DE2447529A1

DE2447529A1 - Druckwandler

Info

Publication number: DE2447529A1
Application number: DE19742447529
Authority: DE
Inventors: Bertil Hoek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-10-17
Filing date: 1974-10-04
Publication date: 1975-04-30
Also published as: FR2248496B1; AU7429874A; SE7314083L; DE2447529C3; FR2248496A1; SE381985B; DE2447529B2; GB1484364A; US3942382A; NL7413702A

Description

Für medizinische und physiologische Druckmessungen werden in der Regel flüssigkeitsgefüllte Kunststoffkatheter für die hydraulische Übertragung der Drucksignale von dem zu messenden Bereich auf einen äußeren Druckwandler verwendet, der den Flüssigkeitsdruck in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Nachteil dieser Meßanordnungen besteht darin, daß das vom Druckwandler erzeugte elektrische Drucksi^ial aufgrund der unzureichenden Übertragungseigenschaften nicht exakt dem gemessenen Druck entspricht. Aus diesem G-rvnd sind bereits Miniaturdruckwandler entwickelt worden, die direkt am Meßbereich, z.B. in einem Blutgefäß, appliziert werden können. Bei einer Ausführungsform eines solchen Miniaturdruckwandlers werden die Bewegungen einer in der Katheterspitze angeordneten Membran durch Dehnungsgeber, z.B. Halbleiterelemente, erfaßt und in elektrische Signale umgeformt. Trotz guter Ergebnisse haben sich diese Druckwandler in der Praxis nicht durchsetzen können, weil die

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Kosten hoch, sind und mit dem Einführen von elektrisch gespeisten Bauelementen in die Nähe von vitalen Organen gewisse Risiken für den Patienten verbunden sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Miniaturdruckwandler zu schaffen, dessen Aufbau sehr einfach ist und der deshalb in der Herstellung wesentlich billiger ist als die bisherigen. Ferner soll bei_ der Anwendung des Druckwandlers absolute Sicherheit für den Patienten gegeben sein.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er eine Meßzelle enthält, die teilweise mit einer Flüssigkeit und im übrigen mit einem Gas gefüllt ist, daß von der Meßzelle eine mit der Flüssigkeit ausgefüllte Leitung wegführt, die an ihrem der Meßzelle abgewandten Ende offen ist und daß im Druckwandler Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Größe, die dem jeweiligen Gasvolumen entspricht, angeordnet sind.

D:'.e Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusführungsbeiS¹PIeIeS näher erläutert.

Wie aus der Figur hervorgeht, besteht der Druckwandler aus zwei konzentrischen Kunststoffkathetern 1 und 2, zwischen denen zwei Platindrähte 3 angeordnet sind. Der dünnere Katheter 1. begrenzt mit seiner Stirnseite eine zylindrische Kammer A-, die die eigentliche Meßzelle ist.

Mit dem Katheter 2 ist eine Kapillare 5 dicht verbunden, die den Innenraum des hohlen Katheters 2 mit dem Innenraum der Kummer 4 verbindet und in diese Kammer hineinragt.

Die Katheterteile sind mittels eines Epoxydharzes (Äthoxylinharzes) 6 miteinander verbunden, das auch eine dichtende Funktion hat. Wenn eine physiologische Kochsalzlösung 7 durch

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den dünneren Katheter 2 in die Kammer 4 eingespritzt wird, wird ein Luftvolumen 8 eingeschlossen, das sich von dem Stutzen 9 in die zylindrische Kammer 4 erstreckt. Wenn danach der Hahn 10 geschlossen und der Katheter mit dem an seinem linken Ende offenen Stutzen 9 in ein Flüssigkeitsgefäß, z.B. ein Blutgefäß, eingeführt wird, ändert sich das eingeschlossene Luftvolumen 8 nach dem Boyle-Mariotte'sehen Gesetz. Das jeweilige Luftvolumen entspricht also dem Druck der Kochsalzlösung 7 und damit dem zu messenden Druck und wird in ein elektrisches Signal über die Platinelektroden 3, die in einer Brücke zur Widerstandsmessung liegen, umgewandelt.

Der Widerstand zwischen den Drähten 3 ist nämlich von der Länge der Säule der Kochsalzlösung, die das Luftvolumen 8 begrenzt, abhängig. Die Widerstandsbrücke 12, 13 wird mittels einer Wechselspannungsquelle 11 gespeist, um eine Polarisation der Elektroden 3 zu vermeiden. Zur Erfassung des Ausgangssignals der Brücke 12, 13 dient ein Verstärker 14· Das elektrische Drucksignal wird von einer Anordnung 15 weiter'verarbeitet, z.B. angezeigt. Die Dimensionen des Wandlers 1 bis 10 können sehr klein gehalten werden. Bei einem Ausführungsbeispiel war der äußere Durchmesser 1,3 mm und die Länge der Kapillare 5 1,9 mm.

Der Druckwandler unterscheidet sich von den meisten ir. der Literatur beschriebenen Konstruktionen dadurch, daß ein geschlossenes elastisches Gasvolumen anstatt einer Membran verwendet wird. Der Vorteil ist, daß eine hohe Empfindlichkeit aufgrund der Elastizität des Gasvolumens erreicht werden kann und daß die herstellungstechnisch schwierige Membrcnmontierung entfällt.

Zur-Ausschaltung von Temperatureinflüssen aufgrund der Temperaturexpansion des Gasvolumens kann die Anordnung mit einem

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Widerstand, der einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, ergänzt werden. Ba Elektrolyse, z.B. Kochsalzlösungen,zu dieser Art von Widerstandsmedien gehören, können durch die Verwendung eines Elektrolyten in der beschriebenen Art sehr gute Temperaturbetriebseigenschaften erhalten werden. Der Elektrolyt selbst bildet dabei den Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten. Die gemessenen Temperatureinflüsse sind mit den besten veröffentlichten Werten, etwa 0,5 mm Hg/°C zu vergleichen.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausnutzung einer ohm¹sehen Widerstandsänderung zur Erzeugung des elektrischen Drucksignals beschränkt. So kann z.B. ein kapazitiver Druckwandler mit einem gleichartigen Aufbau wie der eben beschriebene konstruiert werden. Dies wird erreicht, wenn die Drähte 3 in der Meßkammer 4 durch einen Isolierstoffzylinder 16 von der Flüssigkeit isoliert werden. Der Isolierstoffzylinder 16 darf nur für kapazitive Messung vorgesehen werden und ist deshalb gestrichelt gezeichnet. Die Flüssigkeit soll in diesem Fall einen hohen spezifischen Widerstand und eine hohe Dielektrizitätszahl haben. Die Druckvariationen werden dabei in Variationen der Kapazität zwischen den Elektroden 3 umgewandelt. Der Temperaturausgleich ist vorhanden, wenn die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit die Temperaturausdehnung des Gases ausgleicht.

Da das Boyle-Mariotte'sehe Gesetz eine unlineare Relation ist, wird der Geber eine gewisse Unlinearität aufweisen, die jedoch eine einfache analytische Form hat.

u =

1 + β

u = Ausgangsspannung der Anordnung 15, c* undP = Konstante, P = applizierter Druck. Messungen haben gezeigt, daß die oben

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genannte Punktion mit einer Genauigkeit von besser als - 1 % über denjenigen Druckbereich stimmt, der bei biomedizinischen Messungen in Präge kommt.

Die Gleichung (1) kann herangezogen werden, um ein linearisierendes Netzwerk zu schaffen, das die Unlinearität des Druckwandlers korrigiert. Am Netzwerk wird ein bekannter analoger Multiplikator angeschaltet, der verwendet wird, um die von der Anordnung 15 erhaltene Ausgangsspannung mit der Differenz zwischen einer einstellbaren konstanten Spannung und der Ausgangsspannung zu dividieren. Nach dieser in einer analogen Porm ausführbaren arithmetischen Rechenoperation wird ein Ausgangssignal erhalten, das in bezug auf den applizierten Druck linear ist mit einer Genauigkeit, die besser ist als - 2 °/o. Die arithmetischen Rechenoperationen können auch mit einer entsprechenden digitalen Anordnung ausgeführt werden.

Die hydrodynamische Dehnbarkeit des Druckwandlers sowie die Trägheit und Viskosität der Flüssigkeitskolonne bestimmen die dynamischen Eigenschaften des Systems. Durch Versuche mit schnellen Druckänderungen ist man zu dem'Ergebnis gekommen, daß der Druckwandler mit den geschilderten Abmessungen eine Resonanzfrequenz aufweist, die um 95 Hz liegt mit einem Dämpfungsfaktor von 0,5. Bei einer weiteren Verkleinerung der Abmessungen wird die Resonanzfrequenz sich wesentlich erhöhen.

Die Ausführung des Druckwandlersystems kann im Rahmen der Erfindung variieren, abhängig von dem Grad der Sicherheit, die für die Messung erforderlich ist. Zweckmäßig ist es, den Druckwandler galvanisch von Erde abzuschirmen, damit Leckstrom vermieden wird. Dies kann z.B. mittels bekannter Isolationsverstärker erfolgen, die die Steuerung eines netzbetriebenen Schreibers'oder dergleichen mit dem Drucksignal ermöglichen.

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Das Ausführungsbeispiel verbraucht wenig Energie, wobei eine von Erde isolierte Energiequelle, z.B. eine Batterie, ohne weiteres verwendet werden kann, wenn ihr ein Wechselrichter zugeordnet wird. Die Eingangsspannung der Widerstandsbrücke soll eine niedrige Amplitude, ca. 100 mV, und eine relativ hohe Frequenz, ca. 25 kHz, haben.

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Claims

Patentansprüche

1. Druckwandler für die Erzeugung eines elektrischen Signals, das einem Flüssigkeitsdruck entspricht, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Meßzelle (4) ent- · hält, die teilweise mit einer Flüssigkeit (7) und im übrigen mit einem Gas (8) gefüllt ist, daß von der Meßzelle (4) eine mit der Flüssigkeit (7) ausgefüllte Leitung (9) wegführt, die an ihrem der Meßzelle (4) abgewandtön Ende offen ist und daß im Druckwandler (1 bis 10) Mittel (3) zur Erzeugung einer elektrischen Größe, die dem jeweiligen Gasvolumen entspricht, angeordnet sind.

Z. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen temperaturabhängigen Widerstand (7) enthält, welcher das elektrische Signal der jeweiligen Temperatur in der Meßzelle (4) entsprechend beeinflußt.

3. Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (7) in der Meßzelle (4) ein Elektrolyt ist.

4. Druckwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß.fiie Flüssigkeit (7) eine physiologische Kochsalzlösung ist.

5. Druckwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Flüssigkeit (7) zwei Elektroden (3) eintauchen, die an eii.<er Schaltungsanordnung (11 bis 15) zur Messung.des jeweiligen ohm'sehen Widerstandes zwischen den bei-den Elektroden (3) angeschlossen sind.

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6. Druckwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Platin bestehen.

7. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite zwei Kondensatorbeläge (3) angebracht sind, die von der Flüssigkeit (?) isoliert sind, und daß die Kondensatorbeläge (3) so angeordnet sind, daß sich die Flüssigkeitsmenge zwischen ihnen dem zu messenden Druck entsprechend verändert.

8. Druckwandler nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient für den spezifischen Widerstand der Flüssigkeit (7) in der Meßzelle (4) so gewählt ist, daß Temperatureinflüsse auf das G-asvolumen (8) eliminiert werden.

9. Druckwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit (7) in der Meßzelle (4) so gewählt ist, daß Temperatureinflüsse auf das Gasvolumen (8) in der Meßzelle (4) eliminiert werden.

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