DE1909882B2 - Einrichtung zum messen von koerperfunktionen bei mensch und tier durch messung der optischen reflexionseigenschaften des wechselnd durchbluteten gewebes und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Einrichtung zum messen von koerperfunktionen bei mensch und tier durch messung der optischen reflexionseigenschaften des wechselnd durchbluteten gewebes und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
unter Benutzung neuzeitlicher elektronischer Miniaturi- Berungstechnik und Anwendung eines lichtelekironi-
ichen Reflexionsverfahrens einen besonders kleinen fotoelektrischen Fühler zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Lichterzeugung und zum Lichtempfang miniaturisierte
Festkörperbauelemente Verwendung finden, welche nebeneinander auf einem durchsichtigen Träger an
geordnet und samt Anschlußleitungen in sehr flacher Konfiguration in Kunstharz vergossen sind. Als Träger
für die Festkörperleuchtelemente (GaAs-Diodan) 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, sogenannte integrierte Technik ist imstande. Sensoren sehr kleiner Abmessun
gen entstehen zu lassen. Solche sind bei physiologischen Messungen an kleinen Tieren besonders wert voll. Man
kann einen Miniatursensor beispielsweise am Ohr einer Ratte oder gar einer Maus festkleben und gewisse
Kreislaufgrößen dort feststellen.
Die Erfindung ist in den Skizzen näher erläutert ü: ' :■;
wird anschließend beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittzeichnung für einen Pulskurvenaufnehmer, der miniaturisierte Einzelelemente verwendet,
Fig. 2 eine Einrichtung zur Messung des Sauerstoffgehaltes
des Blutes, wiederum unter Verwendune miniaturisierter Einzelelemente,
Fig 3 einen Pulskurvenaufnehmer in integrierter Technik,
F i g. 4 eine Einzelheit zweckmäßiger Gestaltung der Leuchtdiode,
Fig.5 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 bzw. Speisegerät geführt. 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
Anschlußleitung zugentlastet austritt. Ein solcher Fühler mag beispielsweise die Abmessungen 10 χ 10 χ 5 mm
haben. Er wird mittels undurchsichtigem Klebeband 14 auf der Körperoberfläche 15 befestigt. Bei Erregung der
Leuchtdiode 2 aus einer entsprechenden elektrischen Snannunesauelle 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 bzw. 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 deisem Zwecke wird eines oder beide Fenster 12 bzw. 13 mit handelsüblicher
sogenannter 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 de" üchtdurchgang 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 Sauerstof'scnsor sind zwei Leuchtdioden 2' und 2" vorhanden, von denen die eine im Bereich
des sogenannten 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
sogenannten Verbindungshalbleitern erreichen. GaAs beispielsweise strahlt bei 900 nm, GaP bei 560 nm,
während bei Ga(AsP) je nach Größe des As: P-Verhältnisses
beliebig dazwischenliegende Wellenlängen erzeugt werden können. Aus dem Verhältnis des
Reflexionsvermögens bei beiden Wellenlängen, 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 F i g. 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 sogenannte integrierte Technik, wo auf einer Scheibe geeigneter
Halbleitermaterials alle Einzelelemente, Isolierschich ten, Verbindungen usw. <n vielfachem Nebeneinandei
hergestellt werden. Erst nach Fertigstellung werden di( einzelnen Schaltungen, in beschriebenem Falle als(
Lichtdiode, Fotodiode und Zuleitungen getrennt, mi Anschlüssen versehen und allenfalls noch zum Schut
gegen Witterungs- und sonstige Einflüsse gekapselt.
Im folgenden wird die Herstellung der den miniaturi sierten Fühlern von F i g. 1 und 2 entsprechende
Fühlern in integrierter Technik im einzelnen beschrie ben. Als Halbleiter ist im beschriebenen Falle GaA
zugrunde gelegt, andere Materialien bedingen ein ähnliche Technik.
Eine dünne bis zur Sättigung dotierte Scheib geeigneten Galliumarsenids wird als Substrat 17 für de
Aufbau der Bauelemente verwendet (siehe F i g. 3). Eine für die Wellenlänge der erzeugten Strahlung nicht
transparente Isolierschicht 18 wird als Maske zur Trennung der gewünschten Bauelementbereiche aufgebracht.
In diese Inseln wird η-dotiertes GaAs 19 aufgebracht. In diesen Inselbereichen wird durch
Eindiffundieren eines Defektelektronen bildenden Elementes eine p-leitende Schicht 20 und damit ein
pn-Übergang 21 erzeugt. Jeweils zwei benachbarte Inseln werden zum Lichtstrahlen-Empfängerpaar zusammengefaßt.
Die Lichtdiode wird dabei folgendermaßen ausgebildet: 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 geschickt, so wird im Bereich des pn-Überganges 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 se'chte Diffusion der p-Schicht 20 werden diese beiden Effekte
verkleinert. Eine weitere Möglichkeit ist die Entfernung des absorbierenden Materials 24 zwischen dem
Metallraster bis über den pn-Übergang 21 hinaus (siehe F i g. 4), wodurch dieser freigelegt wird. Zweckmäßigerweise
sollten diese Graben Böschungen aufweisen, wobei der Neigungswinkel kleiner ais 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 η-Schicht durchstrahlen und in die Substratschicht 17 eindringen. Dadurch
könnte die danebenliegende Fotodiode unerwünschtes Licht erhalten und einen höheren Dunkelstrom
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 fotovoltaische Diode sein. Die mit der
Lichtdiode gemeinsame Substratschicht 17 mit Kontakt 22 bildet die eine Elektrode. Ein geeignetes Raster 25
aus aufgedampftem 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 zum pn-Übergang und erzeugt eine Fotospannung, die der
auftreffenden Lichtmenge proportional ist.
Der Lichtempfänger kann auch als vers:ärkendes Bauelement, z. B. als Transistor ausgebildet werden
(siehe Fig.5). Dazu müssen zusätzliche weitere Herstellungsschritte durchgeführt werden. Bis zur
ίο 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 Empfängers eindiffundiert. Die einzelnen
Transistorenbereiche werden dann zur Kontaktierung mit metallischen Leiterbahnen 27 versehen. Die
Trennung der einzelnen Elemente, Kontaktierang und Kapselung erfolgt in an sich bekannter Weise, z. B.
durch Vergießen in Kunstharz oder Einkapselung in Glas und wird hier nicht weiter erörtert.
Die Herstellung der Leuchtdioden bzw. Lichtempfänger in integrierter Technik gestattet ohne Schwierigkeit,
diese Elemente in langgestreckter Form herzustellen.
Dies ist insofern vorteilhaft, als man die Elemente mit der großen Abmessung senkrecht zur Längserstreckung
des Blutgefäßes anordnen kann. Auf diese Weise ist die Anbringung des Sensors auf der Haut nicht besonders
kritisch, da auch bei gewisser seitlicher Verschiebung
immer noch ein aktiver Teil der Leuchtdiode bzw. des Lichtempfängers über das Blutgefäß zu liegen kommt.
Für die Verwendung des Fühlers zur Messung der Sauerstoffsättigung des Blutes entsprechend F i g. 2
muß eine weitere Leuchtdiode mit anderer Wellenlänge vorgesehen werden. Dazu muß lediglich das Aufbringen
der n-Schicht 19 in zwei Schritten mit dem jeweiligen Mischungsverhältnis erfolgen. Außer GaAs und
Ga(AsP) können auch andere Halbleiterbauelemente für vorgenannte Erfindung verwendet werden. So.
könnte z. B. die Substratscheibe und der gesamte Lichtempfänger aus Germanium bestehen, während der
aktive Teil der Lichtdiode, die Schichten 19 und 20, 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
H-Vl-Verbindungen und Mischungen daraus
verwendet werden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Einrichtung zum Messen von Körperfunktionen bei Mensch und Tier, insbesondere der Durchblutung,
des Sauerstoffgehaltes des Blutes, der Pulsfrequenz u.a_, bestehend aus einem Lichtsender und
einem daneben angeordneten Lichtempfänger zur Messung der optischen Reflexionseigenschaften des
wechselnd durchbluteten Gewebes, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lichterzeugung und
zum Lichiempfang miniaturisierte Festkörperbauelemente (2, 3) Verwendung finden, welche nebeneinander
auf einem durchsichtigen Träger (1) angeordnet und samt Anschlußleitungen (10) in sehr
flacher Konfiguration in Kunstharz (11) vergossen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein Glasplättchen (t) dient,
luf dem die Festkörperbauelemente (2, 3) montiert lind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Lichterzeuger (2) und Lichtempfänger (3) eine undurchsichtige Scheidewand
(4) vorhanden ist, die sich teilweise in die Haut eindrückt und lichtdichten Abschluß bewirkt.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Einzelelemente tragende
Glasplättchen (1) oberflächlich leitfähig gemacht ist und als Elektrode zur Aufnahme des Elektrokardiogramms
dient.
5. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei lichtaussendende Festkörperelemente
(2', 2") vorhanden sind, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen strahlen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn-Zeichnet, daß ein Leuchtelement aus Galliumarsenid
Und ein Leuchtelement aus Galliumarsenidphosphid besteht.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Träger ein den miniaturisierten Festkörperbauelementen gemeinsames Substrat
dient, in das die Festkörperbauelemente in bekannter integrierter Technik eingebracht sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktiven Elemente langgestreckte Gestalt haben.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger als Verstärker
(Fototransistor) ausgeführt ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung tiach 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 Isolier-Schicht
(18) als Maske zur Trennung der gewünschten Bauelementbereiche und in den dadurch
geschaffenen Inseln (19) η-dotiertes Galliumarsenid aufgebracht wird, wonach durch Eindiffundieren
eines Defektelektronen bildenden Elementes eine p-leitende Schicht (20) und damit ein pn-übergang
(21) erzeugt wird, während zur Kontaktierung das Substrat auf der anderen Seite mit einer aufgedampften
und einlegierten Metallschicht (22) und die p-Schicht mit einer rasterförmigen aufgedampften
und einlegierten Metallschicht (23 bzw. 25) versehen wird.
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 durch Verlagerung der Sensoren relativ zur Meßstelle,
da der relativ voluminöse Fühler sich nur schwer am Körner befestigen läßt, insbesondere bei Dauerüberwachung
unruhiger Patienten. Besonders kritisch bezüglich Einhaltung der korrekten Lage sind Sensoren, die auf
fotoelektrischer Grundlage beruhen. Wie in dem Buch: Grundlagen der medizinischen Elektronik von R.
Mi liner und R. Rich wien, Akad. Verlagsgeseilschaft,
1968, dargestellt, ist bei ihnen ein kleines Glühlämpchen vorhanden, dessen Licht von der Haut
bzw. dem darunterliegenden Gewebe und den Blutgefäßen teilweise absorbiert und von einem fotoelektrischen
Empfänger aufgenommen wird. Je nach Durchblutung wird ein nehr oder weniger großer Anteil absorbiert
und man kann aus dem Ausschlag eines mit dem Fotoelement verbundenen Galvanometers z.B. die
Ankunft der Pulswelle feststellen und solcherart eine Pulszählung durchführen. Wenn der Empfänger nun
etwas verrutscht und das Blutgefäß nicht mehr bedeckt, wird keine Anzeige erfolgen. Dieses Verrutschen kann
beispielsweise durch Bewegungen des Patienten erfolgen. Auch durch 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 sogenannten Septumpulses
in der Nasenscheidewand. Dieser ist aber für die Beurteilung der Blutversorgung des Gehirns von
besonderer Bedeutung. Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß Absorptionsverfahren, wie in der angegebenen
Literaturstelle beschrieben, bei Durchstrahlung dickerer Körperteile, z.B. des Fingers, -vegen allzustarker
Absorption des Lichtes empfindliche Empfänger mit notwendigerweise relativ großer Empfängerfläche
benötigen.
In einer Patentschrift (US-PS 32 30 951) ist ein Verfahren beschrieben, welches die Nachteile des im
vorhergehenden behandelten Absorptionsverfahrens vermeidet, indem der Reflexionsgrad des durchbluteten
Körpergewebes als Meßkriterium verwendet wird. Auch diese Anordnung weist Nachteile auf, insbesondere
dadurch, daß ein gewisser Abstand zwischen Glühlämpchen und Hautoberfläche gewahrt werden
muß, um erhöhte Durchblutung (Hyperämie) und damil Meßfehler durch Wärmeeinwirkung zu vermeiden
Hierdurch wird der Sensor recht voluminös und kanr nur schwer unverrückbar auf der Körperoberfläche
befestigt werden. Durch die vorgegebene Geometrie der Anordnung wird eine relativ große Hautoberfläch«
zur Messung herangezogen. Der Anteil eines einzelner Blutgefäßes am reflektierten Lichtstrom, auf den es zui
Messung der Pulswellengeschwindigkeit alleine an kommt, ist nur gering und die Meßgenauigkeit wire
dadurch sehr beeinträchtigt. Eine Konzentrierung de: Lichtes auf die Meßstelle (Blutgefäß) würde wiederun
unerwünschte Erwärmung hervorrufen.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe
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| DE19691909882 DE1909882B2 (de) | 1969-02-27 | 1969-02-27 | Einrichtung zum messen von koerperfunktionen bei mensch und tier durch messung der optischen reflexionseigenschaften des wechselnd durchbluteten gewebes und verfahren zu ihrer herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19691909882 DE1909882B2 (de) | 1969-02-27 | 1969-02-27 | Einrichtung zum messen von koerperfunktionen bei mensch und tier durch messung der optischen reflexionseigenschaften des wechselnd durchbluteten gewebes und verfahren zu ihrer herstellung |
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- 1969-02-27 DE DE19691909882 patent/DE1909882B2/de active Pending
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Also Published As
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| DE1909882A1 (de) | 1970-09-17 |
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