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Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, eine Kraftsensoreinheit, eine langgestreckte Einrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Kraft.
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Ein besonderer Anwendungsfall dieser Erfindung betrifft die Kathetertechnik, die von einer langgestreckten Einrichtung zum zumindest teilweise Einführen in einen Organismus durch eine Körperöffnung bestimmt ist. Diese langgestreckten Einrichtungen kommen vor allem in der minimalinvasiven Chirurgie an insbesondere menschlichen Körpern zum Einsatz. Damit bei der Invasion der langgestreckten Einrichtung keine Körpergefäße durch die körpernahe Spitze der von dem behandelnden Arzt manuell zu bedienenden langgestreckten Einrichtung verletzt werden, orientiert sich der Arzt notwendigerweise daran, welche Kräfte ihm an einer Handhabe der langgestreckten Einrichtung mitgeteilt werden. Wegen der Reibung und der eingeschobenen im Verlauf der Invasion des Katheters in den Körper kontinuierlich zunehmende Kathetermasse gibt die dem behandelnden Arzt an der Handhabe mitgeteilte Kraft einen kaum noch nutzbaren Aufschluß über den tatsächlich an der Katheterspitze auftretenden Widerstand. Damit der behandelnde Arzt der Handhabe des Katheters die richtige Betätigungskraft mitteilen kann, ist ein außergewöhnlich reicher Erfahrungsschatz bei der Bedienung von Kathetern erforderlich.
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Aus der
DE 103 03 270 A1 ist eine Katheteranordnung bekannt, bei der die auf die Katheterspitze beim Einschieben wirkende Kraft durch einen Kraftsensor gemessen wird. Die entsprechende Meßgröße wird dem Arzt über eine haptische Handhabe taktil mitgeteilt. Auf diese Weise wird das Auffinden beispielsweise von Aderabzweigungen oder Perforationen an der Herzscheidewand gerade für einen unerfahrenen Arzt erleichtert. Eine die die Kraft an der Spitze repräsentierende Meßgröße verwendende, elektrodynamische Antriebsvorrichtung zur Erzeugung der haptischen Kraftvorspannung ist aus der
DE 103 19 081 A1 bekannt. Beide vorgenannten Dokumente sollen hier mit Bezug eingearbeitet sein, insbesondere im Hinblick auf die Sensorik zur Erfassen der Kräfte an der Spitze der langgestreckten Einrichtung und der Auswertung der Meßsignale.
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Gemäß der
US 6 221 023 B1 wird ein Kraftsensor an der Spitze von Kathetern vorgesehen, der auf einen resistiven Funktionsbetrieb basiert. Die in den Sensor eingeleitete Kraft wird durch eine Widerstandsbrückenschaltung aufgenommen. Der Sensor muß über mehrere Leitungen insbesondere zur Versorgung mit elektrischer Energie und zur Signalübertragung an eine externe Auswerteinheit verbunden sein, wobei die Verlegung mindestens eines Kabels einen hohen Raumbedarf längs des Katheters erfordert. Der Aufbau dieses Sensors ist aufgrund der großen Teilezahl aufwendig, und die damit verbundenen hohen Fertigungskosten machen den bekannten Sensor insbesondere für Katheter aufgrund deren bevorzugten Einweg-Eigenschaft ungeeignet. Außerdem ist die Miniaturisierbarkeit des elektrisch betriebenen Kraftsensors insbesondere unterhalb eines Katheterdurchmessers von weniger als 3 mm, wenn überhaupt, nur mit einem äußerst hohen konstruktiven Aufwand realisierbar. Ferner ist ein elektrischer Kraftsensor hinsichtlich elektromagnetischer Strahlung eines Magnetresonanztomographen störanfällig, welche Anfälligkeiten insbesondere in der Medizintechnik auszuschalten sind.
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Die
DE 44 10 463 A1 offenbart einen faseroptischen Sensor mit zwei Lichtwellenleitern, von denen ein Lichtwellenleiter an einer Lichtquelle angeschlossen ist. Die Enden der beiden Lichtwellenleiter liegen einem verspiegelten Ende eines Biegebalkens gegenüber, der in einem Kapselgehäuse quasi-fest eingespannt ist. Die Position des verspiegelten Endes wird durch die Reflexion des Endes des Biegebalkens gemessen. Das Verhältnis der in den beiden Enden der Lichtwellenleiter reflektierten Lichtanteile ergeben eine Auswertung unabhängig von absoluten Intensitätsmessungen. Dieser faseroptische Sensor ist für den Einsatz bei einem Katheter insofern nicht geeignet, als mit dem Sensor ausschließlich Kräfte quer zur Längserstreckung der Lichtwellenleiter erfassbar sind. Ferner ist der offenbarte Sensoraufbau für eine Miniaturisierung von langgestreckten Einrichtungen mit lateralen Abmessungen von weniger als 3 mm nicht geeignet.
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Im Stand der Technik [H. Emanuelsson, et al., Initial Experiences With a Miniaturized Pressure Transducer During Coronary Angioplasty”, Catheterization and Cardiovascular Diagnosis 24 (1991), Seiten 137–143] ist ein faseroptischer Drucksensor bekannt, der zur Integration in Führungsdrähte mit einem Durchmesser von 0,36 mm geeignet ist und zur Messung des Blutdrucks dient. Es kann mit diesem Sensor ein Druck lateral, nicht aber eine Kraft senkrecht auf die Achse eines Führungsdrahts bestimmt werden, weshalb dieser Sensor zur Erfassung der Vorschub-/Kontaktkraft nicht geeignet ist.
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Häufig werden auch phasensensitive Auswertungsverfahren im Messkopf angewendet, in dem Abstände von reflektierenden Flächen im Bereich der Wellenlänge des eingesetzten Lichtes moduliert werden. Aufgrund der kleinen Modulationswege sind diese Verfahren sehr empfindlich gegenüber Temperaturausdehnungen der Konstruktionswerkstoffe und weisen hohe Montagekosten aufgrund extrem kleiner Fertigungstoleranzen auf. Neben der sehr exakten Montage ist auch immer ein robuster Rahmen zur Halterung der reflektierenden Fläche notwendig. Dies ist für die Messung eines Druckes, der immer gleichmäßig verteilt und senkrecht auf eine Fläche wirkt, nicht nachteilig. Für eine Kraftmessung bildet ein stabiler Rahmen aber einen Kraftnebenschluss, der einen nicht vorhersagbaren Teil der Messkraft an dem Sensor vorbei leitet und so eine exakte Kraftmessung verhindert. Vorteilhaft kann also ein Sensor angewendet werden, der große Verformungen bereitstellt, die Kraft vollständig aufnimmt, eine axiale Kraft in ein bestimmbares Ausgangssignal wandelt und günstig herstellbar ist.
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Aus der
DE 100 55 629 A1 ist ein faseroptischer Sensor bekannt, der einen Druck auf seine Flächen durch die durch Druckeinwirkung veränderten Doppelbrechungseigenschaften messbar macht. Der Sensor besteht aus einem Sandwichaufbau von zwei Polarisationsfiltern mit dazwischen eingeschlossenem Flüssigkristall. Durch Variation der Polarisationslage ändert sich die Intensität des zurückgestrahlten Lichts und ermöglicht so eine Messung eines anliegenden Druckes oder einer Kraft. Die Änderung der Doppelbrechungseigenschaften ist neben dem Druck aber auch mit der Temperatur korreliert und muss kompensiert werden.
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Aus der
US 5 987 995 A ist ein faseroptischer Drucksensor bekannt, mit dessen Hilfe über einen Hebelmechanismus Blutdruck mit einem medizinischen Instrument gemessen werden kann. Hierbei kann über eine seitliche Öffnung der Blutdruck auf eine Membran wirken, die wiederum mit einem Hebel verbunden ist, der wiederum die von einer Faser eingespeistes Licht unterschiedlich reflektiert. Hierbei ist die Faser konzentrisch in einem Halter zu befestigen, an dem auch der Reflektionsarm befestigt ist. In der Kammer, in der die Lichtintensität moduliert wird, ist ein Gegendruck bereitzustellen, der eine Druckmessung ermöglicht. Der Aufbau ist relativ aufwendig und erfordert die Einhaltung kleiner Montage- bzw. Fertigungstoleranzen, wodurch der Aufbau im Gegensatz zur vorgeschlagenen Erfindung teurer ist. Der Aufbau ist nicht geeignet, eine axial anliegende Kraft annähernd fehlerfrei zu messen.
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Aus der
US 2002/0162399 A1 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem über eine steife Randstruktur eine Membran angeschlossen ist, an deren Zentrum wiederum ein biegesteifer Lichtreflektor befestigt ist. Diese Struktur ist aufgrund des steifen Rahmens nicht ohne zusätzliche Adapter zur Kraftmessung verwendbar. Weiterhin wird das sehr sensitive Interferenzverfahren zur Auswertung der Phasenlage des Lichtes ausgewertet, was eine Temperaturkompensation erschwert, bzw. notwendig macht und, wie beschrieben, aufgrund der notwendigen kleinen Toleranzen hohe Fertigungskosten bedingt.
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In der
DE 691 06 367 T2 wird ein faseroptischer Drucksensor offenbart, der einen elastischen Verformungskörper mit einem oder mehreren Einschlüssen umfasst. Das elastische Gehäuse ermöglicht neben einer Druckmessung auch eine Kraftmessung in axialer Richtung auf die langgestreckte Einrichtung. Die Einschlüsse werden aufgrund der mechanischen Größe Kraft oder Druck relativ zur Faserfläche bewegt, aus der Licht aus-, und auch wieder eintritt. Der Sensor beruht im Wesentlichen auf der Abstandsmodulation der reflektiven Teilchen in Bezug zur Lichtaustrittsfläche. Je nach Verteilung der Dichte und der Position der reflektiven Teilchen ist der Sensor unterschiedlich empfindlich auf Kräfte und Drücke und erfordert vor der Weitergabe an den Kunden sicherlich eine genaue, aufwendige Kalibrierung. Aufgrund des vorgeschlagenen Aufbaus beruht das Wirkprinzip auf Abstandsmodulation von reflektiven Teilchen, die sich in einem bestimmten Abstand zum Lichtaustritt befinden. Diese Modulation erbringt in der Regel nicht den Modulationsgrad, der durch Änderung der Krümmung mit der einhergehenden besseren Fokussierung des Lichtes erreicht werden kann, wodurch nachteiligerweise das Signal-/Rauschverhältnis sinkt, und damit auch die kleinste detektierbare Messeinheit steigt. Eine stärkere Modulation durch eine direkte Modulation durch Verkrümmung der Reflektions- oder der Lichtaustrittsfläche in direktem Kontakt mit dem Reflektionskörper zur Erhöhung des Modulationsgrades ist nicht vorgesehen.
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Aus der
US 4599908 ist ein faseroptischer Drucksensor bekannt, der einen Lichtweg durch die Sensorzelle aufweist, der durch die mechanische Messgröße verengt wird und so zur Modulation des Lichtstroms führt. Schwierig bei der Fertigung dieses Sensors im Mikro-Maßstab ist eine definierte Locherzeugung, durch die das Licht definiert passieren kann. Seitlich angreifende Kräfte führen bei diesem Sensor sicherlich zur Verschiebung der Flächen und damit zum Verschließen der Kanäle und somit zu einer Fehlmessung der Kraft.
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In der
US 3 580 082 A wird ein faseroptischer Drucksensor vorgestellt, dessen Ausgangssignal über eine Membran, deren Zentrum sich in einem definierten Abstand über der Lichtaustrittsfläche einer optischen Faser befindet, moduliert wird. Hierbei ist wiederum die Membran durch einen stabilen Rahmen zu stützen, der bei einer vollflächige Krafteinkopplung zu Fehlern aufgrund eines Kraftnebenschlusses führt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebauten Sensor bereitzustellen, der in langgestreckte Einrichtungen von weniger als 3 mm Durchmesser, insbesondere 0,33 mm (1 French), integrierbar ist und Kräfte erfassen kann, welche zumindest teilweise an der langgestreckten Einrichtung in deren Längsrichtung angreifen. Hierbei soll eine vollflächige Krafteinkopplung zu genauen Messergebnissen führen, der Modulationsgrad soll deutlich höher als der bei einfacher Abstandsmodulation sein, seitliche Kräfte sollen nicht zu übermäßigen Fehlmessungen führen und der Sensor soll kostengünstig gefertigt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist der erfindungsgemäße Sensor dazu ausgelegt, eine Kraft zu erfassen, die an einer langgestreckten Einrichtung, insbesondere einer langgestreckten medizintechnischen Einrichtung, wie einem Katheter oder Führungsdraht, angreift, welche Kraft eine nicht vernachlässigbare Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung aufweisen kann. Der erfindungsgemäße Sensor hat einen Kraftaufnehmer, an dem zumindest der wesentliche Teil der zu erfassenden Kraft entweder über die langgestreckte Einrichtung oder direkt in den Sensor gerichtet einleitbar ist. Der Sensor soll erfindungsgemäß derart beschaffen sein, daß er an der langgestreckten Einrichtung anbringbar und insbesondere bei bereits existierenden langgestreckten Einrichtungen nachrüstbar ist. Erfindungsgemäß weist der Sensor mindestens einen Lichteinkoppelbereich auf, an dem Licht in den Sensor insbesondere in einer vorab festgelegten, bekannten Intensität eintreten kann. Der Lichteinkoppelbereich ist mit wenigstens einem Lichtwellenleiter optisch verbunden, welche Verbindung im Inneren des Sensors oder außerhalb realisierbar ist, wobei der Lichtwellenleiter vorzugsweise außerhalb des Sensors an eine Lichtquelle anschließbar ist. Der erfindungsgemäße Sensor hat einen Lichtintensitätsmodulator, der die vorab bestimmte Intensität des in den Sensor einkoppelbaren Lichts in Abhängigkeit von der Kraft, die über den Kraftaufnehmer in den Sensor eingeleitet ist, moduliert, also abhängig von der Kraft ändert. Der erfindungsgemäße Sensor weist einen Lichtauskoppelbereich auf, der zugleich auch den Lichteinkoppelbereich bilden kann und über welchen das Licht modulierter Intensität in wenigstens einen Lichtleiter auskoppelbar ist. Dabei kann der selbe Lichtleiter verwendet werden, der bereits zum Einkoppeln des Lichts in den Sensor genutzt ist. Die modulierte oder unmodulierte Lichtintensität kann von einer insbesondere sensorexternen Auswerteinheit bewertet werden, die unter Nutzung eines Proportionalverhältnisses zwischen der Intensitätsänderung und der Kraft den zu ermittelnden Kraftbetrag bestimmen kann.
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Der erfindungsgemäße Sensor bietet die folgenden Vorteile gegenüber den oben genannten bekannten Kraftsensoren:
- – mit dem erfindungsgemäße Sensor besteht die Möglichkeit, eine Kraftsensorik in langgestreckten Einrichtungen zu integrieren, welche eine laterale Erstreckung oder einen Durchmesser von weniger als 3 mm, insbesondere 0,33 mm (1 French), aufweisen;
- – der erfindungsgemäße Sensor ist wegen der geringen Teileanzahl für eine Massenproduktion geeignet;
- – der einfache Aufbau des erfindungsgemäßen Sensor erfüllt ohne weiteres die hohen Anforderung der Hygiene in der Medizintechnik;
- – mit dem erfindungsgemäßen Sensor können aufgrund der Nutzung der sensiblen Lichtintensitätsmeßgröße sehr genaue Kraftbetrags- und/oder Kraftwirkungsmessungen erreicht werden; und
- – der erfindungsgemäße Sensor verzichtet auf elektrische Leitungen, die insbesondere bei einem Einsatz von einem Magnetresonanztomographen wegen der dabei auftretenden elektromagnetischen Wechselfeldern die Meßergebnisse verfälschend beeinflussen können.
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Der erfindungsgemäße Sensor kann Kräfte dem Betrag und/oder der Wirkrichtung nach in Echtzeit und insbesondere kontinuierlich erfassen. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Sensor dazu ausgelegt, eine Kraft hauptsächlich in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung zu erfassen.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein Reflektor vorgesehen, der eine dem wenigstens einem Lichtauskoppelbereich zugeordnete Reflexionsfläche aufweist. Die Reflexionsfläche ist derart kraft- oder druckempfindlich ausgebildet, daß es seine Reflexionseigenschaften in Abhängigkeit von der an dem Kraftaufnehmer angreifenden Last ändern kann. Vorzugsweise stellen sich die anfänglichen, unbelasteten Reflexionseigenschaften des Reflektors nach Lösen der Last selbständig wieder her. Bei bestimmten Einwegprodukten kann es allerdings vorteilhaft sein, im Hinblick auf günstige Herstellungskosten auf eine Reversibilität der Reflexionseigenschaften zu verzichten. Vorzugsweise ändert sich die Reflexionsfläche auf eine Kraftwirkung dahingehend, daß sie vergrößert oder verkleinert wird.
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Die Reflexionsfläche ist uneben, insbesondere gewölbt, ausgestaltet. Durch die Unebenheit der Reflexionsfläche wird das eingekoppelte Licht mehr oder minder stark reflektiert. Diese Verschlechterung oder Verbesserung der Reflexionseigenschaften kann durch den Krafteintrag in den Kraftaufnehmer des Sensors dadurch verändert werden, daß sich der Grad der Unebenheit entsprechend ändert. Bei einer gewölbten Reflexionsfläche kann diese vorzugsweise bei einem Krafteintrag abgeflacht oder eingeebnet werden, wodurch eine höhere oder geringere Lichtintensität auf eine vorbestimmte Stelle geschaffen werden kann, welche vorzugsweise der Lichtauskoppelbereich des Sensors ist. Damit kann eine gegenüber der vorbestimmten, bekannten Anfangsintensität höhere oder niedrigere Intensität erzeugt werden, welche als zunehmende oder abnehmende Kraft an der langgestreckten Einrichtung von der Auswerteinheit interpretiert werden kann.
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In einer besonderen Weiterentwicklung der Erfindung ist ein kugelförmiger Kraftaufnehmer vorgesehen, welcher auf seiner dem Lichtein- und/oder Lichtauskoppelbereich zugewandten Seite reflektierend ausgestaltet ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die insbesondere unebene Reflexionsfläche derart formbeständig sein, daß sie die Abmessungen des Lichtauskoppelbereichs irreversibel oder reversibel erweitert und/oder begrenzt. Insbesondere ist das dem Lichtauskoppelbereich definierende Material weicher als die formbeständige Reflexionsfläche ausgeführt, so daß bei einem Krafteintrag auf den Kraftaufnehmer des Sensors die insbesondere unebene Reflexionsfläche mit dem Material in Eingriff kommt und letzteres auf eine die Form der Reflexionsfläche einprägende Weise vergrößert und/oder verkleinert.
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Mit dieser weiterbildenden Ausführung wird die Teileanzahl des Sensors weiter reduziert, weil mit den Härteeigenschaften von Hauptbauteilen die Funktionen von Unterbauteilen des Sensors mitübernommen werden.
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Vorzugsweise wird das aus dem Sensor austretende Lichtintensitätssignal monochromatisch und/oder über ein Spektrum ausgewertet.
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Desweiteren betrifft die Erfindung eine Sensoreinheit, welche wenigstens einen Lichtwellenleiter, der an wenigstens einer Lichtquelle anschließbar oder angeschlossen ist, und einen erfindungsgemäßen Sensor aufweist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Sensor an der Endfläche des wenigstens einen Lichtwellenleiters angeordnet, wobei vorzugsweise der Sensor insbesondere mit seinem Kraftaufnehmer, in unmittelbarem Kontakt mit dem wenigstens einen Lichtwellenleiter stehen kann.
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Damit die Kraft einem bestimmten Sensoraufbau gemäß in den Sensor, insbesondere am Kraftaufnehmer, vorbestimmbar einleitbar ist, kann ein Adapter zwischen der langgestreckten Einrichtung und dem Sensor angeordnet sein.
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Zudem betrifft die Erfindung eine langgestreckte Einrichtung, insbesondere eine medizinischtechnische langgestreckte Einrichtung, wie einen Katheter, welche Einrichtung wenigstens einen Lichtwellenleiter, der an wenigstens einer Lichtquelle angeschlossen ist, und einen erfindungsgemäßen Sensor aufweist, der mit dem Lichtwellenleiter optisch verbunden ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist bei der langgestreckten Einrichtung der erfindungsgemäße Sensor oder die erfindungsgemäße Sensoreinheit im Bereich des distalen Endes der langgestreckten Einrichtung positioniert, wobei ein geringer Abstand von dem distalen Ende bevorzugt ist. Der Sensor soll nicht direkt den Kräften ausgesetzt werden, vielmehr sollen die Kräfte über ein Adapterstück der langgestreckten Einrichtung auf den Sensor oder die Sensoreinheit übertragen werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der wenigstens eine Lichtwellenleiter längs der langgestreckten Einrichtung von dem Sensor vorzugsweise zu einer Auswerteinheit. Vorzugsweise ist der Sensor an wenigstens einem Führungsdraht der langgestreckten Einrichtung angebracht.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird die Längserstreckung der langgestreckten Einrichtung im wesentlichen ausschließlich durch den wenigstens einen Lichtwellenleiter gebildet. Führungsdrähte sind damit nicht notwendig, wenn für den Lichtwellenleiter ein Fasermaterial ausgewählt wird, das sowohl die entsprechenden optischen Eigenschaften als auch die notwendige Festigkeit und Flexibilität besitzt.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer auf eine langgestreckte Einrichtung wirkende Kraft. Danach wird eine Anfangsintensität einer Lichtmeßgröße vorbestimmt, die Lichtmeßgröße in Abhängigkeit von der Kraft moduliert, die modulierte Lichtintensität mit der vorbestimmten Anfangsintensität verglichen und eine nicht vernachlässigbare Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung anhand des Verhältnisses von Anfangsintensität zur modulierter Intensität bestimmt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen
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1a eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Sensors in einer ersten Ausführung, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;
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1b den Sensor gemäß 1a in einem belasteten Zustand;
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2a eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;
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2b den Sensor gemäß 2a in einem belasteten Zustand;
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3 einen distalen Bereich eines Endes einer medizintechnischen langgestreckten Einrichtung, wie eines Katheters.
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Die in den 1a und 1b dargestellte Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors 1 umfaßt einen Kraftaufnehmer 3, der in der Ausführung gemäß den 1a und 1b einen kugelförmigen elastischen Körper 5 und/oder ein Gehäuse 7 aufweist, das beispielsweise aus Silikon gebildet ist. Für eine einfache Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Sensors ist das Gehäuse 7 als Einkapselteil um den Körper 5 umgießend gebildet. Für eine montagefeste Kopplung des Kraftaufnehmers an einen Lichtwellenleiter 11 umgreift das Gehäuse 7 das Ende 13 des Lichtwellenleiters 11 fest.
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Der kugelförmige Körper 5 hat eine Reflexionsfläche 15, die einem Lichtein- und Lichtauskoppelbereich zugeordnet ist, welche beiden als Zwischen- oder Übergangsstelle definierbar sind, an der Licht den Lichtwellenleiter verläßt und in den Körper 5, also in den Sensor, gelangt.
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In der Ausführung gemäß 1a und 1b liegt der kugelförmige Körper 5 an der Endfläche 19 des Endes 13 des Lichtleiters 11 an, so daß sich im Kontaktbereich des kugelförmigen Körpers 5 und des Lichtwellenleiters 11 eine Reflexionsfläche 15, auch benachbart dem Kontaktbereich, in den Lichtwellenleiter 11 gerichtet wirksam ist. Das durch den Lichtleiter 11 hindurch einzukoppelnde Licht 21, das eine Anfangsintensität aufweist, gelangt durch den Lichteinkoppelbereich an der Fläche 19 unmittelbar an die Reflexionsfläche 15 des kugelförmigen Körpers 5, wird dort reflektiert und gelangt über den Lichtauskoppelbereich an der Fläche 19 des Lichtwellenleiters 11 wieder in letzteren als Lichtstrahl 23, dessen Lichtintensität von einer vorzugsweise am Ende des Lichtleiters 11 angeordneten monochromatischen Auswerteinheit (nicht dargestellt) oder einem Spektrum ausgewertet wird.
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Wie in 1a schematisch angedeutet ist, wird nur ein Teil des eingekoppelten Lichts an der gewölbten Fläche 15 des kugelförmigen Körpers 5 so reflektiert, daß Licht wieder über den Lichtauskoppelbereich in den Lichtwellenleiter zurückkehrt. Je stärker die Wölbung an dem kugelförmigen Körper 5 ausgebildet ist, desto schwacher ist das in den Lichtwellenleiter reflektierte Licht 23, was durch den gegenüber dem Pfeil 21 schmäleren Pfeil 23 angedeutet sein soll.
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Es ist denkbar auch eine diametral der Reflexionsfläche 15 gegenüberliegende Reflexionsfläche 25 bei einer abgewandelten Ausführung vorzusehen. In diesem Fall ist der kugelförmige Körper 5 transparent auszugestalten, so daß das eingekoppelte Licht durch den Lichtkörper 5 hindurch an der Reflexionsfläche 25 reflektiert wird, um teilweise über den Lichtauskoppelbereich in den Lichtwellenleiter 11 zu gelangen.
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Wird eine im wesentlichen längs des Wellenleiters 11 gerichtete Kraft F dem Kraftaufnehmer 3 mitgeteilt, wie in 1b dargestellt ist, so verformen sich sowohl das elastische Gehäuse 7 als auch der elastische, kugelförmige Körper 5 von ihrer im wesentlichen kugelförmigen Ausgangsform in eine Ei- oder Ellipsoidform, wie in 1b angedeutet ist. Aufgrund dieser Verformung nimmt der Wölbungsgrad an den Reflexionsflächen 15 und/oder 25 ab, so daß die wirksame Reflexionsfläche 15 und/oder 25 zunimmt und das dem Lichtauskoppelbereich des Sensors 1 zugeordnete reflektierte Licht mit höherer Intensität in den Wellenleiter 11 eingeleitet werden kann.
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Über eine Kalibrierung des Kraftsensors bezüglich des Verhältnisses Wölbungsgrad/Kraft, Wölbungsgrad/wirksame Reflexionsfläche, wirksame Reflexionsfläche/modulierte Intensität kann eine quantitative Kraftauswertung anhand der modulierten Lichtintensität erfolgen.
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Sollte der Lichtwellenleiter 111 an seinem Ende elastisch reversibel ausgeführt sein, können beliebig viele Krafteindrücke durch den erfindungsgemäßen Sensor 101 erfaßt werden. In den 2a und 2b ist eine alternative Ausführung dargestellt, wobei für eine bessere Lesbarkeit der Figurenbeschreibung für identische und ähnliche Bauelemente des erfindungsgemäßen Sensors der alternativen Ausführung gleiche Bezugszeichen verwendet werden, die um 100 erhöht sind.
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Der in 2a und 2b dargestellte erfindungsgemäße Sensor 101 unterscheidet sich von dem Sensor 1 gemäß den 1a und 1b darin, daß der kugelförmige Körper 105 aus einem festen Material gebildet ist, das härter als das Material des Lichtwellenleiters 111 an dessen Ende 113 ist. Für das Gehäuse 107 wird, wie auch bei der Ausführung gemäß den 1a und 1b, ein elastisches Material, wie Silikon, eingesetzt, damit eine flexible Einkapselung und Befestigung des Kraftaufnehmers 103 an dem Lichtwellenleiter 111 sichergestellt ist.
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Wie in 2b dargestellt ist, wird das Ende 113 des Wellenleiters 100 aufgrund der sich in Längsrichtung des Lichtwellenleiters 100 wirkenden Kraft F eingedrückt. Aufgrund des kugelförmigen Eindrückbereichs wird die Kontaktfläche erhöht, ergo die Reflexionsfläche 115 wird vergrößert, was dazu führt, daß Licht mit einer größeren modulierten Intensität über den Lichtauskoppelbereich des Sensors 101 in den Lichtwellenleiter 111 gelangt.
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Sollte der Lichtwellenleiter 111 an seinem Ende elastisch reversibel ausgeführt sein, können beliebig viele Krafteindrücke durch den erfindungsgemäßen Sensor 101 erfaßt werden.
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In 3 ist schematisch der Endbereich 71 eines erfindungsgemäßen Katheters dargestellt, dessen Ende leicht gekrümmt oder hakenförmig ausgebildet ist, um das Katheterende leichter in Y-Arterienabzweigungen einführen zu können. Der erfindungsgemäße Sensor 1 ist nicht unmittelbar an der Spitze 73 angeordnet, sondern in einem gewissen Abstand von der Spitze 73, damit ein axialer Krafteintrag in dem Sensor erzwungen werden kann. Der der Spitze 73 zugewandte Bereich 75 des Katheters kann Katheterzusatzeinrichtungen aufweisen. Auf der der Spitze 73 abgewandten Seite 77 des Sensors 1 ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter (nicht näher dargestellt) vorgesehen, wobei der Katheter in diesem Abschnitt von dem Sensor bis zur Betätigungseinrichtung ausschließlich aus einem Lichtwellenleiter gebildet sein kann, der eine lichtundurchlässige, organismusverträgliche Außenhaut (nicht dargestellt) aufweisen kann.
