DE3016565A1 - Vorrichtung zur messung und ueberwachung des druckes innerhalb eines begrenzten, schwer zugaenglichen raumes - Google Patents
Vorrichtung zur messung und ueberwachung des druckes innerhalb eines begrenzten, schwer zugaenglichen raumesInfo
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- G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
Description
Ladd Research Industries, Inc.r Burlington, VT (USA)
Vorrichtung zur Messung und Ueberwachung des Druckes innerhalb eines begrenzten, schwer zugänglichen
Raumes
25.4.80 41 121
030045/0948
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mess- und üeberwachungsvorrichtungen. Insbesondere bezieht sie sich
auf Vorrichtungen zur kontinuierlichen und genauen Druckmessung innerhalb eines begrenzten und relativ unzugänglichen
Raumes, beispielsweise aber nicht ausschliesslich, zur Messung des intrakraniellen Druckes eines lebenden Menschen,
wie dies in den US-PSen Nr. 3'686'958 und 3'789'667 beschrieben
ist, und deren Offenbarung durch Bezugnahme als Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gilt, oder zur
Messung des arteriellen oder venösen Blutdruckes am lebenden Menschen oder ähnlichem.
Bei den Vorrichtungen der obengenannten Patente ist eine Mehrzahl von Faseroptiken durch eine Luftleitung in das
Innere eines abgeflachten Organs mit flexiblen Seitenwänden eingeführt. Beim Patent Nr. 3'686"958 wird ein Paar Faseroptiken
verwendet, wobei ein Ausgang und ein Eingang mit ihren inneren Enden einander gegenüberliegen, und eine Blende
ist durch Verschiebung einer flexiblen Seitenwand verstellbar, um den Lichtdurchgang von einem zum anderen Faseroptikende
bei Aenderungen des relativen Druckes innerhalb und ausserhalb des Organs zu modulieren. Beim Patent Nr. 3'798'667
werden drei nebeneinanderliegende Faseroptiken angewendet, wobei eine als Lichteingang und zwei als Ausgangsleitungen
dienen. Ein an einer Seitenwand befestigter Reflektor ist den drei inneren Faseroptikenden gegenüberliegend angeordnet
und bewegt sich mit der Verschiebung der Seitenwand in einer Ebene parallel zu den Stirnflächen der Faseroptiken,
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SQ16565
um das Licht aus der Eingangsleitung differential zu den
Ausgangsleitungen zu reflektieren. Aeussere Geräte tasten
die von den Ausgangsleitungen abgegebenen Lichtstärken ab.
Durch die Luftleitung ändert sich der Druck im Organ bis
dieser gleich dem Umgebungsdruck ist, während der Druck zu Ueberwachungszwecken gleichzeigt angezeigt wird.
Es wurde festgestellt, dass das abgeflachte Organ die minimale Abmessung der Druckabtasteinheit stark begrenzt
und demzufolge die Zähl der Anwendungsmöglichkeiten der Druckmessung und -überwachung einschränkt, und dass die Empfindlichkeit durch das Weglassen der Betätigung des Lichtmodulationselementes
durch eine abgeflachte Seitenwand und Anwendung einer neuen und verbesserten Anordnung und einer
Betriebsart der differentialen Reflektion des Lichts aus einem inneren Ende einer Eingangsfaseroptik zu den inneren
Enden von zwei Ausgangsfaseroptiken verbessert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur Messung und Ueberwachung des Druckes innerhalb eines begrenzten Raumes, wobei ein Messkolben mit einer flexiblen
Wand so angeordnet ist, dass die Wand in Abhängigkeit einer Druckänderung innerhalb des Raumes bewegt wird, wobei das
Innere des Messkolbens über eine Fluidleitung mit einem Differentialdrucksteuer- und Anzeigegerät in Verbindung steht,
wobei eine Eingangsfaseroptik und zwei Ausgangsfaseroptiken durch die Fluidleitung in den Messkolben eingeführt sind,
welche Eingangsfaseroptik mit der äusseren Stirnfläche einer
Lichtquelle und die Ausgangsfaseroptiken mit den äusseren
Stirnflächen Lichtdetektoren gegenüberliegend angeordnet sind,
und"wobei ein Mittel der flexiblen Wand zugeordnet ist, um
das von der inneren Stirnfläche der Eingangsfaseroptik abge-
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strahlte Licht entsprechend den Bewegungen der Wand in Abhängigkeit
der Aenderungen im relativen Druck zwischen jenem im Messkolben und jenem im begrenzten Raum auf die inneren
Stirnflächen der Ausgangsoptiken zu reflektieren, zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen nicht
aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass
der Messkolben eine starre im allgemeinen zylindrische Wand hat und an einer Stirnseite durch eine im allgemeinen kreisförmige,
flexible Stirnwand abgeschlossen ist, welche Stirnwand in axialer Richtung in Abhängigkeit der Aenderungen im
relativen Druck verschiebbar ist, dass die Faseroptiken innerhalb des Messkolbens mit ihren Stirnflächen der Stirnwand
gegenüberliegend angeordnet sind, und dass die Stirnwand eine reflektierende Fläche hat, die den Stirnflächen der Faseroptiken
gegenüberliegt und bezüglich diesen Stirnflächen relativ bewegbar ist, wobei die inneren Stirnflächen der Faseroptiken
bezüglich der reflektierenden Fläche so angeordnet sind, dass wenn diese Fläche nahe an den Stirnflächen der
Faseroptiken liegt, eine höhere Lichtstärke aus der Eingangsfaseroptik durch diese Fläche auf die Stirnfläche einer
Ausgangsfaseroptik zur Abtastung durch seinen Lichtdetektor reflektiert wird, wenn diese Fläche von den Stirnflächen der
Faseroptiken entfernt liegt eine höhere Lichtstärke durch diese Fläche auf die Stirnfläche der anderen Ausgangsfaseroptik
zur Abtastung durch seinen Lichtdetektor reflektiert wird, und wenn diese Fläche eine Stellung zwischen der nahe
und entfernten Stellung einnimmt, das reflektierte Licht die gleiche Lichtstärke hat, um das Differentialsteuer und -anzeigegerät
zu betätigen.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen werden drei Faseroptiken
gebündelt und mittels eines zylindrischen Stopfens festgehalten, der innerhalb des Messkolbens verstellbar angeordnet
ist, um die Stellungen der Stirnflächen der Faseroptiken bezüglich dem Reflektor zur Nullpunkteinstellung einzustellen,
die Faseroptiken im Messkolben mit ihren Stirnflächen unwesentlich parallel zur reflektierenden Fläche gehalten,
die Stirnflächen der Eingangsfaseroptik und einer Ausgangsfaseroptik im gleichen Abstand von der reflektierenden Fläche gehalten,und der Abstand von der reflektierenden
Fläche zur Stirnfläche der anderen Ausgangsfaseroptik ist geringer, als der Abstand der Stirnflächen der anderen zwei
Faseroptiken und ferner hat der Stopfen einen Fluiddurchlass zwischen dem Raum, in dem die Enden der Faseroptiken liegen,
und der Fluidleitung, um den Druck zwischen diesen auszugleichen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine grösstenteils schematisch und fragmentarisch dargestellte Ansicht einer Faseroptikeinrichtung zur Messung
des Blutdruckes in einer Arterie mit einem erfindungsgeraässen Fühler,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig, I im
vergrösserten Massstab,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3=3 in Fig0 2P
Fig. 4 einen Schnitt entlang fier Linie 4=4 in Fig» 2,
Fig ο 5 einen Schnitt durch den Endabsehnitt des Fühlers
entlang der Linie 5-5 in Fig. 2 im vergrösserten Massstabf
Fig. 6 ein Diagramm, das die Äenderungen in der Lieht-
=4=
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übertragung von zwei Faserbündeln bei unterschiedlichen Stellungen des beweglichen Reflektors des Fühlers, und
Fig» 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, welche den zur Messung des intrakraniellen Druckes eingesetzten Fühler
zeigt.
Wie die Fig. 2,3 und 4 zeigen, weist der Fühler 310 ein
starres, zylindrisches Gehäuse 336 aus einem für die Anwendung in einem menschlichen Körper geeigneten Metall auf.
Dieses Gehäuse ist in einem erweiterten Endabschnitt eines flexiblen Luftschlauches 312 eingesetzt, in dem drei Faseroptikleiter
314,316,318 lose geführt sind. Der Schlauch und die Leiter sind an eine Einrichtung zur Messung und Ueberwachung
des abzutastenden Druckes angeschlossen. Diese Einrichtung ist in den bereits erwähnten Patenten beschrieben.
Die Lichtleiter sind gebündelt und durch eine Mittelbohrung eines zylindrischen Stopfens 340 geführt, der einstellbar
innerhalb des Gehäuses 336 angeordnet ist. Eine flexible Spiegelhaltemembrane 344 wird mittels eines Halterings
339 so gehalten, dass diese das offene Ende des Gehäuses 336 abschliesst. Die Lichtleiter sind durch den Stopfen
340 so gehalten, dass ihre inneren Enden dem Spiegel 346 gegenüberliegen. Der Spiegel ist mit der flexiblen Membrane
in axialer Richtung des Fühlers bewegbar angeordnet. Der Stopfen ist mit einem Loch 342 versehen, um eine Verbindung
zwischen dem durch die Membrane 344 begrenzten Raum und dem von dem Rohr 312 gebildeten Luftdurchlass herzustellen.
Eine Lichtquelle 330, etwa eine Lampe oder Leuchtdiode ist so angeordnet, dass sie einen Lichtstrahl auf die
Stirnfläche der Faseroptik 312 fokussiert. Die Faseroptik 314 leitet das Licht in das Innere des Fühlers <, Die anderen
•zwei Faseroptiken 316 und 318 bilden Ausgangsleitungen und
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leiten.das vom Spiegel 346 reflektierte Licht. Das Faseroptikbündel ist so eingestellt, dass die Stirnfläche 318A
der als Ausgangsleitung dienenden Faseroptik 318 näher an der Reflektorfläche 316A liegt als die Stirnflächen 316A
und 314A der beiden anderen Faseroptiken 316 und 314. Die Faseroptiken 316 und 318 übertragen das reflektierte Licht
zu Lichtdetektoren 326 und 328.
Ist nun der Fühler 330 durch eine Injektionsnadel 322
in eine Arterie eingeführt, ist die Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung und Ueberwachung des Blutdruckes bereit.
Die Betriebsweise wird am besten anhand der Fig. 5 und 6 verstanden.
Die den Reflektor 346 tragende Membrane .344 kann zwischen einer extremen äusseren Stellung X und einer extremen
inneren Stellung Y verschoben werden, wobei die Abstände
zwischen der Stirnfläche 318A der Faseroptik 318 und der Fläche 346A des Spiegels, wie im Diagramm von Fig. 6 gezeigt
ist, gemessen werden. Ist der Druck ausserhalb des Fühlers grosser als der Druck innerhalb des Fühlers, so verschiebt
sich die Membrane nach Y. Ist der Druck ausserhalb des
Fühlers niedriger als der innerhalb des Fühlers, dann bewegt sich die Membrane nach X. Sind die Drücke gleich, nimmt die
Membrane eine Mittelstellung N an.
In dem in Fig. 6 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse der Abstand der Spiegelfläche 346A von den Stirnflächen
314A und 316A der entsprechenden Faseroptiken dargestellt. Auf der Ordinate ist die Lichtstärke des reflektierten
Lichtes dargestellt, das bei unterschiedlichen Abständen auf-der Abszisse durch die Faseroptiken an die aussenliegende
Einrichtung übertragen und von dieser empfangen wird. Es
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werden zwei Kurven erhalten, die sich bei N schneiden, das ist die Stellung bei der die abgegebene Lichtstärke gleich
ist. In der extremen inneren Stellung Y berührt die Spiegelfläche die Stirnfläche 318A der Faseroptik oder ist so nahe,
dass im wesentlichen kein Licht auf die Stirnfläche 318A reflektiert wird, wie das bei Y im Diagramm dargestellt ist.
In dieser Stellung wird das. volle Licht auf die Faseroptik 316 reflektiert. Entfernt sich der Spiegel von den Stirnflächen
der Faseroptiken, so nimmt die auf die Faseroptik 316 reflektierte Lichtstärke ab, und die auf die Stirnfläche der
Faseroptik reflektierte Lichtstärke steigt an, und zwar entsprechend der quadratischen Gleichung betreffend der Beleuchtung
von einer Punktlichtquelle. In der Stellung M geben die Faseroptiken 316 und 318 die gleichen Werte ab.
Bei Stellungen, die näher bei X liegen, empfängt die Faseroptik 318 mehr Licht als die Faseroptik 316 und überträgt
somit mehr Licht.
Durch Kopplung der Ausgänge der Faseroptiken 316 und 318 mit einem Photozellenpaar in den Detektoren 326 und 328,
die in einer Differentialanordnung geschaltet sind, kann die von den zwei Faseroptiken abgegebene relative Lichtstärke
verwendet werden, um einen Servomechanismus anzutreiben, der
entweder den inneren Fluiddruck im Fühler über den Schlauch steigert oder verringert und somit dazu neigt, die Membrane
in ihre Mittelstellung N zu verschieben. Der Druck im Schlauch nimmt somit einen Wert des Druckes an, der durch
die Einheit innerhalb der Arterie 320 abgetastet wird, wie
dies bereits im US-Patent Hr. 3s7891667 beschrieben ist»
Kurs gesagt, der elektrische Differentialausgang des Detek=
torpaares 326,328 betätigt eine Steuereinrichtung 332, welche dann den Luftdruck im Behälter 324 anhebt oder verringert.
-7-
Der Luftdruck kann an einem Manometer 334 abelesen werden.
Die Membrane 344 wird dann zur Mittelstellung N hin verschoben. In dieser Stellung gibt die Ablesung den nicht
überwachten Druck, etwa den Blutdruck an. .
In Fig. 7 ist die Anwendung des neuen Fühlers zur üeberwachung des intrakraniellen Druckes dargestellt. Die
zylindrische Einheit 310 wird in einem Loch 370 in der Hirnschale 374 und einer Oeffnung in der Kopfhaut 372 des
Patienten angeordnet. Die äussere Membranenfläche wird an die Dura 376 angelegt. Die Betriebsweise ist die gleiche wie
die bereits beschriebene.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen, die zur Messung des Druckes unterhalb der Hirnschale eines lebenden Menschen
geeignet sind, hat der Fühler einen Durchmesser von 3,175 mm und ist 9,525 mm lang. Der flexible Schlauch hat einen Aussendurchmesser
von 1,588 mm. Die Faseroptiken, die innerhalb des flexiblen Schlauches angeordnet sind und von der Einheit
zur äusseren Einrichtung führen, bestehen.aus einer Mehrzahl
von flexiblen lichtleitenden Fasern, die gebündelt sind und einen Durchmesser von 0,0025 mm haben.
Wegen der neu verbesserten Ausbildung des Fühlers.kann
der Fühler zur Anwendung unter einem Mikroskop auf 1,588 mm
im Durchmesser und 6,35 mm in der Länge verkleinert werden. Diese kleineren Modelle sind in ihrer Anwendung nicht auf die
Blutdruckmessung in situ in Hauptblutgefässen beschränkt,
sondern können über den grossen Bereich des Kreislaufsystems
einschliesslich dem Herz angewendet werden. Ist der Fühler in
einer Verbindungskammer eingeschlossen, die mit der in der Wirbelsäule eingeführten Injektionsnadel in Verbindung steht,
dann können die Wirbelsäulenfluiddrücke bestimmt werden.
•Diese Verbindungskammer kann verwendet werden, um den arteriel-
len und venösen Blutdruck und zwar überall dort, wo die
Gefässe selbst leicht zugänglich nahe unter der Haut des Körpers liegen, und den Fruchtwasserdruck in der Fruchtblase
zu bestimmen, wobei gleichzeitig Fluid zu Analysezwecken
entnommen werden kann»
Andere vorteilhafte Anwendungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels
sind: der bereits beschriebene Wirbelsäulenfluiddruck,
eine Modifikation des Ablesesystems, um eine Zählung der Zeit zwischen Druckänderungen sowie einen
Druckausgleich hinzuzufügen, Ueberwachung der Atmung bei neugeborenen Kindern, Ueberwachung des intrakraniellen
Druckes bei neugeborenen Kindern ohne Eingriff durch leichtes Andrücken des Fühlers in die Haut bei der Fontanelle,
Messung des Augapfel- oder Hornhautdruckes durch Andrücken der flexiblen Membrane an die geeignete Zone, Messung des
Fruchtwasserdruckes ohne Perforation der Fruchtblase, wodurch die begleitenden Probleme, wie Durchsickern der Flüssigkeit,
Membranendurchbruch und das Erweitern der kranken Organe vermieden werden und Druckmessung über irgendeine
flexible Membrane,an welcher der Fühler angelegt werden kann»
Die in dem Fühler und zur Herstellung des Fühlers verwendeten
Materialien können.sich den Applikationen entsprechend
ändern.
Bei niedrigen Drücken, wie physiologischen Drücken des menschlichen Körpers, kann das Fluid Luft oder Gas sein, die
Faseroptiken können aus Kunststoff- oder Glasfasern bestehen, die flexible Membrane kann aus medizinischem Gummi und der
flexible Luftschlauch kann aus medizinischem, keine Allergie verursachendem Vinylkunststoff bestehen. Bei höheren Drücken
oder einer rauheren Umgebungsbedingung kann die Luft oder das Gas durch eine geeignete transparente Flüssigkeit ersetzt
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werden, und die Faseroptiken können aus Glas oder Kristall
und die flexible Membrane kann aus elastischem Material bestehen
.
Falls Licht der Umgebung durch die Fluidleitungen in die
Faseroptiken oder in die innere Fühlerkammer eindringen kann, kann eine pulsförmige Lichtquelle angewendet werden. Es werden
nur die Ausgangsimpulse der Photodetektoren zur Schaltung des Servomechanismus übertragen und somit bewirkt das kontinuierliche
durch das Umgebungslicht verursachte Aüsgangssignal der Photodetektoren keine fehlerhafte Ablesung oder
ablesbare Nullpunktverschiebung.
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Claims (4)
- PATENTANSPRÜCHEl.J Vorrichtung zur Messung und Ueberwachung des Druckes innerhalb eines begrenzten Raumes, wobei ein Messkolben mit einer flexiblen Wand so angeordnet ist, dass die Wand in Abhängigkeit einer Druckänderung innerhalb des Raumes bewegt wird, wobei das Innere des Messkolbens über eine Fluidleitung mit einem Differentialdrucksteuer und -anzeigegerät in Verbindung steht, wobei eine Eingangsfaseroptik und zwei Ausgangsfaseroptiken durch die Fluidleitung in den Messkolben eingeführt sind, welche Eingangsfaseroptik mit der äusseren Stirnfläche einer Lichtquelle und die Ausgangsfaseroptiken mit den äusseren Stirnflächen Lichtdetektoren gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei ein Mittel der flexiblen Wand zugeordnet ist, um das von der äusseren Stirnfläche der Eingangsfaseroptik abgestrahlte Licht entsprechend den Bewegungen der Wand in Abhängigkeit der Aenderungen im relativen Druck zwischen jenem im Messkolben und jenem im begrenzten Raum auf die inneren Stirnflächen der Ausgangsoptiken zu reflektieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkolben eine starre im allgemeinen zylindrische Wand hat, und ein einer Stirnseite durch eine im allgemeinen kreisförmige, flexible Stirnwand abgeschlossen ist, welche Stirnwand in axialer Richtung in Abhängigkeit der Aenderungen im relativen Druck verschiebbar ist, dass die Faseroptiken innerhalb des Messkolbens mit ihren Stirnflächen der Stirnwand gegenüberliegend angeordnet sind, und dass die Stirnwand eine reflektierende Fläche hat, die den Stirnflächen der Faseroptiken gegenüberliegt und bezüglich diesen Stirnflächen relative bewegbar ist, wobei die inneren Stirnflächen der Faseroptiken bezüglich der reflektierenden Fläche so angeordnet sind, dass-01-03Ü045/0948ORIGINAL INSPECTEDwenn diese Fläche nahe an den Stirnflächen der Faseroptiken liegt , eine höhere Lichtstärke aus der Eingangsfaseroptik durch diese Fläche auf die Stirnfläche einer Ausgangsfaseroptik zur Abtastung durch seinen Lichtdetektor reflektiert wird, wenn diese Fläche von den Stirnflächen der Faseroptiken entfernt liegt eine höhere Lichtstärke durch diese Fläche auf die Stirnfläche der anderen Ausgangsfaseroptik zur Abtastung durch seinen Lichtdetektor reflektiert wird, und wenn diese Fläche eine Stellung zwischen der nahe und entfernsten Stellung einnimmt, das reflektierte Licht die gleiche Lichtstärke hat, um das Differentialsteuer und -anzeigegerät zu betätigen.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegenden Abschnitte der Faseroptiken mittels eines zylindrischen Stopfens gehalten sind, der innerhalb des Messkolbens verstellbar angeordnet ist, um die Stellungen der Stirnflächen der Faseroptiken bezüglich der reflektierenden Fläche zur Nullpunkteinstellung einzustellen.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche der einen Ausgangsfaseroptik näher an der reflektierenden Fläche angeordnet ist, als die Stirnfläche der beiden anderen Faseroptiken, wobei die reflektierende Fläche mehr Licht auf die eine Ausgangsfaseroptik als auf die andere reflektiert, wenn die reflektierende Fläche nahe an den Stirnflächen liegt, mehr Licht auf die andere Ausgangsoptik als auf die erstgenannte reflektiert, wenn die reflektierende Fläche von den Stirnflächen entfernt liegt und gleichviel Licht auf beide Ausgangsfaseroptiken reflektiert, wenn die reflektierende Fläche eine Stellung zwischen den genannten Stellungen einnimmt.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn--02-03QO45/0948zeichnet, dass der Stopfen mit einem Fluiddurchlass zwischen dem die Enden der Faseroptiken enthaltenden Raum und der Fluidleitung versehen ist, um den Druck zwischen diesen auszugleichen.-03-030045/0948
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Legal Events
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |