DE3809084C2 - Sensor zur nichtinvasiven Messung der Pulsfrequenz und/oder der Sauerstoffsättigung des Blutes und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur nichtinvasiven Messung der Pulsfrequenz und/oder der Sauerstoffsättigung des Blutes einer Person gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie umfaßt auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors.

Bei dem bekannten Sensor gemäß Oberbegriff (US-PS 4 685 464), welcher in Form einer Zange ausgebildet ist, zwischen deren beide Backen ein Fingerende eingelegt werden kann, ist in jeder der beiden Backen ein Gehäuse eingesetzt, das auf seiner dem anderen Gehäuse zugekehrten Seite eine Rinne zur Aufnahme des Fingerendes bildet. Im Grund dieser Rinne ist eine Vertiefung vorgesehen, in welcher der Sender bzw. der Empfänger liegt. Eine dünne Schicht aus einem lichtdurchlässigen Material schließt die Vertiefung nach außen hin ab und bedeckt den Sender bzw. den Empfänger unter Bildung eines lichtdurchlässigen Fensters. Die beiden hohlen Gehäuse bestehen aus einem weichelastischen Material, beispiels­ weise Siliconkautschuk, und dienen auch als Polster, um den Anpreßdruck gleichmäßig auf die Fingeroberfläche zu verteilen.

Ein weiterer Pulsfrequenzsensor unterschiedlicher Art, bei dem sich der Sender und der Empfänger ohne Abdeckung der Lichtaustrittsfläche bzw. Lichtein­ trittsfläche aus ihrem Gehäuse nach außen erstrecken, ist aus der schwei­ zerischen Patentschrift 623 477 bekannt. Auch dieser bekannte Sensor ist für die Abtastung an einem Fingerende des betreffenden Probanden vorgesehen, wobei Sender und Empfänger mittels einer Manschette am Fingerende ange­ bracht werden oder das Fingerende an eine die Pulsfrequenz anzeigende Digitaluhr angelegt wird, aus deren Gehäuse Sender und Empfänger nach außen vorstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er nicht nur am Fingerende angebracht werden kann, sondern überall dort, wo eine Messung wünschenswert oder erforderlich ist, und daß er auch für längere Zeit an der Meßstelle angebracht sein kann, ohne störend in Erscheinung zu treten. Diese Aufgabe wird mit dem Sensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Sensor ist durch die Umhüllung gegen das Eindringen von Körperflüssigkeit zuverlässig geschützt. Außerdem ist durch die Umhüllung und die flache Form des Sensors eine leichte Reinigung gewährleistet. Die Anordnung des Senders und des Empfängers auf einer flexiblen Leiterplatte ergeben zum einen sehr geringe Abmessungen und eine sehr flache Form. Zum anderen ist hierdurch der Sensor gewichtsarm und an die Oberfläche, an die er für eine Messung angelegt werden muß, gut anpaßbar. Dank der Umhüllung läßt sich problemlos ein hoher Isolationswert und eine hohe elektrische Durchschlagsfestig­ keit zwischen den elektrischen Leiterbahnen des Sensors und zur Hautoberfläche erreichen. Weiterhin erlaubt die flache Form des erfindungsgemäßen Sensors mit seiner guten Anpassungs­ fähigkeit an die Hautoberfläche des Probanden, daß der Sensor problemlos an die Hautoberfläche angeklebt oder an ihr mittels eines Halters fixiert werden kann. Schließlich ermöglicht die flexible Leiterplatte eine einfache Abschirmung gegen elektrische Einstreuungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Ausbildungen des erfin­ dungsgemäßen Sensors sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, in kostengünstiger Weise den Sensor gemäß Patentanspruch 1 herzustellen. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 8 bis 13.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in perspektivischer und auseinander gezogener Darstellung die Einzelteile des ersten Ausführungsbeispiels vor dem Umspritzen,

Fig. 2 in perspektivischer und auseinandergezogener Darstellung die Leiterplatten des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des ersten Ausführungs­ beispiels im fertigen Zustand,

Fig. 4 eine Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels.

Ein optoelektronischer Sensor 1 zur nichtinvasiven Messung der Pulsfrequenz und/oder der Sauerstoffsättigung eines Probanden mit Hilfe einer das Gewebe des Probanden beaufschlagenden opti­ schen Strahlung weist als Träger für einen Sender 2, der im Ausführungsbeispiel aus einer oder mehreren Leuchtdioden besteht, und für einen Empfänger 3, der aus einem oder mehreren Photo­ transistoren besteht, eine flexible Leiterplatte 4 auf. Kreisför­ mige Endabschnitte 4', die sich an die beiden Enden eines stegför­ migen Mittelabschnitts 4" anschließen, tragen in Form von Leiter­ bahnen die Anschlußstellen für den Sender 2, den Empfänger 3 und die Adern eines Anschlußkabels 5, wobei die erforderlichen Verbindungsbahnen zwischen den Endabschnitten 4' sich in Längs­ richtung des Mittelabschnittes 4" erstrecken. Der Sender 2, der Empfänger 3 und die Adern des Anschlußkabels 5 werden mit den zugeordneten Anschlußstellen verlötet.

Die Leiterplatte 4 bildet die mittlere Schicht einer mehrschichtigen, gedruckten Schaltung. Auf die Unterseite der Leiterplatte 4 ist unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden, nicht dargestellten Schicht eine erste zusätzliche Leiterplatte 6 aufkaschiert, deren äußere Kontur sich mit derjenigen der Leiter­ platte 4 deckt. Diese erste zusätzliche Leiterplatte 6 hat eine durchgehende Kupferschicht als Abschirmung. Auf die die Leiterbahnen tragende Oberseite der Leiterplatte 4 ist unter Zwischenlage eine ebenfalls nicht dargestellte Isolierschicht eine zweite zusätzliche Leiterplatte 7 aufkaschiert, welche nur den Mittelabschnitt 4" bedeckt. Auch diese zweite zusätzliche Leiterplatte 7 trägt eine Kupferschicht als Abschirmung, die sich wie bei der ersten zusätzlichen Leiterplatte 6 mit Ausnahme einer für die Verbindung erforderlichen Randzone über die gesamte Leiterplatte erstreckt. Auch die beiden zusätzlichen Leiterplatten 6 und 7 sind flexibel, so daß die gesamte, mehrschichtige, gedruckte Schaltung 8 sehr flexibel ist.

Ein plattenförmiges, flexibles Isolierstück 9 aus einem lichtun­ durchlässigen Material weist, wie Fig. 1 zeigt, eine Vertiefung 10 auf, deren Berandung an diejenige der gedruckten Schaltung angepaßt ist, wobei sich an die Vertiefung 10 eine Rinne 11 zur Aufnahme des Kabels 5 anschließt. Die äußere Kontur des Isolierstückes 9 ist etwas größer als die Kontur der Vertiefung 10 und der Rinne 11, jedoch geometrisch ähnlich. Statt der in Fig. 1 dargestellten schrägen Außenwände in den die Endab­ schnitte 4' aufnehmenden Bereichen könnten selbstverständlich auch senkrecht stehende Seitenwände vorgesehen sein, wie dies im Mittelabschnitt der Fallist, und umgekehrt. Wie Fig. 1 zeigt, sind innen an die Vertiefung 10 begrenzende Wandfläche im Abstand vom Grund der Vertiefung 10 elastisch nachgiebige Vorsprünge 12 angeformt, welche klipsartig den Rand der gedruck­ ten Schaltung 8 übergreifen und diese hierdurch in der Vertiefung festlegen, wenn die gedruckte Schaltung 8 in die Vertiefung 10 hineingedrückt wird. Zwei zylindrische, gleich ausgebildete Isolierkörper 13, die aus einem klaren, also lichtdurchlässigen Material bestehen, haben in ihrer einen Stirnfläche eine Vertie­ fung 13', die in ihrer Form und Tiefe die Form und Höhe des Senders 2 und des Empfängers 3 angepaßt ist. Diese beiden Isolier­ körper 13 werden auf den Sender 2 bzw. den Empfänger 3 aufgesteckt. Der auf die Vertiefung 13' ausgerichtete Bereich der der gedruck­ ten Schaltung 8 abgekehrten Stirnfläche ist bei beiden Isolier­ körpern 13 sehr dünn und bildet ein optisches Fenster für einen möglichst ungehinderten Durchtritt der Strahlen. Die elektrische Isolierung ist jedoch uneingeschränkt gewährleistet.

Nachdem die gedruckte Schaltung 8 in die Vertiefung 10 und das an sie angeschlossene Ende des Kabels 5 in die Rinne 11 eingelegt sowie die Isolierkörper 13 auf den Sender 2 und den Empfänger 3 aufgesteckt worden sind, wird die Baueinheit in eine Kunststoffspritzgußform eingelegt und mit einem flexiblen, lichtundurchlässigen Kunststoff, beispielsweise einen heißver­ netzenden Zweikomponentenkautschuk, umspritzt, und zwar derart, daß die optischen Fenster der Isolierkörper 13 frei bleiben. Die durch die Umspritzung gebildete Umhüllung 14 verbindet sich dicht mit dem Isolierstück 9 und mit den Isolierkörpern 13, wodurch diese unter Bildung eines inneren Gehäuses fest miteinander vereinigt werden. Die Vorsprünge 12 halten die ge­ druckte Schaltung 8 während des Spritzvorganges 8 fest in der vorgesehenen Lage. Die Dicke der Umhüllung kann dort, wo sie an der Außenseite des Isolierstückes 9 anliegt, sehr gering sein. Man kann sogar die Umhüllung 14 so ausbilden, daß sie die Unterseite und die Außenseite des Isolierstückes 9 frei läßt und daß sie sich nur an die die Vertiefung 10 begrenzende Oberfläche anschließt, also eine Art Deckel für das Isolierstück 9 bildet, der die gedruckte Schaltung 8 und den daran ange­ schlossenen Endabschnitt des Kabels 5 überdeckt und sich dicht an die beiden Isolierkörper 13 anschließt.

Das in Fig. 4 dargestellte, zweite Ausführungsbeispiel unterschei­ det sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 nur dadurch, daß der Sensor 101 in den beiden den Sender bzw. den Empfänger enthaltenden Endabschnitten eine vorgeformte Anlagefläche hat. Im Ausführungsbeispiel bildet die Anlagefläche zwei Rinnen, die aufeinander gelegt werden können und dann einen Kanal bilden. Eine gewisse Flexibilität hat der Sensor 101 aber auch im Bereich dieser beiden Rinnen, wohingegen in seinem Mittelabschnitt die Flexibilität genau so hoch ist wie bei dem Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Da der Aufbau des Sensors 101 und seine Herstellung sich nicht von dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 unterscheiden, wird insoweit Bezug auf die dort gemachten Ausführungen genommen.

Claims (13)

1. Sensor zur nichtinvasiven Messung der Pulsfrequenz und/oder der Sauerstoffsätti­ gung des Blutes einer Person mit einer Lichtquelle als Sender, einem für die Strahlung des Senders empfindlichen Empfänger und wenigstens einem den Sender und den Empfänger aufnehmenden Gehäuse mit einer dünnen, licht­ durchlässigen Schicht im Bereich der Lichtaustrittsfläche des Senders und der Lichteintrittsfläche des Empfängers, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) sowohl der Sender (2) als auch der Empfänger (3) auf einer flexiblen Leiterplatte (4) angeordnet sind,
• b) der Sender (2) und der Empfänger (3) mittels je einer Haube (13) abge­ deckt ist, die in dem die Lichtaustrittsfläche des Senders (2) bzw. die Lichteintrittsfläche des Empfängers (3) überdeckenden Bereich das durch die dünne, lichtdurchlässige Schicht gebildete Fenster aufweisen,
• c) der Sender (2) und der Empfänger (3) und die sie tragende Leiterplatte (4) in einer als Gehäuse dienenden, dichten Umhüllung (9, 13, 14) aus lichtundurchlässigem Material angeordnet sind, die unter Freilassung der Fenster der Hauben (13) dicht an diesen anliegt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (4) zumindest auf ihrer einen Seite unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Schicht mit einer zusätzlichen, flexiblen Leiterplatte (6, 7) verbunden ist.

3. Sensor nach Anpruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede zusätzlich vorgesehene Leiterplatte (6, 7) als Abschir­ mung für die den Sender (2) und den Empfänger (3) tragende Leiterplatte (4) ausgebildet ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sender (2) und den Empfänger (3) tragende Leiterplatte (4) und jede gegebenenfalls zusätzlich vorgesehene Leiterplatte (6, 7) in eine Vertiefung (10) eines flexiblen, plattenförmigen Isolierstückes (9) eingesetzt sind und daß die Umhüllung (14) unter Bedeckung der in der Vertiefung (10) angeordneten Teile die Vertiefung (10) dicht verschließt.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das Isolierstück (9) ein rinnenförmiger Teil zur Aufnahme des Kabels (5) angeformt ist und daß die Umhüllung (14) den rinnenförmigen Teil zu einer Tülle ergänzt.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anlagefläche bildende Teil der Außenfläche der Umhüllung (9, 13, 14) in wenigstens einem Teilbe­ reich eine vorgegebene Form hat.

7. Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (2) und der Empfänger (3) auf einem vorgefertigten Träger (8) montiert und an ein Kabel (5) angeschlossen werden, daß diese Baugruppe zumindest unvollständig durch Isolierteile (9, 13) abgedeckt wird und daß danach die aus dieser Baugruppe, dem an sie ange­ schlossenen Kabelende und den Isolierteilen gebildete Einheit wenigstens teilweise mit einem lichtundurchlässigen, elastischen Material umspritzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem elastischen Material die Isolierteile (9, 13) zu einer dichten Umhüllung der Baugruppe ergänzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den Sender und den Empfänger abdeckenden Isolierteile aus einem lichtdurchlässigen Material und die übrigen Isolierteile aus einem lichtundurchlässigen Material vorgefertigt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppe in einem der vorgefer­ tigten Isolierteile vor dem Umspritzen mittels Halteelementen festgelegt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der als flexible Leiterplatte ausge­ bildete Träger vor dem Umspritzen mit wenigstens einer zusätzli­ chen flexiblen Leiterplatte unter Zwischenlage einer flexiblen Isolierschicht zu einer mehrschichtigen gedruckten Schaltung zusammengefügt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Träger zwischen zwei je als Abschirmung ausgebildete Leiterplatten gelegt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Umspritzen ein heißvernetzender Zweikomponenten-Kautschuk verwendet wird.