DE102008042554A1 - Portable monitoring device for monitoring respiration of patient suffering from e.g. sleep apnea, has elastically deformable electrodes arranged adjacent to insulation layer made of dielectric elastomer material - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung mindestens eines physiologischen Parameters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a monitoring device for monitoring at least one physiological parameter according to Preamble of claim 1.
Die Atmungsüberwachung gewinnt in einer immer älter werdenden Gesellschaft zunehmend Bedeutung für eine Vielzahl von Patienten. Insbesondere für Patienten, die an einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung oder an Atem- bzw. Schlafapnoe leiden, ist eine Langzeitüberwachung der Atmung von großer Bedeutung. Da die Patienten im täglichen Alltag überwacht werden sollen, ist es notwendig, über eine Sensorik zu verfügen, die einerseits genaue Messdaten liefert und andererseits einen hohen Tragekomfort aufweist und zudem kostengünstig in hohen Stückzahlen einsetzbar ist.The Respiration monitoring is gaining in age expectant society increasingly important for a variety of patients. Especially for patients who are suffering from a chronic obstructive pulmonary disease or respiratory or sleep apnea, is a long-term monitoring of breathing of great Importance. Because the patients are monitored in daily routine It is necessary to use a sensor on the one hand provides accurate measurement data and on the other hand has a high wearing comfort and also inexpensive can be used in large quantities.
Aus
der Veröffentlichung
Aus
der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Technische AufgabeTechnical task
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Überwachungsvorrichtung für mindestens einen physiologischen Parameter, insbesondere zur Überwachung der Atmung, vorzuschlagen, mit der einerseits hohe Dehnungen messbar sind und andererseits ein hoher Tragekomfort geboten werden. Bevorzugt soll die Überwachungsvorrichtung, insbesondere der mindestens eine Dehnungssensor der Überwachungsvorrichtung, kostengünstig herstellbar sein und genaue Messdaten liefern.Of the Invention is based on the object, an alternative monitoring device for at least one physiological parameter, in particular to monitor breathing, to suggest, on the one hand high strains are measurable and on the other hand a high wearing comfort be offered. Preferably, the monitoring device, in particular the at least one strain sensor of the monitoring device, be inexpensive to produce and provide accurate measurement data.
Technische LösungTechnical solution
Diese Aufgabe wird mit einer Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.These Task is with a monitoring device with the Characteristics of claim 1 solved. Advantageous developments The invention are specified in the subclaims. In the Within the scope of the invention, all combinations are omitted at least two of in the description, the claims and / or features disclosed in the figures.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine elastisch verformbare Elektrode, vorzugsweise unmittelbar, auf einer Isolationsschicht anzuordnen, die dielektrisches Elastomermaterial umfasst. Bevorzugt ist die, die elastisch verformbare Elektrode tragende, Isolationsschicht vollständig aus dielektrischem Elastomermaterial ausgebildet. Dielektrische Elastomere zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr weich sind, also einen niedrigen Elastizitätsmodul von vorzugsweise etwa 0,1 MPa bis 20 MPa aufweisen. Darüber hinaus ermöglichen sie die Realisierung großer elastischer Dehnungen, je nach Material von bis zu 250%. Bevorzugt weist die elastisch verformbare, von der Isolationsschicht getragene Elektrode den gleichen oder einen ähnlichen Elastizitätsmodul auf, um Spannungen zwischen den Schichten zu vermeiden. Hierzu ist es beispielsweise denkbar, die Elektrode aus einer Schicht dielektrischem Elastomermaterial auszubilden, welches mit elektrisch leitenden Partikeln, beispielsweise Graphitstaub, versetzt ist. Bevorzugt handelt es sich bei der elastisch verformbaren Elektrode um eine aus elastisch verformbarem Material ausgebildete Elektrode, wobei auch eine Ausführungsform realisierbar ist, bei der die Elektrode erst aufgrund der Anordnung auf der elastisch verformbaren Isolationsschicht elastisch verformbar wird.Of the Invention is based on the idea, an elastically deformable Electrode, preferably immediately, on an insulating layer to be arranged, which comprises dielectric elastomeric material. Prefers is the, the elastically deformable electrode bearing insulation layer completely formed of dielectric elastomeric material. Dielectric elastomers are characterized by being very soft are, so a low modulus of elasticity of preferably have about 0.1 MPa to 20 MPa. In addition, allow They realize large elastic strains, depending on Material of up to 250%. Preferably, the elastically deformable, supported by the insulating layer electrode the same or a similar modulus of elasticity to stresses between the layers to avoid. This is for example conceivable, the electrode of a layer of dielectric elastomeric material form, which with electrically conductive particles, for example Graphite dust, is offset. Preferably, it is in the elastically deformable Electrode formed around an elastically deformable material Electrode, wherein also an embodiment feasible is at which the electrode only due to the arrangement on the elastic deformable insulation layer is elastically deformable.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das dielektrische Elastomermaterial einen Elastizitätsmodul zwischen etwa 0,1 MPa und etwa 20 MPa aufweist. Diese Vorgabe wird beispielsweise von Acrylaten oder Silikonen erfüllt. Aufgrund des niedrigen Elastizitätsmoduls kann ein hoher Tragekomfort realisiert werden.In Development of the invention is provided with advantage that the dielectric elastomeric material has a modulus of elasticity between about 0.1 MPa and about 20 MPa. This default will For example, met by acrylates or silicones. by virtue of The low modulus of elasticity allows a high wearing comfort will be realized.
Besonders genaue Messdaten können erhalten werden, wenn der Dehnungssensor als Kondensator ausgebildet ist, bei dem mindestens zwei elastisch verformbare Elektroden von einer Schicht aus dielektrischem Elastomermaterial voneinander getrennt, d. h. elektrisch voneinander isoliert sind. Die Möglichkeit zum Erhalten besonders genauer Messergebnisse ist darauf zurückzuführen, dass, wenn an beiden voneinander abgewandten Enden des als Kondensator ausgebildeten Dehnungssensors gezogen wird, sich zum einen die Dicke des Dielektrikums (dielektrisches Elastomermaterial/Isolationsschicht) ändert und zum anderen die Elektrodenfläche so verformt wird, dass deren Abmessung senkrecht zur Zugrichtung (etwas) kleiner, jedoch die Abmessung in Zugrichtung (deutlich) größer wird. Anders ausgedrückt nimmt die Fläche des Dehnungssensors bei Zugbelastung zu, woraus eine erhebliche, messbare Erhöhung der elektrischen Kapazität der Anordnung resultiert. Insgesamt wird ein kostengünstig herstellbarer kapazitiver Dehnungssensor erhalten, mit dem große Dehnungen präzise detektierbar und messbar sind. Aufgrund des geringen Elastizitätsmoduls ist der Tragekomfort im Vergleich zu Dehnungssensoren auf Fe-Polymerbasis gut. Darüber hinaus kann der flächige Dehnungssensor sehr einfach in dehnbares textiles Gewebe eingebracht werden und kann mit einer Auswerteeinheit versehen in ein Brustband integriert werden, welches den Patienten bei seinen täglichen Bewegungen nicht (wesentlich) behindert.Particularly accurate measurement data can be obtained if the strain sensor is designed as a capacitor in which at least two elastically deformable electrodes are separated from one another by a layer of dielectric elastomer material, ie are electrically insulated from one another. The ability to obtain particularly accurate measurement results is due to the fact that when at both ends facing away from each other the thickness of the dielectric (dielectric elastomer material / insulating layer) changes and, on the other hand, the electrode surface is deformed so that its dimension perpendicular to the pulling direction (slightly) smaller, but the dimension in the pulling direction (clearly) gets bigger. In other words, the area of the strain sensor increases under tensile loading, resulting in a significant, measurable increase in the electrical capacitance of the device. Overall, a cost-producible capacitive strain sensor is obtained with the large strains are precisely detectable and measurable. Because of the low modulus of elasticity, the wearing comfort is good compared to Fe polymer-based strain sensors. In addition, the flat strain sensor can be very easily introduced into stretchable textile fabric and can be integrated with an evaluation integrated into a chest band, which does not (significantly) hinder the patient in his daily movements.
In Weiterbildung der Erfindung ist dem als mindestens ein Kondensator ausgebildeten Dehnungssensor eine Auswerteeinheit zugeordnet, die derart ausgebildet ist, dass sie eine Änderung der Dimension des Dehnungssensors auf Basis einer Kapazitätsmessung detektieren kann und/oder die ein Maß der Dehnung, insbesondere den Betrag der Dehnung, auf Basis ei ner Kapazitätsmessung messen kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass sie das Messergebnis auch im Hinblick auf den zu überwachenden physiologischen Parameter, insbesondere im Hinblick auf die Atmung, auswerten bzw. bewerten kann.In Further development of the invention is as at least one capacitor trained strain sensor associated with an evaluation, the like is formed that they change the dimension of the Detecting strain sensors on the basis of a capacitance measurement can and / or which is a measure of strain, in particular the Measure the amount of strain on the basis of a capacitance measurement can. It is particularly preferred if the evaluation unit is such is designed to give the measurement result with regard to the physiological parameters to be monitored, in particular with regard to respiration, can evaluate or evaluate.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, die Auswerteeinheit derart auszubilden, dass diese eine Längenänderung des Dehnungssensors auf Basis einer Widerstands- und/oder Leitfähigkeitsmessung detektierend ausgebildet ist und/oder dass die Auswerteeinheit auf Basis einer Widerstands- und/oder Leitfähigkeitsmessung ein Maß für die Dehnung ermittelt. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Auswerteeinheit das Messergebnis im Hinblick auf den zu überwachenden physiologischen Parameter, insbesondere die Atmung, bewertet. Für den Fall, dass die Detektierung bzw. Bestimmung der Dehnung über eine Widerstands- und/oder Leitfähigkeitsmessung erfolgt, ist es nicht notwendig, jedoch bevorzugt, den Dehnungssensor als Kondensator auszubilden.additionally or alternatively it is possible for the evaluation unit to be such form that this a change in length of the Detecting strain sensor based on a resistance and / or conductivity measurement is formed and / or that the evaluation unit based on a Resistance and / or conductivity measurement a measure of the strain is determined. It is very particularly preferred if the evaluation unit the measurement result with regard to the physiological to be monitored Parameters, in particular respiration, evaluated. In case that the detection or determination of the elongation over a Resistance and / or conductivity measurement is done is it is not necessary, but preferred, the strain sensor as a capacitor train.
Zur Messung des Widerstands oder der Leitfähigkeit kann, wie erwähnt, ein zuvor beschriebener Kondensatoraufbau des Dehnungssensors realisiert werden, wobei sich in diesem Fall der Effekt zu Nutze gemacht wird, dass sich als Folge einer Dehnung die elektrischen Leckströme durch die Isolationsschicht aus dielektrischem Elastomer, also die Ströme zwischen zwei Elektroden, ändern, was wiederum durch eine Widerstands- und/oder Leitfähigkeitsmessung direkt gemessen und gegebenenfalls ausgewertet werden kann.to Measurement of resistance or conductivity can, as mentioned, a previously described capacitor structure of Strain sensor can be realized, in which case the Effect that is made use of as a result of stretching the electrical leakage through the insulation layer dielectric elastomer, that is, the currents between two Electrodes, which in turn is replaced by a resistance and / or conductivity measurement measured directly and optionally can be evaluated.
Bei einer einfacheren Ausgestaltungsform umfasst der Dehnungssensor zur Messung des Widerstands oder der elektrischen Leitfähigkeit lediglich eine einzige Schicht aus die lektrischem Elastomer, die mit einer elektrisch leitenden Schicht (Elektrode) beschichtet ist, beispielsweise mit Graphitstaub bedruckt ist. Dabei ist es besonders bevorzugt, die so erhaltene Elektrode an beiden voneinander abgewandten Enden elektrisch zu kontaktieren bzw. mit der Auswerteeinheit zu verbinden.at In a simpler embodiment, the strain sensor includes for measuring the resistance or the electrical conductivity only a single layer of the lektrischem elastomer, the coated with an electrically conductive layer (electrode), For example, printed with graphite dust. It is special preferably, the electrode thus obtained on both facing away from each other Ends to contact electrically or with the evaluation to connect.
Wie eingangs erwähnt, ist es bevorzugt, dass die mindestens eine, vorzugsweise flächige, insbesondere rechteckig konturierte, Elektrode ein elektrisch leitfähiges Pulvermaterial, insbesondere Graphit, umfasst. Dieses ist weiter bevorzugt in ein elastisch verformbares Material eingebracht und/oder auf ein solches Material, insbesondere durch Bedrucken, aufgebracht. Bevorzugt handelt es sich bei dem elastischen, das elektrisch leitfähige Pulvermaterial aufweisende Material um dielektrisches Elastomermaterial. Eine besonders effiziente Möglichkeit zur Aufbringung des elektrisch leitfähigen Pulvermaterials besteht darin, dieses, vorzugsweise suspendiert aufzudrucken.As mentioned in the beginning, it is preferred that the at least one, preferably flat, in particular rectangular contoured, Electrode an electrically conductive powder material, in particular graphite, includes. This is more preferably in an elastically deformable Material introduced and / or on such a material, in particular by Printing, applied. Preferably, the elastic, the electrically conductive powder material having material to dielectric elastomeric material. A particularly efficient option for applying the electrically conductive powder material is to print this, preferably suspended.
Insbesondere dann, wenn der Dehnungssensor als Kondensator ausgebildet ist, ist es bevorzugt, wenn der Dehnungssensor als Mehrschichtaufbau ausgebildet ist, der mehrere Schichten aus einem dielektrischen Elastomer aufweist, wobei bevorzugt zwischen jeweils zwei voneinander beabstandeten dielektrischen Elastomerschichten (Isolationsschichten) eine Elektrodenschicht angeordnet ist. Zur Herstellung des Mehrschichtaufbaus ist es möglich, mehrere flächige Elektroden zwischen zusammenlaminierten, dielektrischen Elastomerschichten anzuordnen. Je nach dem, ob der Dehnungssensor als Kondensator ausgebildet sein soll oder nicht, ist es möglich, die Elektrodenschichten voneinander über das dielektrische Elastomer voneinander zu isolieren, oder aber, insbesondere für eine Widerstandsmessung elektrisch leitend miteinander zu verbinden, beispielsweise indem die Elektrodenschichten parallel oder in Reihe geschaltet werden. Eine Parallelschaltung ermöglicht eine einfachere Auswertung einer Widerstandsmessung. Eine Reihenschaltung von mindestens zwei Elastomerschichten ist im Hinblick auf die Realisierung größerer Messstrecken, bei gleichzeitiger Realisierung minimaler Abmessungen und damit Erzielung einer verbesserten Auflösung, von Vorteil. Eine Reihenschaltung ist beispielsweise durch eine entsprechende Verbindung unterschiedlicher Elektrodenschichten realisierbar, oder alternativ durch einfaches Falten eines beidseitig beschichteten, insbesondere bedruckten, dielektrischen Elastomerstreifens.In particular, when the strain sensor is formed as a capacitor, it is preferred if the strain sensor is formed as a multi-layer structure having a plurality of layers of a dielectric elastomer, wherein preferably between each two spaced apart dielectric elastomer layers (insulation layers) an electrode layer is disposed. To produce the multilayer structure, it is possible to arrange a plurality of planar electrodes between laminated, dielectric elastomer layers. Depending on whether or not the strain sensor is to be designed as a capacitor, it is possible to isolate the electrode layers from one another via the dielectric elastomer or, in particular for a resistance measurement, to connect them electrically conductively, for example by the electrode layers being parallel or in Series are switched. A parallel connection allows a simpler evaluation of a resistance measurement. A series connection of at least two elastomer layers is advantageous with regard to the realization of larger measuring sections, while at the same time realizing minimum dimensions and thus achieving an improved resolution. A series connection is distinguished, for example, by a corresponding connection can be realized cher cher electrode layers, or alternatively by simply folding a coated on both sides, in particular printed, dielectric elastomer strip.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung, bei der mindestens ein, wie zuvor beschrieben ausgebildeter, Dehnungssensor an einem dehnbaren, insbesondere textilen Gewebe festgelegt ist, beispielsweise um auf diese Weise einen Brustgurt zu bilden oder unmittelbar in ein eng anliegendes Kleidungsstück integriert zu werden.All particularly preferred is an embodiment of the monitoring device, in the at least one, as previously described trained, strain sensor is fixed to a stretchable, in particular textile fabric, for example, to form a chest strap in this way, or immediately to be integrated into a tight-fitting garment.
Im Hinblick auf die Möglichkeit zur Ausbildung der Elektroden gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt handelt es sich um elastische Materialien mit hoher relativer Dielektrizitätszahl, oder um Materialien, beispielsweise dielektrische Elastomere, die durch Beimengung von Zusatzstoffen, wie beispielsweise ferroelektrische Materialien in Pulverform eine hohe relative Dielektrizitätszahl erreichen. Auch ist es möglich, die Elektroden durch eine besondere Ausgestaltung eines Tragegurtes zu realisieren, dessen Gestaltung sich bevorzugt an den anatomischen Gesichtspunkten orientiert.in the With regard to the possibility of forming the electrodes There are different possibilities. Preferred is these are elastic materials with a high relative permittivity, or to materials, such as dielectric elastomers, by Addition of additives, such as ferroelectric Materials in powder form a high relative permittivity to reach. It is also possible to use a to realize special embodiment of a shoulder strap, its design preferably oriented to the anatomical point of view.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei der dielektrisches Elastomer als selbstklebende Folie ausgebildet ist, wodurch es möglich ist, den auf diese Weise erhaltenen Dehnungssensor einfach auf ein Textil, beispielsweise ein Kleidungsstück oder einen Brustgurt, aufzukleben.Especially preferred is an embodiment variant in which dielectric Elastomer is formed as a self-adhesive film, whereby it is possible the strain sensor obtained in this way simply onto a textile, for example, a garment or a chest belt, to stick.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description of preferred embodiments as well as from the drawings. These show in:
Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit den gleichen Funktionen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In The figures are the same elements and elements with the same Functions marked with the same reference numerals.
In
Der
Dehnungssensor
Die
Isolationsschicht
Die
beiden Elektroden
Bei
einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann
beispielsweise eine der Elektroden
In
Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß
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den Fall, dass die Auswerteeinheit
Bei
einer alternativen, nicht gezeigten, Ausführungsform besteht
der Dehnungssensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - „Knitted Bioclothes für Health Monitoring”, N. Taccini, G. Loriga, A. Dittmar, R. Paradiso, Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA, September 1–5, 2004 [0003] - "Knitted Bioclothes for Health Monitoring", N. Taccini, G. Loriga, A. Dittmar, R. Paradiso, Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA, September 1-5, 2004 [0003]
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Effective date: 20140501 |