DE1909882A1

DE1909882A1 - Einrichtung zur Messung von Koerperfunktionen bei Mensch und Tier durch Messung von optischen Reflexionseigenschaften des wechselnd durchbluteten Gewebes und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1909882A1
Application number: DE19691909882
Authority: DE
Inventors: Harald Beck; Arnold Dr Karl M
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1969-02-27
Filing date: 1969-02-27
Publication date: 1970-09-17
Also published as: DE1909882B2

Description

Einrichtung zur Messung von Körperfunktionen bei Mensch und Tier durch Messung von optischen Reflexionseigenschaften des wechselnd durchbluteten Gewebes und Verfahren zu ihrer Herstellung =============================================== In der messenden Physiologie werden Körperfunktionen mancherlei Art gemessen, z.B. Herzfrequenz, Pulsform, Organdurchblutung usw. Hierfür ist eine Vielzahl von Meßwertaufnehmern (Sensoren) gebräuchlich, die in ihrer Anwendung gewisse Mängel aufweisen, Es kommt immer wieder zu Fehlmessungen (Artefacte) die insbesondere in Überwachungsstationen, wo kritisch kranke Patienten mit Hilfe solcher Sensoren, z.B. bezüglich ihrer Herztätigkeit überwacht werden, falschen Alarm mit allen seinen unerfreulichen Konsequenzen auslösen. Ein Teil der Artefacte kommt von Verlagerung der Sensoren rel. zur Meßstelle, da der rel. volumminöse Fühler sich nur schwer am Körper befestigen läßt, insbesondere bei Dauerüberwachung unruhiger Patienten.
Besonders kritisch bezüglich Einhaltung der korrekten Lage sind Sensoren, die auf fotoelektrischer Grundlage beruhen.
Bei ihnen ist ein kleines Gluhlämpchen vorhanden, dessen Licht von der Haut bzw. dem darunter liegenden Gewebe und den Blutgefäßen reflektiert und von einem fotoelektrischen Empfänger aufgenommen wird. Je nach Durchblutung wird ein mehr oder weniger großer Anteil reflektiert und man kann aus dem Ausschlag eines mit dem Fotoelement verbundenen Galvanometers x,B. die Ankunft der Pulswelle feststellen und solcherart eine Pulszählung durchführen. Wenn der Empfänger nun etwas verrutscht und das Blutgefäß nicht mehr bedeckt, wird hine Anzeige erfolgen. Dieses Verrutschen kann beispielsweise durch Bewegungen des Patienten erfolgen. Auch Einfall von Fremdlicht kann Fehlanzeige oder das völlige Aussetzen der Anzeige eintreten. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Sensoren ist ihre schon erwähnte Voluminosität Sie verhindert beispielsweise eine Messung des sog. Septumpulses in der Nasenscheidewand. Dieser ist aber für die Beurteilung der Blutversorgung des Gehirns von besonderer Bedeutung.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, unter Benutzung neuzeitlicher elektronischer Miniaturisierungstechnik einen besonders kleinen fotoelektrischen Fühler zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß einzelne miniaturisierte Festkörperbauelemente für Lichterzeugung und Lichtempfang nebeneinander auf einen Träger angeordnet init Anschlüssen versehen und samt Anschlußleitung in sehr flacher Konfiguration in Kunstharz vergossen sind. Als Träger für die Festkörperleuchtelemente (GaAb-Dioden) und die Festkörperstrahlungsmesser (Si-Diode) dient dabei entweder ein Glasplättchen auf dem die Festkörperbauelemente montiert sind, oder ein den Festkörperbauelementen gemeinsames Substrat, auf dem die Festkörperbauelemente in bekannter integrierter Technik aufgebracht sind.
Insbesondere die letzte, sog. integrierte Technik ist im Stande, Sensoren sehr kleiner Abmessungen entstehen zu lassen. Solche sind bei physiologischen Messungen an kleinen Tieren besonders wertvoll, Man kann einen Miniatursensor beispielsweise am Ohr einer Ratte oder gar einer Maus festkleben und gewisse Kreislaufgrößen dort feststellen, Die Erfindung ist in den beigefügten Skizzen näher erläutert und wird anschließend beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittzeichnung für einen Pulskurvenaufnehmer, der miniaturisierte Einzelelemente verwendet; Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Messung des Sauerstoffgehaltes des Blutes, wiederum unter Verwendung miniaturisierter Einzelelemente; Fig. 3 zeigt einen Pulskurvenaufnehmer in integrierter Technik; Fig. 4 zeigt eine Einzelheit zweckmäßiger Gestaltung der Leuchtdiode; Fig. 5 zeigt eine Einzelheit zweckmäßiger Gestaltung des Lichtempfängers.
Auf einem Glasplättchen 1, welches auf beiden Seiten mit einer leitfähigen aber durchsichtigen Schicht versehen ist, ist eine würfelförmige Leuchtdiode 2 durch Aufkitten oder sonstige geeignete Weise befestigt, wobei der Lichtdurchtritt durch das Glasplättchen nicht behindert werden darf. In ähnlicher Weise ist in unmittelbarer Nähe ein lichtempfindlicher Empfänger 3, entweder Fotodiode oder Fototransistor angeordnet. Zwischen beiden Elementen ist eine undurchsichtige Trennwand 4 vorhanden, die unmittelbaren Übergang vom Licht von der Leuchtdiode zur Fotodiode verhindert. Beide Elemente sind in geeigneter Weise mittels Kontaktstreifen 5 und 6 kontaktiert, während die beiderseitigen leitfähigen Beläge des Glasplättchens 1 durch Streifen 7 und 8 mit der somit vierpoligen Anschlußfläche 9 verbunden sind. Die 4 Anschlußflächen sind über eine vieradrige sehr dünne und flexible Leitung 10 zum Anschluß bzw0 Speisegerät geführt0 Die gesamte Anordnung aus Glasplättchen, Halbleiterbauelementen und Anschlußteilen ist in geeigneter Weise in Epoxydharz 11 vergossen, welches vorzugsweise undurchsichtig ist. Auf der flachen Unterseite sind lediglich zwei Fenster 12 und 13 für Strahlungsaus- und eintritt offen, während an einer Schmalseite die Anschlußlestung zugentlastet austritt. Ein solcher Fühler mag beispielsweise die Abmessungen 10 x 10 x 5 mm haben. Er wird mittels undurchsichtigem Klebeband 14 auf der Körperoberfläche 15 befestigt. Bei Erregung der Leuchtdiode 2 aus einer entsprechenden elektrischen Spannungsquelle tritt Licht aus dem Fenster 12 aus. Es dringt mehr oder weniger tief in das Körpergewebe ein und trifft beispielsweise auf ein Blutgefäß 16. Je nach Füllungszustand desselben bzw0 Durchblutungszustand des Gewebes wird mehr oder weniger Licht zum Fenster 13 reflektiert. Der reflektierte Anteil wird von der Fotodiode 3 gemessen. Je nach Bedarf kann Messung, Registrierung bzw. Zählung von Pulsen erfolgen. Diese Art der Auswertung ist bekannt und wird hier nicht näher beschrieben.
In einer Ergänzung kann besagter Fühler auch als Elektrode zur Aufnahme des Elektrokardiogramms (EKG) verwendet werden.
Zu diesem Zwecke wird eines oder beide Fenster 12 bzw0 13 mit handelsüblicher sog. Leitfähigkeitspaste gefüllt.
Diese Paste stellt den Kontakt zwischen der unteren leitfähigen Schicht des Glasplättchens 1 bzw. der Zuleitung 8 und der Körperoberfläche 15 her. Der Fühler erfüllt somit die Funktion einer EKG-Elektrode. Selbstverständlich darf die Leitfähigkeitspaste den Lichtdurchgang in den Fenstern 12 und 13 nicht behindern. Da die Dicke der durchstrahlten Schicht der Paste nur gering ist, treten hier keine Schwierigkeiten auf.
Eine Variante des dargestellten Fühlerelementes ist in Fig. 2 dargestellt. In an sich bekannter Weise wird damit der Sauerstoffgehalt des Blutes gemessen, indem das Reflexionsvermögen für Licht verschiedener Wellenlänge bestimmt wird. Bei dem als neu beanspruchten miniaturisierten Sauerstoffsensor sind zwei Leuchtdioden 2' und 2" vorhanden, xon denen die eine im Bereich des sog. isosbestischen Punktes etwa bei 800 nm strahlt, während die andere um 640 nm Strahlung aussendet, also da, wo das Reflexionsvermögen von Hämoglobin und Oxyhämoglobin des Blutes stark unterschieden ist. Eine bevorzugte Ausstrahlung in bestimmten Spektralbereichen kann man bei den sog. Verbindungshalbleitern erreichen. GaAs beispielsweise strahlt bei 9oo nmtGaP bei 560 nm, während bei Ga(AsP) je nach Größe des As : P Verhältnisses beliebig dazwischen liegende Wellenlängen erzeugt werden können. Aus dem Verhältnis des Reflexionsverögens bei beiden Weilenlängen, gleichzeitig oder nacheinander gemessen, läßt sich der Sauerstoffgehalt des Blutes bestimmen. Außer der Anordnung von zwei Leuchtdioden ist der Fühler in gleicher Weise aufgebaut wie in Fig. 1 beschrieben.
Die bisher beschriebenen Fühler waren aus einzelnen Halbleiterbauelementen zusammengesetzt. Ein solcher Aufbau macht zwar prinzipiell keine Schwierigkeiten, erfordert aber doch bei der Kleinheit der Teile und der Schwierigkeit der Kontaktierung eine bedeutende Handfertigkeit.
Grundsätzlich für eine Fertigung in größeren Stückzahlen besser geeignet ist die sog. integrierte Technik, wo auf einer Scheibe geeigneten Halbleitermaterials alle Einzelelemente, Isolierschichten, Verbindungen usw. in vielfachem Nebeneinander hergestellt werden. Erst nach Fertigstellung werden die einzelnen Schaltungen, in beschriebenem Fotodiode Falle also LichtdiodeJund Zuleitungen getrennt, mit Anschlossen versehen und allenfalls noch zum Schutz gegen Witterungs- und sonstige Einflüsse gekapselt.
Im folgenden wird die Herstellung der den miniaturisierten Fühlern von Fig0 1 und 2 entsprechenden Fühlern in integrierter Technik im einzelnen beschrieben. Als Halbleiter ist im beschriebenen Falle GaAs zugrundegelegt, andere Materialien bedingen eine ähnliche Technik.
Eine dünne bis zur Sättigung dotierte Scheibe geeigneten Galliumarsenids wird als Substrat 17 für den Aufbau der Bauelemente verwendet (siehe Fig. 3). Eine für die Wellenlänge der erzeugten Strahlung nicht transparente Isolier -schicht 18 wird als Maske zur Trennung der gewünschten Bauelementbereiche aufgebracht. In diese Inseln wird n-dotiertes GaAs 19 aufgebracht. In diesen Inselbereichen wird durch Eindiffundieren eines Defektelektronen-bildenden Elementes eine p-leitende Schicht 20 und damit ein pn-Ubergang 21 erzeugt, Jeweils zwei benachbarte Inseln werden zum Lichtstrahlen-Empfängerpaar zusammengefaßt.
Die Lichtdiode wird dabei folgendermaßen ausgebildete Den einen Stromkontakt der Diode bildet das Substrat, das auf einer Seite mit einer aufgedampften und einlegierten Metallschicht versehen wird 22. Der andere Kontakt wird - um einen Lichtaustritt zu ermöglichen --.rasterförmig aufgedampft und einlegiert 23.
Wird durch die Diode in Flußrichtung Strom gescd it, so wird im Bereich des pn-0berganges Licht erzeugt. Das in der pn-Schicht erzeugte Licht wird beim Durchgang durch die stark dotierte p-Schicht aufgrund von Absorption an freien Ladungsträgern geschwächt. Desgleichen bewirkt der hohe Brechungsindex des GaAs, daß nur ein Bruchteil des Lichtes aus dem Innern des Kristalls an der Oberfläche austreten kann, der Rest wird total reflektiert. Durch eine sehr seichte. Diffusion'der p-Schicht 20 werden diese beiden Effekte verkleinert. Eine weitere Mbglickkeit ist die Entfernung des absorbierenden Materials 24 zwischen dem Metallraster bis über den pn-Übergang 21 hinaus (siehe Fig. 4), wodurch dieser freigelegt wird. Zweckmäßigerweise sollten diese Gruben Böschungen aufweisen, wobei der Neigungswinkel kleiner als der Winkel der Totalreflexion sein sollte.
So kann das Licht austreten und wird an der Böschung nach oben reflektiert.
Das Licht wird aber auch die n-Schicht durchstrahlen und in die Substratschicht 17 eindringen. Dadurch könnte die danebenliegende Fotodiode unerwünschtes Licht erhalten und einen höheren Dunkelatrom vortäuschen, Durch die hohe Dotierung erreicht man aber, daß der größte Anteil davon in der Substratschicht absorbiert wird.
Der Lichtempfänger kann in verschiedenen Ausführungen in der benachbarten Insel ausgebildet werden. Die einfachste Form dürfte die Schaltung des pn-Überganges als photovoltaische Diode sein. Die mit der Lichtdiode gemeinsame Substratschicht 17 mit Kontakt 22 bildet die eine Elektrode.
Ein geeignetes Raster 25 aus aufgedampften und einlegiertem Metall dient als zweite Elektrode. Es soll so optimiert werden, daß möglichst viel Licht auf den darunterliegenden pn-Übergang fällt und der Bahnwiderstand der zwischen den Leiterbahnen liegenden p-Schicht 20 und damit der Verlust an Signalstärke möglichst klein bleibt. Das Licht dringt durch die dünn gehaltene p-Schicht zu pn-8bergang und erzeugt eine Photospannung, die der auftreffenden Lichtmenge proportional ist.
Der Lichtempfänger kann auch als verstärkendes Bauelement, z.B. als Transistor ausgebildet werden (siehe Fig. 5). Dazu müssen zusätzliche weitere Herstellungachritte durchgeführt werden. Bis zur Aufbringung der n-Schicht 19 bleibt der Herstellungsprozeß der gleiche wie oben beschrieben.
Die p-Schicht 20 wird etwas tiefer diffundiert. Nach Abdeckung der für die Lichtdiode vorgesehenen Region wird noch ein n-leitender 26 Bereich in die bereits vorhandene p-Schicht des Empfänger eindiffundiert. Die einzelnen Trans ja torenbereiche werden dann zur Kontaktierung mit metallischen Leiterbahnen 27 verschen. Die Tronnung der einzeinen elemente, Kontaktierung und Kapaelung erfolgt im an sich bekannten Weise, z.B. durch Vorgießun in Kunstherz oder Einkapselung in Glas und wird hier nicht weiter erörtert.
Die Herstellung der Leuchtöioden bzw. Lichtempfänger in integrierter Technik gestattet ohne Schwierigkeit diese elmente in langgestreckter Form herzustellem. Dies. ist insofern vorteilhaft, als man die Elemente mit der großen Abmessung senkrecht zur Längserstreckung des Bintgefäßes anordnen kann. Auf diese Weise ist die Anhrimgung des Sen sors auf der Haut nicht besonders @ritisch, de auch bei gewisser seitlicher Verschiebung immer mech ein sktiver Teil der Leuchtdiode bzw. des Lichtempfämgers über das Blutgefäß zu liegen kommt.
Für die Verwendung des Fühlers zur Messung des Saueretoffsättigung des Blutes entsprechend Fig. 2 muß eine weitere Leuchtdiode mit anderer Wellenlänge vorgeschen worden.
Dazu muß lediglich das Aufbringen der m-Schicht 19 Schritten mit dem jeweiligen Mischungsverhältnis erfolgen.
Außer GaAs und Ga(AsP) können auch andere Halbleiterbauelemente für vorgenannte Erfindung verwendet werden. So konnte æ.B. die Substratscheibe und der gesamte Lichtempfänger aus @ rmanium bestehen, wührend der aktive Teil der Lichtdiode, die Schichten 19 und 20 f aus GaAs besteht.
Germanium hat als Strahlenemitter aufgrund seiner Bandstruktur einen sehr geringen Wirkungsgrad, ergibt aber sehr ergiebige Lichtempfänger. GaAs läßt sich gut auf Ge aufbringen, da die Kristall-Gitterabstände nur wenig differieren. Eine weitere Kombination von Materialien wäre: Ga(AsP) auf Saphir oder Spinel-Substrat als Lichtdiode und Silizium auf dem gleichen Substrat als Lichtempfänger.
Als Lichtempfänger könnten auch die Lichtempfindlichen II-VI-Verbindungen und Mischungen daraus verwendet werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Einrichtung zur Messung ven Körperfunktionon bei Mensch und Tier, insbesondere Der@@@@mtung, Sanerstoffgchalt des Blutes, Puls@equenz u.a., d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einzelne miniaturisierte Festkörperbauelemente für Lichterzeugung und Lichtempfang nebeneinander auf einem Träger angeurdnet mit Anschlüssen verschen und samt Anschlußleitung in sehr flacher Konfiguration in Kunstharz vergossen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch @, dadurch gekepnzeichnet, daß als Träger ein Glasplättchen dient, auf dem die ?estkörperbauelemente montiert sind,

3. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen Lichterzeuger und Linbtempfängoz eine undurchsichtige Scheidewand vorhandin ist, die sich teilweise in die Haut eindrückt und lichtdichten Abschluß bewirkt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das die Einzelelemente tragende Glasplättchen oderfläclllich leitfähig gemacht ist und als Elektrode zur Aufnahme des Elektrokardiogramus dient.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwei lichtaussendende Festkörperelemente vorhanden sind, die in verschiedenen Wellonlängenbereichen strahlen.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtelement aus Galliumarsenid und ein Leuchtelement aus Galliumarsenidphosphid besteht.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Träger ein den miniaturisierten Festkärperbauelementen gemeiusames Substrat dient, in das die Festkörperbauelemente in bekannter integrierter Technik eingebrecht sind.

8. einrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die aktiven Elemente langgestreckte @@ztelt haben.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 und 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Lichtempfänger als Verstärker (Fototransistor) ausgeführt ist.

ao, Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch 7 unter Verwendung von Galliumarsenid als Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer bis zur Sättigung dotierten Scheibe (17) aus Galliumarsenid eine für die Wellenlänge der erzeugten Strahlung nicht transparente Isolierschicht (18) als Maske zur Trennung der gewünschten Bauelementbereiche und in den dadurch geschaffenen Inseln (19) n-dotiertes Galliumarsenid aufgebracht wird, wonach durch Eindiffundieren eines Defektelektroden-bildenden Elementes eine p-leitende Schicht (20) und damit ein pn-Ubergang (21) erzeugt wird, während zur Kontaktierung das Substrat auf der anderen Seite mit einer aufgedampften und einlegierten Metallachicht (22) und die p-Schicht mit einer rasterförmigen aufgedampften und einlegierten Motallschicht (23 bzw. 25) versehen wird.