DE102008002747A1 - Ear sensor for monitoring physiological measured variable by non-invasive measurement in ear canal of patient, has detectors for detecting radiation reflected by tissue layers, where detectors are arranged offset to respective emitters - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ohrsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Ohrsensor eignet sich insbesondere für den Einsatz beim Menschen zur selektiven Erfassung und Visualisierung der dermalen arteriellen Perfusionsrhythmik des Menschen.The The invention relates to an ear sensor according to the The preamble of claim 1. Such an ear sensor is suitable especially for use in humans for selective Acquisition and visualization of the dermal arterial perfusion rhythm of the human.
Spätestens seit den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts ist bekannt, dass die Dynamik der Blutvolumenschwankungen in hautnahen Gefäßnetzen am Körper des Menschen bereits unter physiologischen Bedingungen in ihrem Verlauf und frequenzselektiver Zusammensetzung starken individuellen Variationen unterliegen. Das Blutvolumen des Menschen ist mit etwa 5 Litern (1/15 des Körpergewichts) zu klein, um gleichzeitig alle Organe und Gewebsabschnitte mit gleicher Intensität zu perfundieren. Vor allem die Perfusion in Kapillarbereichen (Gefäßendstrombahn) der einzelnen Körperareale kann daher autonom zeitweise zu Gunsten anderer Areale reduziert werden, die auf Grund der aktuellen Lebenslage und aus Sicht der Lebenserhaltung wichtigere Funktionen zu erfüllen haben. Am meisten erforscht sind die herzsynchronen und die respiratorisch bedingten Rhythmen in der Perfusion der Haut, deutlich weniger dagegen die langsameren Rhythmen, die oft etwa im Bereich 0,1 bis 0,2 Hz liegen und deren Genese und diagnostische Relevanz letztlich noch nicht in allen Einzelheiten bekannt ist. So werden in der Literatur beispielsweise rhythmische Schwankungen der Organperfusion mit Perioden von 5–10 s als Folge der Tatsache beschrieben, dass bei Ruhelage des Menschen nur 30% der Kapillaren hämodynamisch wirksam sind. Bei pathophysiologischen Gefäßzuständen, z. B. onkologischen Erkrankungen (Neuvascula risierung im Tumorgebiet), sind diese Unterschiede intra- und interindividuell noch deutlicher ausgeprägt.No later than since the 30s of the last century is known that the dynamics of blood volume fluctuations in close - up vascular networks Human body already under physiological conditions strong in their course and frequency-selective composition subject to individual variations. The blood volume of the human is too small with about 5 liters (1/15 of body weight), at the same time all organs and tissue sections with the same intensity to perfuse. Especially the perfusion in capillary areas (vascular end stream) The individual body areas can therefore be autonomous at times reduced in favor of other areas due to the current Life situation and, from the point of view of life support, more important functions have to fulfill. Most researched are the heart-synchronous ones and the respiratory rhythms in the perfusion of the skin, much less so are the slower rhythms, which are often about range from 0.1 to 0.2 Hz and their genesis and diagnostic Relevance ultimately is not yet known in every detail. For example, in the literature, rhythmic fluctuations of organ perfusion with periods of 5-10 s as a result of the fact described that at rest of humans only 30% of the capillaries are hemodynamically effective. In pathophysiological vessel conditions, z. B. Oncological diseases (Neuvascula tion in the tumor area), these differences are even clearer intra- and interindividually pronounced.
In
den letzten Dekaden sind eine ganze Reihe von Vorrichtungen zur
nichtinvasiven optoelektronischen Erfassung der dermalen Hämodynamik
entwickelt worden. Vorrichtungen, von denen bei der Formulierung
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, sind beispielsweise
aus den Patentschriften
Die
meisten dieser Vorrichtungen gehen methodisch zurück auf
das von
Der PPG-Technik liegt die Tatsache zu Grunde, dass das Licht im nahen Infrarotbereich und großem Teil des Sichtbaren von Hämoglobin bzw. von Blut wesentlich stärker als von Gewebe absorbiert wird. Da eine Gefäßerweiterung immer mit einer Zunahme des Blutvolumens im Messzenario verbunden ist, vergrößert sich zwangsläufig auch das Absorptionsvolumen. Sendet man nun selektives Licht geringer Intensität in das Gewebe, so wird ein Detektor in der Nähe der Lichteinkopplung mit Zunahme des Blutvolumens im Messareal weniger Licht empfangen. Auch ist es bekannt, dass die photoplethysmographischen Signale in der Regel aus einem relativ großen nichtpulsatilen Signalan teil (d. c., Gleichsignal) besteht, dem ein amplitudenmäßig viel kleineres Perfusionssignal (a. c., Wechselsignal), der wiederum aus verschiedenen Frequenzanteilen zusammengesetzt wird, überlagert ist.Of the PPG technique is based on the fact that the light in the near Infrared region and large part of the visible of hemoglobin or from blood is absorbed much more than by tissue. Because a vascular dilatation always with an increase the blood volume in the measurement scenario is increased inevitably also the absorption volume. You send now selective light of low intensity into the tissue, so a detector near the light coupling with Increase in blood volume in the measurement area receiving less light. Also It is known that the photoplethysmographic signals in the Usually from a relatively large nichtpulsatilen Signalan part (i.e., DC), which is an amplitude-wise much smaller perfusion signal (a.c., alternating signal), which in turn is composed of different frequency components, superimposed is.
Es
sind optoelektronische Sensoren bekannt, die mehrere Wellenlängen
im roten und infraroten Bereich des Spektrums zum Beispiel zur Bestimmung
der dermalen Sauerstoffsättigung (Pulsoximetrie) heranziehen.
Andere Sensorversionen, beschrieben beispielsweise im
Die
Die
Hauptaufgabe der Erfindung liegt ausgehend von der
Ein erfindungsgemäßer Ohrsensor zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.One inventive ear sensor for solution This object is specified in claim 1.
Der erfindungsgemäße Ohrsensor gestattet mit der verwendeten Sensoranordnung eine In-Ohr-Messung, basierend auf einer Vitalparametermessung bei zwei verschiedenen Wellenlängen. Der Ohrsensor ist geeignet für eine dauerhafte Anwendung am Patienten (24/7-Anwendung). Durch die spezielle Gehäusegestaltung und Materialauswahl ist ein sogenanntes One-fits-all (UFO) Design möglich, d. h. ein und derselbe Ohrsensor kann von verschiedenen Patienten genutzt werden, ohne dass individuelle Form- und Größenanpassungen nötig sind. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Ohrsensor als kostengünstiges Massenprodukt gefertigt werden.Of the Ear sensor according to the invention allows with the used Sensor arrangement an in-ear measurement, based on a vital parameter measurement at two different wavelengths. The ear sensor is suitable for permanent use on the patient (24/7 application). Due to the special housing design and material selection is a so-called one-fits-all (UFO) design possible, d. H. one and the same ear sensor can be used by different patients be without any custom shape and size adjustments are necessary. In this way, the inventive Ear sensor can be manufactured as a low-cost mass product.
Die Erfindung gehrt zunächst aus von der Erkenntnis, das die folgenden Hauptprobleme bei Ohrsensoren nach dem Stand der Technik ungelöst sind und durch die Erfindung zu überwinden sind:
- – das UFO-Konzept benötigt ein nachgiebiges und/oder selbstanpassendes Material;
- – ohne ausreichenden Anpressdruck können Signalqualität und Bewegungsartefakteresistenz nicht erreicht werden;
- – die seismische Masse des Sensors und der Krafteintrag vom Kabel müssen so klein wie möglich gehalten werden;
- – die wirksame Apertur des Sensors (der von Photonen durchdrungene Volumenanteil des perfundierten Ohrkanals) muss gegenüber bisherigen Anordnungen größer werden, um einen höheren Integrationseffekt und damit reproduzierbare und artefakteresistente Messergebnisse zu bekommen;
- – die Herstelltechnologie muss potentiell für große Stückzahlen geeignet sein;
- – das Einsetzen und Entfernen des Sensors muss unkompliziert, schmerzfrei und ohne Sichtkontrolle möglich sein;
- – der Sensor darf auch durch robustes Handling (Kneten, Biegen, Stauchen, Ziehen) nicht in seiner Funktion beeinträchtigt werden.
- The UFO concept requires a compliant and / or self-adapting material;
- - without adequate contact pressure signal quality and Bewegungsartefakteresistenz can not be achieved;
- - The seismic mass of the sensor and the force input from the cable must be kept as small as possible;
- - The effective aperture of the sensor (the volume fraction of the perfused ear canal penetrated by photons) must be greater than previous arrangements in order to obtain a higher integration effect and thus reproducible and artifact-resistant measurement results;
- - The manufacturing technology must potentially be suitable for large quantities;
- - The insertion and removal of the sensor must be uncomplicated, painless and without visual inspection possible;
- - The sensor must not be impaired by robust handling (kneading, bending, upsetting, pulling) in its function.
Der erfindungsgemäße Ohrsensor bietet demgegenüber folgende Vorteile:
- – selbstjustierendes „all-fits”-Konzept,
- – hohe Flexibilität beim Sensordesign und der Parameteroptimierung,
- – einfache Größenabstufung („Konfektionsgrößen” möglich)
- – kostengünstige Herstellung
- – sehr gute optische Voraussetzungen für SNR und Bewegungsartefaktetoleranz durch verteilte bilaterale Sensoren,
- – sehr geringe seismische Masse,
- – geringe Krafteinkopplung vom Verbindungskabel zum Sensor,
- – erfüllt hohe Anforderungen hinsichtlich Bioverträglichkeit und Hygiene
- - self-adjusting "all-fits" concept,
- - high flexibility in sensor design and parameter optimization,
- - simple size graduation ("clothing sizes" possible)
- - cost-effective production
- - very good optical requirements for SNR and motion artifact tolerance due to distributed bilateral sensors,
- Very low seismic mass,
- - low power input from the connection cable to the sensor,
- - meets high requirements with regard to biocompatibility and hygiene
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Ohrsensors werden nachfolgen unter genereller Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigen:Further Details of the ear sensor according to the invention will follow with general reference to the attached Drawing explained. Show it:
Der
erfindungsgemäße Ohrsensor ist rotationssymmetrisch
aufgebaut und besteht aus den hybrid montierten Komponenten LED-Cluster,
pin-Diode 1, pin-Diode 2. Die optische Wechselwirkung mit dem Ohrkanalgewebe
verläuft auf bananenfönnigen Trajektorien vom
LED-Cluster zu den um 90° oder 180° tangential
verdrehten pin-Dioden (
Die diametrale Anordnung von Emitter und Detektor zeichnet sich durch den Vorzug aus, dass die Photonenwege maximal sind. Damit wird auch die pulsatile Modulation durch die arterielle Perfusion maximal. Durch diese Anordnung entsteht ein Sensor mit virtueller 360°-Apertur. Dadurch ist die Bewegungs-Artefakteanfälligkeit des Sensors reduziert, weil variierende Anpresskräfte als dafür verantwortliche Hauptursache zumindest teilweise durch die Rotationssymmetrie der Photonenwege gemittelt werden.The diametrical arrangement of emitter and detector stands out the advantage that the photon paths are maximum. So will too the pulsatile modulation by the arterial perfusion maximum. This arrangement creates a sensor with virtual 360 ° aperture. This is the motion artifact vulnerability of the sensor reduced, because varying contact forces than for responsible main cause at least partially by the rotational symmetry the photon paths are averaged.
Die 90°-Anordnungen (2 Emitter und 2 Detektoren sind im Raster von 90° verdreht alternierend auf dem Umfang angeordnet) stellen eine Weiterbildung der 180°-Variante dar, mit dem Vorteil höherer Detektorströme.The 90 ° arrangements (2 emitters and 2 detectors are in the grid rotated by 90 ° alternately arranged on the perimeter) represent a development of the 180 ° variant, with the Advantage of higher detector currents.
Optional können auch radial verteilte Remissionssensoren (z. B. VIP, PDX) eingesetzt werden, die in 2 unterschiedlichen Betriebsmodi arbeiten:
- a) sensor-intern (mit kurzer Reichweite ins Gewebe)
- b) von Sensor zu Sensor (mit sehr großer Reichweite)
- a) sensor-internal (with short reach into the tissue)
- b) from sensor to sensor (with very long range)
Die unterschiedliche Reichweite kann z. B vorteilhaft in Kombination mit kurzen Wellenlängen der Emitter zur Erkennung von Bewegungsartefakten genutzt werden.The different range can z. B advantageous in combination used with short emitter wavelengths to detect motion artifacts become.
Der Kern des Ohrsensors besteht aus einem konusförmigen, plastisch verformbaren, selbstrelaxierenden Schaumstoff (SMP-Foam) mit ausreichender Rückstellkraft für die Fixierung des Sensors an der Gehörgangswand. Zur Steuerung der Nachgiebigkeit bzw. des Anpressdrucks und zur Belüftung des Ohrkanals sind Bohrungen/Kanäle mit geeignetem Querschnitt vorgesehen. Zur Verbesserung der Sensorreichweite kann das Kernmaterial weissreflektiv oder mit reflektierender Oberflächenbeschichtung ausgeführt werden.The core of the ear sensor consists of a cone-shaped, plastically deformable, self-relaxing foam (SMP foam) with sufficient restoring force for the fixation of the sensor to the ear canal wall. To control the compliance or the contact pressure and for ventilation the ear canal bores / channels are provided with a suitable cross-section. To improve the sensor range, the core material can be made white reflective or with reflective surface coating.
Falls für die bessere Fixierung des Ohrsensors im Ohr erforderlich, kann ein „Ankerschirmchen” medial (nach dem ersten Knick des Gehörgangs) angefügt werden.If required for better fixation of the ear sensor in the ear, can an "anchor screen" medial (after the first Bend of the ear canal) are attached.
Die
optoelektronischen Komponenten (LED-Chips und pin-Dioden) werden
auf einer kreuzförmigen Starr-Flex-Leiterplatte (SF-LP)
in fine pitch-Technologie (
Die endgültige und dauerhafte Verankerung der SF-LP und die Oberflächenversiegelung des Ohrsensors erfolgt mittels Silikon- oder Latexüberzug im Tauchverfahren. Dabei wird ein dünner, optisch transparenter, reißfester und biokompatibler Überzug gebildet. Falls erforderlich für ein glattes Oberflächenrelief, kann die SF-LP in passende Kanäle versenkt werden.The final and permanent anchoring of the SF-LP and the Surface sealing of the ear sensor by means of Silicone or latex coating in the dipping process. It will a thin, optically transparent, tear-resistant and biocompatible coating. If necessary for a smooth surface relief, the SF-LP be sunk into suitable channels.
Für die Herstellung der Schaumstoff-Kerne kommt bei geringen Stückzahlen die nachträgliche Oberflächenbearbeitung (ggf. durch Laser) käuflicher Gehörschutzstöpsel in Frage. Für große Stückzahlen sollte die Formgebung über ein Spritzwerkzeug erfolgen.For the production of foam cores comes in small quantities Subsequent surface treatment (if necessary by laser) commercially available ear plugs in question. For large numbers should the shaping done via an injection molding tool.
Die elektrische Kontaktierung der Sensoren geht von einer Hinter-Ohr-Elektronik aus, die zumindest die Signalvorverarbeitung, besser noch eine WLAN-Schnittstelle realisieren sollte. Der einseitig verlängerte Arm der SF-LP dient als massearmes, 4-poliges Verbindungskabel (Breite 2,5 mm) via Null-Kraft-Steckverbinder zur HOE.The electrical contacting of the sensors is a back-ear electronics out, at least the signal pre-processing, better still a WLAN interface should realize. The one-sided extended arm of the SF-LP serves as a low-mass, 4-pin connection cable (width 2.5 mm) via zero-force connector to the HOE.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CIS FORSCHUNGSINSTITUT FUER MIKROSENSORIK UND , DE |
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R016 | Response to examination communication | ||
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R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20141114 |
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