DE3921929A1 - Kathetervorrichtung mit thermo-optischem temperatursensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathetervorrichtung mit thermo-optischem Temperatursensor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei der Patientenüberwachung im Bereich der Intensiv­ medizin ist eine Kontrolle des Herz-Kreislauf-Systems von großer Wichtigkeit. Für Aussagen über die Belastung oder die Belastbarkeit des Herzens müssen die hämo­ dynamischen Grundgrößen des Herz-Kreislauf-Systems bekannt sein, d.h. es müssen Blutdruck, Blutstrommenge und Strömungswiderstand bestimmt werden. Diese Mes­ sungen sollen mit geringstmöglichem Risiko und ohne zu­ sätzliche Belastung für den Patienten in unmittelbarer Herznähe oder im Herzen selbst durchgeführt werden. Ein übliches Verfahren zur Herzdiagnostik ist die Herz­ katheterisierung. Zur Messung der Blutstrommenge oder des Herzzeitvolumens (HZV) wird ein Thermodilutions­ katheter benötigt, der die Injektion einer kalten Flüs­ sigkeit ermöglicht und einen Temperatursensor nahe am Katheterende aufweist. Durch Infusion der kalten Flüs­ sigkeit ändert sich die Temperatur an dem Temperatur­ sensor, der im Abstand von der Austrittsstelle der Flüssigkeit am Katheter angeordnet ist. Durch Zeit­ integration über den Temperaturverlauf wird das Strö­ mungsvolumen pro Zeiteinheit, und damit die Pump­ leistung des Herzens, ermittelt.

Zur Temperaturmessung im Körperinneren sind Katheter bekannt, die nahe dem patientenseitigen Katheterende einen Thermistor aufweisen, welcher in wärmeleitendem Kontakt mit der Umgebung steht. Der Thermistor ist über elektrische Drähte, die durch den Katheter hindurch­ führen, mit einer Auswerteeinrichtung verbunden. Da der Thermistor mit Spannung versorgt werden muß, entsteht bei fehlerhafter Isolierung des Thermistors ein elek­ trischer Kontakt zum Patienten, was zu einer elek­ trischen Reizung des Herzens führen kann. Thermistoren in hinreichend kleiner Ausführung sind außerdem schwer in einen Katheter einzubauen. Infolge der Flexibilität des Katheters können auch Leitungsbrüche auftreten, wodurch der Thermistor funktionsunfähig wird.

In der Zeitschrift "The Journal of Nuclear Medicine and Allied Sciences" - Vol. 23, No. 4, 1979, 173-177 und der Zeitschrift "J. Biomed. Engng." 1980, Vol. 2, October, 257-264 sind Katheter bekannt, die einen Flüs­ sigkristall-Thermosensor enthalten, welcher in opti­ schem Kontakt mit mehreren durch den Katheter hindurch­ führenden Lichtleitern steht. Der Flüssigkristall-Tem­ peratursensor wird durch einen der Lichtleiter hindurch mit dem Licht einer externen Lichtquelle beleuchtet. Das Wärmemeßprinzip beruht darauf, daß cholestrische Flüssigkristalle (CLC) ein selektives Reflektionsver­ mögen haben, das stark temperaturabhängig ist. Der Sen­ sor ist zusammen mit den Enden der Lichtleiter in einer Silberkapsel untergebracht. Die optische Kopplung des Kristalls mit den Lichtleitern erfolgt über eine Mylar-Schicht. In der Regel sind vier Lichtleiterfasern erforderlich. Hierbei handelt es sich um Quarzfasern, deren Enden zur Ankopplung sehr sorgfältig bearbeitet werden müssen. Die Konfektionierung eines solchen Katheters mit Flüssigkristall-Thermosensor ist sehr aufwendig und teuer. Die Katheter stellen aber Einmal- Artikel dar, bei denen eine einfache Herstellungsmög­ lichkeit erwünscht ist.

Aus EP-02 38 856 ist ein thermo-optischer Temperatur­ sensor bekannt, der einen Fluoreszenzkristall enthält. Dieser Sensor wird über einen Lichtleiter mit Licht­ impulsen beaufschlagt. Nach der Anregung durch einen Lichtimpuls sendet der Fluoreszenzkristall Licht einer anderen Wellenlänge mit einer zeitlich abklingenden Intensität aus. Die Abklingkurve des Fluoreszenzlichts wird ausgewertet, um die Temperatur am Fluoreszenz­ kristall zu ermitteln. Diese Vorrichtung dient vor­ wiegend für Temperaturmessungen im industriellen Be­ reich und es ist in der Regel eine Kapselung des Tempe­ ratursensors erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kathe­ tervorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei der der für den ein­ maligen Gebrauch bestimmte Katheter auf einfache Weise und kostengünstig herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Kathetervorrichtung wird als Temperatursensor ein Fluoreszenzkristall-Sensor be­ nutzt, der mit einem einzigen, durch den Katheter hin­ durchführenden Lichtleiter in optischem Kontakt steht. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Empfind­ lichkeit von Fluoreszenzkristall-Sensoren ausreicht, um die Temperaturmessung in relativ engen Bereichen mit der erforderlichen Genauigkeit, wie sie bei Kathetern in menschlichen Körpern erforderlich ist, durchgeführt werden kann. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Ankopplung des Lichtleiters an den Fluoreszenz­ kristall-Sensor auf sehr einfache Weise lediglich mit optischem Kontakt möglich ist, wobei keine bestimmten Phasenbeziehungen eingehalten werden müssen. Der Fluoreszenzkristall-Sensor muß lediglich in dem Katheter fixiert werden und es muß sichergestellt werden, daß dieser Sensor in optischem Kontakt mit dem Lichtleiter steht. Zur Erzielung eines verlustarmen Übergangs sollte das Ende des Lichtleiters einer ent­ sprechenden Fläche des Sensors planparallel gegenüber­ liegen, wobei diese Flächen vorzugsweise vollflächig gegeneinander liegen. Es ist jedoch auch möglich, daß die Flächen einen Abstand voneinander haben. Die An­ kopplung des Lichtleiters an den Sensor kann durch losen Berührungskontakt oder auch mit einem Luftspalt erfolgen. Sowohl der Sensor als auch der Lichtleiter sind im Katheter fixiert, so daß sichergestellt ist, daß ihre gegenseitige Zuordnung eingehalten wird. Bei­ spielsweise besteht die Möglichkeit, den Sensor in einer Ausnehmung des Katheters so unterzubringen, daß der Sensor eine definierte Lage beibehält, ohne daß er mit den Wänden der Ausnehmung verklebt ist. Wichtig ist, daß der Katheter in dem Sensor so festgehalten wird, daß seine relative Lage sich in Bezug auf das Ende des Lichtleiters nicht verändert.

Der Sensor ist vorzugsweise mit einem optisch transpa­ renten wärmeleitfähigen Kleber in eine Ausnehmung des Katheters eingeklebt. Die optische Kopplung zwischen Lichtleiter und Sensor erfolgt ebenfalls über den Kleber. Bei der Kathetervorrichtung wird der Kleber in die Ausnehmung des Katheters eingebracht und danach der Sensor in den Kleber eingedrückt. Der Lichtleiter, der sich in einem Lumen des Katheters befindet, wird mit seinem Ende gegen den Kleber und gegen den Sensor ge­ drückt. Nach Erhärten des Klebers besteht ein mecha­ nischer und optischer Kontakt zwischen Lichtleiter und Sensor. Die Außenseite des Sensors wird mit Kleber be­ deckt, der bündig mit der Kontur des Katheters ab­ schließt. Auf diese Weise ist der thermo-optische Tempe­ ratursensor in den Katheter integriert. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß eine Festkörperkapselung des Sensors nicht erforderlich ist und daß der Sensor ledig­ lich in den Kleber eingebettet wird. Als Kleber eignet sich ein klarsichtiger Epoxy-Kleber mit einer Transpa­ renz im Bereich zwischen 600 nm und 700 nm und einem Brechungsindex in der Nähe von 1,5. Es können aber auch andere Kleber, die medizinisch verträglich sind, ver­ wendet werden.

Als Lichtleiter eignet sich eine einfache Plastikfaser. Plastikfasern haben im Vergleich zu Quarzfasern den Nachteil einer höheren Dämpfung. Bei der benötigten Faserlänge von etwa 1,50 m ist die Dämpfung jedoch relativ unbedeutend. Plastikfasern sind leicht zu bear­ beiten. Das Zuschneiden der Faser auf die benötigte Länge kann mit einem scharfen Messer erfolgen, wobei sich Schnittflächen mit ausreichender optischer Güte ergeben, so daß ein Polieren der Schnittflächen, wie es bei Glasfasern erforderlich ist, entfällt.

Der Temperatursensor muß nicht aus einem Einkristall bestehen, sondern er kann aus Fluoreszenzkristallpulver bestehen, welches in eine Bindemittelmatrix eingebettet ist. Bei einem solchen Fluroeszenzkristallpulver ist die Verteilung des Dotiermaterials normalerweise gleichmäßiger als bei einem Einkristall.

Der Sensor kann zusätzlich zur Wärmemessung auch zur Druckmessung benutzt werden, insbesondere, wenn er aus Fluoreszenzkristallpulver besteht. Nur ein Teil des auf den Sensor auftreffenden Lichts wird zur Fluoreszenz­ erzeugung benutzt, während ein anderer Teil dieses Lichts reflektiert wird. Diese Reflektion ist abhängig von der Dichte des Sensormaterials. Wenn sich diese Dichte entsprechend dem auf das Sensormaterial einwir­ kenden Druck verändert, so kann aus dem Reflektions­ signal der Druck ermittelt werden. Eine Trennung der Fluoreszenzstrahlung und der Reflektionsstrahlung kann auf einfache Weise mit einer Filtervorrichtung erfol­ gen. Die Reflektionsstrahlung hat dieselbe Wellenlänge wie die anregende Strahlung, während die Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung hiervon verschieden ist.

Die erfindungsgemäße Kathetervorrichtung ist anwendbar in der Kardiologie, vorzugsweise zur Messung des Herz­ zeitvolumens, und bei der Gehirndruckmessung. Bei der Gehirndruckmessung kann mit dem Temperatursensor die Temperaturabhängigkeit des Drucksensors eliminiert werden.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Thermodilutionskatheter,

Fig. 2 einen Teil-Längsschnitt durch eine andere Aus­ führungsform des Thermodilutionskatheters, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Auswertung bei kombinierter Wärme- und Druckmessung.

Der in Fig. 1 dargestellte Katheter 10 besteht aus einem langgestreckten flexiblen Kunststoffschlauch, der mehrere Kanäle oder Lumen aufweist. Das Injektionslumen 11 führt zu einer Austrittsstelle 12, die im Abstand von der Katheterspitze 13 angeordnet ist. Durch das Injektionslumen 12 kann Flüssigkeit in den Körper eingeführt werden, die anschließend in Richtung zur Katheterspitze 13 strömt. Das Druckmeßlumen 14 er­ streckt sich über die gesamte Länge des Katheters und endet in einer Öffnung 15 an der Katheterspitze 13.

Durch das Druckmeßlumen 14 kann am rückwärtigen Katheterende eine Druckmessung des an der Öffnung 15 herrschenden Drucks erfolgen.

In der Nähe der Katheterspitze 13 ist ein ringförmiger Ballon 16 vorgesehen, der aufgeblasen werden kann, um den Katheter an der dafür vorgesehenen Stelle festzu­ halten. Der Ballon 16 steht mit einem Lumen 17 zum Auf­ blasen in Verbindung.

Hinter der Katheterspitze 13 und hinter dem Ballon 16 ist in einer Ausnehmung 18 des Katheters 10 der Tempe­ ratursensor 19 untergebracht. Dieser Temperatursensor 19 besteht aus einem Fluoreszenzkristall, beispiels­ weise einem Cr:YAG-Kristall. Der Sensor 19 ist stab­ förmig ausgebildet und hat einen Durchmesser von etwa 0,4 mm und eine Länge von etwa 2 mm. Er ist in die Aus­ nehmung 18 mit einem Epoxy-Kleber 20 eingeklebt und liegt auf dem Boden der Ausnehmung 18, wobei das von dem Sensor 19 nicht ausgefüllte Volumen der Ausnehmung 18 von dem Kleber 20 ausgefüllt ist. Der Kleber 20 schließt bündig mit der Umfangsfläche des Katheters 10 ab. Der Kleber 20 ist optisch durchlässig und gut wärmeleitend.

Die seitlich am Katheter 10 angebrachte Ausnehmung 18 steht mit dem in Längsrichtung des Katheters 10 ver­ laufenden Lumen 21 in Verbindung. Dieses Lumen 21 ent­ hält einen Lichtleiter 22 aus einer einzigen Plastik­ faser mit einem Durchmesser von etwa 500 µm. Dieser Lichtleiter 22 ist aus dem rückwärtigen Katheterende herausgeführt und mit einem Anschlußstecker 23 ver­ sehen.

Bei der Montage des Sensors 19 wird zunächst Kleber 20 in die Ausnehmung 18 eingegeben und dann der Sensor 19 in die seitliche Ausnehmung 18 eingesetzt. Der zuvor in das Lumen 21 eingeführte Lichtleiter 22 wird dann vor­ geschoben, bis sein Ende gegen den Kleber und gegen die Stirnseite des stabförmigen Sensors 19 stößt. Dabei entsteht zwischen dem glatt abgeschnittenen Ende des Lichtleiters 22 und dem Sensor 19 eine dünne Kleber­ schicht 20a, über die der Lichtleiter mit dem Sensor 19 mechanisch und optisch verbunden wird. Anschließend wird die Ausnehmung 18 mit Kleber ausgefüllt und die Oberfläche geglättet.

Der Katheter ist ein Thermodilutionskatheter für die Kardiologie. Wenn der Katheter im Herzen oder in Herz­ nähe positioniert ist, wird durch das Injektionslumen 11 kalte Flüssigkeit zugeführt. Diese Flüssigkeit strömt zusammen mit dem Blut an der Stelle des Sensors 19 entlang. Der Sensor 19 reagiert auf die Temperatur­ änderung. Durch Auswertung des zeitlichen Temperatur­ verlaufs kann das Herzzeitvolumen (HZV) ermittelt wer­ den, d.h. die Pumpleistung des Herzens.

Die Temperaturmessung geschieht in der Weise, daß in den Lichtleiter 22 ein kurzer Lichtimpuls eingegeben wird, der auf den Sensor 19 trifft. Zur Anregung des Sensors wird beispielsweise rotes Licht benutzt. Der Fluoreszenzkristall-Sensor erzeugt daraufhin Licht im nahen Infrarotbereich, dessen Amplitude nach einer Exponentialfunktion abklingt. Die Dauer des Abklingens des Fluoreszenzsignals ist ein Maß für die Temperatur. Die Temperaturmessung kann auch in der Weise erfolgen, daß die Intensität oder die Wellenlänge des Fluoreszenz­ signals ausgewertet wird. Die an den Lichtleiter 22 angeschlossene Auswerteschaltung kann so ausgebildet sein wie die in EP-02 38 856 A1 beschriebene Auswerte­ schaltung.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 besteht der in eine Ausnehmung 18 eingeklebte Fluoreszenzkristall- Sensor 19 aus einem Fluoreszenzkristallpulver, welches in eine Bindemittelmatrix eingebettet ist. Die optische und mechanische Kopplung zwischen dem Sensor 19 und dem Lichtleiter 22 erfolgt auch hier über eine Schicht 20a des Klebers 20, mit dem der Sensor in die Ausnehmung 18 eingeklebt ist.

Fig. 3 zeigt die Auswerteeinrichtung, die an den Licht­ leiter 22 angeschlossen ist. Diese Auswerteeinrichtung enthält eine Lichtquelle 24 in Form einer LED oder vor­ zugsweise in Form einer Laserdiode, welche Licht für die Anregung des Fluoreszenzkristalls aussendet, z. B. rotes Licht. Das Licht der Lichtquelle 24 wird über einen Strahlenteiler 25 und eine Optik 26 in den Licht­ leiter 22 eingekoppelt.

Das aus dem Lichtleiter 22 zurücklaufende Licht wird über eine Filtervorrichtung 27 aufgeteilt in Fluores­ zenzstrahlung und Reflektionsstrahlung. Die Fluores­ zenzstrahlung im nahen Infrarot wird einem ersten Foto­ detektor 28 zugeführt und die (rote) Reflektionsstrah­ lung wird einem zweiten Fotodetektor 29 zugeführt. Die Signale beider Fotodetektoren 28 und 29 werden in Ver­ arbeitungseinrichtungen 30 und 31 verarbeitet, wobei die Verarbeitungseinrichtung 30 die Temperatur ermit­ telt, während die Verarbeitungseinrichtung 31 den Druck ermittelt. Die Verarbeitungseinrichtungen 30 und 31 sind mit einer Steuereinrichtung 32 verbunden, die die Aussendung der Lichtimpulse durch die Lichtquelle 24 und die Auswertung der Temperatur- und Drucksignale steuert. Die Verarbeitungseinrichtung 30 kann in der Weise aufgebaut sein wie in EP-02 38 856 beschrieben. Die Verarbeitungseinrichtung 31 mißt den Reflektions­ index des roten Lichts, das an dem Übergang zwischen Lichtleiter 22 und Sensor 19 reflektiert wird. Dieser Reflektionsindex ist abhängig von dem auf den Sensor 19 einwirkenden Druck.

Claims (6)

1. Kathetervorrichtung mit thermo-optischem Tempe­ ratursensor, mit einem flexiblen Katheter (10), in den der in thermischem Kontakt mit der Umgebung stehende Temperatursensor (19) integriert ist, und mit einem durch den Katheter (10) führenden Licht­ leiter (22), dessen eines Ende mit dem Temperatur­ sensor (19) in Kontakt ist und dessen anderes Ende an eine pulsierend betriebene Lichtquelle (24) und an eine einen Fotodetektor (28) enthaltende Aus­ werteeinrichtung (30, 31) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (19) ein Fluoreszenz­ kristall-Sensor ist.

2. Kathetervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Temperatursensor mit einem optisch transparenten, wärmeleitfähigen Kleber (20) in eine Ausnehmung (18) des Katheters (10) eingeklebt und über den Kleber (20a) optisch mit dem Lichtleiter (22) gekoppelt ist.

3. Kathetervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (19) aus Fluoreszenzkristallpulver besteht, welches in eine Bindemittelmatrix eingebettet ist.

4. Kathetervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur­ sensor (19) die aus dem Lichtleiter (22) auf ihn auftreffende Strahlung mit einem sich druckab­ hängig verändernden Reflektionsfaktor reflektiert und daß eine Filtervorrichtung (27) vorgesehen ist, die die Fluoreszenzstrahlung auf einen ersten Fotodetektor (28) und die Reflektionsstrahlung auf einen zweiten Fotodetektor (29) leitet.

5. Kathetervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (24) eine Laserdiode ist.

6. Kathetervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (22) aus einer einzigen Plastikfaser besteht.