DE102021214338A1 - SENSOR ARRANGEMENT FOR AN OPTICAL VITAL SIGNS SENSOR - Google Patents

SENSOR ARRANGEMENT FOR AN OPTICAL VITAL SIGNS SENSOR Download PDF

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Sergey Kudaev
Klaus Flock
Stephan Haslbeck
Michael Mueller
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur Verwendung in einem optischen Vitalzeichensensor, umfassend mindestens eine Lichtquelle (2) und mindestens einen Fotodetektor (3), wobei Lichtquelle (2) und Fotodetektor (3) in einer Querrichtung (RQ) beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Lichtquelle (2) und der Fotodetektor (3) weisen eine im Wesentlichen rechteckige Form mit einer Länge L und einer Breite B auf, wobei die Länge L der Lichtquelle (2) größer ist als deren Breite B.The invention relates to a sensor arrangement (1) for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source (2) and at least one photodetector (3), the light source (2) and photodetector (3) being spaced apart from one another in a transverse direction (RQ). . The light source (2) and the photodetector (3) have an essentially rectangular shape with a length L and a width B, the length L of the light source (2) being greater than its width B.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Verwendung in einem optischen Vitalzeichensensor, umfassend mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Fotodetektor, wobei Lichtquelle und Fotodetektor in einer Querrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind sowie einen optischen Vitalzeichensensor mit einer solchen Sensoranordnung.The present invention relates to a sensor arrangement for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source and at least one photodetector, the light source and photodetector being spaced apart from one another in a transverse direction, and an optical vital sign sensor having such a sensor arrangement.

Vitalzeichensensoren (englisch: vital sign sensor) sind Sensoren, die auf die Haut eines Menschen oder Tiers als Benutzer aufgesetzt werden können und gegebenenfalls zusammen mit einer Elektronik Lebenszeichen des betreffenden Menschen oder Tiers messen oder bestimmen. Als Lebenszeichen kann beispielsweise der Herzschlag, die Herzschlagfrequenz oder der Puls des Menschen oder Tiers von dem Vitalzeichensensor gemessen werden. Das grundlegende Messverfahren wird auch als Photoplethysmographie (PPG) bezeichnet und beruht darauf, dass blutgefüllte Arterien ein optisches Medium sind, das unterschiedlich viel Lichtintensität absorbiert, transmittiert und reflektiert, je nach Blutmenge (-volumen) und Sauerstoffsättigung. Die Blutmenge schwankt mit jedem Druckstoß, da sich die Arterien aufweiten. Die optischen Eigenschaften des Blutes ändern sich zudem mit der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins, sodass im Ergebnis Puls und Sauerstoffsättigung optisch gemessen werden können.Vital sign sensors are sensors that can be placed on the skin of a human or animal as the user and optionally measure or determine vital signs of the relevant human or animal together with electronics. For example, the heartbeat, the heartbeat frequency or the pulse of the human or animal can be measured by the vital sign sensor as a vital sign. The basic measurement method is also known as photoplethysmography (PPG) and is based on the fact that blood-filled arteries are an optical medium that absorbs, transmits and reflects different amounts of light intensity, depending on the amount (volume) of blood and oxygen saturation. The amount of blood fluctuates with each pressure surge as the arteries dilate. The optical properties of the blood also change with the oxygen saturation of the hemoglobin, so that the pulse and oxygen saturation can be measured optically as a result.

Derartige Vitalzeichensensoren umfassen eine Lichtquelle wie eine Leuchtdiode (LED), die Licht in die Haut eines Benutzers emittiert. Das emittierte Licht wird in der Haut gestreut und vom Blut zumindest teilweise absorbiert. Ein Teil des Lichts tritt aus der Haut aus und kann von einem Fotodetektor erfasst werden. Die vom Fotodetektor erfasste Lichtmenge kann ein Hinweis auf das Blutvolumen in der Haut eines Benutzers sein. So kann ein Vitalzeichensensor die Durchblutung der Dermis und des Unterhautgewebes der Haut durch eine Absorptionsmessung bei einer bestimmten Wellenlänge überwachen. Verändert sich das Blutvolumen aufgrund des pulsierenden Herzens, ändert sich auch das von der Haut des Benutzers zurückkommende Streulicht. Daher kann durch Überwachung des erfassten Lichtsignals mittels des Fotodetektors ein Puls eines Benutzers in seiner Haut und damit die Herzfrequenz bestimmt werden. Darüber hinaus können Blutbestandteile wie sauerstoffhaltiges oder sauerstoffarmes Hämoglobin sowie die Sauerstoffsättigung bestimmt werden.Such vital sign sensors include a light source, such as a light emitting diode (LED), that emits light into a user's skin. The emitted light is scattered in the skin and at least partially absorbed by the blood. Some of the light exits the skin and can be captured by a photodetector. The amount of light detected by the photodetector can be indicative of the blood volume in a user's skin. For example, a vital sign sensor can monitor blood flow in the dermis and subcutaneous tissue of the skin by measuring absorbance at a specific wavelength. If the blood volume changes due to the pulsing heart, the scattered light returning from the user's skin also changes. Therefore, by monitoring the detected light signal using the photodetector, a pulse of a user in his skin and thus the heart rate can be determined. In addition, blood components such as oxygenated or deoxygenated hemoglobin and oxygen saturation can be determined.

Bei Anwendungen zur Überwachung von Vitalparametern beobachtet man eine starke Abhängigkeit der Modulationstiefe oder alternativ des so genannten Perfusionsindexes vom Abstand zwischen Lichtquelle und Fotodetektor. Generell gesagt ist die Messung von Vitalparametern umso empfindlicher, je größer der Abstand zwischen Emitter und Detektor ist. Ein möglicher Grund liegt in einem geringeren Cross-Talk zwischen Emitter und Detektor, welcher mit größerem Abstand zwischen Emitter und Detektor reduziert ist. Insbesondere gilt dies für rote und infrarote Wellenlängen, die für die Messung der Sauerstoffversorgung des Blutes wichtig sind. Bis zu einem gewissen Grad gilt dies aber auch für grüne Wellenlängen. Gleichzeitig nimmt jedoch die Anzahl der Photonen, die einen Detektor erreichen, exponentiell mit der Entfernung, also dem Abstand zwischen Emitter und Detektor, ab, in etwa nach dem Beer-Lambert-Gesetz. Es besteht also grundsätzlich ein Zielkonflikt zwischen einer ausreichenden großen Empfindlichkeit, die mit der Entfernung zunimmt, und der Signalstärke des von dem Emitter ausgesandten und von dem Detektor detektierten Lichts, die mit der Entfernung abnimmt. Es sollte daher der optimale Abstand zwischen Emitter und Detektor gewählt werden, bei dem das vom Detektor gemessene Signal noch stark genug ist und die Empfindlichkeit gleichzeitig ausreichend groß ist.In applications for monitoring vital parameters, a strong dependence of the modulation depth or alternatively the so-called perfusion index on the distance between the light source and the photodetector is observed. Generally speaking, the measurement of vital signs is more sensitive, the greater the distance between the emitter and the detector. A possible reason is a lower cross-talk between emitter and detector, which is reduced with a larger distance between emitter and detector. This is particularly true for red and infrared wavelengths, which are important for measuring blood oxygenation. To a certain extent, however, this also applies to green wavelengths. At the same time, however, the number of photons that reach a detector decreases exponentially with distance, i.e. the distance between emitter and detector, roughly in accordance with the Beer-Lambert law. There is therefore a fundamental conflict of objectives between a sufficiently high sensitivity, which increases with distance, and the signal strength of the light emitted by the emitter and detected by the detector, which decreases with distance. The optimum distance between the emitter and the detector should therefore be selected, at which the signal measured by the detector is still strong enough and the sensitivity is high enough at the same time.

Um diesen Zielkonflikt zu überwinden, könnte die von einer Lichtquelle emittierte Lichtmenge erhöht werden, um die Verluste zu kompensieren, die mit der Vergrößerung des Abstands zwischen Emitter und Detektor einhergehen. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass sowohl die Emissionsfläche als auch den absoluten Strom durch eine LED erhöht wird, so dass die Stromdichte, d.h. die Strommenge geteilt durch die aktive Fläche, in etwa konstant bleibt. Dadurch würde aber sowohl die Baugröße der gesamten Anordnung vergrößert als auch deren Stromverbrauch erhöht werden und damit müssten weitere Bauteile wie Stromversorgung, Treiberstufen und dergleichen leistungsstärker ausgelegt werden.To overcome this trade-off, the amount of light emitted by a light source could be increased to compensate for the losses associated with increasing the emitter-detector distance. This can be done, for example, by increasing both the emission area and the absolute current through an LED, so that the current density, i.e. the amount of current divided by the active area, remains approximately constant. However, this would increase both the overall size of the entire arrangement and its power consumption, so that other components such as power supply, driver stages and the like would have to be designed to be more powerful.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung anzugeben, die zumindest einige der oben genannten Nachteile vermeidet.It is therefore an object of the invention to specify a sensor arrangement which avoids at least some of the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 und einen optischen Vitalzeichensensor nach Anspruch 23 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen, Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a sensor arrangement according to claim 1 and an optical vital sign sensor according to claim 23. Preferred embodiments, refinements or developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die oben genannte Aufgabe wird insbesondere gelöst durch einen Sensoranordnung zur Verwendung in einem optischen Vitalzeichensensor, umfassend mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Fotodetektor, wobei Lichtquelle und Fotodetektor in einer Querrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei Lichtquelle und Fotodetektor eine im Wesentlichen rechteckige Form mit einer Länge und einer Breite aufweisen, wobei die Länge von der Lichtquelle größer ist als deren Breite. Die Lichtquelle kann entsprechend keine quadratische Form aufweisen, wohingegen der Fotodetektor eine quadratische Form aufweisen kann. Die Längsseite der Lichtquelle kann beabstandet und insbesondere parallel zu einer benachbarten Seite des Fotodetektors verlaufen. Insbesondere kann die Lichtquelle derart beabstandet zu dem Fotodetektor angeordnet sein, dass eine Längsseite der Lichtquelle benachbart zu einer Seite des Fotodetektors verläuft und insbesondere benachbart und parallel zu einer Seite des Fotodetektors verläuft.The above object is achieved in particular by a sensor arrangement for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source and at least one photodetector, the light source and photodetector being spaced apart from one another in a transverse direction, the light source and photodetector having a substantially rectangular Having a shape with a length and a width, the length of the light source being greater than the width thereof. Accordingly, the light source cannot have a square shape, whereas the photodetector can have a square shape. The longitudinal side of the light source can run at a distance from and in particular parallel to an adjacent side of the photodetector. In particular, the light source can be arranged at a distance from the photodetector such that a longitudinal side of the light source runs adjacent to a side of the photodetector and in particular runs adjacent and parallel to a side of the photodetector.

Die Erfindung ermöglicht es, den optimalen Abstand zwischen Emitter und Detektor, und dadurch das eingangs genannte Verhältnis von Abstand zu Empfindlichkeit, bei dem das von dem Detektor gemessene Signal noch stark genug ist und die Empfindlichkeit gleichzeitig ausreichend groß ist, einzuhalten. Erfindungsgemäß wird die Emissionsfläche der Lichtquelle vergrößert, ohne über einen größeren Abstandsbereich zu integrieren, sondern es wird ein bestimmter, wohldefinierter Abstand zwischen Lichtquelle und Fotodetektor (Emitter und Detektor) beibehalten. Es bleibt also eine emittierende Fläche, z. B. die aktive Fläche einer LED, die in der Richtung senkrecht zu einer Trennungslinie zwischen Lichtquelle und Fotodetektor konstant ist, aber in der Richtung parallel zur Trennungslinie linear wachsen kann, um die maximale Stromdichte und den maximalen Strom zu erreichen. Insbesondere wird die Emissionsfläche der Lichtquelle also in Längsrichtung, also parallel zur Trennungslinie vergrößert. Dies gilt für alle Wellenlängen, insbesondere aber für die roten und die IR-Wellenlängen, wo die Empfindlichkeit mehr oder weniger eine lineare Funktion des Abstands zwischen Emitter und Detektor ist.The invention makes it possible to maintain the optimum distance between the emitter and detector, and thereby the relationship between distance and sensitivity mentioned at the outset, at which the signal measured by the detector is still strong enough and the sensitivity is simultaneously sufficiently high. According to the invention, the emission area of the light source is increased without integrating over a larger distance range, but rather a specific, well-defined distance between the light source and the photodetector (emitter and detector) is maintained. So there remains an emitting surface, z. B. the active area of an LED, which is constant in the direction perpendicular to a dividing line between light source and photodetector, but can increase linearly in the direction parallel to the dividing line in order to reach the maximum current density and current. In particular, the emission surface of the light source is thus increased in the longitudinal direction, ie parallel to the dividing line. This is true for all wavelengths, but especially for the red and IR wavelengths, where sensitivity is more or less a linear function of the distance between the emitter and the detector.

Die Länge von Lichtquelle und Fotodetektor ist vorzugsweise gleich oder in etwa gleich. Als Länge wird hier die Dimension in Richtung der Trennungslinie verstanden. Die Lichtquelle und der Fotodetektor sind dabei vorzugsweise parallel bezüglich einer Längsachse als Trennungslinie zueinander angeordnet. Die Breite von Lichtquelle und Fotodetektor ist vorzugsweise ungleich. Insbesondere ist die Breite der Lichtquelle kleiner als die Breite des Fotodetektors. Als Breite wird hier die Dimension in Richtung senkrecht zur Trennungslinie verstanden.The length of the light source and the photodetector are preferably the same or approximately the same. The dimension in the direction of the dividing line is understood here as length. The light source and the photodetector are preferably arranged parallel to one another with respect to a longitudinal axis as a dividing line. The light source and photodetector widths are preferably unequal. In particular, the width of the light source is smaller than the width of the photodetector. The dimension in the direction perpendicular to the dividing line is understood here as width.

Die Lichtquelle und der Fotodetektor sind als diskrete Bauelemente oder als integrierte Bauelemente ausgeführt. Beispielsweise können die Lichtquelle und der Fotodetektor auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sein, oder die Lichtquelle und der Fotodetektor sind jeweils auf separaten Trägersubstraten angeordnet.The light source and the photodetector are designed as discrete components or as integrated components. For example, the light source and the photodetector can be arranged on a common carrier substrate, or the light source and the photodetector are each arranged on separate carrier substrates.

Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Leuchtdiode. Der Fotodetektor umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Fotodiode. Die Lichtquelle kann hingegen auch mehrere Leuchtdioden umfassen oder beispielsweise durch einen Array, insbesondere pixelierten Array, aus mehreren Leuchtdioden umfassen. Ebenso kann der Fotodetektor mehrere Fotodioden umfassen, oder beispielsweise durch einen Array, insbesondere pixelierten Array, aus mehreren Fotodioden gebildet sein.In one embodiment of the invention, the light source comprises at least one light-emitting diode. In one embodiment of the invention, the photodetector comprises at least one photodiode. In contrast, the light source can also comprise a plurality of light-emitting diodes or, for example, by an array, in particular a pixelated array, of a plurality of light-emitting diodes. Likewise, the photodetector can include a plurality of photodiodes or, for example, be formed by an array, in particular a pixelated array, of a plurality of photodiodes.

Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung eine grüne und/oder eine Infrarote (IR) und/oder eine rote Leuchtdiode. Je nach zu messender Vitalfunktion (Herzfrequenz, Sauerstoffsättigung etc.) sind unterschiedliche Wellenlängen des verwendeten Lichts vorteilhaft. Die grüne Leuchtdiode weist dabei vorzugsweise einen geringeren Abstand zum Fotodetektor auf als die rote Leuchtdiode und die IR Leuchtdiode. Da grünes Licht in der Haut stärker absorbiert wird erhöht diese Maßnahme die Lichtausbeute an der Fotodiode und erlaubt genauere Messungen der Vitalfunktionen.In one embodiment of the invention, the light source comprises a green and/or an infrared (IR) and/or a red light-emitting diode. Depending on the vital function to be measured (heart rate, oxygen saturation, etc.), different wavelengths of the light used are advantageous. The green light-emitting diode preferably has a smaller distance to the photodetector than the red light-emitting diode and the IR light-emitting diode. Since green light is more strongly absorbed in the skin, this measure increases the light yield at the photodiode and allows more precise measurements of the vital functions.

Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Leuchtdiode, die in einem Vergussmaterial eingebettet ist. Dadurch ist die Leuchtdiode und deren Kontaktierung vor Umgebungseinflüssen geschützt.In one embodiment of the invention, the light source comprises at least one light-emitting diode which is embedded in a potting material. This protects the light-emitting diode and its contacts from environmental influences.

Das Vergussmaterial weist in einer Ausführungsform der Erfindung Streupartikel auf. Dadurch wirkt die gesamte Fläche des Vergussmaterials als Lichtquelle, was deren Breite und insbesondere Länge „virtuell“ erhöht und so den erfindungsgemäß gewünschten Effekt verstärken kann.In one embodiment of the invention, the potting material has scattering particles. As a result, the entire surface of the potting material acts as a light source, which “virtually” increases its width and in particular its length and can thus enhance the effect desired according to the invention.

Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Leuchtdiode, die in einem Konvertierungsmaterial eingebettet ist, oder das Vergussmaterial weist Konverterpartikel auf. Dadurch kann insbesondere eine blaue Leuchtdiode verwendet werden, deren Licht beispielsweise in grünes oder andersfarbiges Licht konvertiert wird.In one embodiment of the invention, the light source comprises at least one light-emitting diode which is embedded in a conversion material, or the encapsulation material has converter particles. As a result, a blue light-emitting diode can be used in particular, the light from which is converted into green light or light of a different color, for example.

Die Lichtquelle weist in einer Ausführungsform der Erfindung eine geringere Breite auf als der Fotodetektor. Insbesondere bei lichtstarken Leuchtdioden kann so die Gesamtgröße der Sensoranordnung verringert werden.In one embodiment of the invention, the light source has a smaller width than the photodetector. The overall size of the sensor arrangement can thus be reduced, particularly in the case of high-intensity light-emitting diodes.

Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mehrere in Längsrichtung der Lichtquelle nebeneinander angeordnete Leuchtdioden anstatt einer länglichen einzelnen Leuchtdiode. Die mehreren in Längsrichtung der Lichtquelle nebeneinander angeordneten Leuchtdioden können rechteckige oder quadratisch sei und ergeben zusammen genommen eine rechteckige Lichtquelle mit einer größeren Länge als Breite.In one embodiment of the invention, the light source comprises a plurality of light-emitting diodes arranged next to one another in the longitudinal direction of the light source instead of an elongated individual light-emitting diode. The multiple light-emitting diodes arranged next to one another in the longitudinal direction of the light source can be rectangular or square and taken together make a rectangular light source with a greater length than width.

Die nebeneinander angeordneten Leuchtdioden sind in einer Ausführungsform der Erfindung so ausgelegt, dass Licht gleicher Farbe abstrahlen können. Alternativ sind die nebeneinander angeordneten Leuchtdioden so ausgelegt, dass diese Licht unterschiedlicher Farben abstrahlen können. Auf diese Weise sind in einer länglichen Lichtquelle alle für unterschiedliche Vitalfunktionen notwendigen Farben angeordnet, was die Abmessungen eines Vitalfunktionssensors weiter zu reduzieren hilft. Für den Fall, dass die nebeneinander angeordneten Leuchtdioden Licht unterschiedlicher Farben abstrahlen können, können diese entsprechend deren emittierter Farbe in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sein. Beispielsweise können die Leuchtdioden entsprechend deren emittierter Farbe abwechselnd nebeneinander angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, dass Leuchtdioden einer speziellen Farbe, bspw. grünes Licht emittierende Leuchtdioden, einen größeren Anteil der nebeneinander angeordneten Leuchtdioden bilden als Leuchtdioden, die Licht einer anderen Farbe emittieren (bspw. rotes Licht oder infrarotes Licht emittierende Leuchtdioden).In one embodiment of the invention, the light-emitting diodes arranged next to one another are designed in such a way that light of the same color can emit. Alternatively, the light-emitting diodes arranged next to one another are designed in such a way that they can emit light of different colors. In this way, all the colors required for different vital functions are arranged in an elongated light source, which helps to further reduce the dimensions of a vital function sensor. In the event that the light-emitting diodes arranged next to one another can emit light of different colors, they can be arranged in a repetitive pattern according to their emitted color. For example, the light-emitting diodes can be arranged alternately next to one another according to their emitted color. It is also possible that light-emitting diodes of a specific color, e.g. light-emitting diodes emitting green light, form a larger proportion of the light-emitting diodes arranged next to one another than light-emitting diodes which emit light of a different color (e.g. red light or light-emitting diodes emitting infrared light).

Die Leuchtiode oder die Leuchtdioden und/oder die Fotodiode oder die Fotodioden sind in einer Ausführungsform der Erfindung jeweils auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat weist dabei vorzugweise eine Kavität, bzw. einen eine Kavität bildenden Rahmen auf, in dem die Leuchtiode oder Leuchtdioden und/oder die Fotodiode oder Fotodioden jeweils angeordnet sind. Insbesondere kann der Rahmen derart ausgebildet sein, dass er die Leuchtiode oder die Leuchtdioden und/oder die Fotodiode oder die Fotodioden in senkrechte Richtung zu dem Substrat überragt.In one embodiment of the invention, the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes are each arranged on a substrate. The substrate preferably has a cavity, or a frame forming a cavity, in which the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes are respectively arranged. In particular, the frame can be designed in such a way that it protrudes beyond the light-emitting diode or the light-emitting diodes and/or the photodiode or the photodiodes in the direction perpendicular to the substrate.

Die Kavität bzw. der die Kavität bildende Rahmen kann dabei beispielsweise mit einem insbesondere transparenten Vergussmaterial gefüllt sein, in den die Leuchtdiode/n eingebettet ist/sind. Dadurch ist die Leuchtdiode und deren Kontaktierung vor Umgebungseinflüssen geschützt. Das Vergussmaterial kann beispielsweise Streupartikel aufweisen, sodass die gesamte Fläche des Vergussmaterials als Lichtquelle wirkt. Dadurch kann beispielsweise deren Breite und insbesondere Länge „virtuell“ erhöht werden und so der erfindungsgemäß gewünschte Effekt verstärken werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Vergussmaterial beispielsweise auch Konversionspartikel, wie beispielsweise Phosphorpartikel, umfassen mittels derer das von einer in das Vergussmaterial eingebetteten Leuchtdiode emittierte Licht in Licht einer anderen Wellenlänge konvertiert werden kann.The cavity or the frame forming the cavity can be filled, for example, with a particularly transparent potting material, in which the light-emitting diode(s) is/are embedded. This protects the light-emitting diode and its contacts from environmental influences. The potting material can have scattering particles, for example, so that the entire surface of the potting material acts as a light source. As a result, for example, their width and in particular their length can be “virtually” increased and the effect desired according to the invention can thus be intensified. As an alternative or in addition to this, the encapsulation material can also include, for example, conversion particles, such as phosphor particles, by means of which the light emitted by a light-emitting diode embedded in the encapsulation material can be converted into light of a different wavelength.

Die Kavität bzw. der die Kavität bildende Rahmen besteht vorzugsweise aus einem undurchsichtigen Material mit hohem diffusem Reflexionsvermögen für das verwendete Licht. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein direkter Strahlengang zwischen der Leuchtiode oder den Leuchtdioden und/oder der Fotodiode oder den Fotodioden unterbrochen ist.The cavity or the frame forming the cavity preferably consists of an opaque material with a high diffuse reflectivity for the light used. This can ensure that a direct beam path between the light-emitting diode or the light-emitting diodes and/or the photodiode or the photodiodes is interrupted.

Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch einen optischen Vitalzeichensensor, konfiguriert zum Messen oder Bestimmen von Vitalzeichen eines Benutzers, umfassend eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.The problem mentioned at the outset is also solved by an optical vital sign sensor, configured to measure or determine vital signs of a user, comprising a sensor arrangement according to the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen schematisch:

  • 1 eine erste Darstellung einer Sensoranordnung eines Vitalzeichensensors;
  • 2 eine zweite Darstellung einer Sensoranordnung eines Vitalzeichensensors;
  • 3 eine Prinzipskizze einer Draufsicht auf eine Sensoranordnung nach Stand der Technik als Vergleichsbeispiel;
  • 4 eine Prinzipskizze einer Draufsicht auf eine Sensoranordnung nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
  • 5-10 Ausführungsbeispiele von Lichtquellen zur Verwendung in einer Sensoranordnung nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
  • 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips mit einer Lichtquelle umfassend mehrere Leuchtdioden unterschiedlicher Farben;
  • 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips, bei dem die Lichtquelle und der Fotodetektor auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Schematically show:
  • 1 a first representation of a sensor arrangement of a vital sign sensor;
  • 2 a second representation of a sensor arrangement of a vital sign sensor;
  • 3 a schematic diagram of a top view of a sensor arrangement according to the prior art as a comparative example;
  • 4 a schematic diagram of a plan view of a sensor arrangement according to some aspects of the proposed principle;
  • 5-10 Embodiments of light sources for use in a sensor arrangement according to some aspects of the proposed principle;
  • 11 a further exemplary embodiment according to some aspects of the proposed principle with a light source comprising a plurality of light-emitting diodes of different colors;
  • 12 a further exemplary embodiment according to some aspects of the proposed principle, in which the light source and the photodetector are arranged on a common substrate.

Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.The following embodiments and examples show various aspects and their combinations according to the proposed principle. The embodiments and examples are not always to scale. Likewise, various elements can be enlarged or reduced in order to emphasize individual aspects. It goes without saying that the individual aspects and features of the embodiments and examples shown in the figures can be easily combined with one another without the principle according to the invention being impaired thereby. Some aspects have a regular structure or shape. It should be noted that in practice there may be slight deviations from the ideal Len form can occur, but without contradicting the inventive idea.

Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten.In addition, the individual figures, features, and aspects are not necessarily of the correct size, nor are the proportions between the individual elements necessarily correct. Some aspects and features are highlighted by enlarging them. However, terms such as "top", "above", "below", "below", "greater", "less" and the like are correctly represented with respect to the elements in the figures. It is thus possible to derive such relationships between the elements using the illustrations.

1 zeigt schematisch eine Sensoranordnung 1 eines Vitalzeichensensors, der eine Lichtquelle 2 und einen Fotodetektor 3 umfasst. Die Sensoranordnung 1 ist auf die Haut 4 eines Benutzers aufgesetzt. Die elektrische Beschaltung von Lichtquelle 2 und Fotodetektor 3 sowie weitere Baugruppen oder Bauelemente wie eine Auswerteelektronik, Spannungsversorgung, Anzeige- oder Kommunikationsmittel sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt, da es für das Verständnis der Erfindung im Wesentlichen auf die Sensoranordnung 1 ankommt. 1 1 schematically shows a sensor arrangement 1 of a vital sign sensor, which comprises a light source 2 and a photodetector 3 . The sensor arrangement 1 is placed on the skin 4 of a user. The electrical wiring of light source 2 and photodetector 3 and other assemblies or components such as evaluation electronics, power supply, display or communication means are not shown to simplify the illustration, since the sensor arrangement 1 is essentially important for understanding the invention.

Das von der Lichtquelle 2, beispielsweise einer Licht emittierenden Diode (LED), emittierte Licht 5 breitet sich in der Haut 4 aus. Die Haut 4 wird hier schematisch vereinfacht dargestellt umfassend eine unter einer ersten Hautschicht (Epidermis) mit wenigen oder keinen Blutgefäßen liegende zweite Hautschicht (Dermis) 6 mit vielen Blutgefäßen sowie weitere tiefer liegende und ebenfalls blutführende Schichten 7. Die Lichtquelle 2 und der Fotodetektor 3 sind in einer Querrichtung RQ voneinander beabstandet. Das Licht 5 wird zum Teil durch das Blut in den Blutgefäßen der tiefer liegenden Schichten 7 absorbiert, zum Teil rückgestreut. Je mehr Blut mit dem Licht 5 interagiert, desto mehr Licht 5 wird absorbiert. Dadurch erreicht weniger rückgestreutes Licht 5 den Fotodetektor 3, der beispielsweise als Fotodiode ausgestaltet ist, und das von der Fotodiode erzeugte Signal wird kleiner.The light 5 emitted by the light source 2 , for example a light-emitting diode (LED), propagates in the skin 4 . The skin 4 is shown here in a schematic, simplified manner, comprising a second skin layer (dermis) 6 with many blood vessels located under a first skin layer (epidermis) with few or no blood vessels, as well as other deeper layers 7 that also carry blood. The light source 2 and the photodetector 3 are spaced from each other in a transverse direction RQ. The light 5 is partially absorbed by the blood in the blood vessels of the lower-lying layers 7 and partially backscattered. The more blood interacts with the light 5, the more light 5 is absorbed. As a result, less backscattered light 5 reaches the photodetector 3, which is configured as a photodiode, for example, and the signal generated by the photodiode becomes smaller.

Nach jedem Herzschlag kommt es in den Gefäßen zur einer Pulswelle und die Blutmenge steigt kurzfristig an. In diesem Moment erzeugt der Fotodetektor 3 ein kleineres elektrisches Signal im Vergleich zu einem Zeitpunkt nach der Pulswelle. Mit jedem Herzschlag fängt der Zyklus von vorne an. Die periodische Änderung des von dem Fotodetektor 3 ausgegebenen Signals wird durch eine nachfolgende Elektronik detektiert. Die Elektronik berechnet daraus beispielsweise die Herzfrequenz.After every heartbeat, a pulse wave occurs in the vessels and the amount of blood increases for a short time. At this moment, the photodetector 3 generates a smaller electric signal compared to a time point after the pulse wave. With every heartbeat, the cycle starts all over again. The periodic change in the signal output by the photodetector 3 is detected by downstream electronics. The electronics use this to calculate the heart rate, for example.

Die als LED ausgestaltete Lichtquelle 2 kann beispielsweise rotes, grünes oder IR Licht 5 emittieren, welches direkt in die Haut 4 eingekoppelt wird. In 1 sind zwei mögliche Ausbreitungspfade A und B von der Lichtquelle 2 zum Fotodetektor 3 dargestellt. Pfad A wird durch eine Streuung des Lichts 5 in den oberen Hautschichten, die weniger als 1 mmm tief unter der Hautoberfläche liegen, bewirkt. Pfad B ergibt sich durch eine Streuung des Lichts 5 in tiefer liegenden Hautschichten, die mindestens 1 mm unter der Hautoberfläche liegen.The light source 2 designed as an LED can, for example, emit red, green or IR light 5 which is coupled directly into the skin 4 . In 1 two possible propagation paths A and B from the light source 2 to the photodetector 3 are shown. Path A is caused by scattering of the light 5 in the upper layers of the skin, lying less than 1mm below the skin surface. Path B results from a scattering of the light 5 in deeper skin layers that are at least 1 mm below the skin surface.

Die Dichte von Blutgefäßen in den oberen Hautschichten ist wesentlich kleiner als im Inneren der Haut. Daher beinhaltet nur das Licht 5, das tiefer in die Haut 4 eindringt und anschließend zu dem Fotodetektor 3 gelangt, die Information über die Herzfrequenz. Die Menge an Licht 5, die diese Information beinhaltet, beträgt dabei jedoch lediglich einen kleinen Bruchteil der Gesamtlichtmenge, die auf den Fotodetektor 3 fällt.The density of blood vessels in the upper layers of the skin is much lower than inside the skin. Therefore, only the light 5 that penetrates deeper into the skin 4 and then reaches the photodetector 3 contains the information about the heart rate. However, the amount of light 5 that contains this information is only a small fraction of the total amount of light falling on the photodetector 3 .

Die Position der Sensoranordnung 1 relativ zur Haut 4 kann sich ändern, wenn der Benutzer sich bewegt. Dabei ändern sich insbesondere die Verhältnisse zwischen den Lichtmengen der beiden oben genannten Lichtpfade A und B. Zudem kann eine Positionsänderung dazu führen, dass sich der Vitalzeichensensor 1 kurzfristig direkt gegenüber von einem großen Blutgefäß befindet, welches ein sehr stark moduliertes Signal verursacht. Angenommen, der Vitalzeichensensor 1 bewegt sich kurz darauf, so dass ein Luftspalt zwischen dem Vitalzeichensensor 1 und der Haut 4 entsteht, dann sinkt das modulierte Signal, jedoch erzeugt das von der Hautoberfläche reflektierte Licht ein sehr starkes nicht-moduliertes Signal. Solche durch Bewegung hervorgerufene Artefakte (englisch: motion artefacts) stören den Auswertealgorithmus und führen zu einer ungenauen Messung der Herzfrequenz.The position of the sensor array 1 relative to the skin 4 may change as the user moves. In particular, the ratios between the light quantities of the two above-mentioned light paths A and B change. In addition, a change in position can result in the vital sign sensor 1 being located directly opposite a large blood vessel for a short time, which causes a very strongly modulated signal. Assuming that the vital sign sensor 1 moves shortly thereafter, creating an air gap between the vital sign sensor 1 and the skin 4, the modulated signal will decrease, but the light reflected from the skin surface will produce a very strong unmodulated signal. Such artefacts caused by movement (English: motion artefacts) disturb the evaluation algorithm and lead to an inaccurate measurement of the heart rate.

2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 1. Diese umfasst einen Fotodetektor, an dem beiderseits in einer Querrichtung RQ beabstandet jeweils eine Lichtquelle 2 angeordnet ist. Die Funktionsweise entspricht der anhand des Ausführungsbeispiels der 1 dargestellten Sensoranordnung 1. Durch Verwendung mehrerer Lichtquellen 2 kann hier jedoch die mit Licht bestrahlte Fläche der Haut vergrößert werden, so dass insgesamt die Beleuchtungsdichte erhöht werden kann und die Messgenauigkeit durch Verringerung von zuvor dargestellten Artefakten verringert werden kann. 2 12 shows an alternative exemplary embodiment of a sensor arrangement 1. This comprises a photodetector on which a light source 2 is arranged on both sides, spaced apart in a transverse direction RQ. The mode of operation corresponds to that based on the exemplary embodiment 1 sensor arrangement 1 shown. By using a plurality of light sources 2, however, the area of the skin irradiated with light can be increased here, so that overall the illuminance can be increased and the measurement accuracy can be reduced by reducing the artifacts shown above.

Anhand der 3 und 4 wird der Effekt der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 erläutert. 3 zeigt als Prinzipskizze einer Draufsicht auf eine Sensoranordnung nach Stand der Technik als Vergleichsbeispiel mit einer kleinen quadratischen Lichtquelle 2 und einem größeren quadratischen Fotodetektor 3. Zum leichteren Verständnis werden Bezugszeichen wie zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung verwendet. Wie zuvor erläutert, wird das von der Haut zurückgestreute Licht abhängig von der Entfernung zur Lichtquelle 2 so gestreut, so dass sich ein ringförmiges Lichtfeld 8 ergibt, bei dem die Beleuchtungsstärke radial nach außen abnimmt. Dies hat zur Folge, dass auf dem Fotodetektor 3 an Stellen Q1, Q2 und Q3, die den gleichen Abstand zur dem der Fotodiode 3 zugewandten Rand der Lichtquelle 2 aufweisen, unterschiedliche Beleuchtungsstärken auftreten.Based on 3 and 4 the effect of the sensor arrangement 1 according to the invention is explained. 3 shows a schematic diagram of a top view of a sensor arrangement according to the prior art as a comparative example with a small square cal light source 2 and a larger square photodetector 3. For easier understanding, reference numerals are used to describe the solution according to the invention. As previously explained, the light scattered back by the skin is scattered depending on the distance from the light source 2 such that an annular light field 8 results, in which the illuminance decreases radially outwards. The consequence of this is that different illuminance levels occur on the photodetector 3 at points Q1, Q2 and Q3 which are at the same distance from the edge of the light source 2 facing the photodiode 3.

4 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 in der Draufsicht. Bei dieser weist die Lichtquelle 2 eine rechteckige Form auf, mit einer Länge L und einer Breite B, wobei die Länge L größer als die Breite B ist. Entlang der Länge L ist ein senkrechter Abstand A zur Fotodiode 3 konstant. 4 shows a schematic diagram of a sensor arrangement 1 according to the invention in plan view. In this case, the light source 2 has a rectangular shape with a length L and a width B, the length L being greater than the width B. A perpendicular distance A to the photodiode 3 is constant along the length L.

Durch die in der Draufsicht länglicher Ausführung der Lichtquelle 2 ergibt sich ein in etwa ovales Lichtfeld 9, bei dem die Beleuchtungsstärke zwar auch radial nach außen abnimmt, entlang einer Parallelen zur Seitenfläche der Lichtquelle 2, also entlang der Länge L, aber im Wesentlichen konstant ist, so dass Punkte P1, P2 und P3, die den gleichen Abstand zur dem der Lichtquelle 2 zugewandten Rand der Fotodiode 3 aufweisen, auf der Fotodiode 3 eine in etwa gleiche Beleuchtungsstärke aufweisen.The elongated design of the light source 2 in the top view results in an approximately oval light field 9 in which the illuminance also decreases radially outwards, but is essentially constant along a parallel to the side surface of the light source 2, i.e. along the length L , so that points P1, P2 and P3, which are at the same distance from the edge of the photodiode 3 facing the light source 2, have approximately the same illuminance on the photodiode 3.

Die 5-10 zeigen Ausführungsbeispiele von Lichtquellen 2 nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips zur Verwendung in einer Sensoranordnung 1 nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips. 5 zeigt in der Draufsicht eine Lichtquelle 2 umfassend zwei in etwa rechteckige bzw. quadratische Leuchtdioden 10, die in einer Kavität eines Substrats 12 angeordnet sind. Die Kavität, bzw. ein die Kavität bildender Rahmen überragt dabei die Leuchtdioden 10 in eine Richtung senkrecht auf dem Substrat 12. Zudem sind die Leuchtdioden 10 in einem Vergussmaterial 11 in der Kavität eingebettet, wobei das Vergussmaterial 11 insbesondere plan mit einem oberen Rand der Kavität bzw. dem die Kavität bildenden Rahmen abschließt.The 5-10 show exemplary embodiments of light sources 2 according to some aspects of the proposed principle for use in a sensor arrangement 1 according to some aspects of the proposed principle. 5 shows a top view of a light source 2 comprising two approximately rectangular or square light-emitting diodes 10, which are arranged in a cavity of a substrate 12. The cavity, or a frame forming the cavity, projects beyond the light-emitting diodes 10 in a direction perpendicular to the substrate 12. In addition, the light-emitting diodes 10 are embedded in a potting material 11 in the cavity, with the potting material 11 being particularly planar with an upper edge of the cavity or the frame forming the cavity.

In einem ersten Ausführungsbeispiel sind mehrere kleine LEDs in einer Reihe angeordnet. Der Abstand zwischen den LEDs ist so gering, dass eine kontinuierliche Lichtverteilung in der Haut gewährleistet ist. Die beiden in den 5 und 6 dargestellten Leuchtdioden 10 sind auf einer Grundfläche mit einer Länge L und einer Breite B angeordnet, wobei die Länge L größer als die Breite B ist. Die Länge der Linie und die Anzahl der LEDs wird so gewählt, dass die gesamte Länge des Detektors gleichmäßig beleuchtet wird. Wie aus der Seitenansicht der 6 zu erkennen ist sind die Leuchtdioden 10 von dem Vergussmaterial 11 vollständig umhüllt. Die mehreren kleinen LEDs können auch eine andere Form, beispielsweise eine rund, ovale, oder polygonale Form aufweisen.In a first embodiment, several small LEDs are arranged in a row. The distance between the LEDs is so small that a continuous light distribution in the skin is guaranteed. The two in the 5 and 6 The light-emitting diodes 10 shown are arranged on a base area with a length L and a width B, the length L being greater than the width B. The length of the line and the number of LEDs is chosen so that the entire length of the detector is evenly illuminated. As seen from the side view of the 6 it can be seen that the light-emitting diodes 10 are completely encased by the potting material 11 . The several small LEDs can also have a different shape, for example a round, oval or polygonal shape.

Die 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle 2. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist eine Leuchtdiode 13 eine rechteckige Form mit einer Länge L und einer Breite B auf, wobei die Länge L größer als die Breite B ist. Die lange Seite der Leuchtdiode 13 ist gleich oder nahe der Länge des Detektors ausgebildet, um eine homogene Ausleuchtung der gesamten Länge des Detektors zu gewährleisten. Bei Leuchtdiode 13 weist eine in der Draufsicht der 7 rechteckige Form mit einer Länge L und einer Breite B auf. Wie aus der Seitenansicht der 8 zu erkennen ist, ist auch im Ausführungsbeispiel der 7 die Leuchtdiode 13 in einer Kavität auf einem Substrat 12 angeordnet und vollständig von Vergussmaterial 11 umgeben. Die Leuchtdiode 13 kann beispielsweise auch eine ovale oder elliptische Form aufweisen, wobei ovale oder elliptische Form in eine Längsrichtung eine größere Ausdehnung aufweist als in eine dazu senkrechte Richtung.The 7 and 8th show a further exemplary embodiment of a light source 2 according to the invention. In this second exemplary embodiment, a light-emitting diode 13 has a rectangular shape with a length L and a width B, the length L being greater than the width B. The long side of the light-emitting diode 13 is designed to be the same as or close to the length of the detector in order to ensure homogeneous illumination of the entire length of the detector. When light-emitting diode 13 has a plan view of the 7 rectangular shape with a length L and a width B. As seen from the side view of the 8th can be seen is also in the embodiment of 7 the light-emitting diode 13 is arranged in a cavity on a substrate 12 and is completely surrounded by potting material 11 . The light-emitting diode 13 can also have an oval or elliptical shape, for example, with the oval or elliptical shape having a greater extent in a longitudinal direction than in a direction perpendicular thereto.

9 zeigt einen weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle 2. Eine Leuchtdiode 14 hat eine quadratische Form und ist in einer Kavität auf einem Substrat 12 angeordnet. Zudem ist die Leuchtdiode 14 in ein transparentes Vergussmaterial 11 eingekapselt, welches im Inneren Streupartikel 15 enthält. Die Höhe der transparenten Verkapselung und die Konzentration der Streupartikel 15 sind dabei so gewählt, dass der gesamte Bereich der Kavität das Licht homogen abstrahlt. Die Emissionsfläche der Lichtquelle weist entsprechend eine Länge L und eine Breite B auf, wobei die Länge L größer als die Breite B ist. 9 shows a further exemplary embodiment of a light source 2 according to the invention. A light-emitting diode 14 has a square shape and is arranged in a cavity on a substrate 12 . In addition, the light-emitting diode 14 is encapsulated in a transparent potting material 11 which contains scattering particles 15 on the inside. The height of the transparent encapsulation and the concentration of the scattering particles 15 are selected in such a way that the entire area of the cavity emits the light homogeneously. The emission surface of the light source accordingly has a length L and a width B, the length L being greater than the width B.

Alternativ kann auch eine blaue Leuchtdiode verwendet werden und entsprechende Konverterpartikel können in dem Vergussmaterial 11 eingebracht sein. Die LED strahlt entsprechend blaues Licht aus, und ein Diffusormaterial (im Vergussmaterial) umfassend Konverterpartikel, führt dazu, dass das blaue Licht in das für die PPG-Messung erforderliche grüne Licht umgewandelt wird.Alternatively, a blue light-emitting diode can also be used and appropriate converter particles can be introduced into the potting material 11 . Accordingly, the LED emits blue light, and a diffuser material (in the potting material) comprising converter particles causes the blue light to be converted into the green light required for the PPG measurement.

Durch die streuenden Partikel 15 wirkt das gesamte Substrat 12 im Ausführungsbeispiel der 9 und 10 wie eine große Lichtquelle 2 mit einer Länge L und einer Breite B, wobei die Länge L größer als die Breite B ist.By the scattering particles 15, the entire substrate 12 acts in the embodiment 9 and 10 such as a large light source 2 with a length L and a width B, the length L being greater than the width B.

11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung als Skizze in einer Draufsicht. Die Lichtquelle 2 umfasst hier mehrere Leuchtdioden unterschiedlicher Farben, wobei die Leuchtdioden jeweils eine Länge L und eine Breite B aufweisen, wobei die Länge L größer als die Breite B ist. Die Lichtquelle 2 umfasst eine grüne Leuchtdiode 16, eine Infrarot-Leuchtdioden 17 und eine rote Leuchtdiode 18. Dabei ist die grüne Leuchtdiode dem Fotodetektor 3 am nächsten angeordnet, die Infrarot-Leuchtdioden 17 ist weiter entfernt als die Grünen Leuchtdioden 16 angeordnet und die rote Leuchtdiode 18 ist wiederum weiter entfernt von dem Fotodetektor 3 als die Infrarot-Leuchtdiode 17 angeordnet. Die die Infrarotstrahlung der Infrarot-Leuchtdioden 17 sowie die das rote Licht der roten Leuchtdiode 18 weisen in der Haut 4 eine größere Reichweite auf als das grüne Licht der grünen Leuchtdiode 17, daher die hier gewählte Anordnung. Die dargestellte Anordnung der grünen 16, infraroten 17 und roten 18 Leuchtdiode ist hier jedoch lediglich exemplarisch und kann je nach Anwendungsfall vertauscht werden. Ebenso kann die Lichtquelle zusätzlich weitere Leuchtdioden zur Emission eines anderen oder desselben Lichts umfassen. 11 shows a further embodiment of the invention as a sketch in a plan view. The light source 2 here comprises a plurality of light-emitting diodes of different colors, the light-emitting diodes each having a length L and a width B, the length L being greater than the width B. The light source 2 comprises a green light-emitting diode 16, an infrared light-emitting diode 17 and a red light-emitting diode 18. The green light-emitting diode is arranged closest to the photodetector 3, the infrared light-emitting diode 17 is arranged further away than the green light-emitting diode 16 and the red light-emitting diode 18 is in turn arranged further away from the photodetector 3 than the infrared light-emitting diode 17 . The infrared radiation from the infrared light-emitting diodes 17 and the red light from the red light-emitting diode 18 have a greater range in the skin 4 than the green light from the green light-emitting diode 17, hence the arrangement selected here. However, the arrangement of the green 16, infrared 17 and red 18 light-emitting diode shown here is merely an example and can be swapped around depending on the application. Likewise, the light source can additionally include further light-emitting diodes for emitting a different light or the same light.

Die infrarote 17 und rote 18 Leuchtdiode sind im dargestellten Fall in einer separaten Kavität angeordnet, dass deren emittiertes Licht nicht die Funktion der grünes Licht emittierenden Leuchtdiode beeinträchtigt.In the case shown, the infrared 17 and red 18 light-emitting diodes are arranged in a separate cavity so that their emitted light does not impair the function of the green-light-emitting light-emitting diode.

Die 12 und 13 zeigen eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 1, bei dem die Lichtquelle 2 und der Fotodetektor 3 auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. 12 zeigt eine Draufsicht und 13 einen Querschnitt durch die Sensoranordnung 1. Das Substrat 19 umfasst einen Substratboden 20 zur Aufnahme und Kontaktierung der Lichtquelle 2 und des Fotodetektors 3 sowie dazu senkrecht verlaufende Wände 21, sodass sich für Lichtquelle 2 und Fotodetektor 3 jeweils eine becherförmige Kavität 22 ergibt. Die becherförmigen Kavitäten 22 sind jeweils mit einem Vergussmaterial 11 ausgefüllt, dass wie zuvor erläutert Streupartikel oder Konverterpartikel umfassen kann. Wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen ist die Länge L in Querrichtung der Lichtquelle größer als die Breite B der Lichtquelle 2. Die Länge L des Fotodetektors 3 ist im Wesentlichen gleich der Länge der Lichtquelle 2. Die Breite des Fotodetektors 13 und damit auch die Gesamtfläche des Fotodetektors 13 ist hingegen größer als die der Lichtquelle 2.The 12 and 13 show a schematic diagram of an exemplary embodiment of a sensor arrangement 1 according to the invention, in which the light source 2 and the photodetector 3 are arranged on a common substrate. 12 shows a plan view and 13 a cross section through the sensor arrangement 1. The substrate 19 comprises a substrate base 20 for receiving and contacting the light source 2 and the photodetector 3 as well as walls 21 running perpendicular thereto, so that a cup-shaped cavity 22 results for the light source 2 and the photodetector 3. The cup-shaped cavities 22 are each filled with a potting material 11 that, as explained above, can include scattering particles or converter particles. As in the previous embodiments, the length L in the transverse direction of the light source is greater than the width B of the light source 2. The length L of the photodetector 3 is essentially equal to the length of the light source 2. The width of the photodetector 13 and thus also the total area of the photodetector 13, on the other hand, is larger than that of light source 2.

Die erfindungsgemäße Lichtquelle (Emitter) kann, wie beispielsweise in den 5 bis 11 dargestellt, als diskretes Bauteil in verschiedenen Varianten ausgeführt sein. Die Ausführungsformen basieren dabei auf LED-Chips, die im Inneren einer Kavität auf einem Substrat platziert sind. Die Kavität bzw. ein die Kavität bildender Rahmen besteht dabei aus einem undurchsichtigen Material mit hohem diffusem Reflexionsvermögen für das verwendete Licht. Dadurch wird gewährleistet, dass der direkte optische Pfad zwischen Emitter und Detektor unterbrochen ist, um das Signal-Rausch Verhältnis des von dem Detektor detektierten Signals zu erhöhen. Das Substrat gewährleistet die elektrische Kontaktierung der LED-Chips mit Lötpads für den späteren Einbau in den optischen Vitalzeichensensor. Die LED wird durch eine transparente Verkapselung (Verguss) vor der Umgebung geschützt.The light source (emitter) according to the invention can, as for example in the 5 until 11 shown, be designed as a discrete component in different variants. The embodiments are based on LED chips that are placed on a substrate inside a cavity. The cavity or a frame forming the cavity consists of an opaque material with a high diffuse reflectivity for the light used. This ensures that the direct optical path between the emitter and detector is broken in order to increase the signal-to-noise ratio of the signal detected by the detector. The substrate ensures the electrical contacting of the LED chips with soldering pads for later installation in the optical vital sign sensor. The LED is protected from the environment by a transparent encapsulation (encapsulation).

Wie in den 12 und 13 dargestellt können die Lichtquelle (Emitter) und der Detektor hingegen auch auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein, und somit ein integriertes erfindungsgemäßes Sensormodul bzw. eine integrierte erfindungsgemäße Sensoranordnung bilden.As in the 12 and 13 shown, the light source (emitter) and the detector can, however, also be arranged on a common substrate and thus form an integrated sensor module according to the invention or an integrated sensor arrangement according to the invention.

Die gleichen geometrischen Anordnungen können für Sensoren verwendet werden, die mit mehreren Wellenlängen arbeiten (z. B. für Blutsauerstoff- oder Hautfeuchtigkeitsmessungen). Jeder Strahler kann nach den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen realisiert sein, wobei beliebige Kombinationen verschiedener Realisierungen möglich sind. Es kann eine einzelne Kavität für Emitter einzelner Wellenlängen vorhanden sein oder es können mehrere Emitter mit unterschiedlichen Wellenlängen in einer Kavität kombiniert werden.The same geometric arrangements can be used for sensors that work with multiple wavelengths (e.g. for blood oxygen or skin moisture measurements). Each radiator can be implemented according to the exemplary embodiments described above, any combinations of different implementations being possible. There can be a single cavity for emitters of single wavelengths, or multiple emitters of different wavelengths can be combined in one cavity.

Wenn eine blaue LED und ein Konvertermaterial für die Emission von grünem Licht verwendet werden, können die LEDs anderer Wellenlängen in derselben Kavität untergebracht werden: Das Licht von z.B. R- und IR-LEDs wird nicht umgewandelt, sondern nur von den Konverterpartikeln gestreut. Dies gewährleistet eine homogene Lichtemission jeder Wellenlänge (grün, rot und IR) über die gesamte Fläche der Kavität ohne zusätzliche Diffusorteilchen oder separate Kavitäten.If a blue LED and a converter material are used for green light emission, the LEDs of other wavelengths can be accommodated in the same cavity: the light from e.g. R and IR LEDs is not converted, but only scattered by the converter particles. This ensures a homogeneous light emission of each wavelength (green, red and IR) over the entire surface of the cavity without additional diffuser particles or separate cavities.

BezugszeichenlisteReference List

11
Sensoranordnungsensor arrangement
22
Lichtquellelight source
33
Fotodetektorphotodetector
44
Hautskin
55
LichtLight
66
Dermisdermis
77
tiefer liegende blutführende Hautschichtendeeper blood-bearing layers of skin
88th
ringförmiges Lichtfeld (Vergleichsbeispiel)ring-shaped light field (comparative example)
99
Lichtfeldlight field
1010
Leuchtdiodeled
1111
Vergussmaterialpotting material
1212
Substratsubstrate
1313
Leuchtdiodeled
1414
Leuchtdiodeled
1515
Streupartikelstray particles
1616
grüne Leuchtdiodegreen LED
1717
IR- LeuchtdiodeIR light emitting diode
1818
rote Leuchtdiodered LED
1919
Substratsubstrate
2020
Substratbodensubstrate bottom
2121
WandWall
2222
Kavitätcavity
RQRQ
Querrichtungtransverse direction

Claims (23)

Sensoranordnung (1) zur Verwendung in einem optischen Vitalzeichensensor, umfassend mindestens eine Lichtquelle (2) und mindestens einen Fotodetektor (3), wobei Lichtquelle (2) und Fotodetektor (3) in einer Querrichtung (RQ) beabstandet zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtquelle (2) und Fotodetektor (3) eine im Wesentlichen rechteckige Form mit einer Länge L und einer Breite B aufweisen, wobei die Länge L der Lichtquelle (2) größer ist als deren Breite B.Sensor arrangement (1) for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source (2) and at least one photodetector (3), the light source (2) and photodetector (3) being arranged at a distance from one another in a transverse direction (RQ), characterized in that that the light source (2) and photodetector (3) have an essentially rectangular shape with a length L and a width B, the length L of the light source (2) being greater than its width B. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L von Lichtquelle (2) und Fotodetektor (3) gleich ist.sensor arrangement claim 1 , characterized in that the length L of the light source (2) and photodetector (3) is the same. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) und der Fotodetektor (3) parallel bezüglich einer Längsachse zueinander angeordnet sind.sensor arrangement claim 1 or 2 , characterized in that the light source (2) and the photodetector (3) are arranged parallel to one another with respect to a longitudinal axis. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) und der Fotodetektor (3) als diskrete Bauelemente ausgeführt sind.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 3 , characterized in that the light source (2) and the photodetector (3) are designed as discrete components. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) und der Fotodetektor (3) als integrierte Bauelemente ausgeführt sindSensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 3 , characterized in that the light source (2) and the photodetector (3) are designed as integrated components Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) mindestens eine Leuchtdiode (10, 13, 14, 16, 17, 18) umfasst.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 5 , characterized in that the light source (2) comprises at least one light-emitting diode (10, 13, 14, 16, 17, 18). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotodetektor (3) eine Fotodiode umfasst.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 6 , characterized in that the photodetector (3) comprises a photodiode. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine grüne Leuchtdiode (16) umfasst.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 8th , characterized in that the light source (2) comprises a green light-emitting diode (16). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine IR Leuchtdiode (17) umfasst.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 8th , characterized in that the light source (2) comprises an IR light-emitting diode (17). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine rote Leuchtdiode (18) umfasst.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 9 , characterized in that the light source (2) comprises a red light-emitting diode (18). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die grüne Leuchtdiode (16) einen geringeren Abstand zum Fotodetektor (3) aufweist als die rote Leuchtdiode (18) und die IR Leuchtdiode (17).Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 8 until 10 , characterized in that the green light-emitting diode (16) has a smaller distance to the photodetector (3) than the red light-emitting diode (18) and the IR light-emitting diode (17). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) mindestens eine Leuchtdiode (19) umfasst, die in einem Vergussmaterial (11) eingebettet ist.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 11 , characterized in that the light source (2) comprises at least one light-emitting diode (19) which is embedded in a potting material (11). Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergussmaterial (11) Streupartikel (15) aufweist.sensor arrangement claim 12 , characterized in that the potting material (11) has scattering particles (15). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergussmaterial (11) Konverterpartikel aufweist.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 13 , characterized in that the potting material (11) has converter particles. Sensoranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (10) eine blaue Leuchtdiode ist.sensor arrangement Claim 14 , characterized in that the light-emitting diode (10) is a blue light-emitting diode. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) eine geringere Breite B aufweist als der Fotodetektor (3).Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 1 until 15 , characterized in that the light source (2) has a smaller width B than the photodetector (3). Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) mehrere in Längsrichtung der Lichtquelle (2) nebeneinander angeordnete Leuchtdioden umfasst.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 6 until 16 , characterized in that the light source (2) comprises a plurality of light-emitting diodes arranged next to one another in the longitudinal direction of the light source (2). Sensoranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander angeordneten Leuchtdioden Licht gleicher Farbe abstrahlen können.sensor arrangement Claim 17 , characterized in that the side by side arranged LEDs can emit light of the same color. Sensoranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander angeordneten Leuchtdioden (16, 17, 18) Licht unterschiedlicher Farben abstrahlen können.sensor arrangement Claim 17 , characterized in that the light-emitting diodes (16, 17, 18) arranged next to one another can emit light of different colors. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtiode oder Leuchtdioden und/oder die Fotodiode (3) oder Fotodioden jeweils auf einem Substrat angeordnet sind.Sensor arrangement according to one of the preceding Claims 6 until 19 , characterized in that the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode (3) or photodiodes are each arranged on a substrate. Sensoranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Kavität aufweist, in der die Leuchtiode oder Leuchtdioden und/oder die Fotodiode oder Fotodioden jeweils angeordnet sind.sensor arrangement claim 20 , characterized in that the substrate has a cavity in which the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes are respectively arranged. Sensoranordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Kavität bildender Rahmen aus einem undurchsichtigen Material mit hohem diffusem Reflexionsvermögen für das verwendete Licht besteht.sensor arrangement Claim 21 , characterized in that a frame forming the cavity consists of an opaque material with high diffuse reflectivity for the light used. Optischer Vitalzeichensensor, konfiguriert zum Messen oder Bestimmen von Vitalzeichen eines Benutzers, umfassend eine Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22.An optical vital sign sensor configured to measure or determine vital signs of a user, comprising a sensor arrangement according to any one of the preceding Claims 1 until 22 .
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