WO2005011511A1 - Force sensor for an elongate device - Google Patents

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WO2005011511A1
WO2005011511A1 PCT/EP2004/008062 EP2004008062W WO2005011511A1 WO 2005011511 A1 WO2005011511 A1 WO 2005011511A1 EP 2004008062 W EP2004008062 W EP 2004008062W WO 2005011511 A1 WO2005011511 A1 WO 2005011511A1
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WO
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light
sensor
force
optical waveguide
elongated device
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PCT/EP2004/008062
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German (de)
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Thorsten Kern
Thorsten Meiss
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Technische Universität Darmstadt
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    • G01D5/268Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
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    • A61B90/06Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension

Definitions

  • the invention relates to a force sensor, a force sensor unit, an elongated device and a method for detecting a force.
  • a force sensor is provided at the tip of catheters, which is based on a resistive functional operation.
  • the force introduced into the sensor is absorbed by a resistance bridge circuit.
  • the sensor must be connected via several lines, in particular for the supply of electrical energy and for signal transmission to an external evaluation unit, the laying of at least one cable requiring a large amount of space along the catheter.
  • the construction of this sensor is complex due to the large number of parts, and the associated high manufacturing costs make the known sensor particularly unsuitable for catheters due to their preferred disposable property.
  • the miniaturizability of the electrically operated force sensor in particular below a catheter diameter of less than 3 mm, can only be achieved with an extremely high level of design effort, if at all.
  • an electrical force sensor is susceptible to faults with regard to electromagnetic radiation from a magnetic resonance tomograph, which vulnerabilities are to be eliminated in particular in medical technology.
  • the senor has at least one light coupling area, at which light can enter the sensor in particular in a predetermined, known intensity.
  • the light coupling area is optically connected to at least one optical waveguide, which connection can be realized inside the sensor or outside, the optical waveguide preferably being connectable to a light source outside the sensor.
  • the sensor according to the invention has a light intensity modulator which modulates the predetermined intensity of the light which can be coupled into the sensor as a function of the force which is introduced into the sensor via the force transducer, that is to say changes as a function of the force.
  • the sensor according to the invention has a light coupling-out area which can also form the light coupling-in area and via which the light of modulated intensity can be coupled out into at least one light guide.
  • the sensor according to the invention can detect forces according to the amount and / or the direction of action in real time and in particular continuously.
  • the sensor according to the invention is designed to detect a force mainly in the longitudinal direction of the elongated device.
  • the force transducer is designed as a chamber, which is filled with a fluid, in particular gas, such as air, and in particular is pneumatically working, and is delimited by a flexible, in particular elastic, wall.
  • a fluid in particular gas, such as air
  • a rigid reflector plate Opposite the light input and output area of the sensor is a rigid reflector plate with In particular, a flat reflection surface is provided which, depending on the force acting on the air chamber, can be approximated or removed from the light input and output area.
  • a suitable elastomer material and silicone, in particular an organism-compatible one, can be used for the elastic wall of the chamber.
  • a diaphragm arrangement which is designed to be load-deformable and / or movable in such a way that it changes the light intensity of the coupled-in light by varying the diaphragm opening or the diaphragm passage.
  • the light path to be influenced by the diaphragm arrangement is generated by a reflector arrangement, which preferably consists of at least two reflectors, which are arranged so that the injected light is redirected to the light decoupling area.
  • an aperture is arranged to be movable depending on the force acting on the force transducer and can interrupt the light path to a greater or lesser extent in accordance with the force acting on the transducer.
  • the light intensity that can be determined at the light decoupling area provides information about the force acting on the elongated device.
  • the reflector arrangement is, in particular, immovable or stationary relative to the light coupling-in area and / or the light coupling-out area.
  • the cover can be mounted in a fixed position, the reflectors being provided with a predetermined displacement path which can be labeled by the reflector arrangement by the force acting on the force transducer.
  • the light intensity signal emerging from the sensor is preferably evaluated monochromatically and / or over a spectrum.
  • the housing surrounding the sensor is at least partially rigid, so that the introduction of the force into the force transducer is made possible in a defined direction.
  • the invention relates to a sensor unit which has at least one optical waveguide which can be connected or connected to at least one light source and a sensor according to the invention.
  • the sensor unit comprises at least two, in particular several, preferably five optical waveguides, which are in particular arranged parallel to one another.
  • an average optical waveguide is surrounded by a plurality of external optical waveguides in a concentric arrangement of the same circumferential distance. With this multi-light waveguide arrangement, the direction of action of an engaging force can also be determined.
  • the senor according to the invention is arranged on the end face of the at least one optical waveguide, it being possible for the sensor, in particular with its force transducer, to be in direct contact with the at least one optical fiber.
  • An adapter can be arranged between the elongated device and the sensor so that the force can be introduced in a predeterminable manner into the sensor, in particular on the force transducer, in accordance with a specific sensor structure.
  • the invention relates to an elongated device, in particular an elongated medical-technical device, such as a catheter, which device has at least one optical waveguide which is connected to at least one light source and a sensor according to the invention which is optically connected to the optical waveguide.
  • the senor according to the invention or the sensor unit according to the invention is positioned in the region of the distal end of the elongated device in the elongated device, a small distance from the distal end being preferred.
  • the sensor should not be directly exposed to the forces, rather the forces should be transmitted to the sensor or the sensor unit via an adapter piece of the elongated device.
  • the at least one optical waveguide extends along the elongated device from the sensor, preferably to an evaluation unit.
  • the sensor is preferably attached to at least one guide wire of the elongated device.
  • the longitudinal extension of the elongated device is essentially formed exclusively by the at least one optical waveguide.
  • Guidewires are therefore not necessary if a fiber material is selected for the optical waveguide that has both the corresponding optical properties and the necessary strength and flexibility.
  • the invention relates to a method for detecting a force acting on an elongated device.
  • An initial intensity of a light measurement variable is then predetermined, the light measurement variable is modulated as a function of the force, the modulated light intensity is compared with the predetermined initial intensity, and a non-negligible force component in the longitudinal direction of the elongated device is determined on the basis of the ratio of the initial intensity to the modulated intensity.
  • Fig. La is a schematic diagram of the sensor according to the invention in a first embodiment, which is shown in an unloaded state;
  • FIG. 2b shows the sensor according to FIG. 2a in a loaded state
  • FIG. 3b shows the sensor according to the invention according to FIG. 3a in a loaded state
  • 6b shows a view according to FIG. 6a of the sensor according to the invention in a loaded state
  • 7a is a schematic side view of the fifth embodiment of the sensor, which is shown in an unloaded state
  • FIG. 7b shows the sensor according to FIG. 7a in a loaded state
  • FIG. 8 shows a distal region of one end of an elongated medical device, such as a catheter.
  • the first embodiment of the sensor 1 according to the invention shown in FIGS. 1 a and 1 b comprises a force transducer 3, which in the embodiment according to FIGS. 1 a and 1 b has a spherical elastic body 5 and / or a housing 7, which is formed, for example, from silicone.
  • the housing 7 is formed as an encapsulating part around the body 5.
  • the housing 7 grips firmly around the end 13 of the optical waveguide 11.
  • the spherical body 5 has a reflection surface 15, which is assigned to a light input and output area, both of which can be defined as an intermediate or transition point, at which light leaves the optical waveguide and enters the body 5, that is to say the sensor.
  • the spherical body 5 rests against the end face 19 of the end 13 of the light guide 11, so that there is a reflection surface 15 in the contact area of the spherical body 5 and the optical waveguide 11, also adjacent to the contact area in the Optical waveguide 11 is effective.
  • both the elastic housing 7 and the elastic, spherical body 5 deform from their essentially spherical initial shape into an egg shape. or EUipsoid form, as indicated in Fig. lb. Due to this deformation, the degree of curvature on the reflection surfaces 15 and / or 25 decreases, so that the effective reflection surface 15 and / or 25 increases and the reflected light associated with the light decoupling region of the sensor 1 can be introduced into the waveguide 11 with a higher intensity.
  • a calibration of the force sensor with regard to the ratio of degree of curvature / force, degree of curvature / effective reflecting surface, effective reflecting surface / modulated intensity can be used to perform a quantitative evaluation of the force based on the modulated light intensity.
  • FIGS. 3a and 3b Another preferred embodiment of the invention is shown in FIGS. 3a and 3b.
  • similar and identical components are provided with the same reference numbers, which are increased by 200, with respect to the embodiment according to FIGS.
  • the sensor 201 according to FIGS. 3a and 3b according to the invention is designed to produce the desired light intensity changes dependent on the force via the phenomenon of polarization of light.
  • the sensor 201 according to the invention comprises a sandwich arrangement 231, which is arranged in the extension of the optical waveguide 211.
  • a polarizer 233 in the form of a polarization grating of the first polarization direction is arranged in the light input and output area of the sensor 201.
  • the light arriving at the polarizer 233 from a light source (not shown) connected to the optical waveguide 211 is polarized according to the first polarization direction and enters a photo-elastic body 235 forming the force transducer 203, the polarization direction of which is changed when the photo-elastic body 235 is applied with force is applied, which results in asymmetrical internal stress, which is indicated in Fig. 3b.
  • a planar reflector 237 is arranged on the photo-elastic body 235, which reflects light by 180 degrees in the opposite direction. That again the photo-elastic body 235 passing light no longer changes its polarization direction and is filtered again at the polarizer 233 of the first polarization direction.
  • the photo-elastic body 235 is set in relation to the polarizer 233 and the reflector 237 in such a way that the light intensity is not weakened when it passes through the sandwich arrangement 231.
  • the light polarized by the polarizer 233 enters the photo-elastic body 235, where the polarized light is modulated in accordance with the force F acting on the sensor 201 such that the polarization direction of the polarized light changes , in particular is elliptically polarized, so that the amount of the directional component by which the polarizer 233 filters decreases.
  • This decrease explains the light intensity weakening of the light beam 223, which is generated during the second passage of the light through the polarizer 233 under load and can be determined quantitatively by the evaluation unit (not shown).
  • a further polarizer (not shown) of the same polarization direction or a second polarization direction is preferably arranged between the photo-elastic body 235 and the reflector 237.
  • the sandwich arrangement 231 is encapsulated or encapsulated by an elastic housing 207 made of silicone, the housing 207 holding the sandwich arrangement 231 firmly at the end 213 of the optical waveguide 211.
  • FIGS. 1a and 1b show a further alternative embodiment of the sensor according to the invention, with the same reference numerals being used for identical or similar components with respect to the embodiment according to FIGS. 1a and 1b, which are increased by 300.
  • the sensor 301 has, as a force transducer 303, an airtight chamber 341 which delimits on the optical fiber side through the free end surface 319, on the side regions through the housing 307, for example made of silicone, and on the end region opposite the end surface 319 by a plate reflector 343.
  • the chamber 341 is filled with a fluid, in particular air. Because of the elasticity of the side walls 345 of the housing 307, there is movement of the reflector 343 towards the end face 319 of the optical waveguide 311 can be realized towards or away.
  • the reflector 343 or the reflection surface 347 assigned to the light input and output area of the sensor 301 is designed such that only part of the light 321 passing through the light input area is reflected on the reflection surface 347 in the opposite direction along the light guide 311 and thus via the light output area back into the optical fiber 311. The rest of the light is lost as scattered light 349 against the walls 345 of the housing 307 of the evaluation unit (not shown).
  • the volume of the chamber 341 is reduced and the fluid contained therein is thus pressurized.
  • the distance of the reflector 343 from the end face 319 of the optical waveguide 311, that is to say the light coupling-out area of the sensor 301 is reduced to a greater or lesser extent, so that a larger part of the reflected light , ie also part of the scattered light, which is not taken into account in the relaxed state, reaches the optical waveguide 311 and thus to the evaluation unit (not shown).
  • the intensity of the light beam 323 is therefore significantly stronger in the loaded state, which increase in intensity corresponds to a determinable increase in force at the sensor 301.
  • the aperture unit 451 is elastically deformable such that when the sensor 401 is subjected to a force F directed in the longitudinal direction of the optical waveguides 411a and 411b, the aperture unit 451 lowers into the light path between the reflectors 453 and 455 and thus an uninterrupted light path from the reflector 453 and 455 to the reflector 453 prevented.
  • This weakening of the light intensity can be assigned to a certain force by the evaluation unit (not shown).
  • the sensor 501 is provided with a plurality of light input and output areas, each of which is assigned to one or more of the optical waveguides 511a, 511b, 511c, 511d, 51 le.
  • the optical fibers 511a to 511e are arranged parallel to one another and extend in a longitudinal direction.
  • the optical waveguides 511a to 511d are arranged concentrically with a central optical waveguide 51le at a constant circumferential distance.
  • the middle optical waveguide 511e serves to couple light into the transparent full housing 563 via a light coupling region, the light striking the reflection body being reflected by a reflection surface. If no force or an axial force acts, the injected light is largely thrown back into the optical waveguide 511e, which is indicated in FIGS. 6a, 7a, or the injected light is of a higher intensity than the unloaded state reflected in the optical fiber 51 le.
  • a force / light intensity modulator is provided, which in the designs according to FIGS. La, lb, 2a, 2b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b Force modulates the light intensity directly, whereby changes in intensity are caused by mechanical force deformation phenomena.
  • the change in intensity is brought about by means of changes in polarization, which in turn are brought about by the force.
  • 8 schematically shows the end region 71 of a catheter according to the invention, the end of which is slightly curved or hook-shaped in order to be able to insert the catheter end more easily into Y artery branches.

Abstract

Disclosed is a sensor for detecting a force acting on an elongate device, especially an elongate medical device such as a catheter, said force comprising a non-neglectable force component in the longitudinal direction of the elongate device. The inventive sensor encompasses: a force transducer for the force that is to be detected; a connection for mounting the sensor on the elongate device; at least one light input area which can be optically connected to at least one optical waveguide that injects light into the sensor; a light intensity modulator which modulates a predetermined intensity of the light that can be injected into the sensor according to the force applied to the force transducer; and at least one light-decoupling area via which the light having modulated intensity can be decoupled in at least one optical guide.

Description

KRAFTSENSOR FÜR EINE LANGGESTRECKTE EINRICHTUNG FORCE SENSOR FOR A LONG STRETCH FURNITURE
Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, eine Kraftsensoreinheit, eine langgestreckte Einrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Kraft.The invention relates to a force sensor, a force sensor unit, an elongated device and a method for detecting a force.
Ein besonderer Anwendungsfall dieser Erfindung betrifft die Kathetertechnik, die von einer langgestreckten Einrichtung zum zumindest teilweise Einführen in einen Organismus durch eine Körperöffnung bestimmt ist. Diese langgestreckten Einrichtungen kommen vor allem in der minimalinvasiven Chirurgie an insbesondere menschlichen Körpern zum Einsatz. Damit bei der Invasion der langgestreckten Einrichtung keine Körpergefäße durch die körpernahe Spitze der von dem behandelnden Arzt manuell zu bedienenden langgestreckten Einrichtung verletzt werden, orientiert sich der Arzt notwendigerweise daran, welche Kräfte ihm an einer Handhabe der langgestreckten Einrichtung mitgeteilt werden. Wegen der Reibung und der eingeschobenen im Verlauf der Invasion des Katheters in den Körper kontinuierlich zunehmende Kathetermasse gibt die dem behandelnden Arzt an der Handhabe mitgeteilte Kraft einen kaum noch nutzbaren Aufschluß über den tatsächlich an der Katherspitze auftretenden Widerstand. Damit der behandelnde Arzt der Handhabe des Katheters die richtige Betätigungskraft mitteilen kann, ist ein außergewöhnlich reicher Erfahrungsschatz bei der Bedienung von Kathetern erforderlich.A particular application of this invention relates to catheter technology, which is determined by an elongated device for at least partially inserting into an organism through an opening in the body. These elongated devices are used primarily in minimally invasive surgery on human bodies in particular. In order that during the invasion of the elongated device, no body vessels are injured by the tip of the elongated device which is to be operated manually by the attending physician, the doctor necessarily orients itself to the forces that are communicated to him in a handle of the elongated device. Because of the friction and the catheter mass continuously increasing in the course of the invasion of the catheter into the body, the force communicated to the treating doctor on the handle gives a barely usable information about the resistance actually occurring at the tip of the catheter. In order for the attending physician to be able to communicate the correct actuation force to the handle of the catheter, an extraordinarily rich wealth of experience in the operation of catheters is required.
Aus der DE 103 03 270 ist eine Katheteranordnung bekannt, bei der die auf die Katheterspitze beim Einschieben wirkende Kraft durch einen Kraftsensor gemessen wird. Die entsprechende Meßgröße wird dem Arzt über eine haptische Handhabe taktil mitgeteilt. Auf diese Weise wird das Auffinden beispielsweise von Aderabzweigungen oder Perforationen an der Herzscheidewand gerade für einen unerfahrenen Arzt erleichtert. Eine die die Kraft an der Spitze repräsentierende Meßgröße verwendende, elektrodynamische Antriebsvorrichtung zur Erzeu- geung der haptischen Kraftvorspannung ist aus der DE 103 19 081 bekannt. Beide vorgenannten Dokumente sollen hier mit Bezug eingearbeitet sein, insbesondere im Hinblick auf die Sensorik zur Erfassen der Kräfte an der Spitze der langgestreckten Einrichtung und der Auswertung der Meßsignale. Gemäß der US 6,221,023 wird ein Kraftsensor an der Spitze von Kathetern vorgesehen, der auf einen resisitiven Funktionsbetrieb basiert. Die in den Sensor eingeleitete Kraft wird durch eine Widerstandsbrückenschaltung aufgenommen. Der Sensor muß über mehrere Leitungen insbesondere zur Versorgung mit elektrischer Energie und zur Signalübertragung an eine externe Auswerteinheit verbunden sein, wobei die Verlegung mindestens eines Kabels einen hohen Raumbedarf längs des Katheters erfordert. Der Aufbau dieses Sensors ist aufgrund der großen Teilezahl aufwendig, und die damit verbundenen hohen Fertigungskosten machen den bekannten Sensor insbesondere für Katheter aufgrund deren bevorzugten Einweg-Eigenschaft ungeeignet. Außerdem ist die Miniaturisierbarkeit des elektrisch betriebenen Kraftsensors insbesondere unterhalb eines Katheterdurchmessers von weniger als 3 mm, wenn überhaupt, nur mit einem äußerst hohen konstruktiven Aufwand realisierbar. Ferner ist ein elektrischer Kraftsensor hinsichtlich elektromagnetischer Strahlung eines Magentresonanztomographen störanfällig, welche Anfälligkeiten insbesondere in der Medizintechnik auszuschalten sind.From DE 103 03 270 a catheter arrangement is known in which the force acting on the catheter tip during insertion is measured by a force sensor. The physician is tactilely informed of the corresponding measured variable via a haptic handle. This makes it easier for an inexperienced doctor to find, for example, wire branches or perforations on the cardiac septum. An electrodynamic drive device which uses the measured variable representing the force at the tip to generate the haptic preload is known from DE 103 19 081. Both of the aforementioned documents should be incorporated here with reference, in particular with regard to the sensor system for detecting the forces at the tip of the elongated device and the evaluation of the measurement signals. According to US Pat. No. 6,221,023, a force sensor is provided at the tip of catheters, which is based on a resistive functional operation. The force introduced into the sensor is absorbed by a resistance bridge circuit. The sensor must be connected via several lines, in particular for the supply of electrical energy and for signal transmission to an external evaluation unit, the laying of at least one cable requiring a large amount of space along the catheter. The construction of this sensor is complex due to the large number of parts, and the associated high manufacturing costs make the known sensor particularly unsuitable for catheters due to their preferred disposable property. In addition, the miniaturizability of the electrically operated force sensor, in particular below a catheter diameter of less than 3 mm, can only be achieved with an extremely high level of design effort, if at all. Furthermore, an electrical force sensor is susceptible to faults with regard to electromagnetic radiation from a magnetic resonance tomograph, which vulnerabilities are to be eliminated in particular in medical technology.
Die DE 44 104 63 offenbart einen faseroptischen Sensor mit zwei Lichtwellenleitern, von denen ein Lichtwellenleiter an einer Lichtquelle angeschlossen ist. Die Enden der beiden Lichtwellenleiter liegen einem verspiegelten Ende eines Biegebalkens gegenüber, der in einem Kapselgehäuse quasi-fest eingespannt ist. Die Position des verspiegelten Endes wird durch die Reflexion des Endes des Biegebalkens gemessen. Das Verhältnis der in den beiden Enden der Lichtwellenleiter reflektierten Lichtanteile ergeben eine Auswertung unabhängig von absoluten Intensitätsmessungen. Dieser faseroptische Sensor ist für den Einsatz bei einem Katheter insofern nicht geeignet, als mit dem Sensor ausschließlich Kräfte quer zur Längserstreckung der Lichtwellenleiter erfassbar sind. Ferner ist der offenbarte Sensoraufbau für eine Miniaturisieung von langgestreckten Einrichtungen mit lateralen Abmessungen von weniger als 3 mm nicht geeignet.DE 44 104 63 discloses a fiber optic sensor with two optical fibers, one of which is connected to a light source. The ends of the two optical fibers lie opposite a mirrored end of a bending beam, which is clamped quasi-firmly in a capsule housing. The position of the mirrored end is measured by reflecting the end of the beam. The ratio of the light components reflected in the two ends of the optical fibers results in an evaluation independent of absolute intensity measurements. This fiber optic sensor is not suitable for use with a catheter insofar as the sensor can only detect forces transverse to the longitudinal extension of the optical waveguide. Furthermore, the disclosed sensor structure is not suitable for miniaturization of elongated devices with lateral dimensions of less than 3 mm.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebauten Sensor bereitzustellen, der in langgestreckte Einrichtungen von weniger als 3 mm Durchmesser, insbesondere 0,33 mm (1 French), integrierbar ist und Kräfte erfassen kann, welche zumindest teilweise an der langgestreckten Einrichtung in deren Längsrichtung angreifen.It is an object of the invention to provide a simply constructed sensor which can be integrated into elongated devices with a diameter of less than 3 mm, in particular 0.33 mm (1 French), and which can detect forces which are at least partially applied to the elongated device in its longitudinal direction attack.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist der erfindungsgemäße Sensor dazu ausgelegt, eine Kraft zu erfassen, die an einer langgestreckten Ein- richtung, insbesondere einer langgestreckten medizintechnischen Einrichtung, wie einem Katheter oder Führungsdraht, angreift, welche Kraft eine nicht vernachlässigbare Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung aufweisen kann. Der erfindungsgemäße Sensor hat einen Kraftaufnehmer, an dem zumindest der wesentliche Teil der zu erfassenden Kraft entweder über die langgestreckte Einrichtung oder direkt in den Sensor gerichtet einleitbar ist. Der Sensor soll erfindungsgemäß derart beschaffen sein, daß er an der langgestreckten Einrichtung anbringbar und insbesondere bei bereits existierenden langgestreckten Einrichtungen nachrüstbar ist. Erfindungsgemäß weist der Sensor mindestens einen Lichteinkoppelbereich auf, an dem Licht in den Sensor insbesondere in einer vorab festgelegten, bekannten Intensität eintreten kann. Der Lichteinkoppelbereich ist mit wenigstens einem Lichtwellenleiter optisch verbunden, welche Verbindung im Inneren des Sensors oder außerhalb realisierbar ist, wobei der Lichtwellenleiter vorzugsweise außerhalb des Sensors an eine Lichtquelle anschließbar ist. Der erfindungsgemäße Sensor hat einen Lichtintensitätsmodula- tor, der die vorab bestimmte Intensität des in den Sensor einkoppelbaren Lichts in Abhängigkeit von der Kraft, die über den Kraftaufnehmer in den Sensor eingeleitet ist, moduliert, also abhängig von der Kraft ändert. Der erfindungsgemäße Sensor weist einen Lichtauskoppelbereich auf, der zugleich auch den Lichteinkoppelbereich bilden kann und über welchen das Licht modulierter Intensität in wenigstens einen Lichtleiter auskoppelbar ist. Dabei kann der selbe Lichtleiter verwendet werden, der bereits zum Einkoppeln des Lichts in den Sensor genutzt ist Die modulierte oder unmodulierte Lichtintensität kann von einer insbesondere sensorexternen Auswerteinheit bewertet werden, die unter Nutzung eines Proportionalverhältnisses zwischen der Intensitätsänderung und der Kraft den zu ermittelnden Kraftbetrag bestimmen kann.This object is achieved by the features of patent claim 1. The sensor according to the invention is then designed to detect a force that is exerted on an elongated direction, in particular an elongated medical device, such as a catheter or guide wire, which force can have a non-negligible force component in the longitudinal direction of the elongated device. The sensor according to the invention has a force transducer on which at least the essential part of the force to be detected can be introduced either directly via the elongated device or directly into the sensor. According to the invention, the sensor should be such that it can be attached to the elongated device and can be retrofitted, in particular, to existing elongated devices. According to the invention, the sensor has at least one light coupling area, at which light can enter the sensor in particular in a predetermined, known intensity. The light coupling area is optically connected to at least one optical waveguide, which connection can be realized inside the sensor or outside, the optical waveguide preferably being connectable to a light source outside the sensor. The sensor according to the invention has a light intensity modulator which modulates the predetermined intensity of the light which can be coupled into the sensor as a function of the force which is introduced into the sensor via the force transducer, that is to say changes as a function of the force. The sensor according to the invention has a light coupling-out area which can also form the light coupling-in area and via which the light of modulated intensity can be coupled out into at least one light guide. The same light guide can be used that is already used to couple the light into the sensor. The modulated or unmodulated light intensity can be evaluated by an evaluation unit that is particularly external to the sensor and that can determine the amount of force to be determined using a proportional relationship between the change in intensity and the force ,
Der erfmdungsgemäße Sensor bietet die folgenden Vorteile gegenüber den oben genannten bekannten Kraftsensoren:The sensor according to the invention offers the following advantages over the known force sensors mentioned above:
• mit dem erfindungsgemäße Sensor besteht die Möglichkeit, eine Kraftsensorik in langgestreckten Einrichtungen zu integrieren, welche eine laterale Erstreckung oder einen Durchmesser von weniger als 3 mm, insbesondere 0,33 mm (1 French), aufweisen;• With the sensor according to the invention, there is the possibility of integrating a force sensor system into elongated devices which have a lateral extension or a diameter of less than 3 mm, in particular 0.33 mm (1 French);
• der erfindungsgemäße Sensor ist wegen der geringen Teileanzahl für eine Massenproduktion geeignet; • der einfache Aufbau des erfindungsgemäßen Sensor erfüllt ohne weiteres die hohen Anforderung der Hygiene in der Medizintechnik; mit dem erfindungsgemäßen Sensor können aufgrund der Nutzung der sensiblen Lichtintensitätsmeßgröße sehr genaue Kraftbetrags- und/oder Kraftwirkungsmessungen erreicht werden; und• The sensor according to the invention is suitable for mass production because of the small number of parts; • The simple construction of the sensor according to the invention easily meets the high requirements of hygiene in medical technology; With the sensor according to the invention, very precise force magnitude and / or force effect measurements can be achieved due to the use of the sensitive light intensity measurement variable; and
• der erfindungsgemäße Sensor verzichtet auf elektrische Leitungen, die insbesondere bei einem Einsatz von einem Magnetresonanztomographen wegen der dabei auftretenden elektromagnetischen Wechselfeldern die Meßergebnisse verfälschend beeinflussen können.• The sensor according to the invention dispenses with electrical lines which, particularly when using a magnetic resonance tomograph, can falsify the measurement results because of the electromagnetic alternating fields that occur.
Der erfindungsgemäße Sensor kann Kräfte dem Betrag und/oder der Wirkrichtung nach in Echtzeit und insbesondere kontinuierlich erfassen. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Sensor dazu ausgelegt, eine Kraft hauptsächlich in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung zu erfassen.The sensor according to the invention can detect forces according to the amount and / or the direction of action in real time and in particular continuously. In particular, the sensor according to the invention is designed to detect a force mainly in the longitudinal direction of the elongated device.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein Reflektor vorgesehen, der eine dem wenigstens einem Lichtauskoppelbereich zugeordnete Reflexionsfläche aufweist. Die Refle- xionsfläche ist derart kraft- oder druckempfindlich ausgebildet, daß es seine Reflexionseigenschaften in Abhängigkeit von der an dem Kraftaufnehmer angreifenden Last ändern kann. Vorzugsweise stellen sich die anfänglichen, unbelasteten Reflexionseigenschaften des Reflektors nach Lösen der Last selbständig wieder her. Bei bestimmten Einwegprodukten kann es allerdings vorteilhaft sein, im Hinblick auf günstige Herstellungskosten auf eine Reversibilität der Reflexionseigenschaften zu verzichten. Vorzugsweise ändert sich die Reflexionsfläche auf eine Kraftwirkung dahingehend, daß sie vergrößert oder verkleinert wird.In a preferred embodiment of the invention, a reflector is provided which has a reflection surface assigned to the at least one light decoupling region. The reflection surface is designed to be force or pressure sensitive in such a way that it can change its reflection properties as a function of the load acting on the force transducer. The initial, unloaded reflection properties of the reflector are preferably restored automatically after the load has been released. In the case of certain disposable products, however, it may be advantageous to forego reversibility of the reflection properties with regard to low manufacturing costs. The reflective surface preferably changes to a force effect in such a way that it is enlarged or reduced.
Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung ist die Reflexionsfläche uneben, insbesondere gewölbt, ausgestaltet. Durch die Unebenheit der Reflexionsfläche wird das eingekoppelte Licht mehr oder minder stark reflektiert. Diese Verschlechterung oder Verbesserung der Reflexionseigenschaften kann durch den Krafteintrag in den Kraftaufnehmer des Sensors dadurch verändert werden, daß sich der Grad der Unebenheit entsprechend ändert. Bei einer gewölbten Reflexionsfläche kann diese vorzugsweise bei einem Krafteintrag abgeflacht oder eingeebnet werden, wodurch eine höhere oder geringere Lichtintensität auf eine vorbestimmte Stelle geschaffen werden kann, welche vorzugsweise der Lichtauskoppelbereich des Sensors ist. Damit kann eine gegenüber der vorbestimmten, bekannten Anfangsintensität höhere oder niedrigere Intensität erzeugt werden, welche als zunehmende oder abnehmende Kraft an der langgestreckten Einrichtung von der Auswerteinheit interpretiert werden kann.In a further development of the invention, the reflection surface is designed to be uneven, in particular curved. Due to the unevenness of the reflection surface, the coupled light is more or less strongly reflected. This deterioration or improvement in the reflection properties can be changed by the force input into the force transducer of the sensor in that the degree of unevenness changes accordingly. In the case of a curved reflection surface, this can preferably be flattened or leveled when force is applied, as a result of which a higher or lower light intensity to a predetermined level Point can be created, which is preferably the light decoupling area of the sensor. In this way, a higher or lower intensity than the predetermined, known initial intensity can be generated, which can be interpreted by the evaluation unit as an increasing or decreasing force on the elongated device.
In einer besonderen Weiterentwicklung der Erfindung ist ein kugelförmiger Kraftaufnehmer vorgesehen, welcher auf seiner dem Lichtein- und/oder Lichtauskoppelbereich zugewandten Seite reflektierend ausgestaltet ist.In a special further development of the invention, a spherical force transducer is provided which is designed to be reflective on its side facing the light input and / or light output region.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die insbesondere unebene Reflexionsfläche derart formbeständig sein, daß sie die Abmessungen des Lichtauskoppelbereichs irreversibel oder reversibel erweitert und/oder begrenzt. Insbesondere ist das dem Lichtauskoppelbereich definierende Material weicher als die formbeständige Reflexionsfläche ausgeführt, so daß bei einem Krafteintrag auf den Kraftaufnehmer des Sensors die insbesondere unebene Reflexionsfläche mit dem Material in Eingriff kommt und letzteres auf eine die Form der Reflexionsfläche einprägende Weise vergrößert und/oder verkleinert.In a further development of the invention, the particularly uneven reflection surface can be dimensionally stable in such a way that it irreversibly or reversibly expands and / or limits the dimensions of the light decoupling area. In particular, the material defining the light decoupling area is softer than the dimensionally stable reflection surface, so that when force is applied to the force transducer of the sensor, the particularly uneven reflection surface comes into engagement with the material and the latter increases and / or decreases in a way that impresses the shape of the reflection surface.
Mit dieser weiterbildenden Ausführung wird die Teileanzahl des Sensors weiter reduziert, weil mit den Härteeigenschaften von Hauptbauteilen die Funktionen von Unterbauteilen des Sensors mitübernommen werden.With this further development, the number of parts of the sensor is further reduced, because the functions of sub-components of the sensor are taken over with the hardness properties of main components.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird die von der Kraft abhängige Lichtintensitätsänderung dadurch realisiert, daß ein Reflektor mit einer Reflexionsfläche versehen ist, die einen mehr oder minder starken Reflexionsstreuanteil aufweist. Die Anfangsintensität, die von der Auswerteinrichtung ertastbar ist, ist geringer als die Intensität des in den Sensor eingekoppelten Lichts. Durch Positionsverlagerung des Reflektors relativ zum Lichtein- und/oder -auskoppelbereich können Lichtanteile in den Lichtauskoppelbereich gelangen, welche im unbelasteten Zustand durch einen zu starken Reflexionsstreuwinkel für die Intensitätserfassung an der Auswerteinheit verloren gegangen war.In a further embodiment of the invention, the change in light intensity dependent on the force is achieved in that a reflector is provided with a reflection surface which has a more or less strong reflection scattering component. The initial intensity that can be felt by the evaluation device is less than the intensity of the light coupled into the sensor. By shifting the position of the reflector relative to the light input and / or output area, light components can reach the light output area, which in the unloaded state were lost due to a reflection angle that is too strong for the intensity detection on the evaluation unit.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Kraftaufnehmer als mit einem Fluid, insbesondere Gas, wie Luft, gefüllte, insbesondere pneumatisch arbeitende Kammer ausgebildet, welche von einer flexiblen, insbesondere elastischen, Wand begrenzt ist. Den Lichtein- und Lichtauskoppelbereich des Sensors gegenüberliegend ist eine starre Reflektorplatte mit insbe- sondere einer ebenen Reflexionsfläche vorgesehen, welche abhängig von der auf die Luftkammer wirkenden Kraft dem Lichtein- und Lichtauskoppelbereich angenähert oder entfernt werden kann. Für die elastische Wand der Kammer können ein geeignetes, insbesondere ein Organismus verträgliches Elastomermaterial und Silikon verwendet werden.In a further embodiment of the invention, the force transducer is designed as a chamber, which is filled with a fluid, in particular gas, such as air, and in particular is pneumatically working, and is delimited by a flexible, in particular elastic, wall. Opposite the light input and output area of the sensor is a rigid reflector plate with In particular, a flat reflection surface is provided which, depending on the force acting on the air chamber, can be approximated or removed from the light input and output area. A suitable elastomer material and silicone, in particular an organism-compatible one, can be used for the elastic wall of the chamber.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Modulierung der Lichtintensität des eingekoppelten Lichts abhängig von der auf den Kraftaufhehmer wirkenden Last anhand von Polarisationsänderungs-Erscheinungen des Lichts im Sensor durchgeführt. Hierzu wird ein fotoelastisches Material verwendet, das in Einkoppelrichtung des Lichts einem Polarisator, insbesondere einem Polarisationsgitter, nachgeschaltet ist. Zudem ist dem fotoelastischen Material ein Reflektor, insbesondere eine Reflexionsplatte, nachgeschaltet, welche das zuerst polarisierte und anschließend polarisationsmodulierte Licht in Richtung auf den Lichtauskoppelbereich des Sensors richtet. Bevor das reflektierte polarisationsmodulierte Licht den Lichtauskoppelbereich durchschreitet, muß es gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung den Polarisator gleicher Polarisationsrichtung durchstreiten. Die Änderung der Lichtintensität gegenüber der vorbestimmbaren, bekannten Lichtintensität nach erster Durchschreitung des Polarisators gibt Aufschluß über die Stärke der kraft- oder druckabhängigen Polarisationsmodulie- rung im fotoelastischen Material.In a special embodiment of the invention, the modulation of the light intensity of the injected light is carried out as a function of the load acting on the force transducer on the basis of polarization change phenomena of the light in the sensor. For this purpose, a photo-elastic material is used, which is connected downstream of a polarizer, in particular a polarization grating, in the direction of coupling the light. In addition, the photoelastic material is followed by a reflector, in particular a reflection plate, which directs the first polarized and then polarization-modulated light in the direction of the light coupling-out area of the sensor. According to this development of the invention, before the reflected polarization-modulated light passes through the light coupling-out area, it must cross the polarizer of the same polarization direction. The change in the light intensity compared to the predeterminable, known light intensity after the first step through the polarizer provides information about the strength of the force- or pressure-dependent polarization modulation in the photo-elastic material.
Vorzugsweise ist dem Reflektor ein zusätzlicher Polarisator bezüglich der Lichteinkoppelrichtung vorgeschaltet, womit die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors stark erhöht wird.An additional polarizer with respect to the light coupling direction is preferably connected upstream of the reflector, which greatly increases the sensitivity of the sensor according to the invention.
Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung ist ein elastisches Gehäuse für den Sensor vorgesehen, welches die einzelnen Sensorelemente fluiddicht an der langgestreckten Einrichtung abdichtet. Dieses Gehäuse kann als Überzug aus einem verformbaren Material, wie Silikon, gebildet sein. Vorzugsweise sind die Sensorelemente oder der gesamte Sensor von dem verformbaren Material umgössen oder eingekapselt.In a further embodiment of the invention, an elastic housing for the sensor is provided, which seals the individual sensor elements in a fluid-tight manner on the elongated device. This housing can be formed as a covering from a deformable material, such as silicone. The deformable material preferably encapsulates or encapsulates the sensor elements or the entire sensor.
Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung ist eine Blendenanordnung vorgesehen, welche lastverformbar und/oder beweglich derart gestaltet ist, daß sie die Lichtintensität des eingekoppelten Lichts durch Variation der Blendenöffnung oder des Blendendurchgangs ändert. Der durch die Blendenanordnung zu beeinflussende Lichtgang wir durch eine Reflektoranordnung erzeugt, welche aus vorzugsweise mindestens zwei Reflektoren besteht, welche der- art angeordnet sind, daß das eingekoppelte Licht zum Lichtauskoppelbereich umgelenkt wird. Im Lichtverlauf der Reflektoranordnung ist eine Blende abhängig von der auf den Kraftaufnehmer wirkenden Kraft beweglich angeordnet und kann gemäß der auf den Aufnehmer wirkenden Kraft mehr oder minder stark den Lichtgang unterbrechen. Die am Lichtauskoppelbereich feststellbare Lichtintensität gibt Aufschluß über die auf die langgestreckte Einrichtung wirkende Kraft. Die Reflektoranordnung ist insbesondere unbeweglich oder ortsfest relativ zum Lichteinkoppelbereich und/oder dem Lichtauskoppelbereich angeordnet. Alternativ kann die Blende ortsfest montiert werden, wobei die Reflektoren mit einem vorab festgelegten Verlagerungsweg versehen sind, der durch die an dem Kraftaufnehmer angreifende Kraft von der Reflektoranordnung beschriften werden kann.In a further embodiment of the invention, a diaphragm arrangement is provided which is designed to be load-deformable and / or movable in such a way that it changes the light intensity of the coupled-in light by varying the diaphragm opening or the diaphragm passage. The light path to be influenced by the diaphragm arrangement is generated by a reflector arrangement, which preferably consists of at least two reflectors, which are arranged so that the injected light is redirected to the light decoupling area. In the light path of the reflector arrangement, an aperture is arranged to be movable depending on the force acting on the force transducer and can interrupt the light path to a greater or lesser extent in accordance with the force acting on the transducer. The light intensity that can be determined at the light decoupling area provides information about the force acting on the elongated device. The reflector arrangement is, in particular, immovable or stationary relative to the light coupling-in area and / or the light coupling-out area. Alternatively, the cover can be mounted in a fixed position, the reflectors being provided with a predetermined displacement path which can be labeled by the reflector arrangement by the force acting on the force transducer.
Vorzugsweise wird das aus dem Sensor austretende Lichtintensitätssignal monochromatisch und/oder über ein Spektrum ausgewertet.The light intensity signal emerging from the sensor is preferably evaluated monochromatically and / or over a spectrum.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das den Sensor umgebende Gehäuse zumindest teilweise starr ausgebildet, damit auf diese Weise die Einleitung der Kraft in den Kraftaufnehmer in einer definierten Richtung ermöglicht wird.In a development of the invention, the housing surrounding the sensor is at least partially rigid, so that the introduction of the force into the force transducer is made possible in a defined direction.
Desweiteren betrifft die Erfindung eine Sensoreinheit, welche wenigstens einen Lichtwellenleiter, der an wenigstens einer Lichtquelle anschließbar oder angeschlossen ist, und einen erfindungsgemäßen Sensor aufweist.Furthermore, the invention relates to a sensor unit which has at least one optical waveguide which can be connected or connected to at least one light source and a sensor according to the invention.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Sensoreinheit wenigstens zwei, insbesondere mehrere, vorzugsweise fünf Lichtwellenleiter, die insbesondere parallel zueinander angeordnet sind. In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist ein mittlerer Lichtwellenleiter von mehreren Außenlichtwellenleitern in einer konzentrischen Anordnung gleichen Umfangabstands umgeben. Mit dieser Mehrlichtwellenleiteranordnung kann auch die Wirkrichtung einer eingreifenden Kraft bestimmt werden.In a development of the invention, the sensor unit comprises at least two, in particular several, preferably five optical waveguides, which are in particular arranged parallel to one another. In a special embodiment of the invention, an average optical waveguide is surrounded by a plurality of external optical waveguides in a concentric arrangement of the same circumferential distance. With this multi-light waveguide arrangement, the direction of action of an engaging force can also be determined.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Sensor an der Endfläche des wenigstens einen Lichtwellenleiters angeordnet, wobei vorzugsweise der Sensor insbesondere mit seinem Kraftaufhehmer, in unmittelbarem Kontakt mit dem wenigstens einen Lichtwellenleiter stellen kann. Damit die Kraft einem bestimmten Sensoraufbau gemäß in den Sensor, insbesondere am Kraftaufhehmer, vorbestimmbar einleitbar ist, kann ein Adapter zwischen der langgestreckten Einrichtung und dem Sensor angeordnet sein.In a development of the invention, the sensor according to the invention is arranged on the end face of the at least one optical waveguide, it being possible for the sensor, in particular with its force transducer, to be in direct contact with the at least one optical fiber. An adapter can be arranged between the elongated device and the sensor so that the force can be introduced in a predeterminable manner into the sensor, in particular on the force transducer, in accordance with a specific sensor structure.
Zudem betrifft die Erfindung eine langgestreckte Einrichtung, insbesondere eine medizinischtechnische langgestreckte Einrichtung, wie einen Katheter, welche Einrichtung wenigstens einen Lichtwellenleiter, der an wenigstens einer Lichtquelle angeschlossen ist, und einen erfindungsgemäßen Sensor aufweist, der mit dem Lichtwellenleiter optisch verbunden ist.In addition, the invention relates to an elongated device, in particular an elongated medical-technical device, such as a catheter, which device has at least one optical waveguide which is connected to at least one light source and a sensor according to the invention which is optically connected to the optical waveguide.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist bei der langgestreckten Einrichtung der erfindungsgemäße Sensor oder die erfindungsgemäße Sensoreinheit im Bereich des distalen Endes der langgestreckten Einrichtung positioniert, wobei ein geringer Abstand von dem distalen Ende bevorzugt ist. Der Sensor soll nicht direkt den Kräften ausgesetzt werden, vielmehr sollen die Kräfte über ein Adapterstück der langgestreckten Einrichtung auf den Sensor oder die Sensoreinheit übertragen werden.In a development of the invention, the sensor according to the invention or the sensor unit according to the invention is positioned in the region of the distal end of the elongated device in the elongated device, a small distance from the distal end being preferred. The sensor should not be directly exposed to the forces, rather the forces should be transmitted to the sensor or the sensor unit via an adapter piece of the elongated device.
In einer Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der wenigstens eine Lichtwellenleiter längs der langgestreckten Einrichtung von dem Sensor vorzugsweise zu einer Auswerteinheit. Vorzugsweise ist der Sensor an wenigstens einem Führungsdraht der langgestreckten Einrichtung angebracht.In a development of the invention, the at least one optical waveguide extends along the elongated device from the sensor, preferably to an evaluation unit. The sensor is preferably attached to at least one guide wire of the elongated device.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird die Längserstreckung der langgestreckten Einrichtung im wesentlichen ausschließlich durch den wenigstens einen Lichtwellenleiter gebildet. Führungsdrähte sind damit nicht notwendig, wenn für den Lichtwellenleiter ein Fasermaterial ausgewählt wird, das sowohl die entsprechenden optischen Eigenschaften als auch die notwendige Festigkeit und Flexibilität besitzt.In a special development of the invention, the longitudinal extension of the elongated device is essentially formed exclusively by the at least one optical waveguide. Guidewires are therefore not necessary if a fiber material is selected for the optical waveguide that has both the corresponding optical properties and the necessary strength and flexibility.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer auf eine langgestreckte Einrichtung wirkende Kraft. Danach wird eine Anfangsintensität einer Lichtmeßgröße vorbestimmt, die Lichtmeßgröße in Abhängigkeit von der Kraft moduliert, die modulierte Lichtintensität mit der vorbestimmten Anfangsintensität verglichen und eine nicht vernachlässigbare Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung anhand des Verhältnisses von Anfangsintensität zur modulierter Intensität bestimmt. Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigenFinally, the invention relates to a method for detecting a force acting on an elongated device. An initial intensity of a light measurement variable is then predetermined, the light measurement variable is modulated as a function of the force, the modulated light intensity is compared with the predetermined initial intensity, and a non-negligible force component in the longitudinal direction of the elongated device is determined on the basis of the ratio of the initial intensity to the modulated intensity. Further advantages, features and properties of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. la eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Sensors in einer ersten Ausführung, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;Fig. La is a schematic diagram of the sensor according to the invention in a first embodiment, which is shown in an unloaded state;
Fig. lb den Sensor gemäß Fig. la in einem belasteten Zustand;Fig. Lb the sensor of FIG la in a loaded state.
Fig. 2a eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;2a shows a schematic diagram of a second embodiment of the sensor according to the invention, which is shown in an unloaded state;
Fig. 2b den Sensor gemäß Fig. 2a in einem belasteten Zustand;2b shows the sensor according to FIG. 2a in a loaded state;
Fig. 3a eine Prinzipskizze einer dritten Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;3a shows a schematic diagram of a third embodiment of the sensor according to the invention, which is shown in an unloaded state;
Fig. 3b den erfindungsgemäßen Sensor gemäß Fig. 3a in einem belasteten Zustand;3b shows the sensor according to the invention according to FIG. 3a in a loaded state;
Fig. 4a eine Prinzipskizze einer vierten Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;4a is a schematic diagram of a fourth embodiment of the sensor according to the invention, which is shown in an unloaded state;
Fig. 4b eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Sensors gemäß Fig. 4a;4b shows a schematic diagram of the sensor according to the invention according to FIG. 4a;
Fig. 5a eine Prinzipskizze einer fünften Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;5a shows a schematic diagram of a fifth embodiment of the sensor according to the invention, which is shown in an unloaded state;
Fig. 5b den erfindungsgemäßen Sensor gemäß Fig. 5a in einem belasteten Zustand;5b the sensor according to the invention according to FIG. 5a in a loaded state;
Fig. 6a eine Draufsicht auf einen in einer Prinzipskizze dargestellten erfindungsgemäßen Sensor in der fünften Ausführung, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;6a is a plan view of a sensor according to the invention shown in a schematic diagram in the fifth embodiment, which is shown in an unloaded state;
Fig. 6b eine Ansicht gemäß Fig. 6a des erfindungsgemäßen Sensors in einem belasteten Zustand; Fig. 7a eine Prinzipskizzenseitenansicht der fünften Ausführung des Sensors, der in einem unbelasteten Zustand dargestellt ist;6b shows a view according to FIG. 6a of the sensor according to the invention in a loaded state; 7a is a schematic side view of the fifth embodiment of the sensor, which is shown in an unloaded state;
Fig. 7b den Sensor gemäß Fig. 7a in einem belasteten Zustand;7b shows the sensor according to FIG. 7a in a loaded state;
Fig. 8 einen distalen Bereich eines Endes einer medizintechnischen langgestreckten Einrichtung, wie eines Katheters.8 shows a distal region of one end of an elongated medical device, such as a catheter.
Die in den Fig. la und lb dargestellte erste Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors 1 umfaßt einen Kraftaufnehmer 3, der in der Ausführung gemäß den Fig. la undlb einen kugelförmigen elastischen Körper 5 und/oder ein Gehäuse 7 aufweist, das beispielsweise aus Silikon gebildet ist. Für eine einfache Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Sensors ist das Gehäuse 7 als Einkapselteil um den Körper 5 umgießend gebildet. Für eine montagefeste Kopplung des Kraftaufnehmers an einen Lichtwellenleiter 11 umgreift das Gehäuse 7 das Ende 13 des Lichtwellenleiters 11 fest.The first embodiment of the sensor 1 according to the invention shown in FIGS. 1 a and 1 b comprises a force transducer 3, which in the embodiment according to FIGS. 1 a and 1 b has a spherical elastic body 5 and / or a housing 7, which is formed, for example, from silicone. For easy manufacture of the sensor according to the invention, the housing 7 is formed as an encapsulating part around the body 5. For an assembly-fixed coupling of the force transducer to an optical waveguide 11, the housing 7 grips firmly around the end 13 of the optical waveguide 11.
Der kugelförmige Körper 5 hat eine Reflexionsfläche 15, die einem Lichtein- und Lichtauskoppelbereich zugeordnet ist, welche beiden als Zwischen- oder Übergangsstelle definierbar sind, an der Licht den Lichtwellenleiter verläßt und in den Körper 5, also in den Sensor, gelangt.The spherical body 5 has a reflection surface 15, which is assigned to a light input and output area, both of which can be defined as an intermediate or transition point, at which light leaves the optical waveguide and enters the body 5, that is to say the sensor.
In der Ausführung gemäß Fig. la und lb liegt der kugelförmige Körper 5 an der Endfläche 19 des Endes 13 des Lichtleiters 11 an, so daß sich im Kontaktbereich des kugelförmigen Körpers 5 und des Lichtwellenleiters 11 eine Reflexionsfläche 15, auch benachbart dem Kontaktbereich, in den Lichtwellenleiter 11 gerichtet wirksam ist. Das durch den Lichtleiter 11 hindurch einzukoppelnde Licht 21, das eine Anfangsintensität aufweist, gelangt durch den Lichteinkoppelbereich an der Fläche 19 unmittelbar an die Reflexionsfläche 15 des kugelförmigen Körpers 5, wird dort reflektiert und gelangt über den Lichtauskoppelbereich an der Fläche 19 des Lichtwellenleiters 11 wieder in letzteren als Lichtstrahl 23, dessen Lichtintensität von einer vorzugsweise am Ende des Lichtleiters 11 angeordneten monochromatischen Auswerteinheit (nicht dargestellt) oder einem Spektrum ausgewertet wird. Wie in Fig. la schematisch angedeutet ist, wird nur ein Teil des eingekoppelten Lichts an der gewölbten Fläche 15 des kugelförmigen Körpers 5 so reflektiert, daß Licht wieder über den Lichtauskoppelbereich in den Lichtwellenleiter zurückkehrt. Je stärker die Wölbung an dem kugelförmigen Körper 5 ausgebildet ist, desto schwächer ist das in den Lichtwellenleiter reflektierte Licht 23, was durch den gegenüber dem Pfeil 21 schmäleren Pfeil 23 angedeutet sein soll.La and lb, the spherical body 5 rests against the end face 19 of the end 13 of the light guide 11, so that there is a reflection surface 15 in the contact area of the spherical body 5 and the optical waveguide 11, also adjacent to the contact area in the Optical waveguide 11 is effective. The light 21 to be coupled through the light guide 11, which has an initial intensity, passes through the light coupling area on the surface 19 directly to the reflection surface 15 of the spherical body 5, is reflected there and arrives again via the light coupling area on the surface 19 of the optical waveguide 11 the latter as a light beam 23, the light intensity of which is evaluated by a monochromatic evaluation unit (not shown) or a spectrum which is preferably arranged at the end of the light guide 11. As indicated schematically in FIG. 1 a, only a part of the coupled light is reflected on the curved surface 15 of the spherical body 5 in such a way that light returns to the optical waveguide via the light decoupling area. The stronger the curvature is formed on the spherical body 5, the weaker is the light 23 reflected in the optical waveguide, which is to be indicated by the arrow 23 narrower than the arrow 21.
Es ist denkbar auch eine diametral der Reflexionsfläche 15 gegenüberliegende Reflexionsfläche 25 bei einer abgewandelten Ausführung vorzusehen. In diesem Fall ist der kugelförmige Körper 5 transparent auszugestalten, so daß das eingekoppelte Licht durch den Lichtkörper 5 hindurch an der Reflexionsfläche 25 reflektiert wird, um teilweise über den Lichtauskoppelbereich in den Lichtwellenleiter 11 zu gelangen.It is also conceivable to provide a reflection surface 25 diametrically opposite the reflection surface 15 in a modified embodiment. In this case, the spherical body 5 is to be made transparent, so that the coupled-in light is reflected through the light body 5 at the reflection surface 25 in order to partially reach the optical waveguide 11 via the light decoupling region.
Wird eine im wesentlichen längs des Wellenleiters 11 gerichtete Kraft F dem Kraftaufhehmer 3 mitgeteilt, wie in Fig. lb dargestellt ist, so verformen sich sowohl das elastische Gehäuse 7 als auch der elastische, kugelförmige Körper 5 von ihrer im wesentlichen kugelförmigen Ausgangsform in eine Ei- oder EUipsoidform, wie in Fig. lb angedeutet ist. Aufgrund dieser Verformung nimmt der Wölbungsgrad an den Reflexionsflächen 15 und/oder 25 ab, so daß die wirksame Reflexionsfläche 15 und/oder 25 zunimmt und das dem Lichtauskoppelbereich des Sensors 1 zugeordnete reflektierte Licht mit höherer Intensität in den Wellenleiter 11 eingeleitet werden kann.If a force F directed essentially along the waveguide 11 is communicated to the force transducer 3, as shown in FIG. 1b, both the elastic housing 7 and the elastic, spherical body 5 deform from their essentially spherical initial shape into an egg shape. or EUipsoid form, as indicated in Fig. lb. Due to this deformation, the degree of curvature on the reflection surfaces 15 and / or 25 decreases, so that the effective reflection surface 15 and / or 25 increases and the reflected light associated with the light decoupling region of the sensor 1 can be introduced into the waveguide 11 with a higher intensity.
Über eine Kalibrierung des Kraftsensors bezüglich des Verhältnisses Wölbungsgrad/Kraft, Wölbungsgrad/wirksame Reflexionsfläche, wirksame Reflexionsfläche/modulierte Intensität kann eine quantitative Kraftauswertung anhand der modulierten Lichtintensität erfolgen.A calibration of the force sensor with regard to the ratio of degree of curvature / force, degree of curvature / effective reflecting surface, effective reflecting surface / modulated intensity can be used to perform a quantitative evaluation of the force based on the modulated light intensity.
In den Fig. 2a und 2b ist eine alternative Ausführung dargestellt, wobei für eine bessere Lesbarkeit der Figurenbeschreibung für identische und ähnliche Bauelemente des erfindungsgemäßen Sensors der alternativen Ausführung gleiche Bezugszeichen verwendet werden, die um 100 erhöht sind.2a and 2b show an alternative embodiment, the same reference numerals being used for better readability of the figure description for identical and similar components of the sensor of the alternative embodiment according to the invention, which are increased by 100.
Der in Fig. 2a und 2b dargestellte erfindungsgemäße Sensor 101 unterscheidet sich von dem Sensor 1 gemäß den Fig. la und lb darin, daß der kugelförmige Körper 105 aus einem festen Material gebildet ist, das härter als das Material des Lichtwellenleiters 111 an dessen Ende 113 ist. Für das Gehäuse 107 wird, wie auch bei der Ausführung gemäß den Fig. la und lb, ein elastisches Material, wie Silikon, eingesetzt, damit eine flexible Einkapselung und Befestigung des Kraftaufnehmers 103 an dem Lichtwellenleiter 111 sichergestellt ist.The sensor 101 according to the invention shown in FIGS. 2a and 2b differs from the sensor 1 according to FIGS. 1a and 1b in that the spherical body 105 is formed from a solid material which is harder than the material of the optical waveguide 111 at its end 113 is. For the housing 107, as in the embodiment according to FIGS. 1 a and 1 b, an elastic material, such as silicone, is used, so that flexible encapsulation and fastening of the force transducer 103 to the optical waveguide 111 is ensured.
Wie in Fig. 2b dargestellt ist, wird das Ende 113 des Wellenleiters 100 aufgrund der sich in Längsrichtung des Lichtwellenleiters 100 wirkenden Kraft F eingedrückt. Aufgrund des kugelförmigen Eindrückbereichs wird die Kontaktfläche erhöht, ergo die Reflexionsfläche 115 wird vergrößert, was dazu fuhrt, daß Licht mit einer größeren modulierten Intensität über den Lichtauskoppelbereich des Sensors 101 in den Lichtwellenleiter 111 gelangt.As shown in FIG. 2b, the end 113 of the waveguide 100 is pressed in due to the force F acting in the longitudinal direction of the optical waveguide 100. Due to the spherical indentation area, the contact area is increased, ergo the reflection area 115 is increased, which leads to light with a greater modulated intensity reaching the optical waveguide 111 via the light decoupling area of the sensor 101.
Sollte der Lichtwellenleiter 111 an seinem Ende elastisch reversibel ausgeführt sein, können beliebig viele Krafteindrücke durch den erfindungsgemäßen Sensor 101 erfaßt werden.If the optical waveguide 111 is designed to be elastically reversible at its end, any number of force impressions can be detected by the sensor 101 according to the invention.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Für die bessere Lesbarkeit der Figurenbeschreibung werden bezüglich der Ausführung gemäß den Fig. la und lb ähnliche und identische Bauteil mit den gleichen Bezugsziffern versehen, die um 200 erhöht sind.Another preferred embodiment of the invention is shown in FIGS. 3a and 3b. For better readability of the description of the figures, similar and identical components are provided with the same reference numbers, which are increased by 200, with respect to the embodiment according to FIGS.
Der erfindungsgemäße Sensor 201 nach den Fig. 3 a und 3b ist dazu ausgelegt, über das Phänomen der Polarisation von Licht die gewünschten, von der Kraft abhängigen Lichtintensitätswechsel hervorzurufen. Der erfindungsgemäße Sensor 201 umfaßt eine Sandwich- Anordnung 231, welche in Verlängerung des Lichtwellenleiters 211 angeordnet ist. Unmittelbar an der freien Endfläche 219 des Lichtwellenleiters 211 ist im Lichtein- und Lichtauskoppelbereich des Sensors 201 ein Polarisator 233 in Form eines Polarisationsgitters erster Polarisationsrichtung angeordnet. Das von einer an den Lichtwellenleiter 211 angeschlossene Lichtquelle (nicht dargestellt) am Polarisator 233 ankommende Licht wird entsprechend der ersten Polarisationsrichtung polarisiert und tritt in einen den Kraftaufhehmer 203 bildenden fotoelastischen Körper 235 ein, dessen Polarisationsrichtung dann verändert wird, wenn der fotoelastische Körper 235 mit Kraft beaufschlagt wird, welche in asymmetrische innere Spannung resultiert was in Fig. 3b angedeutet sein soll.The sensor 201 according to FIGS. 3a and 3b according to the invention is designed to produce the desired light intensity changes dependent on the force via the phenomenon of polarization of light. The sensor 201 according to the invention comprises a sandwich arrangement 231, which is arranged in the extension of the optical waveguide 211. Immediately on the free end surface 219 of the optical waveguide 211, a polarizer 233 in the form of a polarization grating of the first polarization direction is arranged in the light input and output area of the sensor 201. The light arriving at the polarizer 233 from a light source (not shown) connected to the optical waveguide 211 is polarized according to the first polarization direction and enters a photo-elastic body 235 forming the force transducer 203, the polarization direction of which is changed when the photo-elastic body 235 is applied with force is applied, which results in asymmetrical internal stress, which is indicated in Fig. 3b.
Auf dem fotoelastischen Körper 235 ist ein planarer Reflektor 237 angeordnet, der Licht um 180 Grad in entgegengesetzte Richtung reflektiert. Das erneut den fotoelastischen Körper 235 durchlaufende Licht verändert nun seine Polarisationsrichtung nicht mehr und wird erneut an dem Polarisator 233 erster Polarisationsrichtung gefiltert.A planar reflector 237 is arranged on the photo-elastic body 235, which reflects light by 180 degrees in the opposite direction. That again the photo-elastic body 235 passing light no longer changes its polarization direction and is filtered again at the polarizer 233 of the first polarization direction.
In dem in Fig. 3a dargestellten, entspannten Zustand des erfindungsgemäßen Sensors 201 ist der fotoelastische Körper 235 derart zum Polarisator 233 und dem Reflektor 237 eingestellt, daß eine Lichtintensitätsschwächung beim Durchtritt durch die Sandwich- Anordnung 231 nicht stattfindet. In dem in Fig. 3b dargestellten belasteten Zustand des Sensors 201 gelangt das durch den Polarisator 233 polarisierte Licht in den fotoelastischen Körper 235, wo das polarisierte Licht entsprechend der auf den Sensor 201 wirkenden Kraft F dahingehend moduliert wird, daß die Polarisationsrichtung des polarisierten Lichts geändert, insbesondere elliptisch polarisiert wird, so daß der Betrag der Richtungskomponente, nach welcher der Polarisator 233 filtert, abnimmt. Diese Abnahme erklärt die Lichtintensitätsabschwächung des Lichtstrahls 223, welche beim zweiten Durchlauf des Lichts durch den Polarisator 233 bei Belastung erzeugt wird und von der Auswerteinheit (nicht dargestellt) quantitativ festgestellt werden kann.In the relaxed state of the sensor 201 according to the invention shown in FIG. 3a, the photo-elastic body 235 is set in relation to the polarizer 233 and the reflector 237 in such a way that the light intensity is not weakened when it passes through the sandwich arrangement 231. In the loaded state of the sensor 201 shown in FIG. 3b, the light polarized by the polarizer 233 enters the photo-elastic body 235, where the polarized light is modulated in accordance with the force F acting on the sensor 201 such that the polarization direction of the polarized light changes , in particular is elliptically polarized, so that the amount of the directional component by which the polarizer 233 filters decreases. This decrease explains the light intensity weakening of the light beam 223, which is generated during the second passage of the light through the polarizer 233 under load and can be determined quantitatively by the evaluation unit (not shown).
Vorzugsweise ist ein weiterer Polarisator (nicht dargestellt) gleicher Polarisationsrichtung oder einer zweiten Polarisationsrichtung zwischen dem fotoelastischen Körper 235 und dem Reflektor 237 angeordnet.A further polarizer (not shown) of the same polarization direction or a second polarization direction is preferably arranged between the photo-elastic body 235 and the reflector 237.
Die Sandwich- Anordnung 231 wird von einem elastischen Gehäuse 207 aus Silikon umgössen oder eingekapselt, wobei das Gehäuse 207 die Sandwich- Anordnung 231 fest an dem Ende 213 des Lichtwellenleiters 211 hält.The sandwich arrangement 231 is encapsulated or encapsulated by an elastic housing 207 made of silicone, the housing 207 holding the sandwich arrangement 231 firmly at the end 213 of the optical waveguide 211.
Die Fig. 4a und 4b zeigen eine weitere alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, wobei bezüglich der Ausführung gemäß den Fig. la und lb für gleiche oder ähnliche Bauelemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden, die um 300 erhöht sind.4a and 4b show a further alternative embodiment of the sensor according to the invention, with the same reference numerals being used for identical or similar components with respect to the embodiment according to FIGS. 1a and 1b, which are increased by 300.
Der Sensor 301 hat als Kraftaufnehmer 303 eine luftdichte Kammer 341, welche lichtwellen- leiterseitig durch die freie Endfläche 319, an den Seitenbereichen durch das Gehäuse 307 beispielsweise aus Silikon und an dem der Endfläche 319 gegenüberliegenden Stirnbereich durch einen Plattenreflektor 343 begrenzt. Die Kammer 341 ist mit einem Fluid, insbesondere Luft, gefüllt. Aufgrund der Elastizität der Seitenwände 345 des Gehäuses 307 ist eine Bewegung des Reflektors 343 auf die Endfläche 319 des Lichtwellenleiters 311 zu oder weg verwirklichbar.The sensor 301 has, as a force transducer 303, an airtight chamber 341 which delimits on the optical fiber side through the free end surface 319, on the side regions through the housing 307, for example made of silicone, and on the end region opposite the end surface 319 by a plate reflector 343. The chamber 341 is filled with a fluid, in particular air. Because of the elasticity of the side walls 345 of the housing 307, there is movement of the reflector 343 towards the end face 319 of the optical waveguide 311 can be realized towards or away.
Der Reflektor 343 bzw. die dem Lichtein- und Lichtauskoppelbereich des Sensors 301 zugeordnete Reflexionsfläche 347 ist derart ausgelegt, daß nur ein Teil des durch den Lichteinkoppelbereich gelangenden Lichts 321 an der Reflektionsfläche 347 in entgegengesetzter Richtung längs des Lichtleiters 311 reflektiert wird und somit über den Lichtauskoppelbereich wieder in den Lichtwellenleiter 311 zurückgelangt. Der Rest des Lichts geht als Streulicht 349 gegen die Wände 345 des Gehäuses 307 der Auswerteinheit (nicht dargestellt) verloren.The reflector 343 or the reflection surface 347 assigned to the light input and output area of the sensor 301 is designed such that only part of the light 321 passing through the light input area is reflected on the reflection surface 347 in the opposite direction along the light guide 311 and thus via the light output area back into the optical fiber 311. The rest of the light is lost as scattered light 349 against the walls 345 of the housing 307 of the evaluation unit (not shown).
Sollte eine Kraft F dem Sensor 301, wie in Fig. 4b dargestellt ist, mitgeteilt werden, wird das Volumen der Kammer 341 verkleinert und damit das darin enthaltene Fluid unter Druck gesetzt. Wie in Fig. 4b angedeutet ist, wird allerdings mit der Verringerung der Kammer 341 der Abstand des Reflektors 343 zur Endfläche 319 des Lichtwellenleiters 311, also zu dem Lichtauskoppelbereich des Sensors 301, mehr oder minder stark verringert, so daß ein größerer Teil des reflektierten Lichts, also auch ein Teil des im entspannten Zustand keine Berücksichtigung findenden Streulichts, in den Lichtwellenleiter 311 gelangt und damit zur Auswerteinheit (nicht dargestellt). Die Intensität des Lichtstrahls 323 ist also im belasteten Zustand wesentlich stärker, welche Intensitätszunahme einem bestimmbaren Kraftzuwachs an dem Sensor 301 entspricht.If a force F is communicated to the sensor 301, as shown in FIG. 4b, the volume of the chamber 341 is reduced and the fluid contained therein is thus pressurized. As indicated in Fig. 4b, however, with the reduction in the chamber 341, the distance of the reflector 343 from the end face 319 of the optical waveguide 311, that is to say the light coupling-out area of the sensor 301, is reduced to a greater or lesser extent, so that a larger part of the reflected light , ie also part of the scattered light, which is not taken into account in the relaxed state, reaches the optical waveguide 311 and thus to the evaluation unit (not shown). The intensity of the light beam 323 is therefore significantly stronger in the loaded state, which increase in intensity corresponds to a determinable increase in force at the sensor 301.
Der gemäß den Fig. 5a und 5b dargestellte erfmdungsgemäße Sensor ist eine weitere alternative Ausführung, bei der in Bezug auf den Sensor gemäß den Fig. la und lb für gleiche oder ähnliche Bauelemente gleiche Bezugsziffern verwendet sind, welche um 400 erhöht sind.The sensor according to the invention shown in FIGS. 5a and 5b is a further alternative embodiment, in which, with respect to the sensor according to FIGS. 1a and 1b, the same reference numbers are used for identical or similar components, which are increased by 400.
Der erfindungsgemäße Sensor 401 kann als Blendenanordnung bezeichnet werden, welche eine verformbare Blendeneinheit 451 hat, die in Form einer Übergreifstruktur, nämlich eines einen Reflektor 453 übergreifenden Aufbaus, ausgebildet ist. Desweiteren ist eine Reflektoranordnung aus zwei Reflektoren 453 und 455 vorgesehen, die derart angeordnet sind, daß ein über dem Lichteinkoppelbereich des Sensors 401 eintretendes Licht 421 an dem ersten Reflektor 455 um ca. 90 Grad umgelenkt wird. Der umgelenkte Lichtstrahl 422 wird an dem Reflektor 453 wieder um 90 Grad umgelenkt, so daß der Lichtstrahl 423 über den Lichtauskoppelbereich des Sensors 401 in den Lichtwellenleiter 411 zurückgelangt. In einer Ausführung gemäß den Fig. 5a und 5b sind zwei Lichtwellenleiter 411a und 411b symmetrisch nebeneinander angeordnet, wobei der Lichtwellenleiter 411a für das einzukoppelnde Licht 421 und der Lichtwellenleiter 411b für das auszukoppelnde Licht 423 verantwortlich sind.The sensor 401 according to the invention can be referred to as an aperture arrangement which has a deformable aperture unit 451 which is designed in the form of an overlapping structure, namely a structure overlapping a reflector 453. Furthermore, a reflector arrangement comprising two reflectors 453 and 455 is provided, which are arranged in such a way that a light 421 entering above the light coupling area of sensor 401 is deflected at first reflector 455 by approximately 90 degrees. The deflected light beam 422 is again deflected by 90 degrees at the reflector 453, so that the light beam 423 returns to the optical waveguide 411 via the light decoupling area of the sensor 401. In an embodiment according to FIGS. 5a and 5b, two optical waveguides 411a and 411b are arranged symmetrically next to one another, the optical waveguide 411a being responsible for the light 421 to be coupled in and the optical waveguide 411b for the light 423 to be coupled out.
Die Blendeneinheit 451 ist derart elastisch verformbar, daß sich bei Beaufschlagung des Sensors 401 mit einer in Längsrichtung der Lichtwellenleiter 411a und 411b gerichteten Kraft F die Blendeneinheit 451 in den Lichtgang zwischen den Reflektoren 453 und 455 senkt und somit einen unterbrechungsfreien Lichtverlauf von dem Reflektor 453 und 455 zum Reflektor 453 verhindert. Diese Abschwächung der Lichtintensität kann von der nicht dargestellten Auswerteinheit einer bestimmten Kraft zugeordnet werden.The aperture unit 451 is elastically deformable such that when the sensor 401 is subjected to a force F directed in the longitudinal direction of the optical waveguides 411a and 411b, the aperture unit 451 lowers into the light path between the reflectors 453 and 455 and thus an uninterrupted light path from the reflector 453 and 455 to the reflector 453 prevented. This weakening of the light intensity can be assigned to a certain force by the evaluation unit (not shown).
Sowohl die Reflektoranordnung als auch die Blendeneinheit 451 ist von einem Silikonmaterial umgössen, was das Gehäuse 407 bildet. Das Gehäuse 407 umgreift das Ende 413 der Lichtwellenleiter 411a und 411b derart, daß die Reflektoren 453, 455 ortsfest bezüglich der Endfläche 419 und der Blendeneinheit 451 positioniert sind.Both the reflector arrangement and the diaphragm unit 451 are encapsulated by a silicone material, which forms the housing 407. The housing 407 encompasses the end 413 of the optical waveguides 411a and 411b in such a way that the reflectors 453, 455 are positioned stationary with respect to the end surface 419 and the diaphragm unit 451.
Die Fig. 6a, 6b, 7a und 7b zeigen eine weitere bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors, der neben dem Betrag der eingreifenden Kraft F auch die Wirkrichtung der Kraft F ermitteln kann. Zur besseren Lesbarkeit der Figurenbeschreibung werden für ähnliche und identische Bauelemente bezüglich der Ausführung des Sensors gemäß den Fig. la und lb gleiche Bezugsziffern verwendet, die um 500 erhöht sind.6a, 6b, 7a and 7b show a further preferred embodiment of the sensor according to the invention which, in addition to the amount of the acting force F, can also determine the direction of action of the force F. For better readability of the description of the figures, the same reference numbers, which are increased by 500, are used for similar and identical components with regard to the design of the sensor according to FIGS. 1a and 1b.
Der erfindungsgemäße Sensor 501 ist mit mehreren Lichtein- und Lichtauskopplungsberei- chen versehen, die jeweils einem oder mehreren der Lichtwellenleiter 511a, 511b, 511c, 511d, 51 le zugeordnet sind. Die Lichtwellenleiter 511a bis 511e sind parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich in einer Längsrichtung. Die Lichtwellenleiter 511a bis 511 d sind konzentrisch zu einem zentralen Lichtwellenleiter 51 le in einem konstanten Umfangsabstand angeordnet.The sensor 501 according to the invention is provided with a plurality of light input and output areas, each of which is assigned to one or more of the optical waveguides 511a, 511b, 511c, 511d, 51 le. The optical fibers 511a to 511e are arranged parallel to one another and extend in a longitudinal direction. The optical waveguides 511a to 511d are arranged concentrically with a central optical waveguide 51le at a constant circumferential distance.
Der Sensor 501 weist einen Reflexionskugelkörper 561 auf, der im wesentlichen mittig in einem elastischen Vollgehäuse 563 eingekapselt angeordnet ist. Das Vollgehäuse 563 umgreift an den Enden der Lichtwellenleiter 511a bis 511e abschnittsweise die Lichtwellenleiter, um sie positionsgetreu zu halten und den Reflexionskörper 561 in einer kontrollierten sicheren Position relativ zu den Lichtein- und Lichtauskoppelbereichen zu halten.The sensor 501 has a reflection spherical body 561, which is essentially encapsulated in an elastic full housing 563. The full housing 563 encompasses sections of the optical waveguides at the ends of the optical waveguides 511a to 511e, to keep them in position and to keep the reflection body 561 in a controlled, safe position relative to the light input and output areas.
Der mittlere Lichtwellenleiter 511e dient dazu, Licht über einen Lichteinkoppelbereich in das transparente Vollgehäuse 563 einzukoppeln, wobei das auf den Reflexionskörper treffende Licht von einer Reflexionsfläche reflektiert wird. Wirkt keine Kraft bzw. eine axiale Kraft, so wird das eingekoppelte Licht zum größten Teil wieder in den Lichtwellenleiter 511e zurückgeworfen, was in der Fig. 6a, 7a angedeutet ist, bzw. so wird das eingekoppelte Licht mit einer gegenüber dem unbelasteten Zustand höheren Intensität in den Lichtwellenleiter 51 le reflektiert.The middle optical waveguide 511e serves to couple light into the transparent full housing 563 via a light coupling region, the light striking the reflection body being reflected by a reflection surface. If no force or an axial force acts, the injected light is largely thrown back into the optical waveguide 511e, which is indicated in FIGS. 6a, 7a, or the injected light is of a higher intensity than the unloaded state reflected in the optical fiber 51 le.
Wirkt, wie in Fig. 6b und 7b, eine Kraft F auf das lastaufnehmende Gehäuse 563, so nähert sich der Reflexionskörper aufgrund der Flexibilität des Gehäuses den Endflächen 519 der Lichtwellenleiter 511a bis 51 le, wird also axial verschoben, und wird über den Endflächen 519 der Lichtwellenleiter 511a bis 511e verlagert, also radial verschoben. Aufgrund der axialen Änderung des Abstands des Reflexionskörpers 561 hin zu den Endflächen 519 der Lichtwellenleiter 511a bis 511e kann die nicht dargestellte Auswerteinheit durch die erhöhte Intensität die axiale Kraftkomponente ermitteln, die in Längsrichtung der Lichtwellenleiter 511a bis 51 le wirkt. Die Quer- oder Radialkomponente der Kraft kann über die Lichtintensität der vier äußeren Lichtwellenleiter 511a bis 511e quantitativ festgestellt werden, hier durch das teilweise Belegen des Lichtwellenleiter 51 lc mit Licht.If, as in FIGS. 6b and 7b, a force F acts on the load-bearing housing 563, the reflection body approaches the end faces 519 of the optical waveguides 511a to 51le due to the flexibility of the housing, i.e. is axially displaced, and becomes over the end faces 519 the optical waveguide 511a to 511e shifted, that is to say shifted radially. Due to the axial change in the distance of the reflection body 561 to the end faces 519 of the optical waveguides 511a to 511e, the evaluation unit, not shown, can determine the axial force component due to the increased intensity, which acts in the longitudinal direction of the optical waveguides 511a to 51 le. The transverse or radial component of the force can be determined quantitatively via the light intensity of the four outer optical waveguides 511a to 511e, here by partially covering the optical waveguide 51lc with light.
Alle Endflächen 519 der Lichtwellenleiter 511a bis 511e wirken bei dieser Ausführung also als Lichtauskoppelbereiche. Das elastische Vollgehäuse 563 ist der Kraftaufnehmer 503 des erfindungsgemäßen Sensors 501.In this embodiment, all end faces 519 of the optical waveguides 511a to 511e thus act as light decoupling areas. The elastic full housing 563 is the force transducer 503 of the sensor 501 according to the invention.
In allen der fünf verschiedenen Ausführungen des erfindungsgemäßen Sensors ist ein Kraft-/ Lichtintensitätsmodulator vorgesehen, der bei den Ausführungen gemäß den Fig. la, lb, 2a, 2b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b über die Kraft die Lichtintensität direkt moduliert, wobei Intensitätsänderungen über mechanische Kraft-Verformungserscheinungen hervorgerufen werden. Bei der Ausführung gemäß den Fig. 3 a und 3b wird die Intensitätsänderung mittels Polarisationsänderungen hervorgerufen, welche wiederum durch die Kraft bewirkt werden. In Fig. 8 ist schematisch der Endbereich 71 eines erfindungsgemäßen Katheters dargestellt, dessen Ende leicht gekrümmt oder hakenförmig ausgebildet ist, um das Katheterende leichter in Y-Arterienabzweigungen einführen zu können. Der erfindungsgemäße Sensor 1 ist nicht unmittelbar an der Spitze 73 angeordnet, sondern in einem gewissen Abstand von der Spitze 73, damit ein axialer Krafteintrag in dem Sensor erzwungen werden kann. Der der Spitze 73 zugewandte Bereich 75 des Katheters kann Katheterzusatzeinrichtungen aufweisen. Auf der der Spitze 73 abgewandten Seite 77 des Sensors 1 ist der wenigstens eine Lichtwellenleiter (nicht näher dargestellt) vorgesehen, wobei der Katheter in diesem Abschnitt von dem Sensor bis zur Betätigungseinrichtung ausschließlich aus einem Lichtwellenleiter gebildet sein kann, der eine lichtundurchlässige, organismusverträgliche Außenhaut (nicht dargestellt) aufweisen kann.In all of the five different designs of the sensor according to the invention, a force / light intensity modulator is provided, which in the designs according to FIGS. La, lb, 2a, 2b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b Force modulates the light intensity directly, whereby changes in intensity are caused by mechanical force deformation phenomena. In the embodiment according to FIGS. 3a and 3b, the change in intensity is brought about by means of changes in polarization, which in turn are brought about by the force. 8 schematically shows the end region 71 of a catheter according to the invention, the end of which is slightly curved or hook-shaped in order to be able to insert the catheter end more easily into Y artery branches. The sensor 1 according to the invention is not arranged directly on the tip 73, but at a certain distance from the tip 73, so that an axial force input can be forced into the sensor. The region 75 of the catheter facing the tip 73 can have additional catheter devices. On the side 77 of the sensor 1 facing away from the tip 73, the at least one optical waveguide (not shown in more detail) is provided, the catheter in this section from the sensor to the actuating device being able to be formed exclusively from an optical waveguide which has an opaque, organism-compatible outer skin ( not shown) can have.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the above description, in the drawings and in the claims can be essential individually as well as in any combination for realizing the invention in its various embodiments.
Technische Universität Darmstadt BezugszeichenlisteTechnical University Darmstadt list of reference symbols
1, 101, 201, 301, 401, 501 Sensor1, 101, 201, 301, 401, 501 sensor
3, 103, 203, 303, 403, 503 Kraftaufnehmer3, 103, 203, 303, 403, 503 force transducers
5, 105 kugelförmige Körper5, 105 spherical bodies
7, 107, 207, 307, 407, 507 Gehäuse7, 107, 207, 307, 407, 507 housing
11, 111, 211, 311, 41 la, b, 511a bis e Lichtwellenleiter11, 111, 211, 311, 41 la, b, 511a to e optical waveguide
13, 113, 213, 313, 413, 513 Ende13, 113, 213, 313, 413, 513 end
15, 115 Reflexionsfläche15, 115 reflective surface
17, 117 Lichtauskoppelbereich17, 117 light decoupling area
19, 119, 219, 319, 419 Endfläche19, 119, 219, 319, 419 end face
21, 121, 221, 321, 421 einzukoppelndes Licht21, 121, 221, 321, 421 light to be coupled in
23, 123, 223, 323, 423 moduliertes Licht23, 123, 223, 323, 423 modulated light
25 Reflexionsfläche25 reflective surface
26 Endbereich 73 Spitze26 end area 73 tip
75 Katheter-Bereich75 catheter area
77 abgewandte Seite77 opposite side
231 Sandwich- Anordnung231 sandwich arrangement
233 Polarisator233 polarizer
235 fotoelastischer Körper235 photo-elastic body
237 Reflektor237 reflector
341 Kammer341 chamber
343 Reflektor343 reflector
345 Seitenwände345 side walls
347 Reflexionsfläche347 reflective surface
349 Streulicht349 flare
422 Lichtgang422 light path
451 Blendeneinheit451 aperture unit
453, 455 Reflektor453, 455 reflector
561 Reflexionskörper561 reflective body
563 Vollgehäuse563 full housing
F Kraft F force

Claims

Technische Universität Darmstadt T50010PCTPatentansprüche Technical University Darmstadt T50010PCTPatents
1. Sensor zum Erfassen von einer auf eine langgestreckte Einrichtung, insbesondere eine langgestreckte medizintechnische Einrichtung, wie einen Katheter, wirkenden Kraft (F) mit einer nicht vernachlässigbaren Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung, umfassend einen Kraftaufhehmer (3, 103, 203, 303, 403, 503) für die zu erfassende Kraft, einen Anschluß zum Anbringen des Sensors (1, 101, 201, 301, 401, 501) an die langgestreckte Einrichtung, mindestens einen Lichteinkoppelbereich, welcher mit wenigsten einem Licht in den Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) einkoppelnden Lichtwellenleiter (11, 111, 211, 311 , 411 a, b, 511 a bis e) optisch verbindbar ist, einen Lichtintensitätsmodulator, der eine vorbestimmbare Intensität des in den Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) einkoppelbaren Lichts (21, 121, 221, 321, 421) entsprechend der an dem Kraftaufhehmer (3, 103, 203, 303, 403, 503) angreifenden Kraft (F) moduliert, und wenigstens einen Lichtauskoppelbereich, über welchen das Licht (21, 121, 221, 321, 421) modulierter Intensität in wenigstens einen Lichtleiter (11, 111, 211, 311, 41 la, b, 51 la bis e) auskoppelbar ist.1. Sensor for detecting a force (F) acting on an elongated device, in particular an elongated medical device, such as a catheter, with a non-negligible force component in the longitudinal direction of the elongated device, comprising a force transducer (3, 103, 203, 303, 403, 503) for the force to be detected, a connection for attaching the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) to the elongated device, at least one light coupling area, which emits at least one light into the sensor (1, 101 , 201, 301, 401, 501) coupling optical fiber (11, 111, 211, 311, 411 a, b, 511 a to e) can be optically connected, a light intensity modulator which has a predeterminable intensity of the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) of light that can be coupled in (21, 121, 221, 321, 421) according to the force (F) acting on the force transducer (3, 103, 203, 303, 403, 503), and at least one light decoupling area . Via which the light (21, 121, 221, 321, 421) of modulated intensity can be coupled out into at least one light guide (11, 111, 211, 311, 41 la, b, 51 la to e).
2. Sensor nach Anspruch 1, der zum kontinuierlichen Echtzeit-Erfassen von Kräften (F) dem Betrag und/oder der Wirkrichtung nach ausgelegt ist.2. Sensor according to claim 1, which is designed for continuous real-time detection of forces (F) according to the amount and / or the direction of action.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, der zum Erfassen einer im wesentlichen in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung wirkenden Kraft (F) ausgelegt ist.3. Sensor according to claim 1 or 2, which is designed to detect a substantially in the longitudinal direction of the elongated device acting force (F).
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Reflektor (237, 343, 453, 455) mit einer dem wenigstens einen Lichtauskoppelbereich (17) zugeordneten Reflexionsfläche (15, 115, 347) versehen ist, die ihre Reflexionseigenschaften abhängig von der zu erfassenden Kraft (F) ändern kann, vorzugsweise sich insbesondere irreversibel oder reversibel und abhängig von der zu erfassenden Kraft (F) verformen, insbesondere vergrößern und/oder verkleinern, kann. 4. Sensor according to one of claims 1 to 3, in which a reflector (237, 343, 453, 455) is provided with a reflection surface (15, 115, 347) assigned to the at least one light decoupling region (17), the reflection surface of which is dependent on of the force (F) to be detected, preferably deforming, in particular irreversibly or reversibly and depending on the force (F) to be detected, in particular increasing and / or decreasing.
5. Sensor nach Anspruch 4, bei dem eine unebene Reflexionsfläche (15, 115) vorgesehen ist, aufweiche die an dem Kraftaufnehmer (3, 103, 203, 303, 403, 503) angreifende Kraft (F) derart wirken kann, daß sich der Grad der Unebenheit abhängig von der Kraft (F) ändert und einen mit dem wenigsten einen Lichtauskoppelbereich (17, 117) optisch verbundenen Bereich der Reflexionsfläche (15, 115) erweitert und/oder eingrenzt.5. Sensor according to claim 4, in which an uneven reflection surface (15, 115) is provided, soften the force (F) acting on the force transducer (3, 103, 203, 303, 403, 503) in such a way that the Degree of unevenness changes depending on the force (F) and extends and / or limits an area of the reflection surface (15, 115) optically connected to the least one light decoupling area (17, 117).
6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der insbesondere kugelförmige Kraftaufhehmer (3, 103,) eine gewölbte Reflexionsfläche (15, 115) aufweist.6. Sensor according to claim 4 or 5, wherein the in particular spherical force transducer (3, 103,) has a curved reflection surface (15, 115).
7. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die unebene Reflexionsfläche (15, 115) derart formbeständig ausgeführt ist, daß sie bei Kraftbeaufschlagung die Abmessungen des wenigstens einen Lichtauskoppelbereichs irreversibel oder reversibel erweitert und/oder begrenzt, insbesondere den den wenigstens einen Lichtauskoppelbereich definierenden Bereich fromeinprägend vergrößert und/oder verkleinert.7. Sensor according to any one of claims 4 to 6, in which the uneven reflection surface (15, 115) is designed to be dimensionally stable in such a way that it expands and / or limits the dimensions of the at least one light decoupling region when force is applied, in particular the at least one Area that defines the light decoupling area is impressively enlarged and / or reduced.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem eine unebene Reflexionsfläche (15, 115) des Kraftaufnehmers (3, 103) bei Kraftbeaufschlagung formprägend in den wenigstens einen Lichtwellenleiter (11, 111) irreversibel oder reversibel eindrückt.8. Sensor according to one of claims 4 to 7, in which an uneven reflection surface (15, 115) of the force transducer (3, 103), when force is applied, impressively and irreversibly or reversibly presses into the at least one optical waveguide (11, 111).
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Reflektor (343) mit einer dem wenigstens einen Lichtauskoppelbereich zugeordneten Reflexionsfläche (347) mit einem Reflexionsstreuanteil versehen ist, mit welchem die Lichtintensität in Abhängigkeit von der zu erfassenden Kraft (F) modulierbar ist.9. Sensor according to one of claims 1 to 3, in which a reflector (343) with a reflection surface assigned to the at least one light coupling-out area (347) is provided with a reflection scattering component, with which the light intensity can be modulated as a function of the force (F) to be detected is.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 9, bei dem ein Reflektor (343) derart zu dem wenigstens einen Lichtauskoppelbereich (17) angeordnet ist, daß bei zunehmender Kraftbeaufschlagung des Kraftaufnehmers (303) Reflexionsanteile zunehmenden Streuwinkels in den wenigstens einen Lichtauskoppelbereich (17, 117, 317) zur Erhöhung der Lichtintensität gelangen.10. Sensor according to one of claims 1 to 3 or 9, in which a reflector (343) is arranged in relation to the at least one light decoupling area (17) in such a way that, as the force transducer (303) is subjected to increasing force, reflection components of increasing scattering angle in the at least one light decoupling area ( 17, 117, 317) to increase the light intensity.
11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, bei dem eine fluiddichte mit einem Fluid, insbesondere Gas, wie Luft, gefüllte Kammer (341) gebildet ist, die von dem den Lichtein- und -auskoppelbereich optisch zugeordneten Reflektor (343) teilweise begrenzt. 11. Sensor according to claim 9 or 10, in which a fluid-tight chamber (341) filled with a fluid, in particular gas, such as air, is formed, which is partially delimited by the reflector (343) optically assigned to the light coupling and decoupling region.
12. Sensor nach Anspruch 11, bei dem die Kammer (341) von einem flexiblen und/oder verformbaren, insbesondere elastischen Wandmaterial, insbesondere Silikon, begrenzt ist.12. Sensor according to claim 11, wherein the chamber (341) is delimited by a flexible and / or deformable, in particular elastic wall material, in particular silicone.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder 9 bis 12, bei dem die Lichtintensität des eingekoppelten Lichts (221) mittels eines transparenten Mediums moduliert ist, das bei Kraftbeaufschlagung die Polarisation von Licht (221) ändert.13. Sensor according to one of claims 1 to 3, or 9 to 12, in which the light intensity of the coupled light (221) is modulated by means of a transparent medium which changes the polarization of light (221) when force is applied.
14. Sensor nach Anspruch 13, bei dem ein Polarisator (233) und ein fotoelastischer Körper (235) derart zum Lichtein- und Lichtauskoppelbereich angeordnet ist, daß in den Sensor (201) eingekoppeltes Licht (221) über den Polarisator (233) und polarisiertes Licht über den fotoelastischer Körper (235) zum Lichtauskoppelbereich gelangen.14. Sensor according to claim 13, wherein a polarizer (233) and a photo-elastic body (235) is arranged in such a way to the light coupling and light coupling-out area that light (221) coupled into the sensor (201) via the polarizer (233) and polarized Light reaches the light decoupling area via the photo-elastic body (235).
15. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, bei dem eine Sandwich- Anordnung (231) in der Reihenfolge von einem Polarisator (233), einem fotoelastischen Körper (235), vorzugsweise einem weiteren Polarisator, und einem Reflektor (237) vorgesehen ist, wobei insbesondere die Sandwich- Anordnung (231) an ein Ende des wenigstens eines Lichtwellenleiters (211) anschließt und als fotoelastischer Kraftaufnehmer dient.15. Sensor according to claim 13 or 14, wherein a sandwich arrangement (231) in the order of a polarizer (233), a photoelastic body (235), preferably another polarizer, and a reflector (237) is provided, wherein in particular the sandwich arrangement (231) connects to one end of the at least one optical waveguide (211) and serves as a photoelastic force transducer.
16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Reflektoranordnung von mindestens zwei Reflektoren (453, 455) zum Umlenken von durch den Lichteinkoppelbereich hindurch eingekoppeltem Licht (421) hin zum Lichtauskoppelbereich vorgesehen ist, wobei durch eine insbesondere verformbare, insbesondere elastische Blende ein Lichtgang (422) längs der Reflektoranordnung abhängig von der Kraft (F) mehr oder wenig stark unterbrechbar ist.16. Sensor according to one of claims 1 to 3, in which a reflector arrangement of at least two reflectors (453, 455) is provided for deflecting light coupled in through the light coupling-in area through to the light coupling-out area, with a particularly deformable, in particular elastic A light path (422) along the reflector arrangement can be interrupted to a greater or lesser extent depending on the force (F).
17. Sensor nach Anspruch 16, bei dem die Reflektoren (453, 455) der Reflektoranordnung ortsfest zu dem Lichteinkoppelbereich und dem Lichtauskoppelbereich angeordnet sind.17. Sensor according to claim 16, in which the reflectors (453, 455) of the reflector arrangement are arranged in a stationary manner with respect to the light coupling-in area and the light coupling-out area.
18. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem der Reflektor (237, 343, 453, 455), die Sandwich-Anordnung (231), der Kraftaufhehmer (3, 103, 203, 303, 403, 503) und/oder der Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) selbst von einem Überzug aus einem verformbaren Material, wie Silikon, fluiddicht umgeben ist, insbesondere eingekapselt oder umgössen ist, so daß insbesondere der Reflektor (237, 343, 453, 455), die Sandwich- Anordnung (231), der Kraftaufnehmer (3, 103, 203, 303, 403, 503) und/oder der Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) selbst relativ zu der langgestreckten Einrichtung, insbesondere dem wenigstens einen Lichtwellenleiter (11, 111, 211, 311, 411a, b, 511a bis e), beweglich sind.18. Sensor according to one of claims 1 to 17, wherein the reflector (237, 343, 453, 455), the sandwich arrangement (231), the force transducer (3, 103, 203, 303, 403, 503) and / or the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) itself is surrounded by a coating of a deformable material, such as silicone, in a fluid-tight manner, in particular encapsulated or encapsulated, so that in particular the reflector (237, 343, 453, 455), the sandwich Arrangement (231), the force transducer (3, 103, 203, 303, 403, 503) and / or the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) itself relative to the elongated device, in particular the at least one optical waveguide (11, 111, 211, 311, 411a, b, 511a to e), are movable.
19. Sensoreinheit mit einem nach einem der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildeten Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) und wenigstens einem Lichtwellenleiter (11, 111, 211, 311, 411a, 411b, 511a bis e), der an wenigstens einer Lichtquelle anschließbar oder angeschlossen ist,19. Sensor unit with a sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) designed according to one of claims 1 to 18 and at least one optical waveguide (11, 111, 211, 311, 411a, 411b, 511a to e) that can be connected or connected to at least one light source,
20. Sensoreinheit nach Anspruch 19, bei dem wenigstens zwei, insbesondere mehrere, vorzugsweise fünf Lichtwellenleiter (511a bis e), parallel zueinander angeordnet sind.20. Sensor unit according to claim 19, in which at least two, in particular several, preferably five optical fibers (511a to e) are arranged parallel to one another.
21. Sensoreinheit nach Anspruch 19 oder 20, bei der ein mittlerer Lichtwellenleiter (511e) von mehreren Außenlichtwellenleitern (511a bis d) umgeben ist, die insbesondere zum mittleren Lichtwellenleiter (511e) in einer konzentrischen Anordnung gleichen Umfangs- abstands positioniert sind.21. Sensor unit according to claim 19 or 20, in which a central optical waveguide (511e) is surrounded by a plurality of external optical waveguides (511a to d), which are positioned in particular with the central optical waveguide (511e) in a concentric arrangement of the same circumferential distance.
22. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei welcher der Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) an einer Endfläche (19, 119, 219, 319, 419, 519) des wenigstens einen Lichtwellenleiters (11, 111, 211, 311, 411a und b, 511 a bis e) angebracht ist, wobei insbesondere der Kraftaufhehmer (3, 103, 203, 303, 403, 503) im unmittelbaren Kontakt mit dem wenigsten einen Lichtwellenleiter (11, 111, 211, 311, 411, 511) steht.22. Sensor unit according to one of claims 19 to 21, wherein the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) on an end face (19, 119, 219, 319, 419, 519) of the at least one optical waveguide (11 , 111, 211, 311, 411a and b, 511 a to e) is attached, in particular the force transducer (3, 103, 203, 303, 403, 503) in direct contact with at least one optical waveguide (11, 111, 211 , 311, 411, 511).
23. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem ein Adapter anbringbar ist, der zum vorbestimmbaren Einleiten der an der langgestreckten Einrichtung angreifenden Kraft (F) ausgelegt ist.23. Sensor unit according to one of claims 19 to 22, in which an adapter can be attached, which is designed for predeterminable introduction of the force acting on the elongated device (F).
24. Langgestreckte Einrichtung, insbesondere medizinisch technische langgestreckte Einrichtung, wie Katheter, mit wenigstens einem Lichtwellenleiter (11, 111, 211, 311, 411a und b, 511a bis e), der an wenigstens eine Lichtquelle angeschlossen ist, und einem mit dem wenigstens einen Lichtwellenleiter (11, 111, 211, 311, 411a und b, 511a bis e) optisch verbundenen, nach einem der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildeten Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) zum Erfassen von einer auf die langgestreckte Einrichtung wirkenden Kraft (F).24. Elongated device, in particular medically technical elongated device, such as catheters, with at least one optical waveguide (11, 111, 211, 311, 411a and b, 511a to e), which is connected to at least one light source, and one with the at least one Optical fibers (11, 111, 211, 311, 411a and b, 511a to e) optical connected sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) designed according to one of claims 1 to 18 for detecting a force (F) acting on the elongated device.
25. Langgestreckte Einrichtung nach Anspruch 24, bei welcher der Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) im Bereich eines distalen Endes der langgestreckten Einrichtung angeordnet ist, insbesondere in einem Abstand von dem distalen Ende.25. The elongated device according to claim 24, wherein the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) is arranged in the region of a distal end of the elongated device, in particular at a distance from the distal end.
26. Langgestreckte Einrichtung nach Anspruch 24 oder 25, bei dem sich der wenigstens eine Lichtwellenleiter (11, 111, 211, 311, 411a und b, 511a bis e) längs der langgestreckten Einrichtung von dem Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) erstreckt.26. The elongated device according to claim 24 or 25, wherein the at least one optical waveguide (11, 111, 211, 311, 411a and b, 511a to e) extends along the elongated device from the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) extends.
27. Langgestreckte Einrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem der Sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) an wenigstens einem Führungsdraht der langgestreckten Einrichtung angebracht ist.27. Elongated device according to one of claims 24 to 26, wherein the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) is attached to at least one guide wire of the elongated device.
28. Langgestreckte Einrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, deren Längserstreckung im wesentlichen durch den wenigstens einen Lichtwellenleiter (11, 111, 211, 311, 411a und b, 51 la bis e) gebildet ist.28. Elongated device according to one of claims 24 to 27, the longitudinal extent of which is essentially formed by the at least one optical waveguide (11, 111, 211, 311, 411a and b, 51 la to e).
29. Verfahren zum Messen einer an einer langgestreckten Einrichtung, insbesondere einer langgestreckten medizintechnischen Einrichtung, wie einem Katheter, eingreifenden Kraft (F), wobei: eine Anfangsintensität einer Lichtmeßgröße vorbestimmt wird, die Lichtmeßgröße in Abhängigkeit von der Kraft (F) moduliert wird, die modulierte Lichtintensität mit der vorbestimmten Anfangsintensität verglichen wird und eine nicht vernachlässigbare Kraftkomponente in Längsrichtung der langgestreckten Einrichtung anhand des Verhältnisses von Anfangsintensität zur modulierter Intensität bestimmt wird.29. A method of measuring a force (F) engaging an elongated device, particularly an elongated medical device such as a catheter, wherein: an initial intensity of a light measurement variable is predetermined, the light measurement variable is modulated as a function of the force (F) that modulated light intensity is compared with the predetermined initial intensity and a non-negligible force component in the longitudinal direction of the elongated device is determined based on the ratio of the initial intensity to the modulated intensity.
30. Verfahren nach Anspruch 29 mit Verfahrensschritten entsprechend der Funktionsweise des in einem der Ansprüche 1 bis 19 angegebenen Sensors (1, 101, 201, 301, 401, 501). 30. The method according to claim 29 with method steps corresponding to the mode of operation of the sensor (1, 101, 201, 301, 401, 501) specified in one of claims 1 to 19.
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