DE112004001921B4

DE112004001921B4 - Sensoranordnung zum Messen von Signalen auf der Hautoberfläche und Verfahren zur Herstellung der Sensoranordnung

Info

Publication number: DE112004001921B4
Application number: DE112004001921.4T
Authority: DE
Inventors: Pekka Tolvanen
Original assignee: MYONTEC Oy; Suunto Oy
Current assignee: Suunto Oy
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2024-10-09
Also published as: GB2422785B; FI20031476A0; USRE46470E1; GB2422785A; FI20031476A; GB0607988D0; FI120181B; HK1092344A1; WO2005032366A1; US20060183990A1; US8024023B2; DE112004001921T5

Abstract

Sensoranordnung zum Messen von Signalen auf der Oberfläche der Haut die Folgendes umfasst:- ein textiles Material mit Maschen, das Teil eines im Wasser zu tragenden Kleidungsstücks oder Zubehörs ist,- wenigstens eine elektrisch nicht leitende, für Feuchtigkeit undurchlässige Materialschicht, die auf dem textilen Material fest angebracht ist,- zur Erfassung der Signale dienende, elektrisch leitende Elektrodenoberflächen, die auf der elektrisch nicht leitenden Materialschicht fest angebracht und konfiguriert sind, um direkt auf der Haut getragen zu werden,- Leiter für die Übertragung von Signalen von den elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen, wobei diese Leiter durch Beschichten auf der elektrisch nicht leitenden Materialschicht fest angebracht sind,- wobei wenigstens eine nicht leitende Materialschicht durch Beschichten auf dem textilen Material und die leitenden Elektrodenoberflächen durch Beschichten auf der nicht leitenden Materialschicht fest so angebracht sind, dass die Maschen des textilen Materials offen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Erfassen und Messen von Signalen auf der Oberfläche der Haut. Zusätzlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoranordnung.
Es ist allgemein bekannt, dass mit Hilfe verschiedener Arten von Sensoren verschiedene Signale in elektrischer Form auf der Hautoberfläche gemessen werden können, wie z.B.:

- die elektrische Kurve des Herzschlags, d.h. das EKG-Signal,
- die elektrische Aktivität von Muskeln, d.h. das EMG-Signal,
- die elektrische Kurve der Gehirnfunktion, d.h. das EEG-Signal,
- die Leitfähigkeit der Hautoberfläche,
- die Atmungsrate,
- der Fettprozentsatz und
- das intrazelluläre und extrazelluläre Fluid-Gleichgewicht im Körper

Bei Sensoranordnungen, die zur Zeit verwendet werden, werden typischerweise zwei oder mehr Elektroden verwendet, zwischen denen ein elektrisches Signal, das die Potentialdifferenz beschreibt, gemessen wird, wobei dieses Signal für eine weitere Verarbeitung an eine elektronische Einrichtung übertragen wird. Die zuvor erwähnten Messelektroden sind entweder getrennte Elektroden, die entweder einzeln nacheinander an der Haut befestigt werden müssen, oder Elektrodengruppen, die mehrere Elektrodenoberflächen umfassen, oder verschiedene Konstruktionen, die an Kleidungsstücken, Gurten, Bändern oder dergleichen angeordnet sind, die von einer Person getragen werden sollen, wobei in diesem Fall mehrere einzelne, an ihnen befestigte Elektrodenoberflächen auf der Haut an definierten Stellen und in definierter Reihenfolge positioniert sind.
Bei klinischen Messungen werden Elektroden mit einem Haftmittel oder einem Saugnapf an der Haut befestigt und die Qualität des Signals wird mit Hilfe eines speziellen Gels oder dergleichen sichergestellt, das die Leitfähigkeit verbessert. Außerhalb des Klinikbereichs, beispielsweise bei einer körperlichen Übung hat sich jedoch gezeigt, dass diese Arten von Elektroden trotz ihrer Zuverlässigkeit praktisch nicht einsetzbar sind.
Elektrodenanordnungen, so genannte Puls-Monitore, die zur Überwachung einer körperlichen Übung gedacht sind, basieren auf der Erkennung des Herzschlages mit Hilfe eines am Brustkorb angeordneten Sensors. Der Sensor ist typischerweise ein festes, elastisches Band (ein Sensorband) oder ein elastischer, textiler Gurt (ein Sensorgurt) oder ein Bekleidungsstück mit jeweils integrierten, leitenden Elektroden-Anordnungen. Die meisten leitfähigen Elektrodenoberflächen bei Sensorbändern sind an einem Rahmenteil befestigt, mit dessen Hilfe die Elektroden dann an der Haut positioniert werden. Typischerweise ist der Rahmenteil nicht in der Lage, selbst an der Haut zu haften, sondern er benötigt einen getrennten Befestigungsteil, beispielsweise ein elastisches Band oder einen elastischen Gurt.
Die Elektroden in einem Sensorband bestehen üblicherweise aus elektrisch leitendem Kunststoff. Das Band wird am Brustkorb mit Hilfe eines elastischen Bandes bzw. Streifens befestigt, dessen fester Sitz einstellbar ist. Da die Kunststoffelektrodenoberfläche aus festem Material besteht, wird natürlicherweise ein nasser Raum zwischen der Haut und den Elektroden auftreten, der die Leitfähigkeit aufrechterhält. Insbesondere bei langen Übungen und dann, wenn die betreffende Person stark schwitzt, rutscht das Band jedoch von seinem Platz oder es fühlt sich unbequem an oder erzeugt Abscheuerungen. Zusätzlich können verschiedene Störungen leicht mit der Messung eines Signals verbunden sein, da das Band einen festen Aufbau besitzt und während der Bewegungen, die normalerweise bei einer Übung auftreten, nicht ausreichend elastisch ist.
Bei einem textilen Sensorband oder einem ähnlichen Bekleidungsstück wurden die Elektroden aus einem leitfähigen textilen Stoff oder aus leitenden Fasern hergestellt, die in einen isolierenden, textilen Stoff integriert sind. Zwar ist der textile Aufbau selbst dauerhaft, doch muss auf der Außenseite der textilen Elektrode eine gesonderte, die Feuchtigkeit haltende Schicht beispielsweise durch Aufnähen befestigt werden, wobei in diesem Fall ausreichende Leitfähigkeit zwischen einer Elektrode und der Haut erzeugt wird. Die auf diese Weise gewonnenen Elektrodenkonstruktionen werden an einem Gurt oder einem Bekleidungsstück beispielsweise durch Nähen befestigt. Der Gurt oder das Bekleidungsstück wird angelegt, wobei die in ihm vorhandenen Elektroden am Brustkorb an Stellen positioniert werden, an denen sie auch während einer körperlichen Betätigung unter dem Gesichtspunkt der Messung so gut wie möglich positioniert bleiben. Insbesondere bei Lösungen auf der Basis eines Bekleidungsstückes sind an Stellen , an denen sich die Elektroden befinden, dickere Bereiche im Stoff des Kleidungsstückes vorhanden, wobei diese zusätzliche Dicke auf dem Elektroden-Textilmaterial und den Schichten zum Halten der Feuchtigkeit und ihren Säumen beruht, wobei diese Teile auch das Gewebe versteifen und die Tragbarkeit des Kleidungsstückes beeinträchtigen sowie Störungen während der Messung verursachen. Darüber hinaus ist die vorteilhafteste Form der Textilelektroden-Oberflächen und der Befeuchtungsschichten üblicherweise quadratisch, da diese Form bei der Herstellung am bequemsten zuzuschneiden und anzunähen ist. Eine quadratische Form ist jedoch bezüglich der Messung des tatsächlichen Signals nicht immer die beste Form, da beispielsweise bei der Messung von Muskelaktivitäten freie und flexible Formen benötigt werden, die möglichst gut zur Körperanatomie passen.
Das Messen der Herzrate bzw. des Pulses während des Schwimmens oder einer anderen im Wasser erfolgenden Aktivität ist besonders kompliziert. Während des Schwimmens oder einer anderen Aktivität im Wasser kann Wasser zwischen das Sensorband und die Haut eindringen und in diesem Fall bewirken Verunreinigungen im Wasser (unter anderem Salz, Chlor usw.) einen Kurzschluss zwischen den Elektroden des Bandes oder anderer Einrichtungen, so dass in diesem Fall das Messsignal gestört wird. Darüber hinaus hat der Strömungswiderstand des Wassers die Tendenz, das Band am Brustkorb längs des Körpers nach unten zu bewegen, so dass in diesem Fall das Band unbequem zu tragen ist und eine Reibung verursacht, die das Schwimmen verlangsamt.
Auf dem Markt befindliche Bekleidungsstücke mit in ihnen integrierten Elektroden wurden üblicherweise dadurch hergestellt, dass man bereits in der Herstellungsphase des Stoffes oder des Bekleidungsstückes leitende Fasern oder Flächenbereiche hinzugefügt hat, die aus einem leitfähigen Material bestanden. Leitfähige Fasern konnten zwischen die eigentlichen Fasern des fertigen Gewebes oder Stoffes eingenäht werden oder sie konnten in der Herstellungsphase direkt in die Struktur des betreffenden Materials eingewoben oder eingewirkt werden. Mit anderen Worten, das leitfähige Material war entweder ein faserartiges, leitfähiges Material oder das Material bestand aus Fasern, deren Oberfläche leitfähig gemacht worden waren. Diese Fasern wurden dann in ein Bekleidungsstück integriert. Leitfähiges Material benötigt jedoch eine Tragstruktur, damit es an einem Bekleidungsstück befestigt werden kann. Diese leitfähigen Fasern mussten ebenfalls in faserartiger Form ausgebildet sein, da leitendes, faserartiges Rohmaterial nicht existiert. Elektrodenbereiche an Bekleidungsstücken wurden ebenfalls dadurch hergestellt, dass normaler Stoff aus einem bereits fertigen Bekleidungsstück ausgeschnitten und ein passendes Stoffelement, das aus einem leitfähigen Material oder einem anderen Material bestand, in den auf diese Weise erzeugten Flächenbereich eingepasst wurde. Die Realisierung aller eben erwähnten Bekleidungsstücke erfordert ein spezielles Design und/oder zusätzliche Bearbeitungsschritte, wodurch die Herstellungskosten erhöht und auch die ursprünglichen Verwendbarkeitsmerkmale des Bekleidungsstückes teilweise verändert werden.
Aus der Druckschrift JP 2002-35 141 A ist eine Sensoranordnung bekannt, die durch das Beschichten des Materials eines Kleidungsstücks mit drei Schichten aufgebaut ist, wobei die mittlere aus wasserunlöslichem und somit auch für feuchtigkeitsundurchlässigem Chitosan besteht, und eine darüber liegende äußere Schicht für elektrischen Strom leitend ist und somit alle leitenden Komponenten der Sensoranordnung, d.h. nicht nur Elektrodenflächen sondern auch deren Zuleitungen umfasst. Die Schichten der Sensoranordnung werden durch Auflaminieren auf der hinteren, d.h. im Gebrauch näher beim Körper des Trägers befindlichen Oberfläche des Kleidungsstücks befestigt. Hierdurch werden im Gewebe des Kleidungsstücks allenfalls vorhandene Maschen verschlossen.
Bei der aus der WO02/071935 A1 bekannten Sensoranordnung werden die Elektroden von leitfähigen Fasern gebildet, wie in das textile Material eingenäht oder eingewilligt sind. Auch die dort vorhandene, elektrisch nicht leitende Materialschicht ist in das textile gewebeeingewebt und nicht aufgeschichtet. Bei den Leitern zur Übertragung der Signale handelt es sich um elektrisch leitfähige Körper die sich quer durch das textile Material hindurch erstrecken, auf diesem also nicht durch Beschichtung ausgebildet sind. Es handelt sich dabei also um Bekleidungsstücke, deren Nachteile im vorausgehenden Absatz beschrieben wurden.
Das Dokument EP 1 090 583 A1 beschreibt einen Elektrodengürtel mit einer welligen Tragstruktur für einen elektrischen Leiter, der sich auf ihrer Innenseite, d.h. bei Verwendung näher am Körper des Trägers liegenden Seite befindet und ihrer Form folgt. Die Tragstruktur besteht vorzugsweise aus Kunststoff doch kann sie auch aus Gummi oder einem ähnlichen leicht zu formenden Material bestehen. Ein Maschen aufweisendes Gewebe ist hier nicht vorgesehen.
Aus der US 2003/0 163 035 A1 ist eine zusammendrückbare aus leitenden Silikon bestehende Elektrodeneinheit bekannt, die für einen guten Kontakt mit der Haut des menschlichen Körpers vorgesehen ist. Sie umfasst eine Umhüllung, in deren Innerem sich aus einem elektrisch leitenden Material bestehendes, leitfähiges Element befindet, das von einer halb-fluiden leitfähigen Schicht umgeben ist. Die Umhüllung selbst ist aus einem gewebten Material hergestellt, das eine Vielzahl von Poren umfasst und eine Außenfläche aufweist, die aus einem durch die Verwendung von Silberfäden leitfähig gemachten Garn besteht. Von einer wie auch immer gearteten Beschichtung ist nicht die Rede.
Ziel der Erfindung ist es, eine Sensoranordnung zum Messen von Signalen auf der Hautoberfläche und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoranordnung zu schaffen, bei deren Verwendung die mit dem zur Zeit üblichen Verfahren verbundenen Nachteile beseitigt werden. Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung, eine Sensoranordnung zu schaffen, die die Form- und Elastizitäts-Anforderungen erfüllt, die vom Gesichtspunkt der Signalmessung her gesehen wichtig sind, wobei bei der Verwendung die Messelektroden an ihrem Platz und in zuverlässigem Kontakt auch bei einer Langzeitmessung, starker Transpiration und verschiedenen Bewegungen bleiben. Zusätzlich ermöglicht diese Sensoranordnung auch zuverlässige und einfach durchzuführende Messungen an Trägern, die sich voneinander hinsichtlich ihrer Anatomie unterscheiden. Darüber hinaus ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei dessen Anwendung eine Sensoranordnung einfach, vorteilhaft und zuverlässig hergestellt werden kann.
Das Ziel der Erfindung wird durch eine Sensorkonstruktion und ein Herstellungsverfahren erreicht, deren Merkmale in den Ansprüchen 1 und 11 niedergelegt sind.
Gemäß der Erfindung werden die Elektrodenoberflächen, die für die Messung eines Signals erforderlich sind, und/oder die Leiter, die für die Übertragung eines Signals benötigt werden, durch Beschichtung des textilen Materials befestigt, das direkt auf der Haut in einem Bekleidungsstück oder an Zubehör verwendet wird, wobei die Beschichtung so erfolgt, dass die Maschen des textilen Materials offen sind bzw. offen bleiben.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass das für Feuchtigkeit undurchlässige Material die Fasern des textilen Materials selbst mit einer Schicht gewünschter Dicke bedeckt, wobei die Schlingen zwischen den Maschen offen bleiben. Wird eine leitfähige Beschichtung auf ein solches Material so aufgedampft, dass es die zuvor erwähnte feuchtigkeitsundurchlässige Schicht bedeckt, wird eine erwünschte Elektrodenoberfläche erzeugt. In diesem Fall wird die leitfähige Schicht de facto auf der feuchtigkeitsundurchlässigen Schicht angeordnet, sodass sich die für die Feuchtigkeit undurchlässige Substanz innerhalb der leitfähigen Schicht befindet. Wird ein auf diese Weise behandeltes textiles Material auf der Haut positioniert, umgibt die auf ihrer Oberfläche vorhandene Feuchtigkeit jede einzelne Faser, sodass sich die Feuchtigkeits-Ionen zwischen der Haut und der leitfähigen Oberfläche durch das gesamte Volumen des Gewebes hindurch bewegen können. Somit wird der Kontaktbereich zwischen der Haut und der leitfähigen Oberfläche beträchtlich größer als in dem Fall, in dem die leitfähige Oberfläche eine ebene, geschlossene an der Haut anliegende Schicht ist. Das leitfähige und das für Feuchtigkeit undurchlässige Material liegen nicht flach aufeinander, sondern sind mehrdimensional angeordnet und bilden einen Aufbau, der sowohl leitfähig als auch für Feuchtigkeit undurchlässig ist.
Die leitfähigen Oberflächen werden direkt an dem Material ohne irgendwelche indirekten Tragkonstruktionen befestigt. Beispielsweise stellen Stoffe oder andere hautenge Bekleidungsstücke diese Art von Materialien dar. Bei Stoffen wird das leitfähige Material direkt auf den eigentlichen Fasern des Stoffes ohne irgendwelche Trag- oder Stütz-Konstruktionen befestigt. Die Elektrodenoberflächen können selbst an einem fertigen Bekleidungsstück hergestellt werden, ohne dass irgendeine Notwendigkeit besteht, das Kleidungsstück selbst aufzutrennen oder speziell vorzubereiten. Wenn es hinsichtlich der Herstellung vorteilhafter ist, die Elektrodenoberflächen bei einem Herstellungsschritt des Bekleidungsstückes herzustellen, können die Elektrodenoberflächen direkt an normalen Teilen befestigt werden, die gemäß dem üblichen Muster des Bekleidungsstückes zugeschnitten sind. Daher besteht keine Notwendigkeit, das Bekleidungsstück, Schnittmuster des Bekleidungsstückes oder den Aufbau des Bekleidungsstückes für die Befestigung von Elektroden zu ändern. Die Elektrodenoberflächen sind ein Teil der Oberfläche des Materials, wobei sie die Anforderungen hinsichtlich der Form und der Elastizität gut erfüllen. Zusätzlich bleiben sie in zuverlässiger und exakter Weise an ihrem Ort. Darüber hinaus ist die Dicke einer Elektrodenoberfläche, die auf diese Weise ausgebildet worden ist, außerordentlich gering, so dass diese Oberfläche die normale Verwendung des Materials, beispielsweise eines Bekleidungsstückes nicht behindert. Darüber hinaus bleibt die Elektrodenoberfläche in zuverlässiger Weise am Material befestigt, da die Verbindung im molekularen Oberflächenbereich erfolgt und die gesamte Fläche bedeckt. Demgegenüber können sich getrennte Elektrodenoberflächen, die gemäß dem Stand der Technik durch Aufnähen befestigt worden sind, ablösen, wenn eine Naht aufgeht oder beginnt, sich aufzutrennen.
Der Gurt, der am Brustkorb zur Messung der Herzrate bzw. des Pulses benötigt wird, kann so befestigt werden, dass die Elektrodenoberflächen an einem bereits elastischen Band befestigt werden, das beispielsweise bei einem Stoffhändler gekauft wurde. In diesem Fall bilden sowohl der Messteil als auch der elastische Teil des Bandes den gleichen festen Gegenstand, der so flexibel und zuverlässig wie möglich am Brustkorb angeordnet wird. Zum Befestigen des Bandes ist eine vorteilhafte mechanische Verbindung oder beispielsweise ein so genanntes Klettverschlussband ausreichend. Der erforderliche elektronische Teil wird an den Elektroden mit möglichst einfachen Befestigungsmitteln, beispielsweise mit Hilfe von Druckknöpfen befestigt. Auf diese Weise lassen sich hinsichtlich des Designs sowie der Form- und Herstellungskosten von mechanischen Teilen im Vergleich zu den zurzeit üblichen Sensorgurten Einsparungen erzielen. Darüber hinaus ist vom Standpunkt des Verwenders her gesehen der Austausch des Bandteiles in verschiedenen Situationen vorteilhaft, beispielsweise dann, wenn das Band schmutzig oder nass oder abgetragen ist.
Die Integration der Pulsmessung beispielsweise in Sporthosen kann dadurch erzielt werden, dass man die leitfähigen Elektrodenoberflächen am Hosenbund ausbildet, wodurch der Kontakt der Elektroden mit der Haut auf natürliche Weise eng genug erzielt wird. Zusätzlich können sich die Elektroden nicht von ihrem Platz wegbewegen, wodurch die Möglichkeit von Messstörungen minimiert wird.
Die beschriebene Sensoranordnung umfasst typischerweise beliebige übliche tragbare Bekleidungsstücke oder Zubehör oder andere Materialien, die an der Haut positioniert werden können sowie eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Elemente:

- elektrisch leitendes Material, das an der Oberfläche der zuvor erwähnten Bekleidungsstücke, Zubehör, Gegenstände oder Materialien befestigt oder hinzugefügt worden ist,
- elektrische Leiter, die an dem im vorausgehenden Absatz erwähnten leitfähigen Material befestigt worden sind und durch die das Signal vom Messpunkt übertragen wird, und
- eine Verbindung, vermittels derer der Leiter entsprechend dem vorausgehenden Absatz mit den elektronischen Schaltungen verbunden ist, die die Signalverarbeitung durchführen.

Bei einem solchen Bekleidungsstück kann es sich beispielsweise um ein eng sitzendes Hemd oder eng sitzende Hosen handeln. Ein tragbares, elastisches oder steifes Objekt oder Zubehörteil kann beispielsweise ein am Brustkorb oder dem Becken befestigter Gurt, ein Ärmel bzw. eine Manschette, ein Fußteil oder ein Band usw. sein, das an einer Extremität um die Muskeln der Extremität herum befestigt wird. Ein Gegenstand, der an der Haut positioniert werden soll, kann beispielsweise eine Armbanduhr, ein Sensorband oder, beispielsweise ein tragbares Telefon sein, das die Mess- und Verarbeitungsfunktionen eines EKG-Signals umfasst. Material, das an der Haut befestigt werden kann, kann z.B. ein Material sein, das mit Hilfe von Reibung, eines Haftmittels, eines Saugnapfes, von Haft- oder mechanischen Elementen in Mikrogröße usw. befestigt wird, so dass es ohne ein spezielles Befestigungsmedium an der Haut gehalten wird.
Bei einer solchen Sensoranordnung sind die Elektrodenoberflächen entsprechend der Anatomie des Körpers und/oder in funktionaler Weise hinsichtlich der Messungen geformt. Somit werden sie immer bezüglich des Körpers und auf der Haut so angeordnet, dass sie hinsichtlich der Messungen so gut wie möglich auch während einer körperlichen Übung bzw. Betätigung an ihrem Platz bleiben. Da die leitfähigen Elektrodenoberflächen und möglicherweise vorhandene Befeuchtungsschichten dünn und elastisch sind, versteifen sie das Gewebe nicht und behindern somit die Verwendbarkeit eines Bekleidungsstückes nicht. Zusätzlich ist die Form der Elektrodenoberflächen in Bezug auf die Signalmessung selbst die bestmögliche. Beispielsweise werden die Elektrodenoberflächen, die für eine Messung der Muskelaktivität verwendet werden, exakt auf den zu messenden Muskeln und Muskelgruppen anatomisch richtig positioniert, so dass sie ein möglichst reines und ungestörtes Signal liefern und auch die Belastung des Muskels in unmittelbar vergleichbarer Weise liefern.
Da viele Materialien, insbesondere Textilien sehr elastisch sind, müssen die leitfähigen Oberflächen, die auf ihnen befestigt werden sollen, so aufgebaut werden, dass sich ihre Form zumindest ebenso stark streckt, wie das Basismaterial selbst, so dass keine Brüche oder Risse auf dem Leiter während der Verwendung entstehen. Eine geeignete Form ist eine wellenartige Linie, wobei sich diese Wellenform streckt, wenn sie gedehnt wird, ohne dass jedoch eine örtliche Dehnung auftritt, welche die Leitfähigkeit unterbrechen könnte. Eine Alternative ist eine netzwerkartige Struktur, die sich aufgrund der Schleifen des Netzwerkes sowohl in der Ebene als auch dreidimensional streckt.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen und/oder Leitbahnen, die für die Übertragung des Signals erforderlich sind, das für eine Messung erforderlich ist, zum textilen Material eines Bekleidungsstückes oder eines Zubehörs durch Beschichtung so hinzugefügt, dass die Maschen des textilen Materials offen bleiben. Dabei wird dieses Material unmittelbar auf der Haut verwendet. Bei dem Verfahren wird eine Sensoranordnung an einem Bekleidungsstück, einem Zubehörteil, einem Gegenstand oder einem Material vorgesehen, der bzw. das natürlicherweise auf der Haut positioniert wird. Mit Hilfe des Verfahrens kann eine Sensoranordnung in wirksamer, einfacher und vorteilhafter Weise insbesondere bei großen Produktionsmengen hergestellt werden.
Vorzugsweise wird die Elektrodenoberfläche durch Aufdampfen einer leitfähigen Schicht aus einer für diesen Zweck geeigneten Substanz auf ein bereits fertig gestelltes Kleidungsstück oder auf die gewünschten Stellen eines nach einem Schnittmuster zugeschnittenen Stoffstücks zur Herstellung eines solchen Kleidungsstückes erzeugt. Bei vorteilhaften Anwendungsfällen werden als leitfähiges Material unter anderem Silber/Silberchlorid (Ag/AgCI) oder Silizium verwendet, von dem eine Diamantoberfläche erzeugt wird, oder es wird ein anderes geeignetes leitfähiges Material zur Befestigung verwendet. Die Herstellung einer leitfähigen Oberfläche wird in einer Bedampfungskammer durchgeführt, in der ein Bekleidungsstück oder ein Stoffstück in geeigneter Weise zusammen mit einer Maske angeordnet ist, die eine Perforation entsprechend der Formen der gewünschten Elektrodenoberflächen besitzt. Die anderen Merkmale der leitfähigen Schicht werden durch die Regulierungsbedingungen und die Dosis in der Bedampfungskammer definiert. Die Vorteile dieser Art eines Herstellungsverfahrens sind unter anderem die freie Formbarkeit der Elektrodenoberflächen und die vorteilhafte Herstellung insbesondere bei großen Produktionsmengen. Darüber hinaus ändern sich die Verwendungsmerkmale des Bekleidungsstückes nicht, da eine Notwendigkeit weder für zusätzliche Materialien welche die Dicke und die Dehnungseigenschaften in unterschiedlicher Weise beeinflussen können, noch für irgendwelche Befestigungsnähte derartiger Materialien besteht. In dem Fall, dass ein Bekleidungsstück eine Schicht zum Zurückhalten von Feuchtigkeit der Haut benötigt, um die Leitfähigkeit zu verbessern, kann eine solche Schicht auf der äußeren Oberfläche des Stoffes an der Stelle der Elektroden in bekannter Weise hergestellt werden, beispielsweise indem ein dünner Film durch ein Druckverfahren befestigt wird.
Weiterhin können durch die Verwendung eines Bedampfungsverfahrens Elektrodenoberflächen hergestellt werden, die auf eine Schicht aufgedampft sind, die am Textilgewebe befestigt ist und die die Feuchtigkeit und Leitfähigkeit verbessert. In Abhängigkeit von den Materialien und ihren Merkmalen kann auch eine Bedampfung zuerst auf das Material erfolgen, das danach an einem Bekleidungsstück befestigt wird. Als diese Art von Material können Polymere verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Art zur Herstellung einer Elektrodenoberfläche besteht darin, ein elektrisch leitendes Kunststoff-, Silikon-, Gummi- oder Polymermaterial an einem textilen Stoff unter Verwendung eines Laminier-, Druck-, Niederdruck-Spritzguss- oder anderen Verfahrens zu befestigen, das auf der Verwendung von flüssigem oder schmelzendem Material beruht und die Maschen des textilen Materials offen lässt. Die Elektrodenoberfläche kann mit Hilfe des Verfahrens immer in der gewünschten Form und Elastizität hergestellt werden. Ein spezieller Vorteil dieses Verfahrens ist die Tatsache, dass gleichzeitig in der Elektrode eine Oberfläche entsteht, die elektrisch leitend ist, ausreichend Feuchtigkeit bildet und die Leitfähigkeit aufrechterhält. Ein Beispiel hierfür ist ein Bekleidungsstück, an dem Elektroden in einer Spritzgussmaschine angeformt werden, wobei das Bekleidungsstück frei so positioniert werden kann, dass sich nur die Stellen innerhalb der Form befinden, die für Elektroden benötigt werden. Durch Wahl der Merkmale des zu verwendenden leitfähigen Materials und durch das Einstellen der Vorgabewerte der Spritzgussmaschine wird bewirkt, dass die zu formenden Elektroden fest und permanent am textilen Material des Bekleidungsstückes haften, so dass dieses Material aber nicht notwendigerweise das Gewebe des Bekleidungsstückes durchdringen muss. Das Abkühlen der zum Gießen verwendeten Form wird so durchgeführt, dass das während der Gießzeit in der Form angeordnete textile Gewebe nicht beschädigt wird, obwohl es erforderlich sein kann, zum Gießen einer Elektrode örtlich und zeitweilig höhere Temperaturen zu verwenden, als dies der Belastbarkeit des textilen Materials entspricht.
Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren ist die so genannte weiche Lithographie, bei der eine steife Maske, die bei der herkömmlichen Fotolithographie verwendet wird, durch ein weiches und flexibles Element ersetzt wird, das aus einem Elastomer hergestellt ist. Diese Art von Maske macht es möglich, das Lithographieverfahren auch auf der Oberfläche eines gekrümmten oder dreidimensionalen Gegenstandes beispielsweise auf dem Beinteil eines Bekleidungsstückes auszuführen, das auf einer zylindrischen Form positioniert worden ist. Beispielsweise kann eine Maske, ein Stempel oder eine Form aus einem Elastomer hergestellt werden, mit deren bzw. dessen Hilfe eine leitfähige Oberfläche durch Fotolithographie auf einem textilen Material erzeugt wird. Die Feinstruktur der erzeugten Elektrode kann beispielsweise ein Matrix-Netzwerk sein, das die gleichen Flexibilitäts- und sonstigen Eigenschaften wie das textile Material besitzt, auf dem das Netzwerk erzeugt worden ist. Die weiche Lithographie kann an vielen verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen chemischen Vorgängen an den Oberflächen verwendet werden. Das Anwenden dieses Verfahrens erfordert beispielsweise keine Reinraumumgebung und ist somit in dieser Hinsicht vorteilhaft.
Bei einem anderen Herstellungsverfahren einer Elektrode basierend auf der Anwendung der weichen Lithographie wird ein Polymerfilm auf dem textilen Material zunächst mit Hilfe eines bekannten Verfahrens befestigt und dann werden auf diesem Polymer Netzwerk- oder Rillenformen usw., die den leitfähigen Flächen entsprechen, mit Hilfe einer Maske exponiert, wobei auf diesen Formen dann eine leitfähige Schicht erzeugt wird. Auch in diesem Fall kann in Abhängigkeit von den Materialien und ihren Eigenschaften die Erzeugung zunächst auf dem Material durchgeführt werden, das dann auf einem Bekleidungsstück befestigt wird. Bei den durch dieses Verfahren erzeugten Elektroden wirkt der Polymerfilm als Schicht, welche die Feuchtigkeit und Leitfähigkeit zwischen der Haut und der Elektrode verbessert.
Das Signal von den Elektroden, die durch die Anwendung eines der eben beschriebenen Verfahren erzeugt werden, wird der weiteren Ausrüstung mit Hilfe von bekannten Leitern zugeleitet. Ein Leiter wird an eine Elektrodenoberfläche entweder im Nachhinein durch Anwenden eines bekannten Verbindungsverfahrens befestigt oder die Leiter können in das textile Material integriert werden, bevor die Elektrodenoberfläche erzeugt wird, wobei in diesem Fall die Verbindung zwischen ihnen bereits beim Herstellungsvorgang der Elektrodenoberfläche selbst erzeugt wird.
Bei einer vorteilhaften Anwendungsform werden die Leiter durch das gleiche Herstellungsverfahren wie die Elektroden erzeugt, wobei in diesem Fall die für die Leiter erforderlichen Bereiche als Teil von Masken, Formen oder anderen Konstruktionen entworfen worden sind, die bei der Herstellung verwendet und für die Verfahren benötigt werden. Bei dieser Verfahrensart werden die Flächenbereiche der Leiter im textilen Material nachträglich mit Isolationsmaterial beschichtet, so dass die erforderliche Isolation zwischen den Leitbahnen und der Haut vorhanden ist, um das Signal von den Elektroden möglichst ungestört zu erhalten.
Der Aufbau einer leitfähigen Oberfläche, die gemäß der Erfindung hergestellt worden ist, kann so erzeugt werden, dass sie aus sich selbst heraus das Austreten von Feuchtigkeit verhindert oder begrenzt. Beispielsweise ist eine Oberfläche, die durch Formen eines elektrisch leitenden Kunststoffes hergestellt worden ist, für Feuchtigkeit völlig undurchlässig. Das Hindurchtreten von Feuchtigkeit durch eine leitfähige Oberfläche, die durch Bedampfung erzeugt worden ist, hängt von der Größe der Maschen des Gewebes des textilen Materials und der Dicke der Beschichtung ab. Das Hindurchtreten durch die leitfähige Oberfläche kann für den jeweiligen Zweck in geeigneter Weise beispielsweise durch die Wahl der Maschengröße oder dadurch eingestellt werden, dass die Dicke oder Viskosität des Materials geregelt wird, das die leitfähige Oberfläche bildet, wobei in diesem Fall im Elektrodenbereich entweder Löcher mit gewünschter Größe erzeugt werden oder der Oberflächenbereich völlig dicht ist.
Eine Schicht, die im wesentlichen für Feuchtigkeit undurchlässig ist, kann auch dadurch erzeugt werden, dass ein für Feuchtigkeit undurchlässiges Material die Fasern des textilen Materials selbst sorgfältig mit einer Schicht mit gewünschter Dicke bedeckt, wobei die Schlingen zwischen den Maschen offen bleiben. Wenn eine leitfähige Beschichtung auf ein solches Material so aufgedampft wird, dass es die zuvor erwähnte feuchtigkeitsundurchlässige Schicht bedeckt, wird eine erwünschte Elektrodenoberfläche erzeugt. In diesem Fall wird die leitfähige Schicht de facto auf der feuchtigkeitsundurchlässigen Schicht angeordnet, oder in anderen Worten, die für die Feuchtigkeit undurchlässige Substanz wird innerhalb der leitfähigen Schicht angeordnet. Wenn ein auf diese Weise behandeltes textiles Material auf der Haut positioniert wird, wird die auf ihrer Oberfläche vorhandene Feuchtigkeit jede einzelne Faser umgeben, wobei sich in diesem Fall die Feuchtigkeits-Ionen zwischen der Haut und der leitfähigen Oberfläche durch das gesamte Volumen des Gewebes hindurch bewegen können. Der Oberflächenbereich der Haut und die leitfähige Oberfläche werden beträchtlich größer als in dem Fall, in dem die Oberfläche ein ebener, an der Haut anliegender Bereich ist. Somit werden das leitfähige und das für Feuchtigkeit undurchlässige Material nicht eben aufeinander, sondern miteinander und mehrdimensional angeordnet und sie bilden einen Aufbau, der sowohl leitfähig als auch im Wesentlichen für Feuchtigkeit undurchlässig ist.
Bei einer vorteilhaften Anwendungsform werden die zum Messen des Pulses erforderlichen Elektroden auf einem Badebekleidungsstück oder einem ähnlichen Bekleidungsstück angebracht, das im Wasser getragen wird. Bei Badehosen ist der Ort im Bauchbereich der Hose. Bei anderen Badeanzügen können die Elektroden auch so angeordnet werden, dass sie sich in der Nähe des Brustkorbs befindet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Umgebungsbereiche von Elektroden und das Bekleidungsmaterial auf den Elektroden verdichtet und mit einem Material oder einem Film imprägniert werden kann, das bzw. der für Wasser undurchlässig ist, was auf der einen Seite ein Eintreten von Wasser zwischen die Elektroden und die Haut verhindert und andererseits die Elektroden voneinander isoliert. Gemäß dem Verfahren der Erfindung können Messbekleidungstücke, die im Wasser verwendet werden, dadurch erzeugt werden, dass isolierendes Material um die Elektroden herum so hinzugefügt wird, dass die Merkmale der Dichtigkeit und einer guten Isolation erreicht werden. Beispielsweise kann ein Bereich, der etwas größer ist als die gewünschte Elektrode, zunächst aus nicht leitfähigem Silikon an einem Bekleidungsstück ausgeformt werden, worauf auf diesem Bereich die Elektrodenoberfläche selbst aus leitfähigem Silikon geformt wird. Die Größe, Form und Dichtigkeit von Randbereichen von Elektroden können dadurch verbessert werden, dass neu, geeignet aufgebaute Schichten aus isolierendem Silikon auf die zuvor erwähnten Schichten aufgeformt werden. In diesem Fall wird eine für Feuchtigkeit undurchlässige Silikonschicht um die Elektroden herum und zwischen einer Elektrode und dem Bekleidungsstück Gewebe erzeugt, wobei diese Schicht den Zutritt von Feuchtigkeit von außen zur leitfähigen Oberfläche der Elektrode verhindert, die an der Haut angeordnet ist. Zusätzlich kann die Übertragung von Signalen von den Elektroden zur Messelektronik in ähnlich dichter und isolierter Weise durchgeführt werden. Da ein derartiger Aufbau Teil eines Bekleidungsstückes ist, passt er sich anatomisch korrekt an den Körper an, wobei in diesem Fall die Zusätze zum Badebekleidungsstück, die durch die Elektroden verursacht werden, die kinetische Reibung zwischen dem Körper und dem Wasser nicht erhöhen.
In einem vorteilhaften, weiteren Anwendungsfall besteht eine Substanz oder bestehen Schichten, die zu der an der Haut getragenen Oberfläche hinzugefügt werden, aus einem absorptiven Material, an dem ein Gel, das die Leitfähigkeit verbessert, eine Lotion, die die Haut befeuchtet, eine Creme, die die Elastizität der Haut verbessert oder eine andere Chemikalie durch Absorption gebunden sein kann, die zur Konditionierung der Haut dient. Mit Hilfe der absorbierten Substanz können die Leitfähigkeit zwischen der Haut und der Elektrodenoberfläche und die Dauerhaftigkeit der Leitfähigkeit beispielsweise verbessert werden, wenn die Messsituation nicht zu einer höheren Transpiration als üblich führt oder wenn der Hauttyp der Person, an der die Messung vorgenommen werden soll, von Natur aus trocken, fest oder auch auf andere Weise hinsichtlich der Messung unvorteilhaft ist.
Die Erfindung ist nicht auf die erläuterten vorteilhaften Anwendungsfälle eingeschränkt, sondern kann innerhalb des Rahmens der in den Ansprüchen 1 und 11 niedergelegten Erfindungsidee variiert werden.

Claims

Sensoranordnung zum Messen von Signalen auf der Oberfläche der Haut die Folgendes umfasst: - ein textiles Material mit Maschen, das Teil eines im Wasser zu tragenden Kleidungsstücks oder Zubehörs ist, - wenigstens eine elektrisch nicht leitende, für Feuchtigkeit undurchlässige Materialschicht, die auf dem textilen Material fest angebracht ist, - zur Erfassung der Signale dienende, elektrisch leitende Elektrodenoberflächen, die auf der elektrisch nicht leitenden Materialschicht fest angebracht und konfiguriert sind, um direkt auf der Haut getragen zu werden, - Leiter für die Übertragung von Signalen von den elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen, wobei diese Leiter durch Beschichten auf der elektrisch nicht leitenden Materialschicht fest angebracht sind, - wobei wenigstens eine nicht leitende Materialschicht durch Beschichten auf dem textilen Material und die leitenden Elektrodenoberflächen durch Beschichten auf der nicht leitenden Materialschicht fest so angebracht sind, dass die Maschen des textilen Materials offen sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter mit einem elektrisch nicht leitenden Material überzogen sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen und/oder die Leiter aus elektrisch leitendem Kunststoff, elektrisch leitendem Gummi oder einem elektrisch leitenden Polymer bestehen.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen flexibel sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrisch nicht leitende Materialschicht eine Fläche aufweist, die größer ist als die elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrisch nicht leitende Materialschicht den Umfang der elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen umgibt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Leiter mit einer elektrisch leitenden Elektrodenoberfläche in elektrisch leitender Verbindung steht.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der elektrisch nicht leitenden Materialschichten und/oder der elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen und/oder der Leiter eine aufgedampfte Beschichtung ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Material ein gewebtes textiles Material ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht leitende Materialschicht und die leitenden Elektrodenoberflächen Beschichtungen des textilen Materials sind.
Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zum Messen von Signalen auf der Oberfläche der Haut nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das folgende Schritte umfasst: - durch Beschichten erfolgendes Anbringen wenigstens einer elektrisch nicht leitenden, für Feuchtigkeit undurchlässigen Materialschicht auf einem textilen Material eines Kleidungsstücks oder Zubehörs, wobei dieses textile Material Maschen aufweist, - durch Beschichten erfolgendes Anbringen von elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen auf der elektrisch nicht leitenden Materialschicht derart, dass sie konfiguriert sind, um direkt auf der Haut getragen zu werden, - durch Beschichten erfolgendes Anbringen von Leitern für die Übertragung von Signalen von den elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen auf der elektrisch nicht leitenden Materialschicht, - wobei die wenigstens eine, elektrisch nicht leitende Materialschicht, die durch Beschichten auf dem textilen Material fest angebracht wird und die leitenden Elektrodenoberflächen durch Beschichten auf der nicht leitenden Materialschicht fest so angebracht werden, dass die Maschen des textilen Materials offen bleiben.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin das Beschichten der Leiter mit einem elektrisch nicht leitenden Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die leitenden Elektrodenoberflächen und/oder die Leiter aus elektrisch leitendem Kunststoff, elektrisch leitendem Gummi oder einem elektrisch leitenden Polymer hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die wenigstens eine elektrisch nicht leitende Materialschicht mit einer Fläche ausgebildet wird, die größer ist als die leitende Elektrodenoberflächen, die an ihr fest angebracht werden, und bei dem die leitenden Elektrodenoberflächen an der elektrisch nicht leitenden Materialschicht so fest angebracht werden, dass die elektrisch nicht leitende Materialschicht den Umfang der leitenden Elektrodenoberflächen umgibt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Beschichten der elektrisch nicht leitenden Materialschicht und/oder der elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen und/oder der Leiter durch Bedampfen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen und/oder die Leiter an der elektrisch nicht leitenden Materialschicht vor dem Anbringen der elektrisch nicht leitenden Materialschicht an dem textilen Material fest angebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die elektrisch leitenden Elektrodenoberflächen aus Silber/Silberchlorid oder Silikon hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das textile Material ein gewebtes textiles Material ist und die nicht leitende Materialschicht und die leitenden Elektrodenoberflächen Beschichtungen des textilen Materials sind.