Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand. - Auch im Internet unter der Adresse http://uvka.ubka.uni-karlsruhe.de/shop/isbn/978-3-86644-221-4 verfügbar

Zugl.: Karlsruhe, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2006

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2008

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2008

University, Diss., 2005--Kassel.

University, Diss., 2005--Kassel.

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.

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.:Formelzeichen- 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

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung und optische Untersuchung von Halbleiterheterostrukturen, genauer Mikrokavitäten, in denen ein Bose–Einstein Kondensat (BEK) von sogenannten Exziton-Polaritonen im Festkörper erzeugt und beobachtet werden soll. Diese Strukturen bestehen aus zwei hochreflektierenden Braggspiegeln (BS) und einer ZnO-Kavität als aktivem Material. Zunächst wurde die Abscheidung der BS hinsichtlich genauer Schichtdickenkontrolle und Reproduzierbarkeit verbessert. Um Kavitätsschichten hinreichender Qualität herzustellen, wurden mehrere Ansätze zur Optimierung dieser planaren Schichtabscheidung mittels gepulster Laserdeposition verfolgt. Dabei kamen Techniken, wie das Ausheizen der Proben oder deren Glättung durch Ionenstrahlbeschuß zum Einsatz, um die elektronischen Eigenschaften bzw. die Oberflächen der Kavitätsschichten erheblich zu verbessern. Desweiteren wurde erfolgreich ein Verfahren entwickelt, freistehende, nahezu einkristalline ZnO-Nanodrähte mit Braggspiegeln zu ummanteln. Alle hergestellten Strukturen wurden in ihren strukturellen Eigenschaften, speziell hinsichtlich ihrer Rauhigkeit und Kristallinität, verglichen und mittels orts- und/oder winkelaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie sowie Reflexionsmessungen bezüglich ihrer optischen Eigenschaften untersucht. Dabei konnte in fast allen Proben die starke Kopplung, welche die Grundlage für ein BEK darstellt, gezeigt werden. Hinweise für eine höhere Kopplungsstärke in den Nanodraht-basierten Mikrokavitäten wurden gefunden. Der Nachweis von BEK bis nahe Raumtemperatur gelang an der vielversprechendsten planaren Probe, die einen Qualitätsfaktor von ca. 1000 aufweist. Die Eigenschaften des BEK wurden für verschiedene Temperaturen und Detunings untersucht. Es hat sich gezeigt, daß ein negatives Detuning unerläßlich für die Bildung eines BEK in ZnO-basierten Mikrokavitäten ist. Die Impulsraumverteilung der Kondensat-Polaritonen läßt auf ausgeprägte dynamische Eigenschaften dieser Teilchen bei tiefen Temperaturen schließen. / The present work covers the fabrication and optical investigation of semiconductor microcavities for Bose–Einstein condensation (BEC) of exciton-polaritons. These microcavities consist of highly reflective distributed Bragg reflectors (DBR) surrounding a ZnO-cavity as active medium. In the first step, the growth of DBRs was optimised with respect to exact thickness control and high reproducibility. For the active material, several growth strategies have been pursued, in order to optimise the conditions for the growth of planar thin films by pulsed laser deposition. Techniques like annealing or ion beam smoothing were successfuly applied in order to either improve the electronic properties or decrease the roughness of the ZnO-cavity layer. Furthermmore, a successful technology was developed in order to coat highly-crstalline free-standing ZnO nanowires with concentrical DBR shells. All samples have been investigated regarding their roughness and crystallinity as well as their optical properties. For the latter spatially and/or angular-resolved photoluminescence spectroscopy and reflection measurements have been carried out. Thereby, the strong coupling regime – being prerequisite for BEC – could be demonstrated in almost all of the synthesized structures. For the nanowire-based microcavities hints for an enhanced coupling strength have been found. In one of the planar samples, showing the high quality factor of 1000, the formation of BEC almost up to room temperature was observed and was studied as a function of temperature and detuning. Negative detuning was found to be mandatory for the formation of a BEC in ZnO-based microcavities. The distinct momentum- respective in-plane wavevector distribution of the condensate polaritons revealed a strong dynamic character of these particles at low temperatures.