DE102014116537B4

DE102014116537B4 - Funktionales Hautpflaster sowie System zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters

Info

Publication number: DE102014116537B4
Application number: DE102014116537.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Kappel; Gerald Holweg; Thomas Herndl; Walther Pachler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: DE102014116537A1; US20160135684A1; US9943228B2

Abstract

Funktionales Hautpflaster (100), mit einer ersten Oberfläche (101) und einer zweiten Oberfläche (102) entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche (101), umfassend:- eine funktionale Einheit (200), die einen Thermoharvester (210) aufweist, der einen thermisch mit der ersten Oberfläche (101) verbundenen ersten Anschluss (210a) und einen zweiten Anschluss (210b) hat, und- eine Antenneneinheit (300), die einen thermisch mit dem zweiten Anschluss (210b) des Thermoharvesters (210) verbundenen ersten Anschluss (300a) und einen thermisch mit der zweiten Oberfläche (102) verbundenen zweiten Anschluss (300b) hat, wobei die Antenneneinheit (300) eine gestapelte Schichtstruktur hat, die in dieser Sequenz aufweist:- eine Metallschicht (310), die thermisch mit dem zweiten Anschluss (210b) des Thermoharvesters (210) verbunden ist,- eine Ferritschicht (320), die thermisch mit der Metallschicht (310) verbunden ist, und- eine Antennenschicht (330), die thermisch mit der Ferritschicht (320) verbunden ist.

Description

HINTERGRUND
Funktionale Hautpflaster oder Sensorpflaster für medizinische oder industrielle Überwachungsnetzwerke sehen einen begrenzten Raum in einer Dickenrichtung vor und erfordern weiterhin Flexibilität, um an den darunterliegenden Körper, beispielsweise einen menschlichen Körper, angepasst zu sein. Falls ein Thermoharvester in das funktionale Hautpflaster integriert ist, ist eine strahlende Oberfläche eines maximierten Gebietes wünschenswert, um die thermische Leitfähigkeit zwischen dem funktionalen Hautpflaster und der umgebenden Luft zu steigern. Um einen niedrigen Wärmetransferwiderstand der äußeren Oberfläche des funktionalen Hautpflasters zu haben, kann eine Metallschicht vorgesehen werden. Wenn jedoch das funktionale Hautpflaster mit einer Antenneneinheit ausgestattet ist, konkurrieren die strahlende äußere Oberfläche und der Antennenteil um das Oberflächengebiet der äußeren Oberfläche des funktionalen Hautpflasters.
Virili, Magro et al.: „Design and Optimization of an Antenna with Thermo-Electric Generator (TEG) for Autonomous Wireless Nodes" in: IEEE RFID Technology and Applications Conference (RFID-TA), 2014, Tampere, 8. - 9. September 2014, Seite 21 bis 26, ist auf die Gestaltung und die Optimierung einer Antenne mit einem thermoelektrischen Generator für autonome drahtlose Systeme gerichtet. Die Antenne arbeitet in dem Industrial, Scientific and Medical (ISM)-Frequenzband, welches im Bereich zwischen 2,4 und 2,5 GHz liegt. Der thermoelektrische Generator ist auf der Antenne montiert und wird dazu verwendet, um elektrische Energie für das drahtlose System zu gewinnen. Die Antennentopologie ist so ausgewählt, dass eine gute thermische Leitung zwischen dem thermoelektrischen Generator und der Grundplatte der Antenne ermöglicht ist.
Pachler, Walter et al.: „A silver inkjet printed ferrite NFC antenna". in: Antennas and Propagation Conference (LAPC), 2014, Loughborough, 10. - 11. November 2014, Seite 95 bis 99, ist auf eine Ferrit-NFC-Antenne gerichtet, die mit einem Silber-Inkjet-Verfahren hergestellt wird. Hierbei wird eine NFC-Antenne direkt auf ein Ferritsubstrat unter Verwendung eines Silber-Inkjet-Druckprozesses aufgedruckt. Solch eine Silber-Inkjet-gedruckte Ferrit-NFC-Antenne weist eine minimale Substratdicke, einen guten Betrieb auf Metallobjekten, und einen geringen Endmontageaufwand auf.
Dalola, Simon et al. „Autonomous Sensor System With Power Harvesting for Telemetrie Temperature Measurements of Pipes". in: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 58, Nr. 5, Mai 2009, Seite 1471 bis 1478, ist auf ein autonomes Sensorsystem mit einer Energiegewinnungsvorrichtung zur telemetrischen Temperaturmessung von Röhren gerichtet. Es ist ein autonomes Sensorsystem vorgesehen, welches eine thermoelektrische Energie-Harvesting-Einheit umfasst. Die Zielanwendung liegt in der Temperaturmessung von Röhren. Wenn der autonome Sensor auf einer Wärmequelle platziert wird, erntet ein thermoelektrisches Modul Energie, um den autonomen Sensor mit Energie zu versorgen.
Die US 2004/0193020 A1 ist auf ein in-vivo Informationsgewinnungssystem gerichtet. Das in-vivo Informationsgewinnungssystem umfasst eine Tag-Vorrichtung, die in einem lebenden Körper eingebettet ist, eine Relais-Vorrichtung, die außerhalb des lebenden Körpers und nahe der Tag-Vorrichtung angeordnet ist, und einen Hauptsendeempfänger zum Sammeln der in-vivo Information, die von der Tag-Vorrichtung durch die Relaisvorrichtung übertragen wird.
Es ist eine Aufgabe, ein funktionales Hautpflaster vorzusehen, das eine Antenne und verbesserte Thermoharvestingeigenschaften hat.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Gestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen definiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines funktionalen Hautpflasters, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche hat, umfasst das funktionale Hautpflaster eine funktionale Einheit, die einen Thermoharvester, der einen thermisch mit der ersten Oberfläche verbundenen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat, und eine Antenneneinheit, die einen thermisch mit dem zweiten Anschluss des Thermoharvesters verbundenen ersten Anschluss und einen thermisch mit der zweiten Oberfläche verbundenen zweiten Anschluss hat, aufweist, wobei die Antenneneinheit eine gestapelte Schichtstruktur hat, welche in dieser Sequenz eine mit dem zweiten Anschluss des Thermoharvesters thermisch verbundene Metallschicht, eine thermisch mit der Metallschicht verbundene Ferritschicht und eine thermisch mit der Ferritschicht verbundene Antennenschicht aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Systems zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters umfasst das System ein funktionales Hautpflaster und eine implantierbare Vorrichtung, die eine Sensoreinheit zum Messen wenigstens eines Körpergesundheitsparameters hat, sowie eine Datensendeempfängereinheit zum Übertragen von Messdaten, die den wenigstens einen Körpergesundheitsparameter enthalten, zu dem funktionalen Hautpflaster und eine Energieempfangseinheit zum Empfangen von elektromagnetischer Energie von der koppelnden Antenne des funktionalen Hautpflasters.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung der Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.

1A ist ein schematisches Blockdiagramm eines funktionalen Hautpflasters gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1B ist ein schematisches Blockdiagramm eines Systems zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 veranschaulicht eine Anordnungsposition auf einem menschlichen Körper von einem funktionalen Hautpflaster gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Wärmefluss durch das funktionale Hautpflaster gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
4 ist ein thermisches Schaltungsdiagramm, das den Wärmefluss durch das funktionale Hautpflaster gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
5A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines funktionalen Hautpflasters gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5B ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles der Antenneneinheit des funktionalen Hautpflasters gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines funktionalen Hautpflasters mit einer Metallpunktschicht bzw. - fleckschicht, die auf eine Ferritschicht gedruckt ist, um das Oberflächengebiet der Antennenschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel zu steigern.
7A ist eine schematische perspektivische Darstellung der Antenneneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7B ist eine detaillierte Darstellung des Teiles A von 7A, die ein Antennenmuster und eine auf die Ferritschicht des funktionalen Hautpflasters gemäß einem Ausführungsbeispiel gedruckte Metallpunktschicht zeigt.
7C ist eine detaillierte Darstellung des Teiles B von 7B, die die auf die Ferritschicht gedruckte Metallpunktschicht zeigt.
8 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Systems zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters gemäß einem Ausführungsbeispiel.
9 ist eine schematische Schnittdarstellung eines funktionalen Hautpflasters des Systems zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters gemäß einem Ausführungsbeispiel.
10A ist ein schematisches Schaltungsdiagramm des Systems zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters in einem ersten Modus.
10B ist ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Systems zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters in einem zweiten Modus.

DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen nur für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente durch entsprechende Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Ausdruck „elektrisch gekoppelt“ umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Widerstände, resistive Elemente oder Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
1A ist ein schematisches Blockdiagramm eines funktionalen Hautpflasters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie aus 1A ersehen werden kann, hat das funktionale Hautpflaster 100 eine erste Oberfläche 101 und eine zweite Oberfläche 102, die entgegensetzt zu der ersten Oberfläche 101 ist. Das funktionale Hautpflaster 100 umfasst eine funktionale Einheit 200 und eine Antenneneinheit 300. Die funktionale Einheit 200 umfasst einen Thermoharvester 210, wobei der Thermoharvester 210 einen ersten Anschluss 210a, der thermisch mit der ersten Oberfläche 101 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 210b hat. Der zweite Anschluss 210b des Thermoharvesters 210 ist thermisch mit einem ersten Anschluss 300a der Antenneneinheit 300 verbunden. Ein zweiter Anschluss 300b der Antenneneinheit 300 ist thermisch mit der zweiten Oberfläche 102 verbunden. Die Antenneneinheit 300 hat eine gestapelte Schichtstruktur, die in dieser Reihenfolge bzw. Sequenz eine Metallschicht 310, die thermisch mit dem zweiten Anschluss 210b des Thermoharvesters 210 verbunden ist, eine Ferritschicht 320, die thermisch mit der Metallschicht 310 verbunden ist, und eine Antennenschicht 330, die thermisch der Ferritschicht 320 verbunden ist, aufweist.
Durch Vorsehen der Struktur des funktionalen Hautpflasters 100 wird ein elektromagnetisches Feld der Antennenschicht 330 durch die Ferritschicht 320 reflektiert, während gleichzeitig die Antennenschicht 330 elektrisch von der Metallschicht 310 isoliert ist. Als eine Folge kann durch Vorsehen der Antenneneinheit 300 mit der gestapelten Schichtstruktur aus der Metallschicht 310, der Ferritschicht 332 und der Antennenschicht 330 ein exzellenter Wärmefluss von dem zweiten Anschluss 210b des Thermoharvesters 210 zu der zweiten Oberfläche 102 des funktionalen Hautpflasters 100 vorgesehen werden, während die Funktionalität der Antennenschicht 330 nicht negativ beeinträchtigt ist.
1B ist ein schematisches Blockdiagramm eines Systems 1000 zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das System 1000 umfasst ein funktionales Hautpflaster 100 und eine implantierbare Vorrichtung 500. Die implantierbare Vorrichtung 500 hat eine Sensoreinheit 510 zum Messen wenigstens eines Körpergesundheitsparameters, eine Datensendeempfängereinheit 520 zum Übertragen von Messdaten, die den wenigstens einen Körpergesundheitsparameter enthalten, zu dem funktionalen Hautpflaster 100 und eine Energieempfangseinheit 520 zum Empfangen elektromagnetischer Energie von der koppelnden Antenne 260 des funktionalen Hautpflasters 100.
Durch Vorsehen des Systems 1000, wie dieses in 1B gezeigt ist, kann eine implantierbare Vorrichtung durch das funktionale Hautpflaster 100 erregt bzw. mit Energie versorgt werden, das seinerseits gestaltet ist, um autonom mittels des Thermoharvesters 210 Energie zu erzeugen. Somit kann eine Langzeitüberwachung von wenigstens einem Körpergesundheitsparameter erzielt werden, wobei die Energie zum Überwachen wenigstens teilweise durch Einbringen der Körperwärme erzeugt wird.
2 veranschaulicht eine Anordnungsposition eines funktionalen Hautpflasters 100 auf einem menschlichen Körper B. Das funktionale Hautpflaster 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist gestaltet, um die Körperwärme einzubringen und durch Leiten von Wärme von einer Körperhaut durch den Thermoharvester 210 zu einer äußeren Oberfläche, das heißt der zweiten Oberfläche 102, die in Kontakt mit der Luft der Umgebung ist. Die Anwendung des funktionalen Hautpflasters 100 ist nicht auf den menschlichen Körper B begrenzt, sondern es ist auch möglich, das funktionale Hautpflaster 100 auf eine Körperoberfläche eines Tieres anzubringen, das vorzugsweise ein Warmblütler ist. Wie aus 2 ersehen werden kann, haben die Extremitäten des menschlichen Körpers B eine niedrigere Temperatur, so dass eine Anwendung auf den Torso des menschlichen Körpers B bevorzugt ist. Die Temperatur des menschlichen Körpers B reicht von einem Temperaturbereich von 28°C an einem Vorderarmbereich bis 37°C an einem Torsobereich des menschlichen Körpers B.
Das Gebiet bzw. die Fläche der ersten und der zweiten Oberfläche 101, 102 des funktionalen Hautpflasters 100 kann in einem Bereich von 20 cm² bis 500 cm² oder in einem Bereich von 50 cm² bis 100 cm² oder in einem Bereich von 50 cm² bis 80 cm² sein. Die Abmessung bzw. Größe des funktionalen Hautpflasters 100 ist ein Abgleich bzw. Ausgleich zwischen der Wärmemenge, die eingebracht werden kann, und der Bequemlichkeit für eine Person, die das funktionale Hautpflaster 100 trägt.
3 veranschaulicht den Wärmefluss innerhalb des funktionalen Hautpflasters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, während 4 das entsprechende Thermoschaltungsdiagramm des funktionalen Hautpflasters 100 ist. Wie aus 3 ersehen werden kann, kann das funktionale Hautpflaster 100 weiterhin eine Wärmekollektoreinheit 400 umfassen, die einen ersten Anschluss 400a, der thermisch mit der ersten Oberfläche 101 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 400b, der thermisch mit dem ersten Anschluss 210a des Thermoharvesters 210 verbunden ist, hat. Wie weiter in 3 veranschaulicht ist, kann der Thermoharvester 210 in eine thermisch isolierende Schicht 290 eingebettet sein, um zu gewährleisten, dass der Wärmefluss lediglich durch den Thermoharvester 210 geleitet wird und nicht von der Wärmekollektoreinheit 400 zu der Antenneneinheit 300 überbrückt oder nebengeschlossen ist. Die thermisch isolierende Schicht 290 kann wenigstens ein Material aus Wolle, Zellulose, Schaumstoff, wie expandiertem Polyethylen oder einem Material, das die Anforderungen erfüllt, flexibel zu sein und gleichzeitig eine niedrige Wärmeleitfähigkeit zu haben, sein. Der thermische Widerstand der thermisch isolierenden Schicht 290 kann in einem Bereich von 20 bis 50 K/W sein.
Der Wärmefluss Q fließt, wie in 4 gezeigt ist, von der Haut eines Körpers, der eine Temperatur T_source hat, über die erste Oberfläche 101, den ersten Anschluss 400a der Wärmekollektoreinheit 400 und dem zweiten Anschluss 400b zu der Wärmekollektoreinheit 400, die einen thermischen Widerstand Rθ_source hat. Von dem zweiten Anschluss 400b der Wärmekollektoreinheit 400 fließt der Wärmefluss Q durch den Thermoharvester 210 von dem ersten Anschluss 210a zu dem zweiten Anschluss 210b, wobei der innere thermische Widerstand des Thermoharvesters 210 durch Rθ_TEG gegeben ist. Die Wärme wird dann von dem zweiten Anschluss 210b des Thermoharvesters 210 durch die Antenneneinheit 300, die einen thermischen Widerstand von Rθ_sink hat, und von dem ersten Anschluss 300a zu dem zweiten Anschluss 300b der Antenneneinheit 300. Dann wird wenigstens die Wärme von der zweiten Oberfläche 102 abgestrahlt, die in Kontakt mit Luft ist, die die Temperatur T_Air hat, wobei die zweite Oberfläche 102 in thermischem Kontakt mit dem zweiten Anschluss 300b der Antenneneinheit 300 ist.
Ein thermoelektrisches Energieeinbringen des Thermoharvesters 210 verwendet den thermoelektrischen Effekt, um elektrische Energie aus einer Temperaturdifferenz ΔT_TEG zu gewinnen. In einem Betriebszustand des Thermoharvesters 210 tritt ein kontinuierlicher Wärmefluss von der Wärmequelle mit der Temperatur T_source durch den Thermoharvester 210 über die abstrahlende zweite Oberfläche 102 zu der umgebenden Luft mit der Temperatur T_Air auf. Ein entscheidender Parameter in dem beschriebenen System ist der thermische Transferwiderstand des zweiten Anschlusses 300b der Antenneneinheit 300 oder der zweiten Oberfläche 102 zu der umgebenden Luft. Falls keine ausreichende Wärmestrahlung auftritt, steigt die Temperatur des zweiten Anschlusses 210b des Thermoharvesters 210 an, so dass der Temperaturgradient ΔT_TEG vermindert wird, was in einer geringeren Ausgangsleistung des Thermoharvesters 210 resultiert. Als eine Folge ist der thermische Widerstand der Wärmekollektoreinheit 400 Rθ_source und der thermische Widerstand der Antenneneinheit 300 Rθ_sink vorzugsweise niedrig, um den thermischen resistiven Impedanzabfall an den jeweiligen thermischen Widerständen der Antenneneinheit 300 und der Wärmekollektoreinheit 400 zu reduzieren.
Somit ist die Wärmekollektoreinheit 400 vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, wie beispielsweise Metall, oder aus einem Material, das eine ausreichende Flexibilität und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. In einer analogen Weise ist die Antenneneinheit 300, die gestaltet ist, um den Wärmefluss von dem zweiten Anschluss 210b des Thermoharvesters 210 zu der zweiten Oberfläche 102 auszubreiten, aus einem Material oder einer Materialzusammensetzung hergestellt, die einen niedrigen thermischen Widerstand hat. Aus der Sicht eines Wärmeleitvermögens kann eine Antenneneinheit 300, die lediglich aus einem Material besteht, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, bevorzugt werden. Jedoch zeigen die meisten der Materialien mit einer ausreichendem Flexibilität und einer hohen Wärmeleitfähigkeit gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
Somit ist zum Vorsehen einer Antennenstruktur, die nicht durch die Antenneneinheit 300 nebengeschlossen ist und die selektiv von der Seite der funktionalen Einheit 200 kontaktiert werden kann, ein Design bzw. eine Gestaltung der Antenneneinheit 300 erforderlich, das die Möglichkeit vorsieht, sowohl eine Antennenstruktur als auch eine verbesserte Wärmeleitvermögenseigenschaft zu haben. Mit anderen Worten, eine Kointegration einer Antenne und einer Wärmesenke hat vorgesehen zu sein, die eine kleine Abmessung und ein flexibles Design bzw. eine flexible Gestaltung hat. Hier sollte die Antenneneinheit 300 die Eigenschaften einer idealen Wärmesenke, die ein guter Wärmeleiter ist, ein großes Oberflächengebiet hat und flexibel ist, und eines idealen Antennensubstrates, das ein elektrischer Isolator ist, kombiniert werden.
Die Temperatur T_source der Haut wird durch den Wärmewiderstand der Haut abgesenkt, so dass ein Bereich, in welchem die Körpertemperatur etwa 37°C ist, auf eine Temperatur von etwa 28°C bis 30°C vermindert wird. Falls die Temperatur der Umgebung T_air etwa 10°C bis 15°C ist, ist eine gesamte Temperaturdifferenz zwischen T_source und T_air in dem Bereich von 10°C. Unter Berücksichtigung der Wärmewiderstände Rθ_source und Rθ_sink ist eine Temperaturdifferenz ΔT_TEG über Rθ_TEG in einem Bereich von 1 K bis 3 K. Die Leistungsdichte des menschlichen Körpers B in dem Torsobereich ist etwa 3,5 mW/cm². Rθ_source kann in einem Bereich von 10 K/W-300 K/W sein. (Rθ_source umfasst den kompletten Wärmewiderstand von dem inneren Teil des Körpers zu dem Thermoharvester.) Rθ_TEG kann in einem Bereich zwischen 10 K/W und 20 K/W sein. Rθ_sink kann in einem Bereich von 100 K/W bis 300 K/W oder in einem Bereich von 100 K/W bis 120 K/W sein, wie dies weiter unten erläutert werden wird.
5A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines funktionalen Hautpflasters 100 eines Ausführungsbeispiels.
Wie aus 5A ersehen werden kann, umfasst die funktionale Einheit 200 nächst zu dem Thermoharvester 210 weitere funktionale Elemente. Die funktionale Einheit 200 kann weiterhin eine Hochfrequenz-(HF-)Schaltung 230 aufweisen, die mit der Antennenschicht 330 über einen Verbindungsstöpsel 235 verbunden ist. Der Verbindungsstöpsel 235 ist, wie aus 5B ersehen werden kann, durch die Metallschicht 310 und die Ferritschicht 320 erstreckt und mit der Antennenschicht 330 verbunden. 5B ist eine detaillierte Darstellung der Antenneneinheit 300. Die Übertragungsfrequenz der HF-Schaltung 230 und der Antennenschicht 330 ist in einem Bereich, der an die Abmessung des funktionalen Hautpflasters 100 angepasst ist. Vorzugsweise ist das Übertragungsband in einem Bereich von 10 MHz bis 100 MHz oder in einem Bereich von 10 MHz bis 50 MHz oder in einem Bereich von 10 MHz bis 20 MHz oder in einem Bereich von 13 MHz bis 14 MHz.
Die funktionale Einheit 200 kann weiterhin eine Sensoreinheit 240 umfassen, die gestaltet ist, um einen Körpergesundheitsparameter zu erfassen, der wenigstens einen Wert aus einer Körpertemperatur, einer Körperpulsfrequenz, einer Elektrokardiogrammaufzeichnung, einer Elektroenzephalogrammaufzeichnung, einer Körperfunktion, eines Blutzuckerwertes, eines Blutdruckes oder eines Blutheparinwertes ist. Die Körpertemperatur kann mit einem integrierten Thermometer gemessen werden. Die Körperimpulsfrequenz, die Elektrokardiogrammaufzeichnung und die Elektroenzephalogrammaufzeichnung können durch Elektroden gemessen werden, die in die erste Oberfläche 101 des funktionalen Hautpflasters 100 integriert sind, wobei die gemessene Elektrodenpotentialaufzeichnung in bekannter Weise analysiert wird. Weiterhin kann ein Blutzuckerwert invasiv durch einen Blut oder eine interstitielle Fluidzusammensetzung analysierenden Sensorchip oder nicht-invasiv durch eine Aufzeichnung im nahen Infrarot oder im Infrarot oder durch fotoakustische Messungen des interstitiellen Fluids in dem subkutanen Gewebe gemessen werden. Zusätzlich kann ein Blutdruck direkt durch das funktionale Hautpflaster 100 oder mittels einer implantierten Vorrichtung gemessen werden, wie dies unten erläutert wird. Der Blutheparinwert kann invasiv oder nicht-invasiv durch das funktionale Hautpflaster 100 in analoger Weise wie der Blutzuckerwert gemessen werden.
Der Thermoharvester 210 kann eine Energiespeichereinheit 220 zum Speichern der eingebrachten Körperenergie umfassen. Die Energiespeichereinheit 200 kann eine wieder ladbare Batterie oder ein Kondensator sein, der gestaltet ist, um ausreichend Energie zum Vorsehen einer Langzeitüberwachung der Körpergesundheitsparameter zu speichern. Die Abmessung bzw. Größe der Energiespeichereinheit 220 ist lediglich durch die Dicke der funktionalen Einheit 200 begrenzt. Um eine Energiespeichereinheit 220 vorzusehen, die eine kleine Dicke hat, können gedruckte Energiespeichervorrichtungen oder gedruckte Superkondensatoren verwendet werden.
Weiterhin kann die funktionale Einheit 200 eine Prozessoreinheit 250 zum Prozessieren von Messdaten der Sensoreinheit 240 und zum Übertragen der Messdaten zu der HF-Schaltung 230 umfassen. Die Prozessoreinheit 250 kann in eine monolithische Schaltung integriert sein. Somit kann wenigstens ein Körpergesundheitsparameter durch die Sensoreinheit 240 gemessen und zu der Prozessoreinheit 250 übertragen werden, die die Messdaten der Sensoreinheit 240 verarbeitet oder analysiert. Die verarbeiteten bzw. prozessierten Messdaten werden dann von der Prozessoreinheit 250 zu der HF-Schaltung 230 übertragen. Die HF-Schaltung 230 erzeugt ein Hochfrequenz-(HF-)Signal, das durch die Messdateninformation moduliert ist, und überträgt das HF-Signal über den Verbindungsstöpsel 235 zu der Antennenschicht 330. Wie aus 5A ersehen werden kann, wird das HF-Signal dann von der Antennenschicht 330 abgestrahlt, um durch einen externen Empfänger empfangen zu werden, damit die Messdaten von der Sensoreinheit 240 empfangen werden. Die HF-Schaltung 230 kann auch gestaltet sein, um HF-Signale von einem externen Sendeempfänger zu empfangen, damit Befehle zum Betreiben der funktionalen Einheit 200 empfangen werden.
Wie aus den 5A und 5B ersehen werden kann, kann die Metallschicht 310 eine flexible Metallfolie mit einer Dicke in einem Bereich zwischen 5 µm und 1000 µm sein. Die Dicke der Metallschicht 310 kann auch in einem Bereich zwischen 5 µm bis 300 µm oder in einem Bereich von 50 µm bis 100 µm sein. Die flexible Metallfolie kann Kupfer umfassen, um optimal die Wärmeenergie über die gesamte Oberfläche des funktionalen Hautpflasters 100 auszubreiten.
Die Ferritschicht 320 kann eine flexible Ferritfolie mit einer Dicke in einem Bereich zwischen 5 µm und 1000 um sein. Die Dicke der Ferritschicht 320 kann auch, vergleichbar zu der Metallschicht 310, eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 µm bis 300 um oder in einem Bereich zwischen 50 µm bis 100 µm haben. Die flexible Ferritfolie der Ferritschicht 320 ist gestaltet, um das HF-Feld der Antenne 332 abzuschirmen, wie dies aus 5A ersehen werden kann. Ferritfolien sind elektrische Isolatoren und haben eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit.
Insbesondere im Fall einer kleinen Dicke von weniger als 100 µm kann eine gute Wärmeübertragung zu der Umgebung von Luft erzielt werden. Die Ferritschicht 320 kann ein Ferritmaterial umfassen, wie Fe₂O₃ oder Fe₃O₄, und kann außerdem zum Anpassen der magnetischen Eigenschaften ein MnZn-Ferrit aufweisen, wie ein Mn_aZn_(1-a)Fe₂O₄, oder ein NiZn-Ferrit, wie Ni_aZn_(1-a)Fe₂O₄. Die Antennenschicht 330 umfasst ein Antennenmuster bzw. eine Antennenstruktur 332, das bzw. die auf die Ferritschicht 320 gedruckt ist. Das gedruckte Antennenmuster kann durch einen Silberdruck in einem Tintenstrahlprozess realisiert werden. Somit ist die Antennenschicht 330 nicht eine kontinuierliche, jedoch eine gemusterte bzw. strukturierte Schicht, die gestaltet ist, um eine Antennenstruktur zu bilden, wie dies beispielsweise in 7A gezeigt ist. Das Antennenmuster 332 kann so eine Form einer Rahmenantenne haben, wie diese beispielsweise für RF-ID-Antennen verwendet wird. Wie aus 5A ersehen werden kann, können die Metallschicht 310, die Ferritschicht 320 und die Antennenschicht 330 in direktem Kontakt miteinander sein, um das Wärmeleitvermögen zwischen diesen drei Schichten zu maximieren.
Es hat sich gezeigt, dass der spezifische Wärmewiderstand der gestapelten Schichtstruktur der Metallschicht 310 und der Ferritschicht 320 niedriger ist als der Wärmewiderstand der Metallschicht 310 und der Ferritschicht 320 alleine. Dies resultiert aus dem Transferwärmewiderstand der Metallschicht 310 oder 320 zu der umgebenden Luft. Falls lediglich die Ferritschicht 320 oder die Ferritfolie verwendet wird, resultiert ein hoher thermischer Transferwiderstand aus dem niedrigen spezifischen Wärmeleitvermögen des Ferrits und somit aus dem Fehlen einer ausreichenden Ausbreitung der Wärme zu der kompletten zweiten Oberfläche 102. Falls lediglich eine Metallschicht 310, wie eine Kupferfolie, verwendet wird, ist der Wärmewiderstand reduziert resultierend aus dem hohen spezifischen Wärmeleitvermögen des Metalls und den guten Ausbreitungseigenschaften der Wärme über die komplette zweite Oberfläche 102. Dennoch ist die Oberfläche der Metallfolie der Metallschicht 310 sehr glatt.
Die Kombination der Metallschicht 310 und der Ferritschicht 320 führt zu insgesamt höheren Wärmeleitvermögeneigenschaften. Das Metall in der Metallfolie der Metallschicht 320 führt zu einem guten Ausbreiten der Wärme über die gesamte zweite Oberfläche 102, wobei die Ferritschicht 320, die eine Dicke von lediglich 50 µm bis 300 µm hat, eine gute Wärmestrahlung aufgrund ihrer intrinsischen Oberflächenrauhigkeit erzielt. Die Oberflächenrauhigkeit der Ferritschicht 320 resultiert in einem reduzierten Wärmetransferwiderstand zu der umgebenden Luft.
Wenn als Beispiel der Wärmewiderstand eines Pflasters mit einer Größe von 60 mm x 90 mm gemessen wird, wird der Wärmewiderstand der Ferritschicht 320 zu 313,10 K/W bestimmt, und der Wärmewiderstand der Metallfolie der Metallschicht 310 wird zu 14,52 K/W bestimmt. Dies resultiert in einem spezifischen Oberflächenwärmewiderstand der Metallfolie der Metallschicht 310 von 2,60 K/(W cm²) und der Ferritschicht 320 von 5,79 K/(W cm²). Eine Kombination der Metallschicht 310 und der Ferritschicht 320 mit einer gesamten Dicke von 300 µm resultiert in einem thermischen bzw. Wärmewiderstand von 108,00 K/W und einem spezifischen Oberflächenwärmewiderstand von 2,00 K/(W cm²). Somit führt eine Kombination der Metallschicht 310 und der Ferritschicht 320 zu einem besseren Wärmeleitvermögen als die Metallschicht 310 oder Ferritschicht 320 alleine genommen. Ein Reduzieren der Dicke der gestapelten Schicht der Ferritschicht 320 und der Metallschicht 310 zu einer gesamten Dicke von 100 µm führt zu Wärmewiderstandswerten von 109,72 K/W und 2,03 K/(W cm²), und die Reduktion der Dicke der Ferrit/Metallschicht auf 50 µm führt zu Werten von 118,63 K/W und 2,20 K/(W cm²). Somit führt die Reduktion der Gesamtdicke der gestapelten Schichtstruktur der Metallschicht 310 und der Ferritschicht 320 herab zu gerade 50 um noch zu besseren Werten des Wärmeleitvermögens als die Metallschicht 310 oder die Ferritschicht 320 alleine genommen.
Wie aus 6 und 7A bis 7C ersehen werden kann, kann die Antennenschicht 330 weiterhin eine Metallpunktschicht 340 umfassen, die auf die Ferritschicht 320 gedruckt ist, um das Oberflächengebiet der Antennenschicht 330 zu steigern. Wie aus 7B und 7C ersehen werden kann, kann die Metallpunktschicht 340 nächst zu dem Antennenmuster 332 auf die Ferritschicht 320 gedruckt werden, um das Oberflächengebiet der zweiten Oberfläche 102 zu steigern. Daher können Metallpunkte 342, die eine Dicke in einem Bereich von 1 um bis 10 um haben, auf die Ferritschicht 320 gedruckt werden. Der Durchmesser der Metallpunkte bzw. -flecken 342 kann auch bis zu einem Durchmesser im Bereich von 50 um bis 200 µm gesteigert werden. Jedoch kann aufgrund der intrinsischen Oberflächenrauhigkeit der Ferritschicht 320 die Anwendung einer Metallpunktschicht 340 weiter den Wärmetransfer verbessern, falls die Metallpunktschicht 340 noch ein ausreichendes Oberflächengebiet für die Ferritschicht 320 in Kontakt mit Luft belässt. Die Metallpunktschicht 340 und die Metallpunkte 342 werden in einem Silbertintenstrahlprozess erzeugt oder können auch in einem Siebdruck gebildet werden.
8 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Systems 1000 zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters. Das System 1000 umfasst das funktionale Hautpflaster 100, wie bereits oben in Einzelheiten beschrieben, jedoch mit einer weiteren Funktionalität, um mit einer implantierbaren Vorrichtung 500 zu kommunizieren. Daher umfasst das funktionale Hautpflaster 100 die koppelnde Antenne 260 zum Kommunizieren mit oder Erregen von der implantierbaren Vorrichtung 500, wie weiter unten in Einzelheiten beschrieben werden wird. Wie aus den 8 und 9 ersehen werden kann, kann die implantierbare Vorrichtung 500 in das Körpergewebe BT oder in ein subkutanes Gebiet nahe zu der Körperhaut BS eingebettet sein, um eine Kommunikation zwischen der implantierbaren Vorrichtung 500 und dem funktionalen Hautpflaster 100 zu erzielen. Das funktionale Hautpflaster 100 kann in diesem Ausführungsbeispiel die Funktionalität eines sogenannten Booster- bzw. Verstärkerpflasters haben, das ein externes HF-Signal von einem externen Sendeempfänger 600 mittels eines Antennenmusters 332 empfängt, wobei das externe HF-Feld verstärkt oder erhöht wird, um zu der implantierbaren Vorrichtung 500 über die koppelnde Antenne bzw. Koppelantenne 260 gesandt zu werden. Daher kann die Antennenschicht 330 mit der Koppelantenne 260 verbunden sein, um eine Übertragung von dem externen Sendeempfänger 600 zu der implantierbaren Vorrichtung 500 zu erhöhen bzw. zu verstärken.
Wie aus 9 ersehen werden kann, umfasst das funktionale Hautpflaster 100 vergleichbar mit dem Hautpflaster 100, wie dieses in 5A gezeigt ist, eine Antennenschicht 330, die Ferritschicht 320 und die Metallschicht 310 sowie den Thermoharvester 210, der ein Peltier-Element 212, das Bi₂Te₃ aufweisen kann, und eine Harvesterschaltung 214 umfasst, die gestaltet ist, um die thermoelektrische Energie von dem Peltier-Element 212 einzubringen. Eine thermoelektrische Energie- bzw. Powererzeugung des Thermoharvesters 210 kann auf der Übertragung von thermischer Energie durch mehrfache Paare von p-Typ- und n-Typ-thermoelektrischen Beinen bzw. Schenkeln beruhen. Der Thermoharvester 210 kann Verbindungen von Wismut (Bi), Antimon (Sb), Tellur (Te) und Selen (Se) verwenden, die eine optimale Wirksamkeit bei Betriebstemperaturen um die Umgebungstemperatur und bis zu 85°C vorsehen. Die erzeugte Ausgangsspannung ist proportional zu der Anzahl der Bein- bzw. Schenkelpaare und der aktuellen Temperaturdifferenz ΔT_TEG über dem Thermoharvester 210. Der Thermoharvester 210 kann eine Packungsdichte von bis zu 100 thermoelektrischen Bein- bzw. Schenkelpaaren je mm² haben. Nach dem Seebeck-Gesetz überträgt sich dies in 1,4 V bei einer geringen Temperaturdifferenz ΔT_TEG von so wenig wie 10°C. Der Thermoharvester 210 kann eine Dicke in einem Bereich zwischen 0,2 mm bis 5 mm oder 0,5 mm bis 2 mm oder 0,5 mm bis 1,5 mm haben. Das Oberflächengebiet des Thermoharvesters 210 kann in einem Bereich von 5 mm² bis 20 mm² oder 5 mm² bis 15 mm² oder 10 mm² bis 15 mm² sein. Die Gesamtzahl der Bein- bzw. Schenkelpaare kann in einem Bereich zwischen 200 und 1000 oder zwischen 300 und 600 sein. Die Ausgangsspannung kann in einem Bereich zwischen 100 mV/K bis 200 mK/V sein. Zusätzlich kann die funktionale Einheit 200 eine Erregereinheit 270 umfassen, die gestaltet ist, um die Implantierbare Vorrichtung 500 über die Koppelantenne 260 zu erregen bzw. mit Energie zu versorgen.
Die implantierbare Vorrichtung 500 kann die Sensoreinheit 510 zum Messen wenigstens eines Körpergesundheitsparameters, die Datensendeempfängereinheit 520 zum Übertragen von Messdaten, die den wenigstens einen Körpergesundheitsparameter enthalten, zu dem funktionalen Hautpflaster 100 und die Energieempfangseinheit 530 zum Empfangen elektromagnetischer Energie von der Koppelantenne 260 des funktionalen Hautpflasters 100 haben, wie dies bereits anhand von 1B erläutert wurde. In Einzelheiten können die Energieempfangseinheit 530 und die Datensendeempfängereinheit 520 gemeinsam eine Koppelspule 522 verwenden, wie dies in 10A und 10B gezeigt ist. Weiterhin kann die implantierbare Vorrichtung 500 eine Energiespeichereinheit 524 umfassen, die eine ladbare Speichervorrichtung sein kann. Hier kann eine auf Silizium beruhende wiederladbare Lithiumbatterie verwendet werden. Da Silizium die höchste Lithiumionenspeicherkapazität/Volumen hat, kann sogar eine sehr winzig bemessene Batterie (A < 1 mm²) eine Speicherkapazität in der Größenordnung bis zu 250 bis 500 µAh vorsehen, welche für verschiedene Anwendungen ausreichend ist. Die Energiespeichereinheit 524 kann weiterhin einen Kondensator umfassen. Hier können gedruckte Energiespeichervorrichtungen oder gedruckte Superkondensatoren verwendet werden.
Eine Koppelspule 262 (10A und 10B) der Koppelantenne 260 und die Koppelspule 522 der implantierbaren Vorrichtung 500 können wenigstens eine Hochfrequenzidentifikation (RFID/Nahfeld-Kommunikations-(NFC-)Antenne) aufweisen. Der Durchmesser der Koppelspule 262 der Koppelantenne 260 kann in dem Bereich von 1 mm bis 10 mm sein, und der Durchmesser des Antennenmusters 332 der Antennenschicht 330 kann in einem Bereich von 1 cm bis 10 cm sein. RFID-Vorrichtungen arbeiten bei verschiedenen Hoch- bzw. Radiofrequenzbereichen, z.B. einer Niederfrequenz (LF) bei etwa 28 bis 136 kHz, einer Hochfrequenz (HF) bei 13,56 MHz und einer Ultrahochfrequenz (UHF) bei 860 bis 960 MHz. Jeder Frequenzbereich hat eine einzigartige Kennlinie bzw. Charakteristik hinsichtlich der RFID-Performance bzw. des RFID-Betriebsverhaltens.
NFC ist eine Kurzbereichstechnologie, die es zwei Vorrichtungen ermöglicht zu kommunizieren, wenn sie in eine aktuelle beschnuppernde Distanz gebracht sind. NFC ermöglicht ein Teilen von Power und Daten unter Verwendung einer Magnetfeldinduktion in einem 13,56 MHz-(HF-)Band, bei einem kurzen Bereich, wobei sich verändernde Datenraten von 106 kbps, 212 kbps bis 424 kbps vorliegen. Ein Schlüsselmerkmal von NFC liegt darin, dass es zwei Vorrichtungen eine Zwischenverbindung erlaubt. In einem Leser/Schreibermodus ist ein NFC-Tag eine passive Vorrichtung, die Daten speichert, die durch eine NFC-Enable- bzw. Freigabevorrichtung gelesen werden können. In einem Peer-to-Peer-Modus können NFC-Vorrichtungen Daten austauschen. Bluetooth- oder WiFi-Link-Set-up-Parameter können mittels NFC geteilt werden, und Daten, wie virtuelle Businesscards oder digitale Fotos können ausgetauscht werden. In einem Card-Emulationsmodus wirkt die NFC-Vorrichtung selbst als ein NFC-Tag, wobei sie für einen externen Interrogator als eine traditionelle kontaktlose Smartcard in Erscheinung tritt. Diese NFC-Standards sind durch Hauptstandardisierungskörper anerkannt und beruhen auf ISO/IEC 18092.
Passive UHF-Systeme verwenden eine Ausbreitungskopplung, wo eine Interrogator- bzw. Abfrageantenne elektromagnetische Energieradiofrequenzwellen emittiert und der RFID-Tag die Energie von der Interrogatorantenne empfängt, und die integrierte Schaltung verwendet die Energie, um die Last auf der Antenne zu verändern, und ein geändertes Signal zurück zu reflektieren, das dann demoduliert wird. Für die LF- und HF-RFID-Systeme, die eine interaktive Kopplung verwenden, ist der Bereich des Interrogatorfeldes klein (0,2 bis 80 cm) und kann relativ einfach gesteuert werden. UHF-Systeme, die eine Ausbreitungskopplung verwenden, sind schwieriger zu steuern, da Energie über lange Distanzen gesandt wird. Die Radiowellen können auf harten Oberflächen reflektieren und erreichen Tags, die nicht in dem normalen Bereich sind. LF- und HF-Systeme verhalten sich besser als UHF-Systeme um Metall und Wasser. Die Radiowellen reflektieren von Metall weg und verursachen falsches Lesen, und sie sind besser in der Lage, Wasser zu durchdringen. UHF-Radiowellen werden durch Wasser gedämpft.
Zusätzlich kann eine Kommunikation über irgendein Band aus einem industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Band durchgeführt werden, das in einem Frequenzbereich zwischen 6,765 MHz bis 246 GHz arbeitet und Bandbreiten bis zu 2 GHz hat.
Die Energiespeichereinheit 524 wird dann eingepasst, um Energie von der Koppelantenne 260 zum Laden der Energiespeichereinheit 524 einzubringen. Das Energieeinbringen kann durch eine Prozessoreinheit gesteuert werden.
Die Sensoreinheit 510 kann auch angepasst sein, um wenigstens einen Körpergesundheitsparameter zu messen, wie dies oben bereits anhand der Sensoreinheit 240 des funktionalen Hautpflasters 100 erläutert wurde. Da weiterhin die implantierbare Vorrichtung 500 in das Körpergewebe implantiert ist, können auch invasive Messungen, wie ein chemisches Analysieren des interstitiellen Fluids in dem subkutanen Gewebe vorgenommen werden. Falls zusätzlich die implantierbare Vorrichtung 500 in ein Blutgefäß implantiert ist, kann auch ein Blutdruck oder eine Blutströmung durch die implantierbare Vorrichtung 500 gemessen werden, wobei die gemessenen Daten zu der Koppelantenne 260 und dann über die Antennenschicht 330 zu dem externen Sendeempfänger 600 übertragen werden. Der externe Sendeempfänger 600 kann ein Mobiltelefon bzw. Handy oder ein Tablet-PC sein, das bzw. der in der Lage ist, mit der HF-Schaltung 230 des funktionalen Hautpflaster 100 über das Antennenmuster 332 zu kommunizieren.
Im Folgenden wird eine Verwendung des funktionalen Hautpflasters 100, das als ein Booster-Pflaster in zwei verschiedenen Moden A und B arbeitet, beschrieben.
Wie in 10A gezeigt ist, wird in einem ersten Modus A wenigstens ein Körpergesundheitsparameter durch die Sensoreinheit 510 der implantierbaren Vorrichtung 500 lediglich in einem Fall gemessen, falls ein externes HF-Feld des externen Sendeempfängers 600 angelegt ist, was zum einem punktuellen Messprozess führt. Eine kontinuierliche Messung über einen vorbestimmten Zeitbereich (Langzeitüberwachung) erfordert eine wiederholte Anlegung des externen HF-Feldes von dem externen Sendeempfänger 600. Aufgrund des Vorsehens des Thermoharvesters 210 in dem funktionalen Hautpflaster 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Interface- bzw. Zwischenflächenfunktionalität des funktionalen Hautpflasters 100, das als ein Booster-Pflaster arbeitet, gesteigert bzw. erhöht, indem eine lokale Energiequelle innerhalb des funktionalen Hautpflasters 100 vorgesehen wird. Die Temperaturdifferenz zwischen der Haupt und der Umgebung wird in elektrische Energie über das thermoelektrische Energieeinbringen des Thermoharvesters 210 umgesetzt.
Die lokal erzeugte Energie wird in ein HF-Signal durch einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler 274 umgesetzt und dann an die Koppelspule 262 der Koppelantenne 260 gelegt, um zu der implantierbaren Vorrichtung 500 übertragen zu werden. Daher umfasst die Erregereinheit 270 den Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler 274, der mit dem Gleichstromanschluss mit dem Thermoharvester 210 und mit dem Wechselstromanschluss mit der Koppelantenne 260 verbunden ist. Das HF-Signal löst einen Messprozess der implantierbaren Vorrichtung 500 aus. Somit kann die funktionale Einheit 200 weiterhin eine Datenspeichereinheit 252 (vgl. 5A und 6) umfassen, wobei die funktionale Einheit 200 gestaltet ist, um zeitweise die implantierbare Vorrichtung 500 zu erregen, um Messdaten von der implantierbaren Vorrichtung 500 zu empfangen und um die übertragenen Messdaten von der implantierbaren Vorrichtung 500 in der Datenspeichereinheit 252 zu speichern. Die gespeicherten Daten in der Datenspeichereinheit 252 können für eine vorbestimmte Zeit gespeichert werden, bis die Datenspeichereinheit 252 bei Bedarf durch den externen Sendeempfänger 600 ausgelesen wird.
In dem ersten Modus A, der in 10A veranschaulicht ist, liegt ein externes Feld durch den externen Sendeempfänger 600 an, wobei die Boosterschaltung des funktionalen Hautpflasters 100 die Feldenergie konzentriert und die konzentrierte Feldenergie zu der implantierbaren Vorrichtung 500 überträgt. Die Boosterschaltung 350 des funktionalen Hautpflasters 100 umfasst eine Koppelspule 332a des Antennenmusters 332, die Koppelspule 262 der Koppelantenne 260, einen ersten Kondensator 334 und einen zweiten Kondensator 264 zum Frequenzabstimmen und intrinsische Ausgangswiderstände 336 hauptsächlich der Antenneneinheit 300. Die Energie- bzw. Powerübertragung von dem externen Sendeempfänger 600 durch die Boosterschaltung 350 zu der implantierbaren Vorrichtung 500 ist in 10A durch den Pfeil E veranschaulicht.
Das Erregerfeld von dem externen Sendeempfänger 600 wird weiterhin für eine Kommunikation verwendet. Somit wird die implantierbare Vorrichtung 500 erregt, und gleichzeitig können die Messdaten ausgelesen werden. Weiterhin kann die implantierbare Vorrichtung gestaltet oder eine kontinuierliche Messung durchgeführt werden, falls der externe Sendeempfänger 600 konstant von dem funktionalen Hautpflaster 100 erreicht wird, was für ein Smartphone der Fall sein kann, das konstant durch einen Benutzer getragen wird, der das funktionale Hautpflaster 100 und die implantierbare Vorrichtung 500 trägt. In dem ersten Modus A ist die lokale Energiespeichereinheit 220 deaktiviert. Somit wird in dem ersten Modus A eine Powerübertragung und Datenkommunikation mit ausgedehntem Bereich mittels der Boosterantenne des Interface-Heftpflasters oder des funktionalen Hautpflasters 100 von einem HF-Leser durchgeführt, um eine kontinuierliche Messoperation und Datenauslesen von dem Sensorspeicher zu erzielen.
In dem zweiten Modus B erzeugt, wie in 10B gezeigt ist, der Thermoharvester 210 lokale elektrische Energie. Die Energie wird zeitweise gespeichert und kann bei Bedarf zum Erregen der implantierbaren Vorrichtung 500 verwendet werden. Daher wird in Wechselstromsignal durch den Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler 274 in vorbestimmten wiederholten Zeitbereichen erzeugt und direkt an die Koppelspule 262 gelegt, wie dies von dem Pfeil E' in 10B ersehen werden kann. Da die größere Koppelspule 232a des Antennenmusters 332 höhere intrinsische Ausgangswiderstände 336 hat, fließt der Strom hauptsächlich durch die Koppelspule 262 der Koppelantenne 260. Ein Teil der Energie wird über die Koppelspule 332a des Antennenmusters 332 verloren. Das in die implantierbare Vorrichtung 500 über die Koppelspule 522 gekoppelte HF-Feld weckt die implantierbare Vorrichtung 500 auf und löst eine Messung aus. Das Messergebnis wird zeitweise in der Datenspeichereinheit 252 gespeichert, wie dies oben beschrieben ist. Somit wird in dem zweiten Modus B eine kontinuierliche Powererzeugung durch die Energieeinbringungsschaltung zu dem Energiespeicher durchgeführt. Eine auf ein Tastverhältnis bezogene Aktivierung des Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlers 274 wird vorgenommen, um Energie bzw. Power zu der implantierbaren Vorrichtung 500 zu übertragen und eine Messoperation zu aktivieren. Das Ergebnis wird intern in einer nichtflüchtigen Speichereinheit oder in einer Datenspeichereinheit 252 bis zu einem Auslesen mittels eines HF-Lesers des externen Sendeempfängers 600 gespeichert. Um die selektive, auf ein Tastverhältnis abgestimmte Aktivierung der implantierbaren Vorrichtung 500 vorzunehmen, umfasst die Erregereinheit 270 weiterhin einen Schalter 272, um selektiv die Erregereinheit 270 mit dem Thermoharvester 210 zu verbinden.
Somit kann gemäß dem Ausführungsbeispiel des funktionalen Hautpflasters 100 und des Systems zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters ein kontinuierliches Datenerfassen von herkömmlich implantierten passiven Sensorkörnern erzielt werden, indem ein smartes Booster-Antennenpflaster verwendet wird. Zusätzlich kann ein wartungsfreier Betrieb des implantierten Sensors der implantierbaren Vorrichtung 500 erzielt werden. Weiterhin ist eine direkte HF-Datenkommunikation über das Booster-Antennenpflaster oder das funktionale Hautpflaster 100 möglich, indem eine externe NFC-Vorrichtung des externen Sendeempfängers 600 verwendet wird, um die Messergebnisse auszulesen. Eine lokale Energie- bzw. Powererzeugung (auf der Haut) für Trendmessungen über den Tag hinweg ohne die Notwendigkeit einer externen Feldquelle führt zu der Möglichkeit, eine Langzeitüberwachung von Körperfunktionen eines Menschen oder eines Tieres aus medizinischen oder wissenschaftlichen Gründen durchzuführen.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims

Funktionales Hautpflaster (100), mit einer ersten Oberfläche (101) und einer zweiten Oberfläche (102) entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche (101), umfassend: - eine funktionale Einheit (200), die einen Thermoharvester (210) aufweist, der einen thermisch mit der ersten Oberfläche (101) verbundenen ersten Anschluss (210a) und einen zweiten Anschluss (210b) hat, und - eine Antenneneinheit (300), die einen thermisch mit dem zweiten Anschluss (210b) des Thermoharvesters (210) verbundenen ersten Anschluss (300a) und einen thermisch mit der zweiten Oberfläche (102) verbundenen zweiten Anschluss (300b) hat, wobei die Antenneneinheit (300) eine gestapelte Schichtstruktur hat, die in dieser Sequenz aufweist: - eine Metallschicht (310), die thermisch mit dem zweiten Anschluss (210b) des Thermoharvesters (210) verbunden ist, - eine Ferritschicht (320), die thermisch mit der Metallschicht (310) verbunden ist, und - eine Antennenschicht (330), die thermisch mit der Ferritschicht (320) verbunden ist.
Funktionales Hautpflaster (100) nach Anspruch 1, bei dem die Metallschicht (310) eine flexible Metallfolie ist, die eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 um und 1000 um hat.
Funktionales Hautpflaster (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ferritschicht (320) eine flexible Ferritfolie ist, die eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 um und 1000 um hat.
Funktionales Hautpflaster (100) nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei dem die Antennenschicht (330) ein auf die Ferritschicht (320) gedrucktes Antennenmuster (332) umfasst.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Metallschicht (310), die Ferritschicht (320) und die Antennenschicht (330) in direktem Kontakt miteinander sind.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Antennenschicht (330) weiterhin eine Metallpunktschicht (340) aufweist, die auf die Ferritschicht (320) gedruckt ist, um das Oberflächengebiet der Antennenschicht (330) zu steigern.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gebiet der ersten und der zweiten Oberfläche (101, 102) des funktionalen Hautpflasters (100) in einem Bereich von 20 cm² bis 500 cm² ist.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Wärmekollektoreinheit (400) mit einem thermisch mit der ersten Oberfläche (101) verbundenen ersten Anschluss (400a) und einem zweiten Anschluss (400b), der thermisch mit dem ersten Anschluss (210a) des Thermoharvesters (210) verbunden ist, der in eine thermisch isolierende Schicht (290) eingebettet ist.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die funktionale Einheit (200) weiterhin eine HF-Schaltung (230) aufweist, die mit der Antennenschicht (330) über einen Verbindungsstöpsel (235) verbunden ist, der sich durch die Metallschicht (310) und die Ferritschicht (320) erstreckt.
Funktionales Hautpflaster(100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die funktionale Einheit (200) weiterhin eine Sensoreinheit (240) aufweist, die gestaltet ist, einen Körpergesundheitsparameter zu erfassen, der wenigstens eine Größe aus einer Körpertemperatur, einer Körperpulsfrequenz, einer Elektrokardiogramm-Aufzeichnung, einer Elektroenzephalogramm-Aufzeichnung, einer Körperfunktion, einem Blutzuckerwert, einem Blutdruck oder einem Blutheparinwert ist.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Thermoharvester (210) eine Energiespeichereinheit (220) zum Speichern der eingebrachten Körpertemperatur umfasst.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die funktionale Einheit (200) weiterhin eine Prozessoreinheit (250) zum Prozessieren von Messdaten der Sensoreinheit und zum Übertragen der Messdaten zu der HF-Schaltung (230) umfasst.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Koppelantenne (260) zum Kommunizieren mit oder Erregen von einer implantierbaren Vorrichtung (500).
Funktionales Hautpflaster (100) nach Anspruch 13, bei dem die Antennenschicht (330) mit der Koppelantenne (260) verbunden ist, um eine Übertragung von einem externen Sendeempfänger (600) zu der implantierbaren Vorrichtung (500) anzuheben bzw. zu verstärken.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der Ansprüche 13 und 14, bei dem die funktionale Einheit (200) weiterhin eine Erregereinheit (270) umfasst, die gestaltet ist, um die implantierbare Vorrichtung (500) über die Koppelantenne (260) zu erregen.
Funktionales Hautpflaster (100) nach Anspruch 15, bei dem die Erregereinheit (270) einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler (274) aufweist, der mit dem Gleichstromanschluss des Thermoharvesters (210) und mit dem Wechselstromanschluss der Koppelantenne (260) verbunden ist.
Funktionales Hautpflaster (100) nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Erregereinheit (270) weiterhin einen Schalter (272) aufweist, um selektiv die Erregereinheit (270) mit dem Thermoharvester (210) zu verbinden.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, weiterhin umfassend eine Datenspeichereinheit (252), wobei die funktionale Einheit (200) gestaltet ist, um zeitweise die implantierbare Vorrichtung (500) zu erregen, Messdaten zu empfangen, die von der implantierbaren Vorrichtung (500) übertragen sind, und die übertragenen Messdaten von der implantierbaren Vorrichtung (500) in der Datenspeichereinheit (252) zu speichern.
Funktionales Hautpflaster (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Thermoharvester (210) ein Peltier-Element (212) aufweist, das Bi₂Te₃ umfasst.
System zum Überwachen eines Körpergesundheitsparameters, umfassend: - ein funktionales Hautpflaster (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 19 und - eine implantierbare Vorrichtung (500), die aufweist: -- eine Sensoreinheit (510) zum Messen wenigstens eines Körpergesundheitsparameters, und -- eine Datensendeempfängereinheit (520) zum Übertragen von Messdaten, die den wenigstens einen Körpergesundheitsparameter enthalten, zu dem funktionalen Hautpflaster (100), und -- eine Energieempfangseinheit (530) zum Empfangen elektromagnetischer Energie von der Koppelantenne (260) des funktionalen Hautpflasters (100).