DE19542019C1 - Sensor zum nichtinvasiven und kontinuierlichen Erfassen der arteriellen Pulswellenlaufzeit - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zum nicht- invasiven und kontinuierlichen Erfassen der arteriellen Pulswellenlaufzeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er beispielsweise aus der US 4 245 648 bekannt ist.

Ein erstrebenswertes Ziel zahlreicher Hersteller von Blutdruckmeßgeräten ist die nichtinvasive, kontinuier­ liche Messung des menschlichen Blutdruckes ohne die Zuhilfenahme störender Kompressionsmanschetten.

Wie seit langem bekannt ist, korreliert der menschliche Blutdruck, individuell unterschiedlich, mit der Puls­ wellengeschwindigkeit. Diese Tatsache konnte bisher nicht zur kontinuierlichen Blutdruckmessung ausgenutzt werden, da keine zuverlässigen, preiswerten Sensoren zur Erfassung der Pulswellengeschwindigkeit erhältlich sind.

Bisher ist versucht worden, die Pulswellengeschwindig­ keit, die am Handgelenk etwa 10 m/s beträgt, über die Änderung der Hautfarbe, die Änderung der Form der Haut­ oberfläche oder über eine Änderung des elektrischen Hautwiderstandes zu erfassen. Auch eine Messung der Pulswellengeschwindigkeit mit Hilfe der Ultraschall-Doppler Methode wurde versucht, eine zuverlässige, aber nicht unbedingt preiswerte Methode. Ein derartiger Ansatz ist in der DE-OS 19 05 620 beschrieben. Zwei voneinander beabstandete piezoelektrische Schwingersysteme, deren Schallkegel ein zu unter­ suchendes Gefäß bestrahlen sowie ein Doppler-Empfangsgerät erlauben die Erfassung der Ge­ fäßwandgeschwindigkeit, mit die Gefäßwand durch die, das Gefäß durchströmenden Blutdruckwellen ausgelenkt wird. Über spezielle Auswertrealgorithmen erhält man schließlich Auskunft über die Pulswellengeschwindigkeit.

Ein weiteres Beispiel zur Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit geht aus der US 4 245 648 hervor, in der ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Blutdruckmessung und zur Bestimmung der Pulsrate be­ schrieben ist. Zwei in einer Armmanschette untergebrachte druckempfindliche Sensoren sind entlang eines blutführenden Gefäßes angeordnet. Die in zeitlichen Abständen erfaßten Druckanstiegswerte können zur Berechnung der Druckwellengeschwindigkeit verwendet werden. Nachteilhaft ist jedoch der große Vor­ richtungsaufbau, weshalb der Einsatz an schwer zu­ gänglichen Stellen nicht möglich ist. Ferner ist die Applikation der Vorrichtung mit einer erheblichen Be­ einträchtigung der Motorik verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aus der US 4 245 648 bekannten Sensor so weiterzubilden, daß er derart klein und kompakt ausgeführt ist, daß er beispielsweise mit Armbanduhren kombiniert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Sensor zum nichtinvasiven und kontinuierlichen Erfassen der arteriellen Pulswellenlaufzeit, bei dem wenigstens zwei piezoelektrische Drucksensoren voneinander beabstandet in Arterienverlaufsrichtung hintereinander angeordnet sind, derart ausgebildet, daß die piezoelektrischen Drucksensoren eine drucksensitive, streifenförmige Oberfläche aufweisen, die jeweils in ihrer Längserstreckung senkrecht zur Arterienverlaufsrichtung angeordnet sind, und daß ein Gehäuse vorgesehen ist, das wenigstens zwei, an die Konturen der streifenförmigen Oberflächen angepaßte Ausnehmungen aufweist, in denen die drucksensitiven, streifenförmigen Oberflächen der Drucksensoren, bündig mit der Gehäuseoberfläche angeordnet sind.

Der erfindungsgemäße Sensor erfaßt nichtinvasiv die Druckpulsationen der arteria radialis vorzugsweise in Höhe des menschlichen Handgelenkes an zwei dicht bei­ einanderliegenden Positionen, von denen sich die eine mehr proximal und die andere mehr distal am Tastpunkt der arteria radialis im Bereich des Handgelenkes befin­ det. Aus der zeitlichen Verschiebung des Pulsmaximums bezüglich der beiden Meßpositionen läßt sich die Puls­ wellengeschwindigkeit und damit, bei vorheriger patien­ tenbezogener Kalibrierung, auch der mittlere Blutdruck ermitteln. Die Höhe des systolischen und diastolischen Druckes läßt sich unmittelbar aus der gemessenen Dif­ ferenz zwischen Pulsdruckmaximum und -minimum an einer der beiden Positionen bestimmen. Die Einrichtung ist so klein, daß sie ähnlich einer Armbanduhr kontinuierlich am Handgelenk getragen werden kann, wodurch eine Beein­ trächtigung des Patienten weitgehend vermieden wird.

Der Sensor erfaßt unmittelbar die Laufzeitdifferenz der Pulswelle, die sich in der Arterie fortpflanzt und setzt dadurch schärfere Meßkriterien, so daß der erfin­ dungsgemäße Sensor genauer als bisher bekannte Meßverfah­ ren arbeitet, bei denen die indirekte Erfassung der Pulswelle über Hautfarbe, -widerstand oder -oberflä­ chenform erfolgt. Eine preiswerte Massenproduktion des Sensors ist ebenso denkbar.

Der erfindungsgemäße Sensor weist zur Druckerfassung wenigstens zwei getrennt arbeitende Drucksensoren auf, die jeweils eine drucksensitive, streifenförmige Ober­ fläche vorsehen, die jeweils in ihrer Längserstreckung senkrecht zur Arterienverlaufsrichtung angeordnet sind. Die einzelnen aus piezoelektrischem Material bestehen­ den Drucksensoren sind in einem halbzylinderförmigen Gehäuse derart integriert, daß sie in angulär verlaufende Ausnehmungen in der Gehäusewand, an der konvex, halbkreisförmig ausgebildeten Mantelfläche des Halbzylinders eingebracht sind.

Die einzelnen drucksensitiven Oberflächen folgen daher im wesentlichen der konvex geformten halbkreisförmigen Oberflächenkontur des Halbzylinders, die gegen die Hautoberfläche gepreßt wird, so daß die gekrümmten drucksensitiven Oberflächen mit radialer Polarisation den Arterienverlauf senkrecht schneiden.

Die konvexe Krümmung des Halbzylinders sowie der damit verbundenen drucksensitiven Oberflächen dient dazu, daß bei leichtem Andrücken des Sensorgehäuses an die natürliche Form der Hautoberfläche eine bessere An­ passung an die Meßstelle und damit eine bessere mechanische Kontaktierung zum Meßobjekt zu ge­ währleisten ist. Ferner dient die halbzylinderförmige Oberflächenkontur des Sensorgehäuses dazu, daß der Sensor weitgehend unempfindlich gegen Verkippen um die Längsachse ist.

Ferner müssen die drucksensitiven Drucksensoroberflächen in Richtung des Arterienverlaufes verhältnismäßig schmal ausgebildet sein, so daß eine möglichst kurze Durch­ laufzeit der Pulswelle durch jeden einzelnen Sensorbe­ reich erreicht werden kann, wodurch ein hohes zeit­ liches Auflösungsvermögen zu erzielen ist. Der Abstand beider drucksensitiven Oberflächenbereiche muß dabei derart klein gewählt werden, so daß beide Drucksensoren noch im Bereich des oberflächennahen Verlaufs der arte­ ria radialis zu liegen kommen. Nur auf diese Weise können beide Drucksensoren den gleichen zeitlichen Pulsverlauf detektieren. Andererseits sollte der Abstand groß genug sein, um die zeitliche Verschiebung des Pulsmaximums zwischen den beiden Drucksensoren noch auflösen zu können. Versuche haben gezeigt, daß diese Bedingungen mit einer Breite der einzelnen drucksensitiven Oberflä­ chen von 1 mm und einem gegenseitigen Abstand von 1 cm realisiert werden können.

Die einzelnen piezoelektrischen Drucksensoren bestehen aus piezoelektrischem Material und ragen mit ihrer der Arterie gegenüberliegenden Oberfläche durch die vorge­ nannten Ausnehmungen, die in der konvex geformten Ge­ häusewand eingearbeitet sind. Die einzelnen piezoelek­ trischen Drucksensoren nehmen auf diese Weise Halbring­ form an, in denen bei äußerer Druckbelastung zwischen ihrer äußeren und ihrer inneren Oberfläche proportional zur mechanischen Druck- oder Spannungseinwirkung Pola­ risationsladungen freigesetzt werden, die zu einer elektrischen Spannung zwischen den Oberflächen der Drucksensoren führen.

Da unter Druckeinwirkung zwischen den Oberflächen der piezoelektrischen Drucksensoren eine hohe Spannung durch vergleichsweise wenig Ladungen erzeugt wird, lassen sich niederfrequente Druckschwankungen, wie arterielle Druckpulsationen, nicht mehr erfassen, sofern der Auf­ nehmer direkt an ein niederohmiges Signalverarbeitungs­ system angeschlossen ist. Ein Vorverstärker mit mög­ lichst hohem Eingangswiderstand und geringem Ausgangs­ widerstand ist daher erforderlich, der möglichst nahe bei dem piezoelektrischen Element anzuordnen ist.

Vorzugsweise ist für jeden piezoelektrischen Drucksensor eine einfache, möglichst klein zu re­ alisierende Impedanzwandlerschaltung vorzusehen, die beispielsweise aus einem Feldeffekttransistor und zwei Widerständen, die unmittelbar im Inneren des Sensorge­ häuses integriert sind, besteht. Die gesamte Senso­ relektronik sollte aufgrund ihres hochohmigen Eingangs lückenlos gegen elektrische Einstreuungen abgeschirmt sein.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Außenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors und

Fig. 2 Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor.

In Fig. 1 geht eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Sensors zur nichtinvasiven und kontinuierlichen Erfassung der arteriellen Pulswellenlaufzeit hervor, der ein halbzylinderförmiges Gehäuse 1 aufweist. An dessen kreisförmig, konvex geformte Außenkontur sind zwei voneinander beabstandete piezoelektrische Drucksensoren 2 eingearbeitet. Der erfindungsgemäße Sensor wird mit seiner konvex kreisförmig ausgebildeten Halbzylin­ deroberfläche an den Bereich einer Arterie 3 gedrückt, die von Pulswellen 4 durchwandert werden. Das Sensorge­ häuse 1 weist vorzugsweise einen Krümmungsradius im konvex, halbkreisförmigen Mantelbereich von 2,5 mm und eine gesamte Gehäuselänge von etwa 14 mm auf. Vorzugs­ weise sind im konvex halbkreisförmig ausgebildeten Mantelbereich des Gehäuses 1 zwei angulär verlaufende Ausnehmungen vorgesehen, durch die von innen piezoelek­ trische Drucksensormaterialien 2 hindurchragen.

Aus Fig. 2 geht eine Längsschnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Sensor hervor, dessen halb­ kreisförmig konvex ausgebildete Manteloberfläche der Arterie 3 gegenüberliegt. Wie aus der Darstellung her­ vorgeht, ist die Oberseite des halbzylinderförmigen Gehäuses 1 durch zwei Ausnehmungen unterbrochen, durch die von innen eine piezoelektrische Folie 5 hindurch­ ragt. Die Piezopolymerfolie 5 ragt leicht über die Oberfläche des Gehäuses 1 hinaus. Die nach außen gerichtete, drucksensitive Oberfläche der Folie ist darüber hinaus metallisch bedampft und somit mit dem metallischen Sensorgehäuse 1 elektrisch kontaktiert. Die Kontaktierung erfolgt vorzugsweise über Preß- oder Klebekontaktierung.

Um die bei der Deformation der Piezopolymerfolie erzeugten Polarisationsladungen an der Unterseite der Folie abzugreifen, sind Halbscheiben aus leitfähigem Elastomer 6 vorgesehen, die die Piezopolymerfolie mit einer Impedanzwandlerschaltung, die für jeden einzelnen Drucksensor auf einem Substrat 7 aufgebracht sind, verbunden. Der Spannungsabgriff an der Innenseite eines jeden Drucksensors erfolgt im Bereich der Ausnehmungen über die jeweils leitenden Elastomerhalbscheiben 6 von ca. 1 mm Dicke. Die Elastomerhalbscheiben 6 werden durch Preßkontaktierung mit der nichtmetallisierten Innenseite der Piezofolie 5 mit dem jeweiligen Signaleingang der beiden integrierten Impedanzwandler­ schaltungen auf dem Substrat 7 kontaktiert. Gleichzeitig ist durch die elastische Hinterfütterung der Folie durch Verwendung elastischer Elastomerhalb­ scheiben dafür gesorgt, daß die Folienoberfläche an den Ausnehmungen leicht nach außen gedrückt ist, und somit im wesentlichen frontbündig oder leicht erhaben mit der Gehäuseoberfläche zu liegen kommt.

Die Auswertung der zeitlichen Verschiebung der Puls­ maxima erfolgt durch Differenzierung der Impedanzwandler-Ausgangssignale. Die zeitlich verschobenen Null­ durchgänge der beiden differenzierten Pulsdruckverläufe können zum Starten und Stoppen einer elektronischen Stoppuhr herangezogen werden. Durch die kleine Bauart des Sensors könnte dieser zusammen mit einer miniaturisierten Auswerteelektronik sowie einem Display zur Anzeige von Pulsfrequenz und Blutdruck an einem Armband getragen werden.

Claims (12)

1. Sensor zum nichtinvasiven und kontinuierlichen Erfassen der arteriellen Pulswellenlaufzeit, bei dem wenigstens zwei piezoelektrische Drucksensoren voneinander beabstandet in Arterienverlaufsrichtung hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Drucksensoren eine drucksensitive, streifenförmige Oberfläche aufweisen, die jeweils in ihrer Längserstreckung senkrecht zur Arterienverlaufsrichtung angeordnet sind, und daß ein Gehäuse vorgesehen ist, das wenigstens zwei, an die Konturen der streifenförmigen Oberflächen angepaßte Ausnehmungen aufweist, in denen die drucksensitiven, streifenförmigen Oberflächen der Drucksensoren, bündig mit der Gehäuseoberfläche angeordnet sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse metallisch ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drucksensitiven, streifenförmigen Oberflächen der piezoelektrischen Drucksensoren jeweils eine Streifenbreite auf­ weisen, die kleiner ist als der gegenseitige Abstand zweier in Arterienverlaufsrichtung angeordneten Drucksensoren.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden piezoelektrischen Drucksensoren 1 cm und die Breite ihrer streifenförmigen Oberflächen 1 mm betragen.

5. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gehäuse halbzylinderförmig ausgebildet ist und an seiner konvex, halbkreisförmig ausgebildeten Mantelfläche die Ausnehmungen derart aufweist, so daß sie angulär wenigstens teilweise um die Zylinderachse verlaufen.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des Halbzylinders 2,5 mm beträgt.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrischer Drucksensor eine Piezopolymerfolie, vorzugsweise aus Polyvinylidenfluorid, aufweist, die zumindest auf ihrer dem Gehäuse zugewandten Seite an den Bereichen der drucksensitiven Oberfläche metallisch beschichtet ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder piezoelektrische Drucksensor eine Impedanzwandlerschaltung zur Vorver­ stärkung der piezoelektrischen Signale aufweist.

9. Sensor nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Kontaktierung der innseitigen drucksensitiven Oberfläche jedes piezoelektrischen Drucksensors mit der Impedanzwandlerschaltung ein leitfähiges Verformelement vorgesehen ist.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Ver­ formelement aus leitfähigem Silikonkautschuk besteht.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen des zeitlichen Abstandes der Pulswellenmaxima in der arteria radialis der zeitliche Abstand der Nulldurchgänge der ersten zeitlichen Ableitung der beiden Sensorsignale re­ gistriert wird.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er an einem Armband oder in einer Armbanduhr integriert zur Pulsfrequenz- und Blutdruckmessung angeordnet ist.