DE102008002747B4

DE102008002747B4 - Ohrsensor

Info

Publication number: DE102008002747B4
Application number: DE200810002747
Authority: DE
Inventors: Dieter Römhild; Vladimir Blazek; Steffen Leonard; Stefan Vogel; Markus Hülsbusch
Original assignee: CIS FORSCHUNGSINSTITUT fur MIKROSENSORIK und PHOTOVOLTAIK GmbH
Current assignee: Cis Forschungsinstitut fur Mikrosensorik und De
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2028-06-28
Also published as: DE102008002747A1

Abstract

Ohrsensor zur Überwachung mindestens einer physiologischen Messgröße mittels einer nicht-invasiven Messung im Ohrkanal, umfassend mehrere optoelektronische Komponenten, die in einem Gehäuse angeordnet sind, welches in den Ohrkanal einsetzbar ist, wobei die mehreren optoelektronischen Komponenten am Gehäuseumfang verteilt angeordnet sind, wobei mindestens zwei der optoelektronischen Komponenten durch von Gewebeschichten reflektierte Strahlung erfassende Detektoren gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kern des Ohrsensors aus einem konusförmigen, plastisch verformbaren selbstrelaxierendem Schaumstoff besteht; – mindestens zwei der optoelektronischen Komponenten durch Strahlung emittierende Emitter-Cluster gebildet sind – die Detektoren jeweils 90° oder 180° versetzt zu den zugehörigen Emitter-Clustern angeordnet sind; und – die optoelektronischen Komponenten auf einer kreuzförmigen starrflexiblen Leiterplatte befestigt sind.

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.
Spatestens 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 Korperareale 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 (Neuvascularisierung im Tumorgebiet), sind diese Unterschiede intra- und interindividuell noch deutlicher ausgeprägt.
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 DE 3100610.8 (Blazek und Wienert, 1981), DE 3609075.1 (Schmitt und Blazek, 1986) und DE 4226973.3 (Blazek und Schmitt, 1992), bekannt. Alle diese Vorrichtungen weisen einen optoelektronischen Sensor auf, der wenigstens eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor beinhaltet. Auf diese Druckschriften wird im Übrigen zur Erläuterung aller hier nicht naher beschriebenen Begriffe ausdrücklich verwiesen.
Die meisten dieser Vorrichtungen gehen methodisch zurück auf das von A. B. Hertzman in ”The blood supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph” (Amer. J. Physiol. 124 (1938)) erstmals beschriebene Prinzip der Photoplethysmographie (kurz PPG).
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 Intensitat 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 Signalanteil (d. c., Gleichsignal) besteht, dem ein amplitudenmäßig viel kleineres Perfusionssignal (a. c., Wechselsignal), der wiederum aus verschiedenen Frequenzanteilen zusammengesetzt wird, überlagert ist.
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 US Patent Nr. 5830137 (Scharf, 1996), verwenden zwei leicht unterschiedliche Wellenlängen des grünen Lichtes für die gleiche Anwendung. In keiner dieser Veröffentlichungen werden jedoch weit auseinander liegende Messwellenlängen verwendet.
Die WO 2007/004083 A1 zeigt einen Ohrsensor mit einem oder mehreren Sensoren, die am Gehäuseumfang verteilt angeordnet sind. Die Sensoren können optoelektronische Sensoren sein, die Strahlung emittieren bzw. Strahlung erfassen. Die Sensoren sind auf einer aufblasbaren Ballonvorrichtung angeordnet. Diese Lösung bezweckt vor allem die arterielle Blutdruckmessung im Ohrkanal, indem die physiologischen Durchblutungsparameter in Korrelation mit dem Anpressdruck des Sensors im Ohrkanal gesetzt werden und hieraus der Blutdruckwert ermittelt wird.
Aus der WO 1997/36538 A1 ist ein pulsoxymetrischer Sensor mit zwei oder mehr Fotodioden zur Messung der Lichtintensitäten bekannt. Als bevorzugte Ausführungsform ist ein klammerförmiger Fingersensor beschrieben.
Die DE 10 2005 029 355 A1 zeigt eine Anordnung zur Überwachung mindestens einer physiologischen Messgröße mittels einer nicht-invasiven Messung an einer Körperoberfläche, umfassend einen oder mehrere Sensoren, die von einem Gehäuse umgeben sind, das in eine Körperöffnung einsetzbar ist. Dabei sind der oder die Sensoren derart im Gehäuse angeordnet, dass der Übertragungsweg zwischen der Körperoberfläche in der Körperöffnung und dem jeweiligen Sensor unter den Einsatzbedingungen der Anordnung annähernd konstant ist. Problematisch an dieser Lösung ist, dass das Gehäuse für brauchbare Messungen speziell an den jeweiligen Patienten angepasst werden muss. Außerdem wirken sich beispielsweise Bewegungen negativ auf das Messergebnis aus.
Die Hauptaufgabe der Erfindung liegt ausgehend von der DE 10 2005 029 355 A1 darin, einen verbesserten Ohrsensor zur Verfügung zu stellen, der unter Verwendung kostengünstiger Optroden eine verbesserte Durchblutungsmessung gestattet.
Ein erfindungsgemäßer Ohrsensor zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.
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.
Die Erfindung geht zunächst aus von der Erkenntnis, dass 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 konnen 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.

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 Biovertraglichkeit und Hygiene

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Ohrsensors werden nachfolgen unter genereller Bezugnahme auf die beigefugte Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein prinzipielles Layout eines erfindungsgemäßem Ohrsensors;
2 eine Querschnittsdarstellung des im Ohrkanal eingesetzten Ohrsensors.
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 bananenförmigen Trajektorien vom LED-Cluster zu den um 90 oder 180 Grad tangential verdrehten pin-Dioden (2). Die Detektoren (pin-Diode) generieren auch dann verwertbare Signale, wenn der zugehorige Emitter (LED) diametral (180°) gegenübersteht. Jede andere Winkelanordnung wird noch höhere Detektorströme liefern.
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-Artefakteanfalligkeit des Sensors reduziert, weil variierende Anpresskräfte als dafür verantwortliche Hauptursache zumindest teilweise durch die Rotationssymmetrie der Photonenwege gemittelt werden.
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.
Optional können auch radial verteilte Remissionssensoren (z. B. VIP, POX) 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)

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.
Falls für die bessere Fixierung des Ohrsensors im Ohr erforderlich, kann ein „Ankerschirmchen” medial (nach dem ersten Knick des Gehörgangs) angefügt werden.
Die optoelektronischen Komponenten (LED-Chips und pin-Dioden) werden auf einer kreuzförmigen Starr-Flex-Leiterplatte (SF-LP) in fine pitch-Technologie (1) vormontiert und geprüft. Danach wird die SF-LP so auf dem Schaumstoffkern fixiert (z. B. durch selbstklebende Rückseite oder „Einknöpfen” in vorgefertigte Kanäle), dass sich LEDs und pin-Dioden in optimaler Remissionsposition (Abstand und Abstrahlrichtung) befinden. Durch die paarweise Anordnung von LED-Chips (2 × 660/880 nm oder 760/880 nm) und pin-Dioden (2 × 10 mm²) werden der durchstrahlte Raumwinkel (effektive Apertur) und die wirksame Detektorfläche drastisch erhöht. Dies führt sowohl zu einer verbesserten Artefakteresistenz als auch zu einem besseren Signal-Rausch-Abstand (SNR) sein.
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.
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.
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.

Claims

Ohrsensor zur Überwachung mindestens einer physiologischen Messgröße mittels einer nicht-invasiven Messung im Ohrkanal, umfassend mehrere optoelektronische Komponenten, die in einem Gehäuse angeordnet sind, welches in den Ohrkanal einsetzbar ist, wobei die mehreren optoelektronischen Komponenten am Gehäuseumfang verteilt angeordnet sind, wobei mindestens zwei der optoelektronischen Komponenten durch von Gewebeschichten reflektierte Strahlung erfassende Detektoren gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kern des Ohrsensors aus einem konusförmigen, plastisch verformbaren selbstrelaxierendem Schaumstoff besteht; – mindestens zwei der optoelektronischen Komponenten durch Strahlung emittierende Emitter-Cluster gebildet sind – die Detektoren jeweils 90° oder 180° versetzt zu den zugehörigen Emitter-Clustern angeordnet sind; und – die optoelektronischen Komponenten auf einer kreuzförmigen starrflexiblen Leiterplatte befestigt sind.
Ohrsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter-Cluster jeweils durch zwei LED gebildet sind.
Ohrsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die beiden LED eines jeden der Emitter-Cluster Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittierbar ist.
Ohrsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die eine der beiden LED eines jeden der Emitter-Cluster Licht mit einer Wellenlänge von 660 nm oder 760 nm emittierbar ist und dass durch die andere der beiden LED eines jeden der Emitter-Cluster Licht mit einer Wellenlänge von 880 nm emittierbar ist.
Ohrsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eines der Emitter-Cluster und jeweils einer der Detektoren in einem Remissionssensor integriert sind.
Ohrsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Remissionssensoren sowohl sensorintern als auch sensorübergreifend betreibbar sind.
Ohrsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Kernmaterial aufweist, welches weißreflektiv ausgeführt ist.
Ohrsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kernmaterial des Ohrsensors mit einer reflektierenden Oberflächenbeschichtung ausgeführt ist.