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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Messen der
Leitfähigkeit
eines Materials und insbesondere auf einen Sensor, der neben anderen
Anwendungen zum Messen der periodischen Atmungs- und Herzschlagsbewegung durch
das Detektieren von Veränderungen
in der Leitfähigkeit
des Patientengewebes eingesetzt werden kann.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Leitfähigkeitsmessung
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Die
Leitfähigkeit
eines Materials, d. h. wie gut es Elektrizität leitet, kann durch Anlegen
einer Spannung an das Material durch ein Paar Elektroden und Messen
des zugehörigen
Stromflusses ermittelt werden.
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Dieser
Ansatz ist zwar einfach, besitzt jedoch mehrere Nachteile. Erstens
ist das Verfahren empfindlich gegenüber lokalen hohen Widerständen an der
Berührungsfläche zwischen
den Elektroden und dem Material. Zweitens müssen die Elektroden, die zum
Anlegen der Spannung verwendet werden, das Material berühren, was
Probleme hinsichtlich der Verschmutzung der Materialien und der
Korrosion der Elektroden aufwirft.
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Aus
diesem Grund ist die nicht berührende Messung
der Leitfähigkeit
bekannt, bei der ein Paar an elektrischen Spulen in das zu messende
Material versenkt wird. Die Prämisse
hinter solchen Systemen ist, dass zwischen der elektrischen Kopplung
eines Wechselstromsignals zwischen den zwei Spulen und der Leitfähigkeit
des Materials zwischen den Spulen eine funktionale Beziehung besteht.
Derartige Systeme besitzen den Nachteil, dass mehrere Spulen erforderlich
sind.
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Ein
Einzelspulen-Leitungswiderstandsmessgerät (der Leitungswiderstand ist
der Kehrwert der Leitfähigkeit)
wird in der US-A-4.536.713 beschrieben. Bei diesem System werden
in einer Bohrspülung
für eine Ölquelle
oder dergleichen Wirbel ströme durch
ein über
einen Ferritkern angelegtes Magnetfeld erzeugt. Die gemessenen Wirbelströme, wie
sie sich in der Steuerspannung der Spule widerspiegeln, geben eine
grobe Anzeige des Leitungswiderstands der Bohrspülung.
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Überwachung der Atmung
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Bei
kritisch kranken oder komatösen
Patienten, Kleinkindern, die vom plötzlichen Kindstod (SID, sudden
infant death) gefährdet
sind, oder Patienten mit Schlafapnoe (partielles Aussetzen der Atmung, manchmal
in Zusammenhang mit Schlaflosigkeit) kann einen elektronische Überwachung
der Atmung durchgeführt
werden.
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Es
gibt zwei Arten von Schlafapnoe. Obstruktive Apnoe wird durch einen
Verschluss der Luftröhre
oder von Mund und Nase verursacht und ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine Veränderung
in der Phasenbeziehung zwischen der Atembewegung der Brust und des
Bauchs auftritt. Bei der zentralen Apnoe fehlen jegliche Anzeichen
von Atmung beim Patienten.
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Das
Unterscheiden der zentralen Apnoe von obstruktiver Apnoe macht eine
unabhängige
Detektion der Atmungsbewegung des Bauchs und des Brustkorbs erforderlich.
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In
diesem Fachgebiet ist eine Vielzahl unterschiedlicher Arten von
Atmungssensoren bekannt, einschließlich mechanische Sensoren,
die Turbinen oder dergleichen zum Messen des Luftstroms einsetzen
und die Verwendung einer Gesichtsmaske oder eines Mundstücks erforderlich
machen, sowie aufblasbare Manschetten, die die Ausdehnung des Brustkorbs
oder des Bauchs über
eine Veränderung des
Manschettendrucks messen. Derartige mechanische Systeme könnten unter
Zuverlässigkeitsproblemen
leiden.
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Die
Atembewegung kann auch elektronisch durch leitende Spulen, die um
den Patienten gewickelt sind, detektiert werden. Bei einer Vorrichtung nach
dem Stand der Technik sind mehrere leitende Spulen auf dem Patienten
positioniert, um sich in Bezug aufeinander zu bewegen, wenn der
Patient atmet. Die gegenseitige Induktivität zwischen den Spulen verändert sich
mit deren relativer Bewegung und wird gemessen, um die Atmungsbewegung
zu detektieren.
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Bei
einer etwas anderen Gestaltungsform verursacht die Atmungsverformung
einer einzelnen Spule eine Veränderung
der Induktivität
in dieser Spule, was durch die Verstimmung eines Oszillators mittels
der Induktivität
der Spule als Verstimmungselement gemessen werden kann. Die Frequenzänderung
beim Oszillator wird als Maß für die Atembewegung
verwendet.
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Bei
diesen elektrischen Sensoren muss die Abtastspule engangliegend
um den Patienten gelegt werden, so dass sie sich mit dem Patienten
bewegt und kann aus diesem Grund ein unangenehmes einschränkendes
Gefühl
oder einen Druck auf den Rumpf und den Magen des Patienten ausüben. Ein solcher
einschränkender
Druck ist insbesondere bei Kleinkindern problematisch. Derartige
elektronische Sensoren sind ungeeignet, um den Herzschlag zu messen,
da dieser zu keiner signifikanten Ausdehnung des Brustkorbs oder
des Bauchs des Patienten führt.
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Die
oben erwähnte
US-A-4536713 offenbart einen Sensor zum Messen der Leitfähigkeit
einer strömenden
Bohrspülung,
bei der eine Spule, die eine Induktionsspule und einen Kondensator
bereitstellt, in Reihe geschaltet ist, um einen Resonanzkreis auszubilden.
Der Schaltkreis wird durch einen Oszillator angetrieben, um die
Spule zu veranlassen, ein oszillierendes Magnetfeld zu erzeugen,
das Wirbelströme
im Fluid induziert. Ein Differenzverstärker misst anschließend den
Wirkwiderstand des Resonanzkreises, um eine Messung der Leitfähigkeit
des Fluids zu erhalten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist Folgendes bereitgestellt:
ein Leitfähigkeitssensor
zum Messen eines in der Nähe
befindlichen Materials, umfassend:
eine leitende Spule, die
eine Induktionsspule bereitstellt, die ein oszillierendes Magnetfeld
erzeugt, das Wirbelströme
im in der Nähe
befindlichen Material induziert, wenn die leitende Spule mit einem
oszillierenden Strom beaufschlagt wird;
einen Kondensator,
der zu der Induktionsspule parallel geschaltet ist, um einen Parallel-Resonanzkreis bereitzustellen,
der eine Resonanzfrequenz aufweist; und
einen Oszillator, der
an den Parallel-Resonanzkreis geschaltet ist, um den Parallel-Resonanzkreis mit dem
oszillierenden Strom anzusteuern; sowie
eine Impedanzmessschaltung,
die so angeordnet ist, dass sie einen Messwert eines Wirkwiderstands
des Parallel-Resonanzkreises liefert;
worin der Oszillator
ein sich selbst abstimmender Oszillator ist, der einen Verstärker mit
einem Ausgang und einem Eingang umfasst, der mit dem Parallel-Resonanzkreis
verbunden ist, um eine positive Rückkopplung bereitzustellen,
die bewirkt, dass sich der oszillierende Strom vom Ausgang auf einer
Resonanzfrequenz des Parallel-Resonanzkreises
befindet, der an das in der Nähe
befindliche Material gekoppelt ist, um Wirbelströme im in der Nähe befindlichen
Material hervorzurufen; und
die Impedanzmessschaltung so angeordnet
ist, dass sie den oszillierenden Strom gemäß einem Fehlersignal steuert,
um eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude an der Induktionsspule
zu erzeugen, wobei das Fehlersignal die Differenz zwischen einem Standardreferenzsignal
und einem Messwert der Amplitude der Spannung an der Induktionsspule
ist, wodurch die Impedanzmessschaltung einen Messwert des Wirkwiderstands
des Parallel-Resonanzkreises, der an das in der Nähe befindliche
Material gekoppelt ist, wie er der Größe der herbeigeführten Wirbelströme innerhalb
des in der Nähe
befindlichen Materials entspricht, entsprechend der Amplitude des
Fehlersignals liefert.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit die Herstellung eines vereinfachten Leitfähigkeitsmesssensors, der gegenüber induktiven
und kapazitativen Auswirkungen beständig ist. Durch Betreiben der
Spule bei ihrer natürlichen
Resonanzfrequenz dominieren die zu messenden resistiven Effekte.
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Der
selbst abstimmende Oszillator kann einen verstärkungsgeregelten Verstärker aufweisen, der
ein Verstärkungssteuereingangssignal
aufweist, das der Amplitude des die Spule steuernden Signals entspricht,
und die Impedanzmessschaltung kann den Wirkwiderstand vom Verstärkungssteuerungssignal
ableiten.
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Es
ist somit ein weiteres Ziel der Erfindung einen Leitfähigkeitssensor
bereitzustellen, der gegenüber
von der Amplitude abhängigen
Effekten im Leitfähigkeitsmessvorgang
beständig
ist.
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Das
Verstärkungssteuersignal
kann durch einen synchronen Gleichrichter bereitgestellt werden, der
ein Oszillatorsignal vom oszillierenden Strom synchron mit dem oszillierenden
Strom gleichrichtet. Der synchrone Gleichrichter kann ein Vervielfacher sein,
der das Oszillatorsignal selbst vervielfacht.
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Es
ist somit ein weiters Ziel der Erfindung einen Leitfähigkeitssensor
bereitzustellen, der gegenüber
asynchronen Rauschquellen resistent ist. Der synchrone Gleichrichter
wird nicht durch Signale größerer Amplitude
außer
Phase oder Signale mit unterschiedlicher Frequenz, die dann in einem
folgenden Filterschritt gemittelt werden, geschaltet.
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Eine
Anwendungsmöglichkeit
des Leitfähigkeitssensors
ist die elektronische Überwachung
der Atmungsbewegung (oder Herzschlagbewegung), die von der Messung
der Veränderung
der Leitfähigkeit im
Gewebe des Patienten innerhalb eines begrenzten Querschnittbereichs
abhängig
ist. Da die Messung nicht auf Veränderungen in den Dimensionen der
Spulen beruht, kann der Sensor weniger beengend für den Patienten
und widerstandsfähiger
gegen Verformung der Spule bei der Verwendung gestaltet werden.
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Insbesondere
besitzt die leitende Spule eine solche Größe, dass sie um den Körper einer
Person passt. Der selbst abstimmende Oszillator, der mit der leitenden
Spule verbunden ist, steuert die Spule mit einem oszillierenden
Strom bei einer Resonanzfrequenz, um Wirbelströme in der Person herbeizuführen. An
die leitende Spule angeschlossen ist die Impedanzmessschaltung,
die einen Messwert des Wirkwiderstands der Spule bei der ersten
Frequenz bereitstellt, der die Größenordnung der in der Person herbeigeführten Wirbelströme widerspiegelt.
Ein elektronisches Filter, das dieses Impedanzsignal empfängt, extrahiert
ein periodisches plethysmographisches Signal.
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Es
ist somit ein Ziel der Erfindung ein Verfahren zum Messen einer
periodischen physiologischen Bewegung, wie eine Herzschlag- oder
Atmungsbewegung anzugeben, indem Veränderungen in der Flächenleitfähigkeit
des Patientengewebes innerhalb einer Spule detektiert werden, ohne
dass die Spule gleichzeitig mit der physiologischen Bewegung verformt
werden muss. Da die Erfindung keine Ausdehnung des Patienten nach
außen
benötigt,
können
die periodischen inneren Leitfähigkeitsveränderungen, wie
z. B. die durch den Herzschlag verursachten, ebenso effektiv wie
die Leitfähigkeitsveränderungen gemessen
werden, die sich in einer Auswärtsbewegung
des Patienten widerspiegeln, wie z. B. das Atmen.
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Das
Patienten-Überwachungsgerät kann zwei
Spulen einschließen,
die so dimensioniert sind, dass sie um den Körper der Person passen, wobei eine
in der Bauchgegend und eine in der Brustkorbgegend des Patienten
angebracht wird. Hierbei stellt die Impedanzmessschaltung Messwerte
des Wirkwiderstands der zwei Spulen separat bereit. Ein Alarm kann
diese getrennten Widerstandsmesswerte vergleichen, um zu überwachen,
wenn Gefahr für
die Person angezeigt wird.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung einen elektronischen Atmungsdetektor
bereitzustellen, der getrennte Messwerte von zwei unterschiedlichen
Bereichen des Körpers,
die sich in Nähe
zueinander befinden, zur Verfügung
stellen kann. Da nur eine Spule benötigt wird, um die Leitfähigkeit
zu messen, können
durch eine Vielzahl aneinander angrenzender Spulen mehrere Messungen
durchgeführt
werden.
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Vorzugsweise
umgibt eine leitende Abschirmung die Spule oder die Seite der Spule,
die vom Patienten entfernt ist.
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Es
kann auch eine leitende Außenhülle koaxial
um die Außenseite
der ersten und zweiten Spule und die Innenhülle angebracht sein.
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Die
vorhergehenden sowie andere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen
aus der folgenden Beschreibung hervor. In der Beschreibung wird
auf die begleitenden Abbildungen verwiesen, die einen Teil davon
bilden und in denen durch Illustration eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt ist. Diese Ausführungsform repräsentiert
nicht unbedingt den vollen Schutzumfang der Erfindung, weshalb zur
Auslegung des Schutzumfangs der Erfindung auf die Ansprüche verwiesen
werden muss.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ABBILDUNGEN
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1 ist eine perspektivische
Ansicht eines Gürtels,
der die vorliegende Erfindung umfasst und in einer Position auf
einem Kind dargestellt ist;
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2 ist eine perspektivische
Ansicht des Gürtels
aus 1 in geöffnetem
Zustand, in der die Position der Magnetfelder der beiden Spulen
im Bauch- und Brustkorbbereich darstellt;
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3 ist eine graphische Darstellung
der Magnetfeldstärke
gegenüber
der Distanz entlang der Linie 3-3 in 2,
wenn der Gürtel
geschlossen ist;
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4 ist eine schematische
Darstellung einer Schaltung, die zum Steuern der Spulen aus 2 und zum Bereitstellen
einer Leitfähigkeitsmessung
des Bereichs der in 2 dargestellten
Magnetfelder verwendet wird;
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5 ist ein Blockschaltbild,
welches das anschließende
Verarbeiten der Leitfähigkeitsmessung
veranschaulicht; und
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6 ist eine perspektivische
Ansicht eines Allzweck-Leitfähigkeitssensors,
in dem das Prinzip der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Gürtelkonstruktion und Schleifenanbringung
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Bezugnehmend
auf 1 kann die vorliegende
Erfindung in einen Gürtel 10 eingebaut
werden, der um den Rumpf eines Patienten 12, wie z. B. ein
Kind, gewickelt wird, wobei die obere Kante des Gürtels um
den Brustkorbbereich des Patienten gelegt wird und die untere Kante
des Gürtels
um den Bauch des Patienten.
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Bezugnehmend
auf 2 kann der Gürtel 10 eine
Gewebe-Innenhülle 13 einschließen, die
eine elektrische Isolierung und eine Polsterung für den Patienten 12 gegen
verschiedene harte Abschnitte des Gürtels 10 bereitstellt,
wie beschrieben werden wird.
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An
der Außenseite
der Hülle 13 sind
in der Nähe
der oberen und unteren Kante des Gürtels 10 erste und
zweite flexible elektrische Leiter 14 und 16 angebracht,
die beim Öffnen
des Gürtels 10 zu
einer C-förmigen
Form geöffnet
werden. Leiter 18, die an einem Ende jedes Leiters 14 und 16 befestigt
sind, verbinden die Enden der Leiter 14 und 16 physisch, um
zwei Schleifen auszubilden, eine um den Brustkorbbereich und eine
um den Bauchbereich des Patienten 12, wenn der Gürtel 10 wie
in 1 dargestellt geschlossen
ist. Die einander gegenüberliegenden
Enden jedes der Leiter 14 und 16 bleiben elektrisch
isoliert, so dass ein oszillierendes elektrisches Signal über die
Enden des Leiters 14 und des Leiters 16 angelegt
werden kann.
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Die
Leiter 14 und 16 können flache Metallfedern aus
einem leitenden Material wie Messing sein, um ohne bleibende Verformung
geöffnet
und geschlossen werden zu können.
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Eine
isolierende Gewebe-Außenhülle 22 umhüllt die
Innenhülle 13,
wodurch die Leiter 14 und 16 zwischen die Innenhülle 13 und
die Außenhülle 22 eingeschichtet
werden. Auf Mittelkanten 25 der Außenhülle 22 sind entgegengesetzte
Hälften
eines Klettbands 24, wie z. B. Velcro, angebracht, so dass die
Mittelkanten 25 lösbar
aneinander befestigt werden können,
um den Gürtel 10 um
den Patienten 12 zu schließen und um gegen nach außen drückende Kräfte Widerstand
zu leisten, durch die die Verbindung zwischen den Leitern 14 und 16 von
den Leitern 18 getrennt werden könnte.
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Ein
zusätzlicher
Schaltkreis 20, der zwei Oszillatoren einschließt, die
untenstehend beschrieben werden, und ein Radiosender mit geringer
Leistung zum Übertragen
der Signale vom Patienten 12 sowie eine Batterie ist mit
jedem der Leiter 18 und somit mit beiden Enden jedes Leiters 14 und 16 durch
Drähte 26 verbunden,
die entlang der Innenfläche
der Außenhülle 22 verlaufen
und durch die Außenhülle 22 in den
Schaltkreis 20 dringen.
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Leitfähigkeitsmessung mit Wirbelströmen
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Bezugnehmend
auf 3 erzeugt der durch die
Leiter 14 und 16 verlaufende Wechselstrom oszillierende
Magnetfelder 26 im Patienten 12, wenn die Leiter 14 und 16 durch
Schließen
des Gürtels
um den Patienten zu einer Schleife geformt werden. 3 zeigt die Amplitude der Magnetfelder
entlang einer Querebene durch den Patienten, die durch den durch die
Leiter 14 und 16 fließenden Strom erzeugt werden.
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Wie
in 3 ersichtlich, konzentriert
sich die Amplitude des Magnetfelds A innerhalb des Patienten 12 und
besitzt außerhalb
des Patienten eine relativ geringe Größenordnung, wobei ihre Grenzen durch
die vertikalen Linien 30 angezeigt sind. Die Stärke des
Magnetfelds sinkt rasch in einer zur Ebene der Spulen der Leiter 14 und 16 senkrechten
Richtung ab, wodurch die Interferenz bei den durch die Spulen 14 und 16 erhaltenen
Messwerte gering ist.
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Die
oszillierenden Magnetfelder 27 führen Wirbelströme im Patienten 12 herbei,
deren Größenordnung
proportional zur Leitfähigkeit
des Gewebes ist. Wenn das Gewebe des Patienten 12 beispielsweise
perfekt leitend wäre,
würden
die Wirbelströme ausreichen,
ein Magnetfeld zu erzeugen (elektromotorische Gegenspannung), das
dem Magnetfeld 27 entgegenwirkt, um das Magnetfeld 27 vollständig aufzuheben.
Andererseits werden, wenn das Gewebe des Patienten 12 nicht
perfekt leitend ist, die Wirbelströme geringer sein und das Magnetfeld 27 wird abgeschwächt jedoch
nicht aufgehoben. Eine Messung der elektromotorischen Gegenspannung,
die durch die Wirbelströme
im Patienten erzeugt wird, stellt ein Anzeichen der Leitfähigkeit
des Gewebes des Patienten bereit.
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Bezugnehmend
auf 4 kann ein effektiver Schaltkreis
aus einem Leiter 14 oder 16 in der Nähe des Patienten 12 so
ausgebildet sein, dass eine erste Induktionsspule L1 (die aus einem
der Leiter 14 oder 16 besteht) induktiv (wie bei
einem Wandler) an eine zweite Leitungsspule L2 gekoppelt wird und
mit einem Widerstand R2 in Reihe geschaltet wird. Die Leitungsspule
L2 und der Widerstand R2 sind keine diskreten Elemente, sondern
die äquivalenten
konzentrierten Werte, die die verteilte Leitfähigkeit und den Widerstand
von zahlreichen Schleifenstromwegen der Wirbelströme durch
das Gewebe des Patienten 12 umfassen. Im Allgemeinen gibt
R2 jedoch die Gesamtleitfähigkeit
(1/R) im Bereich innerhalb einer gegebenen Schleife 14 und 16 wider.
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Beziehung zwischen Leitfähigkeit
und physiologischer Bewegung
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Der
Wirkwiderstand R2 wiederum hängt
im Allgemeinen vom reellen Widerstand (Ω) des Gewebes in dem durch
die Schleife 14 oder 16 eingeschlossenen Bereich
mal der Fläche,
die durch die Schleife 14 oder 16 eingeschlossen
ist. Aus diesem Grund führen
Veränderungen
in der Querschnittsfläche
des Patienten 12 innerhalb der Schleife 14 oder 16 zu
Veränderungen
des mit dieser Schleife 14 oder 16 gemessenen
Werts von R2.
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Zudem
spiegeln sich Veränderungen
in der Querschnittsfläche
eines Organs innerhalb des Patienten 12 und innerhalb der
Ebene einer Schleife 14 oder 16, die einen deutlich
unterschiedlichen Flächenwiderstand
gegenüber
dem umliegenden Gewebe aufweisen, in einer Veränderung des Werts für R2 wider.
Der Wert von R2 zeigt daher sowohl die Atmungsbewegung, bei der
sich die Gesamtquerschnittsfläche
des Patienten verändert,
als auch die Herzschlagbewegung, bei der sich ein relativer Bereich
mit stark leitendem Blut verändert,
innerhalb des Patienten ohne eine signifikante Gesamtveränderung
in der Gesamtquerschnittsfläche
des Patienten.
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Widerstandsmessschaltkreis
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Der
Wert R2 ist als eine Abnahme im Gütefaktor eines einen Oszillator
verwendenden Leiters 14 oder 16 als eine induktive
Komponente eines Oszillator-Schwingkreises
detektierbar. Der Oszillator besteht aus der parallelen Kombination
der Leitungsspule L1 als einen der Leiter 14 oder 16 und
eines Kondensators C1, der im Elektronikschaltkreis 20 enthalten
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird
C1 so gewählt,
dass die Kombination aus L1 und C1 in eine Parallel-Resonanz bei
etwa 4,5 MHz abgestimmt wird. Bei Leitern 14 und 16,
die zu einer Schleife mit einem Durchmesser von etwa 100 mm geformt
sind, ist C1 ein Kondensator von 330 pF.
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Wie
auf diesem Fachgebiet bekannt ist, stellt der Gütefaktor eines Oszillators
einen Messwert bereit, der im Allgemeinen anzeigt, wie lange ein
Oszillator ohne das Zuführen
zusätzlicher
Energie weiter oszillieren würde
(freie Oszillation). Ohne Wirbelströme würde der durch die Leiter 14 oder 16 ausgebildete
Oszillator erwartungsgemäß über einen
Zeitraum weiterschwingen, der nur durch den intrinsischen Wirkwiderstand
der Leiter 14 und 16 und der anderen Komponenten,
die den oszillierenden Resonanzschaltkreis ausbilden, begrenzt wird.
Bei Wirbelströmen
fügt die
resultierende Gegen-EMK einen Wirkleistungswiderstand in den Oszillator
hinzu, wodurch die Zeitdauer der freien Oszillation verkürzt wird.
Somit stellt ein Messwert des Gütefaktors
von Oszillatoren, die durch die Leiter 14 und 16 ausgebildet
werden, ein Anzeichen für
die Leitfähigkeit
des Patienten 12 bereit.
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Die
Messung des Gütefaktors
eines Resonanzschaltkreises ist auf dem Gebiet weithin bekannt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine äußerst genaue Messung erforderlich
und die Messung muss im Umfeld eines sich bewegenden Patienten und
in einer Situation, bei der sich der Wert von L1 von Messung zu
Messung aufgrund einer unabsichtlichen Verformung der Leiter 14 und 16 verändern kann,
sowie bei Variationen in der Anbringung des Gürtels 10 am Patienten 12 stabil
sein.
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Um
die Gütefaktormessung
zu verbessern, wird die Messung bei der Resonanzfrequenz der Parallelkombination
aus C1 und L1 durchgeführt.
Der die Schleifen 14 und 16 steuernde Oszillator
wird der Resonanzfrequenz der Parallelkombination aus L1 und C1
nachgeführt,
wie beschrieben werden wird. Dadurch wird die Auswirkung von Veränderungen
in der Resonanzfrequenz von L1 und C1 in Bezug auf die Oszillatorfrequenz,
was die Gütefaktormessung beeinflussen
könnte,
verringert. Es versteht sich zudem, dass durch das Betreiben der
Spule bei Resonanzfrequenz unerwünschte
kapazitative und induktive Einflüsse
auf die Messung abgeschwächt
werden, da die induktiven Komponenten des detektierten Signals die
kapazitativen Komponenten dieses Signals aufheben.
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Zudem
wird die Amplitude des Oszillators, der die Parallelkombination
aus L1 und C1 steuert, genau auf einem konstanten Wert gehalten.
Dadurch wird die Auswirkung der Amplitude auf die Gütefaktormessung
eliminiert und die offensichtlichen Veränderungen bei den Gütefaktoren,
wie sie durch eine geringe Verstimmung des Oszillators in Bezug
auf die induktive Parallelkombination aus L1 und C1 verursacht werden
könnten,
werden verringert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Oszillator, der das erwünschte
Merkmal des Nachführens
der Resonanz von C1 und L1 sowie des Bereitstellens einer konstanten
Amplitudenoszillation aufweist, durch die Verwendung eines Transkonduktanzverstärkers (OTA,
operational transconductance amplifier) 32 bereitgestellt,
der an seinem Ausgang 38 an eine Verbindung zwischen dem
Kondensator C1 und der Leitspule L1 angeschlossen ist. Die verbleibende
Verbindung zwischen C1 und L1 ist mit Erde verbunden.
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Fachleute
auf dem Gebiet wissen, dass ein Transkonduktanzverstärker an
seinem Ausgang 38 einen Strom bereitstellt, der als ein
Verstärkungsfaktor
Gm mal die Spannung an den invertierenden
und nicht invertierenden Eingängen 36 (durch
ein minus bzw. durch ein plus gekennzeichnet) des Transkonduktanzverstärkers gestaltet
werden kann. Der Wert Gm wird durch einen
Verstärker-Vorstrom
Iabc bestimmt.
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Der
Ausgang 38 des OTA 32 ist auch an den nicht invertierenden
Eingang 36 des OTA 32 angeschlossen. Bei dieser
Mitkopplungskonfiguration wird der Ausgangsstrom des OTA 32 natürlich mit
der Resonanzfrequenz der Parallelkombination aus C1 und L1 oszillieren,
um ein Oszillatorsignal 41 zu erzeugen.
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Dieses
Oszillatorsignal 41 am Ausgang 38 wird auch durch
einen Amplitudendetektor 40 aufgenommen, der aus einem
synchronen Präzisionsgleichrichter
und einem Tiefpassfilter besteht, der eine Gleichspannung proportional
zur Amplitude des Oszillatorsignals 41 am Ausgang 38 bereitstellt.
Der synchrone Gleichrichter wird in der bevorzugten Ausführungsform
durch einen Vervielfacher ausgebildet, der an seinen beiden Faktoreingängen den
Ausgang 38 aufnimmt. Jedes Rauschsignal am Ausgang 38, das
asynchron zum Oszillatorsignal 41 ist, wird im Tiefpassfilter
auf Null gemittelt. Der Ausgang des Amplitudendetektors 42 wird
durch einen invertierenden Eingang eines hochverstärkenden
Standardoperations-verstärker 42 aufgenommen,
dessen positiver Eingang eine als Vr bezeichnete
Präzisionsreferenzspannung 44 empfängt.
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Der
Verstäker 42 wird
im offen prozeßgekoppelten
Betrieb betrieben und es versteht sich daher, dass wenn die Spannung
am invertierenden Eingang des Verstärkers 42 größer ist
als Vr der Ausgang des Verstärkers 42 einen
negativen Wert annehmen wird. Andererseits wenn die Spannung am
invertierenden Eingang des Verstärkers 42 in
Bezug auf Vr negativ ist, wird der Ausgang
des Verstärkers 42 positiv.
Der Ausgang des Verstärkers 42,
bezeichnet als Vout, wird an den Begrenzungs-Widerstand 43 angelegt,
um zum Verstärker-Vorstrom
Iabc zu werden.
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Die
Verbindung des Ausgangs des Verstärkers 40 mit dem OTA 32 stellt
eine Regulierung der Amplitude des Oszillatorsignals 41 auf
den Wert Vr bereit. Durch diese Art der
Verbindung zeigt der Wert Vout, der die
Amplitude des Fehlersignals darstellt, im Allgemeinen an, wie viel
zusätzliche
Energie in den Oszillator von C1 und L1 eingebracht werden muss, um
die Oszillation auf der erwünschten
Amplitude von Vr zu halten, und stellt dadurch
einen Messwert des Gütefaktors
des Oszillators von C1 und L1 und somit einen Messwert von R2 bereit. Im Allgemeinen gilt, je höher der
Wert von Vout, umso niedriger der Wert von
R2.
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Bezugnehmend
auf 5 wird der Schaltkreis
aus 4 für jeden
der Leiter 14 und 16 einmal wiederholt und somit
zwei Werte für
Vout erhalten, die jeweils die Leitfähigkeit
des Patienten innerhalb des durch die jeweiligen Schleifen 14 und 16 umschlossenen
Bereichs angeben. Diese zwei Signale, die in Vout2 (verweist
auf das Signal der Spule 16 und des Bauchs) und Vout1 (verweist auf das Signal der Spule 14 und
des Brustkorbbereichs) unterschieden werden, werden jeweils von
getrennten Tiefpassfiltern 50 bzw. 52 aufgenommen,
die so abgestimmt sind, dass sie die Grundfrequenz des Oszillatorsignals 42,
das die Schleifen 14 und 16 steuert, sperren,
die Signale mit einer niedrigeren Frequenz, die durch eine mit der Atmung
oder dem Herzschlag langsam variierende Veränderung im Wert R2 erzeugt
werden aber durchlassen. In der folgenden Erläuterung wird angenommen, dass
die Frequenz der Tiefpassfilter 50 und 52 so eingestellt
ist, dass die Atmungsbewegung extrahiert wird, wie dies für die Diagnose
von Schlafapnoe notwendig sein kann.
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Die
Signale der Tiefpassfilter 50 und 52 werden dann
an einen Radiosender mit geringer Leistung 54 bereitgestellt,
der im Schaltkreis 20, der in Bezug auf 2 dargestellt ist, enthalten ist. Ein
sich in der Nähe
befindlicher Empfänger 56,
der dieses Signal aufnimmt, extrahiert zwei Atmungssignale. Die Sender-
und Empfängerschaltungen 54 und 56 sind nach
auf dem Gebiet weithin bekannten Verfahren konstruiert und können aus
einem FM-Glied mit geringer Leistung bestehen, bei dem jedem der
verschiedenen Atmungssignale eine unterschiedliche Frequenz zugeordnet
ist.
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Der
Empfänger 54 stellt
Atmungssignale an eine Detektor- und Alarmschaltung 58 bereit,
die so programmiert ist, dass sie Gefahr für den Patienten detektiert.
Die Detektor- und Alarmschaltung 58 kann einen Alarm bereitstellen,
der einen Verlust des Atemsignals anzeigt, der sich über mehr
als eine gewisse Zeitperiode erstreckt. Alternativ oder zusätzlich kann
die Alarm- und Detektorschaltung 58 einen Verlust der Phasenkohärenz zwischen
den Signalen Vout1 und Vout2 detektieren,
wodurch wie oben beschrieben eine obstruktive Apnoe angezeigt werden kann.
Die Detektor- und Alarmschaltung 58 besteht in einer bevorzugten
Ausführungsform
aus einem Mikroprozessor, der so programmiert ist, dass er digitalisierte
Abtastwerte der Atemsignale empfängt
und diese gemäß den oben
beschriebenen Kriterien oder anderen von einem Arzt ausgewählten Kriterien überwacht.
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Es
ist ersichtlich, dass es bei diesem Ansatz, Herzschlag- und Atmungssignale
durch Messen der Veränderungen
in der Leitfähigkeit
zu detektieren, nicht erforderlich ist, dass sich die Schleifen 14 und 16 mit
der Bewegung des Patienten 12 verformen oder verbiegen,
denn der Schaltkreis würde
auch funktionieren, wenn die Schleifen 14 und 16 total
steif wären
und nicht nachgeben würden.
Dadurch wird der Rumpf des Patienten 12 durch den Druck
des Gürtels 10 nicht
stärker
zusammengedrückt,
als minimal notwendig ist, um den Gürtel 10 in seiner
Position zu halten.
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Bezugnehmend
auf 6 kann die oben
beschriebene Schaltung auch zum Messen der Leitfähigkeit eines beliebigen Materials,
wie z. B. einer Flüssigkeit 58 die
durch ein Rohr 60 strömt,
verwendet werden. Hierbei wird ein einzelner Leiter 14 verwendet,
der in einer oder mehreren Schleifen um den Umfang des Rohrs 60 verläuft, so
dass ein wiederum oszillierendes Innenmagnetfeld (nicht dargestellt)
im Rohr 60 erzeugt wird. Die Gegen-EMK der so induzierten
Wirbelströme
wird durch Messen des Gütefaktors
eines Oszillators detektiert, der wie oben beschrieben aus dem Leiter
und einem parallelen Kondensator (nicht dargestellt) ausgebildet
wird.
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Anders
als bei anderen Leitfähigkeitssensoren
nach dem Stand der Technik ist weder ein direkter Kontakt zwischen
der Flüssigkeit 58 und
einer oder mehrerer Elektroden des Schaltkreises notwendig, noch
dass die Schleife 14 in die Flüssigkeit 58 eingetaucht
wird, wodurch ein Blockieren oder unnotwendige Durchwirbelung hervorgerufen
werden kann, oder dass die Schleife 14 in Verbindung mit
einer zweiten Schleife 16 verwendet wird.
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Die
derartige Messung der Leitfähigkeit
stellt ein Anzeichen für
die Zusammensetzung der Flüssigkeit 58 bereit
und kann Einschlüsse
wie Luftblasen und dergleichen detektieren.
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Die
Flüssigkeit 58 muss
das Rohr 60 jedoch nicht vollständig füllen. Wenn die Flüssigkeit 58 nur einen
Teil der durch die Spule 14 angeregten Querschnittsfläche einnimmt,
wird die Leitfähigkeit
proportional dazu niedriger sein.
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Zahlreiche
andere Modifikationen und Variationen der bevorzugten Ausführungsform,
die immer noch innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie er
in den Ansprüchen
definiert ist, liegen, sind für Fachleute
auf dem Gebiet offensichtlich. Beispielsweise kann die Leitfähigkeitssonde über ein
großes Volumen
verwendet werden und somit als Mittel zum Detektieren des Vorhandenseins
von Personen in einem Raum eingesetzt werden. In einem kleineren Maßstab kann
der Leitfähigkeitssensor
dazu verwendet werden, in der Nähe
befindliche Materialien mit hoher oder niedriger Leitfähigkeit,
einschließlich
Metall, zu detektieren, und somit als Näherungsschalter dienen. Um
die Öffentlichkeit über die
verschiedenen Ausführungsformen,
die unter den Schutzumfang der Erfindung fallen könne, zu
informieren, wurden die nachfolgenden Ansprüche verfasst.