DE69518434T2

DE69518434T2 - Rauscharmer optischer sensor

Info

Publication number: DE69518434T2
Application number: DE69518434T
Authority: DE
Inventors: Mohamed Kheir Diab; Ismael Kiani-Azarbayjany; E Lepper Jr
Original assignee: Masimo Corp
Current assignee: Masimo Corp
Priority date: 1994-11-01
Filing date: 1995-11-01
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2015-11-02
Also published as: US6813511B2; US20020026109A1; AU4236596A; JP2004113814A; US5782757A; JP4173429B2; US20030045785A1; ATE195409T1; DE69518434D1; US20090143657A1; US6256523B1; EP0790800A1; US20050043600A1; JPH10509352A; US20120123278A1; US6792300B1; US7483730B2; WO1996013208A1; US5638818A; US6088607A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Erfassen von Energie. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Verringern von Rauschen in Signalen durch einen verbesserten Erfassungsmechanismus.

Beschreibung des Stands der Technik

Energie wird häufig durch ein Medium gesendet oder von diesem reflektiert, um die Eigenschaften des Mediums zu bestimmen. Statt beispielsweise im medizinischen Bereich Material zum Prüfen aus dem Körper eines Patienten zu entnehmen, kann bewirkt werden, daß Licht- oder Schallenergie auf den Körper des Patienten fällt, und es kann die durchgelassene (oder reflektierte) Energie gemessen werden, um Informationen über das Material, durch das das Licht hindurchgetreten ist, zu ermitteln. Dieser Typ einer nichtinvasiven Messung ist bequemer für den Patienten und kann schneller ausgeführt werden.
Es ist häufig eine nichtinvasive physiologische Überwachung einer Körperfunktion erforderlich. Beispielsweise werden während einer chirurgischen Behandlung oft der Blutdruck und die verfügbare Sauerstoffversorgung des Körpers oder die Sauerstoffsättigung des Bluts überwacht. Solche Messungen werden oft mit nichtinvasiven Techniken ausgeführt, bei denen Beurteilungen durch Messen des Verhältnisses von einfallendem zu von einem Körperabschnitt, beispielsweise einem Digitus, wie einem Finger, oder einem Ohrläppchen oder einer Stirn, durchgelassenem (oder von diesem reflektiertem) Licht gemacht werden.
Das Durchlassen optischer Energie beim Durchqueren des Körpers hängt stark von der Dicke des Materials, durch das das Licht hindurchtritt, oder von der Länge des optischen Wegs, ab. Viele Abschnitte des Körpers eines Patienten sind typischerweise weich und komprimierbar. Beispielsweise besteht ein Finger aus Haut, Muskeln, Gewebe, Knochen, Blut usw. Wenngleich der Knochen ziemlich inkompressibel ist, sind Gewebe, Muskeln usw. leicht komprimierbar, wenn Druck auf den Finger ausgeübt wird, was bei einer Bewegung des Fingers oft vorkommt. Wenn also optische Energie auf einen Finger gerichtet wird, und sich der Patient in einer Weise bewegt, daß der Finger verdreht oder komprimiert wird, ändert sich die Länge des optischen Wegs. Weil sich ein Patient im wesentlichen in erratischer Weise bewegt, ist die Kompression des Fingers erratisch. Dies bewirkt, daß die Änderung der Länge des optischen Wegs und somit die Absorption erratisch ist, was zu einem schwer interpretierbaren Meßsignal führt.
Es wurden viele Typen von nichtinvasiven Überwachungsvorrichtungen in dem Versuch entwickelt, ein deutliches und unterscheidbares Signal zu erzeugen, wenn Energie durch ein Medium, wie einen Finger oder einen anderen Körperteil, gesendet wird. Bei typischen optischen Sensoren ist eine lichtemittierende Diode (LED) auf einer Seite des Mediums angebracht, während ein Photodetektor auf der entgegengesetzten Seite angebracht ist. Viele Sensoren aus dem Stand der Technik sind nur für die Verwendung an einem relativ bewegungslosen Patienten ausgelegt, weil das bewegungsinduzierte Rauschen das gemessene Signal stark beeinträchtigen kann, wie oben erörtert wurde. Typischerweise sind Sensoren derart ausgelegt, daß sie die Berührung zwischen der LED und dem Medium sowie dem Photodetektor und dem Medium maximieren, um ein starkes optisches Koppeln zwischen der LED, dem Medium und dem Photodetektor zu fördern und dadurch eine starke Ausgangssignalintensität zu bewirken. Auf diese Weise kann ein starkes, deutliches Signal durch das Medium übertragen werden, wenn der Patient im wesentlichen bewegungslos ist.
Im Jaeb u. a. erteilten US-Patent 4 880 304 ist beispielsweise ein optischer Sensor für ein Pulsoximeter oder ein Blutsauerstoffsättigungs-Überwachungsgerät mit einem Gehäuse offenbart, dessen flache untere Fläche einen zentralen Vorsprung aufweist, an dem mehrere lichtemittierende Dioden (LEDs) und ein optischer Detektor angebracht sind. Wenn der Sensor auf dem Gewebe eines Patienten angeordnet ist, bewirkt der Vorsprung, daß die LEDs und der Detektor gegen das Gewebe gedrückt werden, wodurch ein verbessertes optisches Koppeln des Sensors mit der Haut gewährleistet ist. Bei einer weiteren Ausführungsform (die Fig. 4a und 4b im Patent von Jaeb) sind die LEDs und der Detektor im wesentlichen horizontal zum Gewebe, an dem der Sensor angeordnet ist, innerhalb einer zentralen Kammer angeordnet. Ein Satz von Spiegeln oder Prismen bewirkt, daß Licht von den LEDs durch ein innerhalb der Kammer angeordnetes Polymerdichtmittel auf das Gewebe gerichtet wird, wobei das Dichtmittel eine Berührung mit dem Gewebe für ein gutes optisches Koppeln mit diesem vermittelt.
Im Tan u. a. erteilten US-Patent 4 825 879 ist ein optischer Sensor offenbart, bei dem eine T-förmige Hülle mit einem vertikalen Schaft und einem horizontalen Querträger dazu verwendet wird, eine Lichtquelle und einen optischen Sensor in optischem Kontakt mit einem Finger zu halten. Die Lichtquelle ist in einem Fenster auf einer Seite des vertikalen Schafts angeordnet, während der Sensor in einem Fenster auf der anderen Seite des vertikalen Schafts angeordnet ist. Der Finger wird mit dem Schaft ausgerichtet, und der Schaft wird so gebogen, daß die Lichtquelle und der Sensor auf entgegengesetzten Seiten des Fingers liegen. Daraufhin wird der Querträger zum Befestigen der Hülle um den Finger herumgewickelt, wodurch sichergestellt wird, daß die Lichtquelle und der Sensor in Kontakt mit dem Finger bleiben und ein gutes optisches Koppeln erzeugt wird.
Im Jöbsis u. a. erteilten US-Patent 4 380 240 ist ein optischer Sensor offenbart, wobei eine Lichtquelle und ein Lichtdetektor in Kanäle innerhalb einer leicht verformbaren an ein Band angeklebten Befestigungsstruktur eingebaut sind. Ringförmige Klebebänder sind über der Quelle und dem Detektor angebracht. Die Lichtquelle und der Detektor sind durch die Klebebänder und den durch Wickeln des Bands um einen Körperabschnitt induzierten Druck in festen Eingriff mit einer Körperfläche gebracht. Bei einer alternativen Ausführungsform sind eine unter Druck gesetzte Dichtung und ein Pumpenmechanismus vorgesehen, um zu bewirken, daß der Körper in Kontakt mit der Lichtquelle und dem Detektor gesogen wird.
Im Rich u. a. erteilten US-Patent 4 865 038 ist ein optischer Sensor offenbart, der infolge eines äußerst dünnen Querschnitts elastisch ist. Eine Chip-LED und ein Chip-Photodetektor sind an einer elastischen gedruckten Schaltungsplatte angeordnet und in ein Epoxidwulst eingekapselt. Ein Abstandsstück mit mit der LED und dem Photodetektor ausgerichteten kreisförmigen Öffnungen ist über der freiliegenden Schaltungsplatte angebracht. Ein transparenter oberer Deckel ist über dem Abstandsstück angeordnet und mit einem unter der Schaltungsplatte angeordneten unteren Deckel verschlossen, wodurch der Sensor gegen Verunreinigungen versiegelt ist. Es kann zur Verstärkung der Vorrichtung ein Grat hinzugefügt werden. Die Elastizität der Vorrichtung erlaubt es, sie auf den Körper zu drücken, wodurch bewirkt wird, daß die über der LED und dem Photodetektor angeordneten Epoxidwülste durch die Öffnungen im Abstandsstück hinausragen und gegen den oberen Deckel drücken, so daß ein guter optischer Kontakt mit dem Körper erzeugt wird.
Im Muz erteilten US-Patent 4 907 594 ist ein optischer Sensor offenbart, bei dem eine gummierte Doppelwandummantelung um den Finger herum angebracht ist. Eine Pumpe ist an der Fingerspitze so angeordnet, daß zwischen den beiden Wänden eine unter Druck gesetzte Kammer gebildet werden kann, wodurch eine LED und ein in der Innenwand angeordneter Photodetektor in Kontakt mit dem Finger gebracht werden.
Jeder der oben beschriebenen optischen Sensoren ist dafür ausgelegt, durch Optimieren des Kontakts zwischen der LED, dem Patienten und dem Sensor ein starkes Meßsignal am Photodetektor hervorzurufen. Durch diese Optimierung werden komprimierbare Abschnitte des Körpers eines Patienten jedoch in Kontakt mit Flächen gebracht, die diese Abschnitte des Körpers des Patienten berühren, wenn sich der Patient bewegt. Dies kann außerordentliche Änderungen der Dicke des Materials, durch das optische Energie hindurchtritt, d. h. Änderungen der Länge des optischen Wegs und Änderungen infolge der Streuung wegen der Bewegung venösen Bluts während der Bewegung, hervorrufen. Die Änderungen der Länge des optischen Wegs können eine ausreichende Verzerrung des gemessenen Signals hervorrufen, um es schwierig oder unmöglich zu machen, die erforderlichen Informationen zu ermitteln. Demgemäß ist ein Sensor erforderlich, der das bewegungsinduzierte Rauschen oder Bewegungsartefakte während des Messens eines Signals unterdrückt, der jedoch ein durchgelassenes oder reflektiertes Signal erzeugt, dessen Intensität ausreicht, um durch einen Detektor gemessen zu werden.
Ein verbesserter optischer Sensor, der geeignet ist, Rauschen bei an einem leicht komprimierbaren Material, wie einem Finger oder Ohrläppchen, ausgeführten Messungen zu verringern, ist in WO-A-92 16142 offenbart. Der optische Sensor weist eine Basis mit einer zu einer Kammer führenden Öffnung auf. Ein Photodetektor ist in der Kammer angeordnet und berührt das komprimierbare Material nicht. Eine lichtemittierende Diode ist entgegengesetzt zum Photodetektor positioniert, so daß das Material zwischen dem Photodetektor und der lichtemittierenden Diode angeordnet ist. Weil das über der Kammer liegende oder in diese eingedrungene Material stabilisiert ist, ist die Länge des optischen Wegs, durch den Licht hindurchtritt, stabilisiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Verwenden bei invasiven und nichtinvasiven Energieabsorptionsmessungen (oder Energiereflexionsmessungen). Es wird eine Basis in einer Form gebildet, die im wesentlichen dem Mate rial, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, beispielsweise einem Abschnitt des Körpers eines Patienten, wie einem Finger, einem Ohrläppchen, einem Zeh, einer Stirn, einem Organ oder einem Gewebeabschnitt, entspricht. Die Basis weist ein vorderes Ende, ein hinteres Ende, ein oberes Ende und einen Boden auf. Eine Öffnung ist im oberen Ende der Basis ausgebildet. Die Öffnung ist der Eingang zu einer Kammer. Ein Detektor in der Art eines Photodetektors ist innerhalb der Kammer, typischerweise am Boden von dieser, angebracht. Das Material, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, wird so an der Basis angebracht, daß jeder beliebige komprimierbare Abschnitt des Materials direkt angrenzend an die Kammer angeordnet ist. Demgemäß wird bewirkt, daß der komprimierbare Abschnitt des Materials über der Kammer liegt oder in diese eintritt. Die Kammer ist breit genug, damit jedes beliebige in die Kammer eindringende Material nichts berührt, was eine Kompression hervorrufen könnte.
Eine Lichtquelle in der Art einer LED ist dem Photodetektor entgegengesetzt am Material angebracht. Die LED emittiert Lichtenergie, die sich durch das Material ausbreitet und von diesem entlang dem optischen Weg oder der Dicke des Materials, durch das sich Licht ausbreitet, absorbiert wird. Ein gedämpftes Lichtenergiesignal tritt aus dem Material aus und tritt in die Kammer ein. Wenn sich Licht durch das Material ausbreitet, wird es von diesem gestreut und somit über einen breiten Winkelbereich in die Kammer übertragen. Der Photodetektor erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität des vom Material durchgelassenen Signals angibt. Das elektrische Signal wird in einen Prozessor eingegeben, der das Signal analysiert, um Informationen über das Medium, durch das die Lichtenergie gesendet worden ist, zu ermitteln.
Der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Öffnung und eine Kammer auf, die es ermöglichen, daß ein leicht komprimierbarer Abschnitt des Materials, durch das die Lichtenergie hindurchtritt, in der Kammer liegt und nicht komprimiert wird. Dies führt zu einer geringeren Störung des optischen Wegs zwischen der Lichtquelle und dem Detektor. Weil die LED im wesentlichen mit der Kammer und dem Photodetektor ausgerichtet ist, breitet sich das Lichtenergiesignal durch den Abschnitt des Materials aus, der über der Kammer liegt oder in dieser untergebracht ist. Die Kammer ermöglicht es, daß der komprimierbare Abschnitt des Materials selbst während einer Bewegung im wesentlichen unkomprimiert bleibt, weil nichts innerhalb der Kammer das Material, durch das die Lichtenergie hindurchtritt, physisch berührt und eine Kompression bewirkt. Demgemäß ist die Dicke des Materials, oder die Länge des optischen Wegs, stabilisiert, und die Bewegung von venösem Blut während der Bewegung ist minimiert, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis des gemessenen Signals verbessert wird. Demgemäß erzeugt der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein starkes, deutliches Signal, wobei das Rauschen infolge einer Bewegung oder von Bewegungsartefakten erheblich verringert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kammer mit einem Streumedium gefüllt. Das Streumedium besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff oder einem hochkomprimierbaren Material, so daß das Material, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, bei der Berührung mit dem Streumedium nicht komprimiert wird. Das Streumedium hilft, die Wirkungen lokaler Artefakte und Störungen innerhalb des Materials zu minimieren. Demgemäß wird ein erhöhtes optisches Signal-Rausch-Verhältnis beobachtet. Das Streumedium verbessert auch das optische Koppeln mit dem Material.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Streumedium zwischen der Lichtquelle und dem Material angeordnet, und bei einer weiteren Ausführungsform ist das Streumedium zwischen der Lichtquelle und dem Material sowie zwischen dem Material und dem Photodetektor angeordnet. Jede dieser Ausführungsformen ergibt ein verbessertes optisches Signal-Rausch-Verhältnis.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Immersionslinse in Verbindung mit der Lichtquelle und/oder dem Photodetektor verwendet. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Immersionslinse durch Anbringen eines Epoxidhöckers in Form einer Teilkugel über den als Lichtquelle verwendeten Halbleiterdioden und/oder dem Photodetektor ausgebildet, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 veranschaulicht ein schematisches Medium aus N verschiedenen Bestandteilen.
Fig. 2a veranschaulicht ein ideales plethysmographisches Signal, das durch den optischen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung bei Verwendung für die Pulsoximetrie gemessen wird.
Fig. 2b veranschaulicht ein realistisches Signal, das durch den optischen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung bei Verwendung für die Pulsoximetrie gemessen wurde.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Sensors mit einer Einsegmentkammer.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines optischen Sensors, in der eine Einsegmentkammer mit einem darin angeordneten Detektor veranschaulicht ist.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Sensors mit einem Detektor, der auf einem Mantel aus dem Material der Basis liegt.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines Sensors mit einer Lichtsammellinse.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines Sensors, in der eine Einsegmentkammer mit einer darin angeordneten LED veranschaulicht ist.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines Sensors mit einer Kollimationslinsenbaugruppe.
Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines Sensors, wobei die LED und der Detektor nicht entlang der Mittelachse der Kammer ausgerichtet sind.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Sensors mit einer Zweisegmentkammer.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Sensors aus Fig. 10, der, eine Zweisegmentkammer mit einem darin angeordneten Detektor darin aufweist.
Fig. 12 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Sensors aus Fig. 10, der eine Lichtsammellinse in einer Zweisegmentkammer aufweist.
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines Sensors mit einer Dreisegmentkammer.
Fig. 14 ist eine Schnittansicht des Sensors aus Fig. 13, der eine Dreisegmentkammer mit einem darin angeordneten Detektor aufweist.
Fig. 15 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Sensors aus Fig. 13, der eine Lichtkollimationslinse aufweist.
Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht eines Sensors, der speziell für die Verwendung mit einem Digitus ausgelegt ist.
Fig. 17 veranschaulicht einen schematischen Finger mit einem Fingernagel, Haut, Knochen, Gewebe, Muskeln, Blut usw. Fig. 18 ist eine Schnittansicht des Sensors aus Fig. 16.
Fig. 19 ist eine Längsschnittansicht des Sensors aus Fig. 16.
Fig. 20 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Sensors aus Fig. 16, der eine Lichtsammellinse aufweist.
Fig. 21 ist eine Schnittansicht eines Sensors, der für eine Verwendung für Reflexionsmessungen ausgelegt ist.
Fig. 22 ist eine Schnittansicht eines Sensors, der vorteilhaft für nichtinvasive Messungen verwendet wird, wenn ein Material auf mehr als einer Seite komprimierbar ist. Der Sensor hat zwei Basen, von denen jede eine Kammer aufweist, um einen Detektor oder eine Energiequelle aufzunehmen und somit Bewegungsartefakte zu verringern.
Fig. 23 ist eine Schnittansicht eines Sensors mit einer im wesentlichen kegelartigen Kammer mit einer reflektierenden Fläche, die bewirkt, daß Energie vorteilhafterweise auf der Fläche eines Detektors innerhalb der Kammer konzentriert oder zu dieser "kanalisiert" wird, wodurch das gemessene Signal verbessert wird.
Fig. 24 ist eine schematische Darstellung eines Systems, bei dem ein Sensor vorteilhaft verwendet werden kann.
Fig. 25 ist eine Schnittansicht eines Sensors, wobei die Öffnung mit einem komprimierbaren Streumedium gefüllt ist.
Fig. 26 ist eine Schnittansicht eines Sensors, wobei die LED durch eine Übertragungsbaugruppe mit einem zwischen der LED und dem Material angeordneten Streumedium vom zu messenden Material getrennt ist.
Fig. 27 ist eine Schnittansicht eines Sensors, wobei ein Streumedium zwischen der LED und dem Material sowie zwischen dem Material und dem Photodetektor angeordnet ist.
Fig. 28 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine Immersionslinse für den Photodetektor und für die LED aufweist und der ein zwischen der LED und dem Prüfmaterial sowie zwischen dem Prüfmaterial und dem Photodetektor angeordnetes Streumedium aufweist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Das Untersuchen eines Materials ist häufig vorteilhaft, besonders wenn es schwierig oder teuer ist, ein Muster des Materials zu beschaffen und zu prüfen. Beispielsweise ist es bei physiologischen Messungen oft erwünscht, einen Patienten zu überwachen, ohne ihm unnötig Blut oder Gewebe zu entnehmen. Die bekannten Eigenschaften der Energieabsorption beim Ausbreiten von Energie durch ein Material können dazu verwendet werden, Informationen über das Material, durch das die Energie gelaufen ist, zu ermitteln. Energie wird auf ein Material fallen gelassen, und es wird eine Messung der vom Material durchgelassenen oder von diesem reflektierten Energie ausgeführt.
Die Amplitude des gemessenen Signals hängt in hohem Maße von der Dicke des Materials, durch das die Energie hindurchtritt, oder von der Länge des optischen Wegs sowie von anderen Eigenschaften, wie der erratischen Bewegung von venösem Blut während der Bewegung, ab. Ein schematisches Medium 20 aus N verschiedenen Bestandteilen A1 bis AN ist in Fig. 1 dargestellt. Die durch das Medium 20 übertragene Energie wird in etwa gemäß der folgenden Gleichung gedämpft:
I = I&sub0;e (1)
wobei i der Absorptionskoeffizient des i-ten Bestandteils ist, xi die Dicke des i-ten Bestandteils, durch den Lichtenergie hindurchtritt, oder die Länge des optischen Wegs des i-ten Bestandteils ist und ci die Konzentration des i-ten Bestandteils bei der Dicke xi ist.
Weil die Energieabsorption in hohem Maße von der Dicke der Bestandteile A1 bis AN abhängt, die das Medium 20 ausmachen, durch das die Energie hindurchtritt, ändern sich die Dicken der einzelnen Bestandteile A1 bis AN beispielsweise wegen einer Bewegung, wenn sich die Dicke des Mediums 20 ändert. Dadurch ändern sich die Eigenschaften des Mediums 20.
Oft befindet sich das Medium 20 in zufälliger oder erratischer Bewegung. Wenn das Medium 20 beispielsweise ein leicht komprimierbarer Abschnitt des Körpers eines Patienten, wie ein Finger, ist und wenn sich der Patient bewegt, zieht sich das Medium 20 erratisch zusammen, wodurch sich die einzelnen Dicken X1 bis XN der Bestandteile A1 bis AN erratisch ändern. Diese erratische Veränderung kann große Abweichungen im gemessenen Signal hervorrufen und es außerordentlich schwierig machen, ein gewünschtes Signal zu erkennen, wie es ohne bewegungsinduziertes Rauschen oder Bewegungsartefakte vorhanden wäre.
Beispielsweise veranschaulicht Fig. 2a eine mit Y bezeichnete ideale gewünschte Signalwellenform, die bei einer Anwendung der vorliegenden Erfindung, nämlich einer Pulsoximetrie, gemessen wurde. Fig. 2b veranschaulicht eine realistischere gemessene Wellenform S. die ebenfalls bei einer Pulsoximetrieanwendung gemessen wurde und die aus der idealen gewünschten Signalwellenform Y und bewegungsinduziertem Rauschen n, also S = Y + n, besteht. Es ist leicht ersichtlich, wie Bewegungsartefakte den gewünschten Signalabschnitt Y undeutlich machen.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines optischen Sensors 100, der die Wirkungen von Bewegungsartefakten auf dem gemessenen Signal stark vermindert. Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des optischen Sensors 100 entlang der Linie 4 - 4 in Fig. 3. Der Klarheit halber ist in der perspektivischen Ansicht aus Fig. 3 ein Material 128, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, nicht als an den Sensor 100 angrenzend dargestellt. Das Material 128, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, ist jedoch in Fig. 4 dargestellt. Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, besteht eine Basis 110, die ein oberes Ende 112, ein unteres Ende 114, ein vorderes Ende 116 und ein hinteres Ende 118 aufweist, aus einem vorzugsweise starren und undurchsichtigen Material. Es wird jedoch deutlich, daß der Sensor 100 aus Materialien bestehen kann, die beispielsweise starr, elastisch, opak oder transparent sein können.
Eine Öffnung 120 ist im oberen Ende 112 der Basis 110 ausgebildet. Typischerweise ist die Öffnung 120 an einer Stelle zwischen einem Viertel und der Hälfte der Länge der Basis 100 angeordnet. Die Öffnung 120 kann von beliebiger Form, einschließlich einer runden, quadratischen oder dreieckigen Form sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Öffnung 120 bildet eine Öffnung zu einer Kammer 122, die auch von beliebiger Form sein kann. Bei einer Ausführungsform weist ein seitlicher Querschnitt (nicht dargestellt) der Kammer 122 die gleiche Form wie die Öffnung auf. Eine Mittelachse 124 der Kammer 122 ist durch eine Linie bestimmt, die senkrecht zur Öffnung 120 ausgerichtet ist und im wesentlichen durch einen zentralen Abschnitt der Öffnung 120 verläuft.
Bei der Ausführungsform aus Fig. 4 ist eine Lichtquelle 130, typischerweise eine lichtemittierende Diode (LED), angrenzend an das Material 128 angebracht und entlang der der Kammer 122 gegenüberliegenden Mittelachse 124 der Kammer 122 ausgerichtet. Typischerweise wird ein Haftmittel, wie ein medizinisches Band, zum Anbringen der LED 130 am Material 128 verwendet. Ein Detektor 126 in der Art eines Photodetektors ist innerhalb der Kammer 122 angeordnet. Ein zentraler Abschnitt des Photodetektors 126 ist gewöhnlich mit der Mittelachse 124 der Kammer 122 typischerweise am Boden 114 der Kammer 122 ausgerichtet. Der Photodetektor 126 kann innerhalb der Kammer 122 durch mehrere unterschiedliche Verfahren, einschließlich der Verwendung eines Haftmittels, einer Preßpassung oder klaren Epoxidharzes, das Licht über einen Bereich von erwünschten Wellenlängen durchläßt, befestigt werden. Typischerweise wird die Bodenfläche 114 der Kammer 122 unabhängig davon, wie der Photodetektor 126 innerhalb der Kammer 122 gehalten wird, beispielsweise durch die Preßpassung oder durch Farbe oder Band opak gemacht.
Es ist häufig der Fall, daß die Materialien 128, an denen Absorptionsmessungen ausgeführt werden, zumindest teilweise leicht komprimierbar sind. Leicht komprimierbare Abschnitte des Materials 128 werden direkt neben (d. h. oberhalb) der Kammer 122 angeordnet. Der die Öffnung 120 umgebende Bereich unterstützt das die Kammer 122 bedeckende Material. Die Kammer 122 ist breit genug, damit ein beliebiger komprimierbarer Abschnitt des Materials 128, der oberhalb der Öffnung 120 angeordnet ist, in die Kammer 122 eindringen kann. Demgemäß kann das Material 128 oberhalb der Kammer 122 liegen oder in diese eindringen, und es wird dadurch gegen das Material 128 komprimierende Störungen, wie den durch Berührung des Materials 128 hervorgerufenen Druck, abgeschirmt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Dicke der Kammer 122 im Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, vorzugsweise von 2-4 mm und bevorzugt von 3-4 mm, liegen. Ähnlich kann der Durchmesser der Öffnung 120 bei der vorliegenden Ausführungs form von 3 mm bis 20 mm reichen, je nachdem, wie es bei der jeweiligen Anwendung erforderlich ist. Beispielsweise wäre die Öffnung für Neugeborene kleiner als für Erwachsene. Es wurde herausgefunden, daß diese Größen wirksam sind, Störungen und eine Kompression des Materials 128 zu verringern, wenn das Material menschliche Haut ist.
Die Kammer 122 ist tief genug, damit der Photodetektor 126 und der Boden 114 der Kammer 122 selbst dann nicht in Kontakt mit dem leicht komprimierbaren Abschnitt des Materials 128 gelangen, wenn das Material in Bewegung gebracht wird. Demgemäß gelangt entlang der Mittelachse 124 der Kammer 122 nichts in physischen Kontakt mit dem leicht komprimierbaren Abschnitt des Materials 128 und bewirkt dessen Kompression. Bei geringer oder keiner Kompression des Materials 128 in diesem Bereich ist die Dicke des Materials 128 oder die Länge des optischen Wegs von Lichtenergie, die sich durch das Material 128 ausbreitet, im Sichtfeld des Photodetektors im wesentlichen stabil. Die Bewegung venösen Bluts infolge der Kompression wird im Sichtfeld des Photodetektors ebenfalls minimiert.
Die LED 130 emittiert Licht einer bekannten Wellenlänge. Das Licht breitet sich durch das Material 128 aus, und ein gedämpftes Signal wird in die Kammer 122 übertragen und durch den Photodetektor 126 empfangen. Wenn sich Licht von der LED 130 durch das Material 128 ausbreitet, wird es durch das Material 128 gestreut und somit über einen breiten Winkelbereich in sehr komplexer Weise in die Kammer 122 übertragen. Demgemäß wird bewirkt, daß ein Teil des Lichts auf die undurchsichtigen Wände 123 der Kammer 122 fällt und absorbiert wird. Wenngleich das Signal bis zum Erreichen des Photodetektors 126 am Boden 114 der Kammer 122 eine größere optische Strecke zurücklegt als wenn der Photodetektor 126 unmittelbar an das Material 128 angrenzen würde, wodurch ein direktes Koppeln zwischen dem Photodetektor 126 und dem Material 128 beseitigt wird, wird die sich ergebende Verminderung der Signalintensität durch die Stabilisierung der Länge des optischen Wegs und die resultierende Verringerung des Rauschens im gemessenen Signal ausgeglichen. Der Photodetektor 126 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität der auf den Photodetektor 126 fallenden Lichtenergie angibt. Das elektrische Signal wird in einen Prozessor eingegeben, der das Signal analysiert, um die Eigenschaften der Medien 128 festzustellen, die die Lichtenergie durchquert hat.
Durch die opake Beschaffenheit der Basis 110 wird Umgebungslicht absorbiert, das störend auf das am Photodetektor 126 gemessene Signal einwirken kann. Dies verbessert die Qualität des Signals weiter. Weiterhin schützt der opake Boden 114 der Kammer 122 den Photodetektor 126 vor Umgebungslicht, das das am Photodetektor 126 gemessene gewünschte Signal überdecken kann. Demgemäß kann am Photodetektor 126 eine genaue Messung der Intensität des gedämpften Signals vorgenommen werden.
Eine alternative Ausführungsform der Kammer 122 ist in Fig. 5 im vorderen Querschnitt dargestellt. Ein Mantel 131 aus dem Material der Basis 110 bedeckt den Boden 114 der Kammer 122. Der Photodetektor 126 ist am Mantel 131 innerhalb der Kammer 122 befestigt, wobei er gewöhnlich mit der LED 130 ausgerichtet ist. Der Photodetektor 126 ist durch ein kleines Loch (nicht dargestellt) im Mantel 131 elektrisch mit einem Prozessor verbunden. Der Mantel 131 schirmt den Photodetektor 126 gegen Umgebungslicht ab, das das Signal-Rausch-Verhältnis des am Photodetektor 126 gemessenen Signals stark verschlechtern kann. Es ist ersichtlich, daß der Boden 114 der Kammer 122 bei jeder beliebigen Ausführungsform des Sensors mit der Schale oder ohne diese ausgebildet sein kann.
Fig. 6 zeigt eine vordere Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Sensors 100, wobei eine Lichtsammellinse 132 innerhalb der Kammer 122 zwischen dem Material 128, das über der Kammer liegt oder in diese eindringt, und dem Photodetektor 126 angeordnet ist. Die Linse 132 weist eine parallel zur Öffnung 120 im oberen Ende 112 der Basis 110 ausge richtete im wesentlichen planare Fläche 132a auf, die ausreichend tief innerhalb der Kammer 122 angeordnet ist, daß beliebiges in die Kammer 122 eindringendes Material 128 die planare Fläche 132a der Linse 132 nicht berührt. Eine weitere Fläche 132 der Linse 132 ist gewöhnlich konvex, wobei ihre Spitze auf den Photodetektor 126 am Boden 114 der Kammer 122 gerichtet ist. Die Linse 132 kann durch mehrere Mittel, einschließlich eines optischen Haftmittels, eines Linsenhalterings oder einer Preßpassung, in der Kammer 122 gehalten werden. Die Kammer 122 bewirkt in der oben beschriebenen Weise das Stabilisieren der Länge des optischen Wegs und das Verringern von Bewegungsartefakten. Die Lichtsammellinse 132 sammelt einen großen Anteil des Lichts, das während der Übertragung durch das Material 128 gestreut wurde, und bewirkt, daß es auf den Photodetektor 126 fällt. Hierdurch wird ein stärkeres gemessenes Signal erzeugt.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensors 100, wobei die Positionen des Photodetektors 126 und der LED 130 Vertauscht wurden. Die LED 130 ist innerhalb der Kammer 122 typischerweise am Boden 114 der Kammer 122 angeordnet und ist gewöhnlich mit der Mittelachse 124 der Kammer 122 ausgerichtet. Die LED 130 kann durch mehrere unterschiedliche Verfahren, einschließlich einer Preßpassung, einer Verwendung von Haftmittel oder einer Verwendung klaren Epoxidharzes, das Licht über einen Bereich interessierender Wellenlängen durchläßt, innerhalb der Kammer 122 befestigt werden. Wiederum wird ein Material 128 an der Basis 110 angebracht, wobei ein komprimierbarer Abschnitt des Materials 128 direkt über der Kammer 122 angeordnet ist. Der Photodetektor 126 wird der LED 130 entgegengesetzt am Material 128 befestigt, so daß die LED 130, der Photodetektor 126 und die Kammer 122 entlang der Mittelachse 124 der Kammer 122 ausgerichtet sind. Der Photodetektor 126 wird typischerweise durch ein opakes Material aufgebracht. Beispielsweise kann der Photodetektor 126 mit einem opaken Band am Material angebracht werden, wodurch die durch Umgebungslicht hervorgerufene Signalverschlechterung eingeschränkt wird. Der Photodetektor 126 ist wiederum elektrisch mit einem Prozessor verbunden.
Die Arbeitsweise des Sensors 100 gemäß dieser Ausführungsform gleicht im wesentlichen derjenigen der Ausführungsform des Sensors 100 mit dem in der Kammer 122 untergebrachten Photodetektor 126. Die Kammer 122 stabilisiert die Länge des optischen Wegs dadurch, daß leicht komprimierbare Abschnitte des Materials 128 über der Kammer 122 liegen oder in diese eindringen können, wodurch die Länge des optischen Wegs stabilisiert und Bewegungsartefakte wesentlich verringert werden. Dies gilt unabhängig davon, ob der Photodetektor 126 oder die LED 130 innerhalb der Kammer 122 untergebracht ist.
Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Sensors 100, wobei die LED 130 in der Kammer 122 angeordnet ist. Eine Kollimationslinsenbaugruppe 140 ist zwischen dem Material 128, das über der Kammer 122 liegt oder in diese eintritt, und der LED 130 in der Kammer 122 angeordnet. Kollimationslinsenbaugruppen 140 sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt, weshalb die Linsenbaugruppe 140 in der Fig. 8 schematisch dargestellt ist. Die Kollimationslinsenbaugruppe 140 ist innerhalb der Kammer 122 tief genug angeordnet, damit jedes beliebige Material 128, das in die Kammer 122 eindringt, die Linsenbaugruppe 140 nicht berührt. Die Linsenbaugruppe 140 kann durch mehrere Mittel, einschließlich einer Verwendung eines optischen Haftmittels, eines Linsenhalterings oder einer Preßpassung, in der Kammer 122 gehalten werden. Die Kammer 122 bewirkt in der gleichen Weise wie oben beschrieben wurde das Stabilisieren der Länge des optischen Wegs und das Verringern von Bewegungsartefakten. Die Kollimationslinsenbaugruppe 140 bewirkt, daß das Licht von der LED 130 auf das Material 128 über der Kammer 122 fokussiert wird, so daß ein weniger gestreutes Signal auf die Oberfläche des Photodetektors 126 übertragen wird, wodurch der Photodetektor 126 wirksamer ausgenutzt wird.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensors 100, wobei die LED 130 und der Photodetektor 126 nicht entlang der Mittelachse 124 der Kammer 122 ausgerichtet sind. Das Licht wird im Material 128 gestreut, wodurch zumindest ein Teil des Lichts durch die LED 130 emittiert wird und den Photodetektor 126 zum Messen erreicht. Solange durch die LED 130 emittiertes und durch das Material 128 gestreutes Licht den Photodetektor 126 mit einer zum Messen ausreichend großen Intensität erreicht, müssen die LED 130 und der Photodetektor 126 nicht ausgerichtet werden. Während die Ausrichtung der LED 130 und des Photodetektors 126 entlang der gleichen Achse bewirkt, daß das von der LED 130 emittierte Licht den Photodetektor 126 direkter erreicht, ist sie zum Betrieb des Sensors nicht erforderlich. Bei einigen Anwendungen kann eine Fehlausrichtung sogar vorteilhaft sein. Es sei bemerkt, daß dies für jede beliebige Ausführungsform des Sensors gilt. Weiterhin wird es deutlich, daß ein Photodetektor 126, der die Breite der Kammer 122 füllt, dadurch vorteilhaft ist, daß mehr von dem in die Kammer 122 gerichteten Licht auf die Fläche des Photodetektors 126 fällt, woraus sich ein stärkeres gemessenes Signal ergibt. Es ist jedoch ein Photodetektor 126 beliebiger Größe annehmbar, der genug Energie aufnimmt, um ein ausreichend starkes gemessenes Signal zu erzeugen. Es sei bemerkt, daß dies für jede beliebige Ausführungsform gilt. Weiterhin sei bemerkt, daß ein Photodetektor 126, der die Breite der Kammer 122 füllt, in der Hinsicht vorteilhaft ist, daß mehr von dem in die Kammer 122 gerichteten Licht auf die Fläche des Photodetektors 126 fällt, woraus sich ein stärkeres Meßsignal ergibt. Es ist jedoch ein Photodetektor 126 beliebiger Größe annehmbar, der genug Energie aufnimmt, um ein ausreichend starkes Meßsignal zu erzeugen. Es sei bemerkt, daß dies für jede beliebige Ausführungsform gilt.
Eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Sensors 200 mit einer Mehrsegmentkammer 222 ist in Fig. 10 dargestellt. Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht des Sensors 200 entlang der Linie 11 - 11 in Fig. 10. Der Klar heit halber ist in der perspektivischen Ansicht aus Fig. 10 ein Material 228, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, nicht als an den Sensor 200 angrenzend dargestellt. Das Material 228 ist in Fig. 11 jedoch als an den Sensor 200 angrenzend dargestellt.
Wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist, besteht die Basis 210, die ein oberes Ende 212, ein unteres Ende 214, ein vorderes Ende 216 und ein hinteres Ende 218 aufweist, aus einem Material, das vorzugsweise starr und opak ist. Es sei jedoch bemerkt, daß der Sensor 200 auch aus Materialien bestehen kann, die beispielsweise starr, elastisch, opak oder transparent sein können. Eine Öffnung 220 beliebiger Form ist ähnlich wie die in Zusammenhang mit dem Sensor 100 aus den Fig. 3 bis 9 beschriebene Öffnung 120 in der Basis 210 ausgebildet. Die Öffnung 220 bildet die Öffnung zu einem Stabilisierungssegment 222a der Mehrsegmentkammer 222. Ein seitlicher Querschnitt (nicht dargestellt) des Stabilisierungssegments 222a der Kammer 222 hat typischerweise die gleiche Form wie die Öffnung 220. Die Wände 223a des Stabilisierungssegments 222a stehen im wesentlichen senkrecht zur Öffnung 220. Eine Mittelachse 224 der Kammer 222 ist durch eine Linie bestimmt, die im wesentlichen senkrecht zur Öffnung 220 ausgerichtet ist und im wesentlichen durch einen zentralen Abschnitt der Öffnung 220 und der Kammer 222 verläuft.
Ein Befestigungssegment 222a ist direkt angrenzend an das Stabilisierungssegment 222a und unterhalb von diesem angeordnet und über einen Rand 225 mit dem Stabilisierungssegment 222b verbunden. Das Befestigungssegment 222b teilt sich die Mittelachse 224 mit dem Stabilisierungssegment 222a und weist typischerweise eine geringere Breite auf. Die Wände 223b des Befestigungssegments 222b verlaufen im wesentlichen parallel zur Mittelachse 224. Das Befestigungssegment 222b kann durch den Boden 214 der Basis 210 verlaufen, wie in Fig. 11 dargestellt ist, oder es kann sich nur bis gerade über den Boden 214 der Basis 210 erstrecken und einen Mantel (nicht darge stellt) aus dem Material der Basis 210 am Boden 214 der Kammer 222 belassen.
Ein Photodetektor 226 ist am Befestigungssegment 222b der Kammer 222 typischerweise am Boden 214 des Befestigungssegments 222b angebracht, wobei ein zentraler Abschnitt des Photodetektors 226 im wesentlichen mit der Mittelachse 224 der Kammer 222 ausgerichtet ist. Das Befestigungssegment 222b der Kammer 222 ist tief genug, damit der Photodetektor 226 nicht in das Stabilisierungssegment 222a der Kammer 222 eindringt. Der Photodetektor 226 kann durch mehrere unterschiedliche Verfahren, einschließlich einer Verwendung von Haftmittel, einer Preßpassung oder klaren Epoxidharzes, das Licht über einen Bereich interessierender Wellenlängen durchläßt, innerhalb der Kammer 222 befestigt werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Boden 214 der Kammer 222 beispielsweise durch Farbe oder Band oder dadurch, daß beim Ausbilden der Kammer 222 ein Mantel (nicht dargestellt) aus dem Material der Basis 210 am Boden 214 der Kammer 222 belassen wird, opak gemacht. Der Photodetektor 226 ist ähnlich dem Photodetektor 126 bei der vorhergehenden Ausführungsform des Sensors 100 elektrisch mit einem Prozessor verbunden.
Ein energieabsorbierendes Material 228 (das Prüfmaterial) wird über der Basis 210 angeordnet, wie in Fig. 11 im Querschnitt dargestellt ist. Ein Abschnitt des Materials 228 kann über der Kammer 222 liegen. Weiterhin ist das Stabilisierungssegment 222a der Kammer 222 breit genug, damit jeder beliebige leicht komprimierbare Abschnitt des Materials 228 in das Stabilisierungssegment 222a der Kammer 222 eindringen kann. Das Stabilisierungssegment 222a der Kammer 222 ist tief genug, damit der Abschnitt des in das Stabilisierungssegment 222a eintretenden Materials 228 den Stoff im Stabilisierungssegment 222a nicht berührt, was selbst dann eine Kompression hervorrufen kann, wenn das Material 228 in Bewegung gebracht wird.
Eine lichtemittierende Diode (LED) 230 ist angrenzend an das Material 228 der Öffnung 220 entgegengesetzt angebracht.
Die LED 230 ist vorteilhafterweise entlang der Mittelachse 224 ausgerichtet, um den Umfang von direkt durch das Material 228 auf den Photodetektor 226 fallendem Licht zu optimieren. Es sei jedoch bemerkt, daß die Positionen des Photodetektors 226 und der LED 230 vertauscht werden könnten, wie in Zusammenhang mit Fig. 7 erörtert wurde. Weiterhin könnte der Kammer 222 eine Kollimationslinsenbaugruppe (nicht dargestellt) hinzugefügt werden, wie in Zusammenhang mit Fig. 8 erörtert wurde. Die Kollimationslinsenbaugruppe kann auf die gleiche Weise wie eine Kollimationslinsenbaugruppe 232 in der Kammer 222 gehalten werden. Weiterhin sei bemerkt, daß die LED 230 und der Photodetektor 226 nicht ausgerichtet sein könnten, wie in Zusammenhang mit Fig. 9 erörtert wurde.
Wenn sich Licht von der LED 230 durch das Material 228 ausbreitet, wird es durch dieses gestreut und somit über einen breiten Winkelbereich in die Kammer 222 übertragen. Demgemäß wird bewirkt, daß ein Teil des Lichts auf die undurchsichtigen Wände 223a und 223b der Kammer 222 fällt und absorbiert wird. Die vorteilhafte Ausrichtung des Photodetektors 226 und der LED 230 entlang der Mittelachse 224 bewirkt jedoch, daß ein hoher Prozentsatz des Lichts auf die Oberfläche des Photodetektors 226 fällt. Weil das Material 228 oberhalb und innerhalb des Stabilisierungssegments 222a im wesentlichen unkomprimiert bleibt, ist die Dicke, durch die das Licht hindurchtritt, oder die Länge des optischen Wegs, im wesentlichen stabilisiert. Demgemäß wird das Signal- Rausch-Verhältnis des gemessenen Signals durch die Unterdrückung von Bewegungsartefakten infolge der Kammer 222 verbessert.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Sensors 200 wird eine Lichtsammellinse 232 in die Kammer 222 eingeführt, wie in Fig. 12 im Querschnitt dargestellt ist. Die Linse 232 wird vorteilhaft am Rand 225 zwischen dem Stabilisierungssegment 222a und dem Befestigungssegment 222b unterstützt. Die Linse kann durch mehrere Mittel, einschließlich eines optischen Haftmittels, eines Linsenhalterings oder einer Preßpassung, am Platz gehalten werden. Die Linse 232 hat eine im wesentlichen planare Fläche 232a, die mit dem Rand 225 zwischen dem Stabilisierungssegment 222a und dem Befestigungssegment 222b ausgerichtet ist, und eine im wesentlichen konvexe Fläche 223b, die sich in das Befestigungssegment 222b der Kammer 222 erstreckt. Das Stabilisierungssegment 222a der Kammer 222 ist tief genug, damit die Linse 232 das komprimierbare Material 228, das in die Kammer 222 eingedrungen sein kann, nicht berührt.
Die Linse 232 sammelt auf die planare Fläche 232a fallendes Licht. Ein großer Teil des unter Winkeln auf diese Fläche 232a fallenden Lichts, das durch die Wände 223a und 223b der Kammer 222 absorbiert werden würde, wenn die Linse nicht vorhanden wäre, wird nun zum Photodetektor 226 gelenkt. Demgemäß wird bewirkt, daß ein höherer Prozentsatz des vom Material 228 durchgelassenen Lichts auf den Photodetektor 226 fällt, was zu einem stärkeren Meßsignal führt.
In Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Sensors 300 dargestellt, der eine Kammer 322 mit drei Segmenten 322a, 322b und 322c beinhaltet. Der Sensor 300 weist eine Basis mit einem oberen Ende 312, einem unteren Ende 314, einem vorderen Ende 316 und einem hinteren Ende 318 auf. Die Basis 310 besteht typischerweise aus einem starren opaken Material. Es sei jedoch bemerkt, daß die Basis 310 auch aus anderen Materialien bestehen kann, die beispielsweise starr, elastisch, opak oder transparent sein können. Eine Schnittansicht der Kammer 322 gemäß dieser Ausführungsform ist in Fig. 14 dargestellt. Der Klarheit halber ist in der perspektivischen Ansicht aus Fig. 13 ein Material 328, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, nicht als an den Sensor 300 angrenzend dargestellt. Das Material 328 ist jedoch in Fig. 13 im Querschnitt dargestellt. Eine Öffnung 320 beliebiger Form ist in der Basis 310 in ähnlicher Weise wie die oben beschriebenen Öffnungen 120 und 220 ausgebildet. Die Öffnung 320 bildet die Öffnung zu einem Stabilisierungssegment 322a einer Dreisegmentkammer 322. Ein seitlicher Querschnitt (nicht dargestellt) des Stabilisierungssegments 322a der Kammer 322 weist typischerweise die gleiche Form wie die Öffnung 320 auf. Die Wände 323a des Stabilisierungssegments 322a verlaufen im wesentlichen senkrecht zur Öffnung 320. Eine Mittelachse 324 der Kammer 322 ist durch eine Linie bestimmt, die senkrecht zur Öffnung 320 ausgerichtet ist und im wesentlichen durch einen zentralen Abschnitt der Öffnung 320 und der Kammer 322 verläuft.
Ein zweites Segment, das Übergangssegment 322b der Kammer 322 grenzt an das Stabilisierungssegment 322a der Kammer 322 an. Ein oberer Rand 325a ist zwischen dem Übergangssegment 322b und dem Stabilisierungssegment 322a der Kammer 322 ausgebildet. Das Übergangssegment 322b weist die gleiche Mittelachse 324 wie das Stabilisierungssegment 322a auf. Die Wände 323b des Übergangssegments 322b sind nach innen gewinkelt, so daß ein unterer Rand 325b des Übergangssegments 322b geringere Abmessungen als der obere Rand 325a des Übergangssegments 322b aufweist.
Der untere Rand 325b des Übergangssegments 322b führt zum Befestigungssegment 322c der Kammer 322. Das Befestigungssegment 322c weist die gleiche Mittelachse 324 wie das Stabilisierungssegment 322a und das Übergangssegment 322b auf und hat typischerweise eine geringere Breite als diese. Die Wände 323c des Befestigungssegments 322c verlaufen im wesentlichen parallel zur Mittelachse 324. Demgemäß weist jeder beliebige zur Mittelachse 324 der Kammer 322 senkrechte Querschnitt des Befestigungssegments 322c typischerweise in etwa die gleiche Form wie der untere Rand 325b des Übergangssegments 322b der Kammer 322 auf. Das Befestigungssegment 322c kann durch den Boden 314 der Basis 310 verlaufen, wie dargestellt ist. Alternativ kann das Befestigungssegment 322c nur bis gerade über den Boden 314 der Basis 310 verlaufen und einen Mantel (nicht dargestellt) aus dem Material der Basis 310 am Boden 314 der Dreisegmentkammer 322 belassen.
Ein Photodetektor 326 ist bei der vorliegenden Ausführungsform am Boden 314 der Kammer 322 in ihrem Befestigungssegment 322c angeordnet. Ein zentraler Abschnitt des Photodetektors 326 ist mit der Mittelachse 324 der Kammer 322 ausgerichtet. Das Befestigungssegment 322c der Kammer 322 ist tief genug, damit der Photodetektor 326 nicht in das Stabilisierungssegment 322a der Kammer 322 eindringt. Der Photodetektor 326 kann durch mehrere unterschiedliche Verfahren, einschließlich einer Verwendung von Haftmittel, einer Preßpassung oder einer Verwendung klaren Epoxidharzes, das Licht über einen Bereich von interessierehden Wellenlängen durchläßt, innerhalb der Kammer 322 angebracht werden. Bei dieser Ausführungsform ist der Boden 314 der Kammer 322 beispielsweise durch die Preßpassung, Farbe oder Band opak gemacht. Der Photodetektor 326 ist ähnlich wie die Photodetektoren 126 und 226 gemäß den vorhergehenden Ausführungsformen des Sensors elektrisch mit einem Prozessor verbunden.
Wenn ein Abschnitt eines energieabsorbierenden Materials 328 über dem Sensor 300 angebracht wird, wie in Fig. 14 im Querschnitt dargestellt ist, kann er oberhalb der Kammer 322 liegen. Weiterhin ist das Stabilisierungssegment 322a der Kammer 322 breit genug, damit leicht komprimierbare Abschnitte des Materials 328 in das Stabilisierungssegment 322a der Kammer 322 eintreten können. Das Stabilisierungssegment 322a der Kammer 322 ist tief genug, damit der leicht komprimierbare Abschnitt des Materials 328, das in das Stabilisierungssegment 322a eindringt, den Stoff im Stabilisierungssegment 322a nicht berührt, was selbst dann eine Kompression des Materials 328 bewirken könnte, wenn das Material 328 in Bewegung gebracht ist. Die Kammer 322 schirmt das komprimierbare Material 328 gegen eine Berührung ab, die eine Kompression des Materials 328 hervorrufen und dadurch die Länge des optischen Wegs durch das Material 328 ändern könnte.
Eine LED 330 ist der Öffnung 320 entgegengesetzt am Material 328 angebracht. Die LED 330 ist vorteilhafterweise entlang der Mittelachse 324 ausgerichtet, um den Umfang von direkt durch das Material 328 auf den Photodetektor 326 fallendem Licht zu optimieren. Es sei bemerkt, daß die Positionen des Photodetektors 326 und der LED 330 vertauscht werden könnten, wie in Zusammenhang mit Fig. 7 erörtert wurde. Weiterhin könnte der Kammer 322 eine Kollimationslinsenbaugruppe (nicht dargestellt) hinzugefügt werden, wie in Zusammenhang mit Fig. 8 erörtert wurde. Die Kollimationslinsenbaugruppe kann gleich einer weiter unten erörterten Kollimationslinsenbaugruppe 332 in der Kammer 322 gehalten werden. Weiterhin sei bemerkt, daß die LED 330 und der Photodetektor 326 nicht ausgerichtet sein könnten, wie in Zusammenhang mit Fig. 9 erörtert wurde.
Wenn sich Licht von der LED 330 durch das Material 328 ausbreitet, wird es durch das Material 328 gestreut und somit über einen breiten Winkelbereich in die Kammer 322 übertragen. Demgemäß wird bewirkt, daß ein Teil des Lichts auf die opaken Wände 323a, 323b und 323c der Kammer 322 fällt und absorbiert wird. Die vorteilhafte Ausrichtung des Photodetektors 326 und der LED 330 entlang der Mittelachse 324 der Kammer 322 bewirkt jedoch, daß ein hoher Prozentsatz des Lichts auf die Oberfläche des Photodetektors 326 fällt. Weil das Material 328 oberhalb und innerhalb des Stabilisierungssegments 322a im wesentlichen unkomprimiert bleibt, ist die Dicke, durch die das Licht hindurchtritt, im wesentlichen stabilisiert. Demgemäß wird das Signal-Rausch-Verhältnis des gemessenen Signals durch die Unterdrückung von Bewegungsartefakten verbessert. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird durch den opaken Boden 314 des den Photodetektor 326 vor Umgebungslicht schützenden Befestigungssegments 322c weiter verbessert.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Sensors 300 ist dem Übergangssegment 322b der Kammer 322 eine Lichtsammellinse 332 hinzugefügt, wie in Fig. 15 in einer Schnittansicht dargestellt ist. Die Linse 332 wird im Übergangssegment 322b unterstützt und kann durch mehrere Mittel, einschließlich eines optischen Haftmittels, eines Linsenhalterings oder einer Preßpassung, im Übergangssegment 322b gehalten werden. Die Linse 332 hat eine im wesentlichen planare Fläche 332a, die mit dem oberen Rand 325a des Übergangsabschnitts 322b der Kammer 322 ausgerichtet ist, und eine im wesentlichen konvexe Fläche 332b, die sich in das Übergangssegment 322b der Kammer 322 erstreckt. Das Stabilisierungssegment 322a der Kammer 322 ist tief genug, damit die Linse 332 das leicht komprimierbare Material 328, das über der Kammer 322 liegt oder in diese eingedrungen ist, nicht berührt.
Die Linse 332 sammelt auf die planare Fläche 332a fallendes Licht. Ein großer Teil des unter Winkeln auf diese Fläche 332a fallenden Lichts, das durch die Wände 323a, 323b und 323c der Kammer 322 absorbiert werden würde, wenn die Linse 332 nicht vorhanden wäre, wird nun zum Photodetektor 326 gerichtet. Demgemäß wird bewirkt, daß ein höherer Prozentsatz des vom Material 328 durchgelassenen Lichts auf den Photodetektor 326 fällt, was zu einem stärkeren Meßsignal führt.
Es sei bemerkt, daß die Wände 323b des Übergangssegments 322b bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen nicht abgeschrägt werden müssen, um einen Übergang von einer größeren Breite im Stabilisierungssegment 322a zu einer geringeren Breite im Befestigungssegment 322c zu erreichen. Die Wände 323b des Übergangssegments 322b könnten im wesentlichen parallel zur Mittelachse 324 ausgerichtet sein, die in einem Abstand angeordnet ist, der bewirken würde, daß die Breite des Übergangssegments 322b geringer als diejenige des Stabilisierungssegments 322a und größer als diejenige des Befestigungssegments 322c ist.
Fig. 16 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Sensors 400, der speziell für die Verwendung mit einem Digitus, wie einem Finger oder einer Zehe, ausgelegt ist. Zum Erleichtern der Veranschaulichung bezieht sich das vorliegende Beispiel auf einen Finger, wenngleich es deutlich wird, daß sich das vorliegende Beispiel ebenso gut auf einen beliebigen Digitus beziehen könnte. Fig. 17 veranschaulicht einen schematischen Finger 428 mit einem Nagel, Haut, Knochen, Gewebe, Muskeln, Blut usw. Bestandteile der Fingerkuppe 404, wie Fett und Gewebe, sind bei einer Bewegung eines Patienten leicht komprimierbar. Selbst eine leichte Bewegung des Fingers 428 kann bewirken, daß sich die Dicke von Bestandteilen im Finger 428 stark ändert, wodurch große bewegungsinduzierte Abweichungen in einem gemessenen Signal hervorgerufen werden, wodurch häufig ein gewünschter Abschnitt des gemessenen Signals, aus dem Informationen über den Patienten entnommen werden können, undeutlich gemacht wird.
Wie in Fig. 16 veranschaulicht ist, ist die Basis 410 des Fingersensors 400, die bei dieser Ausführungsform als Sattel 410 bezeichnet wird, im wesentlichen halbzylindrisch und besteht vorzugsweise aus einem halbstarren, opaken Material, wie schwarzem Kunststoff. Es sei jedoch bemerkt, daß der Sattel 410 aus anderen Materialien, beispielsweise einschließlich starrer, elastischer, opaker und transparenter Materialien; bestehen kann. Der Sattel 410 weist ein oberes Ende 412, ein unteres Ende 414, ein vorderes Ende 416, ein hinteres Ende 418, eine Rippe 440 und Seitenwände 450, die sich von der Rippe 440 her nach oben biegen und im Querschnitt eine U-Form bilden, auf, wie in Fig. 18 dargestellt ist.
Wie in den Fig. 16 und 18 dargestellt ist, bildet eine Öffnung 420 den Eingang zu einer Kammer 422, die vom vorderen Ende 416 des Sattels 410 her betrachtet zwischen einem Viertel und der Hälfte des Sattels 410 angeordnet ist, wie in Fig. 19 im Längsschnitt dargestellt ist. Die Öffnung 420 kann von beliebiger Form, einschließlich einer runden, quadratischen oder dreieckigen Form sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Öffnung 420 ist der Eingang zu einer Kammer 422, wie vorhergehend in Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen 100, 200 und 300 des Sensors beschrieben wurde. Die Kammer 422 kann im Querschnitt auch von beliebiger Form, einschließlich einer runden, quadratischen oder dreieckigen Form sein.
Die Kammer 422 kann ein oder mehrere Segmente aufweisen, wie vorhergehend beschrieben wurde. Wenngleich die bei dieser Ausführungsform dargestellte Kammer 422 eine Dreisegmentkammer 422 mit einem Stabilisierungssegment 422a, einem Übergangssegment 422b mit abgeschrägten Wänden und einem auf einer gemeinsamen Mittelachse 424 ausgerichteten Befestigungssegment 422c ist, ist zu verstehen, daß jede beliebige Kammer 422, die einen komprimierbaren Abschnitt des Fingers 428, durch den während der Absorptionsmessungen Lichtenergie hindurchtritt, vor Kompression schützt, eine verwendbare Alternative ist. Weiterhin ist zu verstehen, daß ein Mantel (nicht dargestellt) aus dem Material des Sattels 410 den Boden 414 der Kammer 422 bedecken könnte, wie vorhergehend mit Bezug auf die Ausführungsform des in Fig. 5 dargestellten Sensors beschrieben wurde.
Ein Photodetektor 426 ist innerhalb der Kammer 422 typischerweise am Boden 414 ihres Befestigungssegments 422c angeordnet. Der Photodetektor 426 kann beispielsweise durch ein Haftmittel, eine Preßpassung oder klares Epoxidharz, das Licht über einen Bereich von interessierenden Wellenlängen durchläßt, am Platz gehalten werden. Typischerweise ist der Boden 414 der Kammer 422 beispielsweise durch Band oder Farbe opak gemacht, so daß Umgebungslicht nicht auf den Photodetektor 426 einwirkt.
Der Finger 428 wird auf dem Sattel 410 angeordnet, wobei die Fingerkuppe 404 direkt an die Öffnung 420 und die Kammer 422 angrenzt. Weiterhin kann die Fingerkuppe oberhalb der Kammer 422 liegen. Die Öffnung 420 und das Stabilisierungssegment 422a der Kammer 422 sind breit genug, damit jeder beliebige komprimierbare Abschnitt des Fingers 428, wie ein Abschnitt der Fingerkuppe 404, in die Kammer 422 eindringen kann. Das Stabilisierungssegment 422a der Kammer 422 ist tief genug, damit jeder beliebige in das Stabilisierungssegment 422a eindringende Abschnitt des Fingers 428 keinen Stoff innerhalb des Stabilisierungssegments 422a berührt, was selbst dann eine Kompression des Fingers 428 bewirken könnte, wenn der Finger 428 in Bewegung gebracht wird.
Eine LED 430 ist im wesentlichen der Öffnung 420 entgegengesetzt am Finger 428 angebracht. Die LED 430 ist typischerweise durch ein Haftmittel, wie medizinisches Band, am Finger 428 befestigt. Die LED 430 ist vorteilhafterweise entlang der Mittelachse 424 ausgerichtet, um den Umfang von direkt durch den Finger 428 auf den Photodetektor 426 fallendem Licht zu optimieren. Es sei jedoch bemerkt, daß die Positionen des Photodetektors 426 und, der LED 430 vertauscht werden könnten, wie in Zusammenhang mit Fig. 7 erörtert wurde. Weiterhin könnte der Kammer 422 eine Kollimationslinsenbaugruppe (nicht dargestellt) hinzugefügt werden, wie in Zusammenhang mit Fig. 8 erörtert wurde. Die Kollimationslinsenbaugruppe kann ähnlich einer unten erörterten Lichtsammellinse 432 in der Kammer 422 gehalten werden. Es sei bemerkt, daß die LED 430 und der Photodetektor 426 nicht ausgerichtet sein könnten, wie in Zusammenhang mit Fig. 9 erörtert wurde.
Die LED 430 emittiert ein Lichtenergiesignal, das sich durch den Finger 428 ausbreitet und in die Kammer 422 übertragen wird. Die Kammer 422 schirmt den Abschnitt des Fingers 428, durch den die Lichtenergie hindurchtritt, gegen eine Kompression ab. Demgemäß ist die Länge des optischen Wegs des Lichts durch den Finger 428 im wesentlichen stabilisiert, und Bewegungsartefakte sind im gemessenen Signal wesentlich verringert. Es sei bemerkt, daß eine in Zusammenhang mit den Fig. 3 bis 9 beschriebene Einsegmentkammer und eine in Zusammenhang mit den Fig. 10 bis 12 beschriebene Zweisegmentkammer gleichermaßen bei dem Fingersensor 400 verwendet werden könnten, um den komprimierbaren Abschnitt des Fingers 428 gegen Kompression abzuschirmen und dadurch Bewegungsartefakte zu verringern.
Die Fig. 16, 18 und 19 zeigen jeweils eine perspektivische Ansicht, eine vordere Schnittansicht und eine Längs schnittansicht einer Ausführungsform des Fingersensors 400. Die Krümmung des Sattels 410 ist mit der durchschnittlichen Krümmung des Fingers 428 korreliert, so daß die Seitenwände 450 eine halbzylindrische schienenartige Unterstützung für den Finger 428 bilden. Der Sattel 410 ist zwischen dem vorderen Ende 416 und dem hinteren Ende 418 ungefähr 25 mm lang, so daß ein Abschnitt des Fingers 428 zwischen seiner Spitze 406 und ungefähr seinem ersten Gelenk 408 (in Fig. 17 dargestellt) zwischen das vordere Ende 416 und das hintere Ende 418 des Sensors 400 paßt. Die Krümmung des Sattels 410 ist im wesentlichen durch eine Linie 460 (in Fig. 18 dargestellt) bestimmt, die in einem Winkel zwischen 30º und 50º gegen die Horizontale zu einer Seitenwand 450 geneigt ist.
Die Anordnung der Öffnung 420 an einem Punkt zwischen einem Drittel und der Hälfte des Sattels 410 bewirkt, daß der dickste Teil des komprimierbaren Abschnitts des Fingers 428 oder der Fingerkuppe 404 oberhalb und innerhalb der Kammer 422 liegt. Demgemäß ist der Abschnitt des Fingers 428 mit der größten Menge an komprimierbarem Material vor einer Kompression durch die Kammer 422 geschützt.
Bei der in den Fig. 16, 18, 19 und 20 dargestellten Ausführungsform des Fingersensors 400 ist die Öffnung 420 im wesentlichen kreisförmig und weist die Kammer 422 drei Segmente 422a, 422b und 422c auf, wie in der Schnittansicht aus Fig. 18 dargestellt ist. Vorteilhaft eingesetzte Abmessungen für den in den Fig. 16, 18, 19 und 20 veranschaulichten Fingersensor 400 beinhalten das Stabilisierungssegment 422a der Kammer 422, das im wesentlichen zylindrisch ist und einen Durchmesser von etwa sieben Millimeter hat. Weiterhin ist das Stabilisierungssegment 422a der Kammer 422 tief genug, damit jeder beliebige Abschnitt des in die Kammer eindringenden Fingers 428 im wesentlichen selbst dann störungsfrei bleibt, wenn sich der Finger 428 bewegt. Demgemäß beträgt eine vorteilhafte Tiefe für das Stabilisierungssegment etwa zwei Millimeter. Das Befestigungssegment 422c der Kammer 422 ist auch zylindrisch und hat einen Durchmesser von etwa fünf Millimeter. Das Übergangssegment 422b der Kammer 422 hat einen variablen Durchmesser und weist abgeschrägte Wände 423 auf, so daß ein oberer Rand 425a einen Durchmesser von etwa sieben Millimeter und eine untere Kante 425b einen Durchmesser von etwa fünf Millimeter aufweist. Ein Detektor 426 mit einem Durchmesser von bis zu 5 Millimeter ist am Boden 414 des Befestigungssegments 422c der Kammer 422 angeordnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Fingersensors 400 kann dem Fingersensor 400 eine Lichtsammellinse 432 hinzugefügt sein, wie in Fig. 20 dargestellt ist. Der Sattel 410 und die Kammer 422 arbeiten in der oben beschriebenen Weise. Die Linse 432 bewirkt in der oben in Zusammenhang mit den Fig. 6, 12 und 15 beschriebenen Weise das Sammeln von auf die Linse 432 fallendem Licht, das durch die Wände 423a, 423b und 423c der Kammer 422 absorbiert werden würde, wenn die Linse 432 nicht vorhanden wäre. Demgemäß wird ein höherer Prozentsatz des vom Finger 428 durchgelassenen Lichts auf den Photodetektor 426 gerichtet, was zu einem stärkeren gemessenen Signal führt.
Weitere Ausführungsformen des Sensors können speziell für die Verwendung mit einem Ohrläppchen und anderen Körperabschnitten, wie einem Nasenloch oder einer Lippe, ausgelegt und hergestellt werden, wobei die hierin beschriebenen Prinzipien verwendet werden. Weiterhin können unter Verwendung ähnlicher Prinzipien Ausführungsformen des Sensors verwirklicht werden, bei denen die Dämpfungseigenschaften bei Reflexion von Energie von einem Medium anstelle derjenigen bei der Übertragung von Energie durch das Medium verwendet werden. Ein speziell für das Messen von reflektierter Energie ausgelegter Sensor 700 ist in Fig. 21 im Querschnitt dargestellt. Eine Basis 710 ist angrenzend an ein Material 728 angebracht, an dem Reflexionsmessungen ausgeführt werden sollen. Ein Photodetektor 726 und eine LED 730 sind an der Basis 710 angeordnet. Bei der in Fig. 21 dargestellten Ausführungsform ist der Photodetektor 726 in einer Kammer 722x und die LED 730 in einer Kammer 722y positioniert.
Wenngleich Einsegmentkammern 722x und 722y dargestellt sind, können die Kammern 722x und 722y jede beliebige Form und Größe aufweisen. Die Kammern 722x und 722y bewirken in der oben beschriebenen Weise das Stabilisieren der Länge des optischen Wegs durch Abschirmen jedes beliebigen komprimierbaren Abschnitts eines über den Kammern 722x und 722y liegenden oder in diese eindringenden Materials gegen eine Kompression.
Eine Lichtsammellinse (nicht dargestellt) kann der Kammer 722x, in der der Photodetektor 726 angeordnet ist, hinzugefügt werden, wie vorhergehend in Zusammenhang mit den Fig. 6, 12 und 15 erörtert wurde. Weiterhin kann eine Kollimationslinsenbaugruppe (nicht dargestellt) der Kammer 722y, in der die LED 730 angeordnet ist, hinzugefügt werden, wie vorhergehend in Zusammenhang mit Fig. 8 erörtert wurde. Die Kammern 722x und 722y können mit einem Mantel (nicht dargestellt) aus dem Material der Basis 710 versehen oder ohne diesen gebildet werden, wie vorhergehend in Zusammenhang mit Fig. 5 erörtert wurde.
Es sei bemerkt, daß bei weiteren Ausführungsfarmen (nicht dargestellt) des Reflexionssensors 700 der Photodetektor 726 aus der Basis 710 herausstehen könnte und die LED 730 innerhalb der Kammer 722y angeordnet sein könnte oder daß die LED 730 aus der Basis 710 herausstehen könnte und der Photodetektor 726 innerhalb der Kammer 722x angeordnet sein könnte. Weiterhin könnten der Photodetektor 726 und die LED 730 innerhalb einer einzigen Kammer 722 angeordnet sein. Bei jeder beliebigen Ausführungsform kann (können) die Kammer(n) 722 jede beliebige Anzahl von Segmenten einer beliebigen geeigneten Form aufweisen.
Der auf Reflexion beruhende Typ des Sensors 700 kann vorteilhaft für Materialien verwendet werden, bei denen ein Photodetektor 726 und eine LED 730 nicht auf entgegengesetzten Seiten des Materials, wie der Stirn, angebracht werden können. Ein Reflexionssensor 700 kann jedoch überall, wo eine nichtinvasive Messung ausgeführt werden soll, beispielsweise an einer Lippe, einem Ohrläppchen oder einem Finger, verwendet werden.
Fig. 22 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Sensors 800, wobei zwei Basen 810x und 810y angrenzend an das Material 828, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, angeordnet sind. Die Basen 810x und 810y sind auf entgegengesetzten Seiten des Materials angeordnet. Ein Photodetektor 826 ist in einer Kammer 822x in der Basis 810x angebracht. Eine LED 830 ist in einer Kammer 822y in der Basis 810y angebracht. Der Photodetektor 826 und die LED 830 sind im wesentlichen entlang einer Mittelachse 824 ausgerichtet. Wenngleich die Zweisegmentkammern 822x und 822y dargestellt sind, können die Kammern 822x und 822y jede beliebige geeignete Form und Größe aufweisen. Unabhängig davon, welche Form der Kammer verwendet wird, bewirken die Kammern 822x und 822y das Stabilisieren der Länge des optischen Wegs und somit das Verringern der Wirkungen von Bewegungsartefakten auf die gemessenen Signale.
Wie vorhergehend erörtert wurde, kann der Sensor 800 etwas modifiziert werden, wobei der Kammer 822x, in der der Photodetektor 826 angeordnet ist, eine Lichtsammellinse (nicht dargestellt) hinzugefügt wird. Eine Kollimationslinsenbaugruppe (nicht dargestellt) kann der Kammer 822y, in der die LED 830 angeordnet ist, hinzugefügt werden. Weiterhin können die Kammern 822x und 822y mit einem Mantel (nicht dargestellt) aus dem Material der Basis 810x und 810y versehen oder ohne diesen gebildet werden. Der Sensor 800 ist besonders vorteilhaft, wenn ein Material 828 auf mehr als einer Seite komprimierbar ist, da jede Kammer 822x und 822y jeden beliebigen Abschnitt eines Materials 828 unterstützt, das über den Kammern 822x bzw. 822y liegt oder in diese eindringt, und ihn gegen eine Kompression abschirmt.
Fig. 23 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Sensors 900, wobei eine Kammer 922 mit Wänden 923 so ausgebildet ist, daß Energie auf die Fläche des Photodetektors 926 konzentriert oder "zu dieser kanalisiert wird". Eine zu einer im wesentlichen kegelartigen Kammer 922 führende Öffnung 920 ist in einer Basis 910 ausgebildet. Die Basis 910 ist angrenzend an das Material 928, an dem Messungen ausgeführt werden sollen, angeordnet, und die Kammer 922 ist direkt angrenzend an jeden beliebigen leicht komprimierbaren Abschnitt des Materials 928 angeordnet. Der Photodetektor 926 ist typischerweise am Boden der Kammer 922 innerhalb der Kammer 922 angeordnet. Eine lichtemittierende Diode 930 ist im wesentlichen dem Photodetektor 926 entgegengesetzt und mit diesem ausgerichtet am Material 928 angebracht.
Wie vorhergehend erörtert wurde, wird ein Abschnitt des Materials 928 durch den die Öffnung 920 umgebenden Bereich unterstützt. Weiterhin sind die Öffnung 920 und die Kammer 922 breit genug, damit jeder beliebige leicht komprimierbare Abschnitt des Materials 928 in die Kammer 922 eindringen kann, ohne komprimiert zu werden, wodurch dieser Abschnitt des Materials 928 selbst während der Bewegung des Materials 928 gegen Kompression abgeschirmt ist. Dies stabilisiert wesentlich die Länge des optischen Wegs und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des am Photodetektor 926 gemessenen Signals.
Zum weiteren Verbessern des Signal-Rausch-Verhältnisses von mit dem Sensor 900 ausgeführten Messungen bedeckt ein reflektierendes Material in der Art eines hochreflektierenden Metalls die Wände der Kammer 922. Dies bewirkt, daß durch das Material 928 gestreutes und auf die Wände der Kammer 922 fallendes Licht reflektiert wird. Die Kegelform bewirkt, daß das Licht im wesentlichen auf den Photodetektor 926 konzentriert wird.
Abhängig von der Form des Photodetektors 926 kann die Kammer 922 vorteilhaft gestaltet werden, um das Kanalisieren von Licht auf den Photodetektor 926 zu maximieren. Wenn der Photodetektor 926 flach ist, ist die Kammer am vorteilhaftesten geformt, wenn sie einen im wesentlichen hyperbolischen Querschnitt aufweist. Wenn der Photodetektor 926 jedoch sphärisch oder leicht gekrümmt ist, was infolge von Herstellungsprozessen häufig der Fall ist, ist die Kammer am vor teilhaftesten geformt, wenn sie einen kegelartigen Querschnitt mit nicht gekrümmten Wänden 923 aufweist.
Wie vorhergehend in Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen des Sensors erörtert wurde, kann der Sensor 900 so modifiziert werden, daß er eine Lichtsammellinse (nicht dargestellt) aufweist. Alternativ könnte eine LED 930 anstelle des Photodetektors 926 in der Kammer 922 angeordnet werden. Wenn sich die LED in der Kammer 922 befindet, könnte eine Sammellinsenanordnung (nicht dargestellt) in der Kammer 922 angeordnet werden. Zwei Basen 910 mit zwei im wesentlichen kegelartigen Kammern 922 könnten auf einer oder auf jeder Seite eines Materials 928 verwendet werden. Eine einzelne Basis 910 mit zwei Seite an Seite angeordneten im wesentlichen kegelartigen Kammern 922 könnte auch für Reflexionsmessungen verwendet werden. Weiterhin brauchen der Photodetektor 926 und die LED 930 nicht entlang der Mittelachse 924 ausgerichtet zu werden.
Fig. 24 veranschaulicht eine Ausführungsform eines mit einem Oximeter gekoppelten Sensors. Das Oximeter könnte jedes beliebige auf dem Fachgebiet bekannte Oximeter sein, bei dem Lichtdämpfungsmessungen verwendet werden. Ein Blockdiagramm eines möglichen Oximeters ist in Fig. 24 dargestellt. Das in Fig. 24 dargestellte Oximeter ist ein Pulsoximeter, bei dem der Fingersensor 400 eingesetzt wird und zwei gemessene Signale bei unterschiedlichen Wellenlängen, von denen eine typischerweise rot und die andere typischerweise infrarot ist, abwechselnd durch den Finger 428 gesendet werden. Die am Photodetektor 426 gemessenen Signale werden dann verarbeitet, um die verfügbare Sauerstoffmenge im Körper zu bestimmen. Dies wird durch Feststellen der Sättigung mit oxygeniertem Hämoglobin in Blut, das oxygeniertes und nicht oxygeniertes Hämoglobin aufweist, beurteilt.
Zwei LEDs 430a und 430b, eine rote Wellenlängen emittierende LED 430a und eine weitere infrarote Wellenlängen emittierende LED 430b sind angrenzend an den Finger 428 angebracht. Der Fingersensor 400 ist unterhalb des Fingers 428 angebracht, wobei die Öffnung 420 und die Kammer 422 direkt angrenzend an die Fingerkuppe 404 angeordnet sind. Der Photodetektor 426 im Boden 414 der Kammer 422 ist an einen einzelnen Kanal einer gemeinsamen Verarbeitungsschaltung mit einem Verstärker 530 angeschlossen, der wiederum an ein Bandpaßfilter 540 angeschlossen ist. Das Bandpaßfilter 540 überträgt ein Signal zu einem synchronisierten Demodulator 550 mit mehreren Ausgangskanälen. Ein Ausgangskanal ist für sichtbaren Wellenlängen entsprechende Signale vorgesehen und ein anderer Ausgangskanal ist für infraroten Wellenlängen entsprechende Signale vorgesehen.
Die Ausgangskanäle des synchronisierten Demodulators 550 für sichtbaren und unsichtbaren Wellenlängen entsprechende Signale sind jeweils an getrennte Wege angeschlossen, wobei jeder Weg weitere Verarbeitungsschaltungen beinhaltet. Jeder Weg weist Offset-Gleichspannungs-Beseitigungselemente 560 und 562 in der Art eines Differentialverstärkers, programmierbare Verstärker 570 und 572 und Tiefpaßfilter 580 und 582 auf. Die Ausgabe jedes Tiefpaßfilters 580 bzw. 582 wird in zweiten programmierbaren Verstärkern 590 und 592 verstärkt und dann in einen Multiplexer 600 eingegeben.
Der Multiplexer 600 ist an einen Analog-Digital-Wandler 610 angeschlossen, der wiederum an einen Mikroprozessor 620 angeschlossen ist. Es sind Steuerleitungen zwischen dem Mikroprozessor 620 und dem Multiplexer 600, dem Mikroprozessor 620 und dem Analog-Digital-Wandler 610 sowie dem Mikroprozessor 620 und jedem der programmierbaren Verstärker 570, 572, 590 und 592 ausgebildet. Der Mikroprozessor 620 weist zusätzliche Steuerleitungen auf, von denen eine zu einem Bildschirm 630 und die andere zu einem in einer Rückkopplungsschleife mit den beiden LEDs 430a und 430b angeordneten LED-Treiber 640 führt.
Jede der LEDs 430a und 430b emittiert abwechselnd Energie, die durch den Finger 428 absorbiert und durch den Photodetektor 426 empfangen wird. Der Photodetektor 426 erzeugt ein elektrisches Signal, das der Intensität der auf die Oberfläche des Photodetektors 426 treffenden Lichtenergie entspricht. Der Verstärker 530 verstärkt dieses elektrische Signal, um die Verarbeitung zu erleichtern. Das Bandpaßfilter 540 beseitigt dann unerwünschte hohe und niedrige Frequenzen. Der synchronisierte Demodulator 550 teilt das elektrische Signal in den roten und infraroten Energiekomponenten entsprechende elektrische Signale ein. Eine vorbestimmte Bezugsspannung Vref wird durch die Offset-Gleichspannungs-Beseitigungselemente 560 und 562 von jedem der getrennten Signale subtrahiert, um eine im wesentlichen konstante Absorption zu beseitigen, die einer Absorption bei fehlenden Bewegungsartefakten entspricht. Daraufhin verstärken die ersten programmierbaren Verstärker 570 und 572 jedes Signal, um die Behandlung zu erleichtern. Die Tiefpaßfilter 580 und 582 integrieren jedes Signal, um unerwünschte Hochfrequenzkomponenten zu beseitigen, und die zweiten programmierbaren Verstärker 590 und 592 verstärken jedes Signal, um die Verarbeitung weiter zu erleichtern.
Der Multiplexer 600 wirkt als ein Analogschalter zwischen den der roten und der infraroten Lichtenergie entsprechenden elektrischen Signalen, so daß zuerst ein dem roten Licht entsprechendes Signal und dann ein dem infraroten Licht entsprechendes Signal in den Analog-Digital-Wandler 610 eintreten kann. Es ist dadurch nicht erforderlich, mehrere Analog-Digital-Wandler 610 zu verwenden. Der Analog-Digital- Wandler 610 gibt die Daten in den Mikroprozessor 620 ein, um die Sauerstoffsättigung nach bekannten Verfahren, wie beispielsweise im US-Patent 5 482 036 offenbart, zu berechnen. Der Mikroprozessor 620 steuert zentral den Multiplexer 600, den Analog-Digital-Wandler 610 und die ersten und die zweiten programmierbaren Verstärker 570, 590, 572 und 592 für die roten und die infraroten Kanäle. Weiterhin steuert der Mikroprozessor 620 durch den LED-Treiber 640 in einer Servoschleife die Intensität der LEDs 430a und 430b, um die am Photodetektor 426 erhaltene Durchschnittsintensität innerhalb eines geeigneten Bereichs zu halten.
Wie oben erklärt wurde, könnte der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung mit vielerlei Oximetersystemen verwendet werden. Eine Ausführungsform eines Oximeters ist im US- Patent 5 632 272 detailliert beschrieben.
Die Fig. 25-28 veranschaulichen alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei infolge von optischen Streueffekten ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis im empfangenen Signal beobachtet wird. Ein in Fig. 25 im Querschnitt dargestellter Sensor 1000 weist ein oberes Ende 1012, ein unteres Ende 1014, ein vorderes Ende und ein hinteres Ende (in Fig. 25 nicht dargestellt) auf. Die Basis 1010 ist vorzugsweise starr und für die beim Sensor 1000 verwendeten Wellenlängen opak. Eine Öffnung 1020 ist im oberen Ende 1012 der Basis 1010 ausgebildet. Die Öffnung 1020 kann zylindrisch (wie in Fig. 25 dargestellt ist), konisch, rechteckig oder von anderen Formen sein, je nachdem, wie es bei der jeweiligen Anwendung erforderlich ist. Die Tiefe der Öffnung 1020 kann beispielsweise von 0,5 mm bis 10 mm reichen und liegt vorzugsweise bei einer Ausführungsform im Bereich von 2-4 mm und bevorzugt im Bereich von 3-4 mm. Weiterhin kann der Durchmesser der Öffnung 1020 von 3 mm bis 20 mm reichen, je nachdem, wie es bei der jeweiligen Anwendung erforderlich ist. Es wurde von den Erfindern herausgefunden, daß die Vorteile der vorliegenden Erfindung bei einer Öffnung mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm nicht erhalten werden.
Eine Lichtquelle 1030 (beispielsweise eine oder mehrere lichtemittierende Dioden) ist angrenzend an ein Material 1028 (beispielsweise ein Ohrläppchen, einen Finger oder ein anderes Körpermaterial) angebracht und entlang einer Mittelachse 1024 ausgerichtet, die im wesentlichen durch das Zentrum eines Photodetektors 1026 verläuft. Die Öffnung 1020 ist vollständig oder teilweise mit einem Streumedium 1040 gefüllt, das beispielsweise 2, 2 Pfund eines netzartigen Polyurethanschaums aufweisen kann (wenngleich auch verformbarer Kunststoff oder Streugele verwendet werden können). Im allge meinen kann das Streumedium eines von mehreren fixotropischen Materialien (d. h. Materialien, bei denen zwei oder mehr vorteilhafterweise für das Streuen geeignete Materialien gemischt sind) enthalten. Idealerweise wird die optische Strahlung bei den roten (beispielsweise 660 nm) und infraroten (beispielsweise 940 nm) Betriebswellenlängen für das Oximeter vom Streumedium 1040 gestreut, jedoch nicht erheblich absorbiert. Mit anderen Worten ist das Material frei von optischer Absorption, streut aber dennoch Licht.
Im Betriebszustand emittiert die Lichtquelle 1030 (gemäß der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise zwei LEDs) optische Strahlung (beispielsweise im roten oder infraroten Bereich), die durch das Prüfmaterial 1028 hindurchtritt. Die optische Strahlung wird nach Durchqueren des Streumediums 1040 durch den Photodetektor 1026 empfangen. Die empfangene optische Strahlung wird durch das Streumedium 1040 gestreut.
Es wurde herausgefunden, daß die Streuung der optischen Strahlung im Streumedium 1040 das Signal-Rausch-Verhältnis des empfangenen Signals erhöht. Es wird angenommen, daß das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert ist, weil anscheinend eine verringerte Wirkung von irgendeinem bestimmten lokalen Bereich des Materials 1028 (beispielsweise Fleisch) auf das Signal auftritt. Das heißt, daß das Signal durch Streuung vor oder nach dem Materialübergang wirksam über einen größeren Bereich des Materials 1028 verteilt wird. Demgemäß haben Störungen an einem Ort innerhalb des Belichtungsbereichs bei einem über einen großen Bereich gestreuten Strahl eine geringere Wirkung als bei einem konzentrierteren Signal, das durch denselben Ort hindurchtritt. Auf diese Weise wird die Wirkung von Störungen auf das mittlere Signal verringert.
Das Streumedium 1040 sollte weich (d. h. hochkomprimierbar) sein, so daß das Material 1028 nicht wesentlich komprimiert wird, wenn es gegen das Streumedium 1040 gedrückt wird. Die Kompression des Streumediums 1040 ändert die Amplitude des gemessenen Signals nicht wesentlich, weil das Streumedium kein hohes Absorptionsvermögen gegenüber der optischen Strah lung aufweist. Weiterhin sind netzartige Schäume bevorzugt, weil sie eine verbesserte optische Kopplung mit dem Fleisch bieten, wenngleich auch verformbare Kunststoffe verwendet werden können. Dies liegt daran, daß der netzartige Schaum Fleisch eher punktweise als über große Bereiche berührt. Wenn über große Fleischbereiche ein Kontakt hergestellt wird, können mikroskopische Schweiß- oder Öltröpfchen eine Schicht zwischen dem Fleisch und dem Streumedium 1040 bilden. Diese Schicht bildet einen Impedanzfehlanpassungs-Übergang, der gegenüber der optischen Strahlung absorptionsfähig ist. Natürlich können gemäß der vorliegenden Erfindung auch Gele verwendet werden. Solche Gele sollten keine erheblichen Mengen an Metallsalzen oder Silika enthalten, weil diese Materialien Licht absorbieren.
Die Lehren der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich von herkömmlichen Verfahren zum Verbessern optischer Signal- Rausch-Verhältnisse. Gewöhnlich werden optische Strahlung fokussierende Linsenbaugruppen zum Verbessern der Signal- Rausch-Verhältnisse optischer Signale verwendet. Die Oximetrie mittels Transmission oder Reflexion ist jedoch ein abbildungsloses Verfahren zum optischen Erfassen. Demgemäß ist die Bildform für Erfassungszwecke nicht wichtig. Aus diesem Grund kann das Streuen als ein Verfahren zum Verbessern der Qualität des optischen Signals verwendet werden. Weil aber geglaubt wurde, daß das Streuen die Signal-Rausch- Verhältnisse optischer Signale verschlechtert, wurden bei vorhergehenden Verfahren keine Techniken unter Verwendung optischer Streuung eingesetzt.
Die Fig. 26 und 27 veranschaulichen weitere alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei das optische Streuen vor bzw. vor und nach dem Fleischübergang vorgesehen ist. In Fig. 26 weist ein Oximetriesensor 1045 weiter eine Übertragungsbaugruppe 1050 auf, welche die LED 1030 innerhalb einer Verstärkung 1055 am Platz sichert. Ein Streumedium 1060 mit einer Vorderseite 1063 ist zwischen der LED 1030 und dem Material 1028 angebracht. Bei der in Fig. 26 veranschaulichten Ausführungsform berührt das Streumedium 1060 nicht die LED 1030, es sei jedoch bemerkt, daß das Streumedium 1060 entweder die LED 1030 oder das Material 1028 oder beide berühren kann.
Das Streumedium 1060 diffundiert die durch die LED 1030 über einen breiteren Bereich emittierte Strahlung. Demgemäß wird die LED 1030, die im wesentlichen eine Punktquelle ist, in eine Quelle von gleichmäßig über den gesamten Bereich der Vorderseite 1063 des Streumediums 1060 verteiltem Licht umgewandelt. Die Lichtdiffusion über einen breiteren Bereich bietet ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis.
Wie beim Betrachten der Fig. 26-28 ersichtlich ist, wird das Licht gestreut. Dies ist statt durch Lichtwegangaben durch Energieintensitätskonturen dargestellt. Wie von den Erfindern erkannt wurde, ist der spezielle Lichtweg nicht wesentlich. Der wichtige Aspekt ist die Lichtintensität und das Sichtfeld des Photodetektors und der Lichtquelle. Dies wird ferner in Zusammenhang mit der Ausführungsform aus Fig. 28 erklärt, bei der eine Immersionslinse verwendet wird.
Der Betrieb eines in Fig. 27 dargestellten Sensors 1065 gleicht im wesentlichen demjenigen des Sensors 1045, wobei das Streumedium 1040 jedoch innerhalb der Öffnung vorgesehen ist. Es wurde herausgefunden, daß durch Bereitstellen eines Streumediums auf beiden Seiten des Materials 1028 ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis über die Sensoren beobachtet wird, wenn sich das Streumedium auf lediglich einer Seite des Materials 1028 befindet.
Fig. 28 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensors 1070 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 28 veranschaulicht ist, beinhaltet der Sensor 1070 eine Übertragungsbaugruppe 1072 mit einer Lichtquelle 1074, einer Immersionslinse 1076, einem Streumedium 1078 und einer Kammer 1080, die eine Öffnung 1082 entlang einer Unterstützungsfläche 1083 der Übertragungsbaugruppe festlegt. Eine Detektorbaugruppe 1084 ist auf ähnliche Weise mit einer Unter stützungsfläche 1085, einer Kammer 1086, die eine Öffnung 1088 entlang der Unterstützungsfläche 1085 festlegt, einem Photodetektor 1090, einer Immersionslinse 1092 und einem Streumedium 1094 konfiguriert. Fig. 28 veranschaulicht ferner ein Prüfmaterial 2000, wie ein menschliches Gewebe (z. B. einen Finger oder ein Ohrläppchen), das zwischen der Lichtquellenbaugruppe 1072 und der Detektorbaugruppe 1084 angeordnet ist.
Die in Fig. 28 dargestellte spezielle Konfiguration bietet mehrere Vorteile. Zuerst sei bemerkt, daß ein wirtschaftlicher Weg zur Herstellung der Lichtquelle im Photodetektor in der Verwendung kleiner Halbleiter-LEDs und Photodetektoren besteht. Solche Vorrichtungen sind sehr klein und weisen daher ein sehr kleines Sichtfeld auf. Die Erfinder haben erkannt, daß die Verbesserung des Sichtfelds des Photodetektors und der LED vorteilhaft ist, weil die Fläche des Gewebematerials 2000 an der Öffnung der Unterstützungsflächen im Vergleich zur Fläche des Halbleiter-Photodetektors und der LED groß ist. Demgemäß wird ohne Vergrößerung des Sichtfelds des Photodetektors und/oder der LED ein großer Teil des an den Öffnungen vorhandenen Gewebematerialübergangs nicht ausgenutzt. Wie oben erklärt wurde, verbessert die Lichtstreuung die Qualität des empfangenen Signals. Eine Immersionslinse für den Photodetektor und/oder die LED vergrößert das Sichtfeld des Halbleiter-Photodetektors und der LEDs, so daß ein erheblicher Teil des die Öffnungen bedeckenden Gewebematerials innerhalb des Sichtfelds des Photodetektors und/oder der LED liegt.
Weil eine Abbildungsoptik wegen der Vorteile durch die Streuung nicht erforderlich ist, besteht eine sehr vorteilhafte Konfiguration darin, Epoxidharz zu verwenden, das in Form einer Teilkugel direkt über dem Photodetektor und/oder der LED angebracht ist, die bei der vorliegenden Ausführungsform in geeigneter Weise als eine Immersionslinse funktioniert. Bei einer Ausführungsform beträgt der Brechungsindex des Epoxidharzes vorteilhafterweise 1,56. Das Epoxidharz schützt auch den Photodetektor und/oder die LED. Die Immersionslinse kann durch Anbringen eines Epoxidhöckers über dem Photodetektor und der LED gebildet werden.
Die durch einen Epoxidhöcker über dem Photodetektor und/oder der LED gebildete Immersionslinse erweitert das Sichtfeld für den Photodetektor und die LED, um die durchgelassene Lichtenergie über den Gewebeflächenbereich an den Öffnungen, der bezüglich der Fläche der optischen Elemente groß ist, zu verteilen. Dies trägt zum Minimieren der Wirkungen der relativ kleinen optischen Einzelheiten der Prüfmaterialien (beispielsweise Poren, Linien von Fingerabdrücken, Schweißdrüsen) bei.
Bei der vorteilhaften Ausführungsform aus Fig. 28 ist das Streumaterial 1080, 1086 auch in den Kammern 1080, 1086 angeordnet, um die Lichtstreuung in der oben erklärten Weise zu verbessern.
Die in Fig. 28 veranschaulichten kegelartigen Kammern 1080, 1086 sind ebenfalls vorteilhaft, wenn ihre Wände mit einem hochreflektierenden Material bedeckt sind, welches das Licht von der LED nicht absorbiert. Die Kegelform fördert das Reflektieren der Lichtenergie von der LED zum Photodetektor hin. Alle diese Elemente bilden zusammen einen besonders vorteilhaften Sensor, der das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors maximieren und die Wirkungen von Bewegungsartefakten auf das empfangene Signal minimieren kann.
Es sei bemerkt, daß es bei alternativen Ausführungsformen des in Fig. 28 veranschaulichten Sensors 1070 möglich ist, Elemente zu entfernen und dennoch einen wesentlichen Vorteil zu erhalten. Beispielsweise könnte die Detektorbaugruppe 1084 gleich bleiben, wobei die Lichtquellenbaugruppe 1072 einfach zu einer LED ohne eine Unterstützungsfläche und keiner Kammer wird. Alternativ könnten die Streumedien 1078, 1086 aus der Kammer 1080 in der Lichtquellenbaugruppe 1072 oder aus der Kammer 1086 in der Detektorbaugruppe 1082 entfernt werden.
Ein Fachmann wird erkennen, daß die Lichtsammellinse oder andere optische Elemente auch der Kammer bei jedem beliebigen Sensor hinzugefügt werden können, um Licht auf den Photodetektor zu lenken. Die Immersionslinse bietet jedoch eine bessere Funktionsweise. Ein Fachmann wird weiterhin erkennen, daß der Ort des Photodetektors und der Ort der LED bei jedem der oben beschriebenen Sensoren vertauscht werden können. Ein Fachmann wird erkennen, daß der Boden jeder in einer Basis eines optischen Sensors gebildeten Kammer freiliegend bleiben kann, durch ein Material in der Art eines opaken Bands bedeckt sein kann oder durch einen Mantel aus dem Material der Basis bedeckt sein kann, ohne die durch die Kammer bewirkte Verringerung von Bewegungsartefakten zu beeinträchtigen. Weiterhin wird ein Fachmann erkennen, daß Reflexionsmessungen mit den Sensoren ausgeführt werden könnten, wenn der Photodetektor und die LED an der Basis des Sensors angebracht werden. Ein Fachmann wird auch erkennen, daß mehrere LEDs oder Photodetektoren in der Kammer befestigt oder am Material angebracht werden könnten, so daß mehr als ein Signal gleichzeitig gemessen werden kann. Weiterhin wird ein Fachmann erkennen, daß jedes beliebige Material mit einer Kammer, in der ein Detektor oder eine LED angebracht ist, die Wirkungen von Bewegungsartefakten bei nichtinvasiven Absorptionsmessungen (oder Reflexionsmessungen) vermindert.
Es sei bemerkt, daß der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung unter jeden Verhältnissen verwendet werden kann, bei denen eine Messung der durchgelassenen oder reflektierten Energie, einschließlich Messungen an einem Finger, einem Ohrläppchen, einer Lippe oder einer Stirn, ausgeführt werden soll. Es gibt also zahlreiche weitere für einen Fachmann offensichtliche Ausführungsformen, einschließlich Änderungen der Form des Sensors, Änderungen der Materialien, aus denen der Sensor besteht, wobei dies starre und elastische Materialien einschließen, sowie Änderungen der Form, der Abmessungen und des Orts der Kammer. Weiterhin kann (können) die Kammer(n) ganz oder teilweise mit einem reflektierenden Material bedeckt sein, um das Richten von Energie auf den Detektor zu unterstützen. Weiterhin kann der Sensor gemäß der vorliegen den Erfindung bei Messungen anderer Energietypen eingesetzt werden. Der Typ des Energiesenders oder -empfängers kann abhängig vom Typ der Energie, die bei einer Messung am vorteilhaftesten verwendet werden kann, geändert werden. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in allen Hinsichten lediglich als der Veranschaulichung dienend und nicht als einschränkend anzusehen. Der Schutzumfang der Erfindung wird folglich durch die anliegenden Ansprüche und nicht die vorhergehende Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die unter die Bedeutung und den Gleichwertigkeitsbereich der Ansprüche fallen, sollen in ihren Schutzumfang einbezogen werden.

Claims

1. Optischer Sensor mit einer Lichtenergiequelle (1030), einem Gehäuse mit einer Unterstützungsfläche für das zu analysierende Material (1028), einer Kammer mit einem Eingang in Form einer an der Gehäuseunterstützungsfläche ausgebildeten Öffnung (1020) und einem in der Kammer angeordneten Detektor (1026), wobei der optische Sensor dadurch gekennzeichnet ist, daß

ein erster Abschnitt eines optisch streuenden Mediums (1040) derart angeordnet ist, daß das optisch streuende Medium (1040) zwischen dem Detektor (126) und dem Gewebematerial (1028) angeordnet ist, wenn die Unterstützungsfläche angrenzend an das Gewebematerial (1028) angeordnet ist, wobei das Gewebematerial (1028) die Öffnung (1020) bedeckt.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, wobei die Lichtenergiequelle (1030) im wesentlichen der Kammer entgegengesetzt angeordnet ist, wenn das Gehäuse angrenzend an das Gewebematerial (1028) angeordnet ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wände der Kammer derart ausgebildet sind, daß die Kammer im wesentlichen kegelartig ist.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, wobei die Kammer weiterhin reflektierende Wände aufweist.

5. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der erste Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1040) ein verformbares Material ist, welches das Gewebematerial (1028) nicht wesentlich stört, wenn es in Kontakt mit dem ersten Abschnitt des Gewebematerials (1028) gebracht ist.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, wobei der erste Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1040) netzartiger Schaum ist.

7. Optischer Sensor nach Anspruch 6, wobei der erste Abschnitt des optisch streuenden Materials aus netzartigem Polyurethanschaum besteht.

8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der erste Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1040) einen verformbaren Kunststoff aufweist.

9. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-8, weiterhin aufweisend:

ein zweites Gehäuse mit einer zweiten Ünterstützungsfläche für das zu analysierende Material (1028) und

eine zweite Kammer mit einem Eingang in Form einer zweiten Öffnung an der zweiten Gehäuseunterstützungsfläche, so daß ein zweiter Abschnitt des Gewebematerials (1028) die zweite Öffnung bedeckt und durch die um die Öffnung herum angeordnete Unterstützungsfläche unterstützt ist, wenn das Gehäuse angrenzend an das Gewebematerial (1028) angeordnet ist, wobei die Lichtenergiequelle (1030) in der zweiten Kammer in einem Abstand von der Unterstützungsfläche angeordnet ist, der ausreicht, damit das Gewebematerial (1028) die Lichtenergiequelle (1030) nicht berührt, wenn das zweite Gehäuse angrenzend an den zweiten Abschnitt des Gewebematerials angeordnet ist.

10. Optischer Sensor nach Anspruch 9, der weiter einen zweiten Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1060) aufweist, der so positioniert ist, daß er zwischen der Lichtquelle (1030) und dem Gewebematerial (1028) angeordnet ist, wenn die Unterstützungsfläche angrenzend an das Gewebematerial (1028) angeordnet ist, das die Öffnung (1020) bedeckt.

11. Optischer Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 10, wobei einer oder beide der ersten und zweiten Abschnitte des optisch streuenden Mediums (1040, 1060) komprimierbar sind.

12. Optischer Sensor nach den Ansprüchen 10 oder 11, wobei der zweite Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1060) netzartigen Schaum aufweist.

13. Optischer Sensor nach Anspruch 10 oder 11, wobei der zweite Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1060) ein optisch streuendes Gel aufweist.

14. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der zweite Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1060) einen verformbaren Kunststoff aufweist.

15. Optischer Sensor mit einem Photodetektor (1090), einem Gehäuse mit einer Unterstützungsfläche (1083), die angrenzend an das zu analysierende Material (1028) angeordnet werden kann, wobei das Gehäuse eine Kammer aufweist, die in der Unterstützungsfläche (1083) eine Öffnung (1082) festlegt, wobei diese von der Unterstützungsfläche (1083) ausgeht und sich in der Kammer (1080) eine Lichtenergiequelle (1074) befindet, wobei der optische Sensor dadurch gekennzeichnet ist, daß

ein erster Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1078) derart positioniert ist, daß sich das optisch streuende Medium (1078) zwischen der Lichtenergiequelle (1074) und dem Gewebematerial (1028) befindet, wenn die Unterstützungsfläche (1083) angrenzend an das Gewebematerial (1028) angeordnet ist, wobei dieses die Öffnung (1082) bedeckt.

16. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 15, wobei der erste Abschnitt des optisch streuenden Mediums (1078) eine Immersionslinse (1076) ist.

17. Optischer Sensor nach Anspruch 16, wobei die Lichtenergiequelle (1074) eine lichtemittierende Halbleiterdiode ist und wobei die Immersionslinse (1076) ein die Lichtenergiequelle (1074) bedeckender Epoxidhöcker ist.

18. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Lichtenergiequelle (1074) eine lichtemittierende Diode ist, die 3-4 Millimeter von der Öffnung (1080) in der Kammer (1080) unterstützt ist.

19. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Kammer (1080) gemessen von der Lichtenergiequelle (1074) bis zur Öffnung (1082) 3-4 Millimeter tief ist.

20. Optischer Sensor nach Anspruch 15, wobei das Streumedium (1078) einen netzartigen Schaum aufweist.

21. Optischer Sensor nach Anspruch 15, wobei das Streumedium (1078) ein optisch streuendes Gel aufweist.

22. Optischer Sensor nach Anspruch 15, wobei das Streumedium (1078) einen elastischen Kunststoff aufweist.

23. System zum Analysieren des Bluts in lebendigem Gewebematerial, aufweisend:

den optischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, die Lichtenergiequelle (430a, 430b), die über die Öffnung (420) in Verbindung mit dem Detektor (426) steht, wobei die Energiequelle (430a, 430b) derart konfiguriert ist, daß sie Energie durch das Material (428) zum Detektor (426) hin sendet, und

ein mit dem Detektor (426) gekoppeltes Überwachungsgerät, das auf Signale vom Detektor (426) anspricht, um die Konzentration von Blutbestandteilen im Gewebematerial (428) abhängig von der Intensität der Energie zu berechnen, die das Material (428) zum Detektor hin durchlaufen hat.

24. System nach Anspruch 23, wobei das Überwachungsgerät ein Pulsoximeter ist, das die Sauerstoffsättigung des Bluts in dem analysierten Gewebematerial (428) angibt.

25. System nach einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei die Energiequelle (430a, 430b) mindestens zwei Ausgangssignale mit unterschiedlichen Frequenzen emittiert, wobei die Ausgangssignale vor dem Erfassen durch den Detektor (426) moduliert werden.

26. System nach Anspruch 25, wobei die zwei Ausgangssignale zwei optische Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen sind.

27. System nach Anspruch 26, wobei die zwei optischen Signale Wellenlängen im sichtbaren roten bzw. infraroten Spektrum aufweisen.

28. System nach einem der Ansprüche 23-27, wobei der Bildschirm aufweist:

einen Demodulator (550), der mit dem Detektor (426) verbunden und derart konfiguriert ist, daß er die vom Detektor (426) erfaßten modulierten Signale demoduliert, um zwei demodulierte Signale zu erzeugen, die den beiden Ausgangssignalen der Energiequelle (430a, 430b) entsprechen, und

einen mit dem Demodulator (550) verbundenen Prozessor, der auf die Intensität der beiden demodulierten Signale anspricht, um einen Wert zu erzeugen, der die Sauerstoffsättigung im Blut des lebenden Gewebes angibt.

29. System nach Anspruch 28, wobei der Prozessor aufweist:

einen Analog-Digital-Wandler (610), der mit dem Demodulator (550) zusammengeschaltet und so konfiguriert ist, daß er die beiden demodulierten Signale empfängt, und

einen mit dem Analog-Digital-Wandler (610) verbundenen Digitalrechner (620).

30. System nach Anspruch 29, wobei das Pulsoximeter weiter einen Treiber (640) für die Energiequelle (430a, 430b) aufweist; der mindestens einen mit dem Digitalrechner verbundenen Eingangsanschluß und mindestens einen mit der Energiequelle (430a, 430b) verbundenen Ausgangsanschluß aufweist, so daß der Digitalrechner (620) über den Treiber (640) die beiden Ausgangssignale von der Energiequelle (430a, 430b) steuert.

31. System nach Anspruch 30, wobei der Prozessor weiter einen zwischen den Demodulator (550) und den Analog-Digital- Wandler (610) geschalteten Multiplexer (600) aufweist, der dazu dient, das Anlegen jeweils eines der beiden demodulierten Signale an den Analog-Digital-Wandler (610) zu steuern.