DE3248179A1

DE3248179A1 - Physiological measuring sensor

Info

Publication number: DE3248179A1
Application number: DE19823248179
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Ing. Naser (FH), 8502 Zirndorf; Helmut Dr.rer.nat. 8501 Eckental Reichenberger; Herbert Dr.rer.nat. 8522 Herzogenaurach Schewe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1984-06-28

Abstract

The invention relates to a physiological measuring sensor for detecting the mechanical components of vital functions of a living body, in particular the breathing, cardiac activity and motoricity of a patient. In accordance with the invention, a planar, flexible sensor element is constructed on the basis of piezoelectric polymer foils (1). Electrodes (2, 3) are arranged on both flat sides of the piezoelectric polymer foil (1), and at least one of the electrodes has conductive elevations (4), which are arranged largely in a regular fashion and consist of a conductive elastomer. By joining a plurality of sensor elements, it is possible to build up measuring sensors of large area. The physiological sensors according to the invention can be used to monitor infants, for example, and for the ambulant detection of measured values, and in conjunction with imaging methods and therapy. <IMAGE>

Description

PhYsiologischer MeßwertaufnehmerPhysiological transducer

e Die Erfindung bezieht sich auf einen physiologischen Meßwertaufnehmer zur Erfassung der mechanischen Komponenten von Vitalfunktionen eines lebenden Körpers, insbesondere von Atmung, Herztätigkeit und Motorik eines Patienten. The invention relates to a physiological transducer for recording the mechanical components of vital functions of a living body, in particular of breathing, cardiac activity and motor skills of a patient.

Die Überwachung von Patienten auf physiologische Vitalfunktionen erfolgte bisher meist mittels am Körper des Patienten angebrachten Meßwertabnehmern. Mit solchen Abnehmern, insbesondere Elektroden, können beispielsweise Herz- und Atmungsaktionen als elektrische Signale erfaßt werden, in einem Betriebsgerät nachverarbeitet und bezüglich signifikanter Veränderungen der Körperfunktionen ausgewertet werden. In der DE-PS 28 52 352 ist dagegen eine Vorrichtung zur Erfassung von Körperfunktionen von Patienten, insbesondere von Säuglingen, beschrieben, mit der speziell die mechanischen Einwirkungen eines lebenden Körpers auf eine Lagerstatt erfaßt werden können. Durch eine wiegenartige Ausbildung dieser vorbekannten Vorrichtung wird insbesondere eine berührungslose Überwachung von Säuglingen ermög-.The monitoring of patients for physiological vital functions took place hitherto mostly by means of measured value pickups attached to the patient's body. With such consumers, in particular electrodes, can, for example, perform cardiac and respiratory actions are detected as electrical signals, post-processed in an operating device and be evaluated with regard to significant changes in body functions. In DE-PS 28 52 352, however, is a device for detecting body functions described by patients, especially infants, with the specifically mechanical Effects of a living body on a deposit can be recorded. By a cradle-like design of this previously known device is in particular a enables contactless monitoring of infants.

licht. Solche Vorrichtungen können unmittelbar im Klinikbereich, insbesondere auf der Frühgeborenen-bzw. Intensivstation, eingesetzt werden. Es hat sich aber gezeigt, daß gerade die Überwachung von Säuglingen in viel größerem Maße als bisher wünschenswert wäre, also auch im häuslichen Bereich durchgeführt werden sollte. Dies gilt insbesondere zur Bekämpfung des sogenannten ~Krippentodes" (SID-Syndrom).light. Such devices can be used directly in the clinical area, in particular on the premature infant or. Intensive care unit. But it has showed that the monitoring of infants in particular is much greater than before would be desirable, so should also be carried out in the domestic area. This applies in particular to the fight against so-called "crib death" (SID syndrome).

Bei der bekannten Vorrichtung handelt es sich um eine Lagerstatt, die in ihren Abmessungen beispielsweise an einen Inkubator angepaßt ist. Eine Ausweitung der Anwendung, z.B. auf Patienten mit unterschiedlichen Alter oder Größe und auf außerklinische Bereiche, würde jeweils eine spezifische Anpassung des Applikationsteils, das bedingt durch das Meßprinzip eine Mindestbauhöhe erfordert, hinsichtlich Form und Größe erfordern.The known device is a deposit, which is adapted in its dimensions, for example, to an incubator. An extension the application, e.g. on patients of different ages or sizes and on extra-clinical areas, a specific adaptation of the application part, which, due to the measuring principle, requires a minimum overall height in terms of shape and size require.

In der Kunststofftechnologie sind in letzter Zeit erhebliche Fortschritte bezüglich sogenannter Sensormatten zu verzeichnen, die auf der Basis von piezoelektrischen Polymerfolien aufgebaut sind. Solche Matten, die auf Kräfte bzw. Drücke ansprechen, die im Vergleich zu den mechanischen Wirkungen von Vitalfunktionen, wie Atmung und Herzaktionen, wesentlich größer sind, können speziellals als Intrusionsschutz in Räumen verwendet werden. Die Entwicklung derartiger Sendoren geht insbesondere in Richtung einer erhöhten Empfindlichkeit und der Unterdrückung von pyroelektrischen Effekten, ohne den erwünschten piezoelektrischen Effekt zu verringern.There have been significant advances in plastics technology recently with regard to so-called sensor mats, which are based on piezoelectric Polymer films are built up. Such mats, which respond to forces or pressures, which compared to the mechanical effects of vital functions, such as breathing and Cardiac actions, which are much larger, can specifically be used as intrusion protection in Spaces are used. The development of such sendors goes in particular in Direction of increased sensitivity and the suppression of pyroelectric Effects without reducing the desired piezoelectric effect.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen physiologischen Meßwertaufnehmer der eingangs genannten Art unter Verwendung ledirer Technik zu schaffen, der möglichst vielseitig im Rahmen der Diagnostik und Überwachung eingesetzt werden kann und eine für diese Anwendung ausreichende Störsicherheit besitzt.The object of the invention is to provide a physiological transducer of the type mentioned at the outset, using only technology, if possible can be used in many ways in the context of diagnostics and monitoring and a has sufficient immunity to interference for this application.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein flächenhaftes flexibles Sensorelement auf der Basis von piezoelektrischen Polymerfolien aufgebaut ist, wozu auf beiden Flachseiten der piezoelektrischen Polymerfolie Elektroden angeordnet sind und wenigstens eine der Elektroden weitgehend regelmäßig angeordnete Erhebungen aufweist, die aus einem leitfähigen Elastomer bestehen.The object is achieved according to the invention in that a planar flexible sensor element built on the basis of piezoelectric polymer foils is why on both flat sides of the piezoelectric Polymer film Electrodes are arranged and at least one of the electrodes is largely regular has arranged elevations, which consist of a conductive elastomer.

Durch den speziellen Aufbau hat ein solcher physiologischer Meßwertaufnehmer nur eine geringe Höhe, wobei seine Form in der Ebene in weiten Grenzen variierbar ist. Dabei kann speziell für die erfindungsgemäße Anwendung als physiologischer Aufnehmer eine gesamte Anordnung in mehrere Sensorelemente unterteilt werden, wodurch eine stärker differenzierte Meßwertaufnahme und -verarbeitung erfolgen kann, so daß eine gezielte Erfassung bestimmter Vitalfunktionen, wie z.B. Herzaktionen, ermöglicht wird. Der physiologische Meßwertaufnehmer kann insbesondere in Verbindung mit Liegeflächen, wie z.B. Betten, Inkubatoren, Patientenlagerungseinrichtungen für Bildgebung oder Therapie, verwendet werden.Due to the special structure, such a physiological transducer has only a small height, whereby its shape in the plane can be varied within wide limits is. It can be used specifically for the application according to the invention as a physiological Sensor an entire arrangement can be divided into several sensor elements, whereby a more differentiated recording and processing of measured values can take place, so that enables a targeted recording of certain vital functions, such as cardiac actions will. The physiological transducer can be used especially in connection with lying areas, such as beds, incubators, patient support facilities for imaging or Therapy.

Eine oder mehrere Sensorelemente sind von einer elektrischen Abschirmung umgeben, welche vorzugsweise durch ein Geflecht gebildet ist, das als metallisches Netz in eine feuchtigkeitsundurchlässige Umhüllung um den eigentlichen Wandler eingebettet ist. Zusätzlich ist ein Verstärker innerhalb der Umhüllung und der elektrischen Abschirmung angeordnet.One or more sensor elements are electrically shielded surrounded, which is preferably formed by a braid, which is a metallic Mesh embedded in a moisture-impermeable envelope around the actual transducer is. In addition, a repeater is inside the cladding and the electrical Shield arranged.

Wegen des einfachen und für die physiologische Signalaufnahme optimierten Aufbaus, der eine erhebliche Empfindlichkeitssteigerung gegenüber üblichen Sensormatten gewährleistet, ergeben sich für den Meßwertaufnehmer außer der speziell klinischen Anwendung auch andere Verwendungsmöglichkeiten. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Aufnehmer einfach zu handhaben und auch unauffällig ist. Er kann daher ohne besonderen Aufwand als Bestandteil von Liege- und Sitzmöbeln verwendet werden. Damit ergeben sich neben der klinischen Anwendung neue Möglichkeiten für die ambulante Langzeitdiagnostik und Überwachung sowie als Anwesenheits-und Vitalitätsmonitor.Because of the simple and optimized for the physiological signal recording Structure that significantly increases the sensitivity compared to conventional sensor mats guaranteed, result for the transducer except for the special clinical Other uses as well. Another advantage is that the Pickups easy to use and also is inconspicuous. He can therefore used without any special effort as a component of lounge and seating furniture will. In addition to clinical application, this opens up new possibilities for long-term outpatient diagnostics and monitoring as well as presence and vitality monitors.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung: Fig. 1 einen Schnitt durch ein Sensorelement, Fig. 2 eine Aufsicht auf das Sensorelement nach Figur 1 mit zusätzlicher Abschirmung, Fig. 3 und 4 die Einbettung des Sensorelementes in die feuchtigkeitsundurchlässige Umhüllung im Rand- sowie im Anschlußbereich und Fig. 5 bis 7 Möglichkeiten der Aneinanderfügung einzelner Sensorelemente.Further details and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the further subclaims. They each show in a schematic representation: 1 shows a section through a sensor element, FIG. 2 shows a plan view of the sensor element according to Figure 1 with additional shielding, Fig. 3 and 4 the embedding of the sensor element into the moisture-impermeable envelope in the edge and connection area and 5 to 7 possibilities for joining individual sensor elements together.

Identische Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden jeweils gruppenweise zusammen beschrieben.Identical parts are given the same reference symbols in the figures Mistake. The figures are described together in groups.

Aus der Figur 1 ist der Sandwich-Aufbau des Sensorelementes ersichtlich. Er besteht insbesondere in einer piezoelektrischen PolymertIie1a# Polyvinylidenfluorid (PVDF) sowie aus an den beiden Flachseiten der Polymerfolie 1 angeordneten Elektroden 2 und 3. Dabei ist auf der Unterseite die Elektrode als elektrisch leitende Kunststoffschicht 2, beispielsweise ein mit eingelagerten Graphitteilchen leitfähig gemachtes PTFE, ausgebildet. Auf der Oberseite befindet sich ein leitfähiges Elastomer 3, das derart ausgeformt ist, daß jeweils einzelne Erhebungen 4 gebildet werden, die auf der piezoelektrischen Polymerfolie 1 aufliegen.The sandwich structure of the sensor element can be seen from FIG. In particular, it consists of a piezoelectric polymeric polyvinylidene fluoride (PVDF) and arranged on the two flat sides of the polymer film 1 electrodes 2 and 3. Here is on the underside of the electrode as electrical conductive plastic layer 2, for example one with embedded graphite particles made conductive PTFE. There is a conductive one on the top Elastomer 3 which is shaped in such a way that individual elevations 4 are formed in each case which rest on the piezoelectric polymer film 1.

Speziell durch Noppen wird die Krafteinleitung zur piezoelektrischen Folie verbessert und damit die Empfindlichkeit erhöht. Die Elektrode 3 kann zur Materialeinsparung zwischen den Noppen 4 Ausnehmungen 5 aufweisen.The introduction of force becomes piezoelectric, especially through knobs Improved film and thus increased sensitivity. The electrode 3 can be used for Have material savings between the knobs 4 recesses 5.

Die Anordnung der leitfähigen Noppen 4 und Ausnehmungen 5 kann regelmäßig, beispielsweise quadratisch oder hexagonal sein, was in Fig. 2 angedeutet ist.The arrangement of the conductive knobs 4 and recesses 5 can be regular, be for example square or hexagonal, which is indicated in FIG.

Die Krafteinkopplung auf die piezoelektrische Polymerfolie 1 kann dadurch weiter verbessert werden, daß die Noppen 4 an ihrer Unterseite, d.h. an der der PVDF-Folie 1 zugewandten Seite, Ausnehmungen aufweisen. Derart speziell ausgeformte Noppen können durch Umstülpen von becherförmig gestalteten Elastomeren hergestellt werden, welche mit einer Unterlage leitfähig verbunden sind. Bei derartiger Ausbildung des Elastomerteils 3 und den Noppen 4 als Primärelektrode und der Schicht 2 als Gegenelektrode ist die Empfindlichkeit optimiert.The force coupling onto the piezoelectric polymer film 1 can can be further improved in that the knobs 4 on their underside, i.e. on the side facing the PVDF film 1 have recesses. So special Molded knobs can be made by turning inside out cup-shaped elastomers are produced, which are conductively connected to a base. With such Formation of the elastomer part 3 and the knobs 4 as the primary electrode and the layer 2 as a counter electrode, the sensitivity is optimized.

In der Figur 2 ist das aus der piezoelektrischen Polymerfolie 1 und den Elektroden 2 und 3 bestehende Mattenelement (aufgeschnitten) mit einer isolierten Abschirmung umhüllt. Beispielsweise ist dazu in einer Umhüllung 6 ein metallisches Netz- oder Maschengitter 7 isoliert einvulkanisiert. Weiterhin kennzeichnet 8 einen Verstärker, der als Ladungs-, Spannungs- oder Stromverstärker be- schaltbar und innerhalb der Abschirmung 7 angeordnet ist. Die Stromversorgung bzw. Signalableitung wird ebenfalls abgeschirmt herausgeführt. Mit 11 ist die zugehörige Verbindungsleitung bezeichnet.In FIG. 2, that is made from the piezoelectric polymer film 1 and the electrodes 2 and 3 existing mat element (cut open) with an insulated Shielding enveloped. For this purpose, for example, a metallic casing is in a casing 6 Mesh or mesh grid 7 vulcanized in insulated. Furthermore, 8 indicates a Amplifier that acts as a charge, voltage or current amplifier switchable and is arranged inside the shield 7. The power supply or signal dissipation is also brought out shielded. With 11 is the associated connection line designated.

Der Aufbau von Umhüllung 6 und Abschirmung 7 ist insbesondere aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich. Dabei sind die wesentlichen Bereiche die Umrandung sowie der Anschluß für eine Ausgangsleitung 10. Aus der Figur 3 ist entnehmbar, daß die Randbereiche der Umhüllung 6 entweder zumindest teilweise vulkanisiert und/oder zumindest teilweise geklebt werden. Dabei werden das obere und untere Abschirmgeflecht 7 und 7' im Randbereich beispielsweise punktweise mit Leitkleber verbunden oder verlötet.The structure of casing 6 and shield 7 is in particular from FIGS. 3 and 4 can be seen. The most important areas are the border and the connection for an output line 10. From FIG. 3 it can be seen that the edge regions of the envelope 6 either at least partially vulcanized and / or at least partially glued. The upper and lower shielding braid are thereby 7 and 7 'in the edge area, for example, connected at points with conductive adhesive or soldered.

Der elektronische Verstärker 8 ist innerhalb der Umhüllung direkt an die Elektroden des Sensorelementes anschließbar. Zur Ausschaltung von externen elektrischen Störungen ist es wichtig, daß der Verstärker 8 im abgeschirmten Bereich liegt. Die Ausgangsleitung 10 ist mittels einer speziellen Zugentlastung 11 mit den Anschlüssen des im allgemeinen als Ladungsverstärker geschalteten Verstärkers 8 verbunden. Über die Verbindungsleitung 11 ist der physiologische Meßwertaufnehmer an ein nicht dargestelltes Meßwerterfassungssystem anschließbar.The electronic amplifier 8 is direct inside the enclosure can be connected to the electrodes of the sensor element. To switch off external electrical interference, it is important that the amplifier 8 in the shielded area lies. The output line 10 is provided with a special strain relief 11 the connections of the amplifier, which is generally connected as a charge amplifier 8 connected. The physiological transducer is via the connecting line 11 can be connected to a measured value acquisition system (not shown).

Durch die gesamte flächenhafte elektrische Abschirmung 7 und die Einbeziehung des Ladungsverstärkers 8 wird die für eine Erfassung der empfindlichen physiologischen Signale ausreichende Unterdrückung externer Störsignale erreicht.Through the entire extensive electrical shielding 7 and the inclusion of the charge amplifier 8 is used for a detection of the sensitive physiological Signals Sufficient suppression of external interference signals achieved.

In der Figur 5 bezeichnen 21 bis 24 jeweils separate Sensorelemente, welche entsprechend den vorangehenden Figuren 1 bis 4 aufgebaut sind. Es sind hier beispielsweise vier Sensorelemente in rechteckiger Formation zusammengestellt, wobei jedes der Sensorelemente 21 bis 24 eine eigene Verbindungsleitung 26 bis 29 aufweist. Alle vier Sensorelemente sind innerhalb einer zusätzlichen Umhüllung 25 angeordnet, welche innen durch Schweißhöfe in vier Taschen aufgeteilt ist, die an der äußeren Umrandung beispielsweise über Druckknöpfe 30 verschlossen werden können.In FIG. 5, 21 to 24 each designate separate sensor elements, which are constructed according to the preceding Figures 1 to 4. There are here for example, four sensor elements assembled in a rectangular formation, with each of the sensor elements 21 to 24 has its own connecting line 26 to 29. All four sensor elements are arranged within an additional casing 25, which is divided into four pockets on the inside by welding zones, the one on the outside The border can be closed, for example, by means of snap fasteners 30.

In Figur 6 sind zwei Sensorelemente 31 und 32 mit Ausgangsleitungen 33 und 34 in einer gemeinsamen Umhüllung 36 mit gemeinsamer Abschirmung 37 angeordnet.In Figure 6 are two sensor elements 31 and 32 with output lines 33 and 34 are arranged in a common casing 36 with a common shield 37.

An die Leitungen 33 und 34 ist ein Zweikanalverstärker 38 angeschlossen, von dem eine einzige Ausgangsleitung 39 wegführt.A two-channel amplifier 38 is connected to lines 33 and 34, from which a single output line 39 leads away.

In Figur 7 wird aus sechs Sensorelementen eine großflächige Sensormatte gebildet. Damit können mechanische Wirkungen von physiologischen Vitalfunktionen an verschiedenen Stellen des menschlichen Körpers erfaßt werden. Weist die Umhüllung der einzelnen Sensorelemente Verbindungselemente auf, so können Sensormatten größerer Ausdehnung aufgebaut werden. Im einzeDEn bedeuten 41 bis 46 Umhüllungsteile, an welchen jeweils die gegenüberliegenden Randzonen, die ineinandergreifende Elemente 47, 48 einer kompletten Verbindung, z.B. Stift und Buchse air Mt und Feder, aufweisen.In FIG. 7, six sensor elements become a large-area sensor mat educated. This allows mechanical effects of physiological vital functions can be detected in different parts of the human body. Know the wrapping the individual sensor elements on connecting elements, so sensor mats can be larger Expansion to be built. In particular, 41 to 46 casing parts mean an which respectively the opposite edge zones, the interlocking elements 47, 48 of a complete connection, e.g. pin and socket air Mt and spring.

Insbesondere bei letzterer Anordnung ist es vorteilhaft, daß durch die Verwendung identischer Grundelemente der Aufwand für Herstellung, Lagerhaltung und Service reduziert wird.In the latter arrangement in particular, it is advantageous that by the use of identical basic elements of the effort for production, storage and service is reduced.

14 Patentansprüche, 7 Figuren14 claims, 7 figures

Claims

Claims Physiological transducers for recording the mechanical components of vital functions of a living body, in particular of breathing, cardiac activity and motor skills of a patient, but this is not possible notices that a flat flexible sensor element based on piezoelectric polymer films (1) is constructed, including on both flat sides of the piezoelectric polymer film (1) electrodes (2, 3) are arranged and at least one of the electrodes (2, 3) has projections (4) which are largely regularly arranged, which consist of a conductive elastomer.

2. transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the film (1) is a homopolymer or copolymer of polyvinylidene fluoride (PVDF) rust.

3. transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the electrode (3) and the elevations (4) are made of the same material exist.

4. transducer according to claim 1 and 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the elevations form knobs (4) that form a square or hexagonal pattern.

5. transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the second electrode as a counter electrode (2) consists of a conductive Polymer.

6. transducer according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the conductive polymer is a polytetrafluoroethylene (PTFE) embedded conductive particles.

7. transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the knobs (4) are solid, e.g. cylindrical.

8. transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the knobs (4) on the piezoelectric film (1) facing Side have recesses.

9. transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that several sensor elements (21-24, 31-32) are present.

10. transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that one or more sensor elements (21-24, 32-32) of a insulated attached electrical shield (7) are surrounded.

il. Measurement transducer according to one of the preceding claims, d a D u r c h g e k e n n n e i c h n e t that the shielding (7) by a braid is formed as a metallic network in a flexible, moisture-impermeable Sheath (6) is vulcanized around the sensor element.

12. transducer according to claim 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that an amplifier (8) with at least one channel with one or several sensor elements connected and within the envelope (6) and electrical Shield (7) is arranged.

13. transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that by mechanically joining individual sensor elements (21-24, 31-32) a large mat is formed.

14. transducer according to claim 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the sensor mat (40) by means of additional plastic parts (41 - 46) is buttoned or pinned together.