DE29911803U1

DE29911803U1 - Device for determining gastric motility

Info

Publication number: DE29911803U1
Application number: DE29911803U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2009-07-08

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Magenmotilität, d.h. der Stärke und Freguenz von Magenbewegungen.The invention relates to a device for determining gastric motility, i.e. the strength and frequency of gastric movements.

Untersuchungen von Verdauungsvorgängen sowohl bei Wildtieren wie auch bei Nutztieren sind von wachsendem Interesse. In ersterem Fall stehen vor allem Untersuchungen zur Abschätzung von Stoff- und Energieflüssen in Ökosystemen im Vordergrund. In der NutztierforschungStudies of digestive processes in both wild animals and livestock are of growing interest. In the former case, the focus is primarily on studies to estimate material and energy flows in ecosystems. In livestock research

19001900

Niemannsweg 133 · D-24105 Kiel · Telephon +49-431-84075 · Telefax +49-431 -84077Niemannsweg 133 · D-24105 Kiel · Telephone +49-431-84075 · Fax +49-431 -84077

MÜNCHEN - BREMEN - BERLIN - FRANKFURT - DÜSSELDORF - POTSDAM - BRANDENBURG - HÖHENKIRCHEN - KIEL - BIELEFELD - ALICANTEMUNICH - BREMEN - BERLIN - FRANKFURT - DÜSSELDORF - POTSDAM - BRANDENBURG - HÖHENKIRCHEN - KIEL - BIELEFELD - ALICANTE

http://www.boehmert.de e-mail: postmaster@boehmert.dehttp://www.boehmert.de e-mail: postmaster@boehmert.de

BOEHMERT & BOEHMEkT*. t * &iacgr; : &Ggr; ···;···BOEHMERT & BOEHMEkT*. t * &iacgr; : &Ggr;···;···

spielt die Untersuchung von Verdauungsvorgängen eine ganz wesentliche Rolle bei der Abschätzung der Futterverwertung. Die Kenntnis wichtiger verdauungsphysiologischer Parameter, wie z.B. pH-Wert und gastrointestinaler Motilität, ergibt Anhaltspunkte für die Effizienz, mit der bestimmte Futterqualitäten verwertet werden können. Auch der Einfluß medizinischer Präparate auf die Verdauung ist hier von Interesse. Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die frühzeitige Erkennung suboptimaler physiologischer Zustände, die sich als Veränderungen im sekretorisch-motorischen Status der Verdauungsvorgänge niederschlagen. Hier können automatische Überwachungssysteme helfen, solche Zustände frühzeitig zu erkennen, bevor eine pathogene Veränderung äußerlich an den Tieren feststellbar wird.The study of digestive processes plays a very important role in estimating feed utilization. Knowledge of important digestive physiological parameters, such as pH value and gastrointestinal motility, provides information on the efficiency with which certain feed qualities can be utilized. The influence of medical preparations on digestion is also of interest here. Another important factor is the early detection of suboptimal physiological conditions, which are reflected in changes in the secretory-motor status of the digestive processes. Automatic monitoring systems can help to detect such conditions early on, before a pathogenic change can be detected externally in the animals.

Insbesondere bei Mast- und Milchvieh (z.B. Kühen) gibt die Überwachung der gastrischen Motilität eine Auskunft über die Verdauung der Tiere und insbesondere die individuelle Verträglichkeit des Futters. Ggf. kann aufgrund der Kenntnis der Motilitätsdaten eine individuelle Anpassung der Futterzusammensetzung für das jeweilige Tier erfolgen.Especially in fattening and dairy cattle (e.g. cows), monitoring gastric motility provides information about the animals' digestion and, in particular, their individual tolerance of feed. If necessary, the feed composition can be individually adjusted for each animal based on knowledge of the motility data.

Die meisten herkömmlichen Techniken zur Messung gastrischer Motilität basieren, abgesehen von Radiografie und myoelektrischen Messungen, auf der Registrierung der durch die Peristaltik hervorgerufenen intraluminalen Druckveränderungen. Dies wird einerseits durch, z.T. operative, Einführung kompressibler Ballons oder flüssigkeitsgefüllter Schläuche in den Magen erzielt, die mit Druckaufnehmern außerhalb des Körpers verbunden sind, oder andererseits werden Druckdaten auch telemetrisch mit Hilfe von geschluckten oder implantierten Drucksensoren übermittelt.Most conventional techniques for measuring gastric motility, apart from radiography and myoelectric measurements, are based on the registration of intraluminal pressure changes caused by peristalsis. This is achieved by introducing compressible balloons or fluid-filled tubes into the stomach, sometimes surgically, which are connected to pressure sensors outside the body, or by transmitting pressure data telemetrically using swallowed or implanted pressure sensors.

BOEHMERT & boehmert: : *: : : ··:··:BOEHMERT & boehmert: : *: : : ··:··:

Alle diese überwiegend für experimentelle Zwecke entwickelten und zum Teil invasiven Methoden können nur unter Laborbedingungen durchgeführt werden und haben damit den Nachteil, dem zu untersuchenden Tier keinen Bewegungsspielraum zu gewähren, was Messungen unter natürlichen Bedingungen erschwert. Oder, wie im Fall von telemetrischen Druckmessungen, die Methoden bedingen, daß die Daten kontinuierlich (oder zumindest mit hoher Frequenz) aufgenommen werden müssen, da erst eine hohe zeitliche Auflösung eine Aussage über die Dynamik der Druckveränderungen zuläßt.All of these methods, which were mainly developed for experimental purposes and are partly invasive, can only be carried out under laboratory conditions and thus have the disadvantage of not allowing the animal being examined any freedom of movement, which makes measurements under natural conditions difficult. Or, as in the case of telemetric pressure measurements, the methods require that the data must be recorded continuously (or at least at a high frequency), since only a high temporal resolution allows a statement to be made about the dynamics of the pressure changes.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Magenmotorik (gastrische oder auch intestinale Motilität) von Tieren mit Hilfe einer nicht-invasiven Methode dauerhaft und unter möglichst unveränderten Bedingungen für das Tier zu überwachen.The present invention has the object of monitoring the gastric motility (gastric or intestinal motility) of animals using a non-invasive method permanently and under conditions that are as unchanged as possible for the animal.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen.This object is solved by the features of claim 1. Claims 2 to 5 relate to advantageous embodiments.

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät mit einem piezoelektrischen Sensorelement, welches es ermöglicht, durch eine entsprechende nachgeschaltete elektronische Signalverarbeitung Bewegungen in ihrer Stärke und Frequenz zu erfassen. Hierbei wird ein piezoelektrischer Foliensensor aus PVDF (Polyvinyliden-Fluorid) verwendet, der eine hohe Flexibilität und Elastizität aufweist. Piezoelektrische Materialien haben die Eigenschaft, unter Einwirkung einer mechanischen Verformung elektrische Ladung zu erzeugen. PVDF-Folien entwickeln dabei eine wesentlich höhere piezoelektrische Intensität als alle anderen bekannten piezoelektrischen Materialien. Die generierteThe invention relates to a measuring device with a piezoelectric sensor element, which makes it possible to detect movements in their intensity and frequency by means of appropriate downstream electronic signal processing. A piezoelectric film sensor made of PVDF (polyvinylidene fluoride) is used here, which has a high degree of flexibility and elasticity. Piezoelectric materials have the property of generating an electrical charge under the influence of mechanical deformation. PVDF films develop a significantly higher piezoelectric intensity than all other known piezoelectric materials. The generated

BOEHMERT & BOEHMERT* : ·..· : .,* _#l BOEHMERT & BOEHMERT* : ·..· : .,* _#l

Ladung ist dabei proportional zu der Stärke der mechanischen Verformung.The charge is proportional to the strength of the mechanical deformation.

Neben piezoelektrischen Eigenschaften weisen PVDF-Folien auch pyroelektrische Eigenschaften auf, wodurch es auch bei Einwirkung von Wärmeenergie zu einer Ladungsentwicklung kommt. Dieser Effekt spielt jedoch im Vergleich zur Piezoelektrizität nur eine untergeordnete Rolle. Für die vorliegende Anwendung wurde darüber hinaus ein Sensortyp verwendet, der nur geringe pyroelektrische aber hohe piezoelektrische Wirkung entfaltet. Durch die hohe dauerhafte Elastizität des Materials lassen sich einwirkende Kräfte verläßlich reproduzierbar aufnehmen.In addition to piezoelectric properties, PVDF films also have pyroelectric properties, which means that a charge is generated when exposed to thermal energy. However, this effect plays only a minor role compared to piezoelectricity. For this application, a sensor type was used that has only a low pyroelectric but high piezoelectric effect. The high, permanent elasticity of the material means that the forces acting on it can be reliably and reproducibly recorded.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:Further advantages and details of the invention emerge from the following description of a preferred embodiment.

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Sensorelement in seitlicher Ansicht, undFig. 1 shows a device according to the invention with a sensor element in a side view, and

Fig. 2 eine Vorrichtung wie in der Fig. 1 in Draufsicht.Fig. 2 shows a device as in Fig. 1 in plan view.

Die in der Fig. 1 dargestellte, erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem die Meßelektronik beherbergenden Gehäuse 10, an dem durch einen Schlitz in seinem dichtenden Deckel 11 ein Foliensensor in Form eines Streifens 12 angebracht ist. Am distalen Ende des Foliensensors befindet sich ein linsenförmig abgerundeter Kopf 14.The device according to the invention shown in Fig. 1 consists of a housing 10 which houses the measuring electronics and to which a foil sensor in the form of a strip 12 is attached through a slot in its sealing cover 11. At the distal end of the foil sensor there is a lens-shaped, rounded head 14.

BOEHMERT & BOEHMERT· I \." : ..· .BOEHMERT & BOEHMERT· I \." : ..· .

Die Breite des Meßstreifens läßt sich aus der Fig. 2 erkennen, wobei zusätzlich ein Maßstab für die Längen- und Breitenverhältnisse angebracht ist. Die gesamte Vorrichtung ist im vorliegenden Anwendungsbeispiel ca. 14 0 mm lang, was bei den Magendimensionen von z.B. Rindern keine Probleme schafft. Die Größe des Gerätes wie auch die der Sensorfläche kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgelegt werden. Durch Wahl einer entsprechend hohen Dichten kann sichergestellt werden, daß die Vorrichtung im Magen des Tieren verbleibt (normalerweise Pansen oder Netzmagen) und nicht wieder ausgespien wird.The width of the measuring strip can be seen in Fig. 2, where a scale for the length and width ratios is also attached. In the present application example, the entire device is approx. 14 0 mm long, which does not cause any problems with the stomach dimensions of cattle, for example. The size of the device and the sensor surface can be designed differently depending on the application. By choosing a sufficiently high density, it can be ensured that the device remains in the animal's stomach (normally the rumen or reticulum) and is not spat out again.

Der Durchmesser der Vorrichtung beträgt im Beispiel 19 mm, das Gewicht ohne weitere Gewichte 45 g. Bei dem gewählten Volumen sollte noch eine zusätzliche Beschwerung stattfinden, um bei Wiederkäuern ein Ausspeien zu verhindern. Ein Abtastintervall von 10 Sekunden hat sich als geeignet erwiesen. Selbstverständlich kann dieses je nach Anwendungszweck in sich ausgedehnt oder verkürzt werden.In the example, the diameter of the device is 19 mm and the weight without additional weights is 45 g. The selected volume should also be weighted down to prevent ruminants from spitting out the food. A sampling interval of 10 seconds has proven to be suitable. Of course, this can be extended or shortened depending on the application.

Vorteil des piezoelektrischen Sensors ist u. a., daß er im Vergleich zu Kraftaufnehmern sich selbst nach jeder Bewegung wieder auf Null stellt. Das bedeutet, daß eine definierte Position des Sensors keine Vorbedingung für eine akkurate Messung ist.One of the advantages of the piezoelectric sensor is that, in comparison to force sensors, it resets itself to zero after each movement. This means that a defined position of the sensor is not a prerequisite for an accurate measurement.

Weiter bietet das Gehäuse noch Aufnahme für einen ggf. vorzusehenen Temperatursensor, der die Aussagekraft der Motilitätsmessungen deutlich erhöhen kann, da einerseits Informationen über das Trinkverhalten der Tiere gewonnen werden können, andererseits auch eine Vielzahl von Erkrankungen oder physiologisch kritischen Zuständen auch durch erhöhte Temperatur erkennbar werden.The housing also offers space for a temperature sensor, if required, which can significantly increase the significance of the motility measurements, as on the one hand information about the drinking behavior of the animals can be obtained, and on the other hand a variety of diseases or physiologically critical conditions can also be recognized by increased temperature.

BOEHMERT & BOEHMERT* .* ·..· : ..' ., BOEHMERT & BOEHMERT* .* ·..· : ..' .,

Bei der vorliegenden Erfindung dient ein metallbeschichteter piezoelektrischer Foliensensor als Bewegungsaufnehmer (PVDF, Dicke 28 &mgr;&idiagr;&eegr;, aktive Fläche 12,5 &khgr; 30 mm). Der Sensor ist mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die als wesentliches konstruktives Element einen Spannungsintegrator enthält. Dieser Spannungsintegrator mit frei einstellbarem IntegrationsIntervall wird durch einen Mikroprozessor mit Echtzeit-Uhr kontrolliert. Durch diesen Aufbau können, je nach gewähltem Integrationsintervall, die Signale einer oder mehrerer Bewegungen summiert werden. Da der Piezosensor in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung sowohl positive wie auch negative Spannungen erzeugt, wird das Eingangssignal vor der Integration gefiltert, so daß nur Spannungen des gleichen Vorzeichens aufsummiert werden.In the present invention, a metal-coated piezoelectric film sensor serves as a motion sensor (PVDF, thickness 28 μηη, active area 12.5 x 30 mm). The sensor is connected to an electronic circuit that contains a voltage integrator as an essential structural element. This voltage integrator with a freely adjustable integration interval is controlled by a microprocessor with a real-time clock. This structure allows the signals of one or more movements to be summed, depending on the integration interval selected. Since the piezo sensor generates both positive and negative voltages depending on the direction of movement, the input signal is filtered before integration so that only voltages of the same sign are summed.

Ein Zählkanal am Prozessor kann darüberhinaus die Vorzeichenwechsel registrieren und damit die Bewegungsfrequenz über das entsprechende Meßintervall aufzeichnen. Aufgrund der geringen erzeugten Ladung ist der Eingang des Spannungsintegrators hochohmig ausgelegt. Die Daten werden in Binärformat in einem Datenspeicher abgelegt und können entweder nach Rückgewinnung des Gerätes direkt über eine Computerschnittstelle ausgelesen werden oder bei Verbindung mit einem Sendesystem in Abständen an eine Empfangsstation übertragen werden.A counting channel on the processor can also register the sign changes and thus record the movement frequency over the corresponding measuring interval. Due to the low charge generated, the input of the voltage integrator is designed to be high-impedance. The data is stored in binary format in a data memory and can either be read out directly via a computer interface after the device has been recovered or, when connected to a transmitting system, transmitted at intervals to a receiving station.

Die Meßelektronik ist in einem druckfesten Gehäuse untergebracht, wobei der Foliensensor durch eine schlitzförmige Öffnung im Gehäusedeckel nach außen ragt. Die Sensordurchführung ist durch Vergießen mit Kunststoff (z.B. Epoxy) abgedichtet. Der Deckel selbst ist gegen das Gehäuse mit O-Ringen druckfest abgedichtet. Um Verletzungen der Magenwand zu vermeiden, ist das distale Ende des Sensors mit einem linsenförmigen KunststoffkopfThe measuring electronics are housed in a pressure-resistant housing, with the foil sensor protruding through a slot-shaped opening in the housing cover. The sensor feedthrough is sealed by casting with plastic (e.g. epoxy). The cover itself is pressure-resistantly sealed against the housing with O-rings. To avoid injuries to the stomach wall, the distal end of the sensor is fitted with a lens-shaped plastic head.

BOEHMERT & BOEHMER₁T* : ·..· : ..· ..BOEHMERT & BOEHMER ₁ T* : ·..· : ..· ..

·■· 7 —·■· 7 —

versehen und der gesamte Sensor mit einer mechanisch und chemisch widerstandsfähigen elastischen Kunststoffschicht (z.B. Silikonkautschuk) überzogen.and the entire sensor is covered with a mechanically and chemically resistant elastic plastic layer (e.g. silicone rubber).

Die so vorliegende Magensonde wird dem zu untersuchenden Tier per os verabreicht und verbleibt während der Untersuchung im Magen. Das Gerät wird durch die Magenmotorik im Magen bewegt, was eine Biegung des Sensors relativ zum Sondengehäuse bewirkt und damit zur Spannungserzeugung führt. Durch ihre Größe kann die Sonde den Pylorus (Magenausgang) nicht passieren, und durch entsprechende Anpassung der Geräte-Masse (d.h. der Gesamtdichte) kann ein Ausspeien, z.B. durch wiederkäuende Tiere, weitestgehend vermieden werden.The gastric tube is administered orally to the animal to be examined and remains in the stomach during the examination. The device is moved in the stomach by the gastric motor system, which causes the sensor to bend relative to the tube housing and thus generates tension. Due to its size, the tube cannot pass through the pylorus (stomach outlet), and by adjusting the device mass accordingly (i.e. the overall density), spitting out, e.g. by ruminant animals, can be largely avoided.

Durch die dynamische Eigenschaft des Sensors, nur Bewegungen, d. h. Lageänderungen, zu registrieren, ist eine definierte Lage der Sonde für deren Funktion nicht notwendig. Im Gegensatz zu Dehnungsmeßstreifen, die einen definierten Widerstand in Abhängigkeit der Biegebeanspruchung aufweisen, stellt sich das hier vorgestellte System bei fehlender Bewegung oder bei Datenablage im Speicher wieder auf Null zurück.Due to the dynamic property of the sensor, which only registers movements, i.e. changes in position, a defined position of the probe is not necessary for it to function. In contrast to strain gauges, which have a defined resistance depending on the bending stress, the system presented here resets to zero if there is no movement or if data is stored in the memory.

Durch entsprechende Kalibrationen lassen sich die aufsummierten Spannungswerte in Bewegungseinheiten überführen. Vergleichsmessungen dieses Systems mit intraluminalen Druckmessungen in vivo zeigen eine hohe Übereinstimmung beider Aufzeichnungsmethoden. Eine direkte Umrechnung der Bewegungseinheiten in Druckeinheiten ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da ähnliche Druckveränderungen unterschiedliche Bewegungen hervorrufen können und umgekehrt (z.B. je nach Funktion der Peristaltik).The summed voltage values can be converted into movement units through appropriate calibrations. Comparative measurements of this system with intraluminal pressure measurements in vivo show a high degree of agreement between the two recording methods. However, a direct conversion of the movement units into pressure units is not easily possible, as similar pressure changes can cause different movements and vice versa (e.g. depending on the function of peristalsis).

BOEHMERT & BOEHMERT' : *..' : ..· ..BOEHMERT & BOEHMERT' : *..' : ..· ..

Die vorliegende Methode bietet folgende Vorteile gegenüber bisher verwendeten Techniken:The present method offers the following advantages over previously used techniques:

aktives Meßelement (= geringer Stromverbrauch)active measuring element (= low power consumption)

- 10 bis 100-fach kostengünstiger als Drucksensor niedrigfrequente Datenaufnahme möglich- 10 to 100 times more cost-effective than pressure sensor, low-frequency data recording possible

- unabhängig vom Umgebungsdruck (im Ggs. &zgr;. Drucksensor, tauchende Tiere)- independent of ambient pressure (in contrast to pressure sensor, diving animals)

unabhängig von der Bewegung des Tieres (im Ggs. z. Beschleunigungssensor)independent of the movement of the animal (in contrast to acceleration sensor)

- Sensor registriert Bewegung, nicht die intraluminale Druckveränderung (d.h. direkte Messung der Motilität, bzw. deren Wirkung auf die Nahrung im Magen)- Sensor registers movement, not the intraluminal pressure change (i.e. direct measurement of motility or its effect on the food in the stomach)

- mechanisch robust und reproduzierbar (Ggs. Dehnungsmeßstreifen) - mechanically robust and reproducible (compared to strain gauges)

Insbesondere bei Langzeitmessungen muß für eine ausreichend lange Betriebsdauer bei gleichzeitig geringen Geräteabmessungen gesorgt werden. Da es sich bei dem verwendeten Piezosensor um ein aktives Meßelement handelt, d.h. die Energie zur Erzeugung des Meßsignals durch den Sensor selbst geliefert wird, kann das System äußert energiesparend betrieben werden. Darüberhinaus kann die elektronische Schaltung zur Meßwertaufnahme (im wesentlichen die Prozessoreinheit) zwischen den eigentlichen Messungen weitgehend abgeschaltet werden (Sleep-Modus). Im Gegensatz dazu müssen andere Sensor-Systeme wie z.B. Drucksensoren oder Dehnungsmeßstreifen (Widerstandsveränderung in Abhängigkeit einer Zug- oder Biegebelastung)Particularly for long-term measurements, it is important to ensure that the device has a sufficiently long operating time and at the same time has small dimensions. Since the piezo sensor used is an active measuring element, i.e. the energy for generating the measuring signal is supplied by the sensor itself, the system can be operated in an extremely energy-efficient manner. In addition, the electronic circuit for recording the measured values (essentially the processor unit) can be largely switched off between the actual measurements (sleep mode). In contrast, other sensor systems such as pressure sensors or strain gauges (change in resistance depending on a tensile or bending load)

BOEHMERT & BOEHMERT... \ - 9 -BOEHMERT & BOEHMERT... \ - 9 -

praktisch ständig eingeschaltet sein, um über die hochfrequente Meßwertaufnähme eine Aussage über z.B. Stärke und Verlauf der Druck- bzw. Bewegungsveränderungen zu geben.be switched on practically all the time in order to provide information about, for example, the strength and course of pressure or movement changes via the high-frequency measurement data recording.

Beschleunigungssensoren, die ebenfalls eine Möglichkeit der Bewegungsmessung darstellen, zeichnen sich durch einen hohen Stromverbrauch aus und müssen ebenfalls dauerhaft eingeschaltet sein. Darüberhinaus ist das von ihnen gelieferte Signal auch von der äußeren Bewegung des Tieres abhängig. Der Piezosensor wird dagegen von der Bewegung des Tierkörpers relativ zum Raum nicht beeinflußt.Acceleration sensors, which are also a way of measuring movement, are characterized by high power consumption and must also be switched on permanently. In addition, the signal they provide is also dependent on the external movement of the animal. The piezo sensor, on the other hand, is not influenced by the movement of the animal's body relative to the room.

Das System kann darüber hinaus auch für andere Bewegungsmessungen verwendet werden (z.B. Lauf- und Schwimmbewegungen etc.).The system can also be used for other movement measurements (e.g. running and swimming movements, etc.).

Claims

1. Device for determining gastric motility with a telemetric device, characterized by an intraluminal sensor provided with a movable section accommodating a piezoelectric film sensor.

2. Device according to claim 1, characterized in that the sensor, which is attached to a body accommodating the electronics at one end in the extension of the body, consists of a PVDF strip provided with an elastic plastic coating, which is connected to the interior of the body by a slot on the front side of the body.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a lens-shaped head is provided at the distal end of the strain gauge.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a voltage integrator is provided in the evaluation unit present in the body.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a microprocessor with freely adjustable integration intervals is provided in the telemetry circuit in the body.