DE69331185T2

DE69331185T2 - Intra-cranialer Druckmonitor und Drainagekatheter

Info

Publication number: DE69331185T2
Application number: DE1993631185
Authority: DE
Inventors: Ronald B. Beckman; John P. Hall
Original assignee: Edwards Lifesciences Corp
Current assignee: Edwards Lifesciences Corp
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2013-03-27
Also published as: EP0617913B1; DE69331185D1; EP0617913A1

Description

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drucküberwachungs-Kathetersystem zur Überwachung eines Fluiddrucks, wahlweise bei gleichzeitiger Entfernung eines Teils des Fluids oder Infusion eines zweiten Fluids in dieses. In der bevorzugten Form betrifft die Erfindung eine monitor-gesteuerte Intrakranial-Kathetervorrichtung, die einen Dualhohlraumkatheter einschließt, der an der distalen Spitze ein In-situ-Drucküberwachungsgerät zur kontinuierlichen Überwachung des Intrakranialdrucks über einen Hohlraum hat, während wahlweise gleichzeitig die Drainage oder Probennahme von Zerebrospinal-Fluid durch den anderen Hohlraum durchgeführt wird.

BESCHREIBUNG DES BEKANNTEN TECHNISCHEN STANDES,

Der Schädel ist ein Knochengehäuse mit feststehendem Volumen, der drei Typen von Substanzen enthält - Blut, Gehirnmasse und Zerebrospinal-Fluid, die jeweils einen Anteil dieses Volumens einnehmen. Wenn der Anteil des Volumens einer der drei zunimmt, ohne daß gleichzeitig die Anteile der beiden anderen abnehmen, erhöht sich der Intrakranialdruck. Da das Gehirn eine begrenzte Kapazität hat, sich Änderungen im Intrakranialvolumen anzupassen, verursacht eine geringe Volumenzunahme nach Erreichen dieser Grenze einen signifikanten Anstieg im Intrakranialdruck.
Die Aufrechterhaltung des zerebralen Blutflusses zur Bereitstellung von ausreichend Sauerstoff und Glucose für das Gehirn ist von kritischer Bedeutung. Eine Zunahme des Volumens des Gehirns oder des zerebralen Spinal-Fluids im Ergebnis eines Traumas und dergleichen schränkt jedoch den Blutfluß entsprechend ein und kann ihn vollständig stoppen, wenn die Fluid-Zunahme groß genug ist, um das Gehirn an der Schädelbasis einzuklemmen. In diesen Fällen tritt der Tod ein.
Da es nicht praktikabel ist, den zerebralen Blutfluß am Krankenbett zu überwachen, wird ein Algorithmus auf der Grundlage des Verhältnisses zwischen dem mittleren arteriellen Druck (MAP), dem Intrakranialdruck (ICP) und dem zerebralen Perfusionsdruck (CPP) angewendet, um den Blutfluß im Gehirn zu berechnen (CPP = MAP - ICP). Folglich ist ein zufriedenstellendes Mittel zur Überwachung des Intrakranialdrucks durch Einbringung eines Druckwandlers in den intraventrikulären, subarachnoidalen oder intraparenchymalen Raum von äußerster Bedeutung für die Behandlung von Kopfverletzungsfällen und wird seit langem gesucht.
Vorrichtungen zur Überwachung des Drucks an verschiedenen Stellen innerhalb des Körpers sind bekannt. Die frühesten Geräte zur Drucküberwachung arbeiten mit einer druckempfindlichen Membran im Kontakt mit einer Säule eines sterilen Fluids, die sich innerhalb eines Katheters befindet, der in das Blutgefäß, das Gehirn oder einen anderen Abschnitt mit einem interessierenden Fluiddruck eingebracht wird. Der Druck, der durch das Fluid, beispielsweise die zerebrospinale oder cephalorachitische Flüssigkeit, ausgeübt wird, wird durch die Fluidsäule innerhalb des Katheters auf einen außerhalb befindlichen Druckwandler übertragen, der das Drucksignal in eine analoge oder digitale Form umwandelt, die für die Anzeige auf einem Überwachungsgerät, wie beispielsweise dem üblicherweise für die Überwachung des Blutdrucks eingesetzten, umwandelt. Drucküberwachungsgeräte, die mit einer Fluidsäule arbeiten, werden jedoch leicht durch Bakterien oder Luftblasen kontaminiert. Luftblasen in der Leitung verzerren die Druckmeßwerte, und durch eine bakterielle Kontamination des Fluids kann der Patient unbeabsichtigt einer Sepsis ausgesetzt werden.
Bei den fluidgekoppelten Systemen, die zur Überwachung des Intrakranialdrucks eingesetzt werden, erfolgt der Zugang zu den Kammern des Gehirns mit Hilfe eines Ventrikelkatheters oder von Bolzen, die durch den Schädel eingebracht werden. Da die zu überwachenden Drücke verhältnismäßig niedrig sind (0 bis 50 mm Hg), können die hydrostatischen Wirkungen der Fluidsäule die Anzeigewerte beeinträchtigen. Außerdem kann die Fluidsäule die Frequenzreaktion des Systems beeinträchtigen.
Um die Risiken und Nachteile auszuschließen, die Kathetern innewohnen, die mit einer Fluidsäule für die Übertragung des Druckmeßwertes arbeiten, wurden verbesserte Drucküberwachungsgeräte entwickelt, bei denen die druckempfindliche Membran, die sich am distalen Ende des Katheters befindet, mit einem elektrischen oder optischen Mittel zur Erzeugung eines Drucksignals und dessen Übertragung zum proximalen Ende des Katheters und damit zum Druckwandler und Monitor gekoppelt sind. Die elektrischen Drucküberwachungsmembranen sind im typischen Fall mit einer miniaturisierten Wheatstoneschen Dehnungsmeßbrücke ausgestattet, die eine Reihe von Widerständen aufweist, deren Widerstand im Verhältnis zu dem Abstand von der Nullposition modifiziert wird, um den die Membran des Drucksensors durch den ausgeübten Druck verschoben wird. Elektrische Drucksensoren werden üblicherweise in Krankenhäusern zur kontinuierlichen Überwachung des Blutdrucks und dergleichen eingesetzt. Aus diesem Grund setzen Krankenhäuser Monitore ein, die für den Empfang eines elektrischen Ausgangs vom Wheatstone-Brücken-Drucksensor und dessen Umwandlung in einen Druckmeßwert unter Anwendung der allgemein bekannten Technologie geeignet sind. Folglich könnte ein Intrakranialdruck- Überwachungskatheter, der mit einem elektrischen Drucksensor arbeitet, direkt an einen Druckmonitor angeschlossen werden, wie er in den meisten Zimmern im Krankenhaus vorhanden ist, ohne daß ein kostspieliger, zwischengeschalteter Meßwandler eingesetzt wird, um das Signal in ein Format zu modifizieren, das mit dem Monitor kompatibel ist.
Bei der Entwicklung einer Drucküberwachungsvorrichtung zur Überwachung des Intrakranialdrucks müssen jedoch spezielle Erwägungen berücksichtigt werden. Allen elektrischen Drucküberwachungssensoren ist das Risiko eines elektrischen Schlags eigen, der sie u. U. für das Einbringen in das Innere des Gehirns ungeeignet machen kann. Die Einführung von elektrischen Strömen in das Gehirn ist mit dem Risiko einer permanenten Schädigung behaftet.
Bei optischen Drucküberwachungswandlern wird dieses Risiko vermieden. Optische Drucksensoren arbeiten im allgemeinen mit einer lichtreflektierenden Membran, die an der distalen Spitze einer Lichtleitfaser angeordnet ist. Die Verschiebung der reflektierenden Membran durch den ausgeübten Druck ändert, abhängig vom Typ des eingesetzten reflektierenden Sensors, die Intensität und/oder andere Spektraleigenschaften des reflektierten Lichtsignals. Beispielsweise legt die europäische Patentanmeldung 0 127 476, die der Camino Laboratories, Inc., gehört, einen optischen Druckkatheter offen, der einen Satz von Lichtleitfasern zur Übertragung eines Lichtstrahls zu und von einem Wandler hat, der die Intensität des reflektierten Lichtes in Übereinstimmung mit dem gemessenen Druck moduliert. Am distalen Ende des Katheters befindet sich ein Fotoelement, das einen durch Druck zusammendrückbaren Balg aufweist, und ein Fotodetektor, der sich am proximalen Ende des Katheters befindet, mißt die modulierte Intensität des reflektierten Strahls und erzeugt ein entsprechendes Meßsignal. Optische Wandler, die auf der Grundlage der Prinzipien der Intensitätsmodulation arbeiten, haben jedoch den Nachteil, daß jede Krümmung der Faseroptik die Intensität des reflektierten Lichtes störend herabsetzt.
Um diese Fehlerquelle zu beseitigen, enthält der Camino-Katheter vorzugsweise außerdem einen zweiten Satz von Lichtleitfasern zur Übertragung eines Referenzlichtstrahles zu und von der Stelle des Sensors. Der Referenzlichtstrahl wird zu einem zweiten Fotoelement gesendet, das die Intensität des reflektierten Referenzlichtstrahles mißt und ein Korrektursignal erzeugt, das die Schwankungen im Transmissionsfaktor, die durch Biegen des Katheters verursacht werden, kompensiert.
Einer der Nachteile des Camino-Systems für die Überwachung des Intrakranialdrucks besteht darin, daß ein spezielles, selbständiges Anpassungsmodul, wie beispielsweise das von den Camino Laboratories hergestellte, erforderlich ist, um den Druck anzuzeigen und die Verbindung zu den verschiedenen branchenüblichen Patienten-Überwachungsgeräten herzustellen. Die Nullstellung ist ebenfalls vom Anpassungsmodul abhängig, das die Eigenschaften des einzelnen Sensors "liest" und die Nullstellung mit Hilfe einer Schraubenregulierung bereitstellt. Außerdem müssen Intrakranialdruck- Katheter, die auf der modulierten Intensität des reflektierten Strahls basieren, eine sehr starre Bauweise haben, um den durch das Biegen der Lichtleitfasern verursachten Fehler zu verringern, und werden daher mit Hilfe eines Bolzens in den Schädel eingebracht. Die zuverlässigsten Intensitätsmodulationskatheter sind, da sie vier Lichtleitfasern brauchen, größer, invasiver und folglich inhärent gefährlicher als wünschenswert.
Bekannt sich auch optische Druckwandler, welche die Wellenlänge des reflektierten Lichtes in Übereinstimmung mit der zu messenden Variablen modulieren. Beispielsweise beschreiben die US-PS 4 329 058 und 4 678 904 einen optischen Wandler, der einen optisch resonanten Sensor hat, durch den die Wellenlänge des reflektierten Lichtes modifiziert wird, wenn die reflektierende Membran durch ausgeübten Druck gegenüber der Nullposition abgelenkt wird. Bei dieser Art von Druckwandler wird ein Fabry-Pérot- Interferometer in den reflektierenden Sensor einbezogen.
Das Fabry-Pérot-Interferometer arbeitet nach allgemein bekannten Prinzipien, wonach der Spalt zwischen zwei reflektierenden Flächen eine Vielzahl von Reflexionen und Aufspaltungen eines einzelnen Strahles einfallenden Lichts verursacht, so daß die konstruktive und destruktive Interferenz der Komponenten des einfallenden Lichtstrahls mehrmals auftreten kann. Insofern, als eine inhärente Phasenumkehrung eintritt, wenn Licht von einem dichteren Medium auf ein weniger dichtes Medium reflektiert wird (wenn es beispielsweise durch die Membran des optischen Sensors in die Luft oder ein anderes Medium im Fabry-Pérot-Spalt gelangt), ist es möglich, daß die reflektierten Lichthauptstrahlen in einem Spalt mit einer Breite annulliert werden, die gleich einem Vielfachen der Halbwellenlängen des einfallenden Lichtes ist. Lichtstrahlen, die durch den Fabry-Pérot-Spalt und die Oberfläche des Sensors weitergeleitet werden (diejenigen, die keine Halbwellenlängen haben, die ein Vielfaches der Spaltbreite sind), durchlaufen eine gerade Anzahl von Reflexionen, so daß die gerade Anzahl der Phasenumkehrungen im Fall der oben beschriebenen Phasenumkehrung keine Netto-Phasenumkehrung erzeugt. Diese Lichtstrahlen, die durch den Spalt weitergeleitet werden, sind in konstruktiver Interferenz miteinander und werden daher durch den Spalt übertragen und zur Verarbeitung zur Fotoelement-Baugruppe zurückgeführt. Unter den Bedingungen eines hohen Reflexionsvermögens verringert selbst eine geringe Schwankung in der Frequenz des Lichtes, die durch den Durchgang durch das Fabry-Perot-Interferometer verursacht wird, drastisch die Weiterleitung der frequenzgeänderten Lichtstrahlen.
Auf der Grundlage dieser Prinzipien (weitere Informationen siehe in Handbook of Physics, 2d, veröffentlicht von McGraw-Hill, Abschnitt 7, Kapitel 5, Teil 6) kann ein Fabry-Pérot-Sensor mit einer verschiebbaren Membran zur Überwachung einer physikalischen Variablen, wie beispielsweise des ausgeübten Drucks, der Temperatur, der Gasdichte oder des pH-Wertes, eingesetzt werden. Bei der Arbeit variiert die Spaltbreite als eine Funktion des zu messenden physikalischen Parameters. Folglich kann die Breite des Spaltes, die einem ausgeübten Druck entspricht, zur Messung des Drucks genutzt werden. Wie ebenfalls bekannt ist, können Fotodetektorschaltungen den einfallenden und den reflektierten Lichtstrahl leicht vergleichen, um die Breite des Fabry-Pérot-Spaltes zu bestimmen und daraus die Größe der gemessenen Variablen zu berechnen. Beispielsweise kann das Multisensor-System Modell 1400, das von Metricor (Woodenville, Washington) hergestellt wird, mit einem Fabry-Pérot-Sensor eingesetzt werden, um Druckmeßwerte festzustellen, die durch eine so geringe Änderung in der Spaltbreite wie ein einziges Angstrom erzeugt werden.
Die Änderungen in der Intensität oder in der Wellenlänge der reflektierten Lichtstrahlen können in ein Signal umgewandelt werden, das mit herkömmlichen Monitoren kompatibel ist, um als digitale Anzeige oder Meßwert durch einen geeigneten Druckwandler dargestellt zu werden. Bekannte Druckwandler mit dieser Fähigkeit, wie beispielsweise die für die Überwachung des Intrakranialdrucks geeigneten, sind jedoch teuer und unhandlich. Beispielsweise legen die US-PS 4 611 600, 4 703 174 und 4 705 047 verschiedene Typen von Wandlerschaltungen offen, die dafür geeignet sind, reflektierte Lichtstrahlen zu empfangen und sie zu verarbeiten, um Signale an den Monitor zu erzeugen, die den Wert des interessierenden Parameters angeben. Es besteht jedoch ein starke Notwendigkeit für einen billigen optischen Druckwandler, vorzugsweise einen, der mit den modernen Mikroschalttechniken arbeitet, der mit der Ausgangsspannung eines herkömmlichen Krankenhaus-Drucküberwachungsgeräts arbeitet und ein modifiziertes elektrisches Signal (wie beispielsweise das durch den Ausgang von einer elektrischen Wheatstoneschen Dehnungsmeßbrücke zugeführte) erzeugt, das für die Eingabe in den gleichen, am Krankenbett aufgestellten Monitor geeignet ist.
Intrakranialdruck-Überwachungsgeräte werden zur Überwachung von gefährlich hohen Intrakranialdrücken gebraucht. Ein Mittel zur Senkung eines erhöhten Intrakranialdrucks ist die Drainage von Zerebrospinal-Fluid. Folglich besteht nicht nur ein Bedarf für Intrakranialdruck-Überwachungsgeräte, sondern auch für Geräte zur Drainage von Fluid aus dem Gehirn, ohne unnötige Schäden hervorzurufen.
Das Drucküberwachungsgerät muß durch ein Bohrung in das Innere des Schädels eingebracht werden. Wenn ein zweites Loch gebohrt wird, um eine Drainage einzusetzen, wird offensichtlich das Traumarisiko verdoppelt. Folglich besteht die Notwendigkeit für ein einziges Gerät, das in der Lage ist, gleichzeitig den Intrakranialdruck zu überwachen und Zerebrospinal-Fluid abzuleiten.
Vorrichtungen zur gleichzeitigen optischen Drucküberwachung und Drainage sind bekannt. Beispielsweise kann der Camino-Intensitätsmodulationssensor mit einer zusätzlichen Drainage eingesetzt werden, die durch einen Bolzen in den Schädel eingebracht wird. Die Vorrichtung ist jedoch bruchanfällig, braucht eine große Bohrung, um den Bolzen aufzunehmen, und wird aus Standardverbindern montiert, die leckanfällig sind und daher eine Infektionsquelle darstellen. Eine Vorrichtung zur optischen Drucküberwachung und Drainage ist jedoch außerordentlich wünschenswert, da die Genauigkeit von Intrakranialsensoren mit einer Fluidsäule durch die gleichzeitige Drainage von Zerebrospinal-Fluids beeinträchtigt wird. Gebraucht wird ein integriertes Lichtleitfaser-Druckwandler-System mit gleichzeitiger Drainage, das über einen billigen Prozessor an herkömmliche Monitore angeschlossen werden kann.
Alle Drucküberwachungssysteme müssen geeicht werden. Bei Drucküberwachungssystemen, die mit zwei Fluidreservoiren arbeiten, die durch eine Membran getrennt sind, wie beispielsweise dem Fluidsäulen-Drucksensor, steht in der Regel ein Reservoir mit der lokalen Atmosphäre in Druckverbindung, während das andere, der ausgeübte Druck, mit der zu messenden Druckquelle verbunden ist. Wenn auch der Luftdruck kurzzeitig am Eingang des ausgeübten Drucks angelegt wird, bewegt sich die Membran in die Nullpunkt-Position, und es kann der Nulldruck-P-Abweichungsfehler gemessen werden. Ein implantierter Katheter, wie beispielsweise ein Intrakranialkatheter, kann jedoch nicht zur Eichung herausgenommen und wieder eingesetzt werden, ohne ein Infektionsrisiko einzuführen. Folglich muß die Eichung vor Ort, im Gehirn, erfolgen.
Ein Mittel zum Eichen eines Drucksensors ist die Bereitstellung eines Substitutions- Druckwandlersystems zur Erzeugung eines bekannten Prüfdrucks, der als geeichter Ausgang, der den Pegel des bekannten Drucks angibt, auf dem Überwachungsgerät dargestellt wird. Ein anderes Verfahren ist dasjenige, das beim Katheterspitzen-Druckwandler Modell CT/6FB, der von der Medical Measurements Incorporated hergestellt wird, angewendet wird. Bei diesem System wird der Sensor, der einen mechanischen Anschlag zur Anzeige der Nulldruck-Position des Wandlers einschließt, in vivo drucklos gemacht und unter Anwendung eines Mikromanometers geeicht, um bekannte Prüfdrücke bereitzustellen. Folglich können der Nulldruck-Fehler und der Eichfehler bestimmt werden. Bei Drucksensoren, die bei der Überwachung des Intrakranialdrucks eingesetzt werden, ist es besonders wünschenswert, den Sensor vor Ort zu eichen, so daß der Sensor für bis zu fünf Tage an Ort und Stelle verbleiben kann, um dadurch die Risiken einer Infektion und dergleichen auf ein Minimum zu reduzieren. Folglich besteht die Forderung nach neuen und verbesserten Drucküberwachungssystemen, wie beispielsweise einem Dualhohlraumkatheter zur Überwachung des Fluiddrucks über einen ersten Hohlraum, während gleichzeitig eine Menge des zu messenden Fluids entnommen oder ein zweites Fluid durch einen zweiten Hohlraum infundiert werden. Und zur Überwachung des Intrakranialdrucks wird ganz besonders eine integrierte Intrakranialdruck-Überwachungs- und Drainagevorrichtung gebraucht, vorzugsweise eine, die mit einem Fabry-Perot-Sensor arbeitet und ein Ausgangssignal für Krankenhaus-Standardmonitore bereitstellt, das "aussieht wie" das Signal, das von Wheatstone-Brücken-Dehnungsmeßsensoren erzeugt wird.
Die internationale Patentanmeldung WO91/05575 der Autoren legte einen Katheter offen, der in der Grundform ein Kathetergehäuse mit wenigstens einem Hohlraum aufweist, das ein Drucksensormittel zur Erzeugung eines Drucksignals enthält, wobei dieses Drucksignal mit einem Wandlermittel in Verbindung steht, um das Druckausgangssignal vom Sensor in elektrische Signale umzuwandeln. Der Sensor hat wahlweise eine Lüftung, um über den ersten Hohlraum die Fluidverbindung mit einem Referenzdruck herzustellen. Der Katheter enthält üblicherweise einen zweiten Hohlraum, der als Fluidleitung für die Infusion oder Drainage von Fluids durch den Katheter während der Drucküberwachung dient. Außerdem hat der zweite Hohlraum eine geschlossene Spitze und ist für die Aufnahme einer kleinen Sonde geeignet, die darin als Versteifungsmittel eingeführt wird, während der Katheter im Gehirn oder an einer anderen Operationsstelle gelegt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Übersetzung ist in Anspruch 1 definiert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Katheter ein Mehrhohlraumkatheter mit wenigstens drei Hohlräumen, dem Druckmeßhohlraum, dem Drainagehohlraum und einem Hohlraum für das Einsetzen einer Sonde. Eine Sonde kann in die Einführungsöffnung, die eine Seitenöffnung ist, eingesetzt und durch den Hohlraum zur distalen Spitze des Katheters hin geführt und als Versteifungsmittel genutzt werden, während der Katheter in das Gehirn des Patienten vorgeschoben wird.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat der Katheter sechs Hohlräume: einen Druckmeßhohlraum, drei Drainagehohlräume, einen Sondenhohlraum mit der Seitenöffüung zur Einführung der Sonde und einen Hohlraum für ein Zugelement oder Versteifungselement.
Der oben beschriebene Katheter ist vorzugsweise ein integrierter Intrakranialdruck-Überwachungs- und Drainagekatheter, der in einer Drucküberwachungsvorrichtung zur Anwendung kommt, die in ihrer Grundform folgendes umfaßt: eine Lichtquelle, ein oder mehrere Lichtübertragungsmittel, einen oder mehrere Spektralmodulationssensoren mit optisch resonanten Strukturen, ein Fotodetektormittel zur Umwandlung des Ausgangslichts von dem(den) Spektralmodulationssensor(en) in elektrische Signale des Typs, wie sie von einem Wheatstone-Brücken-Piezowiderstandsdruckmesser erzeugt werden, und ein Monitormittel für den Empfang der Signale und die Anzeige der Druckmessung(en). Der Katheter erlaubt die gleichzeitige Intrakranialdruck-Überwachung und Drainage von Zerebrospinal-Fluids.
Es ist ein Merkmal des bevorzugten Ausführungsbeispiels, daß der Monitor die Erregungsspannung für den Fotodetektor bereitstellt und daß der Fotodetektor die Erregungsspannung maßstäblich ändert, um das (die) Meßsignal(e) zu erzeugen, die zum Monitor zurückgeführt werden, um als die Druckmessung(en) dargestellt zu werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine Darstellung des Katheters und der Sonde, die in WO91/05575 offengelegt werden.
Fig. 2 ist ein Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels des Katheters von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Kathetervorrichtung, die mit einem Spektralmodulationssensor arbeitet.
Fig. 4 ist eine Darstellung eines Spektralmodulationssensors.
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung einer Kurve des Reflexionsvermögens für eine optisch resonante Struktur.
Fig. 6 zeigt einen Abschnitt der Kurve von Fig. 5 während der Arbeit des Spektralmodulationssensors.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Kathetervorrichtung, die mit einem Spektralmodulationssensor mit einem quotientenmetrischen Fotodetektor arbeitet.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Kathetervorrichtung, die mit zwei Spektralmodulationssensoren mit einem quotientenmetrischen Fotodetektor arbeitet. Fig. 9 ist eine grafische Darstellung des spektral modulierten Ausgangslichts von einem Spektralmodulationssensor mit einem mehrere Wellenlängen aufweisenden Eingangslicht.
Fig. 10 ist ein Querschnitt eines Spektralmodulationssensors mit einem Nullanschlag.
Fig. 11 ist eine Darstellung des Sensors von Fig. 10 unter ausgeübtem Druck.
Fig. 12 ist eine teilweise aufgerissene Darstellung der Kathetervorrichtung, die mit einem Intensitätsmodulationssensor arbeitet.
Fig. 13 ist eine Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Katheters der vorliegenden Erfindung, der sechs Hohlräume, einschließlich eines Sondenhohlraums, hat.
Fig. 14 ist eine Darstellung einer Sonde für den Einsatz bei dem in Fig. 13 gezeigten Katheter.
Fig. 15 ist ein Querschnitt des in Fig. 13 gezeigten Katheters auf der Linie 15-15 von Fig. 13.
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung des Einsetzens einer Sonde in die Seitenöffnung des Sondenhohlraums des Katheters, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 17 ist eine schematische Darstellung des Vorschiebens des Katheters des bevorzugten Ausführungsbeispiels in die Ventrikel des Gehirns unter Nutzung einer Sonde, die in die Seitenöffnung des Sondenhohlraums eingesetzt worden ist.
Fig. 18 ist eine schematische Darstellung des Herausnehmens der Sonde aus der Seitenöffnung des Sondenhohlraums des Katheters.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es wird nun der Katheter von WO91/05575 als Hintergrund beschrieben.
Der Katheter ist ein Dualhohlraumkatheter, der für das Einsetzen in die ventrikulären oder parenchymalen Räume des Gehirns von Menschen und anderen Säugetieren zum Messen des Intrakranialdrucks und zur gleichzeitigen Drainage von Zerebrospinal-Fluids ausgelegt ist. Wie in Fig. 1 gezeigt wird, weist der Katheter ein Kathetergehäuse 54 auf, das einen ersten Hohlraum 70 und einen wahlweisen zweiten Hohlraum 72 umschließt.
Das Kathetergehäuse 54 ist ein längliches, flexibles Rohr, das mit Ausnahme der Sensoröffnung 76 am distalen Ende geschlossen ist, um das Einsetzen des Katheters in die Umgebung, deren Druck überwacht werden soll, zu erleichtern. Die Sensoröffnung 76 öffnet sich in das distale Ende des ersten Hohlraums 70 und stellt einen äußeren Fluidzugang zum Drucksensor bereit.
In der Regel wird das Kathetergehäuse 54 aus einem biokompatiblen Kunststoffmaterial, vorzugsweise Silikonkautschuk, stranggepreßt. Das Kathetergehäuse 54 ist länglich, flexibel und für die Durchführung durch ein Bohrung im Schädel und die Aufnahme innerhalb des Gehirns bemessen.
Der erste Hohlraum 70 verläuft kontinuierlich vom proximalen Ende zur Sensoröffnung 76 an der distalen Spitze des Kathetergehäuses und hat einen Durchmesser zwischen etwa 0,13 und 1,3 mm (0,005 und 0,050 Zoll), um einen Drucksensor und ein Mittel zur Übertragung eines Signals, das Informationen zu der vom Sensor vorgenommenen Druckmessung enthält, an das proximale Ende des Kathetergehäuses 54 aufzunehmen.
Bei dem Drucksensor kann es sich um jede bekannte Drucksensoreinheit handeln, die für das Einsetzen in einen Katheter geeignet ist. Bei Operationen sind jedoch vor allem Katheter von Nutzen, die ein am wenigsten intrusives Mittel zur Druckmessung verlangen. Daher wird der Drucksensor üblicherweise so ausgewählt, daß der Durchmesser des ersten Hohlraums 70 minimiert werden kann.
Nicht als Einschränkung zu betrachtende Beispiele für Typen von Drucksensoren, die innerhalb des ersten Hohlraums untergebracht werden können, gliedern sich nach vier Typen. Die ersten sind Fluidsäulen-Sensoren, bei denen die Druckmessung vom distalen zum proximalen Ende des Kathetergehäuses über eine Fluidsäule übertragen wird. In der Regel erzeugt ein Wandler, der außerhalb des Kathetergehäuses angeordnet ist, auf der Grundlage des durch die Fluidsäule bereitgestellten Meßsignals ein elektrisches Signal. Ein zweiter Sensortyp arbeitet mit Piezowiderstandsdrucksensoren, bei denen die Widerstandsänderung von kleinen Widerständen, die sich im Sensor auf einer druckempfindlichen Membran am distalen Ende des Katheters befinden, das Druckmeßsignal erzeugt. Das elektrische Druckmeßsignal wird über elektrische Leitungen, die sich innerhalb des ersten Hohlraums befinden, zu einem Wandler übertragen, der sich üblicherweise vollständig außerhalb des Kathetergehäuses befindet. Ein dritter Typ von Drucksensor arbeitet mit optischen Mitteln zur Erzeugung des Druckmeßsignals am distalen Ende des Kathetergehäuses und zur Übertragung des Signals zu dessen proximalem Ende. Optische Drucksensoren übertragen das Drucksignal in der Regel mit Hilfe von wenigstens einer Lichtleitfaser, die sich innerhalb des ersten Hohlraums des Kathetergehäuses befindet.
Es gibt zwei bekannte Grundtypen von optischen Druckwandlern, zum einen die, die ein Drucksignal durch Feststellung des Grades erzeugen, bis zu dem die Intensität eines Quellenlichtstrahles moduliert wird, wenn er von einer beweglichen, druckempfindlichen Membran reflektiert wird, und zum anderen die, die ein Drucksignal durch Feststellung der konstruktiven und destruktiven Interferenz in einem Quellenlichtstrahl erzeugen, wenn dieser von einer beweglichen, druckempfindlichen Membran reflektiert wird. Der letztgenannte Sensortyp, der mit einer optisch resonanten Struktur arbeitet, wird hier bevorzugt, da diese Sensoren so ausgeführt werden können, daß sie ein Drucksignal erzeugen, das mit dem Druck über dem gewünschten Druckbereich linear ist, und da bei diesen Sensoren nur eine einzige Lichtleitfaser gebraucht wird, sie aber Messungen von hoher Genauigkeit ergeben.
Wenn ein optischer Drucksensor innerhalb des ersten Hohlraums untergebracht ist, wie das in Fig. 1 gezeigt wird, überträgt der Sensor das optische Meßsignal über ein Lichtleitfasermittel, das vom ersten Hohlraum ausgeht und auf dem sich ein Prüfanschluß 87 und ein Lichtleitfaser-Verbinder 86 befinden, um die optische Verbindung herzustellen, bis zu einem Fotodetektormittel (nicht gezeigt), mit dem es in optischer Verbindung steht.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird, enthält das Kathetergehäuse 54 wahlweise einen zweiten Hohlraum 72 für den Transport von Fluids zwischen dem distalen und dem proximalen Ende des Kathetergehäuses 54. Der zweite Hohlraum 72 kann jede Querschnittsfläche haben, die für die Anwendung, für die er vorgesehen ist, geeignet ist. Wenn der Hohlraum 72 beispielsweise als Drainage für die Ableitung von Zerebrospinal- Fluid eingesetzt wird, hat er einen Durchmesser zwischen etwa 0,0625 und 0,25 cm (0,025 und 0,100 Zoll) und verläuft kontinuierlich vom proximalen zum distalen Ende des Kathetergehäuses, wobei er sich am distalen Ende außerhalb des Kathetergehäuses 54 durch eine Öffnung öffnet. Am proximalen Ende wird der wahlweise Hohlraum 72 durch ein geeignetes Befestigungsmittel 78, vorzugsweise eines mit einer Drainageöffnung, wie beispielsweise ein Lüer-Verschlußzubehörteil, fluiddicht an der Drainageleitung 66 befestigt. Die Drainageleitung 66 kann durch jedes flexible Schlauchmaterial, wie beispielsweise einen üblicherweise im Krankenhaus eingesetzten Polyvinylchloridschlauch, gebildet werden.
Das Kathetergehäuse 54 hat vorzugsweise eine Länge von etwa 15 cm (6 Zoll), und eine Vielzahl von Öffnungen 67, die sich in den zweiten Hohlraum 72 öffnen, ist mit Zwischenraum längs des distalen Endes, vorzugsweise längs etwa der äußersten 1,3 cm (ein halb Zoll), des Kathetergehäuses angeordnet. Besonders bevorzugt wird der Fall, daß die Öffnungen 67 Bohrungen mit einem Durchmesser von etwa 0,13 bis 1,3 mm (0,005 bis 0,050 Zoll) sind und die Bohrungen in drei Reihen über die Länge des Kathetergehäuses angeordnet sind, vorzugsweise in Abständen von 2,5 mm (0,100 Zoll), um einen unbehinderten Fluß von Zerebrospinal- oder einem anderen Fluid durch diesen zuzulassen.
Wahlweise ist der erste Hohlraum 70 mit dem Sensor, der sich im ersten Hohlraum 70 befindet, über eine Lüftung 62 (die in Fig. 10 und 11 gezeigt wird) in Fluid-Verbindung und wird für die Lüftung des Sensors in die Atmosphäre oder für die Ausübung eines Referenzdrucks, wie beispielsweise des Luftdrucks, auf den Sensor genutzt, um die In-situ-Eichung vorzunehmen, wie das unten ausführlicher erklärt wird.
Außerdem ist der zweite Hohlraum 72 wahlweise dafür geeignet, eine Sonde 74 aufzunehmen, die ein schlanker, steifer Stab aus einem nicht-brüchigen Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Metall, ist und an einem Ende ein Griffmittel, wie beispielsweise eine Schlinge 99, hat, um die Sonde einzuführen und herauszunehmen. Wenn die Sonde 74 in den zweiten Hohlraum 72 eingesetzt worden ist, bietet sie dem Kathetergehäuse Steifigkeit, während dieses in das Gehirn eingeführt wird, und kann anschließend herausgenommen werden, so daß der zweite Hohlraum 72 als Fluidleitung genutzt werden kann.
Bei einem Beispiel, das in Fig. 2 im Querschnitt gezeigt wird, sind der erste Hohlraum 70 und der zweite Hohlraum 72 allgemein wie ein Schlauch innerhalb eines Schlauches angeordnet. Der erste Hohlraum ist dafür ausgelegt, eine oder mehrere Faseroptiken aufzunehmen, und wird gebildet von einem Schlauch 75 mit einem vergleichsweise kleineren Durchmesser, beispielsweise 0,41 mm (0,016 Zoll), als dem Durchmesser des Gehäuses 54, der beispielsweise 4,3 mm (0,170 Zoll) beträgt. Wie außerdem in Fig. 2 gezeigt wird, ist der erste Hohlraum 70 fest längs einer Innenseite des größeren Hohlraums 72 angebracht, derartig, daß der verbleibende offene Raum innerhalb des Gehäuses eine zweite, unregelmäßig geformte Leitung 66 bildet, wobei das Äußere des ersten Hohlraums einen einzigen Querschnitt-Tangenzpunkt mit dem Innenumfang des zweiten Hohlraums 72 hat. Das Kathetergehäuse, das den ersten und den zweiten Hohlraum enthält, kann wahlweise zusammen aus Silikonkautschuk stranggepreßt werden. Bei diesem bekannten Katheter sind Öffnungen 67 vorzugsweise in Reihen, vorzugsweise drei Reihen, über die Länge des zweiten Hohlraums 72 angeordnet, der selbst das Kathetergehäuse bildet, und sind vorzugsweise in einem Winkel von 90º, 180º und 360º um den Querschnittsumfang des zweiten Hohlraums 72, gemessen vom Tangenzpunkt, angeordnet. Wenn die Leitung 66 für die Drainage oder Infusion von Fluids genutzt wird, steht sie über wenigstens eine der Öffnungen 67 mit dem Äußeren des Kathetergehäuses in Fluid- Verbindung.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel des Katheters der vorliegenden Erfindung werden wenigstens drei Hohlräume bereitgestellt, ein erster Hohlraum für die Druckmessung, ein zweiter Hohlraum für den Transport oder die Drainage von Fluids und ein dritter Hohlraum für das Einsetzen einer Sonde, die zur Versteifung des Katheters während des Legens des Katheters im Gehirn des Patienten genutzt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der dritte Hohlraum kontinuierlich vom proximalen Ende des Katheters zum distalen Ende. Der dritte Hohlraum wird an seiner distalen Spitze durch einen Stopfen oder ein anderes geeignetes Mittel verschlossen, und in der Außenumfangswand des Katheters wird eine Seitenöffnung in Verbindung mit dem Sondenhohlraum bereitgestellt. Die Seitenöffnung wird an einer Stelle proximal zum distalen Ende des Katheters bereitgestellt, so daß sich die Seitenöffnung außerhalb des Körpers des Patienten, unmittelbar proximal zur Einführungsstelle, befindet, wenn der Katheter in den Körper des Patienten eingeführt wird. Mit anderen Worten, die Seitenöffnung sollte längs des Katheterkörpers an einem Punkt unmittelbar proximal zur gewünschten Einführungstiefe des Katheters bereitgestellt werden. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel des Katheters, das in Fig. 13 gezeigt wird, ist die Seitenöffnung etwa 10 cm (4 Zoll) oder 15 cm von der distalen Spitze entfernt. Danach kann eine Sonde in die Seitenöffnung eingeführt und im Hohlraum in Distalrichtung vorgeschoben werden, bis sie das geschlossene Ende des Hohlraums an der distalen Spitze berührt.
Es wird auf Fig. 13 Bezug genommen, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Katheters der vorliegenden Erfindung gezeigt wird, das sechs Hohlräume hat. Das Kathetergehäuse 250 ist ein länglicher, flexibler Schlauch, der aus einem biokompatiblen Kunststoffmaterial, vorzugsweise Silikonkautschuk, stranggepreßt worden ist. Es wird auf Fig. 15 Bezug genommen, das Kathetergehäuse hat einen ersten Hohlraum 254 für das Messen von Druck, zweite, dritte und vierte Hohlräume 252 für die Drainage oder den Transport von Fluids zwischen dem proximalen und distalen Ende des Katheters, einen fünften Hohlraum 256 für die Aufnahme einer Sonde 276, die für das Legen des distalen Endes des Katheters im Gehirn des Patienten genutzt wird, und einen sechsten Hohlraum 258, der ein Zugelement oder Versteifungselement enthält. Jeder Hohlraum erstreckt sich durchgängig vom proximalen Ende zum distalen Ende des Kathetergehäuses 250.
Alle diese Hohlräume innerhalb des Kathetergehäuses 250 sind am distalen Ende geschlossen, der Druckmeßhohlraum 254 ausgenommen, der eine Öffnung oder Sensoröffnung 260 an der distalen Spitze des Kathetergehäuses hat. Jeder Drainagehohlraum hat eine Vielzahl von Öffnungen 262, die sich in den Hohlraum öffnen und längs des distalen Endes des Kathetergehäuses, vorzugsweise über die äußersten 1,3 cm (ein halb Zoll) des Kathetergehäuses, angeordnet sind, wie das oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wird. Dementsprechend hat das Kathetergehäuse über die Länge des Katheters drei Reihen von Öffnungen 262, wobei sich jede Reihe in einen gesonderten Drainagehohlraum 252 öffnet.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird innerhalb der Druckmeßöffnung ein optischer Drucksensor untergebracht und überträgt das optische Meßsignal über ein Lichtleitkabel, das vom Sensor durch den Druckmeßhohlraum zum proximalen Ende des Katheters verläuft. Ein Verbinder 264 verbindet den Druckmeßhohlraum am proximalen Ende des Katheterkörpers mit dem Lichtleitkabel 267. Folglich verläuft die Lichtleitfaser vom proximalen Ende des Katheters durch das Lichtleitkabel 267 zum Lichtleitfaser-Verbinder 268. Der Lichtleitfaser-Verbinder 268 kann dann mit einem Instrument verbunden werden, das ein Fotodetektormittel und Mittel zur Verarbeitung des optischen Signals enthält, um einen Druckmeßwert anzuzeigen. Im Kabel 267 wird ein Eichanschluß 270 bereitgestellt und steht mit dem Druckmeßhohlraum in Verbindung, um während der Drucküberwachung einen Referenzdruck bereitzustellen, außerdem dient er dafür, einen Eichdruck auszuüben, um den Drucksensor an Ort und Stelle zu eichen.
Die Drainageleitung 266 wird durch einen Verbinder 264 fluiddicht mit dem Drainagehohlraum 262 verbunden, und am proximalen Ende der Leitung 266 wird eine Drainageöffnung 272 für die Anbringung an einem Drainageschlauch oder einem Fluid-Reservoir für die Aufnahme von Fluids bereitgestellt.
Der Sondenhohlraum oder Führungshohlraum 256 wird an der distalen Spitze durch geeignete Mittel, wie beispielsweise einen Silikonstopfen oder dergleichen, geschlossen. Im Kathetergehäuse 254 wird in Verbindung mit dem Sondenhohlraum in einem Abstand von etwa 10 cm (4 Zoll) von der distalen Spitze eine Seitenöffnung oder Öffnung 274 bereitgestellt. Folglich kann die Sonde, die in Fig. 14 gezeigt wird, dadurch durch die Seitenöffnung 274 in den Sondenhohlraum eingeführt werden, daß der Griff 278 gehalten und das distale Ende der Sonde 280 (sonst 276. Anm. d. Üb.) zur distalen Spitze des Kathetergehäuses hin vorgeschoben wird, bis das Ende der Sonde das geschlossene Ende des Sondenhohlraums berührt. Die Sonde 276 ist mit der Sonde 74 identisch, mit der Ausnahme, daß sie eine kürzere Länge hat, da sie für die Anwendung nur im distalen Abschnitt des Sondenhohlraums von der Seitenöffnung 274 bis zur distalen Spitze des Katheters ausgelegt ist. Dagegen ist die Sonde 74 für die Einführung durch die Drainageöffnung 78, die in Fig. 1 gezeigt wird, ausgelegt und erstreckt sich vom proximalen Ende des Drainagehohlraums zum distalen Ende.
Sowohl die Sonde 276 als auch die Sonde 74 dienen zur Versteifung des Katheters während der Einführung des Katheters in das Gehirn des Patienten. Es wird auf Fig. 16 Bezug genommen, eine schematische Zeichnung veranschaulicht das Einsetzen der Sonde 276 in die Seitenöffnung 274 des Sondenhohlraums 256 in Vorbereitung auf das Vorschieben des Katheters durch eine Bohrung im Schädel des Patienten und durch das Gehirn in die Ventrikel oder einen anderen Bereich, in dem der Intrakranialdruck überwacht werden soll.
Um den Katheter einzusetzen, kann der Neurochirurg folgende Tunneltechnik anwenden. Zuerst führt der Neurochirurg zwei Einschnitte in der Kopfhaut aus, einen ersten Einschnitt 275 an der für die Bohrung gewünschten Stelle und einen zweiten Einschnitt 277 im Abstand von einigen Zoll (ein Zoll = 2,5 cm) von der Stelle für die Bohrung. Danach wird an der Stelle des ersten Einschnitts 275 die Bohrung 279 in den Schädel des Patienten gebohrt. Die Hautklappe zwischen den beiden Einschnitten dient als Tunnel zwischen der Kopfhaut und dem Schädel, durch den das distale Ende des Katheters geführt wird, bevor es in die Bohrung vorgeschoben wird. Der Tunnel ist dafür vorgesehen, eine bakterielle Infektion an der sterilen Stelle der Bohrung auf ein Minimum zu reduzieren oder zu verhindern. Die Kontaminanten und Bakterien, die mit dem proximalen Ende des Katheters in der Nähe des Drainageverbinders oder optischen Verbinders in Kontakt kommen können, könnten die Bohrung durch Migration längs des Katheterkörpers erreichen. Der Tunnel stellt eine Leitung bereit, in der das Immunsystem des Körpers jedwede Bakterien oder Kontaminanten, die u. U. längs des Katheterkörpers migrieren, angreifen und folglich deren Eintritt in die Bohrung und die Infizierung des Gehirns verhindern kann.
Nachdem das distale Ende des Katheters durch den Tunnel geführt worden ist, zieht es der Arzt nach oben und weg von der Bohrung 279, wie das in Fig. 16 gezeigt wird, und führt dann die Sonde 276 in die Seitenöffüung 274 ein. Danach führt der Arzt das distale Ende des Katheters in die Bohrung 279 ein und schiebt den Katheter mit Hilfe der Sonde in das Gehirn des Patienten vor, wie das in Fig. 17 gezeigt wird.
Nachdem der Katheter bis zur gewünschten Stelle vorgeschoben worden ist, wird die Sonde 276 herausgenommen, wie das in Fig. 18 gezeigt wird. Die überschüssige Länge des Katheters kann dann durch den Tunnel zurückgezogen werden.
In der Nähe des distalen Endes wird eine Nahtmaterialschlinge 282 am Katheter 250 angebracht und kann dafür genutzt werden, den Katheter an Ort und Stelle anzunähen, nachdem der Katheter bis zur gewünschten Stelle im Patienten vorgeschoben worden ist.
Der bevorzugte Drucksensor, der innerhalb des ersten Hohlraums 70 des in Fig. 2 gezeigten Katheters oder im Hohlraum 254 des in Fig. 13 gezeigten Katheters untergebracht ist, ist ein Spektralmodulationssensor, der sich an dessen distalem Ende befindet. Das Lichtübertragungsmittel weist eine Eingangslichtleitfaser, einen optischen Strahlteiler, einen Lichtleitfaser-Verbinder, eine Sensor- Lichtleitfaser und eine Ausgangslichtleitfaser auf. Der optische Strahlteiler und der Lichtleitfaser-Verbinder verbinden die Sensor-Lichtleitfaser wahlweise mit der Eingangs- und der Ausgangslichtleitfaser.
Eine einzige Lichtleitfaser, die Sensor-Lichtleitfaser, bewirkt sowohl die Übertragung des Eingangslichts zum Spektralmodulationssensor als auch die Übertragung des davon reflektierten Ausgangslichtes. Dadurch wird die optische Meßeinheit im Vergleich zu einem System, das mit zwei oder mehreren Lichtleitfasern zur Übertragung von Licht zum und vom Sensor arbeitet, vereinfacht, werden deren Größe und Kosten gesenkt und wird deren Zuverlässigkeit erhöht. Außerdem verringert sich durch den Einsatz einer einzigen Lichtleitfaser der Außendurchmesser des Katheters auf ein Minimum und wird innerhalb des ersten Hohlraums proximal zum Sensor ein offener Raum belassen, der die optische Faser umgibt, wobei dieser offene Raum für die Lüftung des Sensors zu einem Referenzdruck mittels einer Lüftung im Sensorsubstrat genutzt werden kann, wobei der erste Hohlraum und die Lüftung als Leitung zur Hohlkammer zwischen den reflektieren Flächen des Sensors dienen.
Das aktive Element des Spektralmodulationssensors ist eine optisch resonante Struktur, die ein Paar getrennter, reflektierender Oberflächen aufweist, wobei das Reflexionsvermögen und die Transmission der resonanten Struktur eine Funktion des Abstandes zwischen den reflektierenden Oberflächen sind. Bei einem Spektralinodulationssensor beeinflussen auch die optischen Eigenschaften der reflektierenden Oberflächen und der Brechungsindex des Mediums zwischen den reflektierenden Oberflächen das Reflexionsvermögen und die Transmission des Sensors, folglich wird bei dieser Erfindung das Medium konstant gehalten, so daß es keine Wirkung auf das Meßsignal hat.
Wenn folglich der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen der optisch resonanten Struktur des Spektralmodulationssensors durch den zu messenden Druck geändert wird, ändert sich das Licht, das durch den Spektralmodulationssensor reflektiert und/oder übertragen wird, als eine Funktion des gemessenen Drucks. Dementsprechend wird das Ausgangslicht vom Spektralinodulationssensor durch die optisch resonante Struktur als eine Funktion des gemessenen Drucks spektral moduliert und enthält Informationen hinsichtlich des physikalischen Parameters, der gemessen wird. Das spektral modulierte Ausgangslicht vom Spektralinodulationssensor wird durch die Fotodetektormittel, die das Fotodetektor- und Verstärkermittel umfassen, in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Das elektrische Ausgangssignal stellt eine genaue Bestimmung des zu messenden physikalischen Parameters innerhalb eines bestimmten Bereiches von Werten für den zu messenden Druck bereit, sobald die optische Meßeinheit geeicht worden ist.
Die Grundform der Erfindung kann jedoch aus zwei Gründen anfällig gegenüber Meßungenauigkeiten sein. Der erste Grund sind Änderungen in der Intensität der Lichtquelle oder in der Lichttransmissionsintensität auf Grund des Biegens der Lichtleitfasern oder auf Grund von Lichtverlusten des optischen Verbinders. Diese Ungenauigkeiten können ausgeschlossen werden, wenn die Lichtquelle so gewählt wird, daß sie Licht über wenigstens zwei Wellenlängen ausstrahlt, wie es beispielsweise durch eine Lumineszenzdiode (LED) bereitgestellt wird. Ein zweiter Grund für Ungenauigkeiten sind Spektralmodulationen im Licht von den Lumineszenzdioden, die durch eine Temperaturänderung der Diode verursacht werden.
Die Ungenauigkeiten, die durch Transmissionsverluste und Schwankungen der Lichtquelle verursacht werden, können automatisch durch die Erkennungsmittel korrigiert werden, wenn die spektral modulierten Ausgangslichtwelle(n) in zwei Spektralkomponenten zerlegt werden, die durch das Fotodetektormittel jeweils getrennt in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann verstärkt werden. Die beiden verstärkten Signale werden einer Teilerschaltung zugeführt, die auf der Grundlage des Verhältnisses der beiden elektrischen Signale ein Ausgangssignal bereitstellt, das innerhalb eines bestimmten Bereichs von Werten für den physikalischen Parameter, der gemessen wird, genau ist, sobald die optische Meßeinheit geeicht worden ist.
Da Änderungen in der Intensität der Lichtquelle oder in der Lichttransmissionsintensität auf Grund des Biegens der Lichtleitfasern die beiden Spektralkomponenten des Spektralmodulationssensors normalerweise gleichermaßen beeinflussen, wenn die beiden elektrischen Signale, die den beiden Spektralkomponenten entsprechen, in der Teilerschaltung geteilt werden, annullieren sich diese Änderungen gegenseitig und haben keine Auswirkung auf das Ausgangssignal von der Teilerschaltung.
Um die durch Temperatur verursachten Ungenauigkeiten in der Vorrichtung selbst zu korrigieren, enthält der Lichtleitfaser-Strahlteiler ein Filter, das die spektral modulierten Ausgangslicht-Wellenlängen vom Spektralmodulationssensor in zwei Spektralkomponenten zerlegt. Dieses Filter wird so gewählt, daß es eine Temperaturwirkung auf das Spektrum des davon emittierten Lichtes einbezieht, die auf die Spektraltemperaturwirkung der Lumineszenzdiode, mit der es in optischer Verbindung steht, abgestimmt ist oder mit dieser "im Gleichlauf ist". Durch diese Abstimmung der Spektralverschiebung in der LED mit derjenigen im Filter stellt das Erkennungsmittel eine selbstkorrigierende Einheit zur Ausschaltung jedweder Spektralmodulation im Ausgangslicht bereit, die durch eine Temperaturänderung der Diode während der Arbeit der Vorrichtung verursacht worden ist.
Folglich weist das System ein selbstkorngierendes Erkennungsmittel auf, das während der Operation nicht durch den Operateur eingestellt zu werden braucht.
Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, darin wird das erste Beispiel der integrierten Drucksensor- und Fluid-Transport-Kathetervorrichtung schematisch dargestellt. Eine Lichtquelle 10 dient der Bereitstellung eines angemessenen Eingangsmeßlichtes, das monochromatisch sein kann oder das über zwei oder mehrere nebeneinanderliegende oder nicht-nebeneinanderliegende Wellenlängenbänder zerlegt sein kann. Die Lichtquelle 10 kann eine einzige Quelle für monochromatisches Licht, wie beispielsweise einen Laser oder eine Laserdiode, eine Quelle für zwei oder mehrere Wellenlängen, wie beispielsweise eine Lumineszenzdiode, und/oder geeignete optische Filter zur Bereitstellung des gewünschten Eingangslichtes aufweisen. Die Energie für die Lichtquelle 10 wird durch jede geeignete Quelle für Elektroenergie über herkömmliche elektrische Verbindungsmittel 11 bereitgestellt.
Das Eingangslicht von der Lichtquelle 10 wird über eine Eingangslichtleitfaser 12, einen optischen Strahlteiler 18 und einen Lichtleitfaser-Verbinder 20 in eine Sensor-Lichtleitfaser 14 eingekoppelt.
Ein Spektralmodulationssensor 22 mit einem wahlweisen Substrat 9, das eine optisch resonante Struktur 21 trägt, ist optisch mit dem Ende der Sensor-Lichtleitfaser 14 verbunden und empfängt Licht von dieser. Wenn mit dem Substrat 9 gearbeitet wird, hat es vorzugsweise eine Dicke, die etwa gleich dem Durchmesser der Sensor-Lichtleitfaser 14 ist. Es wird eine verbesserte Empfindlichkeit der optisch resonanten Struktur 21 erreicht, wenn das Substrat 9 genutzt wird, da das Licht, das von der Sensor- Lichtleitfaser 14 in die optisch resonante Struktur 21 eintritt, vergleichsweise stärker kollimiert wird, als wenn das Substrat 9 weggelassen würde und der Sensor 22 direkt am Ende der Sensor-Lichtleitfaser 14 befestigt würde. Wenn das Substrat 9 weggelassen wird, wird die optisch resonante Struktur 21 direkt am Ende der Sensor-Lichtleitfaser 14 befestigt. Das Substrat 9 dient als ein Hilfsmittel bei der Herstellung des Sensors 22 und bei der Anbringung der optisch resonanten Struktur 21 am Ende der Sensor-Lichtleitfaser 14, da die optisch resonante Struktur 21, wie allgemein bekannt ist, weniger als 1 um stark sein kann. Das Substrat 9 spielt vorzugsweise keine Rolle bei der Spektralmodulation des Eingangsmeßlichtes zur optisch resonanten Struktur 21, es könnte aber der Fall sein.
Die optisch resonante Struktur 21 umfaßt im allgemeinen ein Paar getrennter, reflektierender Oberflächen 13 und 15, wobei das Reflexionsvermögen und die Transmission der optisch resonanten Struktur eine Funktion von deren optisch-physikalischen, sensitiven Eigenschaften, wie beispielsweise des Abstands zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15, der optischen Eigenschaften der reflektierenden Oberflächen 13 und 15 und des Brechnungsindexes jedweden Mediums sind, das sich innerhalb einer Hohlkammer 17 zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15 befindet. Bei dieser Erfindung wird das Ausgangslicht vom Sensor 22 durch die optisch resonante Struktur 21 als eine Funktion des Abstandes zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15 spektral moduliert. Für die Messung eines Fluiddrucks wird es außerdem vorgezogen, daß das Medium in der Hohlkammer 17 entweder ein Vakuum oder Luft ist, die beide einen Brechungsindex von Eins haben und damit keine Auswirkungen auf das Reflexionsvermögen und die Transmission der optisch resonanten Struktur haben.
Das spektral modulierte Ausgangslicht vom Sensor 22 bewegt sich nacheinander durch die Sensor- Lichtleitfaser 14, den Lichtleitfaser-Verbinder 20, den optischen Strahlteiler 18 und die Ausgangslichtleitfaser 16, wo es optisch in einen Fotodetektor 30 in einer Fotodetektor-Baugruppe 50 eingekoppelt wird. Die Fotodetektor-Baugruppe 50 umfaßt den Fotodetektor 30 und einen Verstärker 34, der über elektrische Verbindungsmittel 32 ein Ausgangssignal vom Fotodetektor 30 empfängt. Das verstärkte Ausgangssignal vom Verstärker wird einer Ausgangsklemme 36 zugeführt und stellt einen Meßwert des gemessenen Drucks dar.
Energie wird dem Fotodetektor 30 und dem Verstärker 34 über elektrische Verbindungsmittel 31 bzw. 33 von jeder geeigneten Quelle zugeführt.
Ein Spektralmodulationssensor 22 wird detaillierter in Fig. 4 gezeigt. Der Sensor 22 weist vorzugsweise ein zylindrisches Substrat 24 auf, das eine zylindrische Hohlkammer 26 definiert und einen Deckel 28 hat, der die Hohlkammer 26 bedeckt. Die Hohlkammer 26 hat eine reflektierende Bodenfläche 27, während der Deckel 28 eine reflektierende Innenfläche 29 und eine Außenfläche 25 hat, wobei die Oberflächen 27 und 29 parallel sind. Es wird vorgezogen, ist aber nicht erforderlich, daß die Dicke des Substrats 24 zwischen dem Boden 27 und dem Ende der Sensor-Lichtleitfaser 14 dem entspricht, was im Zusammenhang mit dem Substrat 9 von Sensor 22 in Verbindung mit Fig. 3 ausgeführt worden ist.
Wenn ein Absolutdruck-Sensor gewünscht wird, wird die Hohlkammer 26 vorzugsweise luftleer gemacht, wobei der Deckel 28 eine fluiddichte Dichtung herstellt. Wenn alternativ dazu ein Differenzdruck- Sensor 22 gewünscht wird, steht die Hohlkammer 26 über eine wahlweise Leitung 41 und den ersten Hohlraum (nicht gezeigt) mit einer Druckquelle, beispielsweise dem Luftdruck, in Verbindung, während eine Quelle für ausgeübten Druck gegen die Außenfläche 25 des Deckeis 28 drückt. Selbstverständlich wird die wahlweise Leitung 41 weggelassen, wenn der Sensor 22 ein Absolutdruck-Sensor sein soll.
Aus Gründen, die später erklärt werden, werden die reflektierenden Oberflächen 27 und 29 vorzugsweise mit einem etwa 100 bis 200 Angstrom dicken Belag aus transparenten Medien mit einem hohen Brechungsindex überzogen.
Die Hohlkammer 26, deren reflektierender Boden 27 und die reflektierende Innenfläche 29 des Deckels 28 bilden eine optisch resonante Struktur 21. Als alternative Bauweise für den Sensor 22 ist es natürlich möglich, die Hohlkammer 26 im Deckel 28, statt im Substrat 24 zu bilden oder die Hohlkammer 26 sogar teilweise im Substrat 24 und teilweise im Deckel 268 zu bilden, ohne vom Rahmen der Erfindung gemäß Definition in Anspruch 1 abzuweichen.
Das Verfahren zur Herstellung des Sensors 22 und seiner optisch resonanten Struktur wird detailliert in US-PS 4 678 904 beschrieben.
Es sollte jedoch hier beachtet werden, daß bei einer Luftleermachung der Hohlkammer 26 wahlweise eine Getterstruktur (nicht gezeigt) in der Form eines Ringes von abgeschiedenen Chrom- und Eisenschichten im Boden jeder Hohlkammer 26 abgeschieden wird, um restliche Gase oder ein späteres Ausgasen in der Hohlkammer 26 zu absorbieren, nachdem diese anfangs luftleer gemacht worden ist. Die wahlweise Getterstruktur umfaßt einen ringröhrenförmigen Ring aus abgeschiedenen Chrom- und Eisenschichten mit einem Innendurchmesser von etwa 140 um und einem Außendurchmesser von etwa 190 um, der im Boden 27 der Hohlkammer 26 zentriert ist. Folglich lassen die Getterringe im Boden jeder Hohlkammer 26 einen freien Mittelbereich mit einem Durchmesser von etwa 140 um, durch den das Licht passieren kann. Nachdem der Deckel 28 an die Hohlkammer 26 bondiert worden ist, entfernt der Getterring Gase aus der Hohlkammer 26.
Wenn der Sensor 22 als Absolutdruck-Sensor arbeitet, wird er einem solchen Außendruck ausgesetzt, daß der Deckel 28 über der luftleer gemachten Hohlkammer 26 in Abhängigkeit von der Größe des Außendrucks in einem stärkeren oder geringeren Maße nach innen zum reflektierenden Boden 27 der Hohlkammer 26 durchgebogen wird. Wenn der Außendruck auf den Deckel 28 zunimmt, verstärkt sich diese Durchbiegung, und wenn der Außendruck abnimmt, verringert sich die Durchbiegung und wird gleich Null, wenn der Außendruck gleich Null ist.
Folglich ändert sich in dem Maße, wie der Außendruck auf den Deckel 28 zu- und abnimmt, der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen 27 und 29 der optisch resonanten Struktur 21. Durch die Kathetervorrichtung können so geringfügige Änderungen in diesem Abstand wie ein Angstrom in der Länge festgestellt werden.
Wenn der Sensor 22 als Differenzdruck-Sensor arbeitet, ist eine Druckquelle mit der Hohlkammer 26 in Fluid-Verbindung, wie beispielsweise durch die Leitung 41 und den ersten Hohlraum, während die Oberfläche 25 des Deckels 28 gegenüber einer zweiten Druckquelle exponiert ist. Der Deckel 28 wird nach innen zum reflektierenden Boden 27 der Hohlkammer 26 hin durchgebogen, wenn der Druck auf die Oberfläche 25 des Deckels 28 den innerhalb der Hohlkammer 26 übersteigt, wobei der Umfang der Durchbiegung vom Druckunterschied abhängig ist, und er biegt sich überhaupt nicht durch, wenn der Druckunterschied gleich Null ist. Wenn jedoch der Druck innerhalb des Hohlraums 26 größer als derjenige auf der Oberfläche des Deckels 28 ist, wird der Deckel 28 nach außen durchgebogen, wobei der Umfang der Durchbiegung wiederum vom Druckunterschied abhängig ist.
Unabhängig davon, ob der Sensor 22 als Absolutdruck- oder Differentialdruck-Sensor eingesetzt wird, ändert das Durchbiegen des Deckels 28 in Reaktion auf den ausgeübten Druck den Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen 27 und 29, was wiederum entsprechende Mikroverschiebungen in der Kurve des Reflexionsvermögens und dem(den) Funktionssegment(en) der optisch resonanten Struktur 21 als einer Funktion des Drucks erzeugt, dem der Sensor 22 ausgesetzt ist, wie das unten noch ausführlicher beschrieben wird. Infolgedessen wird das Ausgangslicht vom Sensor 22 als eine Funktion des Drucks, dem der Sensor 22 ausgesetzt ist, spektral moduliert und trägt genaue Informationen hinsichtlich dieses Drucks.
Um den Sensor 22 herstellen und anwenden zu können, ist eine kurze Zusammenfassung der Theorie des Reflexionsvermögens notwendig. Es ist allgemein bekannt, daß das Reflexionsvermögen R der optisch resonanten Struktur 21 mit parallelen Ebenen eine periodische Funktion der Wellenlänge des Eingangslichtes ist - ein allgemeines Merkmal von optisch resonanten Strukturen. Fig. 5 zeigt eine typische Kurve 40 des Reflexionsvermögens einer optisch resonanten Struktur 21 mit parallelen Ebenen, die einen gegebenen Satz von physikalischen Eigenschaften hat. Es sollte besonders beachtet werden, daß die Kurve 40 des Reflexionsvermögens auch die Kurve des Reflexionsvermögens einer optisch resonanten Struktur 21 darstellt, wenn die reflektierenden Oberflächen nicht parallel sind (d. h., wenn sich die bewegliche Membran nicht in der Null-Position befindet). Es ist bekannt, daß das Reflexionsvermögen R der optisch resonanten Struktur 21 mit parallelen Ebenen durch folgende Gleichung gegeben wird:
R = 1 - s²/(1 - r)² + 4r² sin² (Theta)),
worin s = (s&sub1;, s&sub2;)0,5 und r = (r&sub1;, r&sub2;)0,5.
Die Größen s&sub1;, s&sub2; sind die Transmissionsfaktoren der reflektierenden Oberflächen 13 bzw. 15, während r&sub1;, r&sub2; die Reflexionsfaktoren der reflektierenden Oberflächen 13 bzw. 15 (oder 27 bzw. 29) sind, gesehen von innerhalb der optisch resonanten Struktur 21 mit parallelen Ebenen. Es ist bekannt, daß der Winkel Theta im Sinus-Term der obigen Gleichung gegeben wird durch:
Theta = 2(Pi) nt cos (Phi)/Lambda + e,
worin:
n = Brechungsindex des Mediums zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15,
t = Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15,
Phi = Winkel der Lichtreflexion zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15,
Lambda = Wellenlänge des Eingangslichtes, das auf die optisch resonante Struktur 21 auftrifft,
e = jede Phasenverschiebung, die durch die Reflexion von einer der reflektierenden Oberflächen 13 oder 15 verursacht wird.
Die optisch resonante Struktur 21 mit parallelen Ebenen ist so konstruiert, daß sich die Parametergruppe nt cos (Phi)/Lambda in Reaktion auf den ausgeübten Druck so ändert, wie sich der Abstand t ändert. Folglich weist die optisch resonante Struktur 21 mit parallelen Ebenen für jede gewählte Wellenlänge des Eingangslichtes ein variierendes Reflexionsvermögen als eine Funktion des Drucks auf.
Fig. 6, die einen vergrößerten Abschnitt der Kurve 40 des Reflexionsvermögens zeigt, veranschaulicht die Wirkung auf die Kurve 40 des Reflexionsvermögens, wenn der Abstand t zwischen den reflektierenden Oberflächen der besonderen, entsprechenden optisch resonanten Struktur 21 geändert wird. Wie ebenfalls aus Fig. 6 hervorgeht, wird die Kurve 40 des Reflexionsvermögens der optisch resonanten Struktur 21 im Verhältnis zu jeder besonderen, ausgewählten Wellenlänge L&sub1; des Eingangslichts von der Lichtquelle 10 nach links verschoben und wird zur Kurve 40' des Reflexionsvermögens, wenn der Abstand zwischen deren reflektierenden Oberflächen 13 und 15 verringert wird, und sie wird im Verhältnis zu L&sub1; nach rechts verschoben und wird zur Kurve 40" des Reflexionsvermögens, wenn der Abstand zwischen deren reflektierenden Oberflächen 13 und 15 vergrößert wird.
Als nicht-einschränkendes Beispiel ist ein Resonanzzyklus von der Kurve 40 des Reflexionsvermögens einer optisch resonanten Struktur 21 gleich AB, wie das in Fig. 6 gezeigt wird.
Im allgemeinen verschiebt sich die Kurve des Reflexionsvermögens jeder optisch resonanten Struktur 21 im Verhältnis zur Wellenlänge L&sub1; als eine Funktion jeder Änderung im Abstand zwischen deren reflektierenden Oberflächen und folglich als eine Funktion jeder Änderung im gemessenen Druck nach links und/oder rechts, wobei derartige Verschiebungen hier als Mikroverschiebungen bezeichnet werden. Der Resonanzzyklus der Kurve des Reflexionsvermögens jeder optisch resonanten Struktur 21 wird als ein kompletter Zyklus auf der Kurve des Reflexionsvermögens definiert. Natürlich ist auf der Kurve des Reflexionsvermögens eine Vielzahl solcher Resonanzzyklen vorhanden, da ein Resonanzzyklus an einer beliebigen Stelle auf der Kurve des Reflexionsvermögens beginnen kann.
Es ist bekannt, daß unter Nutzung von Funktionssegmenten der Kurve des Reflexionsvermögens der optisch resonanten Struktur 21, die in der Länge kleiner als etwa ein Resonanzzyklus sind, und unter Nutzung von Funktionssegment-Mikroverschiebungen, die in der Länge ebenfalls kleiner als ein Resonanzzyklus bei der (den) Eingangslicht-Meßwellenlänge(n) sind, genaue Messungen des Drucks vorgenommen werden können. Da die Kurve des Reflexionsvermögens zyklisch ist, befindet sich auf dieser eine Vielzahl solcher Funktionssegmente.
Es wird das folgende nicht-einschränkende Beispiel angeführt, wenn das Funktionssegment der Kurve 40 des Reflexionsvermögens in Fig. 6 gleich A"B" wäre, dann hätte es natürlich eine Länge von einem Resonanzzyklus. Wenn außerdem in Reaktion auf den gemessenen Druck das Funktionssegment A"B" nach links verschoben würde, bis der Punkt B" die Wellenlänge L&sub3; schneidet, dann hätte die Mikroverschiebung des Funktionssegments A"B" eine Länge von einem Resonanzzyklus.
In Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Lichtquelle 10 ein monochromatisches Eingangslicht mit einer Wellenlänge, wie beispielsweise L&sub1;, liefert, ändert sich die Wellenlänge L&sub1; in Reaktion auf den gemessenen Druck nicht. Aus einer Betrachtung von Fig. 6 geht jedoch hervor, daß für jede gegebene Intensität eines Eingangslichtes mit der Wellenlänge L&sub1; in den Sensor 22 die Ausgangsintensität bei der Wellenlänge L&sub1; unterschiedlich ist, wenn sich der Abstand t in Reaktion auf den gemessenen Druck ändert, verglichen mit dem Abstand t, wenn der gemessene Druck gleich Null ist. Folglich erfährt das Funktionssegment AC der optisch resonanten Struktur 21 in Reaktion auf den zu messenden Druck eine Mikroverschiebung vom Funktionssegment AC nach links und/oder rechts (und wird zu A'C' und A"C").
Folglich ist der Sensor 22 ein Spektralmodulationssensor, dessen optisch resonante Struktur 21 das Eingangslicht mit der Wellenlänge L&sub1; als eine Funktion des zu messenden Drucks moduliert und ein moduliertes Ausgangslicht mit der Lichtwellenlänge L&sub1; erzeugt, das Informationen hinsichtlich des zu messenden Drucks enthält. Diese Informationen werden, wie das beschrieben worden ist, durch den Fotodetektor 30 und den Verstärker 34 in ein elektrisches Ausgangsmeßsignal umgewandelt, das dieselben Informationen enthält.
Selbstverständlich werden die Wellenlänge(n) des Eingangslichtes von der Lichtquelle 10 und der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15 der optisch resonanten Struktur 21 so gewählt, daß die Wellenlänge(n) des Eingangsmeßlichtes wenigstens im wesentlichen innerhalb des gewünschten Funktionssegments der Kurve der Reflexionsvermögens, wie beispielsweise AC, über dem gewünschten Funktionsbereichs von Werten für den zu messenden Druck liegt(liegen). So verbleibt, wie in Fig. 6 gezeigt wird, die Wellenlänge L&sub1; innerhalb des Funktionssegments AC, ungeachtet der Mikroverschiebung des Funktionssegments AC durch die optisch resonante Struktur 21 in Reaktion auf den gemessenen Druck, und wird zu A'C' und/oder A"C".
Vorzugsweise werden das Funktionssegment, die Wellenlänge(n) und/oder die Amplitude(n) des Eingangsmeßlichtes so gewählt, daß man ein Funktionssegment mit der größten Länge erhält, das ein unzweideutiges, spektral moduliertes Ausgangslicht über dem Bereich der für den zu messenden Druck interessierenden Werte ergibt.
Beispielsweise werden für ein monochromatisches Eingangslicht mit der Wellenlänge L&sub1; Änderungen im Ausgangslicht der optisch resonanten Struktur 21 maximiert, wenn sich das Funktionssegment AC, wie das in Fig. 6 gezeigt wird, zwischen jedweden Maxima und angrenzenden Minima (oder umgekehrt) auf der Kurve 40 des Reflexionsvermögens erstreckt und wenn der zu messende Druck die optisch resonante Struktur 21 derartig ändert, daß deren Funktionssegment AC die Wellenlänge L&sub1; des Eingangsmeßlichtes schneidet, d. h., eine Mikroverschiebung um einen vollen Resonanzhalbzyklus erfährt. Am vorteilhaftesten ist es, nur den linearen Abschnitt des Funktionssegmentes zu nutzen, so daß das spektral modulierte Ausgangslicht ein einzigartiges Eins-zu-Eins-Verhältnis zu dem zu messenden Druck über dem Bereich der interessierenden Werte aufweist.
Um die Empfindlichkeit zu maximieren, ist es wünschenswert, den Unterschied zwischen maximalem und minimalem Reflexionsvermögen der optisch resonanten Struktur 21 zu vergrößern, wie beispielsweise zwischen AC in Fig. 6. Das geschieht durch die Beschichtung wenigstens einer der reflektierenden Oberflächen 13 und 15 mit transparenten Medien mit einem hohen Brechungsindex in einer geeigneten Dicke von beispielsweise 100 bis 200 Angstrom, die das Reflexionsvermögen der Oberfläche erhöhen, so beispielsweise mit Rutil, Titandioxid, kubischem Zircondioxid oder Silicium.
Ein alternatives und bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Fig. 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Lichtquelle 48 so gewählt, daß sie wenigstens zwei Lichtwellenlängen erzeugt, und kann beispielsweise eine Lumineszenzdiode (LED) sein, die ein Band von Lichtwellenlänge(n) emittiert, die bei etwa 810 nm zentriert sind, wie beispielsweise das Teil #MFOE1202, das von der Motorola Company hergestellt wird. Die Energie für die Lichtquelle 48 wird über elektrische Verbindungsmittel 49 durch jede geeignete Quelle für Elektroenergie bereitgestellt.
Das spektral modulierte Ausgangslicht von der Ausgangslichtleitfaser 16 wird auf einen Strahlteiler 51 gerichtet, der dieses in zwei Ausgangslichtstrahlen teilt. Der erste Ausgangslichtstrahl vom Strahlteiler 51 passiert ein optisches Kurzpaßfilter 52, das zu einem erheblichen Grad nur Licht mit einer Wellenlänge überträgt, die kürzer als eine gegebene, im voraus gewählte Wellenlänge ist. Das Ausgangslichtband mit kurzen Wellenlängen vom Filter 52 wird durch einen Fotodetektor 154 in ein erstes elektrisches Signal umgewandelt und dann durch elektrische Verbindungsmittel 158 zu einem Verstärker 156 weitergeleitet, um durch den Verstärker 156 verstärkt zu werden. Die im voraus gewählten Wellenlängen kann beispielsweise die Wellenlänge mit der höchsten Intensität des Lichtes von der Lichtquelle 48 sein, wie beispielsweise die Wellenlänge von 810 nm für die oben erwähnte spezielle LED.
Der zweite Ausgangslichtstrahl vom Strahlteiler 51 passiert das optische Langpaßfilter 160, das zu einem erheblichen Grad nur Licht mit einer Wellenlänge überträgt, die länger als die gegebene, im voraus gewählte Wellenlänge ist. Das Ausgangslichtband mit den langen Wellenlängen vom Filter 160 wird durch einen Fotodetektor 162 in ein zweites elektrisches Signal umgewandelt und dann durch elektrische Verbindungsmittel 164 einem Verstärker 166 zugeführt, um durch den Verstärker 166 verstärkt zu werden. Die Verstärker 156, 166 verstärken die entsprechenden Signale vorzugsweise im selben Maße.
Die verstärkten ersten und zweiten elektrischen Signale von den Verstärkern 156, 166 werden durch elektrische Verbindungsmittel 170 und 172 zu einer Tellerschaltung 168 weitergeleitet. Die Tellerschaltung 168 bildet deren Verhältnis und stellt ein Ausgangsmeßsignal für elektrische Verbindungsmittel 174 bereit. Das Ausgangsmeßsignal enthält Informationen hinsichtlich der zu messenden physikalischen Parameter.
Die Energie für die Fotodetektoren 154, 162, die Verstärker 156, 166 und die Tellerschaltung 168 wird über elektrische Verbindungsmittel 176, 178, 180, 182 bzw. 184 durch jede geeignete Quelle für Elektroenergie bereitgestellt. Vorzugsweise wird jedoch die Energie für die Fotodetektor-Baugruppe durch einen Krankenbett-Monitor bereitgestellt, derartig, daß die Erregerspannung zur Fotodetektor-Baugruppe durch die Verstärker 156, 166 und die Teilerschaltung 168 maßstäblich geändert wird, um ein Ausgangssignal an den Monitor bereitzustellen.
Bei dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet die Drucküberwachungsvorrichtung mit einer Multiwellenlängen-Lichtquelle, die wenigstens zwei Lichtwellenlängen bereitstellt, und einem zweiten, einem Referenzsensor, der einen zweiten Fotodetektor zur Erzeugung eines Referenzsignals durch Vorgänge hat, die eine Wiederholung der Vorgänge darstellen, die oben unter Bezugnahme auf die in Fig. 7 dargestellten Fotodetektormittel beschrieben worden sind. Die Fotodetektor-Baugruppe vergleicht das Referenzsignal mit dem Meßsignal, um ein absolutes Meßsignal zu erzeugen, das frei von Transmissions- und Temperaturfehlern ist.
Besonders bevorzugt wird, wie schematisch in Fig. 8 gezeigt wird, daß die Fotodetektor- Baugruppenmittel 100 das Licht, das von einer einzigen Multiwellenlängen-Quelle 48 kommend empfangen wird, mit Hilfe eines Strahlteilers 102 teilen und die Doppelstrahlen 114 und 116, die jeweils wenigstens zwei Lichtwellenlängen enthalten, mit Hilfe von Lichtleitfasern 16A bzw. 16B (nicht gezeigt) zu Spektralmodulationssensoren 22A und 22B steuern.
Der Sensor 22A befindet sich an der distalen Spitze der Kathetervorrichtung (nicht gezeigt), und der Sensor 22B ist ein Referenz-Meßwandler, der an anderer Stelle angeordnet ist. Jeder der Sensoren enthält eine optisch resonante Struktur 21A und 21B, die aus zwei parallelen, reflektierenden Oberflächen 27A, 29A und 27B, 29B besteht, die durch eine Hohlkammer 26A und 26B getrennt werden, um einen Fabry-Pérot-Spalt zu bilden. Die Hohlkammern der Sensoren 22A und 22B werden im Vakuum gehalten, während auf eine druckempfindliche Oberfläche 25A des Sensors 22A ein zu messender Druck ausgeübt wird.
Die reflektierten Lichtstrahlen von den Sensoren 22A und 22B werden über Lichtleitoptiken 16A und 16B und Strahlteiler 104, 106, 108, 110 und 112 zu getrennten Fotodetektoren 30A und 30B weitergeleitet, wie das oben beschrieben worden ist. Jeder Fotodetektor weist Mittel 52A und 52B und 60A und 60B zur Integration der Intensität des darauf gerichteten reflektierten Lichtstrahls über einem ersten und einem zweiten unterschiedlichen Wellenlängenband auf. Vorzugsweise sind die Mittel 52A und 60A ein erstes Paar von optischen Kurz- und Langpaßfiltern, die an einer im voraus gewählten Wellenlänge vom ersten Wellenlängenband eines Strahles 114 von der Lichtquelle 48 zentriert sind, und die Mittel 52B und 60B sind ein zweites Paar von optischen Filtern, die an einer unterschiedlichen, im voraus gewählten Wellenlänge zentriert sind, die aus dem zweiten Wellenlängenband des Strahls 116 ausgewählt wird.
Die integrierten Signale werden über Verbindungsmittel 94A, 96A, 94B, 968 Mittel 90A bzw. 90B zugeführt, um das Verhältnis der beiden integrierten Signale zu bilden, um an Verbindern 92A und 928 aus jedem reflektierten Lichtstrahl einen normierten Signalausgang zu erzeugen. Die normierten Signale sind von der absoluten Intensität des reflektierten Lichtstrahls unabhängig. (Beispielsweise bildet der Fotodetektor 30A das Verhältnis der integrierten Signale von den Kurzpaß- und Langpaßfiltern 52A und 60A.) Das resultierende Signal von jedem Fotodetektor stellt nur ein Maß des Abstandes zwischen den reflektierenden Oberflächen des Sensors dar, von dem dieses ausgeht. Die normierten Signalausgänge an den Klemmen 92A und 92B werden dann über Verbinder 93A und 93B zu Mitteln 116 weitergeleitet, um das Signal, das über den Verbinder 93A weitergeleitet worden ist, von dem über den Verbinder 93B weitergeleiteten Signal zu subtrahieren, um ein Signal zu erhalten, das die Differenz zwischen dem ausgeübten Druck und dem Referenzdruckausgang an der Klemme 118 darstellt.
Für die Fotodetektoren 52A, 60A, 52B, 60B, die Teilermittel 90A, 90B und die Mittel 116 zur Subtraktion der von den Teilermitteln kommenden Signalausgänge werden vorzugsweise solche Komponenten eingesetzt, bei denen die Fotodetektor-Baugruppe, wenn die an der Eingangsklemme 120 empfangene Eingangsspannung die gleiche wie die Ausgangsspannung ist, die durch einen der gebräuchlichen Typen von Krankenhaus-Überwachungsvorrichtungen bereitgestellt wird, und die entweder eine Gleichstrom-, Wechselstrom- oder Impulsspannung sein kann, die Eingangsspannung durch die oben beschriebenen Vorgänge "maßstäblich ändert", um an der Ausgangsklemme 118 ein elektrisches Signal zu erzeugen, das für die Anzeige als Druckmeßwert an den Monitor zurückgeführt werden kann. Mit anderen Worten, die bevorzugte Fotodetektor-Baugruppe erzeugt ein Ausgangssignal, das wie eines "aussieht", das durch einen Wheatstone-Brücken-Piezowiderstandsdrucksensor erzeugt worden ist.
Wenn der auf einen Referenzsensor 22B ausgeübte Druck der Luftdruck ist und der Sensor 22A über eine Leitung 41 und den ersten Hohlraum 70 zum Luftdruck entlüftet wird, stellt das resultierende Meßsignal den Manometerdruck an der Oberfläche 25A des Sensors 22A dar.
Als Fotodetektoren 30A und 30B können alle gewerblich erhältlichen Fotodetektor-Einheiten eingesetzt werden, die in der Lage sind, die oben genannten Vorgänge auszuführen, beispielsweise das Multisensor-System Modell 1400, das von der Metricor Corporation (Woodenville, Washington) hergestellt wird.
Diese Technik der spektroskopischen Normierung spricht nur auf Änderungen im Quellenlichtstrahl an, wobei Spektral-Mikroverschiebungen als Druckänderungen für einen einzelnen Sensor erscheinen. Durch die Anwendung derselben Lichtquelle für beide Sensoren und die Berechnung der Differenz zur Ermittlung des Drucks, wie das oben beschrieben worden ist, beeinflussen jedwede Mikroverschiebungen im Spektrum, die im Verlauf der Überwachungsperiode im Quellenstrahl auftreten könnten, beide reflektierte Strahlen gleichermaßen und annullieren sich damit beim Schritt der Bildung des Verhältnisses.
Wie erwähnt worden ist, ist die Kathetervorrichtung, die mit der Multiwellenlängen-Lichtquelle 48 arbeitet, selbstkorrigierend für Änderungen in der Intensität der Lichtquelle 48 und Änderungen in der Lichttransmissionsintensität auf Grund des Biegens der Lichtleitfasern und auf Grund von Lichtverlusten in den optischen Verbindern. Die Ausgangslichtbänder sowohl mit kurzer als auch mit langer Wellenlänge von den optischen Filtern 52 und 160 (Fig. 7) und 52A, 52B, 60A und 60B (Fig. 8) werden durch Intensitätsänderungen gleichermaßen beeinflußt. Wenn folglich die entsprechenden verstärkten ersten und zweiten elektrischen Signale in der Teilerschaltung 168 (Fig. 8) oder in den Teilermitteln 90A und 90B (Fig. 8) geteilt werden, annullieren sich diese Änderungen gegenseitig und haben keine Wirkung auf das Meß-Ausgangslichtsignal von diesen. Eine solche Teilung von zwei Signalen ist als quotientenmetrische Signalverarbeitung bekannt.
Außerdem werden zur Selbstkorrektur von Signalfehlern, die aus Temperaturwirkungen auf die Lumineszenzdioden resultieren, die optischen Filter 52, 160, 52A, 52B, 60A und 60B so gewählt, daß die Temperaturänderungen in dem jeweiligen Ausgangslichtband eine Mikroverschiebung erzeugen, die gleich derjenigen ist und in derselben Richtung verläuft, wie die durch die Temperatur in der LED erzeugte. Ebenso können die Strahlteiler 108 und 112 wahlweise Filter enthalten, die so gewählt werden, daß sie hinsichtlich der Quelle 48, wenn diese eine LED ist, denselben Zweck erfüllen. Folglich wird die Mikroverschiebung im Funktionssignal, die durch die Temperaturwirkung in der LED erzeugt wird, durch die entsprechende Mikroverschiebung annulliert, die im Funktionssegment durch die Auswahl des Filters erzeugt wird. Folglich sind die Fotodetektor-Baugruppenmittel 50 und 100 selbstkorrigierend für jede Mikroverschiebung im Ausgangssignal, die durch andere Wirkungen als diejenigen erzeugt wird, die durch Änderungen im gemessenen Druck verursacht werden.
Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die oben behandelten Ungenauigkeiten im Ausgangsmeßsignal dadurch auszuschalten, daß die Fotodetektor-Baugruppenmittel 100 das Verhältnis der elektrischen Signale bilden, die zwei beliebigen unterschiedlichen Abschnitten des Ausgangslichtes von den Sensoren entsprechen, selbst wenn ein Abschnitt das gesamte Ausgangslicht vom Sensor sein kann.
Die Lichtquelle 48 kann wenigstens zwei Quellen für monochromatisches Licht, wie beispielsweise Laser oder Laserdioden, umfassen, wenn ein Minimum von zwei Wellenlängen gebraucht wird. Alternativ dazu könnte sie eine oder mehrere Quellen für eine Vielzahl von Wellenlängen, wie beispielsweise Lumineszenzdioden oder Weißlichtquellen, zusammen mit geeigneten optischen Filtern, soweit erforderlich, umfassen, um wenigstens zwei Meß-Eingangslichtwellenlängen und/oder -wellenlängenbänder bereitzustellen.
Der Einfachheit halber aber zieht man es vor, daß die Lichtquelle 48 eine einzelne LED ist, deren Bandbreite wesentlich kleiner als die Länge des Resonanzzyklusses der Kurve des Reflexionsvermögens der optisch resonanten Struktur 21 ist.
Die theoretischen Beschränkungen hinsichtlich der Funktionsweise der bevorzugten quotientenmetrischen Ausführungsbeispiele des Spektralmodulationssensors bedingen zur Vermeidung von Zweideutigkeit im Ausgangssignal andere Funktionsparameter als bei monochromatischem Licht. Wie man sich erinnern wird, werden bei den quotientenmetrischen Ausführungsbeispielen wenigstens zwei unterschiedliche Meß-Eingangslichtwellenlängen zur Fotodetektor-Baugruppe gebraucht.
Es ist bekannt, daß beim Einsatz einer Multiwellenlängen-Lichtquelle das Ausgangslichtsignal vom Spektralinodulationssensor 22 ein Minimum an Zweideutigkeit aufweist, wenn sich sowohl die maximale Länge als auch die maximale Mikroverschiebung des Funktionssegmentes auf der Kurve des Reflexionsvermögens einem vollen Resonanzzyklus annähern, aber ohne diesen zu überschreiten. Dieses Kriterium unterscheidet sich von dem für das Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein monochromatisches Eingangsmeßlicht eingesetzt wird. In diesem Fall sollten die maximale Länge und die maximale Mikroverschiebung des Funktionssegments auf der Kurve des Reflexionsvermögens einen halben Resonanzzyklus nicht überschreiten. Natürlich können die Länge und die Mikroverschiebung des Funktionssegments so gewählt werden, daß sie beträchtlich kleiner als die maximal zulässigen sind, um so die Linearität im Ausgangslichtsignal der optisch resonanten Struktur 21 zu verbessern.
Die Intensitätskurve des Ausgangslichts der Multiwellenlängen-Lichtquelle 48 wird in Fig. 9 durch die Kurve 86 gezeigt, wobei die Lichtquelle 48 eine einzelne LED ist. Die Wellenlänge L&sub2; wird beispielsweise so gewählt, daß sie an oder in der Nähe der intensivsten Ausgangswellenlänge des Lichtes von dieser Lichtquelle liegt. Außerdem wird in Fig. 9 schematisch ein vergrößerter Abschnitt der Kurve 40 des Reflexionsvermögens aus Fig. 5 gezeigt, der in Form eines Beispiels das Funktionssegment DE auf der Kurve 40 des Reflexionsvermögens der optisch resonanten Struktur 21 und die entsprechende Kurve 40' des Reflexionsvermögens und die Funktionssegmente D'E' veranschaulicht, die aus einer Verschiebung der Kurve 40 des Reflexionsvermögens auf Grund des Einflusses des gemessenen Drucks auf den Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen der optisch resonanten Struktur 21 nach links resultieren. Die Kurve 40 des Reflexionsvermögens und deren Funktionssegment DE könnten auf die gleiche Weise auch nach rechts verschoben werden, was jedoch in Fig. 9 aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt wird.
Die optisch resonanten Strukturen, die in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt und in US-PS 4 678 904 beschrieben werden, werden unter Anwendung von fotolithografischen und Mikrobearbeitungsverfahren aus einem Siliciumwafer hergestellt. Diese Sensoren sind bemerkenswert frei von dem Phänomen, das allgemein als "Drift" bekannt ist und bei dem sich die "Null"-Anzeige des Meßwandlers mit der Zeit ändert. Wenn die Spektralmodulationssensoren in einer Intrakranialdruck- Überwachungsvorrichtung eingesetzt werden, sind die Zuverlässigkeit und Konstanz der Druckanzeige von höchster Bedeutung. Gefährlich erhöhte Drücke im Gehirn haben in der Regel eine Größenordnung von nur etwa 50 mm Hg, so daß kleine Ungenauigkeiten in der Druckanzeige gefährliche Konsequenzen haben können.
Allerdings unterliegen alle Drucksensoren in einem gewissen Maß Ungenauigkeiten, bei denen der Monitor beim Fehlen eines ausgeübten Drucks einen anderen Druck als Null anzeigt, oder Eichfehlern, bei denen die Meßwandleranzeige über dem Bereich des gemessenen Drucks größer oder kleiner ist, als sie sein sollte. Ein Intrakranialkatheter kann jedoch nicht herausgenommen werden, um die Genauigkeit der Anzeige zu überprüfen, ohne den Patienten einem erhöhten Trauma- und Infektionsrisiko auszusetzen.
Daher ist die Drucküberwachungsvorrichtung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung so konzipiert, daß sie die Korrektur des P-Abweichungsfehlers und jedes Eichfehlers ermöglicht, ohne den angelegten Druck wegzunehmen und den Meßwandler zum Luftdruck zu entlüften (d. h., ohne den Katheter aus dem Gehirn des Patienten herauszunehmen). Das Problem wird durch die Bereitstellung eines Mittels zur Positionierung der druckempfindlichen Membran des Sensors in der Position gelöst, die sie unter den Bedingungen von gleichen Drücken einnehmen würde, um so die In-situ-Überprüfung der Eichung zu ermöglichen.
Wie in Fig. 10 gezeigt wird, wird, um die In-situ-Eichung des Sensors zu ermöglichen, während der Herstellung der runden, druckempfindlichen Membran 28 ein geschliffener und polierter Glaswafer S6 mit einer Dicke von etwa 0,0125 bis 0,0625 cm (0,005 bis 0,025 Zoll), vorzugsweise von etwa 0,027 cm (0,011 Zoll), konzentrisch an dieser bondiert. Der Glaswafer 56 wird unter Anwendung bekannter Verfahren chemisch geätzt, um konzentrisch zum Mittelpunkt des Wafers einen runden Kanal 58 zu bilden, wobei die Breite des Kanals in der Regel zwischen etwa 0,005 und 0,025 cm (0,002 und 0,010 Zoll) liegt. Durch das Ätzen des Kanals verbleiben auf der Oberfläche des Glaswafers ein äußerer, erhöhter konzentrischer Ring und ein inneres, erhöhtes, konzentrisch ringförmiges Plateau oder ein "Anschlag" 56A. Der Glaswafer 56 und das Substrat 24 werden konzentrisch zur Oberfläche 25 der runden Membran 28 chemisch bondiert, so daß die Mitten des runden Substrats, der Membran und des Glaswafers koaxial ausgerichtet sind. Nach dieser Ausrichtung ruht die Oberfläche des "Anschlags" 56A, der durch Ätzen des Kanals in den Glaswafer gebildet worden ist, an der Oberfläche 25 der Membran 28, ist jedoch nicht mit dieser bondiert. Der Außenradius des Kanals 58 hat einen Durchmesser, der gleich dem oder größer als derjenige der runden Hohlkammer 26 ist, die in das Substrat 24 geätzt worden ist.
Folglich ist, wie das in Fig. 10 gezeigt wird, bei Nulldruck die Oberfläche 25 der Membran 28 mit der Oberfläche des Anschlags 56A bündig. Bei, einem ausgeübten Druck wird die Oberfläche 25 der Membran 28, wie das in Fig. 11 gezeigt wird, jedoch gegenüber dem Anschlag um einen Abstand abgelenkt, welcher der Größe des ausgeübten Drucks proportional ist oder wenigstens funktionell auf diesen bezogen ist.
Der Wafer 56 enthält eine durchführende Öffnung 60, die sich in den Kanal 58 öffnet, wobei durch diese Öffnung der ausgeübte Druck auf die Membran 28 auftrifft und diese ablenkt. Das Substrat 24 enthält eine Öffnung 62 in Fluidverbindung mit dem ersten Hohlraum, die den Sensor aufnimmt, wobei die Öffnung 62 vorzugsweise eine Querschnittsfläche hat, die gleich derjenigen der Öffnung 60 ist, wodurch ein gewählter Referenzdruck, wie beispielsweise der Luftdruck, so auf die Oberfläche 29 der Membran 28 auftrifft, daß er eine Kraft ausübt, die der des ausgeübten Drucks entgegengesetzt ist. Wenn der auf die Oberfläche 29 ausgeübte Referenzdruck gleich dem oder größer als der ausgeübte Druck ist, wie das in Fig. 10 gezeigt wird, wird die Oberfläche 25 der Membran 28 wieder in die Nulldruck-Position gebracht und ruht bündig auf dem Anschlag 56A.
Eine In-vivo-Eichanzeige, die den in der Anzeige auf dem Monitor enthaltenen P- Abweichungsfehler angibt, kann dadurch ermittelt werden, daß die Größe des Gegendrucks, der über die Lüftung 62 und den ersten Hohlraum auf die Oberfläche 29 der Membran 28 ausgeübt wird, langsam erhöht wird, bis die Meßanzeige auf dem Monitor nicht weiter fällt und einen konstanten, niedrigen Wert erreicht. Dieser konstante, niedrige Wert stellt den Nullfehler des Systems dar und sollte zur Ermittlung eines echten Druckmeßwertes von allen Druckanzeigen subtrahiert werden. Außerdem kann die Eichgenauigkeit des Meßwandlersystems ohne die Notwendigkeit erreicht werden, dieses aus der Operationsstelle herauszunehmen, wenn ein Manometer oder andere Mittel zur Ausübung eines bekannten Gegendrucks eingesetzt werden, um die Größe des Drucks zu messen, der durch die Öffnung 62 gegen die Oberfläche 29 ausgeübt wird. Die Differenz zwischen dem bekannten Gegendruck und der konstanten Druckanzeige auf dem Monitor, die bei der Rückführung der Membran auf die Nullposition erreicht wird, kann dafür genutzt werden, den Eichfehler des Systems zu ermitteln.
Alternativ dazu kann der Eichfehler durch Ausübung eines bekannten Vakuums auf die Oberfläche 29 der Membran 25 ermittelt werden, wobei diese Technik gleichbedeutend mit der Ausübung eines positiven Drucks auf die gegenüberliegende Seite der Membran ist. Die durch das Vakuum verursachte Verschiebung ergibt einen Druck, der auf dem Monitor dargestellt wird, der unter Anwendung bekannter Verfahren im Verhältnis zum bekannten negativen Druck bewertet werden kann, um den Eichfehler zu bestimmen. Sobald der Nullfehler und der Eichfehler bekannt sind, können sie vom Operateur jederzeit zur Ermittlung des echten Druckmeßwertes genutzt werden, ohne den Katheter aus der Operationsstelle herauszunehmen.
Die Fähigkeit, das Instrument an Ort und Stelle zu eichen und auf Null zu stellen, bietet einen großen Vorteil für jede Anwendung, bei der die ununterbrochene Überwachung der interessierenden Variablen, wie beispielsweise des Drucks eines Fluidstromes in einer Chemieanlage und dergleichen, erforderlich ist. Diese Fähigkeit hat auch wichtige klinische Bedeutung bei der Überwachung des Intrakranialdrucks, da der Intrakraniakdruck-Katheter nach der gegenwärtigen klinischen Praxis für bis zu fünf Tage an Ort und Stelle verbleiben kann, während regelmäßige Überprüfungen vorgenommen werden, um die Integrität und Genauigkeit des Systems zu bestimmen.
Wie in Fig. 10 und 11 gezeigt wird, können auch die Öffnung 62 und der erste Hohlraum dafür genutzt werden, das System zur Atmosphäre zu lüften, um eine Manometer-Druckmessung zu erhalten, ohne das Fluidsystem zu kontaminieren, da die Membran 28 als Schutzbarriere zwischen der Atmosphäre und dem zu beobachtenden Fluidsystem dient. Eine Luftdruck-Manometer-Druckanzeige wird im allgemeinen bei der Überwachung des Drucks von Körperflüssigkeiten, wie beispielsweise des Blutdrucks, bevorzugt, da der Körper unter Luftdruck ist. Wenn das Fluidsystem der Blutstrom oder die Intrakranialkammer und dergleichen ist, ist dieses Sicherheitsmerkmal äußerst wünschenswert. Außerdem ist es bei der Überwachung jedes Fluidstromes von großer Bedeutung, der durch den Kontakt mit den Luftbestandteilen beeinträchtigt werden könnte.
Ein weniger bevorzugter Typ eines Lichtleitoptik-Drucksensors, der für die Anwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wird im europäischen Patent 0 127 476 beschrieben und schematisch in Fig. 12 dargestellt. Die Vorrichtung schließt ein Kathetergehäuse 111 ein, das aus einem ersten Hohlraum 116 mit einem ersten Satz von Lichtleitfasern und einem zweiten, einem Fluidtransport- Hohlraum 129 besteht. Der erste Fasersatz schließt eine Emitterfaser 115 und eine Rückleitungsfaser 117 zur Weiterleitung eines ersten Lichtstrahls zum und vom entfernten Ende des Katheters ein. Bei diesem Typ von Druckwandler ist die herausnehmbare reflektierende Oberfläche an einem Balg 119 angebracht, der sich am distalen Ende des Katheters befindet. Eine reflektierende Oberfläche 121 bewegt sich in Übereinstimmung mit dem Druck und moduliert dadurch die Intensität des ersten Lichtstrahls, nicht durch Mikroverschiebungen im Funktionssegment der Kurve des Reflexionsvermögens einer optisch resonanten Struktur, sondern durch eine Streuung des Quellenlichtstrahls, die durch die Bewegung des reflektierenden Balgs verursacht wird, wie das ausführlich in der europäischen Patentanmeldung 0 127 476 beschrieben wird. Dieser Typ eines optischen Sensors kann mit monochromatischem Licht oder mit dem Multiwellenlängen-Licht angewendet werden, das durch eine LED 123 erzeugt wird, und durch den ersten Satz von Lichtleitfasern zu einem ersten Fotodetektormittel 125 übertragen wird, um die modulierte Intensität des reflektierten Strahls festzustellen, die durch die Bewegung des Balgs 119 verursacht wird.
Da das Biegen des Katheters 111 den Lichttransmissionsfaktor sowohl der Emitterfaser 115 als auch der Rückleitungsfaser 117 beeinflußt, schließt die Drucküberwachungsvorrichtung wahlweise einen Referenzkanal ein, der aus einem zweiten Satz von Lichtleitfasern gebildet wird, der sich innerhalb des ersten Hohlraums 116 befindet und im wesentlichen über dessen gesamte Länge erstreckt. Dieser Referenzkanal wird zur Bestimmung der Wirkungen des Biegens auf den Transmissionsfaktor und zur Bestimmung der Wirkungen von Temperatur und Alterung auf den Wirkungsgrad der LED 123 und des Fotodetektors 125 genutzt. Da der erste und zweite Satz von Lichtleitfasern im wesentlichen eine gemeinsame Ausdehnung haben und im wesentlichen demselben Grad von Biegung innerhalb des Katheters 111 ausgesetzt sind, wird die Wirkung dieses Biegens auf die entsprechenden Transmissionsfaktoren als im wesentlichen gleich angenommen.
Ein zweiter Lichtstrahl, der durch die LED 123 erzeugt wird, wird durch den zweiten Satz von Lichtleitfasern weitergeleitet, so daß die Änderung im Transmissionsfaktor der Fasern und die Änderungen im Licht von der LED bestimmt werden können und eine entsprechende Korrektur des Intensitätssignals vorgenommen werden kann. Der zweite Satz von Lichtleitfasern schließt eine Emitterfaser 137 zur Weiterleitung des zweiten Lichtstrahls von der LED 123 zu einer Stelle in der Nähe des distalen Endes des Katheters 111 und eine Rückleitungsfaser 139 für die Übertragung des Lichtstrahls zurück von dieser Stelle ein. Ein zweites Fotodetektormittel 141 stellt die Intensität dieses reflektierten Lichtstrahls fest und erzeugt ein Korrektursignal auf der Leitung 143, das einen elektrischen Strom hat, dessen Größenordnung der Intensität proportional ist. Das Korrektursignal wird vorzugsweise Steuermitteln 145 zugeführt, um ein Rückkopplungssteuersignal zu erzeugen, das über einen Energieblock 145 der Lichtquelle 123 zugeführt wird, um jede Änderung in der Lichtintensität auszugleichen, die durch Transmissionsverluste verursacht wird, wie beispielsweise die aus dem Biegen der Lichtleitfasern resultierenden, und um dadurch das Meßsignal zu korrigieren, das an einer Ausgangsklemme 146 aus dem Fotodetektor 125 austritt.
Um die Intensität des Reflexionsvermögens des Referenzsensors zu standardisieren, werden die entfernten Enden des zweiten Fasersatzes mit einem durchscheinenden Tröpfchen 145 eines Epoxidharzes, das ein weißes Pigment enthält, miteinander bondiert und reflektieren dadurch einen vorher festgelegten, feststehenden Anteil eines Lichtstrahls von der Emitterfaser zur Rückleitungsfaser. Das Epoxidharz- Tröpfchen wird vorzugsweise mit einem lichtundurchlässigen silbernen Anstrich beschichtet, dessen Lichtundurchlässigkeit verhindert, daß die Bewegung des angrenzenden reflektierenden Balgs 119 den reflektierten Strahl beeinflußt, und die Silberfarbe maximiert die Intensität des reflektierten Strahls.
Die oben beschriebene Fotodetektorvorrichtung kann von Fachleuten auf dem Gebiet aus kommerziell erhältlichen Komponenten zusammengestellt werden. Ein Typ einer Fotodetektorvorrichtung, die für den Einsatz bei dieser Erfindung geeignet ist, ist das Modell OLM, das von den Camino Laboratories hergestellt wird und das mit Standardmonitoren zur Patientenüberwachung zusammengeschaltet werden kann.
Bei diesem Typ von Intensitätsmodulationssensor muß der erste Hohlraum ausreichend groß sein, um wenigstens zwei Lichtleitfasern zu umschließen, und vier Lichtleitfasern werden gebraucht, wenn mit dem Referenzkanal gearbeitet wird. Daher ist das Kathetergehäuse größer als das für den Spektralmodulationssensor benötigte, bei dem vorzugsweise eine einzige Lichtleitfaser eingesetzt wird. Aus diesem Grund werden Spektralmodulationssensoren für den Einsatz in Intrakranialdruck- Überwachungskathetern bevorzugt.
Aus dem Vorstehenden werden Fachleuten auf dem relevanten Gebiet verschiedene weitere Anwendungen, Modifikationen und Adaptionen der Erfindung im Rahmen der angefügten Ansprüche ersichtlich sein. Alle Ausführungsbeispiele, Beispiele und Alternativen und dergleichen, die hier aufgeführt worden sind, sind ausdrücklich als nicht-einschränkende Beispiele zu betrachten.

Claims

1. Drucküberwachungs-Kathetersystem, wobei das System folgendes aufweist:

eine starre Sonde (276), die ein proximales Ende (278) und ein distales Ende (280) hat, und ein druckmessendes Katheterinstrument, das folgendes aufweist:

einen länglichen, flexiblen Katheter (250) mit einem proximalen Ende (264), einem distalen Ende (260) und einer Außenwand,

einen Meßhohlraum (254), der in Längsrichtung durch den Katheter von dessen proximalem Ende zum distalen Ende verläuft,

ein Sensormittel, das durch den Meßhohlraum verläuft, wobei das Sensormittel dahingehend wirksam ist, den Druck eines Fluids am distalen Ende (260) des Katheters zu messen und ein Drucksignal vom distalen Ende des Katheters zum proximalen Ende (264) des Katheters zu übertragen,

und einen sondenaufnehmenden Hohlraum (256), der innerhalb des Katheters gebildet wird und eine geschlossene distale Spitze hat,

gekennzeichnet durch eine Sondeneinführungsöffnung (274), die in der Außenwand des Katheters zwischen dessen distalem und proximalen Ende gebildet wird, durchführend zum sondenaufnehmenden Hohlraum (256),

und dadurch, daß der distale Abschnitt des Katheters zwischen der Sondeneinführungsöffnung (274) und dem distalen Ende (260) für die Aufnahme der starren Sonde (276) in diesem konfiguriert ist,

wobei die Sonde für die Einführung in den sondenaufnehmenden Hohlraum (256) bemessen und konfiguriert ist, um so den distalen Abschnitt des Katheters zu versteifen.

2. System nach Anspruch 1, bei dem sich die Sondeneinführungsöffnung (274) etwa 10 cm (vier Zoll) entfernt vom distalen Ende des Katheters befindet und der distale Abschnitt des Katheters etwa die am weitesten distalen 10 cm (vier Zoll) des Katheters darstellt.

3. System nach Anspruch 1, bei dem sich die Sondeneinführungsöffnung (274) etwa 15 cm entfernt vom distalen Ende (260) des Katheters befindet.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sonde (276) so bemessen und konfiguriert ist, daß das distale Ende der Sonde an das geschlossene distale Ende (260) anstößt, wenn die Sonde vollständig in den distalen Abschnitt des Katheters eingeführt worden ist.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Sensormittel eine optische Druckmeß-Baugruppe umfaßt.

6. System nach Anspruch 5, bei dem die optische Druckmeß-Baugruppe folgendes umfaßt:

eine lichtreflektierende Membran, die am distalen Ende des Katheters angeordnet ist, wobei die Membran so aufgebaut und angeordnet ist, daß sie sich in Übereinstimmung mit Änderungen im Druck am distalen Ende des Katheters bewegt, ein in Distalrichtung zeigendes, lichtdurchlässiges Element, das in Längsrichtung durch den Katheter verläuft, wobei das in Distalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element ein proximales Ende und ein distales Ende hat, wobei das proximale Ende des in Distalrichtung zeigenden, lichtdurchlässigen Elements mit einer Lichtquelle verbunden werden kann, derartig, daß Licht von der Lichtquelle in der distalen Richtung durch das in Distalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element auf die lichtreflektierende Membran übertragen wird, die sich am distalen Ende des Katheters befindet, und

ein in Proximalrichtung zeigendes, lichtdurchlässiges Element, das in Längsrichtung durch den Katheter verläuft, wobei das in Proximalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element ein proximales Ende und ein distales Ende hat, wobei das in Proximalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element dafür konfiguriert und bemessen ist, Licht, das von der lichtreflektierenden Membran reflektiert wird, in der proximalen Richtung zum proximalen Ende des Katheters zu übertragen,

wobei das proximale Ende des in Proximalrichtung zeigenden, lichtdurchlässigen Elements mit einem Überwachungsgerät verbunden werden kann, das dahingehend wirksam ist, Druckanzeigen im Verhältnis zu Änderungen in dem reflektierten Licht zu erzeugen, das von dem in Proximalrichtung zeigenden, lichtdurchlässigen Element empfangen wird.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem folgendes umfaßt:

einen Fluid-Transporthohlraum (252), der in Längsrichtung durch den Katheter verläuft, um Fluid zwischen dessen proximalem und distalen Ende zu transportieren, und

wenigstens eine Fluid-Durchgangsöffnung (262), die nahe des distalen Endes des Katheters in Fluid-Verbindung mit dem Fluid-Transporthohlraum gebildet wird.

8. System nach Anspruch 7, bei dem die wenigstens eine Fluid-Durchgangsöffnung (262) eine Vielzahl von Öffnungen umfaßt, die nahe des distalen Endes (260) des Katheters gebildet werden.

9. System nach Anspruch 7, bei dem die wenigstens eine Fluid-Durchgangsöffnung (262) eine Vielzahl von Öffnungen umfaßt, die in einer Längsreihe nahe des distalen Endes des Katheters ausgerichtet sind.

10. System nach Anspruch 9, bei dem die wenigstens eine Fluid-Durchgangsöffnung drei getrennte Reihen von Öffnungen (262) umfaßt.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sonde (276) außerdem aufweist:

einen gewendelten Griff (278), der am proximalen Ende der Sonde gebildet wird.

12. System nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, bei dem die wenigstens eine Fluid-Durchgangsöffnung (262) innerhalb der am weitesten distalen 1,3 cm (ein halb Zoll) des Katheters gebildet wird.

13. System nach. Anspruch 8, 9 oder 10, bei der die Vielzahl der Öffnungen in den am weitesten distalen 1,3 cm (ein halb Zoll) des Katheters gebildet werden.

14. System nach Anspruch 6, bei dem das in Distalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element eine Lichtleitfaser umfaßt.

15. System nach Anspruch 6 oder 14, bei dem das in Proximalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element eine Lichtleitfaser umfaßt.

16. System nach Anspruch 6, bei dem das in Distalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element und das in Proximalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element zusammen eine einzige Lichtleitfaser umfassen.

17. System nach Anspruch 6, bei dem das in Distalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element eine erste Lichtleitfaser umfaßt und das in Proximalrichtung zeigende, lichtdurchlässige Element eine zweite Lichtleitfaser, die von der ersten Lichtleitfaser getrennt ist, umfaßt.