Piezoelektrischer Sensor zur Druckfluktuationsmessung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 einen piezoelektrischen Sensor für die verbesserte Messung mechanischer Größen wie Kraft, Druck oder davon abgeleiteter Messgrößen, insbesondere einen piezoelektrischen Sensor mit verbesserter Messsignal-Empfindlichkeit und -Temperaturstabilität bei Messungen zeitlich und räumlich veränderlicher Drücke und zur ein- und zweidimensio- nalen Bestimmung der Position und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druckfluktuationen und Druckwellen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die nichtinvasive, belastungsarme und kontinuierliche Messung der Pulsfrequenz sowie des Blutdrucks bei Menschen und Tieren durch Messung der arteriellen Pulswellen mittels eines mit piezoelektrischen PVDF-Folien ausgestatteten Sensors.
Durch die gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials in Richtung der Polarisierung bilden sich durch Verlagerung der negativen und positiven Ladungsschwerpunkte innerhalb der Elementarzellen mikroskopische Dipole. Die Aufsummie- rung über alle Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung, die in einem definierten Verformungsbereich bei Longitudinal- verformung in Polaritätsrichtung direkt proportional zur Verformung ist.
Piezoelektrische Folien bestehen heute meist aus Polyvinylidenfluorid (kurz PVDF), einem transparenten, teilkristallinen Fluor-Thermoplast, der zur Herstellung der piezoelektrischen Eigenschaften polarisiert, d.h. erwärmt, eindimensional gestreckt und dabei zur Ausrichtung der Dipole einem starken gerichteten elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Die dabei entstehenden piezoelektrischen Eigenschaften sind also durch die monoaxiale Orientierung stark richtungsabhängig. Zur Ableitung der bei Verformungen entstehenden Dipolladungen ist die PVDF-Folie metallisch beschichtet. Diese Metallbe- schichtung besteht meist aus auf die Folie aufgedampften Gold- oder Kupfer-Nickel- Legierungen. Die Ladungen können dann mittels Elektroden am Rand der piezoelektrischen Folie abgegriffen und mittels eines Ladungsverstärkers (Ladungs-Spannungs- Konverter) in eine messbare elektrische Spannung umgewandelt werden.
Das menschliche Herz befördert als diskontinuierlich fördernde Verdrängerpumpe in seiner Kontraktionsphase das Blut durch die Arterien in Richtung der peripheren Blutgefäße, von wo es über das venöse Blutgefäßsystem wieder zum Herzen gelangt. Die bei der Kontraktionsphase des Herzens entstehende Blutdruckspitze in der Aorta ist dabei der systolische Blutdruck, der im Wesentlichen von den Herzfunktionsparametern abhängt - der Blutdruck in der Aorta am Ausgang des Herzens während dessen Erschlaffungsphase ist der diastolische Blutdruck, der im Wesentlichen vom Schlagvolumen und der Elastizität der Aorta abhängt. Als wichtige Grundlage zur Diagnose insbesondere der Vitalfunktionen und eventueller Gesundheitsrisiken des Patienten wird häufig eine kontinuierliche Langzeitüberwachung der beiden Blutdruckwerte u.a. zur Detektierung kurzer Blutdruckspitzen notwendig. Zur Zeit ist dies nur invasiv möglich mittels einer in die Arterie des Patienten applizierten Blutdruckmesskanüle bzw. eines Blutdruckmesskatheters. Die Nachteile dieses invasiven Verfahrens sind neben der Belastung des Patienten die Gefahr von Infektionen und die Verletzungsgefahr bei Armbewegungen des Patienten. Darüber hinaus ist das Verfahren nur in der Klinik einsetzbar.
Die meisten bekannten Verfahren zur nichtinvasiven Blutdruckmessung arbeiten nach der Riva-Rocci-Methode. Eine meist um den Oberarm eines Patienten angelegte Manschette wird dabei zunächst mit einem Luftdruck aufgepumpt, der über dem erwar- teten systolischen Blutdruck liegt und dazu führt, dass die Arterie im Arm des Patienten soweit abgedrückt wird, dass der Blutfluss an dieser Stelle der Arterie unterbrochen ist. Der Luftdruck in der Manschette wird nun durch öffnen eines Ventils langsam abgesenkt. Sinkt der Manschettendruck unter den systolischen Druck, so wird in der Kontraktionsphase des Herzens für die Zeitspanne, in der der arterielle Druck höher ist als der Manschettendruck, der Blutfluss im Blutgefäß wiederhergestellt. Da der Innenquerschnitt des Blutgefäßes aber immer noch sehr klein ist, erhöht sich wegen der an dieser Stelle höheren Blutstromgeschwindigkeit der Turbulenzgrad, so dass zum Beispiel mittels eines Stethoskops während dieser Zeitspanne in Blutstromrichtung kurz hinter der Gefäßverengung ein erhöhtes Strömungsgeräusch bzw. ein Geräusch durch die Gefäßwandbewegung im Rhythmus der Herzfrequenz, das sogenannte Korotkoff-Geräusch gehört werden kann. Der systolische Blutdruck ergibt sich daher bei diesem Verfahren aus dem abzulesenden Manschettendruck, bei dem während der langsamen Manschettendruckabsenkung zum ersten Mal das Korotkoff-Geräusch zu hören ist. Analog dazu ergibt sich der diastolische Blutdruck aus dem Ablesen des
Manschettendrucks, bei dem bei fortgesetzter Manschettendruckabsenkung zum ersten Mal das Korotkoff-Geräusch nicht mehr zu hören ist, da unterhalb des diastolischen Blutdrucks keine Blutgefäßverengung mehr stattfindet. Möglich ist auch die umgekehrte Reihenfolge der Messschritte durch langsame Manschettendruckerhöhung -von unten herauf-. Zu beachten ist, dass bei bestimmten Bluthochdruckpatienten eine auskultatorische Lücke entsteht, d. h. das Korottkoffgeräusch verschwindet beim Absenken des Druckes zwischen dem systolischen und diastolischen Druck. Wird der Druck weiter abgesenkt, so tritt das Geräusch wieder auf und der diastolische Druck wird beim erneuten Verschwinden des Korottkoffgeräusches ermittelt. Ein solches Verfahren zum nichtinvasiven Messen des Blutdrucks ist in der DE 3424536 beschrieben, bei dem eine aufblasbare Armmanschette ein Mikrofon zum Aufnehmen der Korotkoffgeräusche enthält und der systolische und diastolische Blutdruck mittels einer digitalen Auswerteeinheit ermittelt und angezeigt wird. Die Messgenauigkeit dieses Verfahrens ist insbesondere zur Ermittlung des diastolischen Blut- drucks nicht sehr hoch, außerdem eignet es sich nicht zur kontinuierlichen Dauerüberwachung des Blutdrucks, da durch die langsame Manschettendruckänderung jeder Messvorgang lange dauert und eine häufigere Wiederholung der Messungen als alle 5 Minuten zu einer Messverfälschung führt. Darüber hinaus wird durch den hohen Manschettendruck der Patient belastet und es besteht die Gefahr von Gewebeschädi- gungen an der Applikationsstelle.
In einem weiteren Verfahren wird der Blutdruck nichtinvasiv und kontinuierlich ohne Verwendung störender und den Patienten belastender Kompressionsmanschetten gemessen. Hierbei nutzt man die Tatsache, dass insbesondere der systolische Blutdruck mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Pulswelle bzw. dem Kehrwert der Pulstransitzeit in der Arterie eines Menschen recht gut korreliert. So führt P.Eiter in seiner Dissertation „Methoden und Systeme zur nichtinvasiven, kontinuierlichen und belastungsfreien Blutdruckmessung" (Universität Karlsruhe, 2001) den analytischen Nachweis dieses Zusammenhanges, indem er als hydraulisches Ersatzmodell für die Pulswellenausbreitung in einer Arterie eine ungedämpften Welle und eine verlustfreie Strömung in einem elastischen Schlauch unter Vernachlässigung äußerer Kräfte wie der Schwerkraft voraussetzt und die Beziehung
p = (2p/Ep) (R/h) c2 - Eo/Ep (1)
herleitet, wobei p der Blutdruck in der Arterie ist, p die Blutdichte, R der Arterieninnen- radius, h die Arterienwandstärke, c die Pulswellengeschwindigkeit und E0 und Ep empirische Elastizitätskonstanten zur Beschreibung der Arterienwandelastizität. Von diesem Modell ausgehend, kann man also den Druck unter der Annahme der Konstanz des Verhältnisses der Gefäßgrößen R und h nur über die Pulswellengeschwindigkeit bestimmen:
Pi cal = Ci * Ci Ca| 2 * C2 , (2)
wobei Ci, C2 Konstanten sind, die beispielsweise über zwei individuelle Kalibriermessungen i = 1 , 2 ermittelt werden können, die bei unterschiedlichen Blutdrücken ausgeführt werden müssen, also beispielsweise eine in Ruhe und eine bei körperlicher Belastung. Darüber hinaus führt P.Eiter in seiner Dissertation den statistischen Nachweis der Korrelation des systolischen Blutdrucks mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Pulswelle bzw. dem Kehrwert der Pulstransitzeit.
So beschreibt dem entsprechend die DE 10214220 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nichtinvasiven, belastungsarmen und kontinuierlichen Messung des Pulses sowie des Blutdrucks durch Ermittlung der Pulswellengeschwindigkeit. Hierzu erfolgt die üblicherweise den Patienten besonders belastende Messung des systolischen Blut- drucks durch Ermittlung der Pulstransitzeit mittels wenigstens zweier vorzugsweise am Ober- und Unterarm angebrachten Drucksensoren, insbesondere auf der Basis piezoelektrischer Folien. Die ermittelten Pulstransitzeiten bzw. systolischen Blutdruckwerte werden in einer Auswerteeinheit gespeichert. Die Messung des diastolischen Blutdrucks erfolgt insbesondere nach der oszillometrischen Methode mittels einer Armmanschette, die nur mit einem Druck in der Größenordnung des diastolischen Blutdrucks beaufschlagt ist, wodurch die Belastung des Patienten und des Körpergewebes an der Applikationsstelle auch bei einer Langzeitüberwachung des Blutdrucks gering ist. Die beiden Kalibriermessungen zur systolischen Blutdruckermittlung mittels Pulstransitzeit- Messung erfolgen hierbei oszillometrisch mittels der Armmanschette am Anfang des Messintervalls.
Die Nachteile hier sind, dass zur Ermittlung der Pulstransitzeit wenigstens zwei Drucksensoren an zwei Messorten notwendig sind und dass bei den beim Stand der Technik zur Verfügung stehenden Drucksensoren auf der Basis piezoelektrischer Folien die Messempfindlichkeit zu gering ist, insbesondere bei Patienten mit Durchblutungs-
störungen der Extremitäten, beispielsweise bei Patienten, die an Diabetes oder dem sog. Raucherbein erkrankt sind. Zur kontinuierlichen Messung des diastolischen Blutdrucks ist auch hier die permanente Applikation einer Druckmanschette zur Messung nach einer Riva-Rocci-Methode notwendig. Weitere Nachteile der beim Stand der Technik zur Verfügung stehenden Drucksensoren auf der Basis piezoelektrischer Folien sind die schlechte Temperaturstabilität der Messdaten durch Undefinierten und hohen Wärmefluss im Sensor, sowie schlechte Messergebnisse durch unzureichende Anschmiegung der Sensoroberfläche an die unregelmäßig geformte Oberfläche der Haut des Menschen. In der EP 491 655 ist ein in eine Fahrbahn fest verlegtes Kraftsensorsystem zur Gewichtsmessung von Fahrzeugen beschrieben, bei der Piezoelemente, die in einem Hohlprofil eingebaut sind, unter elastischer Vorspannung eingebaut sind. Erreicht wird diese Vorspannung dadurch, dass das Hohlprofil durch seitliches Einspannen elastisch geöffnet und so die Piezoelemente in das Hohlprofil eingeschoben werden können. Nach Lösen der Einspannung tritt somit eine hohe vertikale elastische Druck-Vorspannung der Piezoelemente auf. Die Vorspannung erfolgt also weder auf Zug noch in Richtung der Piezo-Dipolorientierung, so dass der hier vorgestellte Kraftsensor durch die elastische Vorspannung keine Messempfindlichkeitsverbesserung in Piezo-Dipol- richtung durch reduzierte Beeinflussung der Signale durch die anderen Wirkkomponen- ten erfährt.
Die EP 370 203 beschreibt einen Beschleunigungssensor, bei dem ein Piezofolien- element über einem definiert vorgeformten Boden eines metallischen Trägerteils aufgespannt ist, wobei der Boden dazu dient, dass sich die Piezofolie bei entsprechend hoher Beschleunigung an den Boden anlegt und so eine zu große Dehnung der Piezofolie verhindert. Die Piezofolie ist also nicht definiert in Piezo-Dipolorientierung auf Zug vorgespannt und der Hohlraum zwischen Piezofolie und Trägerteil dient nicht der Anschmiegung der Piezofolie z.B. zur Druckwellendetektion an einer unebenen Oberfläche.
Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor auf der Basis piezoelektrischer Wandler, insbesondere piezoelektrischer Folien, bereitzustellen, mit dessen Hilfe die Messung zeitlich und/oder räumlich veränderlicher Drücke sowie daraus ableitbarer Messgrößen mit verbesserter Messempfindlichkeit ermöglicht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor auf der Basis piezoelektrischer Wandler, insbesondere piezoelektrischer Folien, bereitzustellen, mit dessen Hilfe die Messung zeitlich und/oder räumlich veränderlicher Drücke sowie daraus ableitbarer Messgrößen mit verbesserter Temperaturstabilität der Messdaten ermöglicht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor auf der Basis piezoelektrischer Wandler, insbesondere piezoelektrischer Folien, bereitzustellen, der hautfreundlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor auf der Basis piezoelektrischer Wandler, insbesondere piezoelektrischer Folien, bereitzustellen, mit dessen Hilfe die Bestimmung der Position und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druckfluktuationen und Druckwellen sowie daraus ableitbarer Mess- großen mit nur einem Mess-Sensor an nur einem Messort ermöglicht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor auf der Basis piezoelektrischer Wandler, insbesondere piezoelektrischer Folien, bereitzustellen, mit dessen Hilfe die Messung zeitlich und/oder räumlich veränderlicher Drücke sowie daraus ableitbarer Messgrößen auch an unregelmäßig geformten Oberflächen wie beispielsweise der Haut des Menschen mit verbesserter Messempfindlichkeit ermöglicht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor auf der Basis piezoelektrischer Wandler, insbesondere piezoelektrischer Folien, bereitzustellen, mit dessen Hilfe die nichtinvasive, belastungsfreie und kontinuierliche Messung und Überwachung der Pulsfrequenz sowie des systolischen und des diastolischen Blutdrucks bei Mensch und Tier ohne Dauerapplikation einer druckbeaufschlagten Manschette zur Messung nach einer Riva-Rocci-Methode ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den piezoelektrischen Sensor entsprechend der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche beschrieben.
Hauptkennzeichen der Erfindung ist dabei, dass in dem erfindungsgemäßen Drucksensor eine Mehrzahl paralleler Streifen aus einem piezoelektrischen Material als Messmembran dergestalt einem Sensor-Grundkörper zugeordnet ist, dass diese eindimensional elastisch in Richtung der Piezo-Dipolorientierung auf Zug vorgespannt sind und zwischen dem aufgespannten piezoelektrischen Sensormaterial im Messbereich und dem Sensor-Grundkörper durch Aussparung/Ausfräsung ein freier Hohlraum vorhanden ist.
Durch die eindimensional elastische Vorspannung des piezoelektrischen Sensor- materials auf Zug in Richtung der Piezo-Dipolorientierung werden andere als die zu messenden Messgrößen in Richtung der Piezo-Dipolorientierung wegen der nur geringfügigen Beeinflussung der Signale durch die anderen Wirkkomponenten reduziert und somit die Messempfindlichkeit des Sensors erhöht. Damit wird die starke Richtungsabhängigkeit piezoelektrischer Materialien durch ihre monoaxiale Orientierung gezielt zur Verbesserung der Messempfindlichkeit genutzt. Eine weitere Verbesserung der Sensor-Messempfindlichkeit wird durch die Mehrzahl paralleler piezoelektrischer Sensormaterial-Streifen erreicht, da in der Datenauswertung durch den Sensorcontroller nur die Messsignale der piezoelektrischen Sensormaterial-Streifen zur Daten-Weiterverarbeitung ausgewählt werden, deren Messsignale am Besten sind. Da zwischen dem aufgespannten piezoelektrischen Sensormaterial im Messbereich und dem Sensor- Grundkörper ein freier Hohlraum vorhanden ist, wird durch reduzierten Wärmefluss des Sensormaterials zum Sensor-Grundkörper die Temperaturstabilität der Messdaten verbessert und das Sensormaterial im Messbereich kann sich an unregelmäßig geformte Messoberflächen wie beispielsweise die Haut des Menschen optimal anschmiegen, wodurch die Sensor-Messempfindlichkeit nochmals verbessert wird. Da der Abstand der parallelen piezoelektrischen Sensormaterial-Streifen zueinander bekannt ist, kann mit nur einem Messsensor an nur einem Messort Position sowie Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druckfluktuationen und Druckwellen sowie daraus ableitbarer Messgrößen senkrecht zu den Sensormaterial-Streifen wie die Pulswellengeschwindigkeit bei Tier und Mensch bestimmt werden, bzw. durch Kalibriermessung auch in einem anderen Winkel, wobei die Messgenauigkeit bei senkrechter Anordnung der Sensormaterial- Streifen zur Druckfluktuations-Ausbreitungsrichtung am höchsten ist.
Ergebnis ist somit, dass mit der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Drucksensoren auf der Basis piezoelektrischer Wandler, insbesondere Drucksensoren auf der Basis piezoelektrischer Folien zur nichtinvasiven, belastungsarmen und kontinuierlichen Messung der Pulsfrequenz sowie des Blutdrucks durch Ermittlung der arteriellen Pulswellengeschwindigkeit und der Pulswellen- Signalform bei Menschen und Tieren bereitgestellt werden, die sich durch eine verbesserte Messempfindlichkeit und Temperaturstabilität der Messdaten auszeichnen und mit deren Hilfe die Bestimmung der Position und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druckfluktuationen und Druckwellen sowie daraus ableitbarer Messgrößen wie der Ermittlung der arteriellen Pulswellengeschwindigkeit und der Pulswellen-Signalform bei Tier und Mensch mit nur einem Messsensor an einem Messort ermöglicht wird. Die Dauerapplikation einer druckbeaufschlagten Manschette nach einer Riva-Rocci- Methode ist mittels der Erfindung nicht mehr notwendig. Durch die verbesserte Messempfindlichkeit des Sensors kann zum Beispiel der Blutdruck und die Pulsfrequenz auch bei Notfallpatienten mit nur sehr geringem Blutdruck und bei Patienten mit Durchblutungsstörungen der Extremitäten, also beispielsweise bei Patienten, die an Diabetes oder dem sog. Raucherbein erkrankt sind, gemessen werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Mehrzahl von Piezosensor- streifen auf einem Sensor die Positionierung des Sensors vereinfacht wird, da er auf Grund der Messsignal-Redundanz nicht so genau auf dem Ort der Druckfluktuation wie beispielsweise einer Arterie platziert werden muss.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden als piezoelektrische Wandler der Drucksensoren piezoelektrische Folien, insbesondere metallisch beschich- tete Polyvinylidenfluorid-Folien (kurz PVDF-Folien) verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die PVDF-Folie des Drucksensors auf ihrer metallischen Seite mit einer Schutzfolie beschichtet und als Messmembran-Laminat auf einer flexiblen Leiterplatte, bevorzugt aus Polyimid, aufge- klebt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor- Grundkörper, auf den das Messmembran-Laminat unter Zug aufgespannt geklebt ist,
als biegesteife, starre Trägerplatine ausgeführt, auf der die Verstärkerelektronik des piezoelektrischen Wandlers direkt aufgelötet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zwei über- einander liegende Messmembran-Laminatschichten, deren Sensormaterialstreifen- Ausrichtung zueinander vorzugsweise senkrecht ist, verwendet, um eine zweidimensionale Bestimmung der Position und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druckfluktuationen und Druckwellen sowie daraus ableitbarer Messgrößen wie der arteriellen Pulswellengeschwindigkeit bei Tier und Mensch bei beliebiger Drehanordnung des Sensors auf dem Messort zu ermöglichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden nebeneinander angeordnete Bereiche von Messmembran-Laminaten, deren Sensormaterialstreifen- Ausrichtung zueinander vorzugsweise senkrecht ist, verwendet, um eine zweidimensio- nale Bestimmung der Position und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druckfluktuationen und Druckwellen sowie daraus ableitbarer Messgrößen wie der arteriellen Pulswellengeschwindigkeit bei Tier und Mensch bei beliebiger Drehanordnung des Sensors auf dem Messort zu ermöglichen.
Somit werden die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben durch den bereitgestellten piezoelektrischen Sensor vollkommen gelöst.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig.1 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensor im Querschnitt, Fig.2 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensor in der Unteransicht sowie Fig.3 eine erfindungsgemäße am Arm eines Patienten applizierte Mess- und Auswertevorrichtung in perspektivischer Ansicht.
Fig.1 zeigt im Querschnitt einen Sensor-Grundkörper 4, der als starre Trägerplatine ausgeführt ist, auf den die Verstärkerelektronik 6 (Ladungsverstärker) zur Vermeidung von Ladungsverlusten direkt aufgelötet ist. Auf den Sensor-Grundkörper 4 ist das Messmembran-Laminat, das aus einer flexiblen Polyimid-Leiterplatte 3, mehreren
parallelen metallisch beschichteten PVDF-Folien-Streifen 1 sowie einer Polyimid- Schutzfolie 2 besteht, dergestalt aufgeklebt, dass zwischen Messmembran-Laminat und dem Sensor-Grundkörper 4 ein Hohlraum 5 entsteht, der beispielsweise durch Aus- fräsung der Sensor-Grundkörper-Trägerplatine 4 hergestellt werden kann, und dass das Messmembran-Laminat in Richtung der Piezopolarisierung der PVDF-Folien-Streifen 1 auf Zug vorgespannt ist. Verstärkerelektronik 6, Sensor-Grundkörper-Trägerplatine 4, die Polyimid-Leiterplatte 3 sowie die metallische Seite der PVDF-Folie-Streifen 1 sind mittels hier nicht weiter dargestellten Elektroden und Leiterplatinenbahnen elektrisch leitend verbunden. Die Schutzfolie 2 schützt die PVDF-Folienstreifen vor Feuchtigkeit und Verschmutzung und schützt somit vor Oxidation der metallischen Elektroden. Damit wird zusätzlich eine gute Hautverträglichkeit erreicht. Der entstandene Hohlraum 5 erleichtert die Anschmiegung des Messmembran-Laminats an unebene Oberflächen wie beispielsweise die Haut des Menschen und verbessert damit die Messdatengüte. Durch den Hohlraum 5 wird außerdem der Wärmefluss zwischen PVDF-Folie-Streifen 1 und der Sensor-Grundkörper-Trägerplatine 4 reduziert und berechenbar, so dass die Temperaturstabilität der Messdaten verbessert wird.
Fig.2 veranschaulicht in der Ansicht von unten die hier vier auf den Sensor- Grundkörper 4 auf Zug vorgepannt aufgeklebten parallelen PVDF-Folien-Streifen 1, die unter Bildung eines Hohlraums 5 durch Ausfräsung der starren Trägerplatine als Sensor-Grundkörper 4 auf diesen als Messmembran-Laminat aufgeklebt sind.
Die Fig.3 zeigt als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Sensors zur Druckfluktuationsmessung den Aufbau eines Gerätes zur nichtinvasiven, belastungsarmen und kontinuierlichen Messung und Überwachung des Blutdrucks und der Pulsfrequenz am Menschen. Um den Oberarm 16 eines Patienten ist eine mit einem Klettverschluss 18 verschließbare Armmanschette 7 angelegt, die zur Kalibrierung der Messung des diastolischen und systolischen Blutdrucks mindestens ein Druckkissen 8 aufweist, das z.B. mit einer Messflüssigkeit gefüllt ist. Das Druckkissen 8 ist an der der Haut zugewandten Seite als elastische Membran ausgeführt. Die Armmanschette 7 enthält außerdem einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Drucksensor als Pulswellensensor 12, der durch entsprechendes Anbringen der Manschette 7 z.B. am Arm des Patienten 16 im Bereich einer Arterie appliziert werden kann und aus mehreren parallelen PVDF-Piezofolien-Streifen 1 besteht, die auf einer
starren Trägerplatine mit direkt integrierter Verstärkerelektronik 6 als Sensor- Grundkörper 4 unter Bildung eines Hohlraumes 5 zwischen PVDF-Piezofolie 1 und Sensor-Grundkörper 4 auf Zug vorgespannt aufgeklebt sind. Die PVDF-Piezofolien- Streifen 1 sind dabei als Messmembran-Laminat mit einer Polyimid-Schutzfolie und einer flexiblen Polyimid-Leiterplatte verklebt. Bei der Ausbreitung einer Pulswelle in der Arterie entsteht in den PVDF-Folien-Streifen 1 des Pulswellensensors 12 durch Dehnung des piezoelektrischen Materials ein elektrisches Spannungssignal, das in der Verstärkerelektronik 6 verstärkt und in der Steuerungs- und Auswerteeinheit 13 ausgewertet wird. Aus der Phasenverschiebung der Pulswellensignale der unterschied- liehen parallelen PVDF-Folien-Streifen 1 wird in der Steuerungs- und Auswerteeinheit 13 die Pulstransitzeit, und daraus sowie aus der Form der Pulswellensignale errechnet, der systolische und diastolische Blutdruck bestimmt. Die Anzeige der Messwerte und der Menüführung erfolgt mittels einer LCD-Folie 14, die Eingabe zur Gerätesteuerung mittels einer Tastatur 15. Zu Beginn des Mess- bzw. Überwachungszyklus wird durch die Steuerungs- und Auswerteeinheit 13 eine Kalibrierroutine gestartet. Dazu wird mittels der Pumpe 9 der Druck im Druckkissen 8 langsam erhöht und mittels des oszillometrischen Sensors 11 der diastolische und systolische Blutdruck des Patienten bestimmt. Gleichzeitig werden durch mindestens zwei der parallelen PVDF-Folien- Streifen 1 die Pulstransit-Zeiten und die Pulswellen-Signalform bestimmt und durch Zuordnung der Pulstransit-Zeitwerte und der Pulswellen-Signalform zu den bei der Systole und der Diastole oszillometrisch ermittelten Druckwerten im Druckkissen 8, gemessen mittels des Drucksensors 10, die Messvorrichtung zur Ermittlung des systolischen und diastolischen Blutdrucks kalibriert. Der Kalibriervorgang wird durch mindestens zwei Kalibriermessungen, z.B. im Ruhezustand des Patienten und nach einer kurzen Bewegungsphase des Patienten zur Erhöhung des Blutdrucks, durchgeführt. Beim Kalibriervorgang kann der Schwellwert des systolischen und diastolischen Blutdrucks zur Auslösung einer eventuellen Alarmfunktion bestimmt werden. Die Druckbeaufschlagung des Druckkissens 8 geschieht automatisiert, indem ein oszillometrischer Sensor 11 die Pulsoszillationsamplituden erfasst und als elektrisches Signal an eine Steuerungs- und Auswerteeinheit 13 weitergibt, wo durch eine Schwellwertabfrage der Pulsoszillationsamplitude entschieden wird, ob der Druck im Druckkissen dem diastolischen bzw. systolischen Blutdruck entspricht. Ist der Schwellwert niedriger oder höher, veranlasst die Steuerungs- und Auswerteeinheit 13 die Pumpe 9, den Druck im Druckkissen 8 anzupassen. Der oszillometrische Sensor 11 kann auf der elastischen
Membran des Druckkissens 8 angebracht sein. Der Druck in den Druckkissen 8 wird durch einen Drucksensor 10 aufgenommen und in der Steuerungs- und Auswerteeinheit 13 als diastolischer bzw. systolischer Blutdruck zur Kalibrierung der Messanordnung ausgewertet und gespeichert. Im normalen Mess- und Überwachungsmodus werden nun ohne den Patienten belastende Druckbeaufschlagungen der Armmanschette 7 mittels des Pulswellensensors 12 laufend die Pulstransitzeitwerte und Pulswellen-Signalformen an die Steuerungs- und Auswerteeinheit 13 übertragen, wo die Umrechnung auf die systolischen und diastolischen Blutdruckwerte erfolgt und diese abgespeichert werden. Bei Überschreiten eines einstellbaren Schwellwertes des diastolischen und systolischen Blutdrucks kann eine Alarmfunktion ausgelöst werden, die entweder Teil der Steuerungs- und Auswerteeinheit 13 sein kann oder über die Datenschnittstelle 17 durch ein externes Gerät erfolgt. Diese Datenschnittstelle 17 kann z.B. als Datenkabel- steckverbindung, Infrarot- oder Funkinterface ausgeführt sein. Mittels der Datenschnitt- stelle 17 können diese Blutdruckdaten auch auf externe Geräte wie einen PC übertragen und weiter ausgewertet werden.
Bezugszeichenliste
I PVDF-Folienstreifen als piezoelektrisches Material mit Metallbeschichtung auf der Unterseite 2 Schutzfolie aus Polyimid
3 Flexible Leiterplatte aus Polyimid
4 Starre Trägerplatine als Sensor-Grundkörper
5 Hohlraum durch Ausfräsung
6 Verstärkerelektronik 7 Armmanschette am Oberarm des Patienten
8 Mit Messflüssigkeit gefülltes Druckkissen
9 Pumpe zur Druckbeaufschlagung der Druckkissen
10 Drucksensor zur Druckmessung in den Druckkissen
II Oszillometrischer Sensor zur Kalibriermessung des Blutdrucks 12 Pulswellensensor mit Verstärkerelektronik
13 Steuerungs- und Auswerteeinheit mit CPU und Speicher
14 LCD-Folie als Anzeigemittel
15 Tastatur als Eingabemittel
16 Oberarm des Patienten 17 Datenschnittstelle
18 Klettverschluss