rohr 2 gebildet werden, das
nahe einem seiner Enden eine Aufnahme umfasst, die das Einsetzen
eines elektronischen Messmoduls ermöglicht. Bei dem dargestellten
Beispiel wird diese Aufnahme 3 durch eine Ringnut gebildet,
vorgesehen in der Innenwand des Rohrs 2. Die Aufnahme 3 kann
einen Messmodul aufnehmen, dessen Form an diese Aufnahme angepasst
ist. Der Messmodul kann sich vorteilhaft in Form eines Rings präsentieren,
um zwischen den beiden Enden der Sonde eine Flüssigkeit kommunizieren zu lassen.
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Die 2 zeigt eine medizinische
Sonde 1, ausgestattet mit ihrem Messmodul 4. Wie
die 1 zeigt, kann der
Messmodul ein geschlossener Ring 41 oder ein offener Ring 42 sein.
Wenn der Messmodul ein geschlossener Ring ist, ist die Stange 1 so konzipiert,
dass der Messmodul in sie eingesetzt werden kann, indem man ihre
Wand elastisch verformt. Wenn der Messmodul ein offener Ring ist,
kann dieser in seine Aufnahme eingesetzt werden, indem man seinen
Durchmesser wie bei einem Clips reduziert. Eine weitere Art, den
Messmodul in die Stange der Sonde einzusetzen, ist in der 2A dargestellt. Das Rohr 2a der
Sonde 1a weist an ihrem distalen oder fernen Ende eine
Durchmesserreduzierung 5a auf. Der Messmodul 4a,
dessen Innen- und Außendurchmesser
denen dieser Reduzierung entsprechen, wird an ihrem proximalen oder
nahen Ende in die Sonde eingeführt
und dann geschoben, bis sie an der Durchmesserreduzierung 5a anschlägt. Ein
Verankerungssystem 5b arretiert den Modul in dieser seiner
Aufnahme 3a und verhindert, dass er wieder nach oben rutscht.
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Bei
diesen Ausführungsarten,
bei der die instrumentelle Ausrüstung
der Sonde vor ihrer Verwendung steril erfolgen kann, kann der Arzt
einen den Bedürfnissen
der Untersuchung angepassten Modul wählen.
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Die 3 zeigt eine andere Befestigungsart eines
Messmoduls an der Stange einer medizinischen Sonde. Nach dieser
Variante wird der röhrenförmige Messmodul 5 an
dem Ende der Stange 6 befestigt, das die Sonde bildet und
das ebenfalls röhrenförmig ist.
Die Befestigung kann mittels einer Haftsubstanz oder durch eine
Vergießungstechnik
erfolgen. Die Teile 5 und 6 können einfach an ihren Enden verbunden
werden. Auch kann der Messmodul 5 teilweise oder ganz in
das Rohr 6 eindringen. Die Befestigung kann dann während eines
Herstellungsschritts des Messsystems erfolgen.
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Der
Messmodul kann mehrere Sensoren für die Messung von ebenso vielen
physikalischen Parametern umfassen und die diesen Sensoren zugeordneten
elektronischen Bauteile sowie die elektrischen Verbindungen zwischen
diesen verschiedenen Elementen. Im Falle einer Übertragung der Messungen durch
Radiofrequenz umfasst er auch eine Sendeantenne. Die Übertragung
der Messungen kann mittels einer Empfangsantenne erfolgen. Die Empfangsantenne
kann sich außerhalb
des Körpers
des Patienten befinden, wobei die Übertragung dann durch die Haut
des Patienten hindurch erfolgt. Der Empfänger kann wie eine Elektrokardiographie-Elektrode
auf der Haut des Patienten befestigt werden. Die Empfangsantenne
kann auch in der Wand der Sonde oder im Innern der Sonde befestigt
werden. Der Empfänger, egal
ob außerhalb
des Patientenkörpers
(auf der Haut befestigt) oder im Patientenkörpers (in der Sonde) befindlich,
ist durch Verbindungsdrähte
mit Einrichtungen zur Verarbeitung der Daten verbunden, welche die
Sensoren liefern. Diese Verbindung kann durch eine Analysevorrichtung
der Signale hergestellt werden, oder direkt mit dem Überwachungsapparat.
Der Empfänger,
die Analysevorrichtung oder der Überwachungsapparat
können
Bezugssensoren umfassen, insbesondere für den Druck.
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Die 4 zeigt ein für den elektronischen Teil
des Messsensors mögliches
Blockschaltbild. Jeder Sensor 11, 12, ... ist
einer Analog-Digitalumwandlungsschaltung 21, 22,
... zugeordnet, deren Ausgänge
mit den Eingängen
einer Verarbeitungsschaltung 7 des Signals verbunden sind.
Verschiedene physikalische Parameter können gemessen werden, zum Beispiel
der Druck, die Temperatur, die chemische Zusammensetzung, der pH-Wert,
der Feuchtigkeitsgrad eines Gases. Die Verarbeitungsschaltung 7 des Signals
liefert ein für
die verschiedenen durchgeführten
Messungen repräsentatives
Signal an eine Sendeschaltung 8. Die Messungen können getrennt
oder kombiniert in Form einer Multiparametervariablen übertragen
werden. Das Senden erfolgt über
eine Antenne 9.
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Die
elektrische Versorgung der elektronischen Bauteile des Messmoduls
erfolgt durch Fernübertragung.
Wenn die Antenne 9 in Form einer Wicklung realisiert ist,
kann man den Messmodul mittels Induktion speisen. In diesem Fall
kann man der Emissionsschaltung 8 eine Schaltung zur Umwandlung
einer Wechselspannung in eine Gleichspannung V hinzufügen.
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In
den Messmodul kann ein Selbstkalibrierungssystem integriert sein,
um die in das Umwandlungssystem eingeführten Abweichungen zu berücksichtigen.
Es kann auch ein Authentifizierungssignal des Moduls bei der Übertragung
der Messsignale vorgesehen werden.
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Die 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Messmodul 30 im
Längsschnitt.
Der ringförmige
Körper 31 des
Moduls dient der Gesamtheit der elektronischen Bauteile, die seinen
elektronischen Teil bilden, als mechanischer Träger. Man erhält ihn durch Gießen. In
der Masse des ringförmigen
Körpers 31 sind
Aufnahmen für
ein Bauteil 32, das die verschiedenen Sensoren enthält, und
Bauteile 33 und 34 vorgesehen, welche die anderen
Schaltungen enthalten. Die Verschiedenen Bauteile und die Leiterbahnen
für die
elektrischen Verbindungen sind für
die elektrischen Verbindungen sind auf einer Anschluss- bzw. Verbindungsebene
verteilt. Die Sensoren, die keinen direkten Kontakt mit dem zu messenden
Milieu haben müssen
(zum Beispiel die Temperatursensoren), sind in den ringförmigen Körper 31 eingebettet.
Für die
anderen ist in dem ringförmigen
Körper 31 ein Fenster 35 vorgesehen.
Es ist jedoch ein Oberflächenschutz
vorgesehen, um die Feuchtigkeitsprobleme an den elektrischen Kontakten
und den Einfluss eventueller Niederschläge auf der empfindlichen Oberfläche der
nicht eingebetteten Sensoren zu vermeiden.
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Für die Druckmessung
sind die Sensoren vorzugsweise kapazitive Absolutdruck-Mikrosensoren, optimiert
für den
Bereich 700-1400 mBar. Sie haben zwei oder drei Kontakte mit Zugriff
auf eine Messkapazität
und eventuell eine Bezugskapazität. Jedem
Sensortyp ist eine spezielle Verarbeitungselektronik zugeordnet
in Abhängigkeit
von der Art des jeden Sensor betreffenden elektrischen Parameters: Widerstands-,
Kapazitäts-
oder Induktanzmessung. Die Verarbeitung umfasst mindestens eine
Analog-Digitalumwandlung des gemessenen Signals.
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Die
kapazitiven Sensoren sind Schaltungen des Typs ASIC (anwendungsspezifische
Integrierte Schaltung), die ermöglicht,
eine variable Kapazität mit
einer Bezugskapazität
zu vergleichen. Der Unterschied zwischen den beiden Kapazitäten wird
direkt als digitales Signal ausgedrückt, indem zum Beispiel ein
System benutzt wird, das auf dem Prinzip der Schaltkapazitäten (capacitées commutées) beruht. Dasselbe
Prinzip kann bei den Widerstandsmessungen angewendet werden.
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Der
Messmodul 30 umfasst einen Teil 36 mit reduziertem
Außendurchmesser,
der ermöglicht,
die Antenne anzubringen, wenn nötig.
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Die 6 zeigt einen Schritt zur
Realisierung eines Messmoduls für
ein erfindungsgemäßes Messsystem.
Die Anschluss- bzw. Verbindungsebene wird gebildet durch einen flexiblen
Träger 50 des Typs
Kapton®,
der auf einer Seite Leiterbahnen 51 aufweist, die ermöglichen,
die elektronischen Bauteile des Moduls elektrisch zu verbinden.
Diese Leiterbahnen können
durch Metallisierung, Siebdruck oder Kupfer-Galvanostegie erzeugt
werden. Die elektronischen Bauteile, zum Beispiel die Bauteile 52, 53, 54 und 55 sind
auf dem flexiblen Träger 50 befestigt.
Für die
Sensoren, die einen Kontakt mit dem Fluid erfordern, dessen physikalische
Parameter man messen will, ist in dem flexiblen Träger ein
Fenster vorgesehen.
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Auch
die Antenne 50 kann mit den schon für die Leiterbahnen angewendeten
Techniken auf dem flexiblen Träger 50 realisiert
werden.
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In
einem ersten Schritt werden die Bauteile 52 bis 55 auf
dem flexiblen Träger 50 angebracht, wobei
die Flächen
der Bauteile, welche die elektrischen Kontakte und die empfindlichen
Zonen umfassen, dem flexiblen Träger
zugewandt sind. Eine leichte Erhitzung ermöglicht, Mikrokugeln zum Schmelzen zu
bringen, die während
der Herstellung auf jedem elektrischen Kontakt oder auf den Leiterbahnen
des flexiblen Trägers
abgeschieden wurden.
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In
einem zweiten Schritt wird der flexible Träger gebogen, wie dies durch
die Pfeile in der 6 angedeutet
wird, und ins Innere einer Form gegeben, um den Modulkörper zu
erhalten. Diese Operation ermöglicht,
dem Modul die erwünschte
Steifigkeit zu verleihen.
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Die
mechanischen und elektrischen Verbindungen bzw. Anschlüsse der
Bauteile können
auch nach der Formung des Trägers
erfolgen.
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Wenn
die Sendeantenne nicht direkt auf dem flexiblen Träger realisiert
wird, kann sie während
des Gießens
realisiert werden. Die Sendeantenne kann auch um den Messmodulkörper herum
angebracht werden, wie die in den 7, 8 und 9 dargestellt ist. In allen Fällen ist
die Geometrie des Modulkörpers so,
dass die Verbindung der Antenne mit dem Rest der elektronischen
Schaltung des Moduls auch in der Verbindungsebene erfolgt.
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Bei
einer anderen Realisierungsart werden die elektronischen Komponenten
vormontiert oder in einer einzigen Schaltung zusammengefasst. Diese einzige
Schaltung wird dann in das Gehäuse
des Moduls integriert und mit der Antenne verbunden, entsprechend
den oben beschriebenen Techniken.
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Die 7 zeigt einen ringförmigen Messmodul 60,
dessen Sendeantenne 61 auf die Außenseite des Messmodulkörpers gewickelt
ist. Die Antenne 61 ist auf einen Teil 62 des
Messmodulkörpers
gewickelt, dessen Durchmesser reduziert ist. In dem Teil 62 ist
eine Abflachung 63 vorgesehen, die einen direkten Anschluss
der Antenne in der Verbindungsebene ermöglicht.
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Die 8 zeigt einen nach Art eines
Clips in Längsrichtung
offenen Messmodul, bei dem die Antenne 71 um einen vorstehenden
Teil 72 herum gewickelt ist. Die Achse der Antenne kann
parallel oder senkrecht zu der Achse der Sonde sein.
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Im
Falle einer Sonde mit geringer Wanddicke, und wenn der ringförmige Messmodul
ins Innere dieser Sonde eingesetzt werden muss, ist es vorzuziehen,
dem Modul die in der 9 dargestellte
Form zu geben. Der in dieser Figur dargestellte Messmodul 80 besitzt
Bereiche mit unterschiedlichen Dicken. Die Bereiche mit den elektronischen
Komponenten 81, 82, 83 und 84 haben
Dicken, die an die Integration diese Bauteile angepasst sind. Die
Zwischenbereiche weisen Bauteile auf, die weniger dick sind. Die Sprenkelung
symbolisiert die Dicke der diesem Messmodul entsprechenden Sonde.
Die Bereiche von Bereiche des Messmoduls von geringer Dicke entsprechen
dicken Bereichen der Sonde. Diese Konzeption bewirkt, dass die Sonde
nicht über
ihre gesamte Dicke geschwächt
wird. In der 9 sieht man
die Antenne 85 wieder, die um den Modul 80 herum
gewickelt ist.
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Der
Messmodul des Messsystems nach der vorliegenden Erfindung kann auch
durch ein in mehreren Teilen gegossenes Stück gebildet werden, die Aufnahmen
für die
Sensoren und die anderen elektronischen Bauteile enthalten.
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Ein
Schutz der nicht in den Körper
des Messmoduls eingebetteten Sensoren und der Sendeantenne, wenn
sie sichtbar ist, kann realisiert werden durch das Aufbringen eines
Gels und/oder die Befestigung eines dünnen biokompatiblen Elastomerfilms, in
situ polymerisiert oder durch Thermoschweißung befestigt.