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Pulsüberwachungssystem
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Diese Erfindung bezieht sich auf Blutpuls-Monitore und insbesondere
auf Monitore, die Änderungen des Blutvolumens durch Lichtquellen feststellen und
Sensoren in Kontakt mit der Oberfläche der Haut.
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Das Bedürfnis für taugliche und angemessene übungen sowohl für gesunde
Personen als auch für jene mit Herzbeschwerdenc werden allgeinein besser verstanden.
Mit diesem neuen Wissen verordnen Herzspezialisten, Internisten, praktische Ärzte
und andere Ärzte Übungen für die Gesunden wie auch für jene mit Herzproblemen. Zusätzlich
reagiert die breite öffentlichkeit durch Teilnehmen an individuellen übungsprogrammen
wie Tennis-Spielen, Fahrradfahren, Laufen (jogging) und anderen. Dies zeigt eine
wesentliche Neigung weg von traditionellen übungsroutinen, wie sie früher ausgeübt
wurden, nämlich meistens auf einer
engagierten Amateur- oder Berufsgrundlage.
So wurde die große Mehrheit der Übungen früher auf einer geplanten und überwachten
Basis gehandhabt, die für eine Kontrolle des Grades der Übungen sorgte.
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Sogar mit dieser Kontrolle beobachten jetzt Bewegungs-Physiologen,
daß eine bessere überwachung des Amateur-und Berufstrainings eine wesentliche Verbesserung
der Ergebnisse in einer kürzeren Zeitspanne erlaubt. So werden überwachungsmethoden
jetzt angewendet für organisierte Bewegungsprogramme. Diese Kontrolle kann erreicht
werden durch normale physiologische interne Indikatoren wie Erschöpfung oder durch
externe mit Instrumenten-Monitoren, die die Pulsfrequenz überwachen. Erschöpfungsanzeichen
sind normalerweise ausreichend um sicherzustellen, daß der übende sich nicht schädigt.
Jedoch stellt dies nicht den angemessenen übungsaufwand sicher, der der Hauptzweck
des Programms ist. Die Gründe dafür sind, daß die Person die übungen im Anfang übertreiben
kann und so reine Anstrengungen nicht lang genug anhalten läßt, um sie wirkungsvoll
werden zu lassen. ~Die Person kann zwar die übungen untertreiben, aber die Erschöpfungssymptome
als Folge der übungen können so unbequem sein, daß sie entmutigt ist weiter zu üben
Schließlich tendiert das Maß der Anstrengung, annehmbare übungen zu erreichen, dazu,
sich zu ändern mit Faktoren wie physische Verfassung, Maß der Erschöpfung, umgebende
Temperatur und Luftfeuchtigkeit und Gemütszustand. Die Pulsfrequenzüberwachung hat
sich als wirkungsvoller Weg der überwachung der Angemessenheit eines übungsprogramms
erwiesen.
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Die meisten heute auf dem Markt verfügbaren Geräte zur Überwachung
der Pulsfrequenz stellen den Herzschlag fest durch Überwachung elektrischer Signale,
die vom Herz ausgehen (Elektrokardiogramm). Es wurde in der Praxis festgestellt,
daß es verschiedene, ernste Nachteile gibt, die die Nützlichkeit dieser Geräte beeinträchtigen.
Diese schließen die Notwendigkeit für einen guten elektrischen Kontakt zwischen
Körper und Gerät ein, um eine zuverlässige Überwachung elektrokardiographischer
Signale fortlaufend zu ermöglichen. Darübedhinaus verlangen elektrokardiographische
Techniken, die guten elektrischen Kontakt gewährleisten, Körperelektroden, die regelmäßig
gewechselt werden. Die Elektroden können auch ernsthafte Hautreizungen verursachen.
Bewegliche elektrokardiographische Techniken sind schwierig, aber möglich, mit korpulenten
Menschen und Frauen mit hängenden Brüsten. Eine Einzelelektroden-Anordnung, wie
sie für Übungs-Überwachung benutzt wird, funktioniert nicht bei allen Personen wegen
der Unterschiede der Ausrichtung der elektrischen Herzachse, besonders bei Personen,
die einen Herzanfall erlitten haben. Schließlich kann der Gebrauch von elektrokardiographischen
Techniken in kälteren Himmelsstrichen sehr unbequem sein wegen der Kleidungsprobleme.
Wegen der mit elektrokardiographischen Techniken verbundenen Unzulänglichkeiten
sind neue Techniken für die Überwachung der Pulsfrequenz erforderlich.
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Kürzlich wurde festgestellt, daß die Pulsfrequenz-Überwachung unter
Verwendung von Licht-Sensor-Techniken eine einfache und genaue Lösung des Problems
darstellt. Jedoch haben sich kommerzielle Geräte, die ihre Grundlage auf dieser
Methode haben, als nicht zuverlässig erwiesen, wegen Problemen im Zusammenhang mit
Beschränkungen der Sensor-Technologie, besonders solche, die durch das umgebende
Licht den Bewegungs-Störeinfluß (motionzartifact) und vor
allem
widersprüchliches Sensor-Verhalten bedingt sind.
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Folglich wurde beobachtet, daß diese Einheiten widersprüchlich bei
manchen Personen arbeiten und überhaupt nicht bei anderen. Einige dieser Probleme
konnten durch die Verwendung von infrarotem statt sichtbarem Licht über~ wunden
werden. Die Haut ist für Infrarot etwas durchlässig und so können Blutvolumenänderungen
abhängig von der Pulsfrequenz leichter überwacht werden. Jedoch bleibt das Grundproblem
mit diesen Geräten. Die vorliegende Erfindung ist konzipiert, um die Probleme zu
korrigieren und verläßlicheres und billigeres Instrument zur Verfügung zu stellen
für dynamische Messungen des Pulses durch Anwender oder Berufsmediziner.
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Das in der vorliegenden Erfindung angewendete Prinzip besteht in der
Überwachung der periodischen Änderungen des oberflächlichen Blutvolumens in und
unter der Haut als eine Funktion der Änderungen des Blutdrucks und deren Korrelation
mit dem Puls. Die spezielle Methode besteht in der Erzeugung einer Oszillatorspannung
mittels eines Sensors, der Infrarot-Strahlung ermittelt, die entweder einen Körperanhang
wie ein Ohr passiert hat oder von ihm reflektiert wurde. Die beobachtete Strahlungsintensität
ist eine Funktion der Blutvolumenänderungen, die dann sich wieder auf normale Änderungen
des Blutdrucks zwischen den systolischen und diastolischen Bedingungen am Anfang
und Ende jeder Periode beziehen. Als Ergebnis dieser normalen Änderungen kann der
Sensorausgang entweder als eine analoge Anzeige der Blutdruckwellenform oder umgewandelt
in eine Impulsfolge verwendet werden, wobei je ein Impuls für jeden Herzschlag entsteht.
Die Impulse können mit einer entsprechenden Logik (-Schaltung) derart gezählt werden,
daß eine Ziffer in Form von Pulsschlägen pro Minute ermittelt werden kann. Dies
wiederum kann entweder mit einem Meßinstrument analog oder auch digital angezeigt
werden.
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Die vorliegende Erfindung enthält Eigenschaften oder Merkmale, die
speziell bestimmt sind, um die drei Nachteile der gegenwärtigen mit Licht arbeitenden
Puls-Überwachungssysteme, das sind das Umgebungslicht, der Bewegungs-Störeinfluß
(motion-artifact) und das widersprüchliche Verhalten auf das Mindestmaß zurückzuführen
oder auszuschließen. Die ergriffenen Maßnahmen zur Überwindung dieser Nachteile
schließen sich gegenseitig nicht aus, sind aber am besten verständlich, wenn sie
als unabhängige Eigenschaften erklärt werden.
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Fremdlicht, das in den Detektor gelangt und eine fehlerhafte Funktion
verursacht, wird daran gehindert dort einzudringen, indem der Photo-Detektor und
die Lichtquelle in engem Körperkontakt gehalten werden. Dies ergibt einen lichtdichten
Pfad von Strahler (Quelle) zu dem Detektor.
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Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, ist die Strahler/Detektor-Zone
von einer Abschirmung umgeben, die alle außer den tangentialen Lichtstrahlen daran
hindert, in den Strahler/Detektor --Pfad einzudringen. Es werden durchweg überzüge
und Anstriche verwendet, die Energie absorbieren statt sie zu reflektieren im Bereich
des sichtbaren Lichtes oder des Infrarot.
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Die Masse des Zusammenbaus wurde durch Herstellung aus leichten Materialien
auf ein Minimum reduziert, um so Bewegungs-Störeinflüsse (motion-artifacts) zu beseitigen
oder zu reduzieren. Die Verbindungen zwischen den Teilen des Zusammenbaus sind mit
dünnen, flexiblen, zugentlasteten Drähten ausgeführt, um Zugspannungskräfte so klein
wie möglich zu machen und Bewegungs-Störeinflüsse (motion-artifacts) weiter zu reduzieren.
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Das widersprüchliche Sensor-Verhalten von Person zu Person und zu
verschiedenen Zeiten bei der gleichen Person wird auf ein Minimum gebracht oder
beseitigt durch die nachfolgenden5Konstruktionsmerkmale. Erstens verbessert die
Verwendung von zwei Lichtquellen, eine für die Transmission und eine andere für
die Reflexion, den Signalpegel bei allen Personen, aber sie verringert auch die
Signalpegelstreuung von Person zu Person und von Tag zu Tag bei der gleichen Person.
Zweitens verbessert Takten der Lichtquelle den Signalpegel, folglich werden die
Einflüsse äußerer Lichtquellen verringert. Das hat auch die vorteilhafte Wirkung
einer verlängerten Batterie-Lebensdauer.
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Drittens wird ein optimaler Signalpegel durch Justieren des Druckes
erzielt, mit dem die beiden Seiten des Sensor/Detektor-Schaltelements gegen den
Körper an der Kontaktstelle drücken. Es ist die Absicht, den angemessenen Blutfluß
in der Zone der aktiven Bauteile zu ermöglichen und gleichzeitig guten Kontakt für
Lichtdichtheit aufrechtzuerhalten. Viertens werden weitere Verbesserungen des Signalpegels
erreicht in der elektronischen Schaltung, indem der untere und obere Pegel des Frequenzbereichs
begrenzt werden, um Rauschen und Bewegungs-Störeinflüsse (motion-artifacts) zu reduzieren.
Schließlich verhindert eine automatische Verstärkungsregelung (AGC), daß sowohl
Rauschen als auch Bewegunas-Artefakte als Bewertungssignale demoduliert werden,
wenn ein Spannungsvergleicher zur Wellenformung angewendet wird. Das macht eine
umständliche, manuelle Steuerung unnötig.
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Der Gebrauchswert des Gerätes wird darübedhinaus verbessert, indem
ein sichtbares Pulssignal verwendet wird, das dem Benutzer Gewißheit gibt, daß ein
Puls festgestellt wird, wenn der Sensor angebracht ist und daß Bewegungs-Störeinflüsse
(motion-artifacts) nicht die Sensor-Funktionsweise stören. Weiterhin können Warnsignale
vorgesehen werden,
die es dem Benutzer erlauben, obere und untere
Pulsfrequenz-Grenzwerte festzulegen, die, wenn überschritten, den Benutzer durch
einen tönenden Alarm warnen vor einer möglichen, gefährlichen Herzüberlastung bei
hohe Pulsfrequenz und daß das Bewegungsniveau bei niedriger Pulsfrequenz unzureichend
ist.
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Demzufolge ist ein Pulsfrequenz-Überwachungssystem zu erstellen, das
einen Sensor-Zusammenbau und einen gedrängten Elektronikteil aufweist, die von vereinfachter
Konstruktion, geringem Gewicht und sich selbstversorgend ist, so daß es mühelos
und nicht störend von einer übenden Person getragen werden kann.
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Weiter ist ein Pulsfrequenz-Überwachungssystem zur Verfügung zu stellen,
das gekennzeichnet ist durch neuartige Eigenschaften der Konstruktion und des Aufbaus,
um Bewegungs-Artefakte auf ein Mindestmaß zu reduzieren, die normalerweise zu falschen
Ablesungen führen.
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Außerdem ist ein Pulsfrequenz-Überwachungssystem zu liefern6 in welchem
der Sensor und der kompakte elektrische Zusammenbau neuartige Eigenschaften enthalten,
die die Genauigkeit der Pulsfrequenz-Ablesung verbessern, indem ein Senf~ mit wenigstens
zwei eingebauten Lichtquellen enthalten ist, eine für Reflexions- und eine für Transmissionslicht.
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Schließlich ist ein System vorzusehen, in welchem die Lichtquelle
getaktet ist, wodurch ein verbesserter Signalpegel erzielt wird.
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Außerdem ist ein Pulsfrequenz-Überwachungssystem auszurüsten, in welchem
der Sensor-Zusammenbau Mittel zur wahlweisen Druckeinstellung enthält, wodurch eine
Beziehung der Sensor-Köpfe gegen die Körperzonen hergestellt wird, um einen angemessenen
Blutfluß in dem Gebiet der aktiven Bauteile der Sensor-Köpfe zu ermöglichen und
gleichzeitig gute Lichtleitung beizubehalten.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bandfilter
in der elektronischen Schaltung der Elektronik-Packung zu liefern, um die Einwirkung
von Störgeräuschen und Bewegungs-Artefakten zu begrenzen.
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Ferner ist ein Pulsfrequenz-Überwachungssystem zur Verfügung zu stellen,
das insbesondere für die Anwendung von Infrarot-Strahlung eingerichtet ist und trotzdem
leicht auf die Anwendung von sichtbarem Licht umgestellt werden kann Die Erfindung
wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Beispiels näher erläutert.
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Fig. 1 : ist eine bildhafte Darstellung, die den Gebrauch des Erfindungsgegenstandes
zeigt, Fig. 2 : ist eine Nah-Darstellung eines übenden mit einer Brille und zeigt
den Sensor-Zusammenbau befestigt am Ohr des Benutzers und eine Klemme zur sicheren
Halterung des Anschlußkabels am Brillengestell,
Fig. 3 : ist eine
Seitenansicht, die Struktureinzelheiten des Sensor-Zusammenbaus zeigt, Fig. 4 :
ist eine Schnittdarstellung des Sensor-Zusammenbaus, gesehen entlang den Linien
4-4 der Fig. 3, Fig. 5 : ist eine Schnittdarstellung des Sensor-Zusammenbaus, gesehen
entlang den Linien 5-5 der Fig. 3, Fig. 6 : zeigt ein Schaltungsdiagramm der Strahler/Detektor-Bauteile
des Sensor-Zusammenbaus, Fig. 7 : zeigt eine Block-Schaltung des Sensor- und Elektronik-Zusammenbaus
der vorliegenden Erfindung, Fig. 8 : zeigt im einzelnen die Schaltung der Stromversorgungseinheit,
Fig. 9 : zeigt im einzelnen die Schaltung des analogen Teils des Sensor- und Elektronik-Aufbaus
und Fig. 10 : zeigt eine vollständige Schaltung, die die Niederfrequenz-, Begrenzungs-
und Digital-Teile der Elektronik-Packung enthält.
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Fig. 1 zeigt eine typische Abbildung des Erfindungsgegenstandes, der
von einem Übenden 12 benutzt wird. Das Pulsüberwachungssystem besteht aus dem Sensor-Zusammenbau
14 und dem Elektronik-Paketbauteil 18 , die durch ein dünnes, flexibles, zugentlastetes
Kabel 20 verbunden sind, das zwischen Sensor- und Elektronik-Zusammenbau vorgesehen
ist. Das gans System wiegt nur wenige Unzen (1 Unze ungefähr 30g), wird aus einer
kleinen Batterie gespeist und wird im allgemeinen von der Versuchsperson getragen
oder ist an dem übungs-Gerät befestigt. Während des normalen Gebrauchs wird die
Pulszahl oder -frequenz automatisch ohne vorherige Einstellungen oder Justierungen
angezeigt.
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Wie gezeigt,ist der Sensor-Zusammenbau 14 am Ohr 16 des beiden 12
befestigt und das Elektronik-Paketbauteil 18 an seinem Gürtel. Die Art und Weise
der Befestigung des Sensor-Zusammenbaus 14 am Ohr zeigt Fig. 2 im einzelnen.
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In der Nähe des Endes des Kabels 20 ist eine Klemme 22, die am Ohrbügel
24 einer vom übenden 12 getragenen Brille festhält. Die Befestigung könnte genau
so gut an einem Kopfband, einer Mütze oder einem anderen Kleidungsstück oder einer
Vorrichtung vorgenommen sein, das der übende trägt. Die Schleife des Kabels 20 zwischen
dem Sensor-Zusammenbau 14 und der Klemme 22 dient dazu, den Sensor-Zusammenbau 14
von Zugspannungen freizuhalten, die vom Gesamtgewicht des Kabels 20 aufgebürdet
wurden, welches, falls unentlastet, dazu neigen würde, die physikalische Beziehung
zwischen Ohr und Sensor zu ändern. Diese Änderung könnte die Signale verschlechtern
und als Folge zu unrichtigen Pulszahlwerten führen. Der Sensor-Zusammenbau 14 ist
am oberen Bereich des Ohres 16 befestigt gezeigt.
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Während die Einheit ( Sensor-Zusammenbau 14) ebenso gut arbeitet,
wenn sie am Ohrläppchen oder anderen Körperanhängen wie der Nasenscheidewand oder
der Hautverbindung zwischen Daumen und Zeigefinger der Hand befestigt ist, hat diese
Position den Vorteil der Bequemlichkeit, einen guten Signalpegel und einer Steifheit
des Gewebes. Alle diese Faktoren neigen dazu das Sensor-Verhalten zu optimalisieren.
Bei normalem Betrieb mit dem Sensor-Zusammenbau 14 am Ohr des Übenden oder Patienten
befestigt und eingeschalteter-Einheit wird der Lichtpfad zwischen Strahler und Detektor
durch das Ab- und Anschwellen des Blutstromes durch das Ohr moduliert. Das Signal
wird zum Elektronik-Paketbauteil 18 über das Kabel 20 geleitet, wo es verstärkt,
gefiltert, umgewandelt zur digitalen Zählung und auf einer Anzeige gezeigt wird.
Tonsignal-Einstellungen für hohe und niedrige Puls zahlen können zur Warnung des
übenden vorgesehen werden, wenn die Grenzen überschritten werden.
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Die physikalische Ausführung des Sensor-Zusammenbaus 14 wie im einzelnen
in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigt. Die elektrische Schaltung gibt Fig. 6 wieder.
Jetzt wird Bezug genommen auf Fig. 3, die eine Seitenansicht des Sensor-Zusammenbaus
14 darstellt. Eine Lichtabschirmplatte 40 und eine Sensorplatte 50 bilden die beiden
Hauptteile des Sensor-Zusammenbaus 14. Beide Platten enthalten Strahler oder Emitter
44a und 44b in Gehäusen 46a bzw. 46b, hingegen enthält nur die Sensorplatte 50 den
Detektor 52 im Gehäuse 46c. Im vorliegenden Beispiel kann der Detektor 52 ein Photodetektor
zum Abtasten von Licht sein, das reflektiert oder transmittiert wird von den Strahlern.
Die beiden Platten sind beweglich um den Bolzen 32 gelagert. Wie Fig. 4 zeigt wird
die Spannung, um die beiden Sensorplatten 40 und 50 normalerweise geschlossen zu
halten, aufrechterhalten durch einen Schenkel 34 am Ende der Feder 36, die um und
entlang der Länge des Bolzens 32 angeordnet ist. Die Feder 36 wird von einer
Mutter
37 festgehalten. Die Wirkung der physikalischen Ausbildung und der Feder 36 ist
es, Emitter und Detektor nahe zueinander zu bringen, wobei genug Klemmkraft durch
die Feder 36 erzeugt werden soll, um den Sensor-Zusammenbau 14 an einer Bewegung
zu hindern, während er z. B. auf dem Ohr des Benutzers befestigt ist. Der Anpreßdruck
jedoch ist nicht so groß, daß der normale Blutfluß wesentlich geändert wird. Die
Lichtabschirmungen verhindern fremdes Umgebungslicht am Eindringen in den Detektor
52.
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Die Lichtabschirmplatte 40 ist genauer in Fig. 4 gezeigt und wird
durch eine relativ große Platte gekennzeichnet, die, wie die Fig. 1 und 2 zeigen,
über die Außenseiten des Ohrs des Patienten 12 paßt. Ungefähr im Mittelpunkt der
Lichtabschirmplatte 40 ist ein kleines Gehäuse 46a, das die Infrarot emittierende
Diode (IRED) 44a enthält, die sich an die Außenseite des Ohrs 16 anlegt. Die Gehäuse
46a, 46b und 46c sind in Fig. 3 dargestellt mit ihren bogenförmigen oder gekrümmten
Stirnflächen, so daß die Haut dem Gehäuse angepaßt ist und guten Kontakt an der
interessierenden Stelle liefert, nämlich die gewünschte Hautfläche für die Überwachung
des Blutflusses. Das die Diode 44a enthaltende Gehäuse 46a gemeinsam mit den Zuleitungen
20a und 20b ist mit der Lichtabschirmplatte 40 verbunden, wobei die Zuleitungen
20a und 20b in einem Schlitz 48 des Armes der Lichtabschirmplatte 40 eingepaßt sind.
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Fig. 5 zeigt Einzelheiten der Sensorplatte 50. Diese besteht aus einem
im wesentlichen rechteckigen Stück, das drehbar an der Klammer 30 befestigt ist,
damit es in die Innenseite des Ohres 16 paßt.Am oberen Ende sind zwei bogenförmige
Gehäuse Seite an Seite angeordnet befestigt.
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Das eine Gehäuse 46b enthält eine zweite Diode 44b und das andere
Gehäuse 46c enthält einen kleinen Infrarot-Detektor 52. Die Leitungen 20c, 20b und
20e sind in einem kanalartigen Schlitz des Armes der Sensorplatte 50 eingepaßt.
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Wie Fig. 6 zeigt, sind die zwei Dioden 44a und 44b elektronisch in
Reihe verbunden, aber räumlich sind sie nicht genau einander gegenüber angebracht.
Vielmehr sind sie leicht gegeneinander versetzt, wobei die äußere Diode 44a auf
den Detektor52 gerichtet ist und ungefähr auf die Mittellinie zwischen sich selbst
und dem Detektor 52 orientiert ist. Der Nutzeffekt ist es, eine so stark wie mögliche
Signaländerung zu erreichen, indem eine maximale Lichtmenge reflektiert und transmittiert
wird. während des diastolichen Zustandes und eine minimale Lichtmenge während des
systolischen Zustandes. Dadurch wird die allgemeine Empfindlichkeit erheblich vergrößert
und das unregelmäßige Verhalten früherer Geräte im wesentlichen beseitigt.
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Um das Trägheitsmoment an der Ohrkontaktfläche für den Sensor-Zusammenbau
und seine Masse so gering wie möglich zu halten, werden alle Teile einzeln aus Aluminium
oder anderen leichtgewichtigen Materialien hergestellt, die die Bewegungs-Störeinflüsse
(motion-artifacts) durch Massenträgheit auf ein Minimum bringen. Da die elektrischen
Bauteile Einheiten für geringe Spannung und niedrige Leistungsaufnahme sind, kann
überall Draht mit kleinem Querschnitt benutzt werden. Um Umgebungslichteinflüsse
so gering wie möglich zu halten oder auszuschalten hinsichtlich ihrer Einwirkung
auf den Detektor 52, werden alle passiven Teile einzeln schwarz gefärbt, um Lichtstrahlen
zu absorbieren.
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Das ganze System besteht, wie bereits beschrieben, aus dem Sensor-Zusammenbau
14, dem Elektronik-Paketaufbau 18 und dem Verbindungskabel 20 und sein Betrieb kann
am besten verstanden werden, indem die im Blockschaltbild der Fig. 7 definierten
Funktionen betrachtet werden.
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In normalem Betrieb wird des Patienten Pulszahl durch die Ab- und
Zunahme des Blutstromes erfaßt, indem hierdurch der Lichtpfad zwischen Strahler
und Detektor moduliert wird.
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Das resultierende, modulierte Signal wird weiterverarbeitet zur Abgabe
von analogen, digitalen und Ton-Ausgangsinformationen des Patienten Pulszahl. Während
die Verarbeitungsschaltungen einzeln betrachtet eine etwas konventionelle Methode
zur Signalverarbeitung sein mögen, fügt die gesamte Konstruktion diese Schältungen
zu einem System zusammen, das eine neue Methode zur Gewinnung eines Pulszahl-Signals
darstellt, welche höchst unempfindlich gegen äußere Störeinflüsse ist.
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Das Stromversorgungsteil 70, das die Fig. 7 und 8 zeigen, versorgt
alle Schaltungen. Als Stromquelle dient allgemein ein Paar 1,2 Volt wiederaufladbare
Nickel-Cadmium-Batterien der Type AA. Am Ausgang des Stromversorgungsteils 70 stehen
vier Gleichspannungen zur Verfügung: 9,5V, +9V, 5,5V und 4,5V. Diese Spannungen
werden von den verschiedenen integrierten Schaltungen benötigt. Um die Batterielebensdauer
zu verlängern, werden, wo immer möglich, BIFET-Operationsverstärker geringer Leistungsaufnahme
und CMOS-inte-grierte Schaltungen verwendet. Nickel-Cadmium-Batterien sind wiederaufladbar
und das Stromversorgungsteil 70 enthält eine Buchse J1, an welche handelsübliche
AA-Batterieladesysteme angeschlossen werden können. Die Anwendung dieses Systems
wird durch einen einpoligen Umschalter S1 ermöglicht, der in der AUS-Position die
Schaltung für Batterieladung vorsieht.
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Gemäß dem Block-Schaltbild der Fig. 7 werden die Strahler 44a und
44b des Sensor-Zusammenbaus 14 vom Modulator 102 Ieistungssynchron angesteuert (power
strobed). Die so erzeugte Impulsfolge wird ihrerseits von der relativ niedrigfrequentierten
Pulszahl des Patienten moduliert.
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Dieses zusammengesetzte Signal wie vom Detektor 104 demoduliert und
dann dem TiefpaBfilter-Verstärker/Inverter.
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106 zugeleitet. Dies dient der Funktion der Trennung des relativ niedrigfrequenten,
schwachpegeligen Pulssignals des Patienten von der viel höher frequentierten Wellenform.
Eine automatische Verstärkungsregelung (AGC) 108 ist zur Vermeidung manueller Einstellungen
durch den Patienten vorgesehen. Die endgültige Signalverarbeitung wandelt das Pulssignal
mittels der Vergleicherstufe 112 um in eine Rechteckwelle konstanter Amplitude.
Diese wird dann vom Frequenz-zu-Spannung-Wandler 114 in eine analoge Gleichspannung
geändert, die maßstäblich derart verändert ist, daß die Ausgabe der Pulszahl entspricht.
Das kann mit einem üblichen 1mA-Instrument 116 angezeigt werden. Dieses Ausgabesignal
und ein Hilfssignal aus dem Frequenz-zu-Spannung-Wandler 114 können zur Steuerung
einer Digitalanzeige der Pulszahl benutzt werden, wie auch eines hoch/tief Grenzwertmelders
300, wie in Fig. 7 gezeigt, oder eines Blinklichtes, das mit der Pulszahl des übenden
aufleuchtet.
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Nachdem nunmehr die Einzelheiten des Sensor-Zusammenbaus 14 und des
Gesamtsystems beschrieben wurden, macht das Folgende mit Einzelheiten der Schaltung
genauer bekannt.
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Beide, das Paar Dioden 44 und der Detektor 52, werden von einer üblichen
+9 Volt-Gleichspannungsversorgung gespeist, die in der bevorzugten Ausführung von
einer Batterie-Spannungsquelle geliefert wird (gezeigt in Fig. 8). Diese Spannung
wird über den Leiter 20c an die innere Seite der Diode 44b geleitet. Danach führt
der Leiter 20b zu der in Reihe verbundenen äußeren Diode 44a (siehe dazu Fig. 4
und 5). Ein über den Leiter 20a vom Modulator 102 kommendes 200 Hz-Signal schaltet
die 9V-Spannung ein und aus, wie Fig. 7 und 9 zeigen. Diese Funktionsweise wird
nachfolgend beschrieben.
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Die Spannung von +9 Volt wird dem Sensor 52 über einen internen Verbindungsdraht
20d zugeführt, wie Fig. 5 zeigt.
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Das Ausgangssignal des Sensors ist, wie erwähnt, eine oszillierende
Gleichspannung, innerhalb der die niedrig frequente Herzschlag-Pulszahl-Schwingung
der viel höher frequenten Schwingungsabgabe, die von den Dioden 44 ein-und ausschaltend
erzeugt wird, aufgeprägt ist. Die Wirkung ist ähnlich wie bei einer Trägerwelle,
die in einer Radio- (oder Funktechnik) -Schaltung (radio circuit) moduliert wird.
Dieses modulierte Signal wird über den Leiter 20e einer analogen Logik-Schaltung
100 zugeführt, die in Blockschaltungsform in Fig. 7 und schematisch in Fig. 9 dargestellt
ist.
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Fig. 7 zeigt nun ein Blockschaltbild der Schaltung einschließlich
der analogen, digitalen sowie Logik-Ausgänge und der Tonalarmteile des Bausteins
18. Dies sollte in Verbindung mit Fig. 9 und 10 betrachtet werden, die detaillierte
Schaltungsdarstellungen sind.
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Für alle Untersysteme gemeinsam ist das Stromversorgungsteil 70 vorgesehen,
das die Fig. 7 und 8 zeigen. In der bevorzugten Ausführung enthält dieses ein Paar
1,2V Nickel-Cadmium-Batterien der Type AA, bezeichnet mit B1. Sie arbeitet in Verbindung
mit dem Leistungsregler JC1 und dem Operations-Verstärker JC2, um +4,5, +5,5, +9
und +9,5 Volt Gleichspannungsausgänge zu bieten, die die verschiedenen integrierten
Schaltungen benötigen. Um die Batterielebensdauer zu verlängern, sollten BIFET Operationsverstärker
mit geringer Leistungsaufnahme und CMOS integrierte Schaltungen, wo immer möglich,
verwendet werden. Nickel-Cadmium-Batterien sind auch aufladbar und das Stromversorgungsteil
70 enthält eine Buchse Jlr an welche ein handelsübliches AA-Batterie-Ladesystem
angeschlossen werden kann. Der Gebrauch dieses Systems wird durch einen einpoligen
Umschalter S1 ermöglicht, der in seiner AUS-Position die Schaltung für Batterieladung
verbindet.
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Fig. 7 und 9 zeigen, daß das analoge Logik-Untersystem 100 die grundlegende
Signalverarbeitungsschaltung enthält, die allen Ausbildungen der Erfindung gemeinsam
ist.
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Wie gezeigt,enthält sie einen astabilen Oszillator/Modulator 102,
der die Infrarot emittierenden Dioden 44a und 44b in der beschriebenen Weise mit
einer Frequenz von 200 Hz ansteuert. Das Ausgangssignal ist eine asymmetrische Rechteckwelle
mit einer Ausgangsimpulsbreite von 50 sec.
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Das Ausgangssignal des Modulators 102 wird auch benutzt, um den P-Kanal
Feldeffekt-Transistor (FET) Q3 im Detektor 104 zu schalten. Die Diode D3 ist so
vorgespannt, daß das Ausgangssignal des Modulators 102 nur dann an das Gate des
FET Q3 gelangt, wenn die Infrarot-Dioden nicht angesteuert werden. Das schaltet
den FET Q3 aus, wenn kein Signal im Sensor 14 erzeugt wird, und an, wenn das Signal
erzeugt wird.
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Als Folge davon entwickelt die Ladung des Kondensators C13 eine Spannung
gleich dem Spitzenwert des Rechteckwellensignals, das vom Photodetektor 52 kommt.
Diese Spannung variiert in einem umgekehrten Verhältnis wie die Blutdichte im Ohr
Dieser sich ändernden Spannung ist eine Sägezahnwellenform überlagert, deren Betrag
größer als die variierende Spannung selbst ist. Der Sägezahn hat die Frequenz des
Modulators 102 und wird ausgelöst durch den Leckstrom durch den abgeschalteten oder
gesperrten FET Q3. Die Kombination aus Impulssignal und Sägezahn wird dem Tiefpaß-Verstärker/Inverter
106 zugeleitet. Das hat die Aufgabe, die relativ niedrig-frequenten Impuls signale
von der viel höher frequenten Sägezahnwelle zu trennen.
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Die obere Grenzfrequenz des Verstärkers 106 ist auf 0,3 bis 04, Hz
festgelegt, um alle äußeren Störquellen auszuschalten. Das ist ausreichend, um die
Pulsschwingungen des Übenden durchzulassen, aber sonst fast nichts.
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Der Eingang des automatischen Verstärkungsregelungs-(AGC) Verstärkers
108 schneidet Frequenzen unter 0,5 Hz ab, was Gleichspannungspegelverschiebunyen
verursacht durch Bewegungs-Einflüsse (motion-artifacts) begrenzt. Das begrenzte
Signal des Verstärkers 106 wird dann dem Verstärker 108 zugeführt, der eine hohe
Grenzfrequenz von etwa 1,7 Hz hat. Die Kombination von niedrigen und hohen Grenzfrequenzen
verhindert Bewegungs-Einflüsse (motion-artifacts), Rauschen und die Modulationsfrequenz
der Infrarot-Dioden, die der Impulswellenform überlagert ist. Weil das Blutpulssignal
auch von diesen Grenzfrequenzen beeinflußt wird, stellt der AGC-Verstärker 108,
der in Verbindung mit dem AGC-Treiberverstärker 110 arbeitet, dieses Signal wieder
auf einen notwendigen Betriebspegel ein. Der AGS-Verstärker 108 ist auch ein wichtiger
Faktor bei der Erzeugung relativ konstanter Amplitudensignale von unterschiedlichen
Benutzern.
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Die abschließende Signalverarbeitung ändert die demodulierte Pulszahlschwingung
des beiden von einer Sinuswelle zu einer Rechteckwelle mit konstanter Amplitude
mittels des Vergleichers 112. Diese wird dann in eine analoge Gleichspannung durch
den Frequenz-zu-Spannung-Umformer 114 gewandelt.
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Dessen Ausgang kann leicht maßstäblich verändert werden, so daß er
mit der Pulszahl übereinstimmt. Diese Spannung kann auf einem 1mA-Instrument 116
angezeigt werden, um ein vereinfachtes, billiges System zu erstellen.
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Der Rechteckwellenausgangsanteil des Frequenz-zu-Spannung-Umformers
114 wird für Zeitsteuerungszwecke verwendet. Nach der Wandlung der Rechteckwelle
in einen doppelten Nadelimpuls mittels der Differenzierschaltung 118 wird das negative
Signal als Steuerimpuls für den LED-Treiber 120 benutzt. Das negative Steuersignal
wird so angewendet, daß die Diode D5 synchron mit dem Puls des Übenden aufblitzt,
wenn das Ausgangssignal des Treibers 120 einer üblichen LED-Diode D5 zugeführt wird.
Die Diode D5 wird gewöhnlich so positioniert, daß der Übende leicht das An- und
Ausblinken als Folge des intermittierenden Ausgangssignals des Treibers 120 beobachten
kann.
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Die Abgabe des Frequenz-zu-Spannung-Umwandlers 114 wird auch einem
Frequenzglätter 122 zugeleitet. Dies begrenzt die Digitalausgangsanzeige 204 und
den Tonalarm 200, damit sie unwichtigen, von Pulsschlag zu Pulsschlag eintretenden
Herzfrequenzänderungen nicht folgen. Diese unwichtigen Änderungen werden von dem
Instrument automatisch eliminiert durch seine innere Dämpfung.
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Figuren 7 und 10 zeigen die Einzelheiten der Digitalausgangs- und
Tonalarm-Untersysteme der vorliegenden Erfindung. Von beiden ist der Digitalausgang
200 der Einfachere.
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Owohl es zahlreiche Schaltungskonzepte zum Digitalisieren einer analogen
Spannung gibt, erlaubt jetzt die moderne Entwicklung dies sehr einfach zu tun. In
der bevorzugten Ausführung wird die analoge Ausgangsspannung des Frequenzglätters
122 (rate smoother) direkt einem Einzel-Chip-3,5 Stellen-Analog-Digital-Wandler
202 zugeführt. Die Abgabe dieser Einheit, welche in der bevorzugten Ausführung ein
Intersil ICL 7106 ist, ist ein 24 BIT-Signal mit den richtigen Leistungs- und Impedanzpegeln,
um eine bezeichnete 3,5 Stellen, sieben Segment (seven bar) Flüssigkristallanzeige
(LCD) 204 auszusteuern. Da das Ausgangssignal des Wandlers 114 maßstäblich verändert
ist, geschieht die Anzeige direkt in Pulsschlägen pro Minute. Während LED oder andere
Typen von Anzeigemitteln leicht je nach den Schaltungserfordernissen benutzt werden
kann, werden LCD-Einheiten insbesondere bevorzugt, weil sie eine ausgeprägte Überlegenheit
in bezug auf niedrigen Stromverbrauch bei ausgedehnter Benutzung aufweisen.
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Das in den Fig. 7 und 10 gezeigte Tonalarmteil 300 dient dazu, dem
Benutzenden zu ermöglichen, Maximum- und Minimum-Pulsschlagzahlen als Warnung vor
Überanstrengung und vor ungenügendem Übungsniveau einzustellen. Diese Einstellungen
werden am Grenzzahleinsteller (rate limit setter) 302 vorgenommen, der ein Paar
Schaltkreise mit veränderbarem Widerstand 304 und 306 besitzt, mit welchen 9V Gleichspannung
auf 4,5 V Gleichspannung reduziert werden.
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Der Mittelabgriff des Potentiometers R 38 legt einen oberen Pegel
fest, der im "Hoch"-Vergleicher (high comparator) 308 mit der Abgabe des Frequenz-Glätters
122 verglichen wird. Wenn diese Pulszahl den eingestellten "Hoch"-Wert (zwischen
75 und 200 Puls schläge pro Minute), der ihm zugeführt wird, überschreitet, dann
wechselt der Vergleicher 308 von "Tief" auf "Hoch" und schaltet normalerweise einen
Analogschalter 312 aus. Wenn dies geschieht, bleibt der Eingang des Grenzwert-Alarmton-Oszillators
326 nicht länger nach Nasse angeschlossen und er schwingt, so daß ein konstantes
Tonalarmsignal vom Lautsprecher 324 abgestrahlt wird.
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Ein ähnlicher Funktionsablauf gilt für das "Tief"-Pulszahlsignal.
Dies wird mittels Potentiometer R 41 eingestellt, um ein Signal gleich der Pulsschlagzahl
im Bereich von 40 bis 150 Pulsschläge pro Minute abzugeben. Dieses wird auch mit
der Abgabe des Frequenz-Glätters 122 im "Tief"-Vergleicher 314 verglichen.Hier hingegen
wird der "Tief"-Wert-Analogschalter 316 so umgepolt, daß der Analogschalter auf
AUS steht, wenn der Vergleicher 314 bei TIEF ist, wodurch der Oszillator 326 den
Lautsprecher 324 aktiviert. Um den "Tief"-Alarm von dem "Hoch"-Alarm-Tonsignal unterscheiden
zu können, ist ein Analogschalter 322 hinzugefügt, damit der Analogschalter 315
synchron mit dem Herzschlag impulsgesteuert ist. Dadurch entsteht ein pulsierender
Warnton, der mit dem Herzschlag synchronisiert ist. Wenn der "Tief"-Grenz-wert überschritten
wird, wechselt der Vergleicher 314 auf "HOCH" und dpr Analogschalter 316 gelangt
in die EIN-Stellung, wodurch der Oszillator 326 ausgeschaltet wird. Wenn der "TIEF"-Pegelvergleicher
314 "HOCH" ist, kann der Analogschalter 322 nicht mehr den "TIEF"-Wert-Analogschalter
316 impulssteuern.
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Wenn der Pegel des ~Tief"-Wert-Potentiometers R41 niedriger eingestellt
ist als das "Hoch"-Wert-Potentiometer R38, wird als Folge ein pulsierender Ton hörbar,
wenn die Pulszahl des Benutzers unter der "Tief"-Wert-Einstellung liegt.
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Kein Ton wird höher wenn die Pulszahl des Benutzers zwischen beiden
eingestellten Grenzwerten ist. Ein Dauerton wird zu hören sein, wenn des Benutzers
Herzschlaqzahl den eingestellten oberen Grenzwert überschreitet. Endlich haben beide
Frequenz-Vergleicher 308 und 314 eine eingebaute Hysterese, so daß die Warnung nicht
ein- und ausgeschaltet wird wegen leichter Schwankungen in der Pulszahl oder der
Bezugsspannung, wenn die Pulszahl des Benutzers gerade eben die eingestellten Grenzwerte
überschreitet Es wurde bereits erwähnt, daß die "Hoch"- und "Tief"-Pulsschlag-Grenzwerte
vom Benutzer eingestellt werden können.
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Das ist möglich in Verbindung mit dem Grenzwerteinsteller 318, der
einpolige Umschalter 52 und 53 aufweist. In der normalen Stellung liefern diese
einen direkten Pfad vom Glätter 122 zum Digital-Wandler 302, wie in Fig. 10 gezeigt.
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Jedoch wird die Ausgangsspannung des Glätters 122 ausaeschaltet, wenn
der Schalter 52 umgeschaltet wird. Gleichzeitig wird das Signal von der Hoch-Pulszahleinstellung
vom Mittelabgriff des Potentiometer R 38 zum Digital-Wandler 302 für die Anzeige
kurzgeschlossen. Der Schalter 53 führt die gleiche Funktion aus mit dem Signal der
"Tief"-Pulszahleinstellung vom Potentiometer P 41. Diese Einstellungen werden ermoglichtrindem
die Mittelabgriffe beider Potentiometer an der Außenseite des Gehäuses der Einheit
18 zugänglich sind.
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