DE202004013572U1

DE202004013572U1 - Optisches Sensorsystem zur Erfassung von Gewebe- und Materialeigenschaften

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Publication number: DE202004013572U1
Application number: DE200420013572
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2014-01-20

Abstract

Optisches Sensorsystem zur Erfassung von lokalen optischen Gewebe- und Materialeigenschaften, bestehend aus
– einem Sensorgehäuse (1),
– einer lokalen Energiequelle (18)
– einer elektrischen Kommunikationsschnittstelle (5) für den Datenaustausch mit einem Host (19),
– optischen Sendeelementen (6), die so angeordnet und mit verschiedenen Emissionswellenlängen betreibbar sind, dass deren optische Strahlung in das zu untersuchende Gewebe/Material (9) eingestrahlt wird,
– optischen Empfängerelementen (7), die so im Sensorgehäuse (1) angeordnet sind, dass die aus dem Gewebe/Material (9) diffus zurückgestreute optische Strahlung in definierten Abständen von den optischen Sendeelementen (6) erfassbar sind,
– den optischen Sendeelementen (6) und optischen Empfängerelementen (7) zugeordneten Elektronikbausteinen (8, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17), enthaltend
– einen Mikrokontroller (13),
– einen nichtflüchtigen Speicher (14), in welchem gemessene Daten gespeichert werden können, wobei
– mit den Elektronikbausteinen, die durch das Gewebe/Material (9) verursachten Schwächung der optischen Strahlung, aus...

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem, welches mit Hilfe des bekannten Verfahrens der optischen Spektroskopie eine Messung von optischen Eigenschaften eines Materials oder biologischen Gewebes realisiert.
In der medizinischen Anwendung ist das Verfahren der optischen Spektroskopie zur Bestimmung gewebeoptischer Parameter, wie Extinktion, Rückstreuung, Absorption bzw. daraus ableitbarer physiologischer Parameter, wie Perfusionsgrad, Vaskularisierung, Blutsauerstoffsättigung oder Gewebewasseranteil, bekannt. Nichtmedizinische Anwendungsgebiete sind die Langzeitüberwachung optischer Eigenschaften und daraus abgeleiteter physikalischer und chemischer Größen (z. B. Dichte, Stoffzusammensetzung, Dispersionsgrad) von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen, fortan als Material bezeichnet.
Hierzu sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen mit Hilfe von optischen Sendern und Empfängern die optischen Eigenschaften eines Gewebes/Materials bestimmt werden können.
So ist aus der DE 42 42 232 A1 eine Messvorrichtung zur nichtinvasiven Konzentrationsbestimmung polarisierender Stoffe im menschlichen Körper bekannt. Ein periodisch rotierender Polarisator wandelt den Drehwinkel der Polarisation in einen Phasenwinkel des Intensitätsverlaufes des durchgelassenen Lichtes. Durch Messung der Phasenverschiebung durch das Messobjekt zur Referenzphase sowie über eine statische Extinktionsmessung und eine dynamische Messung lässt sich die Blutzuckerkonzentration bestimmen.
Aus der DE 196 40 807 A1 ist eine Vorrichtung zur nichtinvasiven optischen Erfassung der Sauerstoffversorgung eines Patienten mit einer Laser-Lichtquelle, die einen Lichtstrahl auf das Messobjekt richtet und einem Detektor, der das aus dem Messobjekt austretende Licht detektiert und einer Verarbeitungsschaltung zuführt, bekannt. Die Lichtquelle strahlt Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge aus. Der Detektor ist als Detektorarray mit mindestens drei Einzeldetektoren ausgebildet, wobei die Signale der Einzeldetektoren derart verknüpft werden, dass das Sauerstoff-Sättigungssignal des untersuchten Messobjekts von den Störsignalen des darüber liegenden Gewebes getrennt wird.
In DE 196 30 381 C2 ist eine Vorrichtung angegeben, bei der die Blutfließgeschwindigkeit mit Hilfe eines optischen Dopplerverfahrens tiefenselektiv gemessen wird. Hierzu werden Photonen in unterschiedlichem Abstand von einer Lichtquelle bezüglich Frequenz und Intensität detektiert und aus den Informationen Rückschlüsse auf die relative Änderung der Flussmenge und/oder der räumlichen Lage des Flusses im Gewebe gewonnen.
In US 4 907 876 ist eine Anordnung angegeben, mit welcher Verhältnisse und zeitliche Relativänderungen von Stoffkonzentrationen in Gewebe/Material spektrometrisch mit Hilfe von Dauerlichtquellen und ortsaufgelöster Messung des Rückstreulichtes bestimmt werden können.
Aus der DE 100 07 285 A1 ist noch eine Chipkarte mit einem Chipkartenkörper und einer aus diesem angeordneten kontaktbehafteten und/oder kontaktlosen Schnittstelle für einen Kartenleser bekannt. Um die bekannte Chipkarte für weitere Anwendungsfelder nutzbar zu machen, steht der Chipkartenkörper der Chipkarte mit mindestens einem karteninternen und/oder kartenexternen Sensor zur Messung einer chemischen und/oder physikalischen und/oder biologischen Größen und/oder eines biometrischen Merkmals in einer elektrischen Verbindung. Die Chipkarte ist mit einem elektronischen Messdatenspeicher zur Speicher der von dem mindestens einen Sensor ermittelten Messwerte versehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein kompaktes und miniaturisiertes optisches Sensorsystem anzugeben, das quasi-kontinuierlich über Zeiträume von mehr als einer Stunde die optischen Eigenschaften eines Gewebes/Materials misst und aufzeichnet. Durch die Miniaturisierung ist zu gewährleisten, dass das Sensorsystem auch an kleinen Messobjekten bzw. kleinen Messoberflächen angebracht werden kann. Zudem soll seine Einwirkung auf das Messobjekt, z. B. durch mechanische Beanspruchung (Druck, Zug), minimiert werden. Weiterhin soll das Sensorsystem ohne physische Verbindung zu einem Grundgerät gestaltet sein, um die Bewegungsfähigkeit des Messobjektes (z. B. Patient) nicht einzuschränken.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Schutzanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten und Ausgestaltungen des Sensorsystems sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Durch das Sensorsystem wird die Schwächung (Extinktion) des Lichtes gemessen, welches von einer Anzahl von Strahlungsquellen ins Gewebe eingestrahlt und durch einen Detektor oder eine Vielzahl von Detektoren an verschiedenen Orten der Messoberfläche erfasst wird. Dies ist mit den oben benannten Anordnungen nicht möglich, da diese immer aus einem abgesetzten Anwendungsteil und einem Grundgerät mit einer zwischengeschalteten physischen Verbindung zur Energieübertragung und Kommunikation bestehen.
Im Gegensatz zu anderen Anordnungen, die diesen Zweck erfüllen, zeichnet sich das der Erfindung zugrundeliegende Sensorsystem durch einen vollständig autonomen Betrieb über einen längeren Zeitraum aus. Dies wird durch die spezielle Gestaltung des Sensors, insbesondere durch seine Miniaturisierung sowie die Ausstattung mit zusätzlichen elektronischen Modulen zur sensorintemen Datenverarbeitung (Mikrokontroller, Datenspeicher, Kommunikationsschnittstelle) erreicht. Weiteres besonderes Merkmal des Sensorsystems ist die Möglichkeit, zeitgleich mehrere Sensoren an mehreren Messorten einzusetzen. Damit können vergleichende Messungen zeitlicher Parameteränderungen für verschiedene Messorte autonom, d. h. ohne physische Verbindung zum zentralen Verarbeitungsrechner (Host), durchgeführt werden. In der medizinischen Anwendung ist dies insbesondere bei gleichzeitiger Messung an verschiedenen Personen oder bei gleichzeitiger Messung an verschiedenen Lokationen an einer Person notwendig, wenn im Messzeitraum die Mobilität der Personen) nicht durch Energie- und Kommunikationsverbindungen (Kabel, Lichtwellenleiter) eingeschränkt sein darf oder andererseits eine Freiraumdatenübertragung (Infrarotschnittstelle, Funkschnittstelle, akustische Übertragung) zum Host aus technischen oder ethischen Gründen nicht realisierbar oder wünschenswert ist.
Die zeitliche Synchronisierung der Messungen der eingesetzten Sensoren ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Initialisierungszeitpunkte der Sensoren als Systemzeitpunkte der Hostuhr (z. B. Weltzeit) auf dem Host gespeichert werden und die Messwerterfassung auf dem Sensor durch einen quarzstabilisierten Zeitgeber mit einem Basisinterval MZB getriggert wird. Damit lassen sich nach dem Auslesen eines Sensors die gespeicherten Daten eindeutig entsprechenden Systemzeitpunkten des Hostes zuordnen.
Durch Verwendung mehrerer Detektoren kann die Ortsabhängigkeit der spektralen Extinktion E(λ,x) mit dem geometrischen Sender-Detektor-Abstand x bestimmt werden. Dieser ortsdiskrete Parameter besitzt für die Bestimmung der optischen Eigenschaften des untersuchten Gewebes/Materials einige Vorteile gegenüber dem Extinktionswert für einen einzigen Quell-Detektor-Abstand:

1. Er ermöglicht eine tiefenselektive Messung, da für größere Quell-Detektor-Abständen auch die Eindringtiefe der Strahlung ins Untersuchungsmedium zunimmt.
2. Der Differenzwert E(λ,x₁)–E(λ,x₂) ist von der Quellintensität I_S(λ) unabhängig, womit die Bestimmung des letztgenannten Wertes entfällt.
3. Es können Methoden der ortsaufgelösten Spektroskopie angewendet werden, die beispielsweise für eine Bestimmung der Blutsauerstoffsättigung bei Gewebeuntersuchungen geeignet sind.

Aus den bei verschiedenen Wellenlängen erfassten Extinktionswerten E(λ₁)...E(λ_N) lassen sich prinzipiell mit Hilfe spezieller mathematischer Berechnungsverfahren weitere optische und physikalische Parameter des Untersuchungsvolumens bestimmen. Für Gewebeuntersuchungen sind dies beispielsweise die Hämoglobinkonzentration sowie die Blutsauerstoffsättigung unter dem Sensor. Mathematische Verfahren zur Berechnung solcher Parameter sind Stand von Wissenschaft und Technik (z. B. Sevick et al.: „Quantitation of time- and frequency resolved optical spectra for the determiniation of tissue oxygenation", Anal. Biochem. 195, 330-51, 1991; Matcher et. al.: "Absolute quantification methods in tissue near-infrared spectroscopy", Proc. SPIE, 2389, 486-95, 1995; Patterson et al., "Time resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties", Appl. Opt., 28, 2331-36, 1989) und werden hier nicht weiter diskutiert.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Ansicht des Sensors in 3 Darstellungen
2 eine schematische Schnittdarstellung des Sensors am Gewebe
3 einen Aufbau der Sensorelektronik
4 ein Zustandsübergangsdiagramm für den Sensorbetrieb
5 ein Schema der zeitsynchronisierten Messdatenzuordnung bei zeitgleichem Einsatz mehrerer Sensoren
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in den Ansichten von oben, von vom und von unten. An der Unterseite befinden sich die für die Erfüllung der Messfunktion notwendigen optischen Elemente. Dies sind mehrere (hier drei) optische Sendeelemente 6, vorzugsweise LEDs oder Laserdioden sowie mehrere (hier drei) optische Empfängerelemente 7, welche in definierten Abständen zu den optischen Sendeelemente 6 angeordnet sind. Weiterhin befindet sich am Sensor ein Batteriefach 3 zur Aufnahme einer für die Stromversorgung vorgesehenen Energiequelle (z. B. Batterie oder Akkumulator), ein Schalter 2 zum An- und Abschalten der Versorgungsspannung sowie eine Kommunikationsschnittstelle 5 zur elektronischen Datenübertragung (Steckverbinder) zwischen Host und Sensor. Optional kann der Sensor durch weitere Bedien- und Anzeigeelemente (z. B. Schalter, Regler, Taster, Anzeige-LEDs, LCD-Display) ergänzt sein. Ebenfalls optional kann die Datenübertragung zwischen Sensor und Host auf anderem Wege (elektromagnetische Übertragung, optische Übertragung, z. B. auch über die bereits vorhandenen Strahlungsquellen und -empfänger) erfolgen. Eine weitere Option besteht in der Integration eines zusätzlichen internen Strahlungsdetektors, welcher die Intensität der Strahlung der einzelnen Sendeelemente 6 direkt über eine optische Verbindung (z. B. Lichtleiter oder Luftweg) misst, um Fluktuationen der Strahlungsintensität (Alterungs- und Temperaturabhängigkeit der Leistung der Sendeelemente) zu erfassen. Der Sensor ist so gestaltet, dass eine stabile Fixierung am vorgesehenen Applikationsort möglich ist. Insbesondere sorgt eine flache Bauform für eine möglichst geringe Angriffsfläche gegenüber externen Kräften, die ein Verschieben oder Verrutschen des Sensors bewirken können.
Weiterhin kann der Sensor durch ein Befestigungsband bzw. eine Führung für ein Befestigungsband ergänzt werden. Weitere Fixierungsmöglichkeiten sind durch Nutzung (othopädischer) Badagen, eines Verbandes oder adhäsiver Befestigungsmittel gegeben.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Sensors an der Oberfläche des Gewebes/Materials 9. Die prinzipielle Funktion des Sensors beruht auf der optischen Durchstrahlung des zu untersuchenden Gewebes/Materials 9 und die Bestimmung der durch das Gewebe/Material 9 verursachten Schwächung der optischen Strahlung. Dazu wird gemäß 2 die Strahlung der optischen Sendeelemente 6 in das Untersuchungsvolumen eingetragen und die durch Rückstreuung aus dem Untersuchungsmedium austretende optische Strahlung an den optischen Empfängerelementen 7 erfasst. Die Intensität I_D der an einem Detektor ankommenden Strahlung ist eine eindeutige Funktion der optischen Materialeigenschaften (Streuung und Absorption), der Intensität I_S der Strahlung bei Eintritt in das Medium am Ort des Sendeelementes sowie der verwendeten Wellenlänge λ der Strahlung. Als zu erfassender Parameter kann die spektrale Extinktion E(λ) mit der Definition
verwendet werden. Im Allgemeinen kann es bei Messungen zusätzlich zu einem Einfall von Umgebungslicht in den Detektor kommen. Dieser Störeffekt kann durch technische Maßnahmen, wie eine ausreichende Abdeckung oder Abdunklung des Messortes gemindert, oder durch elektronische Mittel (AC-Modulation) ausgeschlossen werden. Ist beides nicht anwendbar, so wird das Dunkelsignal I_dunkel durch Messung bei abgeschalteten Sendern mit erfasst und die gesuchte spektrale Extinktion
über Verrechnung der Dunkelwerte berechnet.
Zur Berechnung der Extinktion nach GI. (1) bzw. (2) muss die Intensität I_S der in das Gewebe 9 eingetragenen Strahlung bekannt sein. Im Allgemeinen besteht ein a-priori bekannter oder messtechnisch bestimmbarer Zusammenhang zwischen dem Betriebsstrom der Sendeelemente 6 und der abgestrahlten optischen Leistung. Dieser Zusammenhang kann z. B. durch eine Kalibriermessung bestimmt werden. Ist mit einer Langzeitveränderung dieses Zusammenhangs zu rechnen (Alterung der Elemente), so sollte der Kalibriervorgang vor jedem Sensoreinsatz, zumindest jedoch in genügend kurzen Zeitabständen erfolgen. Ist der Zusammenhang einer kurzzeitigenen Drift unterworfen (z. B. Temperaturabhängigkeit) so ist eine direkt Erfassung der Strahlungsintensität der Sender durch einen sensorintemen zusätzlichen Strahlungsempfänger vorzusehen, welchem ein Teil der Senderstrahlung, z. B. über Lichtwellenleiter, zugeführt werden muss.
Die weiteren Hauptbestandteile des der Erfindung zugrundeliegenden Sensors sind in 3 dargestellt. Dies ist die Sensorelektronik, welche aus den Komponenten: Mikrokontroller 13, Empfängerelektronik 11, Senderelektronik 12, Speicher 14, Kommunikationsschnittstelle 5, Zeitgeber 16 und Stromversorgungsmodul 17 besteht.
Der Mikrokontroller 13 als zentraler Baustein des Sensors realisiert alle Steuer- und Datenkommunikationsaufgaben. Zu diesen gehören die Umsetzung des Messregimes, die Kommunikation mit dem Host, das Datenmanagement und diverse andere Funktionen, wie Initialisierung der Baugruppen, Batteriekontrolle, Steuerung von weiteren Bedien- und Anzeigeelementen.
Durch die Empfängerelektronik 11 werden die am Photodetektor erzeugten Signale aufbereitet. Der Photostrom der als Strahlungsdetektoren eingesetzten Photodioden wird z. B. mittels Transimpedanzverstärker in ein Spannungssignal gewandelt und durch einen mehrkanaligen A/D-Wandler in eine digitale Form überführt. Die Senderelektronik 12 besteht mindestens aus einem mehrkanaligen D/A-Wandler sowie einem Spannungs-Strom-Umsetzer. Mit dem durch den Mikrokontroller über den D/A-Wandler und den Umsetzer eingestellten Betriebsstrom werden die optischen Sender entsprechend des Messregimes betrieben. Der Speicher 14 ist als nichtflüchtiger Speicher (z. B. EEPROM) ausgeführt. Alternativ zum EEPROM kann auch eine Memory-Card oder ein gepufferter RAM mit entsprechender Ansteuerelektronik vorgesehen werden. Die Kommunikationsschnittstelle ist mit entsprechender Elektronik zur Protokoll- und Pegelumsetzung für das verwendete Datenaustauschprotokoll (RS232, USB, I²C, SSP, o. ä.) ausgestattet. Über diese Schnittstelle erfolgt die Kommunikation mit dem Host. Der sensorinterne Zeitgeber 16 arbeitet mit einer für die Messung geeigneten Zeitbasis, z. B. mit einer Sekunde Intervallbreite. Mit Hilfe dieser internen Uhr erfolgt die zeitsynchrone Messung. Schließlich ist das Stromversorgungsmodul dafür zuständig, die Batteriespannung (z. B. 1,5 V bei Verwendung einer Knopfzelle) auf die von der Elektronik geforderten Spannungspegel (z. B. 5 V, ±10 V) zu konvertieren, zu stabilisieren und zu verteilen. Die Batteriespannung wird vom Mikrokontroller überwacht und der Messmodus bei zu geringer Batteriespannung geordnet beendet.
Prinzipiell sind für den Sensor die zwei Betriebsarten „Einzelmessung" und „Autonome Messung" vorgesehen. In der Betriebsart „Einzelmessung" wird ein einzelner Messwert aufgezeichnet und sofort zum Host übertragen. Als Einzelmessung wird dabei die in einem kurzen Zeitraum einmalig ablaufende Messung der Detektorintensitäten I_D(λ) bei sequentiellem Anschalten aller Strahlungssender sowie gegebenenfalls des Dunkelsignals bezeichnet. Der Ablauf der Einzelmessung erfolgt nach folgendem Schema:
Ablauf einer Einzelmessung:

– Abschalten aller Strahlungsquellen
– Aufnahme, Digitalisierung und Zwischenspeicherung der Dunkelwerte aller Detektoren
– Anschalten der ersten Strahlungsquelle
– Aufnahme, Digitalisierung und Zwischenspeicherung der Intensitätsmesswerte I_D(λ,) aller Detektoren
– Abschalten der ersten Strahlungsquelle
– Anschalten der zweiten Strahlungsquelle
– Aufnahme, Digitalisierung und Zwischenspeicherung der Intensitätsmesswerte I_D(λ₂) aller Detektoren
– Abschalten der letzten Strahlungsquelle

Die Messdaten liegen im Abschluss der Einzelmessung als Menge von N = N_D·(N_S+1) digitalen Werten (N_D = Anzahl der Detektoren, N_S = Anzahl der Quellen) vor, welche im mikroprozessorinternen Speicher zwischengespeichert werden. Mit einer Diskretisierungstiefe T_ADC stehen demzufolge N·T_ADC Bits Information im Speicher. Die weitergehende Datenverarbeitung (z. B. Umwandlung der Binärwerte in Gleitkommawerte, Dunkelwertsubtraktion, Berechnung optischer Material- / Gewebeparameter) erfolgt durch den Host. In der Betriebsart „Einzelmessung" werden die Daten über die Kommunikationsschnittstelle direkt zum Host transferiert. In der Betriebsart „Autonome Messung" werden sie im nichtflüchtigen Sensorspeicher nacheinander abgelegt und können später vom Host abgerufen werden. Die Anzahl der bereits absolvierten Einzelmessungen wird in der Variable MWZ (Tabelle 1) gespeichert. Die maximal mögliche Zahl von Einzelmessungen für eine autonome Messung ist durch die Konstante MWZmax gegeben, welche durch die Größe des Sensorspeichers bestimmt ist. Weitere für die Betriebsart „Autonome Messung" wichtige Größen sind die Messzeitbasis MZB und die Messungsidentifikationsnummer MID. Beide Ganzzahlgrößen werden vom Host vergeben und bei autonomer Messung auf dem Sensor gespeichert. Die Variable MZB gibt das Zeitgeberintervall an, mit welchem die Einzelmessungen ausgelöst werden. Durch Speicherung des Aktivierungszeitpunktes für jeden Sensor auf dem Host ist so eine eindeutige Zuordnung der auf dem Sensor gespeicherten Einzelmesswerte zur Systemzeit des Hosts möglich. Die MID dient dabei als Referenz für die Messung und darf für jede Messung nur einmal vergeben werden.
Der Sensor arbeitet ereignisgesteuert. Die Ereignisse sind entweder Signale vom Host oder Zeitgeberinterrupts. Der Sensorbetrieb lässt sich demzufolge mit Hilfe eines Zustandsgraphen durch Zustände und Zustandsübergänge beschreiben. Zustandsübergänge erfolgen als Reaktion auf Ereignisse und unter Ausführung von Aktionen, welche ihrerseits mit Datenein- und Ausgabe verbunden sind. Die weiteren Zusammenhänge sind in 4 und den folgenden Tabellen 1–4 näher dargestellt. Es sind folgende (für die Funktionsbeschreibung wesentliche) Variablen, Zustände, Ereignisse und Aktionen definiert:
Tabelle 1: Beschreibung von Variablen und Konstanten
Tabelle 4: Beschreibung der Sensoraktionen
Die Ereignisbehandlung durch den Mikrokontroller wird vorteilhafterweise im Interruptbetrieb gelöst. Damit kann in den Pausen zwischen den Ereignissen der Betriebsstrom der Schaltung auf das erforderliche Mindestmaß (z. B. den Zeitgeberbetrieb) reduziert werden (Schlafmodus).
Bei der Anwendung des Sensors ist folgende Vorgehensweise vorgesehen. Der Sensor wird an einem dafür vorgesehen Messort aufgebracht und mittels eines Befestigungsmittels (Binde, Halteband, Bandage, Adhäsivum) so fixiert, dass der Sensor möglichst unbeweglich am Applikationsort festsitzt. Dabei kann die Kommunikationsverbindung zum Host bestehen, d. h. das Befestigungsmittel muss z. B. eine Öffnung über dem Steckverbinder am Sensor aufweisen, durch welche das Kommunikationskabel an den Sensor anschließbar ist. Nach der Fixierung werden vom Host durch Generierung des Ereignisses E_EMS Messwerte in der Betriebsart „Einzelmessung" aufgezeichnet. Gegebenenfalls wird durch Bewertung der Signalgüte der Messwerte über das Ereignis E_SET vom Host aus der Betriebsstrom der Sendeelemente so angepasst, das für das vorliegende Material / Gewebe am Messort ein optimales Signal erreicht wird. Ist die Signalgüte im gesamten Einstellbereich unzureichend, wird ein Warnung oder Fehlermeldung ausgegeben. Kriterien dafür sind die Lage des Intensitätssignals bezüglich der Rauschschwelle bzw. des Diskretisierungsfehlers (unterer Grenzwert) und der maximal messbaren Intensität (oberer Grenzwert). Ebenfalls kann die Plausibilität der berechneten optischen und physikalischen Parameter zu diesem Zeitpunkt überprüft werden. Nach Abschluss dieser Einstellungen kann durch das Ereignis E_AMS der autonome Betrieb gestartet werden. Alternativ dazu ist natürlich auch eine sequentielle Messwerterfassung in der Betriebsart „Einzelmessung" unter Beibehaltung der physischen Verbindung zum Host möglich.
Mit den obigen Ausführungen wurde die Funktionsweise eines Einzelsensors beschrieben. Besonderer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit des Einsatzes mehrerer Sensoren zur zeitsynchroner Datenerfassung. Dies geschieht nach dem in 5 dargestellten Zeitschema. Die Sensoren können dabei nacheinander durch den Host-Rechner für den autonomen Betrieb initialisiert werden. Jeder Sensor fängt dann zu einem anderen Zeitpunkt mit der Datenerfassung an. Die Startzeitpunkte werden im Hostrechner unter der jeweiligen MID abgelegt. Neben dem Startzeitpunkt können auch andere Informationen über die MID eindeutig jeder Messung zugeordnet werden. Nach Abschluss einer Untersuchung mit mehreren Sensoren werden die Sensoren nacheinander durch den Host mit dem Ereignis E_UPLOAD ausgelesen und die Daten auf dem Host gespeichert. Über die unter der MID gespeicherten Startzeitpunkte ist dann eine eindeutige zeitlich Zuordnung der Messdaten zur Systemzeit des Hosts bzw. zur Weltzeit möglich. Durch diese zeitsynchrone Datenerfassung an den Sensoren ist nach dem Auslesen der Sensoren durch den Host eine Zuordnung der Sensormesszeitpunkte zur Hostzeit möglich.

1: Sensorgehäuse
2: Schalter
3: Batteriefach
4: Klemme für Befestigungsband
5: Kommunikationsschnittstelle
6: optisches Sendeelement
7: optisches Empfängerelement
8: Leiterplatte
9: Gewebes / Materials
10: repräsentativer Lichtweg im Gewebe / Material
11: Empfängerelektronik
12: Senderelektronik
13: Mikrokontroller
14: Speicher
15: Schnittstellenelektronik
16: Zeitgeber
17: Stromversorgungsmodul
18: Energiequelle
19: Host
20: Ergebnisdiagramm

Claims

Optisches Sensorsystem zur Erfassung von lokalen optischen Gewebe- und Materialeigenschaften, bestehend aus – einem Sensorgehäuse (1), – einer lokalen Energiequelle (18) – einer elektrischen Kommunikationsschnittstelle (5) für den Datenaustausch mit einem Host (19), – optischen Sendeelementen (6), die so angeordnet und mit verschiedenen Emissionswellenlängen betreibbar sind, dass deren optische Strahlung in das zu untersuchende Gewebe/Material (9) eingestrahlt wird, – optischen Empfängerelementen (7), die so im Sensorgehäuse (1) angeordnet sind, dass die aus dem Gewebe/Material (9) diffus zurückgestreute optische Strahlung in definierten Abständen von den optischen Sendeelementen (6) erfassbar sind, – den optischen Sendeelementen (6) und optischen Empfängerelementen (7) zugeordneten Elektronikbausteinen (8, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17), enthaltend – einen Mikrokontroller (13), – einen nichtflüchtigen Speicher (14), in welchem gemessene Daten gespeichert werden können, wobei – mit den Elektronikbausteinen, die durch das Gewebe/Material (9) verursachten Schwächung der optischen Strahlung, aus einem Zusammenhang zwischen der von den optischen Sendeelemente (6) in das Untersuchungsvolumen eingetragen und die durch Rückstreuung aus dem Untersuchungsmedium austretende optische Strahlung an den optischen Empfängerelementen (7), bestimmt wird, und – über die Kommunikationsschnittstelle (5) auf Basis eines vorgegebenen Datenaustauschprotokolls Daten zwischen Host (19) und Sensor übertragbar sind.
Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1, das über eine Detektorelektronik (11) verfügt, welche die Signalwandlung, Verstärkung und Digitalisierung der elektrischen Detektorsignale realisiert, und über eine Senderelektronik (12) verfügt, welche den Betriebsstrom für die optischen Sendeelemente in einer von einem Kontroller (13) vorgegebenen Stärke generiert.
Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, das über einen quarzbasierten Zeitgeber (16) verfügt, welcher in einer Betriebsart Interrupts mit vorgegebenem Zeitintervall generiert, und damit eine zeitsynchrone Messung der optischen Parameter ermöglicht.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das in einer Betriebsart betreibbar ist, in welcher unter Steuerung durch den Mikrokontroller (13) nacheinander die einzelnen optischen Sender (6) durch die Senderelektronik (12) angeschalten werden, die Messwerte aller Detektoren (7) durch die Detektorelektronik (11) erfasst, im Mikrokontroller (13) zwischengespeichert und anschließend direkt über die Kommunikationsverbindung (5, 15) zum Host (19) übertragen werden.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das in einer Betriebsart betreibbar ist, in welcher unter Steuerung durch den Mikrokontroller (13) in vorgegebene Zeitschritten Interrupts generiert werden, in deren Behandlungsroutine jeweils eine zuvor beschriebene Einzelmessung durchgeführt wird, und die Daten der Einzelmessung im sensorinternen nichtflüchtiger Speicher (14) abgelegt werden.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das über die Kommunikationsschnittstelle (5, 15) Ereignis-Interrrupts generieren kann, die den Mikrokontroller (13) anweisen, bestimmte softwaregesteuerte Aktionen durchzuführen, insbesondere den Sensor neuzuinitialisieren, Messdaten zum Host zu laden, eine Einzelmessung durchzuführen oder den Sensorstatus zum Host zu senden.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Datenübertragung zwischen Sensor und Host (19) über eine bidirektionale elektrische Verbindung (5), eine optische Verbindung, elektromagnetische Verbindung oder akustische Verbindung erfolgt.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein sensorinterner Referenzdetektor die Intensität der an den Sendern (6) generierten optischen Strahlung misst und dazu ein Teil der optischen Strahlung der Sender (6) über eine optische Verbindung in einen Referenzdetektor eingekoppelt wird.
Optisches Sensorsystem nach einem der Anspruche 1 bis 8, bei dem die Strahlung der optischen Sender (6) durch eine Senderelektronik (12) frequenzmoduliert wird und durch AC-Filterung an den optischen Empfängerelementen (7) nur das modulierte Signal verarbeitet wird.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem durch zusätzliche, am Sensor angebrachte lichtundurchlässige Materialien das Messfeld vor Fremdlichteinfall geschützt wird.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem während einer Messung bei abgeschalteten optischen Sendeelementen (6) der vorhandene Dunkelwert an den optischen Empfängerelementen (7) gemessen und in der Datenauswertung entsprechend verrechnet wird.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem verschiedene Lichtquellen (6) mit verschiedenen Trägerfrequenzen durch eine Senderelektronik (12) intensitätsmoduliert werden und eine Detektorelektronik (11) die Signale der gleichzeitig strahlenden optischen Sendeelemente (6) durch ein Frequenzdemultiplexingverfahren getrennt erfasst.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein Mikrokontroller (13) vollständig interruptgesteuert arbeitet und in den Messpausen eine Reduzierung des Betriebsstroms des Sensors mit elektronischen Mitteln realisiert wird.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem ein oder mehrere Sensoren gemeinsam mit einem Host-Rechner (19) zur Anwendung kommen, wobei durch den Host-Rechner (19) die Initialisierung der Sensoren, das Auslesen der Daten nach Abschluss einer Messung, die Verarbeitung der Daten und die Darstellung der Ergebnisse ausgeführt wird.
Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem am Sensorgehäuse (1) eine Vorrichtung (4) zum Fixieren des Sensorsystems (4) am Applikationsort vorgesehen ist.