Dipl.-Ing. Sebastian Voigt

Drucksensorkatheter auf Basis von Faser-Bragg-Gittern

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Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Drucksensorkatheters auf Basis von Faser-Bragg-Gittern. Dazu werden der medizinische Hintergrund aus technischer Sicht strukturiert dargelegt und bereits verfügbare Messmethoden für Manometrieuntersuchungen erörtert. Der Stand der Technik bei Faser-Bragg-Gitter basierten Sensoren und deren Auswertegeräten wird im Zusammenhang mit den aus dem medizinischen Hintergrund und dem Vergleich mit den anderen Messmethoden erwachsenden Anforderungen dargestellt. Die Entwicklung eines zweistufigen für die Herstellung mittels Koextrusion geeigneten Mantels für die optischen Fasern wird beschrieben. Mehrere Funktionsmuster für einen Drucksensorkatheter werden experimentell charakterisiert und die Ergebnisse hinsichtlich der Medizineignung bewertet.

weitere Metadaten

übersetzter Titel
(Englisch)
Manometry catheter based on fiber bragg gratings
Schlagwörter
(Deutsch)
Drucksensorkatheter, Faser-Bragg-Gitter
Schlagwörter
(Englisch)
Manometry, catheter, fiber bragg grating
SWD SchlagworteKatheter, Bragg-Reflektor, Drucksensor, Lichtleitfaser, Extrudieren
DDC Klassifikation620
Institution(en) 
HochschuleTechnische Universität Chemnitz
FakultätFakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
ProfessurMikrosystem- und Gerätetechnik
BetreuerProf. Dr.-Ing. habil. Jan Mehner
GutachterProf. Dr.-Ing. habil. Jan Mehner
Prof. Dr. Hartmut Bartelt
DokumententypDissertation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)08.11.2011
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung25.01.2012
Veröffentlichungsdatum (online)31.01.2012
persistente URNurn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-83302
InhaltsverzeichnisFormelzeichen- und Abkürzungsverzeichnis 8
Vorwort 11
1 Einleitung 12
1.1 Motivation 12
1.2 Funktionsprinzip 14
1.3 Ziel und Struktur der Arbeit 15
2 Medizinischer Hintergrund 17
2.1 Anatomie des Nahrungstransports zum Magen 17
2.1.1 Anatomie des Pharynx 17
2.1.2 Anatomie des Ösophagus 18
2.1.3 Anatomie des Magens 19
2.2 Physiologie des Schluckens 19
2.2.1 Physiologie des Pharynx 21
2.2.2 Physiologie des oberen Ösophagus-Sphinkters (OÖS) 21
2.2.3 Physiologie des tubulären Ösophagus 22
2.2.4 Physiologie des unteren Ösophagus-Sphinkters (UÖS) 22
2.3 Anatomie des Rektums 23
2.4 Physiologie des Rektums 24
2.5 Manometrie als Diagnosewerkzeug in Hohlorganen 24
2.5.1 Manometrie des Ösophagus 24
2.5.2 Manometrie des Rektums 26
2.5.3 Sphinkter Oddi-Manometrie (SOM) 27
2.6 Manometriemethoden 29
2.6.1 Perfusionsmanometrie 30
2.6.2 Transducer Manometrie 31
2.6.3 Durchzugsmanometrie 32
2.6.4 Manometrie mit Luftkathetern 32
2.6.5 Manometrie mit Faser-Bragg-Gittern 33
2.7 Limitierungen der Manometrie 33
2.8 High-Resolution Manometry (HRM) 34
2.9 Hygiene 36
2.10 Bewertungen und Schlussfolgerungen 37
3 Stand von Wissenschaft und Technik 40
3.1 Optische Fasern 40
3.2 Faser-Bragg-Gitter (FBG) 41
3.2.1 Einschreibeverfahren 41
3.2.2 Eigenschaften von FBGs 43
3.2.3 Typen von FBGs 44
3.3 Faser-Bragg-Gitter Sensoren 46
3.3.1 Dehnungsempfindlichkeit 46
3.3.2 Temperaturempfindlichkeit 47
3.3.3 Druckempfindlichkeit 47
3.4 Sensorische Wirkung von Bragg-Gittern in Polymerfasern 48
3.5 Auswerteverfahren 49
3.5.1 Interrogatoren mit breitbandigen Lichtquellen 50
3.5.2 Interrogatoren mit abstimmbaren Laserlichtquellen 52
3.5.3 Bewertung der Anwendbarkeit für Drucksensorkatheter 53
3.5.4 Unterscheidung von Temperatur und Dehnung 55
3.6 Faser-Bragg-Gitter basierte Drucksensoren 57
4 Entwicklung eines Drucksensorkatheters auf Basis von Faser-Bragg-Gittern 59
4.1 Zusammenfassung der Anforderungen 59
4.2 Vorbetrachtungen 59
4.2.1 Was bedeutet Druck bei einem Katheter? 59
4.2.2 Verwendete Faser-Bragg-Gitter 60
4.2.3 Mechanische Eigenschaften der optischen Fasern 62
4.2.4 Auswahl und Materialparameter des Mantelmaterials 63
4.2.5 Bestmögliche Druckempfindlichkeit – fluidgefüllte Zelle 66
4.2.6 Druckempfindlichkeit einer Faser im dicken Kunststoffmantel 67
4.3 Entwurf 69
4.3.1 Mögliche im Extrusionsverfahren herstellbare Katheterquerschnitte 69
4.3.2 Simulation der Druckempfindlichkeit 70
4.3.3 Dehnungsempfindlichkeit 73
4.3.4 Biegesteifigkeit 74
4.3.5 Festlegung der geometrischen Parameter für Kathetermuster 76
4.4 Herstellung von Mustern 76
4.5 Simulierte Eigenschaften der hergestellten Muster 78
4.5.1 Druckempfindlichkeit 78
4.5.2 Dehnungsempfindlichkeit 80
4.6 Auswerteverfahren 82
4.6.1 Interrogator „Blue Fiber Box“ 82
4.6.2 Betrachtungen zum Aliasing 82
5 Charakterisierung der Kathetermuster 84
5.1 Querschnittsgeometrie 84
5.1.1 Durchmesser 84
5.1.2 Exzentrizität 85
5.2 Konstruktion eines Prüfstands für die Charakterisierung der Druckempfindlichkeit 86
5.2.1 Mechanischer Aufbau 86
5.2.2 Druckbeeinflussung der Katheter 87
5.3 Druckempfindlichkeit der Kathetermuster 90
5.4 Zugfestigkeit 95
5.5 Dehnungsempfindlichkeit 99
5.6 Biegesteifigkeit 100
5.7 Temperaturempfindlichkeit 101
6 Ergebnisbewertung 103
6.1 Vergleich der gemessenen und berechneten Parameter 103
6.2 Änderungsvorschlag 104
6.3 Ergebnisse im Kontext medizinischer Anforderungen 105
7 Zusammenfassung und Ausblick 107
A Optische Faser in einem dicken Kunststoffmantel unter hydrostatischem Druck 109
B Modellierung in ANSYS 110
C Simulierte Druckempfindlichkeit der Kathetermuster 112
D Messverfahren für die Exzentrizität 113
E Messunsicherheit bei der Messung einer Referenzdruckkennlinie 116
Literaturverzeichnis 117
Tabellenverzeichnis 127
Abbildungsverzeichnis 128
Thesen 132

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