DE102013000376A1 - Vorrichtung zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Wirbeltieres oder Menschen - Google Patents

Vorrichtung zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Wirbeltieres oder Menschen

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DE102013000376A1
DE102013000376A1 DE201310000376 DE102013000376A DE102013000376A1 DE 102013000376 A1 DE102013000376 A1 DE 102013000376A1 DE 201310000376 DE201310000376 DE 201310000376 DE 102013000376 A DE102013000376 A DE 102013000376A DE 102013000376 A1 DE102013000376 A1 DE 102013000376A1
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    • A61B5/024Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A61B5/02416Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate using photoplethysmograph signals, e.g. generated by infra-red radiation
    • A61B5/02427Details of sensor

Abstract

Es handelt sich um eine Vorrichtung zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Wirbeltieres oder Menschen, insbesondere der Pulsfrequenz, mit einen Sender (H1), einen Empfänger (D1) und einen weiteren Sender (K1). Dabei handelt es sich typischerweise um LEDs. Der Signalgenerators (G1) speist einen Sender (H1) mit einem Speisesignal (S5). Die von dem Sender (H1) ausgesendete elektromagnetische Strahlung fällt auf das Messobjekt O fällt und wird von diesem auf mindestens einen Empfänger (D1) reflektiert. Alternativ durchdringt die Strahlung des Senders das Messobjekt und fällt dann auf den Empfänger (D1). Ein Regelkreis (CT) erzeugt aus dem Empfängerausgangssignal (S0) des Empfängers (D1) ein Kompensationssendesignal (S3). Dabei verknüpft der Regelkreis (CT) durch eine Linearform das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem Sendesignal (S5). Das Kompensationssendesignal (S3) ist dabei, abgesehen von einem optionalen Offset, linear proportional zum Ergebnis der Linearform. Mit dem Kompensationssendesignal (S3) wird wieder der Kompensationssender (K1) gespeist. Der Regler (CT) regelt das Kompensationssendesignal (S3) so aus, dass das Empfängerausgangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen keine Anteile des Sendesignals (S5) mehr aufweist. Der Regler (CT) gibt ein internes Regelsignal (S4) als Zwischensignal aus. Der Verlauf dieses Zwischensignals (S4) wird so ausgewertet, dass ein biometrischer Parameter, beispielsweise die Herzfrequenz, diesem Signal extrahiert wird. Die Vorrichtung wird typischerweise in Mobiltelefonen oder anderen mobilen Geräten eingesetzt.

Description

  • Einleitung
  • Die puls-oxymetrische Messung von biometrischen Parametern ist eine seit langem bekannte Methodik, die Herzfrequenz von Patienten zu vermessen.
  • Die Methode basiert auf der Messung der Lichtabsorption bzw. der Lichtremission bei einer perkutanen Durchleuchtung der Haut zur Herzfrequenzmessung.
  • 1935 beschrieb K. Matthes eine solche Messung am menschlichen Ohrläppchen ohne den Status der Anwendbarkeit zu erreichen. Takuo Aoyagi realisierte die erste nutzbare Vorrichtung und Methode. Unter der Bezeichnung Photoplethysmographie wurde die Methode erstmals von Christian-Peter Bernhardt 1978 veröffentlicht.
  • Nach diesem Stand der Technik wird mit einem Sättigungsaufnehmer (Clip oder Klebesensor) an einem leicht zugänglichen Körperteil, vorzugsweise an einem Finger, Zeh, am Ohrläppchen oder bei frühgeborenen Säuglingen auch am Fußballen oder Handgelenk gemessen.
  • Die Methode nutzt eine Vorrichtung, die zwei in einem definierten (Infra-)Rot-Bereich (s. u.) leuchtende Sender auf der einen Seite des Messobjekts, typischerweise die besagten Finger, Ohrläppchen etc., und auf der anderen Seite des Messobjekts einen Empfänger, typischerweise eine Fotodiode aufweist. Das Hämoglobin weist ein je nach Sauerstoffsättigungsgrad unterschiedliches Absorptionsspektrum auf. Durch dieses vom Sauerstoffsättigungsgrad abhängige Spektrum ändert sich die relative Absorption der beiden Frequenzbänder, die durch die beiden besagten LEDs abgestrahlt werden. Gleichzeitig hängt die Absorption aber auch von der Durchblutung des durchstrahlten Gewebes ab. Über den Clip oder Klebesensor wird neben der Sättigung daher auch der Puls in den kleinsten Blutgefäßen (Kapillaren) erfasst.
  • Typischerweise wird die Absorption des Lichts mit einer LED bei 660 nm, einer zweiten LED bei 940 nm gemessen. Daneben wird die Lichteinstrahlung durch das Umgebungslicht gemessen und abgezogen.
  • Eine mögliche Anwendung ist die Nutzung dieser Technik als Fahrerzustandsmonitor in Automobilen. Auch im Bereich des Höhenbergsteigens werden immer öfter Pulsoxymeter verwendet, um frühzeitig Hinweise auf eine drohende Höhenkrankheit zu erhalten.
  • Bekannte Messfehler
  • Bei lackierten Fingernägeln wird Licht durch den Lack absorbiert und erreicht die Fotozelle nur abgeschwächt.
  • Künstliche Fingernägel aus Acryl führen in Abhängigkeit vom Pulsoxymeter ebenfalls zu Messfehlern.
  • Bei Patienten mit verringerter peripherer Kapillardurchblutung (beispielsweise bei Schock und Hypothermie) kann es passieren, dass falsche Werte angezeigt werden bzw. dass eine Pulsoxymetrie nicht möglich ist.
  • Bei mechanischem Stoß, z. B. bei einer Fahrt über unebenes Gelände, treten Fehler durch Veränderung der Messanordnung und Änderung des Umgebungslichts auf.
  • Ein solches Systeme wurde beispielsweise in der DE3135802A1 offenbart.
  • Die DE3135802A1 beansprucht ein Pulsüberwachungssystem zum Ermitteln und Anzeigen der Blutdruckimpulse, die durch die Herzschläge entstehen, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung, die in Kontakt mit Körpergewebe positioniert werden kann, um auf Änderungen des Blutvolumens zu reagieren, wobei die Sensoreinrichtung eine Detektoreinrichtung, sowie wenigstens zwei Lichtemitter einschließt, wovon einer ein Lichttransmissions-Emitter ist, der derart angeordnet ist, dass er Licht durch das Körpergewebe zur Detektoreinrichtung strahlt, und der andere ein Licht-Reflexions-Emitter ist, der so angeordnet ist, dass er Licht von diesem zu der Detektoreinrichtung hin reflektiert, wobei diese Detektoreinrichtung Änderungen des durchtretenden und des reflektierten Lichtes feststellt, die aus Änderungen der Gewebedurchblutung resultieren und ein elektrisches Signal entsprechend diesen Änderungen erzeugt, und durch eine Signalbearbeitungseinrichtung zur Wandlung dieser elektrischen Signale in die Pulszahl. Ein wesentlicher Punkt ist, dass die Sensoreinrichtung in Kontakt mit dem Gewebe stehen muss, da das Streulicht ansonsten ein zu geringes Signal zu Rauschverhältnis hervorrufen würde.
  • Die DE3405444A1 beansprucht einen Pulssensor mit einem optoelektronischen Pulsaufnehmer, der eine Lichtquelle sowie ein fotoempfindliches Bauelement enthält, die über einen Strahlengang optisch miteinander gekoppelt sind, in dem ein ausreichend lichtdurchlässiger, durchbluteter Körperteil (26) angeordnet werden kann, so dass das fotoempfindliche Bauelement (20) ein Ausgangssignal liefert, das von seiner Bestrahlungsstärke und damit von durch Lichtdurchlässigkeit des Körperteiles abhängt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Lichtquelle, das fotoempfindliche Bauelement und der sie koppelnde Strahlengang in einen Regelkreis liegen, der die Beleuchtungsstärke des fotoempfindlichen
  • Bauelements (20) konstant zu halten strebt, jedoch eine so große Zeitkonstante hat, dass er Änderungen der Beleuchtungsstärke, die durch pulsbedingte Durchblutungsschwankungen des Körperteiles verursacht werden, nicht auszuregeln vermag.
  • Ein wesentlicher Punkt auch dieses Systems ist, dass die Sensoreinrichtung in Kontakt mit dem Gewebe stehen muss, da das Streulicht ansonsten ein zu geringes Signal zu Rauschverhältnis hervorrufen würde. Im Gegensatz zum vorherbesprochenen System, wird hier jedoch die Beleuchtungsstärke nachgeregelt. Diese Nachregelung findet elektronisch statt. Eine Sensor-Drift oder Sensor-Verschmutzung kann nicht ausgeglichen werden.
  • Die Offenbarung DE69113785T2 beansprucht ein Überwachungsgerät mit einem optischen Sensor zum Bestimmen der Pulsfrequenz durch photoplethysmographische Messung ((PPG-Messung) der Blutzirkulation eines Subjektes, wie beispielsweise eines Körperteils eines Menschen oder eines Tieres, mit einer Lichtquelle, vorzugsweise einer Laserdiode oder einer Licht emittierenden Diode (LED), einer Detektoreinheit, die den Wechselstrom-Anteil oder AC-Anteil, eines generierten PPG-Signals ermittelt, um die Herzfrequenz des Subjektes zu bestimmen, einer elektronischen Verstärkereinheit, einer Präsentationseinheit, beispielsweise einen Oszilloskop, einer Anzeige-Einheit oder einen Drucker, wobei durch ein Mittel zum Trennen einer Signalkomponente von dem ermittelten PPG-Signal, die Atemfrequenz des Subjektes indiziert.
  • Auch dieses System erfordert, dass die Sensoreinrichtung in Kontakt mit dem Gewebe stehen muss, da das Streulicht ansonsten ein zu geringes Signal zu Rauschverhältnis hervorrufen würde.
  • Die Druckschrift DE69122637T2 beschreibt unter Zuhilfenahme der 2b dieser Druckschrift DE69122637T2 auf deren Seite 6 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Puls-Oximeters. Der Finger eines Patienten ist auf der besagten Figur von einer Fingermanschette umgeben, die eine rote LED und eine Nahe-Infrarot-LED (NIR LED) und einen Detektor aufweist. Die LEDs und der Detektor sind durch Leitungen mit einer Verarbeitungs- und Steuerschaltung gekoppelt, die den Blutdruck basierend auf dem Betrag der roten und der NIR-Strahlung, die durch den Detektor erfasst wird, misst.
  • Dieses System ist somit sehr ähnlich der Ursprungsoffenbarung DE3135802A1 und weist alle deren Nachteile auf.
  • Die Schrift DE102008022920A1 beansprucht eine Vorrichtung zur Erkennung von Leblosigkeit einer Person auf Basis von Pulsmessung und/oder Bewegung, wobei zumindest ein optischer Sensor bestehend aus einem Emitter zum Aussenden von Licht auf ein Hautgewebe und aus einem Detektor zum Empfangen des vom Hautgewebe remittieren Lichtes sowie eine Auswerteeinheit vorgesehen sind wobei vom Emitter des optischen Sensors Licht mit einer Wellenlänge aus einem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm ausgesendet wird und wobei als Emitter eine Leuchtdiode mit einer dominanten Wellenlänge aus dem vorgegebenen Bereich und als Detektor eine Photodiode oder ein Phototransistor vorgesehen sind und wobei der Emitter und der Detektor unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
  • Auch dieses System ist somit sehr ähnlich der Ursprungsoffenbarung DE3135802A1 und weist alle deren Nachteile auf. Allerdings bezieht es sich im Gegensatz zu den vorhergehenden Systemen auf eine Messung des reflektierten Lichtes.
  • Die US amerikanische Schrift US4,258,719 beansprucht ein Pulsfrequenz-Messsystem dass während der Messpulsintervalle ein gepulstes Fotostromsignal empfängt, das einen Umgebungslichtanteil induzierten Signalanteil enthält und den gepulsten Fotostromanteil eines Trägersignals, dessen Amplitude durch das Herz-Blutdruck-Signal moduliert wurde, um das besagte Herz-Blutdrucksignal über eine Ausgabeeinheit bereitzustellen, wobei das Pulsfrequenz-Messsystem einen Sensor mit einer gepulsten Lichtquelle und einer Fotodiode mit einer Anode und einer Kathode umfasst, wobei die Kathode mit einem ersten Referenzpotenzial gekoppelt ist und die Anode den besagten gepulsten Fotostrom liefert und ein Löschsignal zur Eliminierung des Umgebungslichtsignals innerhalb des gepulsten Fotostroms direkt in die Anode währen der Pulsintervalle eingekoppelt wird und einen ersten Integrator aufweist, der an die besagte Umgebungslichtkompensation gekoppelt ist und den gepulsten Fotostrom während der Messpulsintervalle empfängt, integriert und speichert, und eine Rückkopplungsschleife aufweist, die zwischen dem Ausgang des besagten Integrators und der Anode der Fotodiode liegt. (Text gekürzt)
  • Im Gegensatz zu den vorhergehenden Schriften wird hier also das Umgebungslicht berücksichtigt. Die Kompensation erfolgt elektronisch direkt an der Anode der Fotodiode durch ein elektronisch generiertes Signal. Eine Driftkompensation des Sensors findet nicht statt.
  • Die Druckschrift US4,260,951 beansprucht ein Pulsratenmesssystem zum Empfang eines gepulsten Fotostromes während eines Messpulsintervalls. Dabei enthält der gepulste Fotostrom ein Umgebungslichtsignal und ein reflektiertes Lichtsignal. Das reflektierte Lichtsignal ist durch den Herz-Blutdruck amplitudenmoduliert. Das Pulsratenmesssystem umfasst eine Signalverarbeitungseinheit, die das besagte Fotostromsignal verarbeitet und eine Rückkopplungsschleife zweiter Ordung enthält. Diese Rückkopplungsschleife enthält einen ersten Differenzierer. Dieser besitzt eine Transferfunktion, die einen Hochpass-Pol bei einer ersten Frequenz besitzt. Dabei wird eine Auslöschung erzeugt, indem eine Null bei besagter erster Frequenz erzeugt wird, um den Hochpass-Pol der besagten Transferfunktion auszulöschen. Die Rückkopplungsschleife enthält darüber hinaus einen zweiten Differenzierer, der an die besagte Auslöschung gekoppelt ist indem ein Hochpass-Pol bei einer zweiten Frequenz ausgebildet wird. Darüber hinaus weist das Messratensystem eine zusätzliche Pulsformung und Ausgabe eines gepulsten Fotostromsignals durch Kopplung an den besagten zweiten Differenzierer mittels der Messpulsintervalle auf.
  • Diese Schrift beschreibt im Wesentlichen wieder ein System entsprechend DE3135802A1 mit allen Nachteilen Allen Systemen ist gemeinsam, dass sie gegenüber Fremdlicht empfindlich sind. Einzige Ausnahme ist die US4,258,719 . Diese verfügt jedoch über eine elektronische Kompensation, die die Drift des Sensors durch Verschmutzung, Alterung, Feuchtigkeit und Temperatur jedoch nicht unterdrückt.
  • Schließlich ist noch zu nennen die US5,774,213 . Diese beschreibt in 4 ein kompensiertes System. Es handelt sich jedoch nicht um ein lineares System. Das System der US5,774,213 funktioniert nur, weil ein Bandpass in den Rückkoppelzweig eingefügt ist. Dieser reduziert die Signalanteile des Empfängersignals auf die Frequenzanteile der Frequenz des Sendesignals. Anschließend erfolgte eine Mischung mit dem Sendesignal, bei der, wie richtig von den Autoren angemerkt, ein Gleichwert, aber eben auch typischerweise die doppelte Frequenz der Sendesignalfrequenz im Mischerausgangssignal entsteht. Dieser parasitäre Anteil doppelter Frequenz wird in einem Verstärker ebenso wie der Gelichanteil verstärkt und dann dem Sendesignal folgerichtig aufmultipliziert. Somit enthält das an die Sendedioden geleitete Signal Anteile mit Sendesignalfrequenz die proportional zum Gleichwert des Mischerausgangssignals sind und parasitäre Anteile, ebenfalls mit Sendesignalfrequenz, die proportional zum halben Wert der Anteile des Mischerausgangssignals sind, die die doppelte Sendefrequenz aufweisen. Diese parasitären Anteile führen zu Störungen. Der eingefügte Bandpass ist nur ein Notbehelf.
  • Diese parasitären Anteile stellen das wesentliche Problem der US5,774,213 dar, das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch gelöst wird.
  • Die durch diese Vorrichtung realisierte Verknüpfung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ist eben keine Linearform sondern entspricht einem kubischen Polynom.
  • Daher verfügen alle Systeme über mechanische Vorrichtungen, die dieses Fremdlicht abschirmen sollen und für einen direkten mechanischen Kontakt zwischen Messsystem und einem Körperteil, typischerweise einem Finger, sorgen.
  • Für viele Anwendungszwecke ist es jedoch vorteilhaft, wenn eine solche Abschirmung des Fremdlichts nicht erforderlich wäre. Die Gehäuseformen wären dann frei wählbar. Ein solcher Sensor könnte dann beispielsweise in ein Mobiltelefon oder ein anderes elektronische Gerät eingebaut werden.
  • Auch ist die Verwendung in Form flacher Messköpfe nicht möglich, die an anderen Stellen als dem menschlichen Finger eingesetzt werden könnten.
  • Die nicht vorhandene Fremdlichtrobustheit bestimmt somit als wesentliche Form des mechanischen Aufbaus, den einer Röhre oder zumindest den zweier mehr oder weniger halbschalenförmiger Klammern. Die Sensoren sind nach innen strahlend auf dem sich beim Schließen der Klammer ergebenden röhrenförmigen Objekt innen angeordnet. Für einige Anwendungen wäre es jedoch auch sinnvoll, die Sensoren nach außen strahlend anbringen zu können. Dies ist aufgrund der fehlenden Fremdlichtrobustheit nicht möglich.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Fremdlicht unabhängige Messung der Herzfrequenz zu ermöglich ohne dass ein Körperkontakt zwischen Messinstrument und Körper erforderlich ist und gleichzeitig eine größere Variabilität des Gehäuses zu ermöglichen und eine Sensor-Drift oder -Verschmutzung auszugleichen. Gleichzeitig soll die erfindungsgemäße Vorrichtung eine möglichst hohe Linearität aufweisen und Störungen optimal, insbesondere besser als die in der US5,774,213 beschriebene Kompensation, unterdrücken.
  • Dies wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 erreicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Verwendung eines Kompensationssenders wird der Empfänger, typischerweise eine Fotodiode, in ihrem Arbeitspunkt gehalten. Weiter ist es sinnvoll, eine Übersteuerung des Empfängers zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch einen Gyrator geschehen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Dabei sind die Figuren schematisch soweit ausgeführt, dass ein Fachmann den Grundgedanken erfassen kann.
  • 1 zeigt die einfachste beispielhafte Ausprägung des Systems. Ein Generator G1 erzeugt ein Signal S5. Mit diesem wird ein Sender H1, typischerweise eine LED, angesteuert. Dieser strahlt in eine erste Übertragungsstrecke I1 ein. Am Ende dieser Übertragungsstrecke I1 befindet sich das Objekt O. Dabei handelt es sich typischerweise um eine freiliegende Hautpartie des Patienten. Diese reflektiert das vom Sender H1 kommende Licht über eine zweite Übertragungsstrecke zum Empfänger D1. Dieser wandelt das durch die Übertragungsstrecke (I1, I2, O) modifizierte Signal in das Empfängerausgangssignal S0. Typischerweise entspricht dieses Signal der über eine Fotodiode abfallenden Spannung. Das Empfängerausgangssignal wird durch einen Regler CT in das Kompensationssendesignal S3 und das Ausgangssignal S4 transformiert. Mit dem Kompensationssendesignal S3 wird der Kompensationssender K1 gespeist, der über eine definierte und typischerweise nicht veränderbare, also stabile, dritte Übertragungsstrecke I3 ebenfalls in den Empfänger D1 einstrahlt. Dabei überlagert sich der Strahlungsanteil des Senders H1 und des Kompensationssenders K1 im Empfänger D1 vorzugsweise linear. Der Sender H1 strahlt möglichst ausschließlich indirekt in den Empfänger D1 ein, während der Kompensationssender K1 möglichst direkt einstrahlt. Der Regler CT1 wird dabei so konfiguriert, dass eine Schwankung des auf den Senders H1 zurückzuführenden Strahlungsanteils, der den Empfänger D1 trifft, durch eine entgegengerichtete Schwankung des Strahlungsanteils des Kompensationssenders K1 ausgeglichen wird. Der Empfänger D1 empfängt daher bei einem dermaßen geschlossenen Regelkreis typischerweise im Wesentlichen nur ein Gleichsignal. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zur US5,774,213 , die wie oben beschrieben, eben nicht nur ein Gleichsignal als Regelsignal generiert, sondern eben auch Signalanteile mit doppelter Sendefrequenz generiert.
  • Abweichungen ergeben sich beim erfindungsgemäßen System im Gegensatz dazu nur durch das Systemrauschen und etwaige Regelfehler. Das interne Regelsignal S4 stellt dabei ein Zwischensignal dar, aus dem die Pulsfrequenz gewonnen werden kann.
  • 2 zeigt eine typische und beispielhafte Ausgestaltung eines Reglers CT. Dieser ist gestrichelt eingezeichnet. Das Empfängerausgangssignal S0 wird zum verstärkten Empfängerausgangssignal S1 verstärkt. Das Signal S1 wird mit dem Sendesignal S5 multipliziert. Hierdurch werden alle DC-Störsignale im Frequenzspektrum durch Addition der S5-Signalfrequenz auf die S5-Signalfrequenz verschoben.
  • Die Signalanteile des verstärkten Empfängerausgangssignals S1, die mit dem Signal S5 korrelieren werden auf f = 0 Hz verschoben. Sie finden sich allerdings auch bei der doppelten S5-Signalfrequenz. Durch anschließende Tiefpassfilterung werden alle höheren Frequenzanteile entfernt.
  • Dies ist der wesentliche strukturelle Unterschied zur US5,774,213 , die statt dieses Tiefpasses einen Bandpass an einer anderen Stelle im Regelkreis aufweist und wie besprochen eine geringere Performance aufweist. Dieser Mangel wurde im Laufe der Konzeptentwicklung erkannt.
  • Mathematisch entspricht die erfindungsgemäße Signalverarbeitung einem Skalar-Produkt zwischen dem Signal S5 und dem verstärkten Empfängerausganssignal S1 und damit dem Empfängerausgangssignal S0. Andere Linearformen sind ebenfalls möglich.
  • Durch diese Operation, einer sogenannten Hilbert-Projektion des verstärkten Empfängerausgangssignals S1 auf das Sendesignal S5 mittels einer Linearform und zwar im Besonderen mittels eines Skalar-Produkts durch Signalmultiplikation und Tiefpassfilterung, wird quasi der Fourierkoeffizient des Signals S5 im Signal S1 bestimmt. Es handelt sich somit um eine Transformation eines Teils des Empfängerausgangssignals S0 in den Sendesignal-Raum oder S5-Raum.
  • Dieses Filterausgangssignal S9 wird sodann durch den Verstärker V1 zum Verstärkerausgangssignal S4 verstärkt. Typischerweise wird die Verstärkung v des Verstärkers V1 relativ hoch gewählt. Das Vorzeichen der Verstärkung v wird dabei so gewählt, dass der Regelkreis später stabil ist. Das Verstärkerausgangssignal stellt gleichzeitig das Zwischensignal S4 dar, das für die Ermittlung der Herzfrequenz ausgewertet wird.
  • Das so erhaltene Verstärkerausgangssignal oder Zwischensignal S4 wird durch Multiplikation mit dem S5 Signal in den Ursprungsraum zurücktransformiert. Das Ergebnis ist das Kompensationsvorsignal S6. Dieses wird ggf. mit einem Offset B1 durch Addition versehen zum Kompensationssendesignal S3. Dieses speist den Kompensationssender K1, der wie bereits beschrieben aufgrund der Parametrisierung dieser Regelschleife Schwankungen des Strahlungsanteils des Senders H1 beim Empfang durch den Empfänger D1 ausgleicht.
  • Durch diese Methodik unter Zuhilfenahme einer Linearform wird eine erhöhte Fremdlichtrobustheit erreicht. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu allen Dokumenten aus dem Stand der Technik. Diese Fremdlichtrobustheit wird im Falle einer Fotodiode durch Verwendung eines Gyrators zur Arbeitspunkteinstellung der Fotodiode weiter verbessert.
  • 3 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zu 1 wird das Objekt jetzt durchstrahlt.
  • 4 zeigt schematisch das beispielhafte Gesamtsystem der Erfindung. Der beispielhafte Messkopf (1) enthält die besagten Fotodioden (D1) und die LEDs (H1). Durch das optische Fenster kann die Strahlung ein- und austreten. Der Regler CT erzeugt aus dem Generatorsignal S5 das Zwischensignal S4. Dieses wird in der Verarbeitungseinheit (2) zu einem Messwert der Herzfrequenz verarbeitet. Eine Möglichkeit der Verarbeitung ist dabei, dass die Einheit (2) einen Schneidepegel in das Signal S4 legt und die Zeit zwischen zwei Pulsen des so ermittelten Signals misst und digital oder analog – diskret oder kontinuierlich ausgibt.
  • 5 zeigt eine geeignete beispielhafte mechanische Ausführungsform eines Messkopfs der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In einer unteren Gehäuseschale (11) ist ein PCB (14) eingebracht. Auf diesem PCB befinden sich in diesem Beispiel vier LEDs (9, 12, 15, 17), die symmeterisch um die beispielhafte Fotodiode (13) herum angebracht sind. Die LEDs (9, 12, 15, 17) arbeiten als Sender (H1) Die LEDs können gleichzeitig – synchron oder im Frequenzmultiplex – oder sequentiell betrieben werden. Eine fünfte LED (8) ist über einen Lichtwellenleiter (10) mit der Fotodiode (13) gekoppelt. Diese Fotodiode (13), die den Empfänger (D1) bildet, befindet sich im Zentrum bzw. Symmetriepunkt der LED Positionen (9, 12, 15, 17). Die fünfte LED (8) dient als Kompensationssender (K1). Das PCB ist mit einer Lippe (16) versehen, an dem ein Flachbandkabel zur Verbindung mit dem Controller (CT) mittels eines geeigneten Steckers und freiliegender Leitungen auf dem PCB angeschlossen werden kann. Auf das PCB ist ein strukturierter Lichtschutz (19) aufgesetzt. Dieser besitzt einen inneren Ring (20) der die Fotodiode (13) optisch von den LEDs (9, 12, 15, 17) entkoppelt. Der Ring (20) verhindert eine direkte Einstrahlung der LEDs (9, 12, 15, 17) in die Fotodiode (13). Im Gegensatz hierzu weist der Ring (20) eine Aussparung (7) für den Lichtleiter (10) auf, der die fünfte LED (8) mit der Fotodiode (13) direkt optisch koppelt. Demgegenüber sind die anderen vier LEDs (9, 12, 15, 17) indirekt über das Objekt (O) mit dem Empfänger, der Fotodiode (13) gekoppelt.
  • Zwischen diesem inneren Ring (20) und dem äußeren Ring des Lichtschutzes (19) sind Stege (18) angebracht, die eine direkte optische Kopplung zwischen den LEDs (9, 12, 15, 17) durch Überstrahlung zu verhindern. Die Stege (18) sind dabei gleichzeitig so geformt, dass sie eine optische Kopplung mit dem zu vermessenden Objekt nicht behindern. Das Ganze wird mit einem optischen Fenster (5) abgedeckt, das in seinem Randbereich (6) so geformt ist, dass es lichtdicht auf dem Ring aufliegt. Vorzugsweise ist das optische Fenster (5) auf der Innenseite zu den LEDs hin entspiegelt, um die Kopplung zu minimieren. Die Innenfläche des Fensters (5) ist so geformt, dass das Licht der Sende LEDs (9, 12, 15, 17) wenn überhaupt, dann möglichst nicht zum Empfänger (13) gestreut wird. Das Fenster (5) wird dabei jedoch so gewählt, dass es im interessierenden Spektralbereich für die elektromagnetische Strahlung der LEDs (9, 12, 15, 17) durchlässig ist. Durch einen Fixierring (4), der eine umlaufende Lippe (3) aufweist, werden optisches Fenster (5), Lichtschutz (19), PCB (14) mit den Bauteilen und die Gehäuseunterschale (11) zusammengehalten. Die mechanische Verbindung kann dabei beispielsweise über einen Schnappverschluss erfolgen. Die Lippe (3) liegt dabei auf der Kontaktfläche (5) lichtdicht auf.
  • 6 zeigt die beispielhafte Anordnung bei abgenommenem Deckel (4,5) von oben. Zwischen Lichtschutz (19) und der Wand des Gehäuseunterteils (11) befindet sich typischerweise noch ein Freiraum (21).
  • 7 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch den beispielhaften Messkopf. Ein auflegen eines Fingers (22) erzeugt eine veränderte Reflektion – hier von der LED 9 zur Fotodiode. Damit die Fotodiode die gesamte Fläche des optischen Fensters (5) „sieht” ist der Lichtschutz (19) nicht bis zum optischen Fenster hochgezogen. Es verbleibt ein Spalt zwischen optischem Fenster (5) und Lichtschutz (19), der so groß ist, dass Licht vom Rande des optischen Fensters (5) die Fotodiode erreichen kann. Erst hierdurch wird die erfindungsgemäße Anordnung entsprechend 1 möglich.
  • 8 zeigt ein beispielhaftes S4-Signal (23) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dieses Signal wird durch die Verarbeitungseinheit (2) in ein Schaltsignal (25) umgewandelt. Hierzu wird das S4-Signal (23) mit einem Schneidepegel (24) verglichen. Diese Umwandlung findet typischerweise in der Verarbeitungseinheit (2, 2) statt. Eine andere Wandlung als die hier beschriebene 1-Bit-ADC-Wandlung ist selbstverständlich je nach Anwendungsfall möglich. Die Verarbeitungseinheit misst dann die Periodendauer und ermittelt daraus die Herzfrequenz.
  • Selbstverständlich kann der Regler (CT) und die Verarbeitungseinrichtung (2) auch durch eine DSP Vorrichtung mit ADCs und DACs oder PWMs realisiert werden. Das Signal S3 kann insbesondere auch ein PWM moduliertes Signal sein, wobei unterschiedliche Amplituden durch unterschiedliche Tatverhältnisse realisiert werden. Die Frequenz des S5-Signals sollte dabei wesentlich niedriger als die PWM Frequenz liegen, um eine sichere Ausfilterung der PWM Frequenz durch die Tiefpassfilter F zu ermöglichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 3135802 A1 [0012, 0013, 0020, 0022, 0026]
    • DE 3405444 A1 [0014]
    • DE 69113785 T2 [0017]
    • DE 69122637 T2 [0019]
    • DE 102008022920 A1 [0021]
    • US 258719 [0023]
    • US 4260951 [0025]
    • US 4258719 [0026]
    • US 5774213 [0027, 0034, 0038, 0042]

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Wirbeltieres oder Menschen umfassend mindestens einen ersten Sender (H1) und mindestens einen Empfänger (D1) dadurch charakterisiert, – dass die Vorrichtung mindestens einen weiteren Sender (K1) aufweist und – dass mindestens ein erster Sender (H1) mit einem Speisesignal (S5) eines Signalgenerators (G1) betrieben wird und – dass die von dem ersten Sender (H1) ausgesendete elektromagnetische Strahlung auf das Messobjekt O fällt und von diesem auf mindestens einen Empfänger (D1) reflektiert wird und/oder das Messobjekt durchdringt und auf mindestens einen Empfänger (D1) fällt und – dass mindestens ein Regelkreis (CT1) mindestens ein Kompensationssendesignal (S3) aus mindestens einem Empfängerausgangssignal (S0) eines der besagten Empfänger (D1) erzeugt und – dieser besagte Regelkreis (CT1) durch eine Linearform das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem Sendesignal (S5) verknüpft und – Das Kompensationssendesignal (S3), abgesehen von einem optionalen Offset, linear proportional zum Ergebnis dieser Linearform ist und – dass mit mindestens einem Kompensationssendesignal (S3) der Kompensationssender (K1) gespeist wird und – dass der besagte Regler (CT1) das Kompensationssendesignal (S3) so ausregelt, dass das besagte Empfängerausgangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen keine Anteile des Sendesignals (S5) mehr aufweist und – dass der Regler (CT1) ein internes Regelsignal (S4) als Zwischensignal ausgibt und – dass der Verlauf dieses Zwischensignals (S4) so ausgewertet wird, dass mindestens ein biometrischer Parameter diesem Signal extrahiert wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch charakterisiert, – dass es sich bei dem biometrischen Parameter um die Herzfrequenz handelt.
  3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche dadurch charakterisiert, – Dass mindestens ein Sender eine LED (9, 12, 15, 17) ist.
  4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche dadurch charakterisiert, – dass die Vorrichtung Teil einer mobilen Vorrichtung oder eines Mobiltelefons ist.
  5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch charakterisiert, – dass sie mehrere LEDs (9, 12, 15, 17) aufweist, die insbesondere symmetrisch um mindestens einen Empfänger (D1‚ 13) herum angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem Sender (H1, 9, 12, 15, 17) und mindestens einem Empfänger (D1, 13) mindestens eine optische Sperre, insbesondere ein Steg (20), angeordnet ist, die eine direkte Einstrahlung des besagten Senders (H1, 9, 12, 15, 17) in den besagten Empfänger (D1, 13) verhindert.
  7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch charakterisiert, – Dass mindestens ein Sender (H1, 9, 12, 15, 17), mindestens ein Kompensationssender (K1, 8) und mindestens ein Empfänger (D1, 13) durch mindestens ein optisches Fenster (5) abgedeckt oder mechanisch geschützt sind, das für die interessierenden Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung zumindest teilweise transparent ist.
  8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch charakterisiert, dass mindestens ein Empfänger (D1, 13) eine Fotodiode oder ein Fotowiderstand oder ein Fototransistor ist.
  9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch charakterisiert, – dass mindestens ein Regler (CT1) als Linearform ein Skalar-Produkt zwischen mindestens einem Sendesignal (S5) und mindestens einem Empfängerausgangssignal (S0) bildet und das so gebildete Skalar-Produkt-Signal mit dem Sendesignal (S5) multipliziert – und das so gebildete Signal (S6) mit einem optionalen Bias-Wert durch Addition versieht und – das so gebildete Kompensationssendesignal (S3) den Kompensationssender (K1, 8) speist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Skalar-Produkt zwischen mindestens einem Sendesignal S5 und mindestens einem Empfängerausgangssignal S0 durch Multiplikation und anschließende Tiefpassfilterung erzeugt wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 dadurch charakterisiert, dass mindestens ein Filterausgangssignal oder ein Skalar-Produktsignal zu mindestens einem Ausgangssignal (S4) verstärkt wird, bevor dieses zu mindestens einem Kompensationsvorsignal (S6) mit dem Sendesignal (S5) multipliziert wird.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch charakterisiert, dass es sich bei mindestens einem Empfänger (D1, 13) um eine Fotodiode handelt, die mittels eines Gyrators im Arbeitspunkt gehalten wird.
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