DE2606102A1 - Geraet zur ueberwachung von pulsierend stroemenden fluessigkeiten - Google Patents
Geraet zur ueberwachung von pulsierend stroemenden fluessigkeitenInfo
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Description
Commander Thomas ORR, Starboard House, 30 Shore Road,
Warsash, Southampton, England
Gerät zur überwachung von pulsierend strömenden Flüssigkeiten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur überwachung von
pulsierend strömenden Flüssigkeiten mit einem auf die Pulsation ansprechenden Sensor, der elektrische Signale im Rhythmus
dieser Pulsation liefert.
Geräte dieser Art für medizinische Zwecke sind bereits in der DT-OS 2 1M2 095 beschrieben. Bei diesen bekannten Geräten
wird als Sensor ein druckempfindlicher Widerstand verwendet, der seinen Widerstandswert in Abhängigkeit von dem auf ihn
ausgeübten Druck ändert. Dieser Sensor wird an der Person deren Puls überwacht, werden soll, mit einem Band derart befestigt,
daß er auf der Innenseite etwas vorragt und dadurch
die vom Puls ausgehenden Druckschwankungen auf ihn übertragen werden.
Die vorliegende Erfindung hat eich zur Aufgabe gestellt ein
Gerät anzugeben, bei welchem zur Erregung des Sensors keine mechanische übertragung von Druckschwankungen erforderlich ist,
sondern der Sensor nur durch optische Beeinflussung von Strahlen erregt wird, also mechanische, vorragende übertragungsmittel,
welche in vielen Fällen lästig bzw. unerwünscht sind, entbehrlich sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Gerät der eingangs genannten Art derart ausgebildet, daß es eine Lichtquelle enthält,
welche die pulsierend strömende Flüssigkeit und deren lichtdurchlässige Umgebung beleuchtet, und da* es einen fotosensitiven
Sensor enthält, welcher in Abhängigkeit von Schwankun-
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ORIGINAL INSPECTED
2806102
gen der Intensität des von der strömenden Flüssigkeit reflektierenden
Lichtes ein Signal liefert, das eine Punktion der Veränderung der überwachten Strömung ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform für medizinische Zwecke
mit einem auf Pulsschläge ansprechenden Sensor ist die Lichtquelle derart angeordnet, daß sie das Hautgewebe durchleuchtet,
und es ist ein fotosensitiver Sensor vorgesehen, weleher in Abhängigkeit von Schwankungen der Intensität des vom
Hautgewebe bzw. vom Blut reflektierten Lichtes ein elektrisches Signal liefert, das eine Funktion der Änderungen des
arteriellen Blutflusses im durchleuchteten Bereich ist.
Weitere Ausgestaltungen und Fortbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden im nachstehenden
in Verbindung mit den Ausführungsbeispiele darstellenden, zum Teil schematisch vereinfacht gezeichneten Figuren erläutert.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:
Fig.l einen Querschnitt durch eine als Pulsüberwachungsgerät
ausgebildete Ausführungsform der Erfindung,
Fig.2 einen zur Fig.l analogen Querschnitt durch eine andere
als Pulsüberwachungsgerät ausgebildete Ausführungsform der Erfindung,
Fig.3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig.2,
gesehen in Richtung des Pfeile« A.
Die in Fig.l im Querschnitt dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsüberwachungsgerätes enthält eine trans-
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parente Schicht 10, an deren Unterseite eine lichtemittierende Diode 11 angeordnet ist. Für die Energiezufuhr ist ein
metallischer Basiskontakt 12 und eine Zuleitung 13 sowie ein oberer metallischer Kontakt 14 vorgesehen. Letzterer hat
eine kreisförmige Öffnung 15, durch welche das von der lichtemittierenden Diode 11 emittierte Licht hindurchtritt. Auf
der Oberseite der Schicht 10 ist eine ringförmige Kontaktschicht 16 vorgesehen, welche eine kreisförmige Öffnung 17
hat und über einen Durchführungskontakt 18 mit einem geeigneten (nicht dargestellten) Ausgangskreis verbunden ist.
Es ist eine fotoelektrische FN-Zone vorhanden, welche dadurch gebildet wird, daß eine Schicht 19 aus Kadmiumsulfid auf die
ringförmige Kontaktschicht 16 und darüber eine ringförmige Schicht 20 von Kupfersulfid (CUgS) aufgebracht wird, welche
eine kreisförmige Öffnung 21 hat. Die Schicht 20 ist mit einem Durchführungskontakt 22 auf einem Kontaktstreifen 23
verbunden. Die Oberseite der vorstehend beschriebenen Anordnung ist mittels einer durchsichtigen Schicht 24 aus Kunststoff abgedeckt, deren Oberflächenschicht 24a mit der menschlichen Haut verträglich sein und aueh nach längerer Hautberührung keinen schädlichen Einfluß auf die Haut ausüben soll.
Die vorstehend beschriebene Hülle kann in Anpassung an den Anwendungszweck entsprechend geformt sein, beispielsweise eine
konkave Oberfläche haben und an den Durehmesser eines Uhrgehäuses angepaßt sein, an welchem das Pulsüberwachungsgerät befestigt wird, tu ein· entsprechende Lichtabdeckung sicherzustellen. Segebenenfalls kann die Hülle auch aus flexiblem
Material sein.
Die Öffnungen 15, 17 und 21 sind so bemessen und angeordnet, daß das von der lichtemittierenden Diode 11 abgegebene Licht
nicht auf die benachbarten Kontakte und Schichten fällt.
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Das Pulsüberwachungsgerät kann in der Weise verwendet werden,
wie es in'der DT-OS 2 142 095 beschrieben ist, und es können
dabei die Schaltanordnungen verwendet werden, welche in den Fig.5, 6 und 7 dieser DT-OS dargestellt sind.
Obwohl das Pulsüberwachungsgerät mit Gleichstromquellen betrieben werden kann, ist es doch in den meisten Fällen vorzuziehen,
die lichtemittierende Diode 11 mit Impulsen zu speisen oder wenigstens periodisch, wobei die Frequenz viel höher
als die normale, zu überwachende Pulsfrequenz ist.
Die Speisespannung kann beispielsweise 1000 Hz betragen und über die Kontakte 12 und 14 zugeführt werden. Die Diode 11
wird das Licht impulsweise emittieren, welches dann durch die öffnungen 15, 17 und 21 hindurch das benachbarte Hautgewebe
durchleuchtet. Das Licht wird von dem Hautgewebe reflektiert und auf die lichtempfindliche Oberfläche, also auf die Cu2S-Schicht
20 auftreffen und an den Kontakten 20 und 22 ein Ausgangssignal erzeugen, dessen Modulationsfrequenz der Pulsfrequenz
des Menschen entspricht, dessen Haut durchleuchtet wird.
Eine andere in den Fig.2 und 3 dargestellte Ausführungsform
enthält eine Glasschicht 25, auf welcher ein isolierender
Kunststoffilm 26 aufgebracht ist, welcher die für die elektrischen
Anschlüsse vorgesehenen einzelnen metallisierten Kontaktzonen 27, 27a, 27b und 28 gegen die Glasschicht 25 isoliert.
Es ist eine fotoelektrische PN-Zone vorhanden, welche dadurch gebildet ist, daß eine Kadmiumsulfidsehicht 29 auf die Oberseite
eines mit Metallüberzug versehenen Bereiches des FiI-mes 26 und darauf eine ringförmige Schicht 30 von Kadmiumsulfid
(Cu2S), welehe eine zentrale öffnung 31 hat, aufgebracht
ist. Die Glasschicht 25, die Kadmiumsulfidschicht 29 und Kunststoff-Film 26 haben eine durchgehende öffnung 32, in der
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eine Lichtquelle angeordnet ist, welche aus einer lichtemittierenden
Diode 33 besteht, die mittels Epoxidharz 34 in einer offenen Röhre 35 aus rostfreiem Stahl untergebracht
ist. Die Röhre 35 ist innerhalb der öffnung 32 mit Epoxidharz
befestigt. Die Energiezufuhr für die lichtemittierende Diode 33 erfolgt über die Leitungen 37 und 38.
Die Kupfersulfid-Schicht 30 ist über die Kontaktzone 27, über
die C-förmige Zone 27a und über die radiale- Zone 27b mit dem Kontakt 39 verbunden. Die Kadmiumsulfidschicht 29 ist über
-die radiale Zone 28 an ein elektrisches Potential angeschlossen. Die Zonen 27 und 28 sind derart ausgebildet, daß sie
zwecks Herstellung der elektrischen Ausgangskontakte auf die Unterseite der Glasschicht 28 geführt sind. Die vorstehend
beschriebene Anordnung ist von einer Glasplatte 4l abgedeckt, welche innerhalb eines mit Planschen versehenen Ringes 42
aus rostfreiem Stahl angeordnet ist, um das Pulsüberwachungsgerät beispielsweise auf der Rückseite einer Armbanduhr zu befestigen.
Die Innenseite des Ringes 42 ist mit einer isolierenden Schicht überzogen, um Kurzschlüsse der Kontaktzonen 27, 27a,
27b und 28 zu vermeiden. Die Punktion des Gerätes entspricht der im Zusammenhang mit Fig.l beschriebenen Punktion, jedoch
mit der Ausnahme, daß der lxchtemxttierenden Diode 33 Energieimpulse über die Leitungen 37 und 38 zugeführt werden. Die
lichtemittierende Leuchtdiode· 33 emittiert das Licht in Form von Lichtimpulsen und die nicht durchscheinenden Wände der
Röhre 35 sorgen dafür, daß die Menge von Streulicht auf die Bauteile bzw. Schichten 25, 26, 29 und 30 so gering wie möglich
ist. An der Stelle, wo das Pulsüberwachungsgerät auf die Haut aufgelegt ist, wird diese und das darunter liegende
Gewebe durchleuchtet und das reflektierende Licht fällt auf
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den Sensor bzw. dessen fotosensitive Oberfläche, bei diesem Ausführungsbeispxel auf die Kupfersulfidschicht (CUpS) 30,
und bewirkt ein Ausgangssignal, welches an den Kontaktzonen
27 und 28 abgenommen werden kann.
Das Ausgangssignal kann dann elektrischen Schaltanordnungen
zugeführt werden, wie sie in der DT-OS 2 142 095 beschrieben sind, oder anderen, ähnlich ausgebildeten Schaltanordnungen.
Die menschliche Haut läßt in dem sichtbaren und anschließenden infraroten Bereich Licht verhältnismäßig gut durch, und
innerhalb der äußeren Schichten der Haut werden innerhalb der vorgesehenen kurzen Überwachungsperioden keine Veränderungen
bei der Durchleuchtung beobachtet. Die inneren Schichten der Haut bzw. des anschließenden Gewebes werden mit Blut
versorgt, und durch die Zusammenwirkung des Blutes mit dem einfallenden Licht wird die Menge des reflektierten Lichtes
verändert. Das Gewebe wird vom Herzen mit arteriellem Blut über ein kompliziertes Netzwerk von Arteriolen und Kapillargefäßen
versorgt. Das arterielle Blut fließt impulsweise, wobei der Druck entlang der Arterien abnimmt; der größte
Druckabfall entsteht vor dem Bereich der kapillaren Strömung "capillary bed flow stage". Infolgedessen kann der venöse Teil
des Blutkreislaufes für den vorliegenden Zweck vernachlässigt werden.
Die großen Arterien verlaufen in der Regel tief im Inneren, aber die Arteriolen und Kapillargefäße sind viel näher der
Hautoberfläche und in komplexer Weise parallel zwischen den Arterien und Venen angeordnet.
Während die Arteriolen und Kapillargefäße elastisch auf die Änderungen des Blutdruckes reagieren, ändern sich gewisse
Eigenschaften des Blutes, welche Änderungen der Lichtreflexion bedingen, in stärkerem Ausmaß als die Bewegung der unter
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mm *7 ~
Hautoberflache liegenden Gefäßwände. Aufgrund der bisherigen
Feststellungen sind insbesondere zwei Mechanismen für diese Veränderungen maßgebend, beide sind von komplexer Natur
und voneinander abhängig.
Es handelt sich um
a) die Blutmenge innerhalb der Haut bzw. des darunter liegenden Gewebes während eines Pulsschlages,
b) den Sauerstoffgehalt des Blutes.
Betrachtet man diese beiden die Lichtabsorption betreffenden Parameter zusammen und nimmt man an, daß die Lichtabsorption
in der während der arteriellen Pulswelle vorhandenen Blutmenge der überwiegende Effekt ist, dann scheint die Verwendung
von Licht mit einer Wellenlänge von 500 bis 600 nm die größte Lichtabsorption während des Pulsschlages zu bewirken.
Wird dabei jedoch vom Blutgehalt der Haut bzw. des darunter
liegenden Gewebes genügend Licht reflektiert, um die fotosensitive Schicht des Gerätes zu erregen, dann wird die
Verwendung τ>τι Licht in einem Wellenbereich von 600 bis 650 nm
einen niedrigeren Absolutwert der Lichtabsorption und daher
eine größere Intensität des reflektierten Lichtes hervorrufen. Eine Änderung des vom Sensor abgegebenen Signals wird außerdem
durch die Veränderung des Sauerstoffgehalts im Blut während der arteriellen Blutwelle bewirkt, und dieses wird eine leichte
Verringerung des erwarteten Absorptionsmaximums während des Maximums des arteriellen Druckes bewirken und deshalb auch
eine leichte Verringerung der Signalamplitude.
Die Oberfläche der menschlichen Haut besitzt bekanntlich spezielle spektrale Durchlässigkeitseigenschaften, aber in
dem im vorliegenden Fall interessierenden Bereich sind keine wesentlichen Veränderungen in den Durchlässigkeitseigensehaften
vorhanden, welche zu berücksichtigen wären.
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Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform des Pulsüb
erwachüngsgerätes beschränkt oder auf die elektronischen
Schaltanordnungen, weiche in der genannten DT-OS 2 142 095 beschrieben sind; es sind auch andere Ausführungsformen und
Schaltanordnungen möglich. Im allgemeinen wird das vom Pulsüberwachungsgerät
erhaltene Signal 3ine Anzeigevorrichtung steuern, welche die Pulsfrequenz anzeigt und beispielsweise
sogenannte flüssige Kristalle enthält, obwohl in manchen Fällen das elektrische Signal auch dazu dienen kann, an eine
entfernte Stelle ein Alarmsignal zu geben, wenn die Pulsfrequenz außerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches liegt
oder aber auch um eine entfernt liegende Anzeigeeinrichtung zu steuern. Derartige Ausführungsformen können besonders nützlieh
für Taueher oder Piloten sein oder für Mensehen, die sieh
in einer besonders gefährlichen Umgebung befinden. In all diesen Fällen kann die Pulsfrequens auch registriert werden,
falls dieses notwendig oder wünschenswert ist. Ein Pulsüberwachungsgerät,
das mit einer an einer entfernten Steile befindlichen Alarmvorrichtung verbunden ist, kann beispielsweise
für die Überwachung von Babys verwendet werden, welche sich
in Brutkästen befinden, in denen vorzeitig geborene Babys untergebracht sind. Es hat sieh gezeigt s daß ein gutes Signal
erhalten werden kann, wenn man das Pulsüberwaeiiungsgerät an
der Stirn eines Babys befestigt. Obwohl das Pulsüberwachungsgerät und die zugehörige Anzeigevorrichtung in einem Uhrgehäuse
untergebracht werden Iiann3 beispielsweise im Gehäuse einer
Armbanduhr, ist es nicht wesentlich, daS das Uhrgehäuse auch
eine Vorrichtung zur Zeitangabe enthält. Derartige Ausführungsformen der Erfindung ergeben sehr handliche und gut transportable
Pulsüberwaehungsgeräte-, welche sehr schnell die Feststellung
ermöglichen, ob eine verletzte Person noch lebt oder nicht, indem das Gerät an eine freie Stelle der Haut der betreffenden
Person gebracht wird.
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Wenn auch eine Zeitanzeigevorrichtung vorgesehen ist, dann können sowohl die Pulsfrequenz als auch die Zeitangabe fortlaufend
und gleichzeitig angezeigt werden, oder es kann wahlweise nur eine der beiden Angaben angezeigt werden, um
elektrische Energie zu sparen.
Obwohl vorstehende Ausführungsformen zur Messung von Pulsfrequenzen
besehrieben worden sind, können derartige Geräte sinngemäß auch für die optische Peststellung eines weiten Bereichs
periodischer Phänomene veränderlicher Frequenz bei der überwachung
von Strömungsvorgängen bei Flüssigkeiten hergestellt werden.
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Claims (14)
1.JGerät zur Überwachung von pulsierend strömenden Flüssigeiten
mit einem auf die Pulsation ansprechenden Sensor, der elektrische Signale im Rhythmus dieser Pulsation liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine Lichtquelle (11) enthält, welche die pulsierend
strömende Flüssigkeit und deren liehtdurchlässige Umgebung beleuchtet, und daß es einen fotosensitiven Sensor (19,20
bzw. 29»3O) enthält, welcher in Abhängigkeit von Schwankungen
der Intensität des von der strömenden Flüssigkeit reflektierenden Lichtes ein Signal liefert, das eine Funktion
der Veränderungen der überwachten Strömung ist.
2. Gerät nach Anspruch 1 für medizinische Zwecke mit einem auf Pulsschläge ansprechenden Sensor, gekennzeichnet durch
eine derartige Anordnung der Lichtquelle (11), daß diese das Hautgewebe durchleuchtet, und durch einen fotosensitiven
Sensor (19,20 bzw. 29,30), welcher in Abhängigkeit von Schwankungen der Intensität des vom Hautgewebe bzw.
vom Blut reflektierten Lichtes ein elektrisches Signal liefert, das eine Funktion der Änderungen des arteriellen
Blutflusses im durchleuchteten Bereich ist.
3. Gerät nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (11) als emittierende Diode und der Sensor als
lichtelektrische Zelle (19,20 bzw. 29,30) ausgebildet ist.
4. Gerät naeh Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrische Zelle als Leitfähigkeitszelle ausgebildet
ist und Kadmiumsulfid und Kadmiumselenit enthält.
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5. Gerät nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrische Zelle als spannungsliefernde Zelle
ausgebildet ist, welche Silizium und/oder Selen und/oder Kadmiumsulfid/Kupfersulfid enthält.
6. Gerät nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Diode (11) mit der lichtelektrischen Zelle
kombiniert ist.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrische Zelle die Gestalt einer ringförmigen
Scheibe hat und die lichtemittierende Diode (11) in der Mitte des Ringes angeordnet ist.
8. Gerät nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch eine elektrisch isolierende Schicht (25), auf der eine spannungsabgebende
PN-Kombination angeordnet ist, welche aus einer Kadmiumsulfidschicht
(29) besteht, auf deren Oberfläche eine kreisförmige Schicht (30) aus Kupfersulfid zwecks Bildung
einer fotosensitiven Oberfläche angeordnet ist, wobei jede Schicht mit den elektrischen Zuleitungen (37»38) durch
leitende Zonen (27,28) verbunden ist, welche auf einem isolierenden überzug (26) der Isolierschicht (25) angeordnet
sind.
9. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Diode (11) emittierte Licht durch eine nichtaktive
Zone des lichtelektrischen Sensors hindurchgeleitet wird.
10. Gerät nach Anspruch 5»- dadurch gekennzeichnet, daß die
lichtemittierende Diode (11) innerhalb des lichtelektrischen Sensors in einem undurchsichtigen, an einem Ende
offenen, vorzugsweise rohrförmigen Behälter (35) angeordnet ist, so daß der Einfluß des Streulichtes auf die Sensoroberfläche
ein Minimum ist.
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11. Gerät nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet9 daß die
als Lichtquelle dienende lichtemittierende Diode (11) zentral innerhalb des fotosensitiven Sensors angeordnet
ist, daß der Sensor eine elektrisch isolierende Schicht (25) enthält, auf der eine PN-Zone formiert ist, die eine
Schicht (29) von Kadmiumsulfid enthält, auf deren Oberfläche eine ringförmige Schicht (30) von Kupfersulfid zwecks
Bildung einer lichtempfindlichen Oberflächenschicht angeordnet ist, wobei jede Schicht mit elektrischen Anschlüssen
über elektrisch leitende Zonen verbunden ist, die auf einem isolierenden überzug auf der elektrisch isolierenden
Schicht (25) angeordnet ist.
12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Frequenz der von der lichtemittierenden Diode (11)emittierten Lichtimpulse eine Funktion der Frequenzempfindlichkeit
der fotoelektrischen Zelle und des Absorptions- und Reflexionsverhältnisses des Blutes bzw. in Abhängigkeit von
diesen Parametern gewählt ist.
13. Gerät nach Anspruch 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung zur Anbringung auf der Rückseite einer elektronischen
Uhr aufweist und entlang seines Umfanges eine Abdeckung (42) zur Abschirmung des von außen einfallenden
Lichtes hat und auf der Unterseite derart ausgebildet ist, daß es einen guten Kontakt mit der Haut der zu überwachenden
Person hat.
14. Gerät nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß es
·> eine vorzugsweise aus Festkörpern bestehende Wiedergabeeinriehtung
und auch Einrichtungen enthält, welche geeignet sind, sowohl die Uhrzeit als auch die Pulsfrequenz getrennt
für sich anzuzeigen.
009835/0781
15· Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es Mittel zur Feststellung von sich periodisch wiederholenden Schwankungen der Pulsfrequenz
enthält, welche ein dieser Frequenz entsprechendes elektrisches Signal abgeben.
609835/0781
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