DE2150378C3 - Katheter-Druckwandleranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Katheter-Druckwandleranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, wobei die Katheter-Druckwandleranordnung in ein Blutgefäß des Körpers einführbar ist. Insbesondere handelt es sich um einen Druckwandler hoher Empfindlichkeit und schnellen Ansprechverhattens, welcher die Form bzw. Spektren von Druckwellen des Bluts für die Analyse von Herzzuständen und für andere Zwecke zu messen und aufzuzeichnen vermag.

Die bisher für diesen Zweck vorgeschlagenen Vorrichtungen (z.B. US-PS 29 06 980) waren nicht genügend ansprechempfindlich und gewährleisteten kein ausreichend schnelles Ansprechverhalten, um medizinischen Anforderungen zu genügen. Ein Grund hierfür lieg«, in der geringen Größe einer Katheterspitze, welche eine Miniaturisierung des Wandlers verlangt. Bei den bekannten Vorrichtungen war die Membranfläche zu klein, um genau auf die kleinen, zu messenden Änderungen des Blutdrucks ansprechen zu können. Der Arzt ist nämlich nicht nur an den Höchst- und Mindestwerten, sondern auch an den Wellenformen interessiert, welche zwischen den Scheiteln und Tälern der Druckschwankungen auftreten. Die bisherigen Katheter-Druckwandler waren für diesen Zweck nicht zuverlässig.

Weiterhin ist eine Katheter-Druckwandleranordnung mit piezoelektrischen Widerstands-Wandlerelementen bekannt (US-PS 30 88 323 bzw. Zeitschrift »The Review of Scientific-Instruments«, Bd. 31, Nr. 9/1960, S. 987 bis 991), bei der die Wandlerelemente am distalen Ende eines Katheter-Schlauchs in einem eingesetzten Rohrstück als einseitig eingespannte Balken frei schwingend gehaltert sind. Das distale offene Ende ist dann durch einen Stopfen verschlossen. Der Druckfühlerbereich dieser Anordnung wird durch einen Ausschnitt in der Seitenwand am distalen Ende des Katheter-Schlauchs freigelegt, wobei die die Wandleranordnung halternde Hülse ebenfalls einen ausgesparten Bereich aufweist, so daß das zu messende Druckmedium, beispielsweise das Blut in der Vene eines Patienten auf das eingespannte Balken-Wandlerelement einwirken kann. Die Hülse ist von einer dünnen, schlauchartigen Membran umgeben, die so gespannt ist, daß sie im ausgesparten Bereich das Wandlerelement berührt.

Bei der Druckwandleranordnung gemäß der US-PS 30 88 323 liegen die Kanten der Seitenwände des Rohres wesentlich oberhalb der Grund- oder Auflagefläche des Balkenelementes und können daher keine Abstützung für die Membran in der Ebene der Außenfläche dieses Elementes darstellen. Dadurch legt sich an dem ausgesparten Bereich die Membran an die Kanten des Rohres an, so daß das Balkenelement dadurch bereits in Richtung nach oben vorgespannt wird, wodurch ein erheblicher Druck-Meßfehler entsteht. Darüber hinaus weist die bekannte Anordnung den weiteren Nachteil auf, daß Betriebsspannungen in der Größenordnung

von 5 Volt benutzt werden müssen, um das Ansprechverhaltun und die Empfindlichkeit dieser Anordnung auf ein notwendiges Maß zu erhöhen. Spannungen dieser Größenordnung sind jedoch vom medizinischen Gesichtspunkt her für Messungen in der Blutbahn des menschlichen Körpers, insbesondere in herznahen Blutgefäßen trotz der Einkapselung der Meßinstrumente unerwünscht

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Katheter-Druckwandleranordnung zu schaffen, die Blutdruck-Schwankungen bzw. Formen und Verlauf von Bilutdruckwellen fehlerfrei mißt, dabei das Ansprechverhalten empfindlicher und schneller ist. Der Druckwandler soll vergleichsweise große, dem Blutdruck ausgesetzte Membranflächen besitzen, hinsichtlich Schwankungen der Temperatur und des Atmosphäre ndrucks kompensiert sein und zu dem vergleichsweise einfache und kosteni>parende Konstruktion besitzen, so daß er als wegwerfbares Gerät verwendet werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Mittel gelöst

Durch die erfindungsgemäße Druckwandleranordnung wird eine wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit und Ansprechschnelligkeit bei sehr präzisen Meßergebnissen erzielt, dadurch, daß der Berührungskontakt zwischen flexiblem Teil der Membran und dem Druckwandlerelement großflächig ist, wobei gleichzeitig eine Spannung dieser Membran unmittelbar in der Ebene der Wandlerelemente auftritt, so daß keine Vorspannung auf diese Wandlerelemente ausgeübt wird. Darüber hinaus wird der Meßwandler mit Spannungen von 40 mV betrieben, die mit Sicherheit keine Gefährdung des menschlichen Körpers verursachen. Diese geringen Betriebsspannungen sind nur dadurch möglich, weil die Empfindlichkeit der Druckwandlerelemente durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wesentlich erhöht worden ist

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet Bei der Ausführungsform nach Anspruch 7 wird infolge der Brückenschaltung eine Temperaturstabilisierung erreicht. Die Anordnung nach Anspruch 3 bewirkt, daß die äußeren Druckschwankungen auf die empfindlichen Elemente übertragen und gleichzeitig eine Abdichtung gegen einen Bluteintritt hergestellt wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Längsschnitt durch eine Katheterspitzeii-Druckwandleranordnung mit den Merkmalen der Erfindung, mit teilweise in Seitenansicht dargestellten Teilen,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 1,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung eines Tragglieds für den Druckwandler,

F i g. 5 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 4,

F i g. 6 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie 6-6 in F i g. 4,

F i g. 7 eine F i g. 1 ähnelnde Ansicht einer abgewandelten Ausführungsiorm der Erfindung, in welcher gewisse Teile weggelassen sind,

F i g. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 in F i g. 7 und F i g. 9 ein Schaltbild der Druckwandlerelemente.

Die Katheterspitzen-Druckwandleranordnung weist pinen Katheter-Schlauch 10 auf, der aus einem Kunststoff-Strangpreßprofil besteht und mehrere Durchgänge 11, 12 und 13 aufweist von denen Durchgang 11 offen ist während die Durchgänge 12 und 13 am in die Körperhöhle einzuführenden bzw. distalen Ende des

Schlauches durch Stopfen 14 bzw. 15 verschlossen sind. Eine in der Schlauchwandung vorgesehene öffnung 16 kommuniziert mit dem Durchgang 12 und bildet einen Zulaß, um je nach Fall Blutproben entnehmen oder Substanzen in den Blutstrom injizieren zu können.

ίο Der Durchgang 13 steht für das Aufblasen eines Ballons zur Verfügung, wenn am Katheter ein Ballon vorgesehen sein soll. In einen der Durchgänge ist eine aus biegsamem Draht bestehende Sonde 17 einführbar, welche die Führung des Katheters in eine Verzweigung des Blutgefäßes erleichtert. Gewünschtenfalls können noch weitere Durchgänge vorgesehen sein.

Ein steifes Tragglied 20 dient zur Aufnahme von zwei Druckwandler-Elementen 21, 22 und zur Halterung derselben innerhalb einer aus flexiblem Gummi bestehenden Hülle 25. Das Tragglied 20 besteht aus einem Kunstsioff-Gußteil, während die Hülle 25 aus dem gleichen Werkstoff besteht wie die üblicherweise an Kathetern vorgesehenen Ballons. Die Hülle ist eine zylindrische Manschette mit geschlossenem distalern Ende, so daß sie das Tragglied 20 und die darin angeordneten Wandler-Elemente 21, 22 umhüllt und abdichtet.

Das Tragglied 20 weist einen dünneren, rohrförmigen Schaft 30 und ein geschlossenes, halbkugeliges distales Ende 31 auf. Diese beiden Endabschnitte sind durch zwei einander gegenüberliegende Wandteile 32 miteinander verbunden, deren Außenflächen zylindrische Krümmung besitzen. Zwischen den seitlichen Wandteilen 32 erstreckt sich ein innerer Steg 33, der einstückig mit den Wandteilen 32 ausgebildet ist und mit ihnen einen l-trägerartigen Querschnitt festlegt. An den Schaft 30 schließt sich ein zylindrischer Endabschnitt 34 an.

Der zylindrische Endabschnitt 34 und das distale Ende 31 sind mit zwei flachen Auflagen bzw. Leisten

40 41 zum Auflegen der Endabschnitte der Druckwandler-Elemente 21,22 versehen. Diese Leisten befinden sich mit Abstand über und unter dem zentralen Steg 33, so daß sie einen Abstand zwischen den Druckwandler-Elementen 20, 21 und dem Steg 33 festlegen. Die Druckwandler-Elemente 20, 21 sind schmäler als der Abstand zwischen den seitlichen Wandteilen 32 beträgt und legen somit gemäß F i g. 3 Zwischenräume 42 zwischen ihren Seitenkanten und den Wandteilen 32 des Tragglieds 20 fest Infolgedessen sind die Druckwandler-Elemente 20, 21 in länglichen Ausnehmungen montiert, welche gemäß F i g. 4 durch den Steg 33 und die seitlichen Wandteile 32 gebildet werden.

Die Druckwandler-Elemente 21,22 werden unter der Elastizität der sie umhüllenden Gummi-Hülle 25 in ihrer auf den Leisten W bzw. 41 aufliegenden Lage gehalten; wahlweise können sie aber auch an den Leisten 40,

41 angeklebt sein. Die Druckwandler-Elemente 21, 22 werden mithin durch ihre Enden auf den Leisten 40, 41 in Form einfacher Träger bzw. Balken gehaltert, welche einer einwärts gerichteten Durchbiegung unterworfen sind, wenn die Hülle 25 von äußerem Fluidumdruck beaufschlagt wird. Die effektive Membranfläche jedes dieser dem Fluidumdruck ausgesetzten Druck-

wandler-Elemente 21, 22 entspricht dabei der Breite des betreffenden Elements multipliziert mit dem Abstand zwischen den Leisten 40, 41. Hierdurch wird eine große Membranfläche geschaffen, die schnelles und ge-

naues Ansprechen auf geringste Änderungen des äußeren Fluidumdrucks gewährleistet.

Im Ende 31 und im Endabschnitt 34 vorgesehene Quernuten 45 bilden Verdrahtungsdurchgänge, die mit einer im rohrförmigen Schaft 30 ausgebildeten Öffnung 46 kommunizieren und zur Herstellung von Leitungs-Anschlüssen 37 mit den Druckwandler-Elementen 21, 22 dienen. Die Öffnung 46 kommuniziert mit dem nicht verschlossenen Durchgang 11, über welchen die Leitungen 47 zum zugewandten bzw. proximalen Ende des Katheter-Schlauches 10 geführt sind. Außerdem leiten der Durchgang 11 und die Öffnung 46 Atmosphärendruck zu den Innenflächen der Druckwandler-Elemente 2t, 22, so daß alle Blutdruckmessungen auf Atmosphärendruck bezogen sind.

Beim Anbringen des Tragglieds 20 am Katheter-Schlauch 10 werden die die Durchgänge 11, 12 und 13 voneinander trennenden Innenwände so weit vom Ende des Schlauches aus entfernt, daß der zylindrische Schaft 30 eingeführt und im Schlauch verklebt werden kann, wobei das distale Ende des Schlauches gemäß F i g. 1 an einer am Ende des zylindrischen Endabschnitts 34 ausgebildeten Schulter 48 anstößt. Hierauf wird die Hülle 25 über das Tragglied 20 und die Druckwandler-Elemente 21, 22 gezogen und wird das proxi- male Ende der Hülle mittels einer über dem Schaft 30 liegenden Schnurabbindung 49 am Schlauch 10 festgelegt und abgedichtet Die Schnurabbindung 49 wird innerhalb der Dicke der Schulter 48 gehalten, so daß an der Katheter-Außenfläche ein glatter Übergang vom Schlauch 10 zur Hülle 25 gewährleistet wird.

Im Gebrauch drückt der Fluidumdruck des die Hülle 25 umgegenden Bluts erstere gegen die Außenflächen der Druckwandler-Elemente 21, 22, während deren Innenflächen dem Atmosphärendruck ausgesetzt sind. Die Hülle 25 gewährleistet somit eine flexible Kapselung für die Wandler-Elemente.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 7 sind die Auflagen bzw. Leisten 41 zur Unterstützung der distalen Enden der Druckwandler-Elemente 21a, 22a am halbkugeligen Ende 31 des Tragglieds 20a weggelassen. Die proximalen Enden der Elemente sind an den am zylindrischen Endabschnitt 34 vorgesehenen Leisten 40 angeklebt, so daß sich ihre distalen Enden in Abhängigkeit vom äußeren Fluidumdruck als frei tragende Trä- ger bzw. Balken durchbiegen können.

Das gleiche Ergebnis läßt sich erreichen, wenn die Druckwandler-Elemente einfach zu kurz ausgebildet werden, um die Leisten 41 am Ende 31 zu erreichen. In diesem Fall kann das Tragglied 20a gemäß F i g. 7 mit dem Tragglied 20 gemäß F i g. 4 identisch sein. Der Katheter-Schlauch 10 und die Hülle 25 sind in F i g. 7 nicht dargestellt, da sie den betreffenden Teilen gemäß" F i g. 1 entsprechen.

Die Druckwandler-Elemente 21, 22, 21a, 22a sind vorzugsweise piezoresistive bzw. piezoelektrische Vorrichtungen und können von beliebiger bekannter Art sein, wie sie üblicherweise für mechanische Spannungsmesser, Plattenspieler-Tonabnehmer und für andere Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann jedes Element einen auf einer isolierenden Grundschicht 61 angeordneten Silizium-Kristall 60 aufweisen oder aus einer dünnen P-Typ-Silizium-Schicht 60 bestehen, die epitaxial auf einer dickeren N-Typ-Silizium-Schicht 61 angeordnet ist, wobei die beiden Schichten eine Diode bilden, bei welcher die N-Typ-Schicht als isolierende Grundschicht wirkt Herstellung und Eigenschaften solcher Elemente sind bekannt und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden. Es kann auch ein dreilagiges Druckwandler-Element angewandt werden, das zwei Schichten 60 zu beiden Seiten einer Grundschicht 61 aufweist

Obgleich nur ein Element 21 oder 22 bzw. 21a oder :22a erforderlich ist wird durch Verwendung zweier Druckwandler-Elemente, deren Oberflächen gemäß F i g. 1 und 7 entgegengesetzt zueinander angeordnet sind, die Ansprechempfindlichkeit verdoppelt und eine Temperaturkompensation erreicht Die verschiedenartigen Metalle 60, 61 wirken als Bimetall-Thermostat wenn sie einer Temperaturänderung ausgesetzt sind, Diese Wirkung wird neutralisiert wenn die Schicht 60 bei den Elementen 21 und 21a an der Außenseite und bei den Elementen 22 und 22a an der Innenseite angeordnet wird und die beiden Elemente auf die beispielsweise in F i g. 9 dargestellten Weise in zwei Zweige einer Brückenschaltung eingeschaltet sind.

Die Brückenspannung wird von einer Batterie 65 geliefert und das Anzeigeinstrument 67 der Brücke, das auch ein registrierendes Meßgerät 67 sein kann, ist zwischen den Abgriff 68 eines über die Batterie 65 geschalteten Potentiometers 66 und eine Verbindung 69 zwischen den Elementen 21 und 22 eingeschaltet. Der gleiche Schaltkreis wird für die Wandler-Elemente 21a, 22a gemäß F i g. 7 verwendet Die vorstehend beschriebene zwangläufige Temperaturkompensation ermöglicht einen Abgleich der Brückenschaltung bei Umgebungstemperatur, ohne daß der Abgleich durch die Änderung auf Körpertemperatur, wenn der Katheter in ein Blutgefäß eingeführt wird, beeinträchtigt wird.

Gemäß F i g. 1 biegt der von außen einwirkende Fluidumdruck die Druckwandler-Elemente 21, 22 nach innen, wobei die Schicht 60 auf dem Element 21 verkürzt bzw. zusammengedrückt und die Schicht 60 auf dem Element 22 gestreckt wird. Diese entgegengesetzten mechanischen Verformungen erzeugen entgegengesetzte Änderungen des elektrischen Widerstands, die in der Brückenschaltung, wie durch das Meßgerät 67 angedeutet summiert werden. Gemäß F i g. 7 hat die Einwärtsbiegung der Wandler-Elemente 21a, 22a eine Streckung der auf dem Element 21a befindlichen Schicht 60 und eine Zusammendrückung der auf dem Element 22a vorgesehenen Schicht 60 zur Folge, wobei die resultierenden, durch das Meßgerät 67 angezeigten Widersundsänderungen additiv sind Die Änderungen des elektrischen Widerstands in der Brückenschaltung liefern auf dem Meßgerät 67 augenblicklich die jeweiligen Blutdruckwerte.

Gemäß den F i g. 3.7 und 8 befinden sich die Kanter der Wandteile 32 der Tragglieder 20 und 20a in den Ebenen der Außenflächen der Druckwandler-Elemente 21,22 und 21a und 22a, so daß sie die Hülle 25 in Berührung mit den Außenflächen der Elemente halten, ohne daß letztere durch die Hülle durchgebogen bzw. ausgelenkt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche: 21 378

1. Katheter-Druckwandleranordnung zur Anbringung am distalen Ende eines flexiblen Katheterschlauchs mit einem starren vorderen Abschlußstuck, das am proximalen Ende in einen mit dem Ende des Katheterschlauchs verbundenen in der Außenkontur im wesentlichen rohrartigen Schaft übergeht, in dem wenigstens ein piezoelektrisches als Balken ausgebildetes Wandlerelement gehaltert ist, das über eine durch eine flexible Membran gegen die Außenseite abgedeckte Aussparung in der Schaftwand mit Druck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft in einen auf kleineren Durchmesser abgesetzten zylindrischen Abschnitt (30) übergeht, der abgedichtet in das distale Ende des Katheterschlauchs (10) eingesetzt ist, daß der Schaft im wesentlichen aus zwei mindestens am distalen, dem Abschlußstück (31) und am proximalen, dem zylindrischen Abschnitt (30) zugekehrten Ende miteinander verbundenen, auf Abstand einander gegenüberstehenden Sehenwandteilen (32) besteht, die die rohrartige Außenkontur festlegen, daß der durch den Abstand der Seitenwandteile (32) festgelegte und über den größten Teil der Schaftlänge erstreckte Raum an seinen einander gegenüberstehenden Öffnungen durch je ein am distalen und/oder proximalen Ende des Schafts in einer Aussparung (40,41) gehaltenes balkenartiges Wandlerelement (21, 22; 21a, 22a) unter Freilassung eines der ungehinderten freien Schwingung dienenden seitlichen Abstands (42) zu den Seitenwandteilen abgedeckt ist und daß das vordere Abschiußstück (31) und der anschließende Schaft durch die als Hülle (25) ausgebildete flexible Membran überzogen sind, die im Bereich der Öffnungen auf den Wandlerelementen (21,22; 21 % 22a) aufliegt und durch die den Längskanten der Wandlerelemente gegenüberstehenden Kanten der Seitenwandteile (32) abgestützt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwandteile (32) durch einen zwischen den Wandlerelementen liegenden inneren Steg (33) miteinander verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente durch die umhüllende Membran in den Aussparungen (40, 41) festgehalten sind.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden An- so sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran als vorgeformte einseitig geschlossene Manschette ausgebildet ist, deren offenes Ende wenigstens einen Teil des den abgesetzten zylindrischen Abschnitt (30) überdeckenden Endbereichs des Kätheterschlauchs (IQ) überlappt und außenseitig mittels Schnurumwicklung (49) od. dgl. festgelegt und abgedichtet ist.

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens über einen abgeteilten Teilbereich (11) im Inneren des Katheterschlauchs (10) atmosphärischer Druck in den durch die Membran (25) umhüllten Raum des Schafts einleitbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichriet, daß die Anschlußdrähte von den Wandlerelementen zu einer Auswerte- und Registriereinheit in dem abgeteilten Teilbereich (11) des Katheterschlauchs (10) geführt sind.

7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente in an sich bekannter Weise als veränderbare Widerstandszweige in einer abgeglichenen Brückenschaltung liegen und daß die Oberflächen der Wandlerelemente entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.