WO2016177800A1 - Optischer herzfrequenzsensor - Google Patents

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WO2016177800A1
WO2016177800A1 PCT/EP2016/060037 EP2016060037W WO2016177800A1 WO 2016177800 A1 WO2016177800 A1 WO 2016177800A1 EP 2016060037 W EP2016060037 W EP 2016060037W WO 2016177800 A1 WO2016177800 A1 WO 2016177800A1
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WO
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heart rate
rate sensor
light
optical heart
emitting diode
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PCT/EP2016/060037
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Tim Boescke
Tilman Ruegheimer
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording for evaluating the cardiovascular system, e.g. pulse, heart rate, blood pressure or blood flow
    • A61B5/024—Measuring pulse rate or heart rate
    • A61B5/02416—Measuring pulse rate or heart rate using photoplethysmograph signals, e.g. generated by infrared radiation
    • A61B5/02427—Details of sensor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0233—Special features of optical sensors or probes classified in A61B5/00

Definitions

  • the invention relates to an optical heart rate sensor.
  • Optical heart rate sensors can be realized by the light of a light emitting diode is irradiated to the skin.
  • the light is scattered by the tissue below the skin, the intensity of the scattered light can be measured with a photo ⁇ detector.
  • a part of the irradiated light by the hemoglobin molecules in the blood is absor ⁇ biert.
  • the blood is pumped through the veins, the amount of blood in a vein is not constant, but pulsates with the same frequency as the Herzfre ⁇ quenz. As a result, the amount of blood in the vein varies with the heart rate, as does the amount of hemoglobin available.
  • An object of the invention is to provide an improved optical heart rate sensor in which a light source tuned to the absorption characteristics of the hemoglobin is used. This object is achieved with an op ⁇ tables heart rate sensor having the features of claim 1. In the dependent claims various developments of Wei ⁇ are indicated.
  • An optical heart rate sensor comprises at least one light source and at least one photodetector, wherein a blue light emitting diode with a conversion phosphor is used as the light source.
  • This conversion phosphor is formed such that it at least partially ⁇ converts the blue light emitting diode in green-yellow light, the yellow-green light having a wavelength 540-585 nm.
  • Hemoglobin has an absorption maximum for green yellow light in the range of 570 nm.
  • conventional green-yellow LEDs do not provide enough power for use in an optical heart rate sensor.
  • the combination of a blue Leuchtdi ⁇ ode with a conversion phosphor that converts blue light completely in green-yellow light is suitable as a light source for an optical heart rate sensor.
  • At least 25% of the converted light has a wavelength between 540 nm and 585 nm, preferably at least 40%, more preferably min ⁇ least 60%.
  • the absorption maximum of the hemoglobin is at 570 nm.
  • this absorption maximum is particularly well hit with green-yellow light of the wavelength between 540 nm and 585 nm.
  • a maximum of 25%, preferably a maximum of 15%, particularly preferably 8% of the converted light has a wavelength greater than 600 nm.
  • Wellenlän ⁇ gene region above 600 nm is low absorption due to the hemoglobin molecules, which leads to a reduction of the pulsating component in the measurement signal.
  • the proportion of light in the wavelength range above 600 nm should be as small as possible so that the signal-to-noise ratio is as large as possible.
  • Characterized is the ge ⁇ called converted light particularly well suited as a light source for an optical heart rate sensor.
  • the blue light-emitting diode is a Indi ⁇ to gallium nitride LED (InGaN LED).
  • InGaN LEDs have a high output of blue light.
  • a green-yellow light with a higher intensity, ver ⁇ aligned may be provided with a conventional green-yellow light-emitting diode. This makes it possible to utilize the absorption maximum of hemoglobin at 570 nm. With conventional green-yellow LEDs, this absorption maximum can not be exploited because the output power of the green-yellow LED would not be large enough.
  • the blue light emitting diode has a wavelength between 400 nm and 450 nm.
  • This Wellenlän ⁇ gen are typical wavelengths for blue InGaN LEDs.
  • the InGaN LED has an overall efficiency of at least 40%. With an overall efficiency ⁇ degree of at least 40%, a luminous efficiency of the blue light emitting diode is achieved, which is optimal for use in an opti ⁇ rule heart rate sensor.
  • the conversion phosphor comprises cerium-doped lutetium-aluminum garnet (LuAG).
  • Lutetium aluminum garnet is a colorless material that is transparent in the ultravio ⁇ crisps and blue spectral range. The doping with cerium produces a conversion luminescent material that absorbs blue light and emits green-yellow light.
  • the blue light is umgewan delt ⁇ in green-yellow light.
  • cerium doped ytterbium-aluminum garnet has cerium-doped lutetium-aluminum garnet at a wavelength that better covers the green-yellow spectral range, and in particular the absorption maximum of hemoglobin.
  • the light converted by means of cerium-doped lutetium-aluminum garnet has only a small proportion of converted light with a wavelength which is greater than 600 nm.
  • the cerium concentration in the lutetium-aluminum garnet is 1%.
  • a 1% concentration of cerium in lutetium-aluminum garnet covers the wavelength range from 500 nm to 570 nm very well, and is therefore particularly well suited for an optical heart rate sensor. With a cerium concentration of 1% in the lutetium-aluminum garnet, it is also achieved that little light with a wavelength of more than 600 nm is formed during the conversion.
  • the conversion luminescent material which consists of cerium-doped lutetium-aluminum garnet
  • the grain size of the powder is in the micrometer range.
  • the other mate ⁇ rial may be epoxy resin, silicone, a plastic or a ceramic.
  • a conversion element can be produced that is relatively inexpensive.
  • the cerium-doped lutetium-aluminum garnet in powder ⁇ form perfect lutetium-aluminum garnet crystals need not be generated. Thereby, the manufacturing process of cerium doped lutetium aluminum garnet is interpreting ⁇ Lich simplified, thus a cost saving is made possible.
  • the conversion phosphor has quantum dots.
  • Quantum dots are nanoscopic material ⁇ structures in which charge carriers (electrons and / or holes) are ready restricted in their movement in all three spatial directions that their energy can no longer accept kontinuier ⁇ Liche, but only discrete values. So quantum dots behave similarly to atoms within ei ⁇ nes solid. Therefore, quantum dots are also well suited for the conversion of blue light into green-yellow light with a wavelength range of 540 nm to 585 nm. Quantum dots have a relatively narrow-band emission spectrum. The choice of quantum dots as conversion material produces green-yellow light with a narrow-band wavelength distribution in the region of the absorption maximum of hemoglobin. The quantum dots have a diameter between 2 and 6 nm.
  • the quantum dots comprise mercury sulfide, lead sulfide, cadmium sulfide, cadmium selenide, indium arsenide or indium phosphide.
  • quantum dots of the materials mentioned a conversion wavelength of 570 nm can be achieved.
  • the converted light has a ⁇ Ver division at this wavelength of 570 nm, which contributes ⁇ 15 nm be ⁇ .
  • quantum dots having a diameter between 2 and 6 mm a green-yellow converted light having a wavelength between 555 nm and 585 nm is generated. This light is well suited for use in an optical heart rate sensor.
  • the light source or the photodetector has a filter which is transparent to a part of the converted green-yellow light.
  • a filter which is transparent to a part of the converted green-yellow light.
  • the light source or photodetector may comprise a filter that is transmissive for the wavelength range of 540 nm to 585 nm. Also in this case, is achieved through the filter that stray ⁇ light in wavelength ranges that are not relevant to the absorption of light in hemoglobin is filtered. Thereby, a better signal, and more particularly to a bes ⁇ Seres signal-to-noise ratio is generated.
  • FIG. 1 shows a cross section through an optical heart rate sensor
  • Figure 2 is a plan view of a round optical heart rate sensor
  • Figure 3 is a plan view of an elongate optical heart rate sensor
  • FIG. 4 shows a cross section through an optical heart rate sensor placed on the skin
  • Figure 5 shows a cross section through a further(sbei ⁇ game of an optical heart rate sensor
  • Figure 6 shows a cross section through a furtherconditionsbei ⁇ game of an optical heart rate sensor
  • Figure 7 shows a cross section through a furthersatisbei ⁇ game of an optical heart rate sensor
  • FIG 8 shows a cross section through a furtherwhosbei ⁇ game of an optical heart rate sensor.
  • FIG. 1 shows a cross-section through an optical heart rate sensor 100.
  • This optical heart rate sensor consists of a housing 101 with support surfaces 102. The support surfaces 102 are intended to apply the optical heart rate sensor 100 to the skin. 101
  • the housing has a recess 103, and a movement of such data ⁇ bond 104th
  • the data link 104 is realized with a cable.
  • a blue light-emitting diode 110 having a conversion phosphor 111.
  • a photodetector 130 located in the recess 103, a photodetector 130. The blue light of the LED 110 is in the conversion phosphor 111 to green ⁇ yellow light converted.
  • the photodetector 130 is turned ⁇ oriented to detect variations in light intensity.
  • FIG. 2 shows a plan view of a round, optical heart rate sensor 100.
  • the viewing direction is selected so that the support surface 102 of the housing 101, and the recess 103 of the housing 101 are visible.
  • the blue light-emitting diode 110 which is covered with the conversion luminescent material 111.
  • the Konversi ⁇ onsleuchtstoff 111 converts the blue light of the LED 110 into green-yellow light.
  • a photodetector 130 located in the recess 103.
  • Within the recess 103 can also more light emitting diodes 110 with conversion phosphor 111 and a plurality of photodetectors 130 may be vorgese ⁇ hen.
  • FIG. 3 shows a plan view of an elongate optical ⁇ 's heart rate sensor 100.
  • This consists of a Gezza- se 101 with a support surface 102, and a plurality of recesses 103, wherein the recesses 103 are rectangular.
  • a blue light emitting diode 110 with a conversion luminescent material 111.
  • a photodetector 130 in each ⁇ recess 103, a photodetector 130. It may also be provided in a recess 103 more than one light emitting diode 110 with conversion luminescent material 111 and / or more as a photodetector 130.
  • the optical heart rate sensor 100 of this embodiment may also be implemented as a wristband, in which case the sensor com pletely ⁇ can be guided around the wrist, for example.
  • FIG. 4 shows the operation of the optical Herzfre ⁇ quenzsensors 100 from Figure 1.
  • the optical heart rate ⁇ sensor 100 is located with its bearing surfaces 102 on the skin 150th
  • a first light beam 121 is from the blue
  • Light-emitting diode 110 emits converted in the conversion layer 111 to green-yellow light, and is then incident inside egg ⁇ ner wire 160 to a hemoglobin molecule 161.
  • the first light beam 121 ⁇ is absorbed by the hemoglobin molecule 161st
  • a second light beam 122 is also emitted from the blue light emitting diode 110, and converted into green-yellow light in the conversion layer 111.
  • This second light beam 122 passes through the wire 160 and strikes a tissue particle 151.
  • the second light beam 122 is scattered on the tissue particle 151.
  • the scattered light beam 123 is incident on the Pho ⁇ todetektor 130. Due to the pulse or the heartbeat, the number of hemoglobin molecules 161 changes in the wire 160.
  • the proportion of light rays which are absorbed by hemoglobin molecules 161 is changed in comparison to the number of light rays scattered by tissue particles 151.
  • the intensity of the light detected in the photodetector 130 also changes. This change in intensity is proportional to the heart rate or to the pulse. This can be concluded from the change in intensity in the photodetector 130 on the heart rate, or the pulse.
  • the green-yellow light which is formed of the blue light of the LED 110 by the conversion in the conversion phosphor 111, a portion of Minim ⁇ least 25% in the wavelength range of 540 to 585 nm, while a maximum of 25% of the light has a wavelength greater than 600 nm.
  • the blue light emitting diode 110 is an InGaN LED.
  • 110 includes the blue light-emitting diode to a wavelength having a maximum intensity that is Zvi ⁇ rule 400 nm and 450 nm.
  • the InGaN LED has a Ge ⁇ overall efficiency of at least 40%. This means that at least 40% of the energy used for the light-emitting diode is converted into blue light of the light-emitting diode.
  • the conversion phosphor is N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(triphenyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethy
  • the cerium concentration in the lutetium-aluminum garnet is 1%.
  • FIG. 5 shows a cross section through a further exemplary embodiment of the optical heart rate sensor 100.
  • the structure essentially corresponds to the optical heart rate sensor of FIG. 1.
  • the conversion phosphor used in this case is cerium-doped lutetium-aluminum garnet, which is in powder form Epoxy resin 112 is poured.
  • the powder of the cerium-doped lutetium-aluminum garnet is in FIG. 5 with points inside the epoxy resin
  • the optical heart rate sensor 100 in the figure 5 shows a cover 105 on.
  • This cover 105 closes the recess 103, so that both the blue light emitting diode 110 and the conversion phosphor, which is located in the epoxy 112, as well as the photodetector 130 are protected from environmental influences.
  • the cover 105 consists of a Materi ⁇ al, which is permeable to the green-yellow light that arises in the conversion light ⁇ material. It may be vorgese ⁇ hen in addition, that the recess 103 is ge ⁇ filled with a material 106, which is also permeable to the green-yellow light.
  • the material permeable to the green-yellow light is a silicone, a plastic or a ceramic.
  • the conversion phosphor 111 has quantum dots with a diameter between 2 and 6 nm.
  • the quantum dots mercury ⁇ silver sulfide, lead sulfide, cadmium sulfide, cadmium selenide, Germany diumarsenid or indium phosphide exhibit.
  • FIG. 6 shows a further cross section through an optical heart rate sensor 100, which consists of a housing 101 with a blue light-emitting diode 110 and a photodetector 130.
  • the housing 101 has a support surface 102 and a recess, wherein the blue light emitting diode 110 and the Pho ⁇ todetektor 130 are disposed within the recess.
  • An opaque land 107 is disposed between the blue light emitting diode 110 and the photodetector 130, whereby the recess is divided into two areas.
  • the recess is filled with an epoxy ⁇ resin containing a powder of cerium doped lutetium aluminum garnet.
  • FIG. 7 shows a further cross section through an optical heart rate sensor 100, which substantially corresponds to the optical heart rate sensor of FIG.
  • the blue light-emitting diode 110 has a filter 113 in addition to the conversion luminescent material 111.
  • This filter is designed to be transparent to the green-yellow light in a wavelength range between 540 nm and 585 nm. This can ensure at ⁇ play that no blue light that has not been converted in the conversion layer 111, leaves the light source. This minimizes stray light, allowing for better heart rate determination.
  • the optical Herzfre ⁇ quenzsensor 100 substantially corresponds to the optical heart rate sensor of FIG. 1
  • the photodetector 130 has a filter 131 which is transparent to green-yellow light in the wavelength range between 540 nm and 585 nm.
  • scattered light which is undesirable for the detection of the heart rate, is filtered out before the photodetector.
  • the signal-to-noise ratio can be improved.
  • the optical heart frequency sensor ⁇ 100 has in this embodiment just ⁇ if a cover 105, which is intended to protect both the light source and the photodetector from environmental influences.
  • the filter which is permeable to the green-yellow light in a wavelength range between 540 nm and 585 nm, inte grated in the lid ⁇ 105th

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Abstract

Es wird ein optischer Herzfrequenzsensor mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem Photodetektor angegeben, der als Lichtquelle eine blaue Leuchtdiode mit einem Konversionsleuchtstoff, der das blaue Licht in grün-gelbes Licht umwandelt, verwendet. Dadurch können vorteilhafte Absorptionseigenschaften des Hämoglobins ausgenutzt werden.

Description

OPTISCHER HERZ FREQUENZ SENSOR
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen optischen Herzfrequenzsensor.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2015 106 995.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Optische Herzfrequenzsensoren können realisiert werden, indem das Licht einer Leuchtdiode auf die Haut eingestrahlt wird. Dabei wird das Licht vom Gewebe unterhalb der Haut gestreut, die Intensität des gestreuten Lichts kann mit einem Photode¬ tektor gemessen werden. Außerdem wird ein Teil des eingestrahlten Lichts durch die Hämoglobinmoleküle im Blut absor¬ biert. Angetrieben durch das Herz wird das Blut durch die Adern gepumpt, wobei die Menge des Blutes in einer Ader nicht konstant ist, sondern mit derselben Frequenz wie die Herzfre¬ quenz pulsiert. Dadurch schwankt die Menge des Blutes in der Ader mit der Herzfrequenz, ebenso schwankt die Menge des zur Verfügung stehenden Hämoglobins. Je nachdem ob viel oder wenig Hämoglobin in der Ader ist, wird mehr oder weniger des Lichts der Leuchtdiode vom Hämoglobin absorbiert. Die Inten¬ sität des gestreuten Lichts ändert sich dadurch ebenfalls mit der Herzfrequenz. Diese sich ändernde Intensität kann mit dem Photodetektor detektiert werden. Aus der Änderung des Photostromes des Photodetektors kann dadurch auf die Herzfre¬ quenz zurückgeschlossen werden. Ein solcher optischer Herzfrequenzsensor ist aus der DE 10 2008 022 920 B4 bekannt. Dieser optische Herzfrequenzsensor verwendet eine Leuchtdiode mit 590 nm Wellenlänge. Das für die optische Bestimmung der Herzfrequenz besonders gut geeignete Oxyhämoglobin hat ein Absorptionsmaximum im Bereich von 570 nm. Oxyhämoglobin ist das sauerstoffhaltige Hämoglobin, das insbesondere in den Ar¬ terien vorkommt. Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten optischen Herzfrequenzsensor bereitzustellen, bei dem eine auf die Absorptionseigenschaften des Hämoglobins abgestimmte Lichtquelle verwendet wird. Diese Aufgabe wird mit einem op¬ tischen Herzfrequenzsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Wei¬ terbildungen angegeben.
Ein optischer Herzfrequenzsensor umfasst mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Photodetektor, wobei als Lichtquelle eine blaue Leuchtdiode mit einem Konversions¬ leuchtstoff verwendet wird. Dieser Konversionsleuchtstoff ist so ausgebildet, dass er das blaue Licht der Leuchtdiode zu¬ mindest teilweise in grün-gelbes Licht umwandelt, wobei das grün-gelbe Licht eine Wellenlänge zwischen 540 und 585 nm aufweist. Hämoglobin hat ein Absorptionsmaximum für grüngelbes Licht im Bereich von 570 nm. Dadurch ist es vorteil¬ haft, grün-gelbes Licht für einen optischen Herzfrequenzsensor zu verwenden. Konventionelle grün-gelbe Leuchtdioden bieten jedoch nicht genug Leistung für die Verwendung in einem optischen Herzfrequenzsensor. Deshalb ist es vorteilhaft, Licht einer Leuchtdiode mit einer niedrigeren Wellenlänge mittels Konversionsleuchtstoff in grün-gelbes Licht umzuwan¬ deln. Insbesondere die Kombination aus einer blauen Leuchtdi¬ ode mit einem Konversionsleuchtstoff, der das blaue Licht vollständig in grün-gelbes Licht umwandelt, eignet sich als Lichtquelle für einen optischen Herzfrequenzsensor.
In einer Ausführungsform weist mindestens 25 % des konvertierten Lichts eine Wellenlänge zwischen 540 nm und 585 nm auf, bevorzugt mindestens 40 %, insbesondere bevorzugt min¬ destens 60%. Das Absorptionsmaximum des Hämoglobins befindet sich bei 570 nm. Dadurch wird mit grün-gelbem Licht der Wellenlänge zwischen 540 nm und 585 nm dieses Absorptionsmaximum besonders gut getroffen. Maximal 25 %, bevorzugt maximal 15 %, insbesondere bevorzugt 8 % des konvertierten Lichts weist eine Wellenlänge größer als 600 nm auf. In Wellenlän¬ genbereich oberhalb von 600 nm findet eine geringe Absorption durch die Hämoglobin-Moleküle statt, was zu einer Reduktion des pulsierenden Anteils im Messsignal führt. Deshalb sollte der Anteil des Lichts im Wellenlängenbereich oberhalb von 600 nm möglichst klein sein, damit das Signal-zu-Rausch- Verhältnis möglichst groß wird. Dadurch eignet sich das ge¬ nannte konvertierte Licht besonders gut als Lichtquelle für einen optischen Herzfrequenzsensor.
In einer Ausführungsform ist die blaue Leuchtdiode eine Indi¬ um-Gallium-Nitrid-LED (InGaN-LED) . InGaN-LEDs weisen eine hohe Ausgangsleistung des blauen Lichtes auf. Durch die Kombination einer blauen InGaN-LED mit einer Konversionsschicht kann ein grün-gelbes Licht mit einer höheren Intensität, ver¬ glichen mit einer konventionellen grün-gelben Leuchtdiode, bereitgestellt werden. Dadurch wird die Ausnutzung des Ab¬ sorptionsmaximums des Hämoglobins bei 570 nm ermöglicht. Mit konventionellen grün-gelben Leuchtdioden kann dieses Absorptionsmaximum nicht ausgenutzt werden, da die Ausgangsleistung der grün-gelben Leuchtdiode nicht groß genug wäre.
In einer Ausführungsform weist die blaue Leuchtdiode eine Wellenlänge zwischen 400 nm und 450 nm auf. Diese Wellenlän¬ gen sind typische Wellenlängen für blaue InGaN-LEDs.
In einer Ausführungsform weist die InGaN-LED einen Gesamtwirkungsgrad von mindestens 40 % auf. Mit einem Gesamtwirkungs¬ grad von mindestens 40 % wird eine Lichtausbeute der blauen Leuchtdiode erreicht, die für die Anwendung in einem opti¬ schen Herzfrequenzsensor optimal ist.
In einer Ausführungsform weist der Konversionsleuchtstoff mit Cer dotiertes Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG) auf. Lutetium- Aluminium-Granat ist ein farbloses Material, das im ultravio¬ letten und blauen Spektralbereich transparent ist. Durch die Dotierung mit Cer entsteht ein Konversionsleuchtstoff, der blaues Licht absorbiert und grün-gelbes Licht emittiert.
Dadurch wird das blaue Licht in grün-gelbes Licht umgewan¬ delt. Im Vergleich zu anderen Leuchtstoffen, wie beispiels- weise mit Cer dotiertem Ytterbium-Aluminium-Granat, weist mit Cer dotiertes Lutetium-Aluminium-Granat eine Wellenlänge auf, die den grün-gelben Spektralbereich, und insbesondere das Absorptionsmaximum des Hämoglobins, besser abdeckt. Das mittels Cer dotiertem Lutetium-Aluminium-Granat konvertierte Licht weist insbesondere nur einen geringen Anteil an konvertiertem Licht mit einer Wellenlänge auf, die größer als 600 nm ist. Dies ist vorteilhaft, da bei einer Wellenlänge größer 600 nm ein großer Anteil des Lichts durch das Gewebe gestreut wird, während nur eine geringe Absorption des Lichts in den Hämo¬ globin-Molekülen auftritt. Dadurch erreicht viel Streulicht den Photodetektor, während nur wenig Absorption durch das pulsierende arterielle Blut vorliegt. Dadurch sinkt das Sig- nal-zu-Rausch-Verhältnis .
In einer Ausführungsform beträgt die Cer-Konzentration im Lutetium-Aluminium-Granat 1%. Eine l%ige Konzentration von Cer in Lutetium-Aluminium-Granat deckt den Wellenlängenbereich von 500 nm bis 570 nm sehr gut ab, und ist deshalb besonders gut für einen optischen Herzfrequenzsensor geeignet. Mit einer Cer-Konzentration von 1% im Lutetium-Aluminium-Granat wird außerdem erreicht, dass wenig Licht mit einer Wellenlänge von über 600 nm bei der Konversion entsteht.
In einer Ausführungsform ist der Konversionsleuchtstoff, der aus mit Cer dotiertem Lutetium-Aluminium-Granat besteht, pul- verförmig in ein anderes Material eingebracht. Dabei ist die Korngröße des Pulvers im Mikrometerbereich. Das andere Mate¬ rial kann dabei Epoxidharz, Silikon, ein Kunststoff oder eine Keramik sein. Dadurch kann ein Konversionselement erzeugt werden, das relativ kostengünstig ist. Durch das Einbringen des mit Cer dotierten Lutetium-Aluminium-Granats in Pulver¬ form müssen keine perfekten Lutetium-Aluminium-Granat- Kristalle erzeugt werden. Dadurch wird der Herstellungspro- zess des mit Cer dotierten Lutetium-Aluminium-Granats deut¬ lich vereinfacht, wodurch eine Kosteneinsparung ermöglicht wird . In einer Ausführungsform weist der Konversionsleuchtstoff Quantenpunkte auf. Quantenpunkte sind nanoskopische Material¬ strukturen, in denen Ladungsträger (Elektronen und/oder Löcher) in ihrer Bewegung in allen drei Raumrichtungen soweit eingeschränkt sind, dass ihre Energie nicht mehr kontinuier¬ liche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen kann. Quantenpunkte verhalten sich also ähnlich zu Atomen innerhalb ei¬ nes Festkörpers. Deshalb eignen sich Quantenpunkte ebenfalls gut für die Konversion von blauem Licht in grün-gelbes Licht mit einem Wellenlängenbereich von 540 nm bis 585 nm. Quantenpunkte haben ein relativ schmalbandiges Emissionsspektrum. Durch die Wahl von Quantenpunkten als Konversionsmaterial wird grün-gelbes Licht mit einer schmalbandigen Wellenlängenverteilung im Bereich des Absorptionsmaximums des Hämoglobins erzeugt. Die Quantenpunkte weisen dabei einen Durchmesser zwischen 2 und 6 nm auf.
In einer Ausführungsform weisen die Quantenpunkte Quecksilbersulfid, Bleisulfid, Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, Indi- umarsenid oder Indiumphosphid auf. Mit Quantenpunkten aus den genannten Materialien kann eine Konversionswellenlänge von 570 nm erzielt werden. Das konvertierte Licht weist eine Ver¬ teilung um diese Wellenlänge von 570 nm auf, die ±15 nm be¬ trägt. In anderen Worten bedeutet dies, dass mit Quantenpunkten mit einem Durchmesser zwischen 2 und 6 mm ein grün-gelbes konvertiertes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 555 nm und 585 nm erzeugt wird. Dieses Licht eignet sich gut für die Verwendung in einem optischen Herzfrequenzsensor.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Lichtquelle oder der Photodetektor einen Filter aufweist, der für einen Teil des konvertierten grün-gelben Lichts durchlässig ist. Dadurch können Anteile des konvertierten Lichts, die nicht im idealen Spektralbereich liegen, ausgefiltert werden. Dadurch treffen diese Wellenlängen nicht mehr als Streulicht auf den Photodetektor, wodurch ein saubereres Signal erzeugt wird. Insbesondere kann so im Photodetektor der Anteil des grün-gelben Lichts erhöht werden, wodurch ein verbessert Sig- nal-zu-Rausch-Verhältnis die Bestimmung der Herzfrequenz erleichtert .
In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle oder der Photodetektor einen Filter aufweisen, der für den Wellenlängenbereich von 540 nm bis 585 nm durchlässig ist. Auch in diesem Fall wird durch den Filter erreicht, dass störendes Streu¬ licht in Wellenlängenbereichen, die für die Absorption des Lichts im Hämoglobin nicht relevant sind, ausgefiltert wird. Dadurch werden ein besseres Signal, und insbesondere ein bes¬ seres Signal-zu-Rausch-Verhältnis, erzeugt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung
Figur 1 einen Querschnitt durch einen optischen Herzfrequenzsensor;
Figur 2 eine Draufsicht auf einen runden optischen Herzfrequenzsensor;
Figur 3 eine Draufsicht auf einen länglichen optischen Herzfrequenzsensor;
Figur 4 einen Querschnitt durch einen auf die Haut aufgesetzten optischen Herzfrequenzsensor;
Figur 5 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbei¬ spiel eines optischen Herzfrequenzsensors;
Figur 6 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbei¬ spiel eines optischen Herzfrequenzsensors; Figur 7 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbei¬ spiel eines optischen Herzfrequenzsensors; und
Figur 8 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbei¬ spiel eines optischen Herzfrequenzsensors.
Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen optischen Herzfrequenzsensor 100. Dieser optische Herzfrequenzsensor besteht aus einem Gehäuse 101 mit Auflageflächen 102. Die Auflageflächen 102 sind dafür vorgesehen, den optischen Herzfrequenzsensor 100 auf die Haut aufzulegen. Darüber hinaus weist das Gehäuse 101 eine Ausnehmung 103 und eine Datenver¬ bindung 104 auf. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist die Datenverbindung 104 mit einem Kabel realisiert. Es ist aber ebenso denkbar, die Datenverbindung 104 mit einem Funkmodul zu realisieren. Innerhalb der Ausnehmung 103 des Gehäu¬ ses 101 befindet sich eine blaue Leuchtdiode 110 mit einem Konversionsleuchtstoff 111. Außerdem befindet sich in der Ausnehmung 103 ein Photodetektor 130. Das blaue Licht der Leuchtdiode 110 wird im Konversionsleuchtstoff 111 zu grün¬ gelbem Licht umgewandelt. Der Photodetektor 130 ist einge¬ richtet, Schwankungen der Lichtintensität zu detektieren.
Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen runden, optischen Herzfrequenzsensor 100. Dabei ist die Blickrichtung so gewählt, dass die Auflagefläche 102 des Gehäuses 101, sowie die Ausnehmung 103 des Gehäuses 101 sichtbar sind. Innerhalb der Ausnehmung 103 befindet sich die blaue Leuchtdiode 110, die mit dem Konversionsleuchtstoff 111 bedeckt ist. Der Konversi¬ onsleuchtstoff 111 wandelt das blaue Licht der Leuchtdiode 110 in grün-gelbes Licht um. Des Weiteren befindet sich in der Ausnehmung 103 ein Photodetektor 130. Innerhalb der Ausnehmung 103 können auch mehrere Leuchtdioden 110 mit Konversionsleuchtstoff 111 und mehrere Photodetektoren 130 vorgese¬ hen sein.
Die Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf einen länglichen opti¬ schen Herzfrequenzsensor 100. Dieser besteht aus einem Gehäu- se 101 mit einer Auflagefläche 102, und mehreren Ausnehmungen 103, wobei die Ausnehmungen 103 rechteckig sind. In jeder Ausnehmung 103 befindet sich eine blaue Leuchtdiode 110 mit einem Konversionsleuchtstoff 111. Ebenso befindet sich in je¬ der Ausnehmung 103 ein Photodetektor 130. Es kann auch vorgesehen sein, in einer Ausnehmung 103 mehr als eine Leuchtdiode 110 mit Konversionsleuchtstoff 111 und/oder mehr als einen Photodetektor 130 anzubringen. Der optische Herzfrequenzsensor 100 dieses Ausführungsbeispieles kann auch als Armband ausgeführt sein, wobei dann der Sensor beispielsweise kom¬ plett um das Handgelenk geführt werden kann.
Die Figur 4 zeigt die Funktionsweise des optischen Herzfre¬ quenzsensors 100 aus der Figur 1. Der optische Herzfrequenz¬ sensor 100 liegt mit seinen Auflageflächen 102 auf der Haut 150 auf. Ein erster Lichtstrahl 121 wird von der blauen
Leuchtdiode 110 emittiert, in der Konversionsschicht 111 zu grün-gelbem Licht umgewandelt, und trifft dann innerhalb ei¬ ner Ader 160 auf ein Hämoglobinmolekül 161. Der erste Licht¬ strahl 121 wird von dem Hämoglobinmolekül 161 absorbiert. Ein zweiter Lichtstrahl 122 wird ebenfalls von der blauen Leuchtdiode 110 emittiert, und in der Konversionsschicht 111 zu grün-gelbem Licht umgewandelt. Dieser zweite Lichtstrahl 122 passiert die Ader 160 und trifft auf einen Gewebepartikel 151. Der zweite Lichtstrahl 122 wird am Gewebepartikel 151 gestreut. Der gestreute Lichtstrahl 123 trifft auf den Pho¬ todetektor 130. Durch den Puls, bzw. den Herzschlag, verändert sich die Anzahl der Hämoglobinmoleküle 161 in der Ader 160. Dadurch verändert sich der Anteil an Lichtstrahlen, die von Hämoglobinmolekülen 161 absorbiert werden, im Vergleich zur Anzahl der Lichtstrahlen, die von Gewebepartikeln 151 gestreut werden. Durch die Änderung dieses Verhältnisses ändert sich auch die Intensität des im Photodetektor 130 detektier- ten Lichts. Diese Intensitätsänderung ist proportional zur Herzfrequenz, bzw. zum Puls. Dadurch kann aus der Änderung der Intensität im Photodetektor 130 auf die Herzfrequenz, bzw. den Puls geschlossen werden. In einem Ausführungsbeispiel weist das grün-gelbe Licht, das durch die Konversion des blauen Lichts der Leuchtdiode 110 im Konversionsleuchtstoff 111 entsteht, einen Anteil von mindes¬ tens 25 % im Wellenlängenbereich von 540 bis 585 nm auf, während maximal 25% des Lichts eine Wellenlänge größer als 600 nm aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel ist die blaue Leuchtdiode 110 eine InGaN-LED.
In einem Ausführungsbeispiel weist die blaue Leuchtdiode 110 eine Wellenlänge mit einer Maximalen Intensität auf, die zwi¬ schen 400 nm und 450 nm liegt.
In einem Ausführungsbeispiel weist die InGaN-LED einen Ge¬ samtwirkungsgrad von mindestens 40% auf. Das bedeutet, dass mindestens 40% der für die Leuchtdiode aufgewandten Energie, in blaues Licht der Leuchtdiode umgewandelt wird.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Konversionsleuchtstoff
111 mit Cer dotiertes Lutetium-Aluminium-Granat auf.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Cer-Konzentration im Lutetium-Aluminium-Granat 1%.
Die Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres Aus¬ führungsbeispiel des optischen Herzfrequenzsensors 100. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem optischen Herzfrequenzsensor der Figur 1. Als Konversionsleuchtstoff ist in diesem Fall mit Cer dotiertes Lutetium-Aluminium-Granat vorgesehen, das in Pulverform in ein Epoxidharz 112 eingegossen ist. Das Pulver des mit Cer dotierten Lutetium-Aluminium-Granats ist dabei in der Figur 5 mit Punkten innerhalb des Epoxidharzes
112 angedeutet. Die Korngröße des mit Cer dotierten Lutetium- Aluminium-Granat-Pulvers beträgt dabei einige Mikrometer. Au¬ ßerdem weist der optische Herzfrequenzsensor 100 in der Figur 5 einen Deckel 105 auf. Dieser Deckel 105 verschließt die Ausnehmung 103, sodass sowohl die blaue Leuchtdiode 110 und der Konversionsleuchtstoff, der sich im Epoxidharz 112 befindet, als auch der Photodetektor 130 von Umwelteinflüssen geschützt sind. Der Deckel 105 besteht dabei aus einem Materi¬ al, das für das grün-gelbe Licht, das im Konversionsleucht¬ stoff entsteht, durchlässig ist. Es kann zusätzlich vorgese¬ hen sein, dass die Ausnehmung 103 mit einem Material 106 ge¬ füllt ist, das ebenfalls für das grün-gelbe Licht durchlässig ist .
In einem Ausführungsbeispiel ist das für das grün-gelbe Licht durchlässige Material ein Silikon, ein Kunststoff oder eine Keramik .
In einem Ausführungsbeispiel weist der Konversionsleuchtstoff 111 Quantenpunkte auf mit einem Durchmesser zwischen 2 und 6 nm auf.
In einem Ausführungsbeispiel weisen die Quantenpunkte Queck¬ silbersulfid, Bleisulfid, Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, In- diumarsenid oder Indiumphosphid auf.
Figur 6 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen optischen Herzfrequenzsensor 100, der aus einem Gehäuse 101 mit einer blauen Leuchtdiode 110 und einem Photodetektor 130 besteht. Das Gehäuse 101 weist eine Auflagefläche 102 und eine Ausnehmung auf, wobei die blaue Leuchtdiode 110 und der Pho¬ todetektor 130 innerhalb der Ausnehmung angeordnet sind. Ein lichtundurchlässiger Steg 107 ist zwischen der blauen Leuchtdiode 110 und dem Photodetektor 130 angeordnet, wodurch die Ausnehmung in zwei Bereiche unterteilt ist. Im Bereich der blauen Leuchtdiode 110 ist die Ausnehmung mit einem Epoxid¬ harz, das ein Pulver aus mit Cer dotiertem Lutetium- Aluminium-Granat enthält, gefüllt. Im Bereich des Photodetek¬ tors 130 ist die Ausnehmung mit einem Material 106 gefüllt, das für das grün-gelbe Licht durchlässig ist. Durch diese Bauform lassen sich besonders flache optische Herzfrequenzsensoren realisieren. Die Figur 7 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen optischen Herzfrequenzsensor 100, der im Wesentlichen dem optischen Herzfrequenzsensor der Figur 1 entspricht. Die blaue Leuchtdiode 110 weist neben dem Konversionsleuchtstoff 111 einen Filter 113 auf. Dieser Filter ist so eingerichtet, dass er für das grün-gelbe Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 540 nm und 585 nm durchlässig ist. Dadurch kann bei¬ spielsweise sichergestellt werden, dass kein blaues Licht, das nicht in der Konversionsschicht 111 konvertiert wurde, die Lichtquelle verlässt. Dadurch wird Streulicht minimiert, wodurch eine bessere Bestimmung der Herzfrequenz möglich wird .
Die Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines op¬ tischen Herzfrequenzsensors 100, wobei der optische Herzfre¬ quenzsensor 100 im Wesentlichen dem optischen Herzfrequenzsensor der Figur 1 entspricht. Der Photodetektor 130 weist einen Filter 131 auf, der für grün-gelbes Licht im Wellenlängenbereich zwischen 540 nm und 585 nm durchlässig ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird Streulicht, das für die De- tektion der Herzfrequenz unerwünscht ist, vor dem Photodetektor ausgefiltert. Auch in diesem Fall lässt sich das Signal- zu-Rausch-Verhältnis dadurch verbessern. Der optische Herz¬ frequenzsensor 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel eben¬ falls einen Deckel 105 auf, der sowohl die Lichtquelle als auch den Photodetektor vor Umwelteinflüssen schützen soll.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Filter, der für das grün-gelbe Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 540 nm und 585 nm durchlässig ist, in den Deckel 105 inte¬ griert .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen . BEZUGSZEICHENLISTE Optischer Herzfrequenzsensor
Gehäuse
Auflagefläche
Ausnehmung
Datenverbindung
Deckel
Material
Steg
Blaue Leuchtdiode
Konversionsleuchtstoff
Epoxidharz mit Konversionsleuchtstoff Filter
Erster Lichtstrahl
Zweiter Lichtstrahl
Gestreuter Lichtstrahl
Photodetektor
Filter
Haut
Gewebepartikel
Ader
Hämoglobin-Molekül

Claims

PATENTA S PRÜCHE
1. Optischer Herzfrequenzsensor (100), bestehend aus mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem Photode¬ tektor (130), dadurch gekennzeichnet, dass als Licht¬ quelle eine blaue Leuchtdiode (110) mit einem Konversi¬ onsleuchtstoff (111), der das blaue Licht in grün-gelbes Licht umwandelt, verwendet wird.
Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach Anspruch 1, wobei mindestens 25% des konvertierten Lichts eine Wellen¬ länge zwischen 540 nm und 585 nm aufweist und maximal 25% des konvertierten Lichts eine Wellenlänge aufweist, die größer als 600 nm ist.
Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, wobei die blaue Leuchtdiode (110) eine InGaN-LED ist.
4. Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die blaue Leuchtdiode (110) eine Wellenlänge mit einer maximalen Intensität auf¬ weist, die zwischen 400 nm und 470 nm liegt.
Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach Anspruch 3, bei die InGaN-LED (110) einen Gesamtwirkungsgrad von mindestens 40% aufweist.
6. Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Konversionsleuchtstoff (111) mit Cer dotiertes Lutetium-Aluminium-Granat auf¬ weist.
Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach Anspruch 6, wobei die Cer-Konzentration im Lutetium-Aluminium-Granat 1% beträgt.
Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Konversionsleuchtstoff pul- verförmig in einem anderen Material vorliegt, wobei das andere Material, ein Epoxidharz, ein Silikon, ein Kunststoff oder eine Keramik sein kann.
9. Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Konversionsleuchtstoff (111) Quantenpunkte mit einem Durchmesser zwischen 2 und 6 nm aufweist .
10. Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach Anspruch 9, wobei die Quantenpunkte Quecksilbersulfid, Bleisulfid, Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, Indiumarsenid oder Indi- umphosphid aufweisen.
11. Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle oder der Photodetektor (130) einen Filter (113, 131) aufweist, der für einen Teil des konvertierten Lichts durchlässig ist .
12. Optischer Herzfrequenzsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Filter (113, 131) im Wellenlängenbereich von 540 nm bis 585 nm durchlässig ist .
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