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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen und eine
Anordnung eines optischen Sende- bzw. Detektorelements eines Messgerätes.
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Stand der Technik
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Mit
optischen Verfahren können beispielsweise der Glukosegehalt
des Blutes oder die Herzfrequenz (Puls) und/oder die Sauerstoffsättigung
des Blutes (Pulsoximetrie) erfasst werden.
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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.
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Darüber
hinaus erreicht ein Teil des Lichts, welches in das Gewebe eingestrahlt
wird, aufgrund von Reflexionen nicht den Detektor.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darstellung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine
optische Sendeelement und das wenigstens eine optische Detektorelement
nebeneinander an einem Fingernagel oder einem Fußnagel befestigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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”.
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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.
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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.
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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.
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In
einer bevorzugten Anordnung ist das wenigstens eine optische Detektorelement
drahtgebunden mit einer Verarbeitungseinheit und diese drahtgebunden
oder drahtlos mit einer Auswerteeinheit verbunden.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
auf einem Fingernagel angeordnete Systemkomponenten
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel von an benachbarten Zähnen
angeordneten Systemkomponenten
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel von an benachbarten Zähnen
angeordneten Systemkomponenten
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4 zeigt
in einer Kapselung angeordnete Systemkomponenten
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5 zeigt
eine Kapselung mit einer Klammer
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6 zeigt
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gesamtsystems
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung kann selbstverständlich
nicht nur wie abgebildet an den Oberkieferzähnen realisiert
werden, sondern selbstverständlich auch an den Unterkieferzähnen.
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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.
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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.
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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.
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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