DE4208707C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kalibrierreflektorvorrich­ tung für ein optisches Meßsystem nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Kalibrierreflektorvor­ richtung ist aus der US PS 47 96 633 bekannt.

Kalibrierreflektorvorrichtungen werden zum Eichen von optischen Meßsystemen verwandt, die dazu dienen, Parameter einer Probe zu messen, die sich über spektroskopische Unter­ schiede in der Probe erfassen lassen. Dazu zählen beispiels­ weise Kathetersauerstoffmeßsysteme, die dazu verwandt wer­ den, die Sauerstoffsättigung des Blutes zu messen. Zur Mes­ sung der Sauerstoffsättigung des Blutes in vivo wird die Lichtleitersonde im Kreislauf des Patienten angeordnet.

Bei derartigen optischen Meßsystemen besteht die Licht­ leitersonde beispielsweise aus einem dünnen Schlauch mit zwei Lichtwellenleitern, deren meßseitiges Ende senkrecht abgeschnitten und poliert ist. Das von einer Lichtquelle kommende, durch einen Licht­ wellenleiter hindurchgehende Licht trifft bei der Messung auf die zu messende Probe und wird durch die Probe gestreut.

Das gestreute Licht wird wieder aufgenommen und zur Messung ausgewertet. Die Messungen erfolgen mit Licht verschiedener Wellenlängen, wobei beispielsweise die Sauerstoffsättigung des Blutes durch eine Verhältnisbildung der Meßwerte bei verschiedenen Wellenlängen ermittelt wird.

Optische Meßsysteme dieser Art müssen geeicht werden, da die Systeme mit der Zeit altern und ein Meßwertdrift auf­ tritt. Der Grund dafür liegt z. B. darin, daß sich Wasser im Kunststoffmaterial der Lichtwellenleiter einlagert, daß Transmissionsänderungen auftreten, daß sich die Reproduzier­ barkeit der Steckverbindung zwischen der Lichtleitersonde und der anzuschließenden Lichtquelle bzw. dem anzu­ schließenden Auswertegerät ändert oder daß die lichtaussen­ denden Dioden der Lichtquelle altern.

Ohne eine Eichung des optischen Meßsystems können keine absoluten sondern nur relative Werte gemessen werden. Eine Messung von absoluten Werten setzt ein Nachjustieren des optischen Meßsystems auf einen Standard voraus. Dazu dienen Kalibrierreflektorvorrichtungen, die einen derartigen Stan­ dard darstellen und vor der eigentlichen Messung zum Eichen des optischen Meßsystems verwandt werden. Zu diesem Zweck wird die optische Lichtleitersonde in der Kalibrierreflek­ torvorrichtung angeordnet, die ein bestimmtes festes Reflek­ tionsverhalten zeigt und wird das Meßsystem über das erhal­ tene Meßergebnis beispielsweise durch Justieren der erhalte­ nen Meßsignalamplitude am Meßgerät geeicht. Nach dem Eichen mit einer Kalibrierreflektorvorrichtung, die nur einmal verwandt wird, kann die eigentliche Messung erfolgen.

Kalibrierreflektorvorrichtungen üblicher Bauweise las­ sen sich in sogenannte Festkörperreflektoren und sogenannte Hohlraumreflektoren unterteilen.

Ein Beispiel eines bekannten Hohlraumreflektors ist die eingangs genannte Kalibrierreflektorvorrichtung, die aus der US PS 47 96 633 bekannt ist. Bei dieser bekannten Vorrich­ tung sind reflektierende Teilchen an der Stirnseite in die Innenwand des Gehäuses eingebettet und wird das vordere Ende der Lichtleitersonde dieser Stirnwand in einem gewissen Abstand gegenüber angeordnet. Zur Eichung wird Licht mit bestimmten Wellenlängen durch die Lichtleitersonde auf die mit den streuenden Partikeln versehene reflektierende Stirn­ fläche geworfen und wird das davon reflektierte Licht aufge­ nommen und zur Eichung verwandt.

Bei einem derartigen Hohlraumreflektor werden jedoch die optischen Eigenschaften durch die Oberflächenbeschaffen­ heit der Hohlraumwände, d. h. der Innenwände des Gehäuses, die Oberflächenbeschaffenheit der Lichtaustrittsfläche am vorderen Ende der Lichtleitersonde und die genaue Positio­ nierung der Lichtleitersonde im Gehäuse beeinflußt. Da der­ artige Reflektoren einteilig im Spritzgußverfahren herge­ stellt werden, werden die optischen Eigenschaften darüber­ hinaus durch die Verteilung, Form und Größe der reflektie­ renden Partikeln beeinflußt, die in die Gehäusewand einge­ bettet sind.

Ein Beispiel eines bekannten Festkörperreflektors ist der US PS43 22 164 zu entnehmen. Bei diesem Festkörperre­ flektor ist ein fester Körper im Inneren eines Gehäuses vorgesehen, in den lichtstreuende Teilchen eingebettet sind und eine Trübung verursachen, so daß dieser Festkörper ein bestimmtes bekanntes Reflektionsverhalten hat und den Meß­ standard bildet. Um einen sicheren Kontakt zwischen der Oberfläche dieses Festkörpers und dem vorderen Ende der Lichtleitersonde zu gewährleisten, ist der Festkörper in axialer Richtung des Gehäuses, d. h. in axialer Richtung der Lichtleitersonde nachgiebig angeordnet und an der der Licht­ leitersonde gegenüberliegenden Seite mit einer Vorspannein­ richtung - beispielsweise in Form einer Feder - versehen, über die der Festkörper bei der Eichung fest gegen das vor­ dere Ende der Lichtleitersonde gedrückt wird. Auch bei der­ artigen Festkörperreflektoren werden die optischen Eigen­ schaften des Reflektors durch die Verteilung, Form und Größe der reflektierenden Partikeln im Festkörper beeinflußt. Diese Parameter lassen sich bei der Herstellung des Reflek­ tors schlecht steuern. Die reflektierenden Partikeln an der Oberfläche des Festkörpers stehen aufgrund der Federvorspannung in einem ständigen festen Kontakt mit dem vorderen Ende der Lichtleitersonde, so daß die Gefahr be­ steht, daß sich die Teilchen vom Festkörper lösen. Darüber­ hinaus ist es nicht ohne weiteres möglich, die Partikelart zu ändern, da in der Regel eine Änderung des Fertigungsver­ fahrens erforderlich ist, so daß die Variabilität des Re­ flektionsverhaltens bei derartigen Reflektoren gering ist.

Bei dem in der US PS 43 22 164 beschriebenen Festkör­ perreflektor können zwar störende Reflektionen - insbesonde­ re an der Ankoppelfläche des vorderen Endes der Lichtleiter­ sonde - vermieden werden, die beispielsweise bei Hohlraumre­ flektoren auftreten; durch die auftretende Deformation beim festen Andrücken des Festkörpers gegen das vordere Ende der Lichtleitersonde wird jedoch die Partikelverteilung zumin­ dest gestört.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, die Kalibrierreflektorvorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß sie eine höhere Genauigkeit hat, d. h. geringeren Störun­ gen ausgesetzt ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Aus­ bildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Bei der erfindungsgemäßen Kalibrierreflektorvorrichtung wird die Güte der Kalibrierung vorwiegend durch die trans­ parente Scheibe und die reflektierende Einrichtung allein bestimmt, während die anderen Bauteile keinen störenden Einfluß ausüben können und somit nach beliebigen Verfahren hergestellt werden können. Auf Grund der transparenten Zwi­ schenschicht befinden sich alle Reflektionszentren etwa in gleicher Entfernung vom vorderen Ende der optischen Licht­ leitersonde, was zur Folge hat, daß Größe, Form und Dichte der reflektierenden Partikeln der reflektierenden Einrich­ tung einen geringen Einfluß auf die Güte der Kalibrierung haben.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung ist die Möglichkeit der Steuerung des Reflek­ tionsverhaltens auf Grund des größeren Spielraumes bei der Wahl der reflektierenden Partikeln. Durch Anpassung des Brechungsindizes von Lichtwellenleiter und transparenter Scheibe können störende Reflektionen an der Lichtaustritts­ fläche der Lichtleiter vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Kalibrierreflektorvorrichtung zeigt somit eine gute Reproduzierbarkeit bei der Fertigung und geringe Störungen der optischen Eigenschaften durch Nebeneffekte wie beispielsweise störende Reflektionen an der Ankoppelfläche der optischen Lichtleitersonde gegenüber der reflektierenden Einrichtung.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltun­ gen der erfindungsgemäßen Kalibrierreflektorvorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2-7.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kalibrierreflektorvorrichtung mit teil­ eingeschobener Lichtleitersonde,

Fig. 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kali­ brierreflektorvorrichtung mit vollständig eingeschobener Lichtleitersonde und

Fig. 3 in einer Teilschnittansicht den optisch aktiven Bereich des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kali­ brierreflektorvorrichtung im einzelnen.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kalibrierreflektorvorrichtung umfaßt im wesentlichen ein Gehäuse 12 - beispielsweise aus einem lichtundurchlässigen Kunststoffmaterial -, das langgestreckt ausgebildet und an einer Seite offen ist.

Im Inneren des Gehäuses 12 sind eine reflektierende Scheibe oder Schicht bzw. opake Schicht 14 sowie eine trans­ parente Schicht oder Scheibe 13 in axialer Richtung in die­ ser Reihenfolge vorgesehen.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, besteht der optisch aktive Bereich somit aus der transparenten Scheibe 13 und der opaken Schicht 14, die ohne Zwischenraum fest mitein­ ander verbunden sind. Die transparente Scheibe 13 wird von einer Ankopplungsfläche 15 und einer reflektierenden Fläche 16, d. h. der Grenzfläche zur opaken Schicht 14 begrenzt. Die Form der Ankopplungsfläche 15 ist an die Lichtleitersonde oder Meßsonde 10 angepaßt, wobei gewöhnlich eine plane An­ kopplungsfläche 15 vorgesehen ist.

Die opake Schicht 14, die die reflektierende Einrich­ tung darstellt, kann aus einer Beschichtung der transparen­ ten Schicht 13 oder aus einer dünnen Scheibe bestehen, in die kunstharzgebundene Pigmente eingebunden sind. Die Be­ schichtung kann beispielsweise im Siebdruckverfahren auf die transparente Scheibe 13 aufgebracht sein. Die opake Schicht 14 kann jedoch auch durch die Stirnfläche des Gehäuses ge­ bildet sein, indem in diese Stirnfläche Pigmente eingebracht sind. In diesem Fall ist die transparente Scheibe 13 ohne Zwischenraum an der Stirnfläche des Gehäuses 12 angeordnet.

Die transparente Scheibe 13 und gegebenenfalls die opake Scheibe 14 werden vorzugsweise lose in das Gehäuse 12 eingepreßt. Die zur Bildung der reflektierenden Einrichtung, d. h. der opaken Schicht oder Scheibe 14 verwandte Pigment­ mischung hat ein bekanntes bestimmtes Mischverhältnis, das problemlos geändert werden kann, um die Reflektionseigen­ schaften zu variieren.

Die transparente Scheibe 13 ist lichtdurchlässig, im idealen Fall ohne Absorption und besteht beispielsweise aus einem elastischen, lichtdurchlässigen Kunststoff - wie bei­ spielsweise einem Silikon.

Die reflektierende Fläche 16 gemäß Fig. 3 kann auch durch eine rauhe, teilweise totalreflektierende Grenzfläche gebildet sein, wobei in diesem Fall die opake Schicht 14 durch eine Schicht mit niedrigerem Brechungsindex ersetzt ist. Diese kann auch eine Luftschicht sein.

Ein Haltestopfen 11 aus einem elastischen Material ist mit einer zentralen Bohrung zur Aufnahme des vorderen Endes der Lichtleitersonde 10 versehen. Der Durchmesser dieser Bohrung ist so gestaltet, daß die Lichtleitersonde 10 darin mit einem gewissen Reibungswiderstand aufgenommen ist. An­ sätze oder Vorsprünge am Stopfen 11 in einem gewissen axia­ len Abstand von seinem vorderen Ende sind so angeordnet und ausgebildet, daß beim vollständigen Einschieben des Stopfens 11 gemäß Fig. 2 das vordere Ende der Lichtleitersonde an der Oberfläche der transparenten Scheibe 13 ohne Zwischenraum anliegt. Die Scheibe 13 sorgt somit für einen Abstand zwi­ schen dem vorderen Ende der Lichtleitersonde 10 und der opaken Schicht 14, d. h. der reflektierenden Einrichtung.

Zur Abschirmung von Fremdlicht bestehen das Gehäuse 12 und der Haltestopfen 11 vorzugsweise aus einem lichtundurch­ lässigen Material.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Kalibrierreflektorvorrichtung wird in der fol­ genden Weise benutzt:

Die Reflektorvorrichtung wird bei der Herstellung des Meßsystems, d. h. der optischen Lichtleitersonde 10 im be­ triebsbereiten Zustand auf die Sonde 10 aufgebracht und ge­ prüft. Die Sonde 10 und der Reflektor bleiben bis zur Benut­ zung miteinander verbunden. Unmittelbar vor dem Gebrauch wird die Sonde mit dem Reflektor als Standard vom Benutzer geprüft und wird das zugehörige Meßsystem geeicht.

Zur Montage wird die faseroptische Lichtleitersonde 10 in den Haltestopfen 11 gesteckt. Die Sonde 10 wird in einem gewissen Maße durch den Haltestopfen 11 hindurchgeschoben, bis ihr Ende aus dem Haltestopfen 11 vorsteht. Anschließend wird der Haltestopfen 11 mit der Sonde 10 in das Gehäuse 12 eingeschoben. Durch die Verformung des Haltestopfens 11 wird die Sonde 10 festgeklemmt. Wenn die Stirnfläche der Sonde 10 mit der Ankopplungsfläche 15 der transparenten Scheibe 13 in Berührung kommt, wird die Sonde 10 gegen die Reibungskraft im Haltestopfen 11 zurückgeschoben. In dieser Weise wird sichergestellt, daß das vordere Ende der Sonde 10 fest an der Ankopplungsfläche 15 der transparenten Schicht 13 an­ liegt.

Die Haftreibung zwischen dem Gehäuse 12, dem Haltestop­ fen 11 und der Sonde 10 führt zu einer dauerhaften Festle­ gung der Sonde 10 in ihrer Position. Durch die elastische Verformung des Haltestopfens 11 bleibt die Sonde 10 auch nach der Montage an der Ankopplungsfläche 15. In Verbindung mit der Elastizität der transparenten Scheibe 13 wird da­ durch eine reflektionsfreie Lichtankopplung erreicht.

Zur Eichung der Sonde 10 wird Licht von der Sonde 10 über die Ankopplungsfläche 15 in die transparente Scheibe 13 gestrahlt. Das Licht trifft auf die reflektierende Fläche 16 und wird von dieser diffus und wellenlängenselektiv reflek­ tiert. Ein Teil des reflektierten Lichtes wird in die Sonde 10 zurückgeworfen und kann zur Eichung des Meßsystems ausge­ wertet werden.

Durch eine Variation der Dicke der transparenten Schei­ be 13 und der reflektierenden Fläche 16 bzw. der reflektie­ renden Schicht 14 kann das optische Verhalten verändert werden.

Zur eigentlichen Messung wird der Haltestopfen 11 an­ schließend aus dem Gehäuse 12 herausgezogen, wodurch sich die ursprüngliche Form des Haltestopfens 11 zurückbildet. Die Meßsonde 10 wird dadurch entlastet und kann aus dem Haltestopfen 11 herausgezogen und zur eigentlichen Messung eingesetzt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Kalibrierreflektorvorrichtung läßt sich bei gleichem Herstellungsverfahren das Reflek­ tionsverhalten in einfacher Weise anpassen. Das kann bei­ spielsweise durch eine Änderung der Dicke der transparenten Schicht 13 erreicht werden. Das spektrale Verhalten kann über die Pigmentierung der opaken Schicht 14 verändert wer­ den. Die transparente Scheibe 13 kann aus einem Plattenmate­ rial gestanzt werden, wobei die opake Schicht 14 im Sieb­ druckverfahren vorher aufgebracht werden kann. Daraus ergibt sich eine preiswerte, reproduzierbare Fertigung.

Die Qualität der Eichung wird vorwiegend durch die transparente Scheibe 13 und die opake Schicht 14 bestimmt. Das hat zur Folge, daß alle anderen Bauteile nach beliebigen Verfahren hergestellt werden können, da sie keine Störein­ flüsse ausüben können.

Besondere Anforderungen an die Konstruktion des Kathe­ ters für den Einsatz in vitro zur Messung der Sauerstoff­ sättigung im Blut werden nicht gestellt.

Durch die paßgenaue, im Brechungsindex angepaßte An­ kopplung der optischen Lichtleitersonde an den Reflektions­ standard werden Störreflektionen vermieden.

Claims (7)

1. Kalibrierreflektorvorrichtung für ein optisches Meßsystem, das eine optische Lichtleitersonde aufweist, mit

• - einem an einer Seite offenen Gehäuse,
• - einer reflektierenden Einrichtung im Gehäuse mit einem bestimmten und festen Reflektionsverhalten und
• - einer Positioniereinrichtung, die das vordere Ende der Lichtleitersonde im Gehäuse der reflektierenden Einrichtung gegenüber anordnet, gekennzeichnet durch eine transparente Scheibe (13), die von der offenen Seite des Gehäuses (12) aus gesehen vor der reflektierenden Einrichtung (14) ange­ ordnet ist, und dadurch, daß beim Einschieben der Positio­ niereinrichtung (11) in das Gehäuse das vordere Ende der Lichtleitersonde (10) von der Positioniereinrichtung (11) an der transparenten Scheibe (13) ohne Zwischenraum anliegend angeordnet wird.

2. Kalibrierreflektorvorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die reflektierende Einrichtung (14) aus einer reflektierenden Schicht besteht, in der re­ flektierende Partikeln angeordnet sind.

3. Kalibrierreflektorvorrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die reflektierende Schicht auf die transparente Scheibe (13) geschichtet ist.

4. Kalibrierreflektorvorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die reflektierende Einrichtung dadurch gebildet ist, daß in der Stirnwand des Gehäuses (12) reflektierende Partikeln eingebettet sind.

5. Kalibrierreflektorvorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die an die reflektierende Einrich­ tung (14) grenzende Oberfläche (16) der transparenten Schei­ be (13) in Form einer rauhen, teilweise totalreflektierenden Grenzfläche ausgebildet ist und die reflektierende Einrich­ tung (14) aus einer opaken Schicht mit niedrigerem Bre­ chungsindex besteht.

6. Kalibrierreflektorvorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positio­ niereinrichtung aus einem elastischen Stopfen (11) besteht, der eine zentrale Öffnung aufweist, in der die Lichtleiter­ sonde (10) mit Reibungswiderstand aufgenommen werden kann.

7. Kalibrierreflektorvorrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stopfen (11) an seiner Außen­ seite mit Begrenzungsanschlägen zum Positionieren im Gehäuse (12) versehen ist.