DE69725703T2

DE69725703T2 - Kombinierten strömungs-druck und -temperature-fühler

Info

Publication number: DE69725703T2
Application number: DE69725703T
Authority: DE
Inventors: Leif Smith
Original assignee: Radi Medical Systems AB
Current assignee: St Jude Medical Systems AB
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: US20020059827A1; DE69725703D1; EP0877574B1; EP0877574A1; US6343514B1; WO1997027802A1; USRE39863E1; JP2000504249A; US6615667B2; JP3830528B2; SE9600334D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Messung von Druck, Temperatur und Durchfluss, insbesondere auf dem medizinischen Gebiet, und insbesondere in-situ-Messungen des intrakoronären Drucks distal bezüglich einer Striktur, unter Verwendung eines Führungsdrahts, an dessen distalem Ende ein Drucksensor angebracht ist.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen kombinierten Durchfluss-, Druck- und Temperatursensor.
Hintergrund der Erfindung
Sensoren mit Membranen zur Durchfluss-, Druck- und Temperaturmessung zum Messen verschiedener physikalischer Merkmale eines Durchflusses sind in der Technik bekannt (siehe beispielsweise US-A-5447 073). Solche Einrichtungen sind jedoch nicht geeignet für Fluide, die in lebenden Körpern strömen.
Um die Fähigkeit eines bestimmten Koronargefäßes zu bestimmen oder zu bewerten, dem Herzmuskel, d. h. dem Myocardium, Blut zuzuführen, ist ein Verfahren bekannt, bei welchem der intrakoronäre Druck distal bezüglich einer Striktur in Kombination mit dem proximalen Druck gemessen wird. Das Verfahren ist eine Bestimmung der sogenannten Fractional Flow Reserve (siehe "Fractional Flow Reserve", Circulation, Vol. 92, No. 11, 1. Dezember 1995, von Nico H. j. Pijls et al.). Kurz gesagt ist die FFR_myo definiert als Verhältnis zwischen dem Druck distal bezüglich einer Striktur und dem Druck proximal bezüglich einer Striktur, d. h. FFR_myo = P_dist/P_Prox. Der distale Druck wird in dem Gefäß mittels eines Mikrodruckumwandlers gemessen, und der proximale Druck ist der arterielle Druck.
Eine Beschränkung beim Messen ausschließlich des Blutdrucks und des Druckgradienten, alternativ der Fractional Flow Reserve, ist, dass es keine Kontrolle des Durchflusses in dem Koronargefäß gibt. Beispielsweise würde ein Gefäß mit einer signifikanten Striktur nicht zu einem Druckabfall führen, wenn das Myocardium fehlerhaft ist und nicht die Fähigkeit besitzt, Blut aufzunehmen. Die Diagnose wird dann fälschlicherweise zeigen, dass das Koronargefäß gesund ist, wenn stattdessen die Schlussfolgerung hätte sein sollen, dass das Myocardium und möglicherweise das Koronargefäß krank sind.
Ein Diagnoseverfahren zum Diagnostizieren der Krankheit der kleinen Blutgefäße [small vessel disease] wird wie folgt durchgeführt:
Die Fractional Flow Reserve wird bestimmt. Wenn die FFR < 0,75 ist, sollte das Koronargefäß behandelt werden.
Wenn die FFR > 0,75 ist, gibt es zwei Möglichkeiten:

a) entweder ist der Patient gesund bezüglich des tatsächlichen Koronargefäßes (was am plausibelsten ist), oder
b) es besteht ein geringer Blutstrom distal bezüglich der distalen Druckmessung aufgrund entweder einer zusätzlichen Striktur oder eines kranken Myocardiums.

Um festzustellen, ob die Alternative b) vorliegt, ist es wünschenswert, Wissen bezüglich des Gesundheitsstatus des Myocardiums zu erhalten, und zwar durch Messen der Coronary Flow Reserve (CFR) oder alternativ der Coronary Velocity Reserve (CVR). Die Idee hierbei ist, zu bestimmen, wie sehr ein Patient dazu fähig ist, seine/ihre Durchblutung während der Arbeit zu steigern. Ein gesunder Patient sollte dazu fähig sein, die Durchblutung um das 2,5- bis 5-fache zu steigern, abhängig von seinem Alter. Die Arbeit wird simuliert durch das Hinzufügen eines sogenannten vasodilatatorischen (gefäßerweiternden) Mittels/Medikaments, beispielsweise Adenosin, Papaverin oder ähnlichem. Dieses Medikament erweitert die Kapillaren, wodurch die Durchblutung ansteigt. Das gleiche Medikament wird verwendet, um die FFR zu bestimmen.
Die CFV ist bestimmt als
Da dies ein Verhältnis ist und angenommen wird, dass die Querschnittsfläche während einer Geschwindigkeitsmessung konstant ist, wird es ausreichen, die Geschwindigkeit zu messen.
CFR ist bestimmt als CFR = Qwork/Qrest = [Vwork*K]/[Vrest*K] = Vwork/Vrest
Da der gewünschte Parameter ein Anstieg des Durchflusses ist, wird es ausreichend sein, ihn als relative Größ3 zu erhalten CFR = [K*Vwork]/[K*Vrest] wobei K eine Konstante ist.
Forscher haben Verfahren entworfen, bei welchen der Druck und die Durchflussgeschwindigkeit in dem Koronargefäß gemessen werden, wobei die Ergebnisse als sogenannte "Druck-Geschwindigkeits-Schleifen" (di Mario) präsentiert werden. Dadurch wird es möglich, Patienten, die unter der sogenannten "Krankheit der kleinen Blutgefäße" leiden, von anderen zu unterscheiden. Bei Patienten mit der "Krankheit der kleinen Blutgefäße" werden der Druckgradient, entsprechend einer hohen FFR, und die Durchflussgeschwindigkeit gering sein, wohingegen gesunde Patienten einen geringen Druckgradienten haben werden, entsprechend einer hohen FFR, und einen hohen Durchfluss.
In einigen Untersuchungen sind das System des Anmelders für Druckmessungen in vivo, "Pressure Guide^TM (Radi Medical Systems)", der Durchflusssensor getestet worden, der unter dem Handelsnamen Flowmap^TM (Cardiometrics) verkauft wird.
Es ist ein großer Nachteil, zwei Sensoren in das Koronargefäß einführen zu müssen, verglichen mit einer Situation, in der beide Sensoren an einem Führungsdraht angebracht sind. Daher ist vorgeschlagen worden, einen Führungsdraht mit zwei Sensoren zu versehen, aber dies stellt mehrere technische Probleme bezüglich der Integration von zwei Sensoren in einem dünnen Führungsdraht.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist es daher, Mittel zum Ausführen einer solchen kombinierten Druck- und Durchflussmessung mit einer einzelnen Einheit zur Verfügung zu stellen, wodurch die Untersuchungen der oben genannten Art erleichtert werden und die Diagnose verlässlicher gemacht wird.
Das oben beschriebene Ziel wird erreicht gemäß der Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, wodurch die Probleme des Standes der Technik überwunden worden sind. Das Schlüsselelement besteht darin, das temperaturempfindliche Element zu verwenden, um einen Durchflussparameter zu erhalten. Daher ist ein einzelner Sensor vorgesehen, der die Fähigkeit hat, sowohl den Druck zu messen als auch die Durchflussgeschwindigkeit oder den Volumenfluss zu bestimmen. Ein großer Vorteil einer solchen Lösung ist, dass nur ein elektrischer Schaltkreis in einem Führungsdraht vorhanden sein muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor ein elektrischer Sensor der piezo-resistiven Art. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass auch andere druckempfindliche Einrichtungen verwendet werden können, beispielsweise kapazitive Einrichtungen oder mechanisch schwingende Sensoren.
Der weitere Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird sich aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung ergeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird deutlicher aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, die nur der Veranschaulichung dienen und die vorliegende Erfindung daher nicht beschränken sollen, und in welchen
1 ein Mikrofon zum Aufzeichnen von extrem kleinen Wirbelströmen in turbulenten Gasströmen zeigt;
2 eine Sensor/Führungsanordnung zeigt, die zusammen mit der Erfindung verwendbar ist,
3 eine Draufsicht eines Drucksensorchips und des elektrischen Schaltkreises zeigt, schematisch dargestellt;
4 schematisch den Schaltkreis einer doppelte Wheatstone-Brücke für die Verwendung in der Erfindung zeigt;
5 eine Darstellung einer Wheatstone-Brücke ist, die in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
6 Temperaturprofile zeigt, die in einer Thermodilutionsmessung erhalten wurden; und
7 eine schematische Veranschaulichung ist, die zeigt, wie eine Übergangszeit verwendet wird, um den gewünschten Parameter zu erhalten.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf 1 ist eine herkömmliche Einrichtung dargestellt, die in einer Veröffentlichung mit dem Titel "A Small-Size Microphone for Measurements in Turbulent Gas Flows" in Sensors and Actuators A, 1994, offenbart ist. Die Einrichtung weist ein Mikrofon zum Aufzeichnen von extrem kleinen Wirbelströmen in turbulenten Gasströmen auf. Sie basiert auf piezo-resistiven Techniken zum Umwandeln von Druckfluktuationen in elektrische Signale.
Das Mikrofon weist ein Siliziumsubstrat 100 auf sowie einen Hohlraum 102 in diesem Substrat. Eine Membran aus Polysilizium 104 bedeckt den Hohlraum 102. Auf der Membran ist ein Piezo-Resistor 106 aus Polysilizium angebracht. Ätzöffungen 108 und Ätzkanäle 110 sind aus Gründen der Herstellung vorgesehen. Belüftungskanäle 112 sind auch vorhanden. Auf dem Substrat 100 befinden sich Metallleiter 114 und Bondpads 116 zum Anschließen einer Verkabelung an externe Einrichtungen.
Mit Bezug auf 2 ist eine Sensor/Führungseinrichtung dargestellt, die einen massiven Draht 1 aufweist, der durch das sogenannte Zentrierschleifen bearbeitet ist und eingesetzt ist in einen proximalen Röhrenbereich 2. Der Draht 1 bildet den distalen Bereich der Führung und erstreckt sich nach jenseits des distalen Endes des proximalen Röhrenbereichs 2, wo diese Röhre an einen Spiralbereich 3 angeschlossen oder integral damit ausgeformt ist. Am distalen Ende des Drahtes 1 befindet sich ein Drucksensor 6. Zwischen dem Draht 1 und dem Spiralbereich 3 verlaufen elektrische Leitungen 4 von dem elektronischen Schaltkreis parallel mit dem Draht 1. Der Sensor 6 ist durch einen kurzen Abschnitt einer Röhre 7 geschützt, die eine Öffnung 8 hat, durch welche hindurch das umgebende Medium auf den Drucksensor einwirkt. Am distalsten Ende der gesamten Einrichtung befindet sich eine strahlungsundurchlässige Spule 9, beispielsweise aus Pt, die zu Zwecken der Ortsbestimmung verwendet wird, sowie ein Sicherheitsdraht 10 zum Sichern des distalen Teils der Spirale 9.
Um die Anzahl der elektrischen Leitungen zu minimieren, kann der Draht oder die Röhre als eine der elektrischen Leitungen verwendet werden.
Das proximale Schlauchmaterial 2 und die Spirale 3 können so gekoppelt sein, dass sie als elektrischer Schirm verwendet werden, in welchem Fall sie natürlich nicht als elektrische Leitung verwendet werden können.
Nun werden Ausführungsformen des Drucksensors mit Bezug auf die 3–4 beschrieben.
Der Sensor basiert auf dem oben beschriebenen kleinen Silizium-Mikrofon, das dazu ausgestaltet ist, sehr kleine Wirbelströme in turbulenten Gasströmen zu erfassen. Dieses Mikrofon ist für diese Anwendung vollständig in der besagten Veröffentlichung "Sensors and Actuators A" von 1994 beschrieben worden. Das Mikrofon ist jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung auf die nun beschriebene Art und Weise modifiziert worden. Um die äußeren Abmaße des Mikrofons weiter zu miniaturisieren, um die Anforderungen der Erfindung zu erfüllen, sollten die äußeren Abmessungen zum Unterbringen des Leitungsmusters auf dem Sensor nicht größer sein als 0,18 × 1,3 × 0,18 mm, vorzugsweise nicht größer als 0,14 × 1,3 × 0,1 mm.
Ein unerwarteter Vorteil des Miniaturisierens ist, dass die thermische Masse und dadurch auch die thermische Zeitkonstante gering ist, d. h. dass der gesamte Chip einschließlich der Widerstände sich sehr schnell aufheizt und abkühlt. Dadurch ist es möglich, dynamische Veränderungen in der Größenordnung von 1 Hz und schneller zu überwachen. Zu dem Zweck des Überprüfens des Durchflusses in Blutgefäßen wird die Veränderung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumenflusses während eines Herzzyklus auf einfache Art und Weise erfasst, und daher können Anomalien der Durchblutung erfasst werden.
Der Sensor (siehe 3) weist einen Sensorstützkörper in Form eines Siliziumchips 13 auf, in welchem sich ein Hohlraum 14 befindet, der beispielsweise durch Ätzen ausgeformt ist. Über den Hohlraum hinüber ist eine Polysiliziummebran 15 mit einer Dicke von beispielsweise 0,4–1,5 μm oder möglicherweise bis 5 μm ausgebildet, und zwar mit einer Seitenlänge von 100 μm. Innerhalb des Hohlraums herrscht ein Vakuum von weniger als 1000 Pa, vorzugsweise weniger als 30 Pa, vor. In Kontakt mit der Membran ist ein piezo-resistives Element 41 angebracht. Ein auf die Membran 15 einwirkender Druck wird deren Auslenkung bewirken, und ebenfalls eine Auslenkung des piezo-resistiven Elements 41, was zu einem erfassbaren Signal führt.
Um die Verkabelung 4 an dem Chip anzubringen, sind Bondpads 19 erforderlich. Diese Bondpads müssen eine bestimme Dimension haben (beispielsweise 100 × 75 μm) und müssen um einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sein, und zwar ungefähr 125 μm. Da die Anpassung der Dimensionen das Verschmälern des Chips mit sich bringt, ist die Konsequenz, dass, um die erwähnten Anforderungen zu erfüllen, die Bondpads in einer Reihe nacheinander angeordnet werden müssen, wie in 3 dargestellt.
Es wird auch bevorzugt, aus Gründen der Temperaturkompensation einen Referenzwiderstand 42 an dem Sensor angebracht zu haben. Dieser Referenzwiderstand 42 kann sich an unterschiedlichen Punkten auf dem Sensorchip befinden.
In einer Ausführungsform ist er auf der Membran 15 platziert. Dies ist bevorzugt, da identische Umgebungen sowohl des aktiven piezo-resistiven Elements 41 als auch des Referenzwiderstands 42 vorhanden sein werden. Dadurch ist das aktive Element, d. h. das piezo-resistive Element 41, so angebracht, dass es durch eine in Längsrichtung verlaufende Spannung 41 beeinflusst werden wird, wenn es einem Druck unterliegt. Der Referenzwiderstand 42 ist vorzugsweise rechtwinklig bezüglich des aktiven Elements 41 und entlang der Kante der Membran 15 angebracht, d. h. am Außenumfang des Hohlraums 14, der sich unterhalb der Membran 15 befindet.
Es ist jedoch auch möglich, den Bezugswiderstand auf dem Siliziumsubstrat 13 angrenzend and die Membran zu platzieren. Dies ist ein Vorteil, da der Bezugswiderstand dann druckunabhängig sein wird.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Bezugswiderstand auf einer "Dummy"-Membran angrenzend an die eigentliche Membran 15 zu platzieren, um die gleiche mechanische und thermische Umgebung für das aktive Element 41 und den Bezugswiderstand 42 zu schaffen.
Mit Bezug auf 4 wird nun eine Ausführungsform des elektrischen Schaltkreises sowie seine Arbeitsweise und Funktion beschrieben.
Wie schematisch in 4 gezeigt ist, weist eine Ausführungsform des Sensorschaltkreises 6 Widerstände 41 bis 46 auf, von welchen zwei 41, 42 an der Membran angebracht sind, wie zuvor erwähnt (der Widerstand 41 entspricht dem Widerstand 41 in 3, und der Widerstand 42 entspricht dem Widerstand 42 in 3). Der Widerstand 41 ist ein piezoresistives Element, und der Widerstand 42 ist nur temperaturempfindlich. Die verbleibenden Widerstände 43, 44, 45, 46 befinden sich außerhalb der gesamten Sensor/Führungsanordnung und sind nicht Teil des Sensorelements.
In dieser Ausführungsform sind die Widerstände als doppelte Wheatstone-Brücke gekoppelt, d. h. die Widerstände 42, 43, 44, 46 bilden eine Brücke (für die Temperaturkompensation und Durchflussberechnung), und die Widerstände 41, 42, 45 und 46 bilden die zweite Brücke für die Druckmessung. So werden die Widerstände 45 und 46 von den Brücken geteilt. Dadurch ist es möglich, die Temperatur (über B–C) und den Druck (über A–C) unabhängig voneinander zu messen. Aus den gemessenen Temperaturwerten kann die Durchflussgeschwindigkeit oder der Volumenfluss berechnet werden.
In einer anderen Ausführungsform gibt es vier Widerstände (51, 52, 53, 54), die wie in 5 dargestellt verbunden sind, d. h. als einfache Wheatstone-Brücke. Wenn zumindest einer dieser vier Widerstände, beispielsweise 51, einen Temperaturkoeffizienten von ≠0 hat, können die Temperaturveränderungen wie folgt gemessen werden:
Wenn die angelegte Spannung V konstant gehalten wird, kann der Strom I durch den Schaltkreis hindurch gemessen werden und ist ein Maß der Temperatur, da die Gesamtimpedanz (der Widerstand) des Schaltkreises sich mit der Temperatur verändern wird.
Alternativ kann der Strom I konstant gehalten werden, und in diesem Fall wird die Spannung über der Brücke temperaturabhängig sein.
Mittels des dargestellten Schaltkreises kann die CFR bestimmt werden durch Aufzeichnen des Temperaturabfalls aufgrund einer vorbeitretenden Flüssigkeit, die eine geringere Temperatur hat als die Körpertemperatur, wie später noch genauer diskutiert werden wird.
Für die Durchflussbestimmung kann das Prinzip von sogenannten Heißdraht- und Heißfilm-Anemometern verwendet werden (Bezug wird genommen auf "Measurement Systems", 3. Auflage, Seiten 506 ff., von Doebelin, 1983), in welchem Fall eine Durchflussgeschwindigkeit erhalten werden kann.
Alternativ kann das Prinzip der Thermo-Dilution verwendet werden, in welchem Fall der Volumenfluss erhalten werden kann.
Beide Prinzipien werden nun diskutiert, beginnend mit Heißdraht-Anemometern.
Heißdraht-Anemometer werden normalerweise in zwei grundlegenden Formen gemacht: entweder mit konstantem Strom oder mit konstanter Temperatur. Beide verwenden das gleiche physikalische Prinzip, aber auf unterschiedliche Art und Weise. Bei der Form mit dem konstanten Strom wird ein feiner Widerstandsdraht, der einen festen Strom trägt, dem Fluid ausgesetzt, das bei einer bestimmten Geschwindigkeit strömt. Der Draht nimmt eine Gleichgewichtstemperatur an, wenn die i²R-Hitze im wesentlichen konstant ist; daher muss die Drahttemperatur sich selbst anpassen, um die konvektiven Verluste zu verändern, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Da der Konvektionsfilmkoeffizient eine Funktion der Durchflussgeschwindigkeit ist, ist die Gleichgewichtsdrahttemperatur ein Maß der Geschwindigkeit.
Die Drahttemperatur kann gemessen werden hinsichtlich seines elektrischen Widerstands. Bei der Form mit konstanter Temperatur wird dagegen der Strom durch den Draht hindurch angepasst, um die Drahttemperatur (wie gemessen über seinen Widerstand) konstant zu halten. Der dazu erforderliche Strom wird dann ein Maß für die Durchflussgeschwindigkeit.
Für Gleichgewichtsbedingungen können wir eine Energiebalance für einen heißen Draht wie folgt schreiben: I2Rw = hA(Tw–Tf)mit I = Drahtstrom Rw
T_w = Temperatur
T_f = Temperatur des strömenden Fluids
h = Filmkoeffizient der Wärmeübertragung
A = Wärmeübertragungsfläche.
h ist hauptsächlich eine Funktion der Durchflussgeschwindigkeit für eine gegebene Fluiddichte und kann allgemein in folgender Form geschrieben werden: h = C0 + C1√Vwobei V die Durchflussgeschwindigkeit ist und C₀ und C₁ Konstanten sind. Für eine genauere Berechnung der Theorie für Heißdraht-Anemometer wird Bezug auf die zitierte Veröffentlichung genommen.
Bei der Druckmessung werden die Widerstände in dem Schaltkreis (4) mit einer Spannung zwischen 1 und 10 V (Gleichstrom oder Wechselstrom) versorgt, und der Potentialunterschied zwischen A und B wird als Signal aufgezeichnet, das für den Druck steht. Wenn die Widerstände 41 und 42 nicht identisch sind hinsichtlich ihrer Temperaturabhängigkeit, wird diese Potentialdifferenz temperaturabhängig sein, d. h. man muss eine Größe kennen, die für die Temperatur repräsentativ ist, bei welcher die Messung stattfindet, um einen korrekten Druckwert zu erhalten, und daher muss die Brücke kalibriert werden. Dies wird erzielt durch Aufzeichnen der Potentialdifferenz zwischen A und B (siehe 4) als Funktion der Potentialdifferenz zwischen A und C bei unterschiedlichen Temperaturen, beispielsweise in einem Ofen mit gesteuerter Temperatur oder in einem Wasserbad. So wird eine Kurve erhalten, die den "Offset" über der Temperatur darstellt, und diese wird verwendet, um das Drucksignal (A–B) für eine gegebene Temperatur zu kompensieren. Bei einer gegebenen Temperatur ist nämlich aus der Kalibrierungskurve bekannt, wie viel von dem tatsächlich aufgezeichneten Signal abgezogen oder wie viel zu ihm hinzugefügt werden sollte, um einen korrekten Druck zu erhalten. Es wäre vorteilhaft, wenn die Widerstände 41 und 42 identische oder zumindest sehr gleiche Temperaturabhängigkeiten hätten. Dies ist tatsächlich auch der Fall, da sie in der Praxis zum gleichen Zeitpunkt während der Herstellung des Chips selbst gemacht werden. So sind die Materialzusammensetzung und die Eigenschaften praktisch identisch. Nichts desto weniger ist die oben beschriebene Kompensation in den meisten Fällen notwendig.
Der tatsächliche Kompensationsvorgang wird in die Software des elektronischen Systems eingebaut, und seine Implementierung erfordert nur normale Fähigkeiten.
Die Erfinder haben nun realisiert, dass es möglich ist, den temperaturabhängigen Widerstand in einer Druckbrücke wie oben beschrieben für Durchflussmessungen zu verwenden, unter Abnutzung des Prinzips des Heißdraht-Anemometers.
Dabei wird der temperatursensitive Widerstand 42 (4), der ein bekanntes Temperaturverhalten als Funktion des ihm zugeführten Stroms hat, mit einem Strom versorgt, der in einer statischen Situation (d. h. ohne ein ihn umgebendes strömendes Fluid) eine bestimme Temperatur ergeben würde, die sich in seinem Widerstand widerspiegeln würde. Wenn ein Unterschied besteht zwischen dem gemessenen Widerstand und dem, der in der statischen Situation (d. h. ohne Fluss) erwartet worden wäre, kann darauf geschlossen werden, dass eine Abkühlung des Widerstands stattfindet und dass es daher einen Strom eines Fluids gibt. Die Messung wird über B–C in der Zeichnung ausgeführt. Auf der Basis dieser Informationen kann die oben für Anemometer beschriebene Theorie angewandt werden und eine Durchflussgeschwindigkeit berechnet werden.
Der CFR-Wert kann auf die folgende Art und Weise unter Verwendung des Anemometer-Prinzips erhalten werden:

1. Ein Sensor wird distal bezüglich einer angenommenen Striktur platziert.
2. Der Durchflussparameter ("Durchflussgeschwindigkeit") in einem Ruhezustand wird aufgezeichnet, V_rest*K (K ist eine Konstante).
3. Ein Medikament (beispielsweise Adenosin oder Papaverin) wird für die Gefäßerweiterung eingespritzt.
4. Der Durchflussparameter ("Geschwindigkeit") wird in einem Arbeitszustand aufgezeichnet, V_maX*K (K ist eine Konstante).
5. CFR = V_max/V_rest wird berechnet.

Während des gleichen Vorgangs kann auch die FFR (Fractional Flow Reserve) erzielt werden durch Messen des distalen und proximalen Drucks und durch Berechnen von FFR = P_dist/P_prox Nun wird die Ausführungsform beschrieben, die das Prinzip der Thermo-Dilution verwendet.
Das Prinzip der Thermo-Dilution beinhaltet das Einspritzen einer bekannten Menge von gekühlter Flüssigkeit, beispielsweise physiologischer Salzlösung, in ein Blutgefäß. Nach dem Einspritzen wird die Temperatur kontinuierlich aufgezeichnet mit einem an der Spitze eines Führungsdrahts, der in das Blutgefäß eingesetzt ist, angebrachten Temperatursensor. Eine Temperaturveränderung aufgrund der kalten Flüssigkeit, die die Messstelle passiert, d. h. die Position des Sensors, wird eine Funktion des Durchflusses sein (siehe 5).
Es gibt verschiedene Verfahren zum Bewerten des Temperatursignals für diagnostische Zwecke. Entweder kann man versuchen, den Volumenfluss zu berechnen, oder man kann eine relative Messung verwenden, bei welcher der Durchfluss in einem "Ruhezustand" mit einem "Arbeitszustand" verglichen wird, induziert durch Medikamente.
Der letztere ist der einfachere Weg und kann ausgeführt werden durch Messen der Breite bei halber Höhe des Temperaturveränderungsprofils in den zwei besagten Situationen und durch Bilden eines Verhältnisses zwischen diesen Größen (siehe 6).
Eine andere Art und Weise zum Erhalten eines Verhältnisses wäre, die Übergangszeit von dem Einspritzen zu messen und bis die kalte Flüssigkeit den Sensor passiert, und zwar im Ruhezustand und im Arbeitszustand. Die relevanten Messpunkte sind in 7 dargestellt.
Das erstgenannte Verfahren, d. h. die Verwendung des Volumenflussparameters als solchem, erfordert die Integration des Temperaturprofils über der Zeit (siehe 6) gemäß den unten stehenden Gleichungen:

mit:
V Volumen der eingespritzten Flüssigkeit,
T_r,m gemessene Temperatur im Ruhezustand,
T_r,l Temperatur der eingespritzen Flüssigkeit im Ruhezustand,
T₀ Temperatur des Blutes, d. h. 37°C,
T_w.m gemessene Temperatur im Arbeitszustand,
T_w,l Temperatur der eingespritzten Flüssigkeit im Arbeitszustand, und
Q Volumenfluss.
Diese Größen können dann direkt verwendet werden für die Bestimmung des Zustandes der Koronargefäße und des Myocardiums des Patienten, oder sie können in ein Verhältnis gesetzt werden wie zuvor, um eine CFR zu erhalten, d. h. CFR = Q_work/Q_rest.
Ein Verfahren zum Diagnostizieren der Krankheit der kleinen Blutgefäße unter Verwendung der Einrichtung der Erfindung weist das Ausführen von Messungen an einer Stelle in einem Blutgefäß distal bezüglich einer angenommenen Striktur auf. Dabei werden ein druckempfindliches Element und ein Widerstand an einem Sensorelement an einer Messstelle vorgesehen, und zwar durch Einführen durch einen Katheter hindurch. Das druckempfindliche Element und der Widerstand sind Teil eines elektrischen Schaltkreises, dessen Ausgaben für den Druck und die Temperatur stehen, und sie haben bekannte Temperaturabhängigkeiten. Der Widerstand wird als Bezugspunkt für das druckempfindliche Element verwendet. An der Stelle wird das Sensorelement strömendem Fluid, d. h.
Blut, ausgesetzt werden, und die Temperatur des Fluids wird überwacht durch kontinuierliches Aufzeichnen der temperaturabhängigen Ausgabe des elektronischen Schaltkreises. Dann wird der Widerstand einer veränderten thermischen Umgebung unterworfen. Die Veränderung der temperaturabhängigen Ausgabe, die sich aus dieser veränderten thermischen Umgebung ergibt, wird aufgezeichnet. Diese Veränderung der temperaturabhängigen Ausgabe wird verwendet, um einen Durchflussparameter (Q_rest) zu berechnen. Eine gefäßerweiternde Substanz wird in das Blutgefäß eingespritzt, um einen Arbeitszustand zu simulieren, und der distale Druck (P_work,dist) und die Temperatur des Fluids werden überwacht durch kontinuierliches Aufzeichnen der druckabhängigen Ausgabe und der temperaturabhängigen Ausgabe des elektronischen Schaltkreises. Wieder wird der Widerstand einer veränderten thermischen Umgebung ausgesetzt, und die Veränderung der temperaturabhängigen Ausgabe, die sich aus der veränderten thermischen Umgebung ergibt, wird aufgezeichnet. Ein Durchflussparameter (Q_work) wird aus der Veränderung der temperaturabhängigen Ausgabe berechnet. Der proximale Druck (P_prox,work) wird berechnet, und CFR = Q_work/Q_rest und FFR = P_dist,work/P_prox,work werden berechnet. Schließlich werden die berechneten Werte für CFR und FFR mit entsprechenden Größen verglichen, die repräsentativ für einen gesunden Patienten sind.
Die Erfindung ist beschrieben worden, aber kann selbstverständlich auf viele verschiedene Arten verändert werden. Solche Variationen sollen nicht aus dem Bereich der Erfindung herausführen, und all diese Modifikationen, die für Fachleute offensichtlich sind, sollen im Bereich der nun folgenden Ansprüche enthalten sein.
Insbesondere kann die Erfindung auch in anderen Bereichen auf dem medizinischen Gebiet Anwendung finden, wo auch immer es gewünscht wird, Druck, Temperatur und Durchfluss mit einer einzelnen Einrichtung zu messen. Sie könnte auch auf nichtmedizinischen Gebieten verwendet werden.

Claims

Anordnung aus Führungsdraht und Sensor zum Bestimmen des Drucks, der Temperatur und eines Durchflussparameters eines in einem Gefäß strömenden Fluids, mit i) einem Führungsdraht (2) mit einem distalen und einem proximalen Ende; ii) einem am distalen Ende des Führungsdrahts vorgesehenen Sensorelement (6), das folgendes aufweist: a) einen Sensorhaltekörper (13) mit einer Membran (15), die einen in dem Haltekörper (13) ausgeformten Hohlraum abdeckt; b) ein druckempfindliches Element (41) zum Registrieren von Druck, das eine bekannte Temperaturabhängigkeit hat und an der Membran (15) angebracht ist; und c) einen temperaturempfindlichen Widerstand (42) zum Registrieren der Temperatur, der in der Nähe des druckempfindlichen Elements angebracht ist und eine bekannte Temperaturabhängigkeit hat, welcher Widerstand auch als Temperaturbezug für das druckempfindliche Element dient; iii) einem elektrischen Schaltkreis zum selektiven Registrieren von Ausgangssignalen von dem druckempfindlichen Element und dem Widerstand, wobei der Schaltkreis eine Ausgabe ergeben kann, die für den Druck steht, und wobei die Gesamtimpedanz des Schaltkreises für die Temperatur steht.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der elektrische Schaltkreis eine doppelte Wheatstone-Brücke aufweist mit einer ersten (42, 43, 44, 46) und einer zweiten (41, 42. 45, 46) Brücke, welche zwei Brücken zwei gemeinsame Widerstände haben, wobei die erste Brücke den temperaturempfindlichen Widerstand (42) aufweist und die zweite Brücke das druckempfindliche Element (41) und den temperaturempfindlichen Widerstand (42).
Anordnung nach Anspruch 1, mit einer Wheatstone-Brücke, wobei die Ausgabe von der Brücke für den Druck steht und die Gesamtimpedanz der Brücke für die Temperatur.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei sowohl das druckempfindliche Element (41) als auch der temperaturempfindliche Widerstand (42) sich an der Membran (15) befinden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei nur das druckempfindliche Element (41) sich an der Membran (15) befindet und der temperaturempfindliche Widerstand (42) sich an dem Sensorhaltekörper (13) befindet.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der temperaturempfindliche Widerstand (42) an einer Dummy-Membran angebracht ist, die im wesentlichen die gleichen Eigenschaften hat wie die Membran (15), an welcher sich das druckempfindliche Element befindet.
Anordnung nach Anspruch 1, angebracht am distalen Ende eines Führungsdrahts, der ein proximales und ein distales Ende hat.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit Mitteln für die Temperaturkompensation in dem Druckmessmodus, so dass das registrierte Potential, das für einen Druck steht, modifiziert ist durch Hinzufügen oder Abziehen eines bekannten temperaturabhängigen Offset-Potentialwerts zu bzw. von dem aufgezeichneten Potential.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das druckempfindliche Element (41) ein piezo-resistives Element ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das druckempfindliche Element (41) ein kapazitives Element ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das druckempfindliche Element (41) ein mechanisch mitschwingender Sensor ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit einer selektiven Energiezufuhr, die mit dem temperaturempfindlichen Widerstand verbunden ist, um den Temperaturempfindlichen Widerstand auf eine vorbestimmte Temperatur aufzuheizen, und mit einer Einrichtung zum Bestimmen einer Temperaturabweichung.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit einem elektrischen Schaltkreis, der selektiv Ausgabesignale von dem druckempfindlichen Element und Widerstand registriert, welcher Schaltkreis eine doppelte Wheatstone-Brücke mit einer ersten (42, 43, 44, 46) und einer zweiten (41, 42, 45, 46) Brücke aufweist, welche zwei Brücken zusammen sechs Widerstandselemente aufweisen, wobei zumindest das druckempfindliche Element (41) sich an der Membran befindet und die doppelte Wheatstone-Brücke zwei Widerstände gemeinsam hat, wobei die erste Brücke das druckempfindliche Element (41) und den temperaturempfindlichen Widerstand (42) und die zweite Brücke den temperaturempfindlichen Widerstand (42) aufweist.