DE3912993C2 - Optoelektronischer Sensor zur Erzeugung elektrischer Signale aufgrund von physiologischen Werten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Er­ zeugung elektrischer Signale aufgrund von physiologischen Wer­ ten, insbesondere Kreislaufparametern eines Menschen, der die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.

Es ist bekannt, daß der Befestigung von Sender und Empfänger solcher Sensoren auf der Hautoberfläche große Bedeutung zu­ kommt. Da einerseits schon minimale Bewegungen der Sensorteile relativ zur Hautoberfläche zu starken Artefakten, also Signal­ schwankungen führen, sollten Sender und Empfänger fest an die Haut angepreßt werden. Durch eine feste Anpressung wird aber andererseits die Durchblutung des Kapillarbettes gestört, was auch zu Fehlmessungen führen kann. Eine geringe Neigung zu Artefakten bei gleichzeitig hoher Signalqualität läßt sich deshalb mit gefederten Klammern, elastischen Bändern und dgl. nicht erreichen.

Es ist deshalb vorgeschlagen worden (EP 0 127 947 A2), auf die Trägerschicht für den Sender und den Empfänger ein licht­ undurchlässiges Band aufzukleben, welches im Bereich der Licht­ austrittsfläche des Senders und im Bereich der Lichteintritts­ fläche des Empfängers mit je einer Öffnung versehen ist, und auf dieses Band eine aus klarem Polyester bestehende Folie aufzukleben, die beidseitig mit einem Klebstoff beschichtet ist. Außerdem kann auf die Rückseite der den Sender und Em­ pfänger tragenden, lichtundurchlässigen Schicht eine poröse Schutzschicht aufgeklebt sein. Trotz dieses aufwendigen Aufbaues des Sensors und der Klebeverbindung zwischen ihm und der Haut­ oberfläche ist die Signalqualität noch unbefriedigend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der nicht nur Artefakte weitgehend vermeidet, sondern auch eine hohe Signalqualität zu liefern vermag. Diese Aufgabe löst ein Sensor mit den Merk­ malen des Anspruches 1.

Da die transparente und zumindest auf ihrer dem Meßobjekt zu­ gekehrten Seite klebende Schicht auch im Bereich der Strah­ lungsaustrittsfläche des Senders sowie der Strahlungseintritts­ fläche des Empfängers unmittelbar an diesen Flächen anliegt, hat man zwischen der Hautoberfläche einerseits und dem Sender sowie dem Empfänger andererseits einen optischen Pfad, der aus einem Material etwa gleicher optischer Dichte besteht. Bei dem vorbekannten Sensor ist hingegen ein Einschluß von Luft unvermeidbar, wodurch der optische Pfad aus Materialien mit unterschiedlicher optischer Dichte gebildet wird, was zu erheblichen internen Reflexionen und damit Strahlungsverlusten führt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist hingegen eine op­ timale optische Kopplung zwischen der Hautoberfläche und dem Sender sowie dem Empfänger gewährleistet, da der optische Pfad zu keinen internen Reflexionen führt. Es dringt daher ein größerer Teil der Strahlung in das Gewebe ein, wodurch auch die den Empfänger erreichende Strahlungsmenge wesentlich größer ist, weshalb man eine ausgezeichnete Signalqualität erreicht. Dank der klebenden Schicht läßt sich außerdem die Neigung zu Artefakten weitgehend unterdrücken.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die transparente Schicht aus einem hochtransparenten Gel auf Silikonbasis, da dieses Material sowohl aus optischen Gründen als auch wegen seiner guten Haftfähigkeit alle Anforderungen erfüllt. Ein solches Gel wird beispielsweise von der Wacker-Chemie GmbH, München, unter der Bezeichnung RTV-2 Silikonkautschuk VP 7612 als Zweikomponenten-Vergußmasse geliefert.

Die Klebrigkeit des Gel ist vorzugsweise entsprechend dem An­ wendungszweck durch das Mischungsverhältnis der beiden, das Gel bildenden Komponenten auf den gewünschten Wert eingestellt.

Die unmittelbar an der Strahlungsaustrittsfläche des Senders und der Strahlungseintrittsfläche des Empfängers anliegende transparente Schicht kann an der einen Seite einer transparenten Trägerfolie vorgesehen sein, deren andere Seite mit einer aus dem gleichen Material bestehenden zweiten transparenten Schicht versehen ist. Eine solche Trägerfolie kann der zusätzlichen elektrischen Isolation dienen. Besonders vorteilhaft ist aber eine derartige, beidseitig beschichtete Trägerfolie zur Bildung von Klebe­ plättchen, deren Größe auf die Größe des Senders und des Em­ pfängers abgestimmt sein kann. Man kann dann je ein Klebe­ plättchen oder ein gemeinsames Klebeplättchen auf den Sender und den Empfänger auflegen und nach der Messung abziehen und wegwerfen, was aus hygienischen Gründen wünschenswert sein kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen solcher Klebeplättchen sind Gegenstand der Ansprüche 6 und 7.

Der Sensor kann zumindest im Applikationsbereich allseitig mit der Gelschicht bedeckt sein. Hierdurch läßt sich die Fähigkeit des Geles nützen, den Sender und den Empfänger ge­ genüber der Haut elektrisch zu isolieren sowie Sender und Em­ pfänger gegen Wasser, Feuchtigkeit und Schweiß abzudichten.

Sofern erforderlich, kann auf der dem Meßobjekt abgewandten Seite des Sensors die Gelschicht mit einer Reflektorschicht abgedeckt sein.

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

Fig. 1 ein nur im Bereich von Sender und Empfänger mit Gel beschichtete erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein auf Reflexionsbasis arbeitendes zweites Ausführungs­ beispiel mit einem von ihm abgehobenen Klebeplättchen,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel zur Befestigung auf der Nase,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 einen Längsschnitt des vierten Ausführungsbeispiels.

Ein optoelektronischer Sensor zur Erzeugung elektrischer Signale aufgrund von physiologischen Werten, der beispielsweise für die Oximetrie und die Plethysmographie verwendet wird, weist einen streifenförmigen, flexiblen Grundkörper 1 aus einem flexi­ blen Kunststoff, beispielsweise Silikonkautschuk, auf. In diesen streifenförmigen Grundkörper 1 sind in dessen Längsrichtung im Abstand voneinander ein Strahlungssender 2 und ein Strah­ lungsempfänger 3 so eingebettet, daß deren Lichtaustritts­ fläche beziehungsweise Lichteintrittsfläche frei liegen. Der Strahlungssender 2 und der Strahlungsempfänger 3 sind auf eine nicht dargestellt, flexible Leiterplatte aufgelötet, an deren eines Ende ein Anschlußkabel 4 angelötet ist. Der Abstand zwischen Strahlungssender 2 und Strahlungsempfänger 3 ist so gewählt, daß Strahlungssender 2 und Strahlungsempfänger 3 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Fingers einer Person angeordnet werden können.

Die Strahlungsaustrittsfläche des Strahlungssenders 2 und die Strahlungseintrittsfläche des Empfängers 3 sowie je eine diese Fläche umgebende Randzone des Grundkörpers 1 sind mit einem hochtransparenten, klebrigen Gel 5 beschichtet. Das Gel 5, das von der Wacker-Chemie GmbH, München, unter der Bezeichnung RTV-2 Silikonkautschuk VP 7612 vertrieben wird, wird aus zwei Komponenten gemischt und dann auf die zu beschichtenden Flächen aufgetragen, wobei das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten die Klebrigkeit beeinflußt. Nach einer Vulkanisationszeit, die von der Vulkanisationstemperatur abhängt, verändert sich die Eigenschaften des Gels 5 nicht mehr.

Vor einer Messung wird das den Strahlungssender 2 bedeckende Gel 5 an den Meßbereich der Hautoberfläche angelegt, wodurch eine zuverlässige, Artefakte weitgehend unterdrückende Klebe­ verbindung erreicht wird. Entsprechend wird der Strahlungs­ empfänger 3 an die zugeordnete Meßfläche angeklebt. Da die vom Strahlungssender 2 ausgehende Strahlung nur das Gel 5 durch­ dringen muß, bis sie auf die Hautoberfläche gelangt und in die Haut eindringt und andererseits die aus dem Körperteil wieder austretende, von dem zu messenden physiologischen Wert beeinflußte Strahlung nur das Gel 5 durchdringen muß, bis sie die Strahlungseintrittsfläche des Strahlungsempfängers 3 er­ reicht, erhält man eine optimale optische Ankopplung von Strah­ lungssender 2 und Strahlungsempfänger 3 an das Meßobjekt und dementsprechend eine ausgezeichnete Signalqualität.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Sensors sind der Strahlungssender 12 und der Strahlungsempfänger 13 in relativ geringem Abstand neben­ einander auf einer nicht dargestellten, etwa quadratischen Leiterplatte angeordnet, an die ein Anschlußkabel 14 angelötet ist. Der Grundkörper 11, in den die Leiterplatte und der Strah­ lungssender 12 sowie der Strahlungsempfänger 13 mit Ausnahme ihrer Strahlungsaustrittsfläche beziehungsweise ihrer Strah­ lungseintrittsfläche eingebettet sind, besteht wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aus einem Silikonkautschuk, könnte aber auch aus einem anderen Kunststoff bestehen, weil die Flexibilität hier keine wesentliche Rolle spielt. Dieses Aus­ führungsbeispiel arbeitet nämlich auf reflektiver Basis, das heißt, die vom Strahlungssender 12 ausgehende Strahlung wird vom Meßobjekt reflektiert, so daß den Strahlungsempfänger 13 nur reflektierte Strahlung erreicht.

Für eine zuverlässige Verbindung des Sensors mit dem Meßobjekt, also der Hautoberfläche eines Menschen, und für eine optimale optische Ankopplung ist ein als Ganzes mit 16 bezeichnetes Klebeplättchen vorgesehen, das eine hochtransparente Träger­ folie 17 aufweist, deren Größe etwa auf die Frontfläche des Sensors abgestimmt ist. Diese Trägerfolie 17 hat an einer Seite eine Grifflasche 17′. Beide Seiten der Trägerfolie 17 mit Aus­ nahme ihrer Grifflasche 17′ sind mit einem hochtransparenten, klebrigen Gel 15 beschichtete, bei dem es sich um das gleiche Material handelt wie bei dem Gel 5 des ersten Ausführungsbei­ spiels. Die Haftung zwischen dem Gel 15 und der Trägerfolie 17 ist größer als zwischen dem Gel 15 und der Frontseite des Sensors.

Für eine Messung wird auf die Frontseite des Sensors das Klebe­ plättchen 16 aufgelegt und dann die der Frontseite abgekehrte Seite des Klebeplättchens 16 an die Meßfläche des Meßobjektes angelegt. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Klebe­ plättchen 16 zunächst an die Meßstelle anzulegen und dann den Sensor anzusetzen. Auch hier wird eine gute Klebeverbindung, die Artefakte weitgehend unterdrückt, sowie eine optimale optischen Ankopplung erreicht. Außerdem kann die Trägerfolie 17 deren optische Dichte zumindest annähernd gleich der optischen Dichte des Gels 15 ist, die elektrische Isolierung von Strah­ lungssender 12 und Strahlungsempfänger 13 gegenüber der Hautober­ fläche der Meßperson verbessern.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, das für die Anlage an der Nase einer Person bestimmt ist, ist das eine Ende eines vierpoligen Anschlußkabel 24 mittig geteilt und Y-artig gespreizt. Das eine Leiterpaar ist an einen Strahlungs­ sender 22, das andere an einen Strahlungsempfänger 23 angelötet. Der Strahlungssender 22 und der Strahlungsempfänger 23 sind in den einen bzw. anderen Endabschnitt eines Grundkörpers 21 aus Silikonkautschuk unter Freilassung der Strahlungsaustritts­ fläche bzw. der Strahleneintrittsfläche eingebettet. Der wesent­ lich schmälere, flexible Mittelabschnitt des Grundkörpers hat die Form eines Bogenabschnittes, so daß insgesamt der Sensor eine kreissektorartige innere und äußere Kontur hat.

Im gesamten Applikationsbereich, im Ausführungsbeispiel also im gesamten Bereich des Grundkörpers 21 und des geteilten Kabel­ endes ist der Sensor mit einem Gel 25 beschichtet. Zu diesem Zwecke wird der gesamte Sensor einschließlich des geteilten Endes des Anschlußkabels in das Gel 25 eingetaucht. Bei diesem Gel 25 handelt es sich um das gleiche Material, das für das Gel 5 des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wird.

Das in Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel weist ein vierpoliges Flachkabel 34 auf, an das zwei Strahlungssender 32 in Kabellängsrichtung nebeneinander und in Kabellängsrichtung in einem größeren Abstand von diesen ein Strahlungsempfänger 33 direkt angelötet sind. Der diese optischen Bauteile tragende Endabschnitt des Flachkabels 34 ist mit einem Gel 35 beschichtet, das durch Tauchen aufgebracht worden ist. Auf die Rückseite des mit dem Gel 35 beschichteten Endabschnittes des Flachkabels 34 ist ein mit Aluminium beschichtetes Papier 38 aufgelegt, das durch das Gel 35 festgehalten wird. Die Aliuminiumbeschich­ tung dient als Reflektor und gegebenenfalls auch als Abschirmung. Auf die dem Papier 38 gegenüberliegende Vorderseite ist eine auch transparente Folie 39 aufgelegt, welche auf der dem Flach­ kabel abgewandten Seite ebenfalls mit dem Gel 35 beschichtet ist. Die Folie 39 dient als zusätzliche Isolierung gegenüber der Hautoberfläche. Da sie die gleiche optische Dichte wie das Gel 35 hat, verursacht sie keine inneren Reflexionen.

Claims (9)

1. Optoelektronischer Sensor zur Erzeugung elektrischer Signale aufgrund von physiologischen Werten, insbesondere Kreislauf­ parametern eines Menschen, mit mindestens einem Strahlungs­ sender und mindestens einem Empfänger für die von den phys­ iologischen Werten beeinflußte Strahlung, welche auf ihrer dem Meßobjekt zugekehrten Seite mit einer transparenten, wenigstens auf ihrer dem Objekt zugewandten Seite klebenden Schicht bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die trans­ parente Schicht (5; 15; 25; 35) unmittelbar an der Strah­ lungsaustrittsfläche des Strahlungssenders (2; 12; 22; 32) und der Strahlungseintrittsfläche des Strahlungsempfängers (3; 13; 23; 33) anliegt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Schicht aus einem hochtransparenten Gel (5; 15; 25; 35) auf Silikonbasis besteht.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebrigkeit durch das Mischungsverhältnis der beiden das Gel (5; 15; 25; 35) bildenden Komponenten auf den gewünschten Wert eingestellt ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unmittelbar an der Strahlungsaustritts­ fläche des Strahlungssenders (2; 12; 22; 32) und der Strah­ lungseintrittsfläche des Strahlungsempfängers (3; 13; 23; 33) anliegende transparente Schicht (5; 15; 25; 35) an der einen Seite einer transparenten Trägerfolie (17, 17′; 39) vorgesehen ist und die andere Seite dieser Trägerfolie (17, 17′; 39) mit einer aus dem gleichen Material wie die transparente Schicht bestehenden zweiten transparenten Schicht (15; 35) versehen ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie (17, 17′; 39) eine an den zu bedeckenden Bereich angepaßte Form hat.

6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie (17, 17′) zusammen mit der zweiten transparenten Schicht (15) als abziehbares Klebeplättchen (16) ausgebildet ist.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Klebeplättchen (16) eine nicht beschichtete Grifflasche (17′) hat.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er zumindest in seinem Applikationsbereich allseitig mit der Gelschicht (25; 35) bedeckt ist.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf seiner dem Meßobjekt abgewandten Seite die Gelschicht (35) von einer reflektierenden Schicht (38) abgedeckt ist.