DE19531479A1

DE19531479A1 - Vorrichtung zur Erfassung des Pulses von durch die Arterie strömendem Blut

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Publication number: DE19531479A1
Application number: DE1995131479
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2015-08-26
Also published as: DE19531479C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung des Pulses von durch eine Arterie pulsendem Blut, mit einem Träger zur flächigen Anlage an einem die Arterie aufweisenden Körperteil und mit einem Pulsaufnehmer, der eine sich über dem flächig an dem Körperteil anliegenden Träger in Richtung auf die Arterie erhebende Pulssonde aufweist. Derartige Vorrichtungen dienen in erster Linie dazu, die Pulsfrequenz zu messen, die üblicherweise in Schlägen pro Minute angegeben wird.

Eine Vorrichtung der Eingangs beschriebenen Art ist aus der US-PS-4 331 154 bekannt. Dabei handelt es sich um eine digitale Armbanduhr mit einem Metallarmband. An dem Armband ist ein Träger vorgesehen, von dem eine Pulssonde eines Pulsaufnehmers vorsteht. Diese Pulssonde liegt dem Gehäuse der digitalen Armbanduhr etwa gegenüber, wenn die Armbanduhr an ein Handgelenk angelegt ist. Die Abmessungen der Pulssonde in der Anlagefläche des Trägers sind kreisförmig. Dabei ist ihre Höhe über der Anflagefläche etwa so groß wie ihr Durchmesser. Zugeordnet ist der Pulssonde ein piezo-elektrischer Druckwandler. Dieser steht über ein in dem Armband verlaufendes Kabelpaar mit dem Gehäuse der digitalen Armbanduhr in Verbindung. Dort wird das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers ausgewertet und angezeigt. Problematisch bei derartigen Pulsmessungen am Handgelenk ist deren Zuverlässigkeit bzw. die Sicherheit, mit der irgendwelche Störsignale von der Auswertung des Ausgangssignals des Pulsaufnehmers ferngehalten werden.

Mit einer Verbesserung der Zuverlässigkeit bei der Erfassung des Pulses von durch eine Arterie strömendem Blut befaßt sich die DE-AS 25 10 829. Hier wird die Gültigkeit der auszuwertenden Signale nach einem Koinzidenzprinzip überprüft. Dabei sind entweder ein Sender und zwei Empfänger oder ein Empfänger und zwei Sender für elektromagnetische Strahlung vorgesehen, mit denen zwei korellierte Meßsignale gewonnen werden.

Neben den aus den beiden obigen Dokumenten bekannten Meßver fahren zur Erfassung des Pulses von durch eine Arterie pulsendem Blut ist die Nutzbarmachung des Ultraschall-Dopplereffektes als Meßprinzip bekannt. Dieses ist beispielsweise in der DE-PS 33 45 739 beschrieben. Auch dort kommt ein Koinzidenzprinzip zur Anwendung, um die Gültigkeit der registrierten Ausgangssignale des Pulsaufnehmers gegenüber Störsignalen festzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der Eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei der bereits das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers im wesentlichen nur aus gültigen Signalen besteht bzw. bei dem die gültigen Signale auf einfachste Weise herausfilterbar sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Pulssonde gestreckt ausgebildet ist, wobei ihre Länge in der etwa parallel zu der Anlagefläche des Trägers verlaufenden Erstreckungsrich tung größer als ihre Breite und ihre sich über dem Träger erhebende Höhe ist. Die Erfindung greift dort an, wo das den Puls repräsentierende Ausgangssignal des Pulsaufnehmers originär gewonnen wird. Voraussetzung für die Gewinnung eines deutlichen Pulssignals ist die Ankopplung der Pulssonde an die das Blut führende Arterie. Diese Arterie ist insbesondere im Falle der Handgelenksarterie (arteria radialis) unter der Oberfläche des Körperteils in dieses eingebettet. Voraussetzung für eine gute Ankopplung an die Arterie ist daher die sich über dem Träger erhebende Pulssonde. Dies allein reicht jedoch nicht aus. Vielmehr ist eine gestreckt ausgebildete Erhebung erforderlich, damit die Pulssonde eine zuverlässige Ankopplung an die Arterie auch bei einer Bewegung des Körperteils beibehält. Die ge streckte Ausbildung der Pulssonde hat dabei eine Doppelfunktion. Im Bereich des Handgelenks verläuft eine Vielzahl von Sehnen parallel zu der arteria radialis. Bei der gestreckten Ausbildung der Pulssonde üben diese Sehnen eine Richtfunktion auf die Pulssonde aus. Gleichzeitig ist von großer Bedeutung, daß durch die gestreckte Ausbildung der Pulssonde eine gewisse Relativlagenveränderung zwischen dem Träger bzw. der Pulssonde und der Arterie keine Auswirkung auf die gute Ankopplung der Pulssonde an die Arterie hat. Dieser Aspekt ist auch bei anderen Arterien als der Handgelenksarterie von Bedeutung, in deren Bereich keine die Pulssonde ausrichtenden Sehnen vorliegen. Insgesamt ergibt sich durch die neue geometrische Ausbildung der Pulssonde ein Ausgangssignal des Pulsaufnehmers, das auf einfache Weise aufbereitet werden kann, um eine zuverlässige Pulsauswertung zu ermöglichen.

Die Abmessungen der Pulssonde bezüglich ihrer Länge, Breite und Höhe können in den Bereich von 1 zu 0,2 bis 0,7 zu 0,1 bis 0,4 fallen. Durch diese Zahlenangaben wird deutlich, was mit der gestreckten Ausbildung der Pulssonde gemeint ist. Sie lassen darüber hinaus erkennen, daß die Pulssonde der neuen Vorrichtung sich nicht besonders weit über dem Träger erhebt. Dies bringt zusammen mit der vergrößerten Anlagefläche der Pulssonde durch ihre gestreckte Ausbildung eine deutliche Verbesserung des Tragekomforts mit sich, da sich die Pulssonde weniger stark in den die Arterie aufweisenden Körperteil einbohrt. Gleichzeitig wird hierdurch ein ungünstiges Verschieben der Arterie unter der Einwirkung der Pulssonde vorteilhaft vermieden.

Allerdings ist es auch bei der neuen Ausbildung der Pulssonde sinnvoll, wenn die Pulssonde eine in sich in Richtung auf die Arterie prismenförmig verjüngenden Querschnitt aufweist. Hierbei ist die Bedeutung des Adjektivs prismenförmig sehr weitreichend. So kann es sich um eine Pulssonde mit halbkreisförmigem Quer schnitt ebenso handeln wie um eine Pulssonde mit trapezförmigem oder annähernd dreieckigem Querschnitt. Der sich verjüngende Querschnitt stellt sicher, daß die Pulssonde mit geringstem Druckaufwand in die Nähe der blutführenden Arterie gelangt.

Das physikalische Meßprinzip des Pulsaufnehmers wird durch die Form der neuen Pulssonde nicht festgelegt. So kann der Pulsaufnehmer einen piezo-elektrischen Wandler, einen elektromagnetischen Wandler, eine Reflexionslichtschranke oder einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger aufweisen. Der piezo-elektrische Wandler und der elektro magnetische Wandler haben den Vorteil, daß sie ohne Aufwendung von Energie ein elektrisches Signal liefern. Dieses Signal beruht bei dem piezo-elektrischen Wandler auf den piezo elektrischen Effekt und bei dem elektromagnetischen Wandler beispielsweise auf der Relativbewegung eines Magnets und einer Spule, womit das magnetische Abtastsystem bekannter Schall plattenspieler nachgebildet wird. Die Reflexionslichtschranke und die Anordnung des Ultraschallsenders und des Ultraschall empfängers nutzen die Tatsache aus, daß es im Moment der die Arterie durchschreitenden Pulswelle zu veränderten Brechungsverhältnissen für auf die Arterie abgestrahltes dicht oder auf die Arterie abgestrahlten Ultraschall kommt.

Im Falle der Reflexionslichtschranke oder des Ultraschallsenders ist die Pulssonde vorzugsweise so ausgebildet, daß sie das von der Reflexionslichtschranke abgestrahlte Licht bzw. den von dem Ultraschallsender abgestrahlten Schall auf die Arterie fokussiert. Dies entspricht der Ausbildung der Pulssonde als Zylinderlinse. Hierbei schließt der Begriff Zylinderlinse alle optischen Linsen mit konkav gekrümmten Oberflächen ein, die gestreckt ausgebildet sind. Bei den Zylinderlinsen für den Ultraschallsender kommt es weniger auf ihre äußere Form als auf ihre den zuvor beschriebenen optischen Linsen entsprechende Richtcharakteristik an.

Zum Zwecke der Aufbereitung kann für das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers mindestens ein Verstärker, ein Bandpaßfilter und ein Signallängen- oder ein Signalabstanddiskriminator vorgesehen sein. Aufwendige Koinzidenzsschaltungen zur Gültigkeits feststellung der einzelnen Pulssignale sind nicht erforderlich. Die Verstärkung des Ausgangssignals des Pulsaufnehmers kann an verschiedenen Stellen der Signalaufbereitung sinnvoll sein, so daß mehrere Verstärker vorgesehen sein können. Das Bandpaßfilter weist einen typischen Durchlaßbereich von 0,5 bis 4 Hertz auf. Dies entspricht 30 bis 240 Pulsschlägen pro Minute. Hinsichtlich der mit dem Signallängendiskriminator durchgeführten Signalauf bereitung ist zu beachten, daß die einzelnen Pulssignale eine charakteristische Dauer in einem bestimmten Längenbereich aufweisen. Durch Diskriminierung von Signalen mit hiervon abweichender Länge ist es hervorragend möglich, Störsignale von den interessierenden Pulssignalen abzutrennen. Dabei können Signale mit einer größeren und/oder einer kleineren Länge unterdrückt werden, als sie für Pulssignale charakteristisch ist. Ein weiterer Gesichtspunkt, nach dem Störsignale von den interessierenden Pulssignalen abgetrennt werden können, ist der Signalabstand. Pulssignale sind deutlich untereinander beabstandet, wobei der Abstand natürlich von der aktuellen Pulsfrequenz abhängt. Wenn dieser Abstand nicht eingehalten wird, liegt das Auftreten von Störsignalen oder aber von Herzrhythmusstörungen, sogenannten Doppelschlägen, vor. In beiden Fällen ist es nicht sinnvoll, daß dem gültigen Pulssignal nachfolgende Signal bei der Berechnung der Pulsfrequenz zu berücksichtigen. Allerdings kann es sehr wohl sinnvoll sein, das Auftreten von Doppelschlägen an sich zu registrieren. Ein optimaler Pulslängendiskriminator unterdrückt nicht nur die Signale, die direkt auf ein gültiges Pulssignal folgen, sondern auch Signale, die eine starke Abweichung von den vorherigen Pulssignalabständen aufweisen. Der bisherige Pulsabstand ist als Gültigkeitskriterium verwertbar, da sich die Pulsfrequenz im Normalfall nur stetig ändert. Zur Erkennung der bisherigen Pulsabstände ist es natürlich erforderlich, einen adaptiven Signalabstanddiskriminator zu verwenden. D. h., der Signal abstanddiskriminator muß seinen Durchlaßbereich um den zuvor ermittelten aktuellen Signalabstand herum anordnen. Die Signalabstandbeobachtung der Pulssignale kann darüberhinaus nutzbar gemacht werden, um bestimmte Krankheitsbilder zu erkennen. So gilt es als Vorzeichen eines nahenden Herzinfarkts, wenn die Signalabstände der einzelnen Pulssignale bestimmte Charakteristika aufweisen, dazu zählt eine sehr starre Pulsfolge, während der gesunde Organismus eine gewisse Streuung bei den Signalabständen der einzelnen Pulssignale zeigt.

Die Bauteile zur Aufbereitung des Ausgangssignals des Puls aufnehmers können analoger oder digitaler Natur sein. Bei den Diskriminatoren bietet sich besonders dann eine digitale Ausbildung an, falls sie adaptiv ausgebildet sein sollen. Bei digitalen Diskriminatoren sind sowohl Software- als auch Hardwarerealisationen möglich.

Auch die neue Vorrichtung zur Erfassung des Pulses kann als eine Art Armbanduhr ausgebildet sein, wobei ein Armband zur Befestigung an einem Handgelenk vorgesehen ist, an dem der Träger mit der Pulssonde vorzugsweise lösbar angeordnet ist und an dem dem Träger bezüglich des Handgelenks gegenüberliegend ein Gehäuse mit einer Anzeige für den erfaßten Puls angeordnet ist. In diesem Gehäuse kann zusätzlich eine normale Uhr, d. h. ein Zeitmeßinstrument mit einer entsprechenden Anzeige, untergebracht sein. Die bei dieser Ausbildung der Vorrichtung zur Erfassung des Pulses herangezogene Arterie, die arteria radialis, ist im unteren Bereich des Handgelenks angeordnet.

Hier liegt der Träger mit der Pulssonde flächig an dem Handgelenk an. Hier könnte ebenfalls das Gehäuse mit der Anzeige für den erfaßten Puls angeordnet sein. Dies entspräche jedoch nicht der üblichen Anordnung der Anzeige bei einer Armbanduhr, womit gewisse Komforteinbußen bei der Benutzung der Vorrichtung verbunden wären. Entsprechend ist es bevorzugt, wenn die Anzeige auf der Oberseite des Handgelenks angeordnet ist, also dort, wo sich üblicherweise das Gehäuse einer Armbanduhr beim Tragen befindet. Dies gilt natürlich um so mehr, wenn in dem Gehäuse auch eine Uhr untergebracht ist. In diesem Fall ist es weiterhin bevorzugt, wenn der Träger mit der Pulssonde lösbar an dem Armband angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Armband mit dem Gehäuse und der darin angeordneten Uhr auch als herkömmliche Armbanduhr verwendet werden. Soll zusätzlich eine Pulserfassung stattfinden, ist nur noch der Träger an dem Armband zu befestigen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Träger mit Schlaufen auf das Armband aufgezogen wird.

Das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers kann grundsätzlich durch elektrische Leitungen von dem Träger zu dem Gehäuse mit der Anzeige übertragen werden. Dies erschwert jedoch die Lösbarkeit des Trägers von dem Armband und seine freie Justierbarkeit gegenüber der arteria radialis, die eine Justierbarkeit auch gegenüber dem Armband voraussetzt. In den bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung wird das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers daher drahtlos von dem Träger zu dem Gehäuse über das Handgelenk übermittelt. Dies kann auf verschiedene Art und Weise geschehen. Beispielsweise kann ein durch das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers modulierter Schwachstrom über das Handgelenk fließen. Dieser Strom ist aufgrund des hohen ohmschen Widerstands des Handgelenks vernachlässigbar klein und führt dennoch zu gut registrierbaren Spannungsänderungen an einem ebenfalls hochohmigen Eingangswiderstand des Gehäuses. Eine weitere Signalübertragungsmöglichkeit stellt ein stationäres elektrisches Feld dar, daß mit dem Ausgangssignal des Pulsaufnehmers moduliert wird. Dabei ist unter dem stationären elektrischen Feld ein Dipolfeld zu verstehen, das bis auf die Modulation mit dem Ausgangssignal des Pulsaufnehmers keine Wechselfeldkomponenten aufweist. Auch ein entsprechendes stationäres magnetisches Feld wäre grundsätzlich zur Signalübertragung zwischen dem Träger und dem Gehäuse geeignet. Hier sind jedoch deutlich größere Störeinflüsse durch metallische oder magnetische Gegenstände in der Nähe der Vorrichtung zu befürchten. Weitere Übertragungsmöglichkeiten sind durch elektromagnetische Wechselfelder gegeben, bei denen ein hochfrequentes elektromagnetisches Signal von dem Träger zu dem Gehäuse übermittelt wird. Dieses Signal wird in dem Träger durch das Ausgangssignal bezüglich seiner Amplitude oder seiner Frequenz moduliert. In dem Gehäuse findet eine entsprechende Demodulation zur Rückgewinnung des Ausgangssignals des Pulsaufnehmers statt.

Dem Fachmann sind die technischen Realisationsmittel zur Verwirklichung der hier beschriebenen Übertragungsmöglichkeiten zwischen dem Träger und dem Gehäuse grundsätzlich bekannt. Hierbei handelt es sich um Kondensatoren, Spulen, konden satorische Antennen, Ferritantennen und dergleichen. Bei kondensatorischen Antennen erfolgt das Einkoppeln und Auskoppeln des elektromagnetischen Felds in das Handgelenk auf kapazitivem, bei Ferritantennen auf induktivem Wege.

Das Armband der Vorrichtung kann zur Ausbildung einer Abschir mung elektrisch leitend ausgebildet sein. Neben dieser Abschirmfunktion, die in gewisser Weise mit einem Faradayschen Käfig zu vergleichen ist, kann ein elektrisch leitendes Armband auch noch weitere Funktionen haben, so bei der Übermittlung des Ausgangssignals des Pulsaufnehmers von dem Träger zu dem Gehäuse durch einen elektrischen Strom. Hier dient das Armband zur Vermittlung eines gemeinsamen Nullpotentials zwischen dem Träger und dem Gehäuse. Dabei versteht sich, daß das elektrisch leitende Armband gegenüber dem Handgelenk isoliert sein muß, um einen Kurzschluß des elektrischen Signals über das Handgelenk zu vermeiden. Für die Potentialvermittlung ist keine besondere Leitfähigkeit des Armbands erforderlich. Dasselbe gilt für seine Abschirmfunktion. Insgesamt ist beispielsweise die äußere Beschichtung des Armbands mit einem leitfähigen Kunststoff ausreichend.

Ein magnetisches Armband kann bei der Signalübermittlung zwischen dem Träger und dem Gehäuse durch ein elektromagne tisches Wechselfeld zur Bündelung der magnetischen Feldlinien genutzt werden. Hier werden besonders gute Eigenschaften erreicht, wenn das Metall für das Armband nach den Grundsätzen ausgewählt wird, die auch für Transformatorkerne gelten.

Eine weitere Möglichkeit der Signalübermittlung zwischen dem Träger und dem Gehäuse stellt ein Ultraschallsignal dar. Dabei sind verschiedene Ausführungsformen möglich. Zum einen kann das Ultraschallsignal in dem Träger mit dem Ausgangssignal des Pulsaufnehmers moduliert werden, anschließend in das Handgelenk eingekoppelt werden und dann an dem Gehäuse wieder ausgekoppelt werden. In diesem Fall entspricht das Ultraschallsignal einem akustischen Äquivalent des elektromagnetischen Wechselfelds. Es ist jedoch auch möglich, vom Träger aus, über die Pulssonde ein Ultraschallsignal mit fester Frequenz und Amplitude auf die arteria radialis gerichtet in das Handgelenk einzukoppeln und das durch das pulsende Blut modulierte Ultraschallsignal an dem Gehäuse auszukoppeln. Auf diese Weise werden die Aufnahme des Pulses und die Übertragung des Pulssignals von dem Träger und dem Gehäuse zusammengefaßt. D. h., der Pulsaufnehmer weist Teile sowohl in dem Träger als auch in dem Gehäuse auf. Die reine Übertragung des Pulssignals mittels Ultraschall ermöglicht demgegenüber, den Pulsaufnehmer mit der Pulssonde auch einem von der Anzeige am Handgelenk räumlich getrennten Körperteil zuzuordnen. So ist es beispielsweise problemlos möglich, ein Ultraschallsignal am Fußgelenk in dem Körper einzukoppeln und am Handgelenk auszukoppeln, um es dort auszuwerten und anzuzeigen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Handgelenk im Querschnitt mit einem daran anliegenden Träger, an dem eine Pulssonde vorsteht,

Fig. 2 den Träger mit der Pulssonde in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 zwei Ausführungsformen der Pulssonde in Seitenansicht,

Fig. 4 die Pulssonde in der Draufsicht von oben,

Fig. 5 die Pulssonde in Verbindung mit einer Reflexionslicht schranke in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Seitenansichten,

Fig. 6 die Pulssonde in Verbindung mit einem piezo elektrischen Wandler,

Fig. 7 die Pulssonde in Verbindung mit einem elektromagne tischen Wandler,

Fig. 8 die Pulssonde in Verbindung mit einem Ultraschall sender,

Fig. 9 eine Amplitude/Zeit- und eine Amplitude/Wegauftragung eines Pulssignals,

Fig. 10 ein Handgelenk im Querschnitt mit einer daran angeordneten vollständigen Vorrichtung zur Erfassung des Pulses, die als Armbanduhr ausgebildet ist,

Fig. 11 das Gehäuse der Armbanduhr gemäß Fig. 10 in Draufsicht,

Fig. 12 ein Prinzipschaubild, der Signalübertragung zwischen dem Träger und dem Gehäuse durch einen elektrischen Strom,

Fig. 13 ein Prinzipschaubild der Signalübertragung zwischen dem Träger und dem Gehäuse durch ein elektrisches Feld,

Fig. 14 ein Prinzipschaubild der Signalübertragung zwischen dem Träger und dem Gehäuse mit einer elektromagne tischen Trägerwelle,

Fig. 15 die Anordnung des Trägers an dem Armband der Armbanduhr gemäß Fig. 10 und

Fig. 16 ein Blockschaltbild der Signalaufbereitung des Puls signals in der Vorrichtung Fig. 10.

In Fig. 1 ist ein Handgelenk 1 in geschnittener Ansicht von vorne dargestellt. In dem Handgelenk 1 ist eine Arterie 2, die arteria radialis, angeordnet. Neben der arteria radialis und etwa parallel zu dieser verlaufen Sehnen 3, von denen einige angedeutet sind. Die weiteren Bestandteile des Handgelenks 1 sind hier nicht näher dargestellt. An dem Handgelenk 1 liegt von unten ein Träger 4 flächig an. Über dem Träger 4 erhebt sich eine Pulssonde 5 in Richtung auf die Arterie 2.

Der äußere Aufbau des Trägers 4 mit der vorstehenden Pulssonde 5 geht näher aus Fig. 2 hervor. Der Träger 4 ist etwa plattenförmig und dabei der Wölbung an der Unterseite des Handgelenks 1 angepaßt gekrümmt ausgebildet. Der Träger 4 weist in der Umfangsrichtung des Handgelenks 1 eine größere Erstreckung als senkrecht dazu auf. Senkrecht zu der Umfangsrichtung des Handgelenks 1 und damit etwa parallel zu der Arterie 2 und den Sehnen 3 ist die Pulssonde 5 gestreckt ausgebildet.

Fig. 3 zeigt zwei Ausführungsformen der Pulssonde 5 in vergrößerter Darstellung, wobei die Blickrichtung Fig. 1 entspricht. Die Pulssonde weist einen sich nach oben, d. h. in Richtung auf die Arterie 2 verjüngenden Querschnitt auf. Dieser Querschnitt ist gemäß Fig. 3a halbkreisförmig und gemäß Fig. 3b trapezförmig.

Fig. 4 zeigt die Pulssonde 5 in Draufsicht von oben auf den Träger 4. Aus dieser Abbildung ist die gestreckte Form der Pulssonde ersichtlich. In einer konkreten Ausführungsform weist die Pulssonde eine Länge L von 20 mm, eine Breite B von 10 mm und eine Höhe H von 5 mm bei halbkreisförmigem Querschnitt über dem Träger 4 auf.

Unter der Pulssonde 5 kann eine Reflexionslichtschranke 6 angeordnet sein. Dies ist in Fig. 5 in zwei senkrecht zueinanderverlaufenden Seitenansichten der Pulssonde 5 dargestellt. Die Reflexionslichtschranke 6 weist einen Sender 7 und einen Empfänger 8 auf. Der Sender 7 strahlt Infrarotlicht über die Pulssonde 5 in Richtung auf die Arterie 2 ab. Das von dem Sender 7 abgestrahlte Infrarotlicht ist durch Pfeile 9 angedeutet. Dabei wird deutlich, daß die Pulssonde 5 das hindurchtretende Infrarotlicht aufgrund ihrer Wirkungen als Zylinderlinse auf die Arterie 2 hin konzentriert. Das von der Arterie 2 zurückreflektierte Infrarotlicht ist durch den Puls des durch die Arterie 2 pulsenden Bluts moduliert und gelangt von der Pulssonde 5 gesammelt zu dem Empfänger 8. Das Ausgangssignal des Empfängers 8 weist die Modulation des Infrarotlichts durch den Puls auf. Bei diesem Prinzip der Pulsaufnahme ist die Pulssonde normalerweise fest an dem Träger 4 angeordnet.

Bei anderen Meßprinzipien ist dies nicht der Fall. In den Fig. 6 und 7 sind zwei verschiedene Druckaufnehmer skizziert, die eine elastische Lagerung der Pulssonde 5 an dem Träger 4 erfordern. Gemäß Fig. 6 ist die Pulssonde 5 auf einem piezoelektrischen Wandler 10 gelagert. Der piezo-elektrische Wandler 10 wandelt von der Pulssonde 5 registrierte Druckschwankungen in der Arterie 2 in Spannungssignale um. Diese Spannungssignale entsprechen dem zu erfassenden Puls.

Gemäß Fig. 7 ist die Pulssonde 5 mit einem Magneten 11 verbunden, der in eine Spule 12 hineinragt. Auf diese Weise ist ein elektromagnetischer Wandler geschaffen, der Bewegungen der Pulssonde 5 aufgrund von Druckschwankungen in der Arterie 2 in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Spule 12 kann bei dieser Ausführungsform auch die Funktion einer Feder zur elastischen Abstützung der Pulssonde 5 gegenüber dem Träger 4 erfüllen.

Ein drittes Erfassungsprinzip ist in Fig. 8 angedeutet. Hier ist hinter der Pulssonde 5 ein Ultraschallsender 13 angeordnet, der sich rückwärtig an dem Gehäuse 4 abstützt. Der Ultraschall sender 13 gibt über die Pulssonde 5 eine Ultraschallwelle ab, die in das Handgelenk 1 eingekoppelt wird und dort auf die Arterie 2 trifft. Durch das durch die Arterie 2 pulsende Blut erfolgt eine Modulation der Ultraschallwelle, die durch einen Empfänger für die Ultraschallwelle registrierbar ist. Dieser Empfänger kann für reflektierte Ultraschallwellenanteile ebenfalls an dem Träger 4 angeordnet sein. Für transmittierte Ultraschallwellenanteile wäre er auf der dem Träger 4 gegen überliegenden Seite des Handgelenk 1 anzuordnen.

Die größte Modulation der Ultraschallwelle durch das durch die Arterie 2 pulsende Blut ist dann zu erwarten, wenn die Druckwelle des fortschreitenden Blutes und die Ultraschallwelle dieselbe Gruppengeschwindigkeit, d. h. , dieselbe Signalfortpflanzungsgeschwindigkeit, in dem Handgelenk aufweisen oder sich diesbezüglich wie Harmonische zueinander verhalten. Der Unterschied zwischen der Signalfortpflanzungsgeschwindigkeit und der Frequenz eines Pulssignals 14 ist in Fig. 9 dargestellt. Fig. 9a zeigt die Auftragung der Amplitude A des Pulssignals 14 über der Zeit t an einem festen Ort, also beispielsweise am den effektiven Meßort der Pulssonde 5. Demgegenüber zeigt Fig. 9b die Auftragung der Amplitude A über einem Weg s entlang der Arterie 2. Die Geschwindigkeit 15, mit der sich ein Peak 16 des Pulssignals 14 entlang der Arterie 2 bewegt, ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Pulssignals 14, die auch als eine Gruppengeschwindigkeit bezeichnet wird.

Demgegenüber ist die Geschwindigkeit 17, d. h. die zeitliche Abfolge der Peaks 18 gemäß Fig. 9a, die der Frequenz des Pulssignals 14 entsprechende sogenannte Phasengeschwindigkeit. Für die Sensitivität der Pulserfassung mit Hilfe einer Ultraschallwelle kommt es auf die Übereinstimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten bzw. der Gruppengeschwindigkeiten der Ultraschallwelle und des Pulses in der Arterie an. Hierbei ist von Vorteil, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Pulses im wesentlichen von den Eigenschaften der Arterie 2 und damit nicht von der Pulsfrequenz abhängt. D. h., sie ist über den gesamten Bereich der zu erfassenden Pulsfrequenzen weitgehend konstant.

Fig. 10 zeigt die Vorrichtung zur Erfassung des Pulses des durch die Arterie 2 strömenden Bluts bei Ausbildung als Armbanduhr 19, wobei neben dem die Pulssonde 5 aufweisenden Träger 4 ein Gehäuse 20 an einem Armband 21 angeordnet ist. In dem Gehäuse 20 wird das Pulssignal aufbereitet und angezeigt. Die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 10 basiert auf dem in Fig. 8 skizzierten Meßprinzip, d. h., der Pulssonde 5 ist ein hier nicht dargestellter Ultraschallsender 13 zuge ordnet. Gegenüber der Pulssonde 5 ist an dem Gehäuse 20 ein Ultraschallempfänger 22 vorgesehen, der die von dem durch die Arterie 2 hindurchpulsenden Blut modulierte Ultraschallwelle registriert. Die Modulationen des registrierten Ultraschall signals sind eine Darstellung des gesuchten Pulses. Die Modulationen bilden dabei schon recht genau das reine Pulssignal in verwertbarer Form nach. Dies ist auf die Form der Pulssonde 5 zurückzuführen, die durch die Sehnen 3 geführt wird und allein durch ihre vergrößerte Ausdehnung in ihrer Erstreckungsrichtung eine besonders gute Ankopplung an der Arterie 2 aufweist.

Das ausgewertete Pulssignal kann beispielsweise hinsichtlich seiner Pulsfrequenz in Schlägen pro Minute angezeigt werden. Hierfür ist in dem Gehäuse 20 eine digitale Anzeige 23 mit drei Stellen vorgesehen. Daneben ist eine Pulsfrequenzüberwachung vorgesehen, deren Ergebnis durch zwei Leuchtdionden 24 und 25 angezeigt wird. Die Leuchtdiode 25 ist grün und blinkt bis zu einer Pulsfrequenz von 90 Schlägen pro Minute, anschließend leuchtet sie dauernd grün, bis eine Pulsfrequenz von 130 Schlägen pro Minute erreicht wird. Bei diesem Wert geht die Leuchtdiode 25 aus und die rote Leuchtdiode 24 signalisiert, daß der Organismus eine bereits große Belastung erreicht hat. Zusätzlich zu den den Puls betreffenden Anzeigen sind in dem Gehäuse 20 Zeiger 26 zur digitalen Zeitanzeige vorgesehen. Es versteht sich, daß der Träger 4 und das Gehäuse 20 in aller Regel eine jeweils separate Spannungsversorgung mit hier nicht dargestellten Batterien, Akkumulatoren und/oder Solarzellen aufweisen.

Die Ausführungen zu den Fig. 10 und 11 gelten entsprechend auch für alternative Ausführungen der Vorrichtung zum Erfassen des Pulses, die auf anderen anhand der Fig. 5 bis 7 beschriebenen Erfassungsprinzipien beruhen. Hier fällt das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers jedoch in dem Träger an und muß von dem Träger 4 an das Gehäuse 20 übertragen werden. Dies kann über elektrische Leitungen erfolgen, die in das Armband 21 eingearbeitet sind. Hiermit sind jedoch Schwierigkeiten verbunden, wenn für die Zuordnung der Pulssonde 5 zu der Arterie 2 eine Verschiebbarkeit des Trägers 4 gegenüber dem Armband 21 gegeben sein muß und, insbesondere dann, wenn der Träger 4 von dem Armband 21 abnehmbar sein soll. Als vorteilhafte Alternative ist in diesen Fällen eine drahtlose Signalübertragung über das Handgelenk 2 möglich. Hiervon sind verschiedene Ausführungs formen in den Fig. 12 bis 13 angedeutet.

Gemäß Fig. 12 weist der Träger 4 eine hochohmige, dem Handgelenk zugekehrte Ausgangselektrode 27 und das Gehäuse 20 eine dem Handgelenk zugekehrte hochohmige Eingangselektrode 28 auf. Zwischen diesen Elektroden wird seitens des Trägers 4 eine Spannung angelegt, die dem Ausgangssignal des Pulsaufnehmers entspricht. Aufgrund der Spannung fließt ein Schwachstrom über das Handgelenk, das hier durch ein Schaltsymbol 29 wiedergegeben ist. Dieser Strom ist wegen des ebenfalls hohen ohmschen Widerstands des Handgelenks nur sehr klein. Er führt dennoch an der hochohmigen Eingangselektrode 28 zu einem registrierbaren Spannungssignal, das anschließend ausgewertet wird. Bei dieser Form der Signalübertragung ist ein einheitliches Nullpotential zwischen dem Gehäuse 20 und dem Träger 4 sicherzustellen. Dies kann durch eine elektrisch leitende Beschichtung 30 des Armbands 21 erfolgen. Dabei versteht sich, daß die Beschichtung 30 keinen Kurzschluß zwischen den Elektroden 27 und 28 über das Handgelenk herbeiführen darf.

In Fig. 13 ist die Übertragung des Ausgangssignals des Pulsaufnehmers zwischen dem Träger 4 und dem Gehäuse 20 durch ein elektrisches Feld skizziert. Hierbei ist an der Oberseite des Gehäuses 4 ein elektrischer Senderdipol 31 und an der Unterseite des Gehäuses 20 ein elektrischer Empfängerdipol 32 angeordnet. Der Senderdipol 31 strahlt ein mit dem Pulssignal 14 moduliertes elektrisches Feld ab, dessen Änderung von dem Empfängerdipol 32 registriert wird.

In Fig. 14 ist eine Übertragungsvariante dargestellt, bei der das Pulssignal 14 einer Trägerwelle 33 aufmoduliert ist. Für die Trägerwelle ist eine Senderantenne 34 an dem Träger 4 und eine Empfängerantenne 35 an dem Gehäuse 20 vorgesehen. Bei den Antennen 34 und 35 kann es sich um kapazitive Antennen, d. h. um "aufgeklappte" Kondensatoren oder um Ferritantennen handeln. In einer Abwandlung ist die Senderantenne 34 ein Ultraschallsender und die Empfängerantenne 35 ein Ultraschallempfänger.

Fig. 15 skizziert eine Form der abnehmbaren Befestigung des Trägers 4 mit der Pulssonde 5 an dem Armband 21. Der Träger 4 weist Schlaufen 36 auf, durch die das freie Ende 37 des Armbands 21 hindurchführbar ist, bevor es mit der Schnalle 28 an dem anderen Ende des Armbands 21 verbunden wird. Fig. 18 läßt auch noch einmal deutlich werden, daß die Pulssonde 5 exzentrisch zu der Mittelebene 39 des Trägers 4 angeordnet ist, um einerseits eine bequeme flächige Anlage des Trägers 4 an dem Handgelenk 1 und andererseits eine günstige Positionierung der Pulssonde 5 gegenüber der Arterie 2 zu gewährleisten.

Fig. 16 zeigt als Blockschaubild die Signalaufbereitung des Ausgangssignals des Pulsaufnehmers bis zur Anzeige. Zunächst wird das Pulssignal in einem Verstärker 40 verstärkt. Anschließend durchläuft es ein Bandpaßfilter 41. Hiernach erfolgt üblicherweise die Übertragung von dem Träger 4 an das Gehäuse 20, was durch einen gestrichelten Pfeil für das Pulssignal 14 angedeutet ist. Anschließend ist ein weiterer Verstärker 42 vorgesehen. Das verstärkte Pulssignal gelangt dann zu einem Signallängendiskriminator, der gültige Pulssignale von Störsignalen aufgrund ihrer Signallänge, d. h. der Dauer des eigentlichen Signals unterscheidet. An den Signallängen diskriminator 43 schließt sich ein Signalabstanddiskriminator 44 an. Der Signalabstanddiskriminator 44 ist adaptiv ausgebildet und schließt solche Signale als ungültig aus, die einen von den zuletzt festgestellten Pulssignalen stark abweichenden Abstand aufweisen. Hierbei abgesonderte Doppelschläge können an einem separaten Ausgang 45 registriert werden. An dem Signalabstand diskriminator 44 schließt sich ein Zähler 45 an, dessen Stand auf den Anzeigen 24 bis 25 ausgegeben wird. Es versteht sich, daß der Zähler 45 immer nur die Pulsschläge binnen der letzten Minute oder eines noch kürzeren Zeitraums berücksichtigt, und entsprechend umrechnet.

Bezugszeichenliste

1 Handgelenk
2 Arterie
3 Sehne
4 Träger
5 Pulssonde
6 Reflexionslichtschranke
7 Sender
8 Empfänger
9 Pfeil
10 piezo-elektrischer Wandler
11 Magnet
12 Spule
13 Ultraschallsender
14 Pulssignal
15 Gruppengeschwindigkeit
16 Peak
17 Phasengeschwindigkeit
18 Peak
19 Armbanduhr
20 Gehäuse
21 Armband
22 Ultraschallempfänger
23 digitale Anzeige
24 Leuchtdiode
25 Leuchtdiode
26 Zeiger
27 Ausgangselektrode
28 Eingangselektrode
29 Schaltsymbol
30 Beschichtung
31 Sendedipol
32 Empfängerdipol
33 Trägersignal
34 Sendeantenne
35 Empfangsantenne
36 Schlaufe
37 freies Ende
38 Schnalle
39 Mittelebene
40 Verstärker
41 Bandpaßfilter
42 Verstärker
43 Signallängendiskriminator
44 Signalabstanddiskriminator
45 Ausgang
46 Zähler

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung des Pulses von durch eine Arterie pulsendem Blut, mit einem Träger zur flächigen Anlage an einem die Arterie aufweisenden Körperteil und mit einem Pulsaufnehmer, der eine sich über dem flächig an dem Körperteil anliegenden Träger in Richtung auf die Arterie erhebende Pulssonde aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulssonde (5) gestreckt ausgebildet ist, wobei ihre Länge (L) in der etwa parallel zu der Anlagefläche des Trägers (4) verlaufenden Erstreckungs richtung größer als ihre Breite (B) und ihre sich über dem Träger (4) erhebende Höhe (H) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Pulssonde (5) bezüglich ihrer Länge (L), Breite (B) und Höhe (H) in den Bereich von 1 zu 0,2-0,7 zu 0,1-0,4 fallen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulssonde (5) einen sich in Richtung auf die Arterie (2) prismenförmig verjüngenden Querschnitt aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsaufnehmer einen piezo-elektrischen Wandler (10), einen elektromagnetischen Wandler (11, 12), eine Reflexionslichtschranke (6) oder einen Ultraschallsender (13) und einen Ultraschallempfänger (22) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulssonde (5) im Falle der Reflexionslichtschranke (6) oder des Ultraschallsenders (13) als auf die Arterie fokussierende Zylinderlinse ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers mindestens ein Verstärker (40, 42), ein Bandpaßfilter (41) und ein Signallängen- oder ein Signalabstanddiskriminator (43 bzw. 44) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Armband (21) zur Befestigung an einem Handgelenk (1) vorgesehen ist, an dem der Träger (4) mit der Pulssonde (5) vorzugsweise lösbar angeordnet ist und an dem dem Träger (4) bezüglich des Handgelenks (1) gegenüberliegend ein Gehäuse (20) mit einer Anzeige (23) für den erfaßten Puls angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Pulsaufnehmers von dem Träger (4) zu dem Gehäuse (20) durch einen elektrischen Strom, durch ein stationäres elektrisches Feld oder durch ein elektromagnetisches Wechselfeld über das Handgelenk (1) übermittelt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Armband (21) zur Ausbildung einer Abschirmung elektrisch leitend ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallsignal von dem Träger (4) zu dem Gehäuse (20) übermittelt wird.