DE3405444A1

DE3405444A1 - Pulssensor

Info

Publication number: DE3405444A1
Application number: DE19843405444
Authority: DE
Inventors: Richard 8012 Ottobrunn Hirschmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-15
Filing date: 1984-02-15
Publication date: 1985-08-22

Description

Pulssensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pulssensor qemäB dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es sind Pulssensoren bekannt, bei denen ein dem Pulsschlag entsprechendes elektrisches Impulssignal durch Messung der Änderungen der Durchblutung eines Körperteiles, wie eines Fingers oder eines Ohriäppchens, erzeugt wird. Im allgemeinen wird der betreffende Körperteil zwischen einer Rotlichquelle, wie einer Halbleiter-Photodiode (LED) und einem photoempfindlichen Bauteil, wie einem Photowiderstand, aufgeordnet und das gewünschte elektrische Impulssignal wird aus den Widerstandsänderungen des photoempfindlichen Bauteils gewonnen.
Die Lichtdurchlässigkeit der zur Messung herangezogenen Körperteile kann von Person zu Person sehr unterschiedliche Werte haben. Hierdurch können bei den bekannten elektrooptischen Pulssensoren Schwierigkeiten auftreten, da die Gefahr besteht, daß die Sensorelektronik bei zu hoher Lichtdurchlässigkeit übersteuert und bei zu geringer Lichtdurchlässigkeit nicht gentigend ausgesteuert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Pulssensor anzugeben, der weitgehend unabhängig von der Lichtdurchlässigkeit des für die Messung herangezogenen Körperteiles ist.
Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Pulssensor gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Pulssensors sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einem vorliegenden Pulssensor wird die Speisung der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Intensität des auf das lichtempfindliche Element fallenden Lichtes geregelt. Hierdurch werden Unterschiede in der Lichtdurchlässigkeit des für die Messung herangezogenen Körperteiles weitgehend kompensiert.
Ein weiterer Vorteil dieser Regelung besteht darin, daß die Lichtquelle nur jeweils so viel Energie erhält, wie notwendig, was die Lebensdauer der Lichtquelle beträchtlich erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird außerdem die Amplitude der aus den Widerstandsänderungen des lichtempfindlichen Bauteils gewonnenen elektrischen Impulse geregelt, so daß eine übersteuerung der Auswerteelektronik verhindert und die Signalamplitude den jeweiligen Verhältnissen angepaßt wird.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine etwas vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines als Fingersensor ausgebildeten Pulsaufnehmers; Figur 2 ein stark vereinfachtes Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführunc;sform des vorliegenden Pulssensors; Figur 3 ein Detailschaltbild einer bevorzugten führusfo des vorliegenden Pulssensors, und Figur 4 graphische Darstellungen des zeitlichen Verlaufes von Signalen, auf die bei der Erläuterung des Pulssensors gemäß Figur 3 Bezug genommen wird.
Figur 1 zeigt einen bevorzugten Pulsaufnehmer in Form eines Fingersensors 10. Der Fingersensor 10 ähnelt in mechanischer Hinsicht einer Wäscheklammer und enthalt zwei Teile 12, l4 aus Kunststoff, die aneinander anscharniert und durch eine Feder 16 in Richtung des Doppelpfeiles vorgespannt sind. Auf der Innenseite des einen Teiles 12 sind nebeneinander auf gleicher Ebene eine als Rotlichtquelle dienende Leuchtdiode 18 und in einem Abstand von beispielsweise 5 mm daneben ein als Lichtaufnehmer dienendes photoempfindliches Element, insbesondere ein Photowiderstand 20, angeordnet. Die Innenseite des anderen Teils 14 ist mit einen Spiegel 22 versehen, der z.B. aus einer aufgedampften Metallschicht bestehen kann.
Die Leuchtdiode 18 und der Photowiderstand 20 sind über ein flexibles Kabel 24 mit einer elektronischen Schaltungsanordnung verbunden, die anhand der Figuren 2 bis 4 noch genauer erläutert werden wird.
Zur Messung wird der Fingersensor auf einem Finger 26 einer zu untersuchenden Person geklemmt. Das Licht der rot emittierenden Leuchtdiode 18 fällt durch den Finger auf den Spiegel 22 und wird von diesem zum Photowiderstand reflektiert. Bei jedem Herzschlag steigt die Blutmenge im Finger, wodurch die Transparenz des Fingers und somit die Intensität des auf den Photowiderstand 20 fallenden Lichtes verringert werden. Der Widerstandswert des Plwotowiderstandes 20 wird also bei jedem Pulsschlag kurzzeitig größer.
Die elektrische Information, die sich aus der Änderung des Widerstandswertes des Photowiderstandes ergibt, ist sehr klein und von Patient zu Patient sehr verschieden, so daß eine elektronische Signalaufbereitung unbedingt notwendig ist.
Dies erfolgt mit Hilfe zweier Regelkreise, die in Figur 2 schematisch dargestellt sind. Die Leuchtdiode 18 wird von einer als Batterie dargestellten elektrischen Energiequelle 28 über einen Regler 30 mit Strom versorgt. Der Regler 30 regelt den durch die Leuchtdiode 18 fließenden Strom so, daß der Widerstandswert des Photowiderstandes 20 im wesentlichen auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten. Wenn sich also im Fingersensor 10 kein Finger befindet, fließt durch die Leuchtdiode 18 nur ein relativ schwacher Strom, was die Lebensdauer der Leuchtdiode erheblich erhöht, während bei einer Messung der Strom durch die Leuchtdiode 18 nur soweit vergrößert wird, daß sich am Photowiderstand 20 eine für die Messung ausreichende Lich-tintensität ergibt. Damit der Regler 30 nicht auch Schwankungen der Lichtintensität ausregelt, die durch den Puls des Patienten verursacht werden, ist in den Regelkreis ein Tiefpaßfilter 32 geschaltet, das die Zeitkonstante des Regelkreises ausreichend erhöht, so daß der Regelkreis auf die pulsbedingten Widerstandsänderunqen des Photowiderstandes 20 nicht mehr ansprechen kann.
Das Nutzsignal am nicht geerdeten Lande des I'hotowiderstandes 20 kann von Patient zu Patient sehr unterschiedliche Amplituuenwerte aufweisen. Um dies auszugleichen, ist es zweiter Re#jelkreis vorgesehen, der einen Vergleicher 34 enthält, dessen Ansprechwelle durch eine Regelspannung von einem Spitzengleichrichter 36 geregelt wird. Der Spitzenyleichrichter 36 hat vorzugsweise eine solche Zeitkonstante, daß die Regelspannung von Herzimpuls zu Herzimpuis nur um ca. 10% absinkt.
Die Erzeugung von fehlerhaften Impulsen, z.B.
durch eine Bewegung des Fingers 26, kann durch eine Doppel-Monovibrator-Schaltung 38 vermieden werden, die verhindert, daß innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne von z.B. 500 ms nach Erzeugung eines Impulses ein zweiter Impuls erzeugt wird.
Figur 3 zeigt das Schaltbild einer bevorzugten praktischen Ausführungsform des vorliegenden Pulssensors.
Die Leuchtdiode 18 ist in Reihe mit einem Vorwiderstand 40 und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Regeltransistors 42 zwischen eine Betriebsspannungsklemme 28 und Masse geschaltet. Die Basis des Regeltransistors 42 ist über einen Widerstand mit dem Ausgang eines Regelverstärkers 44 verbunden, der aus einem gegengekoppelten Operationsverstärker besteht. Der Minus-Einqang des Regelverstärkers 44 liegt über einen Widerstand 46 an Masse. Der Plus-Eingang des Regelverstärkers 44 ist über das Tiefpaßfilter 32 mit einem Schaltungspunkt 48 verbunden. Der Photowiderstand 20 ist zwischen den Schaltungspunkt 48 und die Betriebsspannungsklemme 28' geschaltet. Der Schaltungspunkt 48 ist über eine Leitung 50 mit dem Kollektor eines Stromquellentransistors 52 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand mit einer positiven Betriebsspannungsklemme 54 gekoppelt ist. Die Basis des Stromquellentrdnsistors 52 ist mit dem Abgriff eines zwischen die Klemme 54 und Masse geschalteten Widerstandspannungsteilers und über eine Diode 56 mit dem Ausgang des Regelverstärkers 44 gekoppelt.
Der Spitzengleichrichter 36 enthält einen Eingangsverstärker 58, dessen Signaleingang an die Leitung 50 angeschlossen ist, ferner eine Gleichrichterdiode 60, ein mit der Gleichrichterdiode über einen Reihenwiderstand 62 verbundenes Parallel-RC-Glied 64 und einen Ausgangsverstärker 66, dessen Ausgang mit einer Regelspannungsleitung 68 verbunden ist. Die Regelspannungsleitung 68 ist über einen Widerstands- spannungsteiler mit zwei Widerständen 70, 72 mit Masse verbunden. Der Abgriff des Widerstandsspannungsteilers ist über einen Widerstand 74 mit dem Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 34' verbunden, dessen Plus-Eingang über einen Widerstand 77 mit dem Schaltungspunkt 48 und über ein Widerstands-T-Glied 76 mit seinem Ausgang gekoppelt ist. Zwischen den Minus-Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 34 ist ferner noch ein Gegenkopplunys-Parallel-RC-Glied 78 geschaluet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 34' ist über einen Widerstand 80 und eine Schutz-Zener-Diode 82 mit Masse verbunden. An die Verbindung des Widerstandes 80 und der Zener-Diode 82 sind zwei hintereinander geschaltete Monovibratoren 84 und 86 angeschlossen. An einer Ausgangsklemme 88 des zweiten Monovibrators 86 steht das Ausgangssignal in Form einer Folge von Impulsen 90 vorgegebener Dauer und Amplitude zur Verfügung, die jeweils einem Pulsschlag entsprechen.
Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 arbeitet folgendermaßen: Der Regelverstärker 44 bildet zusammen mit dem Regeltransistor T2, der Leuchtdiode 18 und dem Photowiderstand 20 einen ersten Regelkreis. Der Lichtweg zwischen der Leuchtdiode 18 und dem Photowiderstand 20 ist in den Regelkreis einbezogen, also auch ein Körperteil wie der Finger 26, der sich im Lichtweg zwischen der Leuchtdiode 18 und dem Photowiderstand 20 befindet. Der Transistor 52 ist als Stromquelle geschaltet und liefert einen normalerweise im wesentlichen konstanten Strom durch den Photowiderstand 20. Die SchalLunq.sanordnung ist so ausgelegt, daß am Schciltunclspunkt 48 im statischen 1?al le Massep)otentia1 herrscht, d.il. der Verstärker 44 reclilt die Spannung der Leuchtdiode 18 und damit die Stärke des den Finger durchleuchtenden Lichtes so, daß der Photowiderstand und der Stromquellenwiderstand gleich groß sind. Unterschiedliche Fingerstärken bzw.
Hornhaut usw. werden also so ausgeregelt, daß ai Sclualtungspunkt 48 im statischen Falle immer Massepotential herrscht. Dies ist von großem Vorteil, da der Bezugspunkt für alle Verstärker dann gleich Massepotential ist.
Der Tiefpaß 32 verhindert, daß der Verstärker 44 ein Ansteigen des Widerstandswertes des Photowiderstandes durch einen Pulsschlag sofort ausregelt.
Am Schaltungspunkt 48 steht daher ein dynamisches Signal entsprechend der pulsbedingten Durchblutungsänderung des Fingers zur Verfügung, wie in Figur 4 durch die Kurve T dargestellt ist. Dieses Signal hat den Verlauf einer Herzdruckwelle und ein positives Maximum, das bei der dargestellten Schaltungsanordnung ge nach Patient etwa 25 mV bis 200 mV beträgt. Da die Amplituden sehr unterschiedlich sind und nur die erste Spannungsspitze 92 (Figur 4) verwertet werden soll, wird eine zweite Regelung vorgesehen, die von der Spitzenspannung des jeweils vorangegangenen Herzimpulses 92 proportional ist. Diese Regelspannung wird durch die Spitzencjleicheichterschaltung 36 erzeugt, deren Zeitkonstante, die im wesentlichen durch das RC-Glied 64 bestimmt wird, so bemessen ist, daß die Spannung auf der Leitung 68 von Herz impuls zu erzimpuls nur um ca. 10% absinkt.
Durch den Spannungsteiler 70-72 wird die Regelspannung auf 80% des Spitzenwertes herabgesetzt und die herabgesetzte Spannung wird dem als Komparator arbeitenden Operationsverstärker 34' als Referenzspannung (Schaltschwelle) zugeführt. Der Operationsverstärker 34 liefert an seinem Ausgang einen Impuls 94 (Figur 4), solange die Spannung an seinem Plus-Eingang über der Referenzspannung 96 (Figur 4) liegt. Daher liefert nur die erste Spannungsspitze 92 einen Ausgangsimpuls. Das Widerstandsnetzwerk 76 und der Reihenwiderstand 77 verleihen dem Komparator eine gewisse Hysterese, die ebenfalls zur Erzeugung eines eindeutigen Ausgangssignales beiträgt.
Der erste Monovibrator 84 hat eine Zeitkonstante von beispielsweise 500 ms und unterdrückt dadurch etwaige Störimpulse, die während dieser Zeitspanne auftreten. Beim Zurückkippen stößt der erste Monovibrator 84 den zweiten Monovibrator 86 an, der dann die normierten Ausgangs impulse 90 liefert.
Wenn in Ausnahmefällen der Dynamikumfang des Regelkreises, der den Regelverstärker 44 enthält, überschritten wird, setzt eine verzögerte Regelung ein.
Die Diode 56 wird dann leitend und setzt den vom Stromquellentransistor 52 an den Photowiderstand 20 gelieferten Strom herab. Dadurch wird dann auch der Strom durch die Leuchtdiode 18 herabgesetzt. Der Regelbereich kann also niemals überschritten werden.

Claims

Pulssensor Patentansorüche Pulssensor mit einem optoelektronischen Pulsaufnehmer (10) , der eine Lichtquelle (18) sowie ein photoempfindliches Bauelement (20) enthält, die über einen Strahlengang optisch miteinander gekoppelt sind, in dem ein ausreichend lichtdurchlässiger durchbluteter Körperteil (26) angeordnet werden kann, so daß das photoempfindliche Bauelement (20) ein Ausgangssignal liefert, das von seiner Bestrahlungsstärke und damit von durch Lichtdurchlässigkeit des Körperteiles abhängt, dadurch gekennzeichnet daß die Lichtquelle (18) , das photoempfindliche Bauelement (20) und der sie koppelnde Strahlengang in einen Regelkreis (18-90-32-44-42) liegen, der die Beleuchtungsstarke des photoempfindlichen Bauelements (20) konstant zu halten strebt, jedoch eine so große Zeitkonstante hat, daß er Anderungen der Beleuchtungsstärke, die durch pulsbedingte Durchblutungsschwankungen des Körperteiles verursacht werden, nicht auszuregeln vermag.
2. Pulssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das photoempfindliche Bauelement (20) ein Photowiderstand ise, der durch eine Stromquelle (52, 54) mit einem im wesentlichen konstanten Strom gespeist wird.
3. Pulssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) eine rot emittierende Leuchtdiode (18) ist, die in Reihe mit dem steuerbaren Stromweg eines Regeltransistors (42) an eine Stromquelle (28') angeschlossen ist; daß der Regeltransistor (42) mit seiner Steuerelektrode an den Ausgang eines Regelverstärkers (44) angeschlossen ist, und daß ein Signaleingang des Regelverstärkers über ein Tiefpaßfilter (.32) mit dem photoempfindlichen Bauelement (20) gekoppelt ist.
4. Pulssensor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausqang des Regelverstärkers (44) über eine Diode (56) mit einem in der Stromquelle für den Photowiderstand enthaltenen Stromquellentransistor (52) gekoppelt ist, um den Strom der Stromquelle bei übersteuerung des Regelkreises herabzusetzen.
5. Pulssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsaufnehmer (1d) zwei durch eine Feder (16) vorgespannte, eine Art von Klammer bildende Teile (12, 14) enthält; daß im einen dieser Teile die Lichtquelle (18) sowie das photoempfindliche Bauelement (20) nebeneinander angeordnet sind, und daß eine der Lichtquelle (18) und dem photoempfindlichen Bauelement (20) gegenüberliegende Fläche des anderen Bauteils (,4) mit einem Spiegel (22) versehen ist.
6. Pulssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsseite des photoempfindlichen Bauelements (20) mit einem Spitzendetektor (36) und einem Eingang eines Vergleichers (34') gekoppelt ist, dessen anderem Eingang eine von der Ausgangsspannung des Spitzengleichrichters abgeleitete Referenzspannung zugeführt ist.
7. Pulssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzengleichrichter eine solche Zeitkonstante hat, daß seine Ausgangsspannung zwischen zwei normalen Pulsschlägen nur etwa 10% absinkt und daß die Referenzspannung etwa 80% der Ausgangsspannung des Spitzengleichrichters (36) beträgt.
8. Pulssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (84), die für eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluß an einen Ausgangsimpuls die Erzeugung eines weiteren Ausgangs impulses verhindert.
9. Pulssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Schaltungsanordnung einen Monovibrator vorgegebener Zeitkonstante enthält, dem ein zweiter Monovibrator mit wesentlich kürzerer Zeitkonstante, der normierte Ausyangsimpulse (90) liefert, nachgeschaltet ist.
10. Pulssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalweg zwischen dem photoempfindlichen Bauelement (20) und einer Ausgangsklemme (88) eine Schaltungsanordnung (34', 76, 77) mit Elysteresecharakteristik angeordnet ist.