DE69007465T2

DE69007465T2 - Integrierter intrakranialer druckmonitor und drainagekatheter.

Info

Publication number: DE69007465T2
Application number: DE69007465T
Authority: DE
Inventors: Ronald B. Mission Viejo Ca 92692 Beckman; John P. Santa Ana Ca 92705 Hall
Original assignee: Baxter International Inc
Current assignee: Baxter International Inc
Priority date: 1989-10-11
Filing date: 1990-10-10
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2010-10-11
Also published as: US6210346B1; WO1991005575A1; JPH04502118A; DE69007465D1; CA2044159A1; CA2044159C; JP3134121B2; EP0447545A1; EP0447545B1; US8066681B1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine intrakraniale Katheteranordnung mit einem Doppellumenkatheter, der am distalen Ende eine In- situ-Drucküberwachungseinrichtung hat, um den intrakranialen Druck kontinuierlich durch ein Lumen zu überwachen, während gleichzeitig durch das andere Lumen eine Ableitung von zerebrospinalem Fluid durchgeführt wird.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Der Schädel ist ein knochiges Gehäuse mit festem Volumen, das drei Arten von Substanzen enthält - Blut, Gehirn und zerebrospinales Fluid -, die jeweils einen Bereich dieses Volumens einnehmen. Wenn der Volumenbereich einer der drei Substanzen zunimmt, ohne daß gleichzeitig eine Abnahme der Bereiche der beiden anderen stattfindet, erhöht sich der intrakraniale Druck. Da das Gehirn nur eine begrenzte Fähigkeit hat, sich an Erhöhungen des intrakranialen Volumens anzupassen, bewirken, wenn die Grenze einmal erreicht ist, geringe Zunahmen des Volumens signifikante Steigerungen des intrakranialen Drucks.
Die Aufrechterhaltung des zerebralen Blutstroms, um dem Gehirn ausreichend Sauerstoff und Glukose zu liefern, ist kritisch. Eine Zunahme des Volumens des Gehirns oder von zerbrospinalem Fluid als Folge von Trauma und dergleichen begrenzt jedoch den Blutdurchfluß und kann ihn vollständig aufhalten, wenn die Fluidzunahme ausreichend groß ist, um das Gehirn an der Schädelbasis zu herniieren. In einem solchen Fall ist der Tod die Folge.
Da es nicht praktikabel ist, den zerebralen Blutdurchfluß am Krankenbett zu überwachen, wird ein Algorithmus auf der Basis der Beziehung zwischen dem mittleren arteriellen Druck, dem intrakranialen Druck und dem zerebralen Durchströmungsdruck angewandt, um den Blutdurchfluß im Gehirn zu berechnen (CPP = MAP - ICP). Daher ist eine zufriedenstellende Einrichtung zur Überwachung des intrakranialen Drucks durch Anbringen eines Druckwandlers im intraventrikulären, subarachnoidalen oder intraparenchymatösen Raum von größter Wichtigkeit für die Behandlung von Kopfverletzungen und wird seit langem benötigt.
Anordnungen zur Drucküberwachung an verschiedenen Stellen im Körper sind bekannt. Die frühesten Drucküberwachungseinrichtungen verwenden eine druckempfindliche Membran in Kontakt mit einer sterilen Fluidsäule, die in einem Katheter enthalten ist, der in das Blutgefäß, das Gehirn oder einen anderen Bereich eingeführt ist, der einen interessierenden Fluiddruck enthält. Von dem Fluid, beispielsweise der zerebrospinalen oder cephalorachitischen Flüssigkeit, aufgebrachter Druck wird durch die Fluidsäule in dem Katheter zu einem externen Druckwandler übertragen, der das Drucksignal in eine analoge oder digitale Form umwandelt, die zur Ablesung an einer Überwachungseinrichtung geeignet ist, wie sie etwa üblicherweise zur Blutdrucküberwachung verwendet wird. Drucküberwachungseinrichtungen, die eine Fluidsäule verwenden, werden jedoch leicht mit Bakterien oder Luftblasen kontaminiert. Luftblasen in der Leitung verfälschen die Druckmeßwerte, und eine bakterielle Kontaminierung des Fluids kann den Patienten ungewollt einer Sepsis aussetzen. Die fluidgekoppelten Systeme, die zur Überwachung von intrakranialem Druck verwendet werden, erreichen das Gehirn über einen ventrikulären Katheter oder durch den Schädel angebrachte Bolzen. Da die zu überwachenden Drücke relativ niedrig sind (0 bis 6 10³ Pa) (0 bis 50 mmHg), können die hydrostatischen Effekte der Fluidsäule die Meßwerte verfälschen. Außerdem kann die Fluidsäule den Frequenzbereich des Systems beeinflussen.
Um die Risiken und Nachteile zu beseitigen, die Kathetern innewohnen, die eine Fluidsäule zur Übertragung des Druckmeßwerts verwenden, wurden verbesserte Drucküberwachungseinrichtungen entwickelt, die die druckempfindliche Membran, die am distalen Ende des Katheters angeordnet ist, mit einer elektrischen oder optischen Einrichtung koppeln, um ein Drucksignal zu erzeugen und es zum proximalen Ende des Katheters und damit zu dem Druckwandler und Monitor zu übertragen. Die elektrischen Drucküberwachungsmembranen sind typischerweise mit einem miniaturisierten Dehnungsmesser vom Wheatstone-Brückentyp versehen, der eine Reihe von Widerständen aufweist, deren Widerstandswert proportional zu der Entfernung von der Nullposition, um die die Membran des Drucksensors von dem aufgebrachten Druck verlagert wird, modifiziert wird. Elektrische Druckfühler werden allgemein in Krankenhäusern verwendet, um den Blutdruck und dergleichen ständig zu überwachen. Daher verwenden Krankenhäuser Monitore, die so ausgebildet sind, daß sie ein elektrisches Ausgangssignal von dem Druckfühler vom Wheatstone-Brückentyp empfangen und es unter Anwendung wohlbekannter Techniken in einen Druckmeßwert umwandeln. Ein Katheter zur Überwachung des intrakranialen Drucks, der einen elektrischen Druckfühler verwendet, könnte daher direkt an den Druckmonitor angeschlossen werden, der sich in den meisten Krankenzimmern findet, ohne daß ein teurer zwischengeschalteter Wandler notwendig ist, um das Signal in ein mit dem Monitor kompatibles Format umzusetzen.
Bei der Auslegung einer Drucküberwachungsanordnung zur Überwachung von intrakranialem Druck sind jedoch spezielle Überlegungen erforderlich. Alle elektrischen Drucküberwachungsfühler sind mit dem Risiko eines elektrischen Schlags behaftet, das sie zur Einbringung in das Innere des Gehirns ungeeignet macht. Die Einleitung von elektrischen Strömen in das Gehirn ist mit dem Risiko einer dauerhaften Schädigung verbunden.
Optische Drucküberwachungswandler vermeiden dieses Risiko. Optische Druckfühler verwenden im allgemeinen eine lichtreflektierende Membran, die am distalen Ende eines Lichtleiters angeordnet ist. Die Verlagerung der reflekierenden Membran durch aufgebrachten Druck ändert die Intensität und/oder andere spektrale Charakteristiken des reflektierten Lichtsignals in Abhängigkeit von der Art des verwendeten reflektierenden Sensors. Beispielsweise zeigt die EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nummer 0 127 476 von Camino Laboratories, Inc., auf deren gesamte Offenbarung hier Bezug genommen wird, einen optischen Druckkatheter, der ein Set von Lichtleitern hat, um einen Lichtstrahl zu und von einem Wandler zu leiten, der die Intensität des reflektierten Lichts nach Maßgabe des erfaßten Drucks moduliert. Ein Photosensor, der einen von Druck zusammendrückbaren Balg aufweist, ist am distalen Ende des Katheters angebracht, und ein Photodetektor, der am proximalen Ende des Katheters angeordnet ist, mißt die modulierte Intensität des reflektierten Strahls und erzeugt ein entsprechendes Meßsignal. Optische Wandler, die nach den Prinzipien der Intensitätsmodulation arbeiten, weisen jedoch den Nachteil auf, daß jede Krümmung der Lichtleiteroptik von außen die Intensität des reflektierten Lichts herabsetzt.
Um diese Fehlerquelle auszuschalten, enthält der Camino- Katheter bevorzugt außerdem eine zweite Gruppe von Lichtleitern, um einen Referenzlichtstrahl zu und von der Position des Sensors zu übertragen. Der Referenzlichtstrahl wird zu einem zweiten Photosensor geleitet, der die Intensität des zurückkommenden Referenzlichtstrahls mißt und ein Korrektursignal erzeugt, das Änderungen des Durchlaßgrads infolge von Biegen des Katheters ausgleicht.
Einer der Nachteile des Camino-Systems bei der Überwachung von intrakranialem Druck ist es, daß ein spezielles Stand- alone-Schnittstellenmodul, wie es beispielsweise von Camino Laboratories hergestellt wird, notwendig ist, um den Druck anzuzeigen und mit verschiedenen handelsüblichen Patienten- Monitoren in Kommunikation zu gelangen. Die Nullpunktkorrektur ist ebenfalls von dem Schnittstellenmodul abhängig, das die Charakteristiken des einzelnen Sensors "liest" und eine Nullpunktkorrektur durch eine Schraubjustierung vorsieht. Um ferner den Fehler zu verringern, der durch ein Biegen der Lichtleiter verursacht wird, müssen intrakraniale Druckkatheter, die mit der modulierten Intensität des reflektierten Strahls arbeiten, äußerst starr konstruiert sein und werden daher durch einen Bolzen in den Schädel eingeführt. Und die zuverlässigsten mit Intensitätsmodulation arbeitenden Katheter sind, da sie vier Lichtleiter benötigen, größer, invasiver und daher inhärent gefährlicher, als wünschenswert wäre.
Optische Druckwandler, die die Wellenlänge des reflektierten Lichts nach Maßgabe der zu messenden Variablen modulieren, sind ebenfalls bekannt. Beispielsweise beschreiben die US-PS'en 4 329 058 und 4 678 904 einen optischen Wandler, der einen optischen Resonanzsensor hat, mit dem die Wellenlänge des reflektierten Lichts modifiziert wird, wenn die reflektierende Membran durch aufgebrachten Druck aus ihrer Nullposition ausgelenkt wird. Diese Art von Druckwandler enthält ein Fabry-Perot-Interferometer in dem reflektierenden Sensor.
Das Fabry-Perot-Interferometer arbeitet nach wohlbekannten Prinzipien, wobei der Abstand zwischen zwei reflektierenden Oberflächen eine Vielzahl von Reflexionen und Aufteilungen eines einzigen Strahls von einfallendem Licht bewirkt, so daß eine konstruktive und destruktive Interferenz der Komponenten des einfallenden Lichtstrahls zahlreiche Male auftreten kann. Insoweit eine inhärente Phasenumkehrung stattfindet, wenn Licht von einem dichteren Medium zu einem weniger dichten Medium reflektiert wird (wenn es beispielsweise durch die Membran des optischen Sensors in die Luft oder ein anderes Medium in dem Fabry-Perot-Zwischenraum geht), ist es möglich, daß sich die reflektierten Hauptlichtstrahlen in einem Spalt aufheben, dessen Breite gleich einem Vielfachen von halben Wellenlängen des einfallenden Lichts ist. Lichtstrahlen, die durch den Fabry-Perot-Zwischenraum und die Oberfläche des Sensors durchgelassen werden (diejenigen, die keine halben Wellenlängen in Vielfachen der Spaltbreite haben), erfahren eine gerade Anzahl von Reflexionen, so daß im Fall der oben beschriebenen Phasenumkehrung die gerade Anzahl von Phasenumkehrungen keine Netto-Phasenumkehrung erzeugt. Diese durch den Spalt oder Zwischenraum durchgelassenen Lichtstrahlen sind miteinander in konstruktiver Interferenz und werden daher durch den Zwischenraum durchgelassen und zu der Photosensoranordnung zurückgeleitet, um verarbeitet zu werden. Unter Bedingungen hohen Reflexionsvermögens wird durch eine nur geringe Änderung der Freuqenz des Lichts, die durch den Durchgang durch das Fabry-Perot-Interferometer verursacht ist, eine dramatische Herabsetzung der Transmission der frequenzgeänderten Lichtstrahlen bewirkt.
Auf der Grundlage dieser Prinzipien (siehe Handbook of Physics, 2d, herausgegeben von McGraw-Hill, Section 7, Chapter 5, Part 6 für weitere Informationen) kann ein Fabry- Perot-Sensor mit einer verlagerbaren Membran verwendet werden, um eine physikalische Variable wie etwa aufgebrachten Druck, Temperatur, Gasdichte oder pH-Wert zu überwachen. Im Betrieb ändert sich die Zwischenraumbreite als eine Funktion des zu messenden physikalischen Parameters. Daher kann die Breite des Zwischenraums, die einem aufgebrachten Druck entspricht, genutzt werden, um den Druck zu messen. Wie im einzelnen in der US-PS 4 908 474 beschrieben wird, können Photodetektorschaltungen den einfallenden und den reflektierten Lichtstrahl ohne weiteres vergleichen, um die Breite des Fabry-Perot-Zwischenraums zu bestimmen und die Größe der erfaßten Variablen daraus zu berechnen. Beispielsweise kann das Multisensorsystem Modell 1400 von Metricor (Woodenville, Washington) mit einem Fabry-Perot-Sensor verwendet werden, um Druckmeßwerte aufzunehmen, die von einer nur ein einziges Angström betragenden Änderung der Zwischenraumbreite erzeugt werden.
Die Änderungen der Intensität oder der Wellenlänge von reflektierten Lichtstrahlen können von einem geeigneten Druckwandler in ein Signal umgewandelt werden, das mit herkömmlichen Monitoren kompatibel ist, um als digitaler Meßwert oder Ausdruck angezeigt zu werden. Bekannte Druckwandler mit dieser Fähigkeit, wie beispielsweise solche, die zur Überwachung des intrakranialen Drucks geeignet sind, sind jedoch teuer und sperrig. Beispielsweise zeigen die US-PS'en 4 611 600, 4 703 174 und 4 705 047 verschiedene Arten von Wandlerschaltungen, die geeignet sind, um reflektierte Lichtstrahlen zu empfangen und zu verarbeiten, um Signale an den Monitor zu liefern, die den Wert des interessierenden Parameters anzeigen. Es besteht jedoch ein großer Bedarf für einen kostengünstigen optischen Druckwandler, und zwar bevorzugt einen, der moderne Mikroschaltungstechniken verwendet, mit der Ausgangsspannung des üblichen Krankenhaus- Druckmonitors betrieben werden kann und ein modifiziertes elektrisches Signal erzeugt (wie es beispielsweise vom Ausgang eines elektrischen Dehnungsmessers vom Wheatstone- Brückentyp geliefert wird), das zur Eingabe in den gleichen Krankenbett-Monitor geeignet ist.
Überwachungseinrichtungen für intrakranialen Druck werden benötigt, um gefährlich hohe intrakraniale Drücke zu überwachen. Eine Möglichkeit der Herabsetzung von erhöhtem intrakranialem Druck ist die Ableitung von zerebrospinalem Fluid. Es besteht daher ein Bedarf nicht nur für intrakraniale Drucküberwachungseinrichtungen, sondern auch für Einrichtungen zur Ableitung von Fluid aus dem Gehirn, ohne dabei unnötige Schädigungen zu verursachen.
Die Drucküberwachungseinrichtung muß durch ein Bohrloch in das Schädelinnere eingeführt werden. Wenn ein zweites Loch zur Einführung einer Ableitung gebohrt wird, wird die Gefahr von Trauma offensichtlich verdoppelt. Somit besteht ein Bedarf für eine einzige Einrichtung, die gleichzeitig den intrakranialen Druck überwachen und zerebrospinales Fluid ableiten kann.
Anordnungen zur gleichzeitigen optischen Drucküberwachung und Ableitung sind bekannt. Beispielsweise kann der Intensitätsmodulationssensor von Camino mit einer zusätzlichen Ableitung verwendet werden, die durch einen Bolzen in den Schädel eingeführt wird. Die Anordnung bricht jedoch leicht, erfordert ein großes Bohrloch zur Aufnahme des Bolzens und wird aus Standard-Verbindern zusammengesetzt, bei denen die Gefahr von Leckage besteht und die daher Infektionsquellen bilden. Eine optische Drucküberwachungs- und Ableitungsanordnung ist jedoch höchst erwünscht, weil die Genauigkeit der mit einer Fluidsäule arbeitenden intrakranialen Sensoren durch die gleichzeitige Ableitung von zerebrospinalen Fluiden zerstört wird. Was gebraucht wird, ist ein integriertes lichtleiteroptisches Druckwandler- und Ableitungssystem, das über einen billigen Prozessor an herkömmliche Monitore anschließbar ist.
Alle Drucküberwachungssysteme müssen kalibriert werden. Bei Drucküberwachungssystemen, die zwei durch eine Membran getrennte Fluidreservoire verwenden, wie beispielsweise bei dem Fluidsäulen-Drucksensor, ist ein Reservoir gewöhnlich in Druckverbindung mit der lokalen Atmosphäre, während das andere, der aufgebrachte Druck, mit der zu messenden Druckquelle verbunden ist. Wenn der Atmosphärendruck ebenfalls momentan an den Eingang für den aufgebrachten Druck angelegt wird, bewegt sich die Membran in die Nullpunktlage, und der Nulldruckabweichungsfehler kann gemessen werden. Ein implantierter Katheter, wie etwa ein intrakranialer Katheter kann jedoch nicht zur Kalibrierung entnommen und wieder eingesetzt werden, ohne daß dabei die Gefahr einer Infektion auftritt. Daher muß die Kalibrierung in situ im Gehirn durchgeführt werden.
Eine Möglichkeit der Kalibrierung eines Drucksensors besteht darin, ein Zusatz-Druckwandlersystem vorzusehen, um einen bekannten Prüfdruck zu erzeugen, der auf der Überwachungseinrichtung als kalibrierter Ausgangswert angezeigt wird und den Pegel des bekannten Drucks angibt. Eine andere Methode ist diejenige, die von dem Katheterspitzen-Druckwandler Modell CT/6FB von Medical Measurements Incorporated angewandt wird. Bei diesem System wird in vivo ein Druckabbau des Sensors, der einen mechanischen Anschlag aufweist, um die Nulldruckposition des Wandlers anzugeben, durchgeführt, und die Kalibrierung erfolgt unter Verwendung eines Mikromanometers, um bekannte Prüfdrücke zu erzeugen. Dadurch können der Nulldruckfehler und der Kalibrierfehler bestimmt werden.
Bei Drucksensoren, die zur Überwachung des intrakranialen Drucks verwendet werden, ist es besonders erwünscht, den Sensor in situ zu kalibrieren, so daß er bis zu fünf Tagen in seiner Lage belassen werden kann, so daß die Risiken einer Infektion und dergleichen minimiert werden. Es besteht daher ein Bedarf für neue und verbesserte Drucküberwachungssysteme, wie etwa einen Doppellumenkatheter zur Überwachung des Fluiddrucks durch ein erstes Lumen, während gleichzeitig durch ein zweites Lumen eine Menge des zu messenden Fluids abgeleitet oder ein zweites Fluid infundiert wird. Was außerdem zur Überwachung des intrakranialen Drucks speziell gebraucht wird, ist eine integrierte intrakraniale Drucküberwachungs- und Ableitungsanordnung, bevorzugt eine, die einen Fabry-Perot-Sensor verwendet und ein Ausgangssignal an Standard-Krankenhausmonitore abgibt, das dem von Dehnungsmessern vom Wheatstone-Brückentyp erzeugten Signal "gleicht".
Die EP-A-0 251 512 zeigt eine Vorrichtung zur Auflösung von Obstruktionen in Körperorganen, beispielsweise von Gallensteinen, durch Lösungsmittel. Die Vorrichtung umfaßt einen Katheter mit einem Infusionslumen, einem Ableitungslumen und einem Drucküberwachungslumen. Ein externer Drucksensor ist mit einer Öffnung verbunden, die von dem Drucküberwachungslumen ausgeht, und eine Steuereinrichtung spricht auf den Sensor an, um die Infusion und die Ableitung zu steuern.
Der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert auf der Offenbarung der EP-A-0 251 512, und die unterscheidenden Merkmale der Erfindung sind im Kennzeichenteil von Anspruch 1 angegeben.
Die WO-A-85/03855 zeigt eine faseroptische bzw. lichtoptische Fluiddurchflußeinrichtung für die In-vivo-Bestimmung des Blutdurchflusses in Arterien. Lichtleitersensoren sind in einer Sonde vorgesehen, und eine Schaltung zur Drucküberwachung wird angegeben.
Fakultativ hat der Sensor eine Lüftungsöffnung, um eine Fluidverbindung mit einem Referenzdruck durch das erste Lumen herzustellen. Das zweite Lumen kann ausgebildet sein, um eine Sonde aufzunehmen, die als Versteifungselement eingesetzt ist, während der Katheter in das Gehirn eingeführt wird.
Bevorzugt ist eine Drucküberwachungsanordnung vorgesehen, die als Grundelemente folgendes aufweist: eine Lichtquelle, eine oder mehrere Lichtübertragungseinrichtungen, einen oder mehrere Spektralmodulationssensoren mit optischen Resonanzstrukturen, eine Photodetektoreinrichtung zur Umwandlung des Ausgangslichts von dem Spektralmodulationssensor (bzw. den -sensoren) in elektrische Signale des Typs, die von einem piezoelektrischen Dehnungsmesser vom Wheatstone-Brückentyp erzeugt werden, und eine Überwachungseinrichtung, um die Signale zu empfangen und die Druckmessung(en) anzuzeigen. Der Katheter erlaubt die gleichzeitige intrakraniale Drucküberwachung und Ableitung zerebrospinaler Fluide.
Es ist ein Merkmal der bevorzugten Ausführungsform, daß die Überwachungseinrichtung die Erregungsspannung zu dem Photodetektor liefert und daß der Photodetektor die Erregungsspannung normiert, um das Meßsignal bzw. die Meßsignale zu erzeugen, die zur Überwachungseinrichtung rückgeführt werden, um als Druckmessung(en) angezeigt zu werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Katheters und der Sonde nach der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Querschnit durch das bevorzugte Doppellumenkathetergehäuse.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht der Katheteranordnung, die einen Spektralmodulationssensor verwendet.
Fig. 4 ist eine Darstellung eines Spektralmodulationssensors.
Fig. 5 ist ein Diagramm einer Reflexionsgradkurve einer optischen Resonanzstruktur.
Fig. 6 zeigt einen Teil der Kurve von Fig. 5 im Betrieb des Spektralmodulationssensors.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Katheteranordnung, die den Spektralmodulationssensor mit einem ratiometrischen Photodetektor verwendet.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Katheteranordnung, die zwei Spektralmodulationssensoren mit einem ratiometrischen Photodetektor verwendet.
Fig. 9 ist ein Diagramm des spektralmodulierten Ausgangslichts eines Spektralmodulationssensors, der Vielfachwellenlängen-Eingangslicht hat.
Fig. 10 ist ein Querschnitt eines Spektralmodulationssensors mit einem Nullpunktsanschlag.
Fig. 11 ist eine Ansicht des Sensors von Fig. 10 unter aufgebrachtem Druck.
Fig. 12 ist eine Darstellung mit einer teilweise geschnittenen Ansicht der Katheteranordnung, die einen Intensitätsmodulationssensor verwendet.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Der Katheter ist ein Doppellumenkatheter, der zur Einführung in die ventrikulären und/oder parenchymalen Räume des Gehirns von Menschen und anderen Mammalia ausgebildet ist, um den intrakranialen Druck zu messen und gleichzeitig zerebrospinale Fluide abzuleiten. Wie Fig. 1 zeigt, weist der Katheter ein Kathetergehäuse 54 auf, das ein erstes Lumen 70 und fakultativ ein zweites Lumen 72 umschließt.
Das Kathetergehäuse 54 ist ein langgestrecktes flexibles Rohr, das am distalen Ende geschlossen ist mit Ausnahme einer Sensoröffnung 76, um die Einführung des Katheters in die Umgebung, deren Druck zu überwachen ist, zu erleichtern. Die Sensoröffnung 76 mündet in das distale Ende des ersten Lumens 70 und ermöglicht einen externen Fluidzutritt zu dem Drucksensor.
Normalerweise ist das Kathetergehäuse 54 aus einem biokompatiblen Kunststoff, bevorzugt Silicongummi, extrudiert. Das Kathetergehäuse 54 ist langgestreckt, flexibel und von solcher Größe, daß es durch eine Bohrung im Schädel geführt und im Gehirn aufgenommen werden kann.
Das erste Lumen 70 verläuft kontinuierlich vom proximalen Ende zu der Sensoröffnung 76 am distalen Ende des Kathetergehäuses und hat einen Durchmesser zwischen ca. 3 und 32 mm² (0,005 und 0,050 sq.in.), um einen Drucksensor und eine Einrichtung aufzuweisen, um ein Signal an das proximale Ende des Kathetergehäuses 54 zu leiten, das Information in bezug auf den von dem Sensor aufgenommenen Druck enthält.
Der Drucksensor verwendet optische Mittel, um das Druckmeßsignal am distalen Ende des Kathetergehäuses zu erzeugen und das Signal an das proximale Ende davon zu leiten. Optische Drucksensoren übertragen das Drucksignal mittels wenigstens eines Lichtleiters, der in dem ersten Lumen des Kathetergehäuses angeordnet ist.
Es gibt zwei bekannte Grundtypen optischer Druckwandler, und zwar solche, die ein Drucksignal erzeugen durch Detektieren des Grads, in dem die Intensität eines Lichtstrahls von einer Quelle moduliert wird, wenn er von einer beweglichen druckempfindlichen Membran reflektiert wird, und solche, die ein Drucksignal erzeugen durch Detektieren der konstruktiven und destruktiven Interferenz in einem Lichtstrahl einer Quelle, wenn er von einer beweglichen druckempfindlichen Membran reflektiert wird. Der letztgenannte Sensortyp, der eine optische Resonanzstruktur verwendet, wird hier bevorzugt, weil solche Sensoren so ausgebildet sein können, daß sie ein Drucksignal liefern, das mit dem Druck über den gewünschten Druckbereich linear ist, und weil solche Sensoren nur einen einzigen Lichtleiter benötigen, aber hochgenaue Messungen liefern.
Wenn ein optischer Drucksensor in dem ersten Lumen angeordnet ist, wie Fig. 1 zeigt, überträgt der Sensor das optische Meßsignal durch eine Lichtleitereinrichtung, die von dem ersten Lumen ausgeht und an der eine Prüföffnung 87 und ein Lichtleiter-Verbinder 86 angeordnet sind, um eine optische Verbindung zu einer Photodetektoreinrichtung (nicht gezeigt), mit der er in optischer Verbindung ist, herzustellen.
Wie Fig. 1 zeigt, enthält das Kathetergehäuse 54 ein zweites Lumen 72 zum Fördern von Fluiden zwischen dem distalen und dem proximalen Ende des Kathetergehäuses 54. Das zweite Lumen 72 kann jede Querschnittsfläche haben, die zur Ableitung von zerebrospinalem Fluid geeignet ist, beispielsweise hat das Lumen 72 einen Durchmesser zwischen ca. 16 und 65 mm² (0,025 und 0,100 sq.in.) und verläuft kontinuierlich vom proximalen zum distalen Ende des Kathetergehäuses und mündet an dem distalen Ende außerhalb des Kathetergehäuses 54 durch die Öffnung 67. An dem proximalen Ende ist das fakultative Lumen 72 fluiddicht an einer Ablaufleitung 66 über irgendwelche geeigneten Befestigungsmittel 78 angebracht, die bevorzugt eine Ablauföffnung, wie etwa eine Luer-Kupplungseinrichtung aufweisen. Die Ablaufleitung 66 kann durch irgendein flexibles Schlauchmaterial, wie etwa einen in Krankenhäusern üblichen Polyvinylchloridschlauch gebildet sein.
Bevorzugt hat das Kathetergehäuse 54 eine Länge von ca. 152 mm (6 in.), und eine Vielzahl von Öffnungen 67, die in das zweite Lumen 72 münden, sind entlang dem distalen Ende beabstandet angeordnet, und zwar bevorzugt entlang ungefähr dem äußersten halben Inch (12,7 mm) des Kathetergehäuses. Am meisten bevorzugt sind die Öffnungen 67 Bohrlöcher mit einem Durchmesser von ca. 0,13 bis 1,3 mm (0,005 bis 0,050 inch), und die Bohrlöcher sind in drei Reihen längs der Länge des Kathetergehäuses 54 angeordnet, und zwar am meisten bevorzugt in Abständen von jeweils 2,5 mm (0,100 inch), um einen ungehinderten Durchfluß von zerebrospinalem Fluid oder anderem Fluid zu ermöglichen.
Fakultativ ist das erste Lumen 70 mit dem Sensor 22, der in dem ersten Lumen 70 enthalten ist, durch die Lüftungsöffnung 62 (in den Fig. 10 und 11 gezeigt) in Fluidverbindung und dient dazu, den Sensor zur Atmosphäre zu öffnen oder einen Referenzdruck wie etwa Atmosphärendruck auf den Sensor für die In-situ-Kalibrierung aufzubringen, wie noch im einzelnen erläutert wird.
Außerdem ist das zweite Lumen 72 fakultativ so ausgebildet, daß es darin eine Sonde 74 aufnimmt, die ein feiner, steifer Stab aus irgendeinem nichtspröden Material, wie Kunststoff oder Metall ist und einen Handgriff, wie etwa einen Ring 99 an einem Ende hat, um die Sonde einzuführen und zu entfernen. Nach dem Einführen in das zweite Lumen 72 verleiht die Sonde 74 dem Kathetergehäuse Steifigkeit, während es in das Gehirn eingeführt wird, und sie kann danach entfernt werden, so daß das zweite Lumen 72 als Fluidleitung verwendet werden kann.
Bei einer Ausführungsform, die in Fig. 2 im Querschnitt gezeigt ist, haben das erste Lumen 70 und das zweite Lumen 72 die allgemeine Anordnung eines Rohrs in einem Rohr. Das erste Lumen ist ausgebildet, um einen oder mehrere Lichtleiter aufzunehmen, und weist ein Rohr 75 auf, das einen relativ kleineren Durchmesser von beispielsweise 0,4 mm (0,016 inch) als der Durchmesser des Gehäuses 54 hat, der beispielsweise 2,5 mm (0,100 inch) ist. Wie Fig. 2 außerdem zeigt, ist das erste Lumen 70 entlang einer Innenseite des größeren zweiten Lumens 72 fest angebracht, so daß der verbleibende offene Raum in dem Gehäuse eine zweite, unregelmäßig geformte Leitung 66 bildet, wobei das Äußere des ersten Lumens einen einzigen Querschnittsberührungspunkt mit dem Innenumfang des zweiten Lumens 72 hat. Das Kathetergehäuse, das das erste und das zweite Lumen enthält, kann fakultativ aus Silicongummi koextrudiert sein. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind Öffnungen 67 bevorzugt in Reihen, bevorzugt drei Reihen, entlang der Länge des zweiten Lumens 72 angeordnet, das selbst das Kathetergehäuse bildet, und sind bevorzugt unter Winkeln von 90, 180 und 360º um den Querschnittsumfang des zweiten Lumens 72 herum angeordnet, gemessen von dem genannten Berührungspunkt.
Wenn die Leitung 66 zur Ableitung oder zur Infusion von Fluiden verwendet wird, ist sie über wenigstens eine der Öffnungen 67 in Fluidverbindung mit der Außenseite des Kathetergehäuses.
Der bevorzugte Drucksensor, der in dem ersten Lumen des Katheters angeordnet ist, ist ein an dessen distalem Ende positionierter Spektralmodulationssensor. Die Lichtübertragungseinrichtung weist folgendes auf: einen Eingangslichtleiter, einen optischen Strahlteiler, einen Lichtleiter-Verbinder, einen Sensorlichtleiter und einen Ausgangslichtleiter. Der optische Strahlteiler und der Lichtleiter-Verbinder verbinden den Sensorlichtleiter optisch mit dem Eingangs- und dem Ausgangslichtleiter.
Ein einziger Lichtleiter, und zwar der Sensorlichtleiter, ist wirksam, um Eingangslicht zu dem Spektralmodulationssensor zu leiten und davon reflektiertes Ausgangslicht zu leiten. Das vereinfacht die optische Meßeinrichtung, verringert ihre Größe und ihre Kosten und erhöht ihre Zuverlässigkeit im Vergleich mit einem System, das zwei oder mehr Lichtleiter zum Leiten von Licht zu und von dem Sensor verwendet. Außerdem verringert die Verwendung eines einzigen Lichtleiters den Außendurchmesser des Katheters auf ein Minimum und beläßt offenen Raum, der den Lichtleiter in dem ersten Lumen proximal zu dem Sensor umgibt, wobei dieser offene Raum genutzt werden kann, um den Sensor durch eine Lüftungsöffnung in dem Sensorsubstrat zu einem Referenzdruck zu öffnen, wobei das erste Lumen und die Lüftungsöffnung als Passage zu dem Hohlraum zwischen den reflektierenden Oberflächen des Sensors dienen.
Der Spektralmodulationssensor hat als aktives Element eine optische Resonanzstruktur, die ein Paar von getrennten reflektierenden Oberflächen aufweist, wobei das Reflexionsvermögen und die Transmission der Resonanzstruktur eine Funktion des Abstands zwischen ihren reflektierenden Oberflächen sind. Bei Spektralmodulationssensoren beeinflussen die optischen Eigenschaften seiner reflektierenden Oberflächen und die Brechzahl des Mediums zwischen seinen reflektierenden Oberflächen auch das Reflexionsvermögen und die Transmission des Sensors; daher wird bei der Erfindung das genannte Medium konstantgehalten, um auf das Meßsignal keinen Einfluß auszuüben.
Wenn daher der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen der Resonanzstruktur des Spektralmodulationssensors durch den zu messenden Druck verändert wird, ändert sich das von dem Spektralmodulationssensor reflektierte und/oder übertragene Licht als eine Funktion des gemessenen Drucks. Infolgedessen wird das Ausgangslicht des Spektralmodulationssensors durch seine optische Resonanzstruktur als eine Funktion des gemessenen Drucks spektralmoduliert und trägt Information in bezug auf den gemessenen physikalischen Parameter.
Das spektralmodulierte Ausgangslicht vom Spektralmodulationssensor wird von der Phtodetektoreinrichtung, die Photodetektor- und Verstärkerelemente aufweist, in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Das elektrische Ausgangssignal liefert eine exakte Bestimmung des gemessenen physikalischen Parameters innerhalb eines bestimmten Wertebereichs für den gemessenen Druck, wenn die optische Meßeinrichtung kalibriert worden ist.
Die Grundform der Erfindung kann jedoch aus zwei Gründen Meßungenauigkeiten unterliegen. Der erste Grund sind Änderungen der Intensität der Lichtquelle oder der Intensität der Lichtübertragung aufgrund eines Biegens der Lichtleiter oder aufgrund von Lichtverlusten des optischen Verbinders. Diese Ungenauigkeiten können eliminiert werden, wenn die Lichtquelle so gewählt wird, daß sie Licht über wenigstens zwei Wellenlängen emittiert, wie das beispielsweise bei einer lichtemittierenden Diode bzw. LED der Fall ist. Ein zweiter Grund für Ungenauigkeiten sind Spektralmodulationen des Lichts von lichtemittierenden Dioden, hervorgerufen durch eine Temperaturänderung der Diode.
Die durch Übertragungsverluste und Änderungen der Lichtquelle bewirkten Ungenauigkeiten können von der Detektiereinrichtung automatisch korrigiert werden, wenn die Wellenlänge(en) des spektral modulierten Ausgangslichts des Spektralmodulationssensors in zwei spektrale Komponenten aufgetrennt wird (werden), von denen jede separat von einer Photodetektoreinrichtung in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann verstärkt wird. Die beiden verstärkten Signale werden einem Teilerkreis zugeführrt, der das Verhältnis der beiden elektrischen Signale ermittelt, um ein Ausgangssignal zu liefern, das innerhalb eines bestimmten Wertebereichs für den gemessenen physikalischen Parameter genau ist, nachdem die optische Meßeinrichtung kalibriert worden ist.
Da Änderungen der Intensität der Lichtquelle oder der Intensität der Lichtübertragung aufgrund eines Biegens der Lichtleiter normalerweise die beiden spektralen Komponenten des Spektralmodulationssensors in gleicher Weise beeinflussen, wenn die beiden elektrischen Signale, die den beiden spektralen Komponenten entsprechen, in dem Teilerkreis geteilt werden, heben solche Änderungen einander auf und haben keine Auswirkung auf das Ausgangssignal vom Teilerkreis.
Zur Selbstkorrektur von temperaturbedingten Ungenauigkeiten in der Vorrichtung enthält der Lichtleiter-Strahlteiler ein Filter, das die Wellenlängen des spektralmodulierten Ausgangslichts des Spektralmodulationssensors in zwei spektrale Komponenten trennt. Dieses Filter ist gewählt, um einen Temperatureffekt auf das Spektrum des von ihm ausgesandten Lichts auszuüben, das an den spektralen Temperatureffekt der lichtemittierenden Diode, mit der es in optischer Kommunikation ist, angepaßt ist bzw. diesem "folgt". Durch diese Anpassung der spektralen Verschiebung in der LED an diejenige des Filters bildet die Detektiereinrichtung eine selbstkorrigierende Einrichtung zum Entfernen jeder spektralen Änderung im Ausgangslicht, die durch eine Änderung der Diodentemperatur während des Betriebs der Vorrichtung bewirkt wird.
Somit bietet die Erfindung eine selbstkorrigierende Detektiereinrichtung, die im Betrieb keine Einstellung durch den Bediener verlangt.
Fig. 3 zeigt schematisch die erste Ausführungsform der integrierten Drucksensor- und Fluidtransport-Katheteranordnung. Eine Lichtquelle 10 dient der Erzeugung von geeignetem Eingangsmeßlicht, das monochromatisch sein oder über zwei oder mehrere benachbarte oder nichtbenachbarte Wellenlängenbanden verteilt sein kann. Die Lichtquelle 10 kann eine einzelne Quelle von monochromatischem Licht, wie etwa einen Laser oder eine Laserdiode, eine Quelle von zwei oder mehreren Wellenlängen, wie etwa eine lichtemittierende Diode und/oder geeignete optische Filter aufweisen, um das gewünschte Eingangslicht zu liefern. Die Energie für die Lichtquelle 10 wird von irgendeiner geeigneten elektrischen Energiequelle durch eine herkömmliche elektrische Verbindungseinrichtung 11 geliefert.
Eingangslicht von der Lichtquelle 10 wird in den Sensorlichtleiter 14 durch den Eingangslichtleiter 12, den optischen Strahlteiler 18 und den Lichtleiter-Verbinder 20 eingekoppelt.
Mit dem Ende des Sensorlichtleiters 14 ist ein Spektralmodulationssensor 22 verbunden und empfängt das Eingangslicht davon und hat ein fakultatives Substrat 9, das eine optische Resonanzstruktur 21 trägt. Im Betrieb hat das Substrat 9 bevorzugt eine Dicke, die ungefähr gleich dem Durchmesser des Sensorlichtleiters 14 ist. Eine verbesserte Empfindlichkeit der optischen Resonanzstruktur 21 ergibt sich, wenn das Substrat 9 verwendet wird, weil Licht, das in die optische Resonanzstruktur 21 aus dem Sensorlichtleiter 14 eintritt, relativ stärker kollimiert wird, als wenn das Substrat 9 nicht vorhanden wäre und der Sensor 22 direkt an dem Ende des Sensorlichtleiters 14 angebracht wäre. Wenn das Substrat 9 weggelassen wird, ist die optische Resonanzstruktur 21 direkt an dem Ende des Sensorlichtleiters 14 befestigt. Das Substrat 9 dient als Hilfe bei der Herstellung des Sensors 22 und beim Zusammenbau der optischen Resonanzstruktur 21 mit dem Ende des Sensorlichtleiters 14, da die optische Resonanzstruktur 21, wie wohlbekannt ist, weniger als 1 um dick sein kann. Bevorzugt spielt das Substrat 9 keine Rolle bei der Spektralmodulation des Eingangsmeßlichts zu der optischen Resonanzstruktur 21, es könnte jedoch eine Rolle spielen.
Die optische Resonanzstruktur 21 weist im allgemeinen ein Paar von getrennten reflektierenden Oberflächen 13 und 15 auf, wobei das Reflexionsvermögen und die Transmission der optischen Resonanzstruktur eine Funktion ihrer optisch-physikalischen Empfindlichkeits-Charakteristiken ist, wie etwa des Abstands zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15, der optischen Eigenschaften der reflektierenden Oberflächen 13 und 15 und der Brechzahl eines Mediums, das in dem Hohlraum 17 zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15 vorhanden ist. Bei der Erfindung wird das Ausgangslicht des Sensors 22 von der optischen Resonanzstruktur 21 spektralmoduliert als Funktion des Abstands zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15. Zum Messen von Fluiddruck wird es außerdem bevorzugt, daß das Medium in dem Hohlraum 17 entweder ein Vakuum oder Luft ist, die beide eine Brechzahl 1 haben und sich daher auf das Reflexionsvermögen und die Transmission der optischen Resonanzstruktur nicht auswirken.
Spektralmoduliertes Ausgangslicht vom Sensor 22 läuft nacheinander durch den Sensorlichtleiter 14, den Lichtleiter- Verbinder 20, den optischen Strahlteiler 18 und den Ausgangslichtleiter 16, wo es mit dem Photodetektor 30 in der Photodetektoranordnung 50 optisch gekoppelt wird. Die Photodetektoranordnung 50 weist einen Photodetektor 30 und einen Verstärker 34 auf, der ein Ausgangssignal vom Photodetektor 30 über eine elektrische Verbindungseinrichtung 32 empfängt. Das verstärkte Ausgangssignal vom Verstärker 34 wird dem Ausgangsanschluß 36 zugeführt und liefert eine Messung des erfaßten Drucks.
Energie wird von jeder geeigneten Quelle zum Photodetektor 30 und zum Verstärker 34 durch elektrische Verbindungseinrichtungen 31 bzw. 33 geliefert.
Der Spektralmodulationssensor 22 ist in Fig. 4 im einzelnen gezeigt. Der Sensor 22 weist bevorzugt ein zylindrisches Substrat 24 auf, das einen zylindrischen Hohlraum 26 bildet und eine den Hohlraum 26 abdeckende Abdeckung 28 hat. Der Hohlraum 26 hat eine reflektierende Bodenfläche 27, und die Abdeckung 28 hat eine reflektierende innere Oberfläche 29 und eine äußere Oberfläche 25, wobei die Oberflächen 27 und 29 parallel sind. Es wird bevorzugt, ist aber nicht erforderlich, daß die Dicke des Substrats 24 zwischen dem Boden 27 und dem Ende des Sensorlichtleiters 14 so ist, wie es in bezug auf das Substrat 9 des Sensors 22 unter Bezugnahme auf Fig. 3 erörtert wurde.
Wenn ein Absolutdrucksensor gewünscht wird, ist der Hohlraum 26 bevorzugt evakuiert, und die Abdeckung 28 bildet eine fluiddichte Abdichtung dafür. Wenn alternativ ein Differenzdrucksensor 22 gewünscht wird, ist der Hohlraum 26 über eine fakultative Leitung 41 und das erste Lumen (nicht gezeigt) in Fluidverbindung mit einer Druckquelle, wie beispielsweise dem Atmosphärendruck, und eine Quelle von aufgebrachtem Druck wirkt auf die äußere Oberfläche 25 der Abdeckung 28. Selbstverständlich entfällt die fakultative Leitung 41, wenn der Sensor 22 ein Absolutdrucksensor sein soll.
Die reflektierenden Oberflächen 27 und 29 sind bevorzugt mit ca. 100 bis 200 Å eines transparenten Mediums mit hoher Brechzahl beschichtet; die Gründe hierfür werden noch erläutert.
Der Hohlraum 26, seine reflektierende Bodenfläche 27 und die reflektierende Zwischenfläche 29 der Abdeckung 28 bilden die optische Resonanzstruktur 21. Alternativ kann der Hohlraum 26 in der Abdeckung 28 anstatt im Substrat 24 gebildet sein. Als alternative Konstruktion des Sensors 22 ist es natürlich möglich, den Hohlraum 26 in der Abdeckung 28 anstatt im Substrat 24 zu bilden; oder auch den Hohlraum teilweise im Substrat 24 und teilweise in der Abdeckung 28 zu bilden, ohne dadurch vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Das Verfahren zur Herstellung des Sensors 22 und seiner optischen Resonanzstruktur ist im einzelnen in der US-PS 4 678 904 beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, daß dann, wenn der Hohlraum 26 evakuiert ist, eine Getterstruktur (nicht gezeigt) in Form eines Rings von abgeschiedenen Schichten aus Chrom und Eisen fakultativ im Boden jedes Hohlraums 26 vorgesehen ist, um Restgase oder späteres Ausgasen im Hohlraum 26 nach Durchführung der Erstevakuierung zu absorbieren. Die fakultative Getterstruktur weist einen pfannkuchenförmigen Ring aus den abgeschiedenen Chrom- und Eisenschichten mit einem Innendurchmesser von ca. 140 um und einem Außendurchmesser von ca. 190 um auf, der zentrisch im Boden 27 des Hohlraums 26 vorgesehen ist. Daher belassen Getterringe einen leeren zentralen Bereich mit einem Durchmesser von ca. 140 um im Boden jedes Hohlraums 26, durch den Licht hindurchgehen kann. Nachdem die Abdeckung 28 mit dem Hohlraum 26 verbunden worden ist, entfernt der Getterring Gase aus dem Hohlraum 26.
Wenn der Sensor 22 als Absolutdrucksensor betrieben wird, wird er mit einem äußeren Druck beauf schlagt, so daß die Abdeckung 28 über dem evakuierten Hohlraum 26 nach innen zu dem reflektierenden Boden 27 des Hohlraums 26 gewölbt wird, und zwar stärker oder schwächer, je nach dem Wert des äußeren Drucks. Mit zunehmenden äußerem Druck auf die Abdeckung 28 wird die Wölbung stärker; und mit abnehmendem äußerem Druck auf die Abdeckung wird die Wölbung schwächer und wird zu Null, wenn der äußere Druck Null ist.
Wenn also der äußere Druck auf die Abdeckung 28 zunimmt und abnimmt, ändert sich der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen 27 und 29 der optischen Resonanzstruktur 21. Änderungen dieses Abstands von nur 0,1 nm (1 Å) Länge können von der Katheteranordnung der Erfindung detektiert werden.
Wenn der Sensor 22 als ein Differenzdrucksensor betrieben wird, wird eine Druckquelle in Fluidverbindung mit dem Hohlraum 26 etwa durch die Leitung 41 und das erste Lumen gebracht, während die Oberfläche 25 der Abdeckung 28 einer zweiten Druckquelle ausgesetzt wird. Die Abdeckung 28 wölbt sich einwärts zu dem reflektierenden Boden 27 des Hohlraums 26, wenn der Druck auf die Oberfläche 25 der Abdeckung 28 denjenigen im Hohlraum 26 übersteigt, wobei der Grad der Wölbung von der Druckdifferenz abhängt, und wölbt sich überhaupt nicht, wenn die Druckdifferenz Null ist. Wenn jedoch der Druck im Hohlraum 26 größer als der an der Oberfläche 25 der Abdeckung 26 ist, wölbt sich die Abdeckung 28 nach außen, wobei der Grad der Wölbung wiederum von der Druckdifferenz abhängt.
Gleichgültig, ob der Sensor 22 als Absolutdruck- oder Differenzdrucksensor verwendet wird, ein Wölben der Abdeckung 28 aufgrund von aufgebrachtem Druck ändert jedenfalls den Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen 27 und 29, so daß wiederum entsprechende Mikroverlagerungen in der Reflexionsgradkurve und dem wirksamen Segment (bzw. den Segmenten) der optischen Resonanzstruktur 21 als Funktion des Drucks, der auf denn Sensor 22 aufgebracht wird, erzeugt werden, wie noch im einzelnen erläutert wird. Infolgedessen wird Ausgangslicht des Sensors 22 spektralmoduliert als Funktion des Drucks, der auf den Sensor 22 aufgebracht wird, und trägt exakte Information in bezug auf diesen Druck.
Zur Herstellung und Verwendung des Sensors 22 wird eine kurze Zusammenfassung seines theoretischen Reflexionsvermögens bzw. Reflexionsgrads benötigt. Der Reflexionsgrad R der parallele Ebenen aufweisenden optischen Resonanzstruktur 21 ist, wie bekannt ist, eine periodische Funktion der Wellenlänge ihres Eingangslichts - das ist eine optischen Resonanzstrukturen gemeinsame Eigenschaft. Fig. 5 zeigt eine typische Reflexionsgradkurve 40 der optischen Resonanzstruktur 21 mit parallelen Ebenen, die ein gegebenes Set von physikalischen Charakteristiken hat. Es ist speziell zu beachten, daß die Reflexionsgradkurve 40 auch die Reflexionsgradkurve der optischen Resonanzstruktur 21 darstellt, wenn die reflektierenden Oberflächen nicht parallel sind (d. h. wenn die bewegliche Membran sich nicht in der Nullposition befindet). Der Reflexionsgrad R der optischen Resonanzstruktur 21 mit parallelen Ebenen ist auf bekannte Weise durch die folgende Gleichung gegeben:
R = 1 - s²/((1-r)² + 4r² sin² (theta))
mit s = (s&sub1;,s&sub2;)0,5 und r = (r&sub1;r&sub2;)0,5.
Die Werte s&sub1;,s&sub2; sind die Durchlaßgrade von reflektierenden Oberflächen 13 bzw. 15, während r&sub1;,r&sub2; die Reflexionsgrade von reflektierenden Oberflächen 13 bzw. 15 (oder 27 bzw. 29) sind, gesehen innerhalb der optischen Resonanzstruktur 21 mit parallelen Ebenen. Der Winkel theta in dem Sinus-Term der obigen Gleichung ist, wie bekannt, gegeben durch:
theta = 2(pi)nt cos (phi)/lambda + e
mit:
n = Brechzahl des Mediums 17 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 Eingangslichts, das auf die optische Resonanzstruktur 21 trifft;
e = jede Phasenverschiebung, die durch Reflexion an jeder der reflektierenden Oberflächen 13 oder 15 bewirkt ist.
Die optische Resonanzstruktur 21 mit parallelen Ebenen ist so ausgelegt, daß die Parametergruppe nt cos (phi)/lambda sich aufgrund von aufgebrachtem Druck mit einer Änderung des Abstands t ändert. Bei jeder gewählten Wellenlänge des Eingangslichts zeigt daher die optische Resonanzstruktur 21 mit parallelen Ebenen einen sich ändernden Reflexionsgrad als Funktion des Drucks.
Fig. 6, die einen vergrößerten Bereich der Reflexionsgradkurve 40 zeigt, verdeutlicht die Auswirkung auf die Reflexionsgradkurve 40, wenn der Abstand t zwischen den reflektierenden Oberflächen ihrer speziellen entsprechenden optischen Resonanzstruktur 21 geändert wird.
Wie ebenfalls in Fig. 6 zu sehen ist, wird die Reflexionsgradkurve 40 der optischen Resonanzstruktur 21 nach links verlagert in bezug auf jede bestimmte gewählte Wellenlänge L&sub1; des Eingangslichts von der Lichtquelle 10, um zu der Reflexionsgradkurve 40' zu werden, wenn der Abstand zwischen ihren reflektierenden Oberflächen 13 und 15 verringert wird; und sie wird nach rechts in bezug auf L&sub1; verlagert, um zu der Reflexionsgradkurve 40" zu werden, wenn der Abstand zwischen ihren reflektierenden Oberlfächen 13 und 15 größer wird.
Als ein keine Einschränkung darstellendes Beispiel zeigt Fig. 6 einen Zyklus a'-a", b'-b" auf einer Reflexionsgradkurve 40 einer in Fig. 3 gezeigten optischen Resonanzstruktur.
Im allgemeinen verlagert sich die Reflexionsgradkurve jeder optischen Resonanzstruktur 21 nach links und/oder rechts in bezug auf die Wellenlänge L&sub1; als Funktion jeder Änderung des Abstands zwischen ihren reflektierenden Oberflächen und daher als Funktion jeder Änderung des gemessenen Drucks, wobei solche Verlagerungen hier als Mikroverlagerungen bezeichnet werden. Der Resonanzzyklus der Reflexionsgradkurve jeder optischen Resonanzstruktur 21 ist als ein vollständiger Zyklus auf ihrer Reflexionsgradkurve definiert. Selbstverständlich gibt es eine Vielzahl solcher Resonanzzyklen auf ihrer Reflexionsgradkurve, da ein Resonanzzyklus überall auf der Reflexionsgradkurve beginnen kann.
Es ist bekannt, daß exakte Druckmessungen vorgenommen werden können, indem wirksame Segmente der Reflexionsgradkurve der speziellen optischen Resonanzstruktur 21, deren Länge weniger als etwa einen Resonanzzyklus beträgt, und Mikroverlagerungen von wirksamen Segmenten genutzt werden, die ebenfalls geringere Länge als ungefähr einen Resonanzzyklus bei der Meßeingangslicht-Wellenlänge(n) haben. Da die Reflexionsgradkurve zyklisch ist, gibt es eine Vielzahl von solchen wirksamen Segmenten auf ihr.
Wenn - als nichteinschränkendes Beispiel - das wirksame Segment der Reflexionsgradkurve 40 von Fig. 3 A"B" ist, beträgt seine Länge natürlich einen Resonanzzyklus. Wenn ferner aufgrund von aufgenommenem Druck das wirksame Segment A"B" eine Mikroverlagerung nach links erfahren würde, bis der Punkt B" die Wellenlänge L&sub3; schneidet, hätte die Mikroverlagerung des wirksamen Segments A"B" die Länge eines Resonanzzyklus.
In bezug auf die Ausführungsform der Erfindung, bei der die Lichtquelle 10 monochromatisches Eingangslicht einer Wellenlänge wie beispielsweise L&sub1; abgibt, ändert sich die Wellenlänge L&sub1; nicht aufgrund von gemessenem Druck. Aus dem Studium von Fig. 6 ist aber ersichtlich, daß bei jeder gegebenen Intensität eines Eingangslichts der Wellenlänge L&sub1; zum Sensor 22 die Ausgangsintensität bei der Wellenlänge L&sub1; verschieden ist, wenn der Abstand t aufgrund von aufgenommenem Druck sich ändert, verglichen mit dem Abstand t bei einem aufgenommenen Druck Null. Das wirksame Segment AC der optischen Resonanzstruktur 21 erfährt also eine Mikroverlagerung nach links und/oder rechts von dem wirksamen Segment AC (um zu A'C' und A"C" zu werden) aufgrund des gemessenen Drucks.
Der Sensor 22 ist daher ein Spektralmodulationssensor, dessen optische Resonanzstruktur 21 Eingangslicht der Wellenlänge L&sub1; als Funktion des gemessenen Drucks moduliert und moduliertes Ausgangslicht der Wellenlänge L&sub1; erzeugt, das Information in bezug auf den gemessenen Druck trägt. Diese Information wird vom Photodetektor 30 und vom Verstärker 34 wie beschrieben in ein elektrisches Meßausgangssignal umgewandelt, das die gleiche Information trägt.
Selbstverständlich sind die Wellenlänge(n) des Eingangslichts von der Lichtquelle 10 und der Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen 13 und 15 der optischen Resonanzstruktur 21 so gewählt, daß die Wellenlänge(n) des Eingangsmeßlichts wenigstens im wesentlichen in das gewünschte wirksame Segment ihrer Reflexionsgradkurve wie beispielsweise AC über den gewünschten Betriebsbereich von Werten für zu messenden Druck fällt. Wie Fig. 6 zeigt, bleibt also die Wellenlänge L&sub1; in dem wirksamen Segment AC, obwohl das wirksame Segment AC von der optischen Resonanzstruktur 21 aufgrund des gemessenen Drucks mikroverlagert wird, um zu A'C' und/oder A"C" zu werden.
Bevorzugt sind das wirksame Segment, die Wellenlänge(n) und/oder Amplitude(n) des Eingangsmeßlichts gewählt, um ein wirksames Segment größter Länge zu erhalten, das eindeutiges spektralmoduliertes Ausgangslicht über den interessierenden Wertebereich für den zu messenden Druck liefert.
Beispielsweise werden bei einem monochromatischen Eingangslicht der Wellenlänge L&sub1; Änderungen des Ausgangslichts der optischen Resonanzstruktur 21 maximiert, wenn das wirksamae Segment AC, wie Fig. 6 zeigt, zwischen allen Maxima und angrenzenden Minima (oder umgekehrt) auf ihrer Reflexionsgradkurve 40 verläuft und wenn der gemessene Druck die optische Resonanzstruktur 21 so verändert, daß ihr wirksames Segment AC die Eingangsmeßlicht-Wellenlänge L&sub1; schneidet, d. h. um einen vollständigen halben Resonanzzyklus mikroverlagert wird. Am meisten bevorzugt wird nur der lineare Bereich des wirksamen Segments genutzt, so daß das spektralmodulierte Ausgangslicht eine spezielle 1:1-Beziehung zu dem gemessenen Druck über den interessierenden Wertebereich hat.
Zur Maximierung der Empfindlichkeit ist es erwünscht, die Differenz zwischen maximalem und minimalem Reflexionsgrad der optischen Resonanzstruktur 21 wie etwa zwischen AC in Fig. 3 zu vergrößern. Das erfolgt durch Beschichten wenigstens einer der reflektierenden Oberflächen 13 und 15 mit einer geeigneten Dicke von beispielsweise 10 bis 20 nm (100 bis 200 Å) eines transparenten Mediums hoher Brechzahl, das das Oberflächen-Reflexionsvermögen steigert, beispielsweise mit Rutil, Titandioxid, kubischem Zirconiumdioxid oder Silizium.
Eine alternative und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Lichtquelle 48 so gewählt, daß sie wenigstens zwei Lichtwellenlängen erzeugt, und kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) sein, die eine Lichtwellenlängenbande emittiert, die bei ungefähr 810 nm zentriert ist, beispielsweise die Baugruppe #MFOE1202 von Motorola Company. Energie für die Lichtquelle 48 wird von jeder geeigneten elektrischen Energiequelle durch die elektrische Verbindungseinrichtung 49 geliefert.
Spektralmoduliertes Ausgangslicht von dem Ausgangslichtleiter 16 wird auf einen Strahlteiler 51 gerichtet, der es in zwei Ausgangslichtstrahlen zerlegt. Der erste Ausgangslichtstrahl vom Strahlteiler 51 geht durch ein Kurzpaßfilter 52, das weitgehend nur Licht einer Wellenlänge durchläßt, die kürzer als eine gegebene, vorgewählte Wellenlänge ist. Die Ausgangslichtbande kurzer Wellenlänge vom Filter 52 wird von einem Photodetektor 154 in ein erstes elektrisches Signal umgewandelt und dann durch eine elektrische Verbindungseinrichtung 158 einem Verstärker 156 zugeführt, um von diesem verstärkt zu werden. Die vorgewählten Wellenlängen können beispielsweise die Wellenlänge des Lichts von der Lichtquelle 48 höchster Intensität, beispielsweise die Wellenlänge von 810 nm, für die spezielle vorgenannte LED sein.
Der zweite Ausgangslichtstrahl vom Strahlteiler 51 geht durch ein optisches Langpaßfilter 160, das weitgehend nur Licht einer Wellenlänge durchläßt, die länger als die gegebene vorgewählte Wellenlänge ist. Die Ausgangslichtbande langer Wellenlänge vom Filter 160 wird von einem Photodetektor 162 in ein zweites elektrisches Signal umgewandelt und dann von einer elektrischen Verbindungseinrichtung 164 einem Verstärker 166 zugeführt und von diesem verstärkt. Die Verstärker 156, 166 verstärken ihre jeweiligen Signale bevorzugt im gleichen Maß.
Das verstärkte erste und zweite elektrische Signal der Verstärker 156, 166 werden einem Teilerkreis 168 von elektrischen Verbindungseinrichtungen 170 und 172 zugeführt. Der Teilerkreis 168 ermittelt ein Verhältnis zwischen ihnen und liefert ein Meßausgangssignal an eine elektrische Verbindungseinrichtung 174. Das Meßausgangssignal trägt Information in bezug auf den gemessenen physikalischen Parameter.
Energie für die Photodetektoren 154, 162, die Verstärker 156, 166 und den Teilerkreis 168 wird von einer geeigneten Energiequelle durch elektrische Verbindungseinrichtungen 176, 178, 180, 182, 184 geliefert. Bevorzugt wird jedoch die Energie zur Photodetektoranordnung von einem an einem Krankenbett befindlichen Monitor geliefert, so daß die Erregungsspannung zur Photodetektoranordnung von den Verstärkern 156, 166 und dem Teilerkreis 168 normiert wird, um ein Ausgangssignal an den Monitor zu liefern.
Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet die Drucküberwachungsvorrichtung eine Vielfachwellenlängen-Lichtquelle, die wenigstens zwei Lichtwellenlängen liefert, und einen zweiten bzw. Referenzsensor, der einen zweiten Photodetektor hat, um ein Referenzsignal durch Operationen zu erzeugen, die die oben beschriebenen Operationen in bezug auf die Photodetektoreinrichtung von Fig. 7 wiederholen. Die Photodetektoranordnung vergleicht das Referenzsignal mit dem Meßsignal, um ein Absolutmeßwertsignal zu erzeugen, das frei von Transmissions-, Luftdruck- und Temperaturfehlern ist.
Wie Fig. 8 schematisch zeigt, ist es am meisten bevorzugt, daß die Photodetektoranordnung 100 von einer einzigen Vielfachwellenlängen-Lichtquelle 48 empfangenes Licht mit einem Strahlteiler 102 teilt und die Teilstrahlen 114 und 116, die jeweils wenigstens zwei Lichtwellenlängen enthalten, zu Spektralmodulationssensoren 22A und 22B durch Lichtleiter 16A bzw. 16B (nicht gezeigt) leitet.
Der Sensor 22A befindet sich am distalen Ende der Katheteranordnung (nicht gezeigt), und der Sensor 22B ist ein an anderer Stelle angeordneter Referenzwandler. Jeder Sensor enthält eine optische Resonanzstruktur 21A und 21B, die aus zwei parallelen reflektierenden Oberflächen 27A, 29A bzw. 27B, 29B besteht, die durch einen Hohlraum 26A bzw. 26B voneinander getrennt sind, um einen Fabry-Perot-Zwischenraum zu bilden. Die Hohlräume der Sensoren 22A und 22B sind auf einem Vakuum gehalten, während ein zu messender Druck auf die druckempfindliche Oberfläche 25A des Sensors 22A aufgebracht wird.
Die reflektierten Lichtstrahlen von den Sensoren 22A und 22B werden über Lichtleiter 16A und 16B und Strahlteiler 106, 108, 110 und 112 zu getrennten Photodetektoren 30A und 30B wie oben beschrieben übertragen. Jeder Photodetektor weist Einrichtungen 52A und 52B sowie 60A und 60B auf, um die Intensität des auf ihn gerichteten reflektierten Lichtstrahls über eine erste und eine zweite Wellenlängenbande, die voneinander verschieden sind, zu integrieren. Bevorzugt sind die Einrichtungen 52A und 60A ein erstes Paar von optischen Kurz und Langpaßfiltern, die auf eine vorgewählte Wellenlänge der ersten Wellenlängenbande des Strahls 114 von der Lichtquelle 48 zentriert sind, und die Einrichtungen 52B und 60B sind ein zweites Paar von optischen Filtern, die auf eine davon verschiedene vorgewählte Wellenlänge zentriert sind, die aus der zweiten Wellenlängenbande des Strahls 116 gewählt ist.
Die integrierten Signale werden über Verbindereinrichtungen 94A, 96A, 94B, 96B zu Einrichtungen 90A bzw. 90B geleitet, um das Verhältnis der beiden integrierten Signale zu bestimmen und aus jedem reflektierten Lichtstrahl ein normiertes Ausgangssignal an Verbindern 92A und 92B zu erzeugen. Die normierten Signale sind von der absoluten Intensität des reflektierten Lichtstrahls unabhängig. (Beispielsweise bestimmt der Photodetektor 30A das Verhältnis der integrierten Signale von dem Kurz- und Langpaßfilter 52A und 60A.) Das resultierende Signal jedes Photodetektors repräsentiert nur ein Maß für den Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen des Sensors, von dem es ausgeht. Die an den Anschlüssen 92A und 92B abgegebenen normierten Signale werden dann über Verbinder 93A und 93B zu einer Einrichtung geleitet, um das über Verbinder 93A übertragene Signal von dem über Verbinder 93B übertragenen Signal zu subtrahieren, um ein Signal zu erhalten, das die Differenz zwischen dem aufgebrachten Druck und dem Referenzdruck, der am Anschluß 118 abgegeben wird, angibt.
Es wird besonders bevorzugt, daß die Photodetektoren 52A, 60A, 52B, 60B, die Strahlteiler 90A, 90B und die Einrichtung 116 zum Subtrahieren der von den Strahlteilern abgegebenen Signale derart sind, daß dann, wenn die am Eingang 120 empfangene Eingangsspannung die Ausgangsspannung ist, die von einem der üblichen Typen von Krankenhaus-Monitoreinrichtungen geliefert wird und die entweder Gleich-, Wechsel- oder Impulsspannung sein kann, wobei diese Photodetektoranordnung die Eingangsspannung durch die oben beschriebenen Operationen "normiert", um ein elektrisches Signal am Ausgangs 118 zu erzeugen, das zum Monitor als Anzeige eines gemessenen Drucks rückgeführt werden kann. Anders ausgedrückt, die bevorzugte Photodetektoranordnung erzeugt ein Ausgangssignal, das einem solchen "gleicht", wie es von einem piezoelektrischen Drucksensor vom Wheatstone-Brückentyp erzeugt wird.
Wenn der auf den Referenzsensor 22B aufgebrachte Druck Atmosphärendruck ist und der Sensor 22A über die Leitung 41 und das erste Lumen 70 zum Atmosphärendruck offen ist, repräsentiert das resultierende Meßsignal den Überdruck an der Oberfläche 25A des Sensors 22A.
Jede handelsübliche Photodetektoreinrichtung, die die obigen Operationen ausführen kann, kann als Photodetektor 30A bzw. 30B verwendet werden, beispielsweise das Multisensor System Modell 1400 von Metricor Corporation (Woodenville, Washington).
Diese Technik der spektroskopischen Normierung ist nur für Änderungen im Lichtstrahl der Lichtquelle empfindlich, und spektrale Mikroverlagerungen erscheinen als Druckänderungen eines individuellen Sensors. Durch Verwendung derselben Lichtquelle für beide Sensoren und Berechnen der Differenz, wie oben beschrieben, um den Druck zu ermitteln, beeinflussen etwaige Mikroverlagerungen im Spektrum, die im Lichtquellenstrahl im Verlauf der Überwachungsperiode auftreten könnten, die beiden reflektierten Strahlen auf gleiche Weise und heben einander somit bei der Verhältnisermittlung auf.
Wie bereits erwähnt, ist die Katheteranordnung, die eine Vielfachwellenlängen-Lichtquelle 48 verwendet, in bezug auf Änderungen der Intensität der Lichtquelle 48 und Änderungen der Lichtübertragungsintensität aufgrund eines Biegens der Lichtleiter sowie aufgrund von Lichtverlusten in optischen Verbindern selbstkorrigierend. Sowohl die kurz als auch die langwellige Ausgangslichtbande der optischen Filter 52 und 60 wird von Intensitätsänderungen gleichermaßen beeinflußt. Wenn daher die jeweiligen verstärkten ersten und zweiten elektrischen Signale im Teilerkreis 68 oder in der Teilereinrichtung 92A und 92B geteilt werden, heben solche Änderungen einander auf und haben keine Auswirkung auf das davon abgegebene Meßlichtsignal. Eine solche Teilung von zwei Signalen ist als ratiometrische Signalverarbeitung bekannt.
Zur Selbstkorrektur von Signalfehlern, die sich aus Temperaturauswirkungen auf die LEDs ergeben, sind ferner die optischen Filter 52 und 60 so gewählt, daß Temperaturänderungen eine Mikroverlagerung in der jeweiligen Ausgangslichtbande erzeugen, die gleich derjenigen ist und in gleicher Richtung wie diejenige stattfindet, die von einer Temperaturänderung im Ausgangslicht der LED erzeugt wird. Ebenso können die Strahlteiler 108 und 112 fakultativ Filter enthalten, die gewählt sind, um das gleiche Ziel in bezug auf die Lichtquelle 48 zu erreichen, wenn diese eine LED ist. Daher wird die Mikroverlagerung im Betriebssignal, die durch Temperatureinwirkung in der LED erzeugt wird, durch die entsprechende Mikroverlagerung in dem wirksamen Segment durch Wahl des Filters aufgehoben. Somit sind die Photodetektoranordnungen 50 und 100 in bezug auf jede Mikroverlagerung im Ausgangssignal, die durch andere Effekte als solche, die durch Änderungen des gemessenen Drucks verursacht sind, hervorgerufen wird, selbstkorrigierend.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die vorstehend erörterten Ungenauigkeiten im Meßausgangssignal dadurch zu beseitigen, daß die Photodetektoranordnung 100 das Verhältnis der elektrischen Signale bestimmt, die jeweils zwei verschiedenen Anteilen des Ausgangslichts der Sensoren entspricht, auch wenn ein Anteil das gesamte Ausgangslicht des Sensors ist.
Die Lichtquelle 48 kann wenigstens zwei Quellen von monochromatischem Licht, wie Laser oder Laserdioden aufweisen, wenn ein Minimum von zwei Wellenlängen erforderlich ist. Alternativ kann sie eine oder mehrere Quellen einer Vielzahl von Wellenlängen, wie etwa LEDs oder Quellen von weißem Licht gemeinsam mit etwa erforderlichen geeigneten optischen Filtern aufweisen, um die wenigstens zwei Eingangsmeßlicht- Wellenlängen und/oder Wellenlängenbanden zu erzeugen.
Es wird jedoch der Einfachheit halber bevorzugt, daß die Lichtquelle 48 eine einzige LED ist, deren Bandbreite erheblich kleiner als die Länge des Resonanzzyklus der Reflexionsgradkurve der optischen Resonanzstruktur 21 ist.
Die theoretischen Einschränkungen beim Betrieb der bevorzugten ratiometrischen Ausführungsformen des Spektralmodulationssensors verlangen andere Betriebsparameter, um eine Zweideutigkkeit im Ausgangssignal zu vermeiden, als sie für monochromatisches Licht erforderlich sind. Es sei daran erinnert, daß die ratiometrischen Ausführungsformen wenigstens zwei verschiedene Eingangsmeßlicht-Wellenlängen zur Photodetektoranordnung benötigen.
Es ist bekannt, daß dann, wenn Vielfachwellenlängenlicht von der Lichtquelle verwendet wird, das Ausgangslichtsignal vom Spektralmodulationssensor 22 ein Minimum der Doppeldeutigkeit enthält, wenn die maximale Länge und die maximale Mikroverlagerung des wirksamen Segments auf seiner Reflexionsgradkurve sich einander nähern, jedoch ungefähr einen vollen Resonanzzyklus nicht überschreiten. Dieses Kriterium ist anders als das für die Ausführungsform der Erfindung, die monochromatisches Eingangsmeßlicht verwendet. In diesem Fall sollten die maximale Länge und die maximale Mikroverlagerung des wirksamen Segments der Reflexionsgradkurve einen halben Resonanzzyklus nicht überschreiten. Selbstverständlich können Länge und Mikroverlagerung des wirksamen Segments so gewählt werden, daß sie erheblich kleiner als das zulässige Maximum sind, um dadurch die Linearität im Ausgangslichtsignal der optischen Resonanzstruktur 21 zu verbessern.
Die Intensitätskurve des Ausgangslichts der Vielfachwellenlängen-Lichtquelle 48 ist in Fig. 9 durch die Kurve 86 bezeichnet, wobei die Lichtquelle 48 eine einzige LED ist. Die Wellenlänge L&sub2; ist beispielsweise so gewählt, daß sie bei oder nahe bei der stärksten Ausgangswellenlänge von Licht dieser Lichtquelle liegt. Ebenfalls schematisch ist in Fig. 9 ein vergrößerter Bereich der Reflexionsgradkurve 40 von Fig. 5 gezeigt, der beispielsweise das wirksame Segment DE auf der Reflexionsgradkurve 40 der optischen Resonanzstruktur 21 und eine entsprechende Reflexionsgradkurve 45 und wirksame Segmente D'E' zeigt, die aus einer Verlagerung der Reflexionsgradkurve 40 nach links aufgrund des Einflusses von erfaßtem Druck auf den Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen der optischen Resonanzstruktur 21 resultieren. Die Reflexionsgradkurve 40 und ihr wirksames Segment DE könnten auch auf die gleiche Weise nach rechts verlagert sein, das ist aber der Klarheit halber in Fig. 5 nicht gezeigt.
Die bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendeten und in der US-PS 4 678 904 beschriebenen optischen Resonanzstrukturen sind aus einem Siliziumwafer unter Anwendung von photolithographischen und Mikrobearbeitungsverfahren hergestellt. Diese Sensoren sind bemerkenswert frei von der allgemein als "Drift" bekannten Erscheinung, wobei sich die "Nullpunkt"-Einstellung des Wandlers mit der Zeit ändert. Wenn die Spektralmodulationssensoren in einer intrakranialen Drucküberwachungsanordnung verwendet werden, sind die Zuverlässigkeit und Konstanz der Druckanzeige von größter Wichtigkeit. Gefährlich erhöhte Drücke im Gehirn liegen gewöhnlich in der Größenordnung von nur ca. 50 mmHg, so daß kleine Ungenauigkeiten der Druckanzeige gefährliche Folgen haben können.
Alle Drucksensoren unterliegen jedoch in gewissem Maß Ungenauigkeiten, wobei der Monitor bei Abwesenheit eines aufgebrachten Drucks einen anderen Druck als Null anzeigt, oder einem Kalibrierfehler, wobei die Wandleranzeige über den Bereich des gemessenen Drucks größer oder kleiner ist, als sie sein sollte. Aber ein intrakranialer Katheter kann nicht entfernt werden, um die Genauigkeit der Meßanzeige zu prüfen, ohne daß der Patient einem erhöhten Risiko von Trauma und Infektion ausgesetzt wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Drucküberwachungsvorrichtung daher so ausgelegt, daß sie eine Korrektur des Offset-Fehlers und eines etwaigen Kalibrierfehlers ermöglicht, ohne daß der aufgebrachte Druck aufgehoben und der Wandler zum Atmosphärendruck geöffnet wird (d. h. ohne daß der Katheter aus dem Gehirn des Patienten entnommen wird) Das Problem wird beseitigt, indem eine Einrichtung vorgesehen wird, um die druckempfindliche Membran des Sensors in der gleichen Position anzubringen, die sie unter der Bedingung gleicher Drücke einnehmen würde, um so eine Kalibrierprüfung in situ zu ermöglichen.
Um eine Kalibrierung des Sensors in situ zu ermöglichen, wird gemäß Fig. 10 bei der Herstellung einer kreisrunden druckempfindlichen Membran 28 ein geschliffener und polierter Glaswafer 56 einer Dicke von ca. 0,13 bis 0,64 mm (0,005 bis 0,025 inch), bevorzugt ca. 0,28 mm (0,011 inch), damit konzentrisch verbunden. Der Glaswafer 56 wird unter Anwendung bekannter Methoden chemisch geätzt, um einen kreisrunden Kanal 58 zu bilden, der mit dem Mittelpunkt des Wafers konzentrisch ist. Das Ätzen des Kanals beläßt einen äußeren konzentrischen erhabenen Ring und ein inneres erhabenes konzentrisches kreisrundes Plateau bzw. einen "Anschlag" 56A auf der Oberfläche des Glaswafers. Der Glaswafer 58 und das Substrat 24 werden durch chemische Bindung konzentrisch mit der Oberfläche 25 der kreisrunden Membran 28 so verbunden, daß die Mittelpunkte des kreisförmigen Substrats, der Membran und des Glaswafers koaxial ausgefluchtet sind. Nach dieser Ausfluchtung liegt die Oberfläche des "Anschlags" 56A, die durch Ätzen des Kanals in den Glaswafer gebildet ist, an der Oberfläche 25 der Membran 28 an, ist jedoch damit nicht verbunden. Der äußere Radius des Kanals 58 hat einen Durchmesser, der gleich dem oder größer als der des kreisrunden Hohlraums 26 ist, der in das Substrat 24 geätzt ist.
Wie Fig. 10 zeigt, liegt also bei einem Druck Null die Oberfläche 25 der Membran 28 bündig an der Oberfläche des Anschlags 56A an. Wie Fig. 11 zeigt, wird aber bei aufgebrachtem Druck die Oberfläche 25 der Membran 28 von dem Anschlag um einen Betrag ausgelenkt, der dem Wert des aufgebrachten Drucks proportional oder wenigstens funktionsmäßig darauf bezogen ist.
Der Wafer 56 enthält eine durchgehende Öffnung 60, die in den Kanal 58 mündet, und durch die Öffnung wirkt ein aufgebrachter Druck auf die Membran 28 und lenkt sie aus. Das Substrat 24 enthält eine Öffnung 62, die mit dem ersten Lumen, das den Sensor enthält, in Fluidverbindung ist, wobei die Öffnung 62 bevorzugt eine Querschnittsfläche gleich derjenigen der Öffnung 60 hat, so daß ein gewählter Referenzdruck, beispielsweise Atmosphärendruck, auf die Oberfläche 29 der Membran 28 wirkt, um eine Kraft aufzubringen, die derjenigen des aufgebrachten Drucks entgegengesetzt ist. Wenn der Referenzdruck, der auf die Oberfläche 29 wirkt, gleich dem oder größer als der aufgebrachte Druck ist, wie Fig. 9 zeigt, wird die Oberfläche 25 der Membran 28 in die Nulldruckposition rückgestellt und liegt bündig an dem Anschlag 56A an.
Eine In-vivo-Kalibrieranzeige, die den im Display am Monitor enthaltenen Offsetfehler angibt, kann erhalten werden, indem der auf die Oberfläche 29 der Membran 28 durch die Öffnung 62 und das erste Lumen aufgebrachte Gegendruck langsm erhöht wird, bis die Anzeige am Monitor nicht weiter fällt und einen konstanten niedrigen Wert annimmt. Dieser konstante niedrige Wert bezeichnet den Nullfehler des Systems und sollte von allen Druckanzeigen subtrahiert werden, um eine wahre Druckanzeige zu erhalten. Außerdem kann die Kalibriergenauigkeit des Wandlersystems erreicht werden, ohne daß es aus seiner Betriebslage entfernt wird, wenn ein Manometer oder eine andere Einrichtung zum Aufbringen eines bekannten Gegendrucks verwendet wird, um den Wert des durch die Öffnung 62 auf die Oberfläche 29 aufgebrachten Drucks zu messen. Die Differenz zwischen dem bekannten Geegendruck und der konstanten Druckanzeige auf dem Monitor, die erzeugt wird, wenn die Membran in ihre Nullposition rückgestellt wird, kann genutzt werden, um den Kalibrierfehler des Systems zu erhalten.
Alternativ kann der Kalibrierfehler gefunden werden durch Aufbringen eines bekannten Vakuums auf die Oberfläche 29 der Membran 25; diese Technik ist dem Aufbringen eines positiven Drucks auf die entgegengesetzte Seite der Membran äquivalent. Die durch das Vakuum bewirkte Verlagerung führt zu einer Druckanzeige auf dem Monitor, die unter Anwendung bekannter Methoden gegenüber dem bekannten negativen Druck ausgewertet werden kann, um den Kalibrierfehler zu bestimmen. Nachdem dieser bekannt ist, kann der Bedienner den Nullfehler und den Kalibrierfehler nutzen, um jederzeit den wahren Druckmeßwert zu erhalten, ohne daß der Katheter aus seiner Operationslage entfernt werden muß.
Die Fähigkeit, das Instrument in situ zu kalibrieren und auf den Nullpunkt einzustellen, bietet einen großen Vorteil bei jeder Anwendung, die eine ununterbrochene Überwachung der interessierenden Variablen, wie beispielsweise des Drucks eines Fluidstroms in einer chemischen Anlage und dergleichen verlangt. Diese Fähigkeit hat auch eine wichtige klinische Bedeutung zur Überwachung des intrakranialen Drucks, weil der intrakraniale Druckkatheter gemäß üblicher klinischer Praxis etwa fünf Tage lang in seiner Lage belassen werden kann, während gleichzeitig periodische Prüfungen durchgeführt werden, um die Integrität und Genauigkeit des Systems zu prüfen.
Wie die Fig. 10 und 11 zeigen, können die Öffnung 62 und das erste Lumen auch genutzt werden, um das System zum Atmosphärendruck zu öffnen, um eine Überdruckmessung zu erhalten, ohne daß das Fluidsystem kontaminiert wird, weil die Membran 28 als Schutzbarriere zwischen der Atmosphäre und dem zu beobachtenden Fluidsystem dient. Atmosphärische Überdruckanzeigen werden allgemein zur Überwachung des Drucks von Körperfluiden, wie etwa des Blutdrucks bevorzugt, weil der Körper sich auf Atmosphärendruck befindet. Wenn das Fluidsystem der Blutstrom oder der intrakraniale Hohlraum und dergleichen ist, ist diese Sicherheitsvorkehrung höchst erwünscht. Sie ist auch dann von großer Wichtigkeit, wenn irgendein Fluidstrom überwacht wird, der durch Kontakt mit den Bestandteilen der Luft verfälscht werden könnte.
Ein weniger bevorzugter Typ von lichtoptischem Drucksensor, der zur Verwendung bei der Erfindung ausgebildet ist, ist in der EP-PS 0 127 476 beschrieben und schematisch in Fig. 12 gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt ein Kathetergehäuse 111, das ein erstes Lumen Lumen 116 mit einem ersten Set von Lichtleitern und ein zweites, dem Fluidtransport dienendes Lumen 129 hat. Das erste Set von Lichtleitern umfaßt einen Sendelichtleiter 115 und einen Rücklichtleiter 117, um einen ersten Lichtstrahl zu und von dem fernen Ende des Katheters zu übertragen. Bei dieser Art von Druckwandler ist die bewegliche reflektierende Oberfläche an einem Balg 119 angebracht, der sich am distalen Ende des Katheters befindet. Die reflektierende Oberfläche 121 bewegt sich entsprechend dem Druck und moduliert dadurch die Intensität des ersten Lichtstrahls, und zwar nicht durch Mikroverlagerungen im wirksamen Segment der Reflexionsgradkurve einer optischen Resonanzstruktur, sondern durch Streuen des Lichtstrahls von der Lichtquelle aufgrund einer Bewegung des reflektierenden Balgs, wie im einzelnen in der EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nummer 0 127 476 beschrieben wird. Diese Art von optischem Sensor kann mit monochromatischem Licht oder mit dem von der LED 123 erzeugten Vielfachwellenlängen-Licht verwendet und von dem ersten Set von Lichtleitern zu einer ersten Photodetektoreinrichtung 125 übertragen werden, um die modulierte Intensität des reflektierten Strahls infolge der Bewegung des Balgs 119 zu detektieren.
Da ein Biegen des Katheters 111 den Lichtdurchlaßgrad sowohl des Sendelichtleiters 115 als auch des Rücklichtleiters 117 beeinflußt, weist die Drucküberwachungseinrichtung fakultativ einen Referenzkanal auf, der ein zweites Set von Lichtleitern aufweist, die in dem ersten Lumen 116 angeordnet sind und im wesentlichen längs seiner Gesamtlänge verlaufen. Dieser Referenzkanal wird genutzt, um die Auswirkungen einer Biegung auf den Durchlaßgrad und die Auswirkungen der Temperatur und der Alterung auf den Wirkungsgrad der LED 123 und des Photodetektors 125 festzustellen. Da das erste und das zweite Set von Lichtleitern sich im wesentlichen gemeinsam erstrecken und im wesentlichen den gleichen Biegungsgrad in dem Katheter 111 erfahren, wird angenommen, daß die Auswirkung dieser Biegung auf ihre jeweiligen Durchlaßgrade im wesentlichen äquivalent ist.
Ein von der LED 123 erzeugter zweiter Lichtstrahl wird von dem zweiten Satz von Lichtleitern übertragen, so daß eine Änderung des Durchlaßgrads der Lichtleiter und Änderungen des Lichts von der LED bestimmt werden können und an dem Intensitätssignal eine entsprechende Korrektur vorgenommen werden kann. Das zweite Set von Lichtleitern umfaßt einen Sendelichtleiter 137 zum Übertragen des zweiten Lichtstrahls von der LED 123 zu einem Ort nahe dem distalen Ende des Katheters 111 und einen Rücklichtleiter 139 zur Rückübertragung des Lichtstrahls von diesem Ort. Eine zweite Photodetektoreinrichtung 141 ist vorgesehen zum Detektieren der Intensität dieses reflektierten Lichtstrahls und zum Erzeugen eines Korrektursignals auf der Leitung 143 mit einem elektrischen Strom, dessen Stromstärke der Intensität proportional ist. Bevorzugt wird das Korrektursignal einer Steuereinrichtung 145 zum Erzeugen eines Rückführungs-Steuersignals zugeführt, das der Lichtquelle 123 über ein Netzteil 145 zugeführt wird, um eine Änderung der Lichtintensität auszugleichen, die durch Übertragungsverluste beispielsweise aufgrund des Biegens der Lichtleiter bewirkt ist, und dadurch das Meßsignal zu korrigieren, das der Photodetektor 125 am Ausgang 146 abgibt.
Zur Standardisierung der Intensität des Reflexionsvermögens des Referenzsensors verbindet ein durchscheinender Tropfen 145 eines ein weißes Pigment enthaltenden Epoxids die fernen Enden des zweiten Sets von Lichtleitern miteinander und reflektiert dadurch einen vorbestimmten unveränderlichen Anteil eines Lichtstrahls von dem Sendelichtleiter zu dem Rücklichtleiter. Der Epoxidtropfen ist bevorzugt mit einer lichtundurchlässigen Silberfarbe überzogen, wobei die Undurchlässigkeit verhindert, daß eine Bewegung des angrenzenden reflektierenden Balgs 119 sich auf den reflektierten Strahl auswirkt, und die Silberfarbe maximiert die Intensität des reflektierten Strahls.
Die oben beschriebene Photodetektoranordnung kann vom Fachmann aus handelsüblichen Elementen zusammengebaut werden. Eine Art von Photodetektorvorrichtung, die für die Erfindung geeignet ist, ist ein von Camino Laboratories hergestelltes Modell, das eine Schnittstelle für Standard-Patientenmonitoren hat.
Diese Art von Intensitätsmodulationssensor verlangt, daß das erste Lumen ausreichend groß ist, um wenigstens zwei Lichtleiter zu umschließen, und vier Lichtleiter werden benötigt, wenn der Referenzkanal verwendet wird. Das Kathetergehäuse ist daher größer als das für den Spektralmodulationssensor, der bevorzugt einen einzigen Lichtleiter verwendet. Aus diesem Grund werden Intensitätsmodulationssensoren bevorzugt in intrakranialen Drucküberwachungskathetern verwendet.
Aus dem Vorstehenden ergeben sich für den Fachmann zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten, Modifikationen und Anpassungen der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche. Alle Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die hier angegeben sind, sollen nur als nichteinschränkende Beispiele angesehen werden.

Claims

1. Katheteranordnung, um zur gleichen Zeit einen Fluiddruck zu messen, während Fluide abgeleitet werden, wobei die Anordnung einen langgestreckten, flexiblen Katheter (54), der ein erstes Lumen (70) und ein Ableitungslumen (72) enthält, in Verbindung mit der Außenseite des Katheters zum Transportieren von Fluid zwischen dem distalen Ende und dem proximalen Ende des Katheters sowie einen Drucksensor (22) aufweist, um den Druck von Fluiden in dem ersten Lumen an dem distalen Ende des Katheters zu messen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Katheteranordnung so konstruiert ist, daß gleichzeitig eine Überwachung des intrakranialen Drucks und eine Ableitung von überschüssiger zerebrospinaler Flüssigkeit bewirkt wird und die Katheteranordnung folgendes aufweist:

- ein oder mehrere Lichtübertragungselemente in Form von mindestens einem Lichtleiter (14), der in dem ersten Lumen (70) angeordnet ist, wobei der oder die Lichtleiter (14) an eine externe Lichtquelle (10) anschließbar sind;

- wobei der Drucksensor (22) ein optischer Sensor ist, der am distalen Ende des Katheters (54) angeordnet ist, damit er Eingangslicht von dem oder den Lichtleitern (14) empfängt und ein moduliertes Lichtausgangssignal in Abhängigkeit von Druckänderungen in dem ersten Lumen (70) erzeugt;

- einen Lichtleiter-Verbinder am proximalen Ende des Katheters (54), der an den oder die Lichtleiter (14) angeschlossen ist, um das modulierte Lichtausgangssignal von dem optischen Sensor (22) zu empfangen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei ein einziger Lichtleiter (14) dazu dient, das Licht von dem und zu dem Sensor (22) zu übertragen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, wobei getrennte Sende- und Empfangs-Lichtleiter (14) vorgesehen sind, um das Eingangslicht zu dem Sensor (22) bzw. das modulierte Lichtausgangssignal von dem Sensor (22) zu übertragen.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der optische Drucksensor (22) eine lichtreflektierende Membran (28) aufweist, die am distalen Ende des Katheters (54) positioniert ist, wobei die Membran (28) in Abhängigkeit von dem Fluiddruck am distalen Ende des Katheters (54) bewegbar ist, wobei der Anteil des Eingangslichtes, der von der Membran reflektiert wird, in Abhängigkeit von der Bewegung der Membran variiert.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit einem Photodetektor (30) in optischer Verbindung mit dem Lichtleiter-Verbinder (86), um das modulierte Lichtausgangssignal zu empfangen und ein elektrisches Signal zu liefern, welches den von dem Drucksensor (22) gemessenen Druck angibt, und mit einer Überwachungseinrichtung, um das elektrische Signal zu empfangen und den von dem Drucksensor gemessenen Druck anzuzeigen.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Referenzdrucköffnung (62) in Verbindung mit dem Atmosphärendruck aufweist, welche dem Drucksensor (22) einen Referenzdruck liefert.

7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Referenzdrucköffnung (62) am proximalen Ende des Katheters (54) angeordnet ist und wobei eine Referenzdruckpassage einen Teil des ersten Lumens (70) aufweist und den Referenzdruck von der Referenzdrucköffnung (62) durch das erste Lumen (70) dem optischen Drucksensor (22) überträgt.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine langgestreckte feine Sonde (74) aufweist, die in das Ableitungslumen (72) einsetzbar und aus diesem herausnehmbar ist, wobei die feine Sonde dem Katheter (54) Steifigkeit verleiht, während dieser in das Gehirn eingeführt ist.

9. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche in Kombination mit einer Korrektureinrichtung (154, 162, 168), um das modulierte Lichtausgangssignal einzustellen, um Ungenauigkeiten zu korrigieren, die durch Übertragungsverluste in dem oder den Lichtleitern (14) hervorgerufen werden.

10. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche in Kombination mit einer Lichtquelle (48), die mit dem proximalen Ende des Lichtleiters oder der Lichtleiter (14) verbunden ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Lichtquelle (48) in der Lage ist, mindestens zwei Lichtwellenlängen zu emittieren, und wobei ein einziger Lichtleiter (14) vorgesehen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei der optische Drucksensor (22) ein Spektralmodulationssensor ist, der einen Körper (24) mit einem Hohlraum (26) mit einem Paar von darin angeordneten, gegenüberliegenden reflektierenden Oberflächen (27, 29) aufweist, wobei die reflektierenden Oberflächen voneinander beabstandet angeordnet sind und eine optisch Resonanzstruktur bilden, wobei der Abstand zwischen den Oberflächen sich in Abhängigkeit von dem Druck am distalen Ende des Katheters (54) ändert und wobei zumindest eine der Oberflächen von einer lichtreflektierenden Membran (28) gebildet wird, die so positioniert ist, daß sie ein Eingangslichtsignal von der Lichtquelle (48) empfängt und in reflektierender Weise das modulierte Lichtausgangssignal in der proximalen Richtung durch den Lichtleiter (14) zurückschickt.