DE102010012987A1 - Verfahren zum Anbringen und eine Anordnung eines optischen Sende- bzw. Detektorelements - Google Patents

Verfahren zum Anbringen und eine Anordnung eines optischen Sende- bzw. Detektorelements Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erfassung von Daten eines menschlichen oder tierischen Körpers. Hierbei wird mit wenigstens einem optischen Sendeelement Licht mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge in ein Messvolumen innerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers eingestrahlt und mit wenigstens einem optischen Detektorelement wenigstens ein transmittierter, reflektierter, remittierter oder diffus gestreuter Teil des in das Messvolumen eingestrahlten Lichts detektiert. Die Befestigung des wenigstens einen optischen Sendeelements und des wenigstens einen optischen Detektorelements erfolgt mit wenigstens einem Befestigungsmittel ausschließlich an einem oder mehreren mechanisch festen und ohne chirurgische Eingriffe zugänglichen Körperteilen. Dadurch können die Messdaten mit erhöhter Verlässlichkeit, insbesondere weitgehend ohne Bewegungsartefakte, erfasst werden.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen und eine Anordnung eines optischen Sende- bzw. Detektorelements eines Messgerätes.
  • Stand der Technik
  • Mit optischen Verfahren können beispielsweise der Glukosegehalt des Blutes oder die Herzfrequenz (Puls) und/oder die Sauerstoffsättigung des Blutes (Pulsoximetrie) erfasst werden.
  • Bei der Pulsoximetrie wird gut durchblutetes Gewebe mit Licht von zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen durchstrahlt und von einem dem Sender gegenüberliegenden Detektor empfangen. Das Spektrum des empfangenen Lichtes enthält die Informationen über Herzfrequenz und Sauerstoffsättigung. Die Signalauswertung basiert auf dem Lambert-Beer'schen Gesetz, nach dem die Konzentration eines Stoffes aus der Absorption in einer Losung bestimmt werden kann. In der praktischen Anwendung sind die strengen Randbedingungen des Lambert-Beer'schen Gesetzes jedoch nicht vollständig erfüllt. Es existieren viele andere Substanzen im Blut, die neben den wichtigen Absorbern Oxi-Hämoglobin und Hämoglobin ebenfalls Licht absorbieren, wie z. B. Carboxihämoglobin und Methämoglobin. Deren Beitrag zur Absorption kann nur durch Messung bei zusätzlichen Wellenlängen bestimmt werden, d. h. falls nur bei zwei Wellenlängen gemessen wird, bewirken diese Substanzen einen durch das Messprinzip bedingten Messfehler.
  • Darüber hinaus erreicht ein Teil des Lichts, welches in das Gewebe eingestrahlt wird, aufgrund von Reflexionen nicht den Detektor.
  • Weitere wichtige Fehlerquellen sind Bewegungsartefakte, wobei externe und interne Bewegungsartefakte unterschieden werden. Externe Bewegungsartefakte beruhen im Wesentlichen auf einer Relativbewegung zwischen Sensor und Patient. Insbesondere genügen bei herkömmlichen Fingerclipsensoren bereits kleine Handbewegungen, Zittern oder Erschütterungen, bspw. während des Krankentransports, um Bewegungsartefakte hervorzurufen. Unter Umständen können diese zu so großen Störungen führen, dass nur noch ein ungenügendes Signal-Rausch-Verhältnis gegeben ist. Interne Bewegungsartefakte entstehen durch Umlagerungen venösen Blutes im Applikationsort.
  • Insgesamt führen kleinste Bewegungen zu einer Veränderung des Messvolumens. Ein Ansatz, Bewegungsartefakte zu unterdrücken bzw. ein durch Bewegungen beeinträchtigtes Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, besteht darin, eine statistische Auswertung der Messwerte vorzunehmen. Insbesondere können bei Vorliegen einer hohen Anzahl von Messwerten regellos auftretende, unkorrekte Messwerte durch eine Mittelwertbildung geringer bewertet werden.
  • Kommerzielle Pulsoximeter arbeiten mit zwei oder mehr Wellenlängen, elektronischen Filtern und speziellen Kalibrieralgorithmen, um die Verlässlichkeit der Messung zu erhöhen. Speziell die Unterdrückung der Bewegungsartefakte ist ein großes Problem, vor allem im Wellnessbereich, wenn beispielsweise die Herzfrequenz während körperlicher Aktivitäten wie Laufen oder Radfahren gemessen werden soll. Die Adaption an den Patienten muss praktikabel und tolerabel sein. Deshalb verwenden bestehende Geräte relativ lockere Applikationen in Form von Finger- bzw. Ohrclipsen oder Finger- bzw. Zehenbändern.
  • Neben dem vorstehend beschriebenen Verfahren, das auf einer Messung von transmittiertem Licht beruht, gibt es auch Pulsoximeter, bei denen Sender und Detektor nebeneinander angeordnet sind und bei denen die Sauerstoffsättigung und die Herzfrequenz über ein sog. Reflexionsverfahren ermittelt werden. Die Messsonden werden beispielsweise mittels Bändern auf der Stirn, auf der Brust, am Oberarm oder am Finger fixiert oder aber auch über eine Art Haken in der Haut verankert, wie der WO 2007/012931 zu entnehmen ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen Messdaten eines menschlichen oder tierischen Körpers nicht-invasiv, einfach, kostengünstig und mit erhöhter Verlässlichkeit erfasst werden können. Insbesondere sollen Bewegungsartefakte weitgehend unterdrückt werden.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die vorstehende Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und den Anordnungen gemäß den Patentansprüchen 6 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Das vorgeschlagene Verfahren bezieht sich auf das Anbringen wenigstens eines optischen Sendeelements, mit dem Licht mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge in ein Messvolumen innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers einstrahlbar ist, und wenigstens eines optischen Detektorelements, mit dem wenigstens ein transmittierter, reflektierter, remittierter oder diffus gestreuter Teil des in das Messvolumen eingestrahlten Lichts detektierbar ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Befestigung des wenigstens einen optischen Sendeelements und des wenigstens einen optischen Detektorelements ausschließlich an einem oder mehreren mechanisch festen und ohne chirurgische Eingriffe zugänglichen Körperteilen erfolgt. Insbesondere erfolgt die Befestigung also ohne Einbeziehung von mechanisch weichem Gewebe, wie bspw. Haut mit darunterliegendem Muskel-, Fett- oder sonstigem Weichgewebe, das das oder die mechanisch festen Körperteile umgibt.
  • Durch die ausschließliche Befestigung an mechanisch festen Körperteilen werden Bewegungsartefakte oder Fehler durch ein sich änderndes Messvolumen wie sie beispielweise bei den oben genannten Pulsoximetrieverfahren auftreten, unterdrückt.
  • Besonders bevorzugt werden das wenigstens eine optische Sendeelement, insbesondere eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LED), und das wenigstens eine optische Detektorelement (optischer Sensor), insbesondere eine oder mehrere Photodioden, nebeneinander an einem Fingernagel oder einem Fußnagel befestigt. Das Licht einer oder mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen wird in ein durchblutetes Gewebe enthaltendes Messvolumen unterhalb des Fingernagels oder des Fußnagels eingestrahlt. Die Messung erfolgt im sog. Reflexionsverfahren, d. h. mittels des optischen Sensors wird das durch das Messvolumen reflektierte, remittierte und/oder diffus in Richtung des optischen Detektorelements gestreute Licht detektiert. Der optische Sensor und das optische Sendeelement können insbesondere in einer miniaturisierten Einheit integriert sein oder aber einzeln nebeneinander auf dem Fingernagel oder Fußnagel angebracht sein. Durch die ausschließliche Befestigung der Sensoren bzw. der miniaturisierten Einheit am Nagel, beispielsweise durch Ankleben ausschließlich auf dem Nagel oder durch mechanische Befestigung (z. B. mit einer Art Klammer), kommt es bei Bewegung des Fingers oder der Zehe weder zu einer relativen Verschiebung zwischen optischem Sendeelement und optischem Detektorelement noch verändern sich Kräfte, die auf die Anordnung wirken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Befestigung mittels Ankleben, wobei Klebstoffe auf anorganischer oder organischer Basis oder auch Lacke eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind dabei Klebstoffe oder Lacke, die einerseits einen festen, verschiebefreien Sitz des wenigstens einen optischen Sendeelements bzw. des wenigstens einen optischen Detektorelements oder der miniaturisierten Einheit gewährleisten, die jedoch unter bestimmten Bedingungen wieder ablösbar sind. Dies können beispielsweise Klebstoffe sein, die unter ultraviolettem Licht ablösbar sind. Solche Klebstoffe kommen beispielsweise bei „UV-Tapes for Wafer Dicing” der japanischen Firma FURUKAWA ELECTRIC CO., LTD. zum Einsatz. Alternativ können Lacke oder Klebstoffe eingesetzt werden, die mit geeigneten chemischen Lösemitteln ablösbar sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Befestigung mit einer oder mehreren Klammern, die am Finger- oder Zehennagel befestigt werden. Insgesamt sind alle Befestigungsarten bevorzugt, die ein „Wackeln” des befestigten Sensors unterbinden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden das wenigstens eine optische Sendeelement und das optische Detektorelement an einem oder mehreren Zähnen derart befestigt, dass das wenigstens eine optische Sendeelement palatinal und das wenigstens eine optische Detektorelement labial oder das wenigstens eine optische Sendeelement labial und das wenigstens eine optische Detektorelement palatinal angeordnet sind und dass ein zwischen dem wenigstens einen optischen Sendeelement und dem wenigstens einen optischen Detektorelement befindliches Zahnfleisch, insbesondere die sog. Interdentalpapille, durchstrahlt wird. Die Messung erfolgt im Transmissionsverfahren, d. h. das wenigstens eine optische Sendelement und das wenigstens eine optische Detektorelement sind auf gegenüberliegenden Seiten des Messvolumens angeordnet und es wird das durch das (durchblutetes Gewebe enthaltende) Messvolumen transmittierte Licht erfasst.
  • In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform wird das wenigstens eine optische Sendeelement an einem ersten Zahn und das wenigstens eine optische Detektorelement an demselben Zahn oder an einem zum ersten Zahn benachbarten zweiten Zahn angebracht und ein zwischen dem wenigstens einen optischen Sendeelement und dem wenigstens einen optischen Detektorelement befindliches Zahnfleisch durchstrahlt. Hierbei kann das optische Sendelement und/oder das optische Detektorelement in einer Zahnfleischtasche des betreffenden Zahns angeordnet werden. Die Anordnung in einer Zahnfleischtasche ist vor allem dann vorteilhaft, wenn das wenigstens eine optische Sendeelement und das wenigstens eine optische Detektorelement an demselben Zahn angebracht sind. Die Messung erfolgt im Transmissionsverfahren, d. h. das wenigstens eine optische Sendelement und das wenigstens eine optische Detektorelement sind auf gegenüberliegenden Seiten des Messvolumens angeordnet und es wird das durch das (durchblutetes Gewebe enthaltende) Messvolumen transmittierte Licht erfasst.
  • Unabhängig vom Ort der Befestigung und der Art des Messverfahrens (Reflexions- oder Transmissionsverfahren) ist bevorzugt, dass eine Ansteuereinheit das wenigstens eine optische Sendeelement so ansteuert, dass dieses das Licht bei mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge in das Messvolumen einstrahlt, dass ein Signal des wenigstens einen optischen Detektorelements an eine Verarbeitungs- und/oder Auswerteeinheit weitergeleitet wird und dass ein verarbeitetes und/oder ausgewertetes Signal an eine Speichereinheit weitergeleitet und/oder an einer Anzeigeeinheit angezeigt wird.
  • Des Weiteren ist eine Alarmfunktion bevorzugt, die im Falle einer Unter- oder Überschreitung von für die erfassten Daten vorgegebenen Grenzwerten ein Alarmsignal ausgibt, beispielsweise in Form eines akustischen, mechanischen (z. B. Vibration), elektrischen (z. B. Kribbelgefühl als Folge einer schwachen Elektrostimulation), biochemischen (Duft) oder optischen Alarmsignals.
  • Die Weiterleitung des Signals des wenigstens einen optischen Detektorelements erfolgt bevorzugt drahtgebunden oder drahtlos über ein optisches, elektromagnetisches oder akustisches Übertragungsverfahren. Insbesondere können die Signale hierzu analog oder digital aufbereitet werden.
  • Besonders bevorzugt ist, Licht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen einzustrahlen, wobei unter Licht elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1500 nm verstanden wird. Die Einstrahlung erfolgt vorzugsweise mittels mehrerer Laserdioden, die ausreichend schmalbandig sind. Die Einstrahlung mindestens zweier Messsignale unterschiedlicher Wellenlängen kann insbesondere gleichzeitig oder bevorzugt nacheinander in zeitlichem Abstand erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt die Einstrahlung des Lichts bei einer ersten Wellenlänge von 660 nm und bei einer zweiten Wellenlänge von 940 nm.
  • Insbesondere werden bei einer gleichzeitigen Einstrahlung der mindestens zwei Messsignale unterschiedlicher Wellenlänge mittels mindestens zweier Laserdioden mehrere verschiedene Detektoren vorgesehen, die jeweils schmalbandig genug sind, um die Intensität der empfangenen Messsignale bei den einzelnen Wellenlängen getrennt zu ermitteln und so eine Auswertung zu ermöglichen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Licht bei jeder Wellenlänge in Form von Lichtpulsen abgegeben, wobei die Wiederholrate der Lichtpulse im Bereich von 500 Hz bis 100 kHz liegen kann. Insbesondere können die Pulse der verschiedenen Wellenlänge zeitlich zueinander verschoben erfolgen, so dass zu jedem Zeitpunkt nur das Licht bei einer Wellenlänge ausgestrahlt wird. Vorteilhaft ist hierbei, dass zur Detektion lediglich ein breitbandiger Detektor eingesetzt werden muss. Zu beachten ist, dass der zeitliche Abstand zwischen den ausgesandten Messsignalen unterschiedlicher Wellenlänge sehr kurz im Vergleich zur Periodendauer des Pulsschlags sein muss, z. B. kleiner 50 Millisekunden. Im Falle längerer Verzögerungszeiten könnte man nicht mehr von identischen Proben- bzw. Messvolumen für die verschiedenen Wellenlängen ausgehen, da allein der Pulsschlag schon das Probevolumen verändert. Andererseits muss der zeitliche Abstand so groß sein, dass der Detektor in der Lage ist, die Pulse zu trennen. Sonst sind die Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängen nicht einzeln ermittelbar.
  • Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Anbringung von Teilen eines mobilen Messgerätes, mit dem Daten eines menschlichen oder tierischen Körpers erfasst werden können. Derartige mobile Messgeräte können beispielsweise von einer zu untersuchenden bzw. zu überwachenden Person bzw. einem Sportler mitgeführt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Anordnung mit wenigstens einem optischen Sendeelement, mit dem Licht mindestens einer vorgebbaren Wellenlänge in ein Messvolumen innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers einstrahlbar ist, mit wenigstens einem optischen Detektorelement, mit dem wenigstens ein transmittierter, reflektierter, remittierter oder diffus gestreuter Teil des in das Messvolumen eingestrahlten Lichts detektierbar ist, mit einer Ansteuereinheit zur Ansteuerung des wenigstens einen optischen Sendeelements, mit einer Verarbeitungs- und/oder Auswerteeinheit sowie mit einer Speichereinheit und/oder einer Anzeigeeinheit, zeichnet sich dadurch aus, dass sie wenigstens ein Befestigungsmittel aufweist, mit dem das wenigstens eine optische Sendeelement und das wenigstens eine optische Detektorelement ausschließlich an einem oder mehreren mechanisch festen und ohne chirurgischen Eingriff zugänglichen Körperteilen befestigbar ist.
  • Unter der ausschließlichen Befestigung an einem oder mehreren mechanisch festen und ohne chirurgischen Eingriff zugänglichen Körperteilen ist zu verstehen, dass keine den oder die mechanisch festen und ohne chirurgischen Eingriff zugänglichen Körperteile umgebenden Weichgewebe mit in die Befestigung einbezogen werden. Selbstverständlich kann die Befestigung des wenigstens einen optischen Sendeelements und des wenigstens einen optischen Detektorelements dabei direkt oder indirekt, beispielsweise über einen Träger, erfolgen.
  • Besonders bevorzugt ist, dass als Befestigungsmittel eine Klammer vorgesehen ist, die an den einen oder die mehreren mechanisch festen und ohne chirurgischen Eingriff zugänglichen Körperteile, insbesondere einen Finger- oder Fußnagel oder ein oder mehrere Zähne, angepasst ist. Alternativ ist bevorzugt, dass als Befestigungsmittel selbstklebende Klebeflächen an den zu befestigenden Elementen vorgesehen sind, die ein Ankleben am Applikationsort, z. B. an einem Finger- oder Fußnagel oder an einem oder mehreren Zähnen ermöglichen. Unter den zu befestigenden Elementen sind insbesondere diskrete optische Sendeelemente, diskrete optische Empfangselemente, elektronischen Baugruppen, die zumindest Teile der Ansteuer- und/oder Verarbeitungs- und/oder Auswerte- und/oder Speichereinheit enthalten, integrierte Einheiten aus den vorstehend genannten Bauelementen/Baugruppen oder zugehörige Träger zu verstehen.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung mit wenigstens einem optischen Sendeelement, mit dem Licht mindestens einer vorgebbaren Wellenlänge in ein Messvolumen innerhalb des menschlichen oder tierischen Körpers einstrahlbar ist, mit wenigstens einem optischen Detektorelement, mit dem wenigstens ein transmittierter, reflektierter, remittierter oder diffus gestreuter Teil des in das Messvolumen eingestrahlten Lichts detektierbar ist, mit einer Ansteuereinheit zur Ansteuerung des wenigstens einen optischen Sendeelements, mit einer Verarbeitungs- und/oder Auswerteeinheit sowie mit einer Speichereinheit und/oder einer Anzeigeeinheit, zeichnet sich dadurch aus, dass das wenigstens eine optische Sendeelement und das wenigstens eine optische Detektorelement ausschließlich an einem mechanisch festen und ohne chirurgischen Eingriff zugänglichen Körperteil befestigt sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine optische Sendeelement und das wenigstens eine optische Detektorelement nebeneinander an einem Fingernagel oder einem Fußnagel befestigt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das wenigstens eine optische Sendeelement und das wenigstens eine optische Detektorelement an einem oder mehreren Zähnen derart befestigt, dass das wenigstens eine optische Sendeelement palatinal und das wenigstens eine optische Detektorelement labial oder das wenigstens eine optische Sendeelement labial und das wenigstens eine optische Detektorelement palatinal angeordnet ist und ein zwischen dem wenigstens einen optischen Sendeelement und dem wenigstens einen optischen Detektorelement befindlicher Raum enthält zumindest teilweise Zahnfleisch.
  • In einer weiteren bevorzugten Anordnung ist das wenigstens eine optische Sendeelement an einem ersten Zahn angebracht und das wenigstens eine optische Detektorelement an einem zum ersten Zahn benachbarten zweiten Zahn angebracht und ein zwischen dem wenigstens einen optischen Sendeelement und dem wenigstens einen optischen Detektorelement befindlicher Raum enthält zumindest teilweise Zahnfleisch.
  • Desweiteren ist bevorzugt, dass eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des optischen Sendeelementes vorgesehen ist, mit der Licht einer oder mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig oder zeitversetzt erzeugt werden kann. Insbesondere kann das Licht jeder Wellenlänge in Form von Lichtpulsen abgegeben werden, wobei die Wiederholrate der Lichtpulse im Bereich von 500 Hz bis 100 kHz liegen kann. Insbesondere können die Pulse der verschiedenen Wellenlänge zeitlich zueinander verschoben erfolgen, so dass zu jedem Zeitpunkt nur das Licht einer Wellenlänge ausgestrahlt wird. Die Ansteuereinheit übernimmt bevorzugt auch die zeitliche Koordination des wenigstens einen optischen Sendeelements und des wenigstens einen optischen Detektorelements. Dies kann eine mit einem Taktgeber und entsprechenden Teilern ausgestattete finite Zustandsmaschine sein, die als festverdrahteter Schaltkreis, vorzugsweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), oder als ein programmierbarer Schaltkreis ausgeführt ist (z. B. FPGA). Eine Realisierung mit Hilfe eines Mikrocontrollers, der die zeitliche Abfolge der Lichtpulse und/oder die Aus wertung der Empfangssignale vornimmt, ist ebenfalls möglich. In einer alternativen Ausgestaltung sind die Pulse der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich lang. Obwohl das optische Detektorelement nur eine Intensität eines Lichtsignals erfasst, kann anhand der zeitlichen Dauer des gemessenen Pulses mittels der Auswerteeinheit auf die gesendete Wellenlänge zurückgeschlossen werden. Die Detektoreinheit detektiert bzw. misst bevorzugt im Dauerbetrieb. Eine aktive zeitliche Koordination zwischen optischem Sender und Empfänger ist in diesem Falle nicht erforderlich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt in der Verarbeitungseinheit eine digitale oder analoge Aufbereitung oder Vorverarbeitung der Signale des wenigstens einen optischen Detektorelements, wie z. B. Verstärkung, Filterung, A/D-Wandlung und evtl. auch Zwischenspeicherung. Des Weiteren weist die Anordnung bevorzugt eine Auswerteeinrichtung auf, in der die Signale des wenigstens einen optischen Detektorelements oder die verarbeiteten Signale ausgewertet und eventuell auch zwischengespeichert werden, insbesondere hinsichtlich Pulsfrequenz und/oder Sauerstoffsättigung. Bevorzugt erfolgt eine Übermittlung der verarbeiteten Signale drahtlos an die Auswerteeinrichtung, die beispielsweise in einer Armbanduhr untergebracht ist.
  • Als Energieversorgungseinheit ist bevorzugt eine Batterie vorgesehen. Alternativ können beispielsweise auch Solarzellen oder Thermogeneratoren vorgesehen werden. Insbesondere können auch mehrere Energieversorgungseinheiten vorgesehen sein. Eine weitere Möglichkeit der Energieversorgung besteht darin, die erforderliche Energie induktiv drahtlos bereitzustellen. Hierfür muss ein Feldgenerator ein ausreichend starkes magnetisches Wechselfeld erzeugen, welches das hier betrachtete Messgerät mit Hilfe einer Empfangsspule zur Energiegewinnung „anzapft”.
  • Besonders bevorzugt ist eine Zusammenfassung von Systemkomponenten in Einheiten, die jeweils in eine Kapselung integriert sind. Beispielsweise können das wenigstens eine optische Sendeelement, die Ansteuereinheit und eine erste Energieversorgungseinheit in einer ersten Einheit integriert und das wenigstens eine optische Detektorelement, eine zweite Energieversorgung und die Verarbeitungseinheit und/oder eine Auswerteeinheit und/oder ein Sendemodul zur drahtlosen Kommunikation in einer zweiten Einheit integriert sein, wobei die einzelnen Komponenten innerhalb der ersten und zweiten Einheit bevorzugt jeweils drahtgebunden verbunden sind.
  • Alternativ können das wenigstens eine optische Sendeelement, das wenigstens eine optische Detektorelement, die Ansteuereinheit, eine Energieversorgung, eine Verarbeitungseinheit und/oder eine Auswerteeinheit und/oder ein Sendemodul zur drahtlosen Kommunikation in einer verkapselten Einheit integriert sein, wobei die einzelnen Komponenten innerhalb der verkapselten Einheit bevorzugt drahtgebunden verbunden sind.
  • Besonders bevorzugt ist, dass die Fläche der integrierten Einheiten kleiner oder höchstens gleich der Fläche des oder der mechanisch festen Körperteile ist, an denen sie befestigt sind.
  • In einer bevorzugten Anordnung ist das wenigstens eine optische Detektorelement drahtgebunden mit einer Verarbeitungseinheit und diese drahtgebunden oder drahtlos mit einer Auswerteeinheit verbunden.
  • In einer weiteren bevorzugten Anordnung ist die Auswerteeinheit in einer Armbanduhr oder in einem Kopfhörer integriert, die bzw. der mit einem Detektormodul für die drahtlose Kommunikation mit dem zugeordneten Sendemodul ausgestattet sind. Alternativ ist in der Armbanduhr oder in dem Kopfhörer lediglich das Detektormodul für die drahtlose Kommunikation mit dem Sendemodul integriert und die eigentliche Auswertung erfolgt in einer Auswerteeinheit, die in einem Mobiltelefon oder in einem PDA (Personal Digital Assistent), also einem Minicomputer/Organizer, integriert ist und die drahtgebunden mit dem in der Armbanduhr oder dem Kopfhörer integrierten Detektormodul verbunden ist.
  • Die Anordnung lässt sich besonders vorteilhaft zur Ermittlung einer Sauerstoffsättigung des Blutes und/oder der Herzfrequenz oder des Pulses einsetzen. Des Weiteren lässt sich die Anordnung vorteilhaft zur Ermittlung des Glukosegehalts des Blutes einsetzen. Weiterhin lässt sich die Anordnung vorteilhaft zur Bestimmung des Wassergehalts des Blutes einsetzen, um beispielsweise eine Dehydrierung zu detektieren.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße, im Mund angeordnete Vorrichtung vorteilhaft mit einem Temperatursensor und einer entsprechend weitergebildeten Signalverarbeitung/Auswerteeinheit kombiniert. Die Temperaturerfassung kann vorteilhaft optisch, wie in üblichen im Ohr messenden Thermometern, oder elektrisch mittels elektrischer Temperatursensoren, erfolgen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt auf einem Fingernagel angeordnete Systemkomponenten
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel von an benachbarten Zähnen angeordneten Systemkomponenten
  • 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel von an benachbarten Zähnen angeordneten Systemkomponenten
  • 4 zeigt in einer Kapselung angeordnete Systemkomponenten
  • 5 zeigt eine Kapselung mit einer Klammer
  • 6 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gesamtsystems
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Idee der Anordnung optischer Sende- und Detektorelemente auf mechanisch festen und leicht zugänglichen Körperteilen ist besonders dann vorteilhaft einsetzbar, wenn diese bei Platzierung auf weichem Untergrund kein zuverlässiges Signal geben. Die Unzuverlässigkeit der Signale kann beispielsweise darin begründet sein, dass bei Körperbewegungen Bewegungsartefakte auftreten. Am Beispiel eines auf einem Fingernagel (1) bzw. an benachbarten Zähnen (2 und 3) platzierten Systems aus optischem Sendeelement 1 und optischem Detektorelement 2 soll im Folgenden beschrieben werden, wie sich die Erfindung vorteilhaft zur Messung der Sauerstoffsättigung und/oder Pulsfrequenz einsetzen lässt. Diese Beispiele sollen die Erfindung lediglich erläutern, nicht aber einschränken.
  • Die 1 zeigt in vereinfachender schematischer Weise einen Fingernagel 11, auf den eine miniaturisierte Einheit aus wenigstens einem optischen Detektorelement (Sensor) 2 und wenigstens einem optischen Sendeelement 1 auf dem Fingernagel 11 so aufgeklebt werden, dass auch über längere Zeiträume, z. B. Stunden, keine Verschiebung möglich ist. Die miniaturisiere Einheit kann dabei beispielsweise die Erscheinungsform eines künstlichen Fingernagels aufweisen, der bei Bedarf entfernt bzw. ausgetauscht werden kann. Durch die miniaturisierte Einheit werden die gewöhnlichen Lebensabläufe nicht beeinträchtigt. Die von dem mindestens einen optischen Sendeelement 1 ausgestrahlten Lichtsignale einer oder mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen werden in dem durchbluteten Gewebe 12 reflektiert, remittiert oder diffus gestreut. Die reflektierten, remittierten oder diffus gestreuten Lichtsignale werden durch das mindestens eine optische Detektorelement 2 detektiert. Neben der oben beschriebenen Anordnung kannten einzelne Komponenten, z. B. das wenigstens eine optische Detektorelement 2, das wenigstens eine optische Sendeelement 1, eine Verarbeitungseinheit 3 und eine Energieversorgungs einheit 4, auch diskret, d. h. nicht in einem gemeinsamen Gehäuse/Kapselung 5 angeordnet sein. Dann sollten die diskret angeordneten Komponenten aber drahtgebunden verbunden sein.
  • Die Sensorsignale werden nach einer Vorverarbeitung in der Verarbeitungseinheit 3, dazu zählen Filterung, Verstärkung, möglicherweise Differenzbildung, gegebenenfalls Digitalisierung, drahtgebunden oder ggf. drahtlos an einen Empfänger (beispielsweise in Form einer nicht dargestellten Armbanduhr oder eines nicht dargestellten Kopfhörers) übermittelt, der die Sensorsignale auswertet. Alternativ wertet der Empfänger die Signale nicht aus, sondern sendet sie an eine Auswerteeinheit weiter, die beispielsweise in einem nicht dargestellten Mobiltelefon oder in einen nicht dargestellten PDA (Personal Digital Assistant) integriert ist. Aus den bei bestimmten Wellenlängen bzw. Wellenlängenkombinationen erfassten Sensorsignalen lässt sich unter Heranziehung von individuellen Kalibrierungen beispielsweise die prozentuale Sauerstoffsättigung oder aber auch der Blutzuckergehalt des Blutes ermitteln, das in dem untersuchten Gewebe zirkuliert. Aus dem zeitlichen Verlauf der Sensorsignale lässt sich insbesondere die Herzfrequenz (Puls) ermitteln. Die individuellen Kalibrierungen berücksichtigen den Einfluss des einzelnen Individuums als auch den Messort und können eine empirische Kalibration durch invasive arterielle O2-Messung umfassen.
  • In 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Einheiten 8 und 9 an zwei benachbarten Zähnen labial, d. h. lippenseitig, befestigt sind. Dabei umfasst die Einheit 8 den optischen Detektor 2, d. h. das mindestens eine optische Detektorelement, die Verarbeitungseinheit 3, in der die Signal(vor)verarbeitung erfolgt, eine Einheit 13 zur drahtlosen Kommunikation zwischen Verarbeitungseinheit 3 und Auswerteeinheit 14 sowie eine Energieversorgungseinheit 4. Die Einheit 9 umfasst dagegen den optischen Sender 1 mit mindestens einem optischen Sendeelement, die Ansteuereinheit 15 sowie eine zweite Energieversorgungseinheit 17 (vgl. 6).
  • Alternativ dazu können die Einheiten 8 und 9 auch palatinal, d. h. gaumenseitig, angeordnet sein. Sender und Empfänger sind dabei so platziert, dass ein Teil des Zahnfleischs zwischen den Zähnen durchstrahlt wird. Dabei empfängt der Detektor 2, d. h. das optische Detektorelement, das durch das Zahnfleisch 12 diffus gestreute Licht.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messsystems sind die beiden Einheiten 8 und 9 separat gekapselt. Dabei dienen entweder die Kapselungen 5 selbst oder eine zusätzlich verwendete und bevorzugt mit der jeweiligen Kapselung fest verbundene Klammer 10 als Mittel zur Befestigung des Systems an einem Zahn bzw. an mehreren benachbarten Zähnen (vgl. 4/5). Die verarbeiteten Sensorsignale werden analog zu obigem Ausführungsbeispiel verarbeitet und drahtgebunden oder ggf. drahtlos an einen Empfänger (beispielsweise in Form einer Armbanduhr oder eines Kopfhörers) übermittelt, der die verarbeiteten Sensorsignale auswertet. Alternativ wertet der Empfänger die Signale nicht aus, sondern sendet sie an eine Auswerte einheit weiter, die beispielsweise in ein Mobiltelefon oder in einen PDA (Personal Digital Assistant) integriert ist.
  • Aufgrund der notwendigen Miniaturisierung ist das System vorteilhafter so gestaltet, dass der Anwender es nach Belieben ein- und ausschalten kann. Bei einer induktiven Energieversorgung kann dies einfach durch (De-)Aktivieren eines hierfür notwendigen Generators geschehen, der beispielsweise wie die Auswerteeinheit in einer Armbanduhr, einem Kopfhörer, einem Mobiltelefon oder einem PDA untergebracht ist. In einem batteriebetriebenen Fall sollte das An- und Abschalten des Systems vorteilhafterweise über eine Bedienschnittstelle erfolgen, die auch beispielsweise in einer Armbanduhr, einem Kopfhörer, einem Mobiltelefon oder einem PDA untergebracht ist.
  • In 3 ist eine Anordnung dargestellt, bei der sich die in der Einheit 9 integrierten Sendekomponenten und die in der Einheit 8 integrierten Detektorkomponenten auf verschiedenen Seiten der Zähne 6, 7 befinden (Sender palatinal und Empfänger labial oder Sender labial und Empfänger palatinal (bevorzugt)). In einer ersten Ausgestaltung sind dabei die Einheiten 8 und 9 von je einer Kapselung umgeben. Bei dieser Anordnung wird die sog. Interdentalpapille durchstrahlt. Die gekapselten Einheiten werden bevorzugt an den Zähnen 6, 7 festgeklammert, da im Vergleich zu einer Klebung das Anbringen und Entfernen problemloser möglich ist. Die Weiterverarbeitung und Weiterleitung der Sensorsignale kann wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel beschrieben erfolgen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung (4) sind alle Komponenten so wie in 3 angeordnet, jedoch von einer einzigen Kapselung 5 umgeben. Dies hat den Vorteil, dass das System einfacher anzubringen und zu entfernen ist. Überdies weist die Kapselung 5 dann eine kleinere Oberfläche auf, wodurch sich eine geringere Gefahr für das Eindringen von Feuchtigkeit ergibt.
  • In 5 ist nur die Kapselung 5, jedoch nicht die Systemkomponenten dargestellt. Dabei dient entweder die Kapselung 5 selbst oder eine zusätzlich verwendete und bevorzugt mit der Kapselung fest verbundene Klammer 10 als Mittel zur Befestigung des Systems an den Zähnen 6, 7. Die in 5 skizzierte Methode der Befestigung ist auch dann einsetzbar, wenn sich alle Systemkomponenten auf einer Seite der Zähne (palatinal oder labial) befinden.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung kann selbstverständlich nicht nur wie abgebildet an den Oberkieferzähnen realisiert werden, sondern selbstverständlich auch an den Unterkieferzähnen.
  • 6 zeigt eine bevorzugte Zusammenfassung von Systemkomponenten in Einheiten, die jeweils in eine Kapselung integriert sind. Gemäß 6 sind das wenigstens eine optische Sendeelement 1, die Ansteuereinheit 15 und eine erste Energieversorgungseinheit 4 in einer ersten Einheit 9 integriert. Das wenigstens eine optische Detektorelement 2, eine zweite Energieversorgung 16, die Verarbeitungseinheit 3 und ein Sendemodul zur drahtlosen Kommunikation 13' sind in einer zweiten Einheit 9 integriert. Dabei sind die einzelnen Komponenten innerhalb der ersten und zweiten Einheit 8, 9 bevorzugt jeweils drahtgebunden verbunden. Beide Einheiten 8, 9 sind beispielsweise auf einem Finger- oder Zehennagel 11 oder an Zähnen 6, 7 befestigt.
  • Das Detektormodul 13'' für die drahtlose Kommunikation, eine Auswerteeinheit 14, eine Speichereinheit 18, eine weitere Energieversorgungseinheit 17 sowie eine Anzeige 19 bilden eine dritte Einheit. Diese kann beispielsweise in einem Kopfhörer, einer Armbanduhr oder einem Mobiltelefon oder PDA untergebracht sein.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung mit der ausschließlichen Befestigung des wenigstens einen optischen Sendeelements und des wenigstens einen optischen Detektorelements an einem oder mehreren mechanisch festen und ohne chirurgische Eingriffe zugänglichen Körperteilen ermöglicht es beispielsweise auch, dass einem Freizeitsportler während der Ausübung seines Sportes Informationen über Puls und Sauerstoffsättigung mit Hilfe eines transportablen bzw. mobilen Messgerätes angezeigt werden.
  • 1
    Optischer Sender, optisches Sendeelement
    2
    Optischer Detektor, optisches Detektorelement
    3
    Verarbeitungseinheit
    4, 16, 17
    Energieversorgungseinheit
    5
    Kapselung
    6
    Erster Zahn im Querschnitt (Draufsicht)
    7
    Zweiter Zahn im Querschnitt (Draufsicht)
    8
    Einheit, welche folgende Systemkomponenten enthält: optischer Detektor, Verarbeitungseinheit, Sendeeinheit für drahtlose Kommunikation, Energieversorgungseinheit
    9
    Einheit, welche folgende Systemkomponenten enthält: Optischer Sender, Ansteuereinheit, Energieversorgungseinheit
    10
    Befestigungsmittel, Klammer
    11
    Fingernagel, Fußnagel
    12
    Durchstrahlter Raum (Messvolumen)
    13', 13''
    Sende-, Empfangsmodul zur drahtlosen Kommunikation
    14
    Auswerteeinheit
    15
    Ansteuereinheit
    18
    Speichereinheit
    19
    Anzeigeeinheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2007/012931 [0008]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Anbringen wenigstens eines optischen Sendeelements (1), mit dem Licht mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge in ein Messvolumen (12) innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers einstrahlbar ist, und wenigstens eines optischen Detektorelements (2), mit dem wenigstens ein transmittierter, reflektierter, remittierter oder diffus gestreuter Teil des in das Messvolumen (12) eingestrahlten Lichts detektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des wenigstens einen optischen Sendeelements (1) und des wenigstens einen optischen Detektorelements (2) ausschließlich an einem oder mehreren mechanisch festen und ohne chirurgische Eingriffe zugänglichen Körperteilen erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) und das optische Detektorelement (2) nebeneinander an einem Fingernagel oder einem Fußnagel (11) befestigt werden und dass die Einstrahlung des Lichts in ein Messvolumen (12) unter dem Fingernagel oder Fußnagel (11) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) und das optische Detektorelement (2) an einem oder mehreren Zähnen (6, 7) derart befestigt werden, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) palatinal und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) labial oder das wenigstens eine optische Sendeelement (1) labial und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) palatinal angeordnet werden und dass ein zwischen dem wenigstens einen optischen Sendeelement (1) und dem wenigstens einen optischen Detektorelement (2) befindliches Zahnfleisch durchstrahlt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) an einem ersten Zahn (6) angebracht wird und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) an demselben Zahn (6) oder an einem zum ersten Zahn (6) benachbarten zweiten Zahn (7) angebracht wird und dass ein zwischen dem wenigstens einen optischen Sendeelement (1) und dem wenigstens einen optischen Detektorelement (2) befindliches Zahnfleisch durchstrahlt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuereinheit (15) das wenigstens eine optische Sendeelement (1) so ansteuert, dass dieses das Licht mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge in das Messvolumen (12) einstrahlt, dass ein Signal des wenigstens einen optischen Detektorelements (2) an eine Verarbeitungs- (3) und/oder Auswerteeinheit (14) weitergeleitet wird und dass ein verarbeitetes und/oder ausgewertetes Signal an eine Speichereinheit (18) weitergeleitet und/oder an einer Anzeigeeinheit (19) angezeigt wird.
  6. Anordnung mit wenigstens einem optischen Sendeelement (1), mit dem Licht mindestens einer vorgebbaren Wellenlänge in ein Messvolumen (12) innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers einstrahlbar ist, mit wenigstens einem optischen Detektorelement (1), mit dem wenigstens ein transmittierter, reflektierter, remittierter oder diffus gestreuter Teil des in das Messvolumen (12) eingestrahlten Lichts detektierbar ist, mit einer Ansteuereinheit (15) zur Ansteuerung des wenigstens einen optischen Sendeelements (1), mit einer Verarbeitungs- (3) und/oder Auswerteeinheit (14) sowie mit einer Speichereinheit (18) und/oder einer Anzeigeeinheit (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung wenigstens ein Befestigungsmittel (10) aufweist, mit dem das wenigstens eine optische Sendeelement (1) und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) ausschließlich an einem oder mehreren mechanisch festen und ohne chirurgischen Eingriff zugänglichen Körperteilen befestigbar ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Befestigungsmittel (10) eine Klammer vorgesehen ist, die an den einen oder die mehreren mechanisch festen und ohne chirurgischen Eingriff zugänglichen Körperteile, insbesondere einen Finger- oder Fussnagel (11) oder ein oder mehrere Zähne (6, 7), angepasst ist.
  8. Anordnung mit wenigstens einem optischen Sendeelement (1), mit dem Licht mindestens einer vorgebbaren Wellenlänge in ein Messvolumen (12) innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers einstrahlbar ist, mit wenigstens einem optischen Detektorelement (2), mit dem wenigstens ein transmittierter, reflektierter, remittierter oder diffus gestreuter Teil des in das Messvolumen (12) eingestrahlten Lichts detektierbar ist, mit einer Ansteuereinheit (15) zur Ansteuerung des wenigstens einen optischen Sendeelements (1), mit einer Verarbeitungs- (3) und/oder Auswerteeinheit (14) sowie mit einer Speichereinheit (18) und/oder einer Anzeigeeinheit (19), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) ausschließlich an einem oder mehreren mechanisch festen und ohne chirurgischen Eingriff zugänglichen Körperteilen befestigt sind.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) nebeneinander an einem Fingernagel oder einem Fußnagel (11) befestigt sind.
  10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) an einem oder mehreren Zähnen (6, 7) derart befestigt sind, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) palatinal und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) labial oder das wenigstens eine optische Sendeelement (1) labial und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) palatinal angeordnet ist und dass ein zwischen dem wenigstens einen optischen Sendeelement (1) und dem wenigstens einen optischen Detektorelement (2) befindlicher Raum zumindest teilweise Zahnfleisch enthält.
  11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine optische Sendeelement (1) an einem ersten Zahn (6) angebracht ist und das wenigstens eine optische Detektorelement (2) an demselben Zahn (6) oder an einem zum ersten Zahn (6) benachbarten zweiten Zahn (7) angebracht ist und dass ein zwischen dem wenigstens einen optischen Sendeelement (1) und dem wenigstens einen optischen Detektorelement (2) befindlicher Raum zumindest teilweise Zahnfleisch enthält.
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