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DE19836496A1 - Faseroptische Messung der Myokardkontraktion - Google Patents

Faseroptische Messung der Myokardkontraktion

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DE19836496A1
DE19836496A1 DE1998136496 DE19836496A DE19836496A1 DE 19836496 A1 DE19836496 A1 DE 19836496A1 DE 1998136496 DE1998136496 DE 1998136496 DE 19836496 A DE19836496 A DE 19836496A DE 19836496 A1 DE19836496 A1 DE 19836496A1
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DE
Germany
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waveguide
heart
fiber
optic
measuring
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Withdrawn
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DE1998136496
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Karsten Hoeland
Juergen Werner
Gerd Nowack
Mathias Meine
Martin Hexamer
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Hexamer Martin Dr 44803 Bochum De
Meine Mathias Drmed 44879 Bochum De
WERNER, JUERGEN, PROF.DR.-ING., 44267 DORTMUND, DE
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Individual
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der optischen Dämpfung von faseroptischen Wellenleitern, wobei die Dämpfung aufgrund von Biegungen der faseroptischen Wellenleiter entsteht und wobei sich wenigstens ein faseroptischer Wellenleiter 3 in einem Sensorkabel im Herzen befindet und die Biegungen durch Kontraktionsbewegung des Herzens entstehen.

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Es ist bekannt, daß für diagnostische und therapeutische Zwecke physiologische Parameter des Herzens erfaßt werden müssen. Diese Parameter sind unter anderem die Schlagfrequenz, Schlagvolumen, Kontraktionsgeschwindigkeit, Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, Sauerstoffsättigung u.ä. .
Die Messung erfolgt heutzutage mit verschieden Methoden. Dies sind z. B.
  • - Messung mit Ultraschall
  • - Messung mit Röntgengeräten
  • - Intrakardiale Druckmessung
  • - Intrakardiale Myokard-Beschleunigung
  • - Messung der intrakardialen Impedanz zur Volumenbestimmung
  • - Messung der elektrischen Felder im Herzen durch Elektroden
All diese Verfahren haben jedoch Nachteile. Dies sind insbesondere:
  • - Großer Apparateaufwand bei Ultraschall und Röntgen, dadurch z. B. für Herzschrittmacher nicht geeignet
  • - Kontrastmittelgabe bei Röntgen
  • - Probleme mit der Langzeitstabilität der Meßwerte durch Ablagerungen auf dem Sensor bei Drucksensoren
  • - Störung durch elektrische Felder des Herzens und des umliegenden Gewebes bei der Impedanzmessung und bei der Messung elektrischer Felder des Herzens
  • - Störung durch externe technische Störfelder bei der Impedanzmessung und bei der Messung elektrischer Felder des Herzens
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßsystem anzubieten, welches mittels eines faseroptischen Sensors mechanische Bewegungen des Herzen mißt. Dieses System mißt ohne elektrische Komponenten im Herzen.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Es wird der Effekt einer optischen Faserleitung genutzt, daß sich bei Biegungen der Faser die optische Dämpfung der Faser ändert.
Bei der Kontraktion des Herzens ändern sich die geometrischen Verhältnisse in den Herzkammern. Eine an einem Ende in der Herzwand bei der Herzschrittmacher- und ICD-therapie (implantable cardioverter defibrillator) ohnehin fixierte und durch eine Vene oder Arterie aus dem Herzen hinausgeführte Meßleitung krümmt sich in den Kammern durch die Bewegung des Herzens. Wird in eine solche Meßleitung eine optische Faserleitung integriert, kann durch die Messung der optischen Dämpfungsänderung die Krümmung der Leitung und dadurch die mechanische Verformung des Herzens gemessen werden.
Vorteile der Erfindung
Da der Meßsensor im Herzen ein faseroptischen Wellenleiter ist, befindet sich dort nur eine sehr kleine Meßeinrichtung.
Die Komponenten zur Erfassung des Meßsignals und zur Umsetzung in ein elektrisches Signal sind sehr klein, d. h. sie könnten z. B. in einem Herzschrittmacher- oder Defibrillatorgehäuse untergebracht werden.
Im Herzen befindet sich als Sensor nur ein faseroptischer Wellenleiter. Dieser ist gegen elektrische Störungen unempfindlich, d. h. es kann zu jedem Zeitpunkt eines Herzzyklus ungestört von externen oder internen elektrischen Signalen fehlerfrei gemessen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine Skizze des Aufbaus der faseroptischen Meßeinrichtung
Fig. 2 eine Skizze mit zwei Meßfasern
Fig. 3 eine Skizze der Meßfasern in einem universellen Meßkabel
Fig. 4 eine Skizze der Anordnung zur Einkopplung höherer Moden in einen faseroptischen Wellenleiter.
Eine faseroptische Wellenleitung 1 wird an einem Ende 2 so bearbeitet, daß eine Totalreflexion auftritt. (Die Totalreflexion kann entweder durch Verspiegeln der Stirnfläche des Wellenleiters erfolgen, durch Anschleifen der Fläche mit einem 45° Winkel oder durch andere Verfahren, die eine Totalreflexion erzeugen.) Diese Wellenleitung 1 ist die Strecke, die die gewünschte Biegungsinformation liefern soll. Die Länge des Wellenleiters 1 kann beliebig gewählt werden.
An diese Wellenleitung 1 wird ein zweites Stück Wellenleitung 3 so angesetzt, daß ein optischer Übergang 1A zwischen diesen Wellenleitern besteht. (Das Verbinden kann durch Verschweißen, Kleben, o. ä. erfolgen).
Die Länge des Wellenleiters 3 kann beliebig gewählt werden.
Über ein optisches Steckersystem 4 wird die Leitung 3 an einen Ein-/Ausgang eines optischen Kopplers 5 angeschlossen. Zwischen Stecker und Koppler kann zur Verlängerung ein zusätzliches Stück Wellenleiter 6 eingefügt werden.
An die gegenüberliegenden Ein-/Ausgänge des Kopplers 5 werden ein Sender 7 und ein Empfänger 8 angeschlossen. Zwischen Koppler 5 und Sender 7 bzw. zwischen Koppler 5 und Empfänger 8 können zur Verlängerung je ein zusätzliches Stück Wellenleiter 6 eingefügt werden.
Der Sender 7 besteht aus einer Lichtquelle, dessen Licht in den Wellenleiter eingekoppelt wird.
Der Empfänger 8 besteht aus einem lichtempfindlichen Sensor, der die Intensität des Lichtes mißt, der aus der Faser ausgekoppelt wird.
An dem freien Ein-/Ausgang des Kopplers 5 wird ein zusätzlicher Empfänger 9 angeschlossen oder statt dessen ein optischer Sumpf.
Der Empfänger 9 entspricht dem Empfänger 8.
Die Komponenten 1 bis 4 bilden im folgenden die Meßstrecke 10 und die Komponenten 4 bis 9 die Detektionseinheit 11. Der Stecker 4 bildet den Übergang zwischen diesen Gruppen.
Um ein Differenzsignal zwischen zwei Meßfasern bilden zu können, wird zu einer Meßeinrichtung nach Fig. 1 ein System mit einer zweiten Detektionseinheit 11 und einen Wellenleiter 12 hinzugefügt. Dieser Wellenleiter 12 wird ebenfalls am Ende 13 verspiegelt (entsprechend 2) und über ein Steckersystem 14 (entsprechend 4) an die Detektionseinheit angeschlossen, besitzt jedoch kein zusätzliches Stück Wellenleiter entsprechend 1.
Die Komponenten 12 bis 14 werden im folgenden Referenzstrecke 15 genannt.
Die Fasern 3 und 12 werden eng parallel montiert, so daß die Signale der Empfänger 8 der zwei Detektionseinheiten zwei Signale liefern, deren Differenz nur noch den Signalanteil der Meßstrecke 1 enthält.
Um für andere Abschnitte Differenzsignale bilden zu können, können entsprechend der Beschreibung noch weitere kürzere Meßfasern hinzugefügt werden.
Die Meßstrecke 10 und die Referenzstrecke 15 sind in einem Meßkabel 16 integriert. An einem Ende des Meßkabels 16 kann sich eine Vorrichtung zur Fixierung 17 des Kabels an der Herzwand befinden. Die Meßstrecke 10 und die Referenzstrecke 15 können in dem Meßkabel 16 in Längsrichtung 18 frei verschiebbar sein, so daß eine Positionierung des Wellenleiters 1 so möglich ist, daß die gesuchte Herzbewegung nachgewiesen wird. Am anderen Ende der Meßstrecke 16 befinden sich die optischen Stecker 4 und 14, sowie gegebenenfalls Stecker 19 für elektrische Kontakte. Diese Stecker 4, 14 und 19 können auch zu einem oder zwei Steckern zusammengefaßt sein.
Durch eine Anordnung optischer Komponenten werden hauptsächlich höherwertige Moden in den faseroptischen Wellenleiter eingekoppelt. Dadurch erhöht sich die Empfindlichkeit der Dämpfungsmessung bei Biegungen. Der Sender 7 kann aus dieser Anordnung bestehen. Diese Anordnung besteht aus einer Lichtquelle 20, einer Linsenanordnung 21, und einer Ringblende 22, so daß ein Lichtring in die Faser einkoppelt wird. Alternativ kann ein paralleles Licht in einem frei wählbaren Winkel zur Fasermittellinie eingekoppelt werden.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit kann der Faserende 2 oder 1A schräg geschnitten und poliert werden (angled preparation). Dieses Ende wird dann z. B. durch Aufdampfen von Metall verspiegelt. Durch diese Bearbeitung werden die Moden bei der Reflexion verschoben.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Messen der optischen Dämpfung von faseroptischen Wellenleitern, wobei die Dämpfung aufgrund von Biegungen der faseroptischen Wellenleiter entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß sich wenigstens ein faseroptischer Wellenleiter (3) in einem Sensorkabel im Herzen befindet und die Biegungen durch Kontraktionsbewegung des Herzens entstehen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Sensorkabel außen auf der Herzwand befindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (3) gegebenenfalls mit einem weiteren faseroptischen Wellenleiter mit anderen Dämpfungseigenschaften (1) optisch verbunden ist, so daß eine Empfindlichkeitssteigerung und damit eine Verminderung der mechanische Belastung des Herzens durch die Meßapparatur erreicht werden kann.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (2) des faseroptischen Wellenleiters (1 oder 3), das sich im Herzen befindet, so bearbeitet wird, das dort eine völlige Lichtreflexion auftritt.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Ende des Wellenleiters (3) sich eine Vorrichtung (11) befindet, durch die das Licht eines Senders (7) über einen Strählteiler (5) in den Wellenleiter (3) eingekoppelt wird, und durch die die Intensität des reflektierten Lichts durch einen Empfänger (8) gemessen wird und durch die gegebenenfalls die Intensität des Lichtes des Senders (7) durch einen Empfänger (9) gemessen wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gegebenenfalls der Sender (7) zur Erhöhung der Empfindlichkeit das Licht mit Hilfe optischer Linsen (21) und einer Ringblende (22) oder durch schräges Anleuchten der Stirnfläche des Wellenleiters nur bestimmte Moden in den Wellenleiter einkoppelt.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit die Reflexionsstelle nach Anspruch 4 so ausgeführt wird, daß das Faserende schräg geschnitten und dann verspiegelt wird. Dadurch verschieben sich die Moden in der Faser bei der Reflexion.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, Faseroptische Messung der Myokardkontraktion dadurch gekennzeichnet, daß sich weitere Wellenleiter (12) parallel zu dem ersten Wellenleiter (1 und 3) befinden, die jedoch kürzer sind als der erste Wellenleiter (1 und 3), so daß Differenzsignale erzeugt werden können.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum direkten Messen von Herzparametern für diagnostische Zwecke genutzt wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Messen von Herzparametern zur Bestimmung von Stellgrößen in Herzschrittmachern genutzt wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Messen von Herzparametern zur Bestimmung von Therapiebedürftigkeit in ICDs (implantable cardioverter defibrillator) genutzt wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein kurzer Sendeimpuls abgegeben wird und das reflektierte Zeitsignal zur Messung des ortsabhängigen Dämpfungsverlaufs benutzt wird.
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