DE102018221854A1

DE102018221854A1 - Pulssensor zum Erfassen des Pulses eines Lebewesens

Info

Publication number: DE102018221854A1
Application number: DE102018221854.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schmidt
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2020-06-18
Also published as: WO2020126891A1; US20220015656A1

Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird bereitgestellt ein Pulssensor (20) zum Erfassen des Pulses eines Lebewesens, mit: mindestens einer Lichtquelle (22), die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Pulssensors (20) Licht in Richtung eines durchbluteten Gewebes (30) des Lebewesens abstrahlt, wobei das durchblutete Gewebe (30) das Licht streut und wobei das gestreute Licht in Abhängigkeit des Pulses des Lebewesens moduliert ist; mindestens einem lumineszierenden Konzentrator (50), der eine Eintrittsfläche, eine Austrittsfläche, die kleiner als die Eintrittsfläche ist, und fluoreszierendes Material aufweist, das im Lichtpfad zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche angeordnet ist, und der so ausgebildet und angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des modulierten gestreuten Lichts durch die Eintrittsfläche in den lumineszierenden Konzentrator (50) eintritt, dass das eingetretene Licht von dem fluoreszierenden Material konvertiert wird, wobei das konvertierte Licht korrespondierend zu dem modulierten gestreuten Licht moduliert ist, und dass sich das modulierte konvertierte Licht in dem lumineszierenden Konzentrator (50) hin zu der Austrittsfläche ausbreitet und aus der Austrittsfläche austritt; und mindestens einem Lichtdetektor (24), der zumindest einen Teil des aus der Austrittsfläche austretenden, modulierten konvertierten Licht erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Pulssensor zum Erfassen des Pulses eines Lebewesens.
In den letzten Jahren sind Pulssensoren, in anderen Worten Pulsmesser, immer populärer geworden. Insbesondere gibt es einen ungebrochenen Boom von sogenannten Fitnesstrackern, die in der Regel eine digitale Armbanduhr mit eingebautem Pulsmesser sind.
Bei diesen Pulssensoren wird Licht, das in der Regel mittels einer oder mehreren LEDs erzeugt wird, über die Hautoberfläche in das Gewebe eines Menschen eingekoppelt, wobei im Sinne dieser Patentanmeldung die Haut als Teil des Gewebes zu verstehen ist. Das Licht wird von dem Gewebe gestreut und erfährt eine Modulation, die zu dem Puls des entsprechenden Menschen korrespondiert. Der Ursprung dieser Modulation ist bis heute noch nicht endgültig geklärt, jedoch wird vermutet, dass die Modulation in einer sich aufgrund des Pulsschlages verändernden Dichte des Gewebes rund um ein Blutgefäß und/oder in der abhängig vom Pulsschlag innerhalb eines bestimmten Gewebes variierenden Menge an Blut begründet ist. Zumindest ein Teil des gestreuten und entsprechend modulierten Lichts wird mittels eines Lichtdetektors erfasst und der Puls des entsprechenden Menschen wird anhand der Modulation des Lichts ermittelt.
Ein Problem dieser Pulssensoren ist, dass nur ein kleiner Bruchteil des erzeugten Lichts am Lichtdetektor ankommt. Der Rest des Lichts tritt entweder gar nicht in das Gewebe ein oder wird von dem Gewebe nicht in Richtung hin zu dem Lichtdetektor gestreut. Somit ist das Verhältnis aus dem Licht, das erfasst wird, zu dem Licht, das erzeugt wird, gering. Dieses Verhältnis wird auch als Effizienz des Pulssensors ausgedrückt. Somit ist die Effizienz herkömmlicher Pulssensoren gering. Die geringe Effizienz führt dazu, dass das mittels des Lichtdetektors erzeugte Signal relativ schwach ist.
Darüber hinaus ist es für die meisten Anwendungen, beispielsweise für Armbanduhren, erforderlich, dass der entsprechende Pulssensor besonders dünn ist.
1 zeigt einen herkömmlichen Pulssensor 10. Der herkömmliche Pulssensor 10 weist mindestens eine Lichtquelle 22, im gezeigten Beispiel zwei Lichtquellen 22 und mindestens einen Lichtdetektor 24 auf. Die Lichtquellen 22 und der Lichtdetektor 24 sind in einem Gehäuse des herkömmlichen Pulssensors 10 angeordnet. Innerhalb des Gehäuses sind die Lichtquellen 22 durch Trennwände 26 von dem Lichtdetektor 24 abgetrennt, so dass kein mittels der Lichtquellen 22 erzeugtes Licht auf direktem Weg zu dem Lichtdetektor 24 gelangen kann. Das Gehäuse und die Trennwände 26 bilden drei Kavitäten, in denen die beiden Lichtquellen 22 und der Lichtdetektor 24 entsprechend angeordnet sind. Die Kavitäten können auch als Kammern bezeichnet werden. Die Kavitäten sind in 1 nach unten geöffnet, so dass das erzeugte Licht den Pulssensor 10 verlassen kann und das zu erfassende Licht den Lichtdetektor 24 erreichen kann. Häufig sind die Kavitäten mit einem transparenten Material, beispielsweise mit Silikon, gefüllt.
Der herkömmliche Pulssensor 10 dient zum Erfassen eines Pulses eines Lebewesens. Das Lebewesen kann beispielsweise ein Mensch oder ein Tier sein. Das Lebewesen weist ein Gewebe 30 auf, in dem ein Blutgefäß 32, beispielsweise eine Ader, eine Arterie oder eine Vene verläuft.
Das mittels der Lichtquellen 22 erzeugte Licht kann sich beispielsweise entlang eines ersten Lichtpfades 40 ausbreiten. Das Licht, das sich entlang des ersten Lichtpfades 40 ausbreitet, trifft auf das Blutgefäß 32, wird von dem Blutgefäß 32 gestreut und erfährt dabei eine Modulation, die repräsentativ für den Puls des Lebewesens ist. Das modulierte gestreute Licht kann sich beispielsweise entlang eines zweiten Lichtpfades 42 ausbreiten und trifft so auf den Lichtdetektor 24, der das modulierte gestreute Licht erfasst. Der Lichtdetektor 24 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das repräsentativ für das erfasste Licht, dessen Modulation und insbesondere repräsentativ für den Puls des Lebewesens ist. Eine nicht dargestellte Auswerteeinheit kann das Ausgangssignal des Lichtdetektors 24 empfangen und auswerten. Insbesondere kann die Auswerteeinheit anhand der Modulation des Lichts den Puls des Lebewesens ermitteln.
Bei dem herkömmlichen Pulssensor 10 erreicht lediglich ein geringer Anteil des erzeugten Lichts den Lichtdetektor 24. Beispielsweise kann sich das an dem Blutgefäß 32 gestreute Licht entlang eines dritten Lichtpfades 44 ausbreiten und trifft so auf eine der Trennwände 26 und nicht auf den Lichtdetektor 24. Somit ist die Effizienz des herkömmlichen Pulssensors 10 gering.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pulssensor zum Erfassen des Pulses eines Lebewesens bereitzustellen, der eine hohe Effizienz hat und/oder der dünn ist.
Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Pulssensor zum Erfassen des Pulses eines Lebewesens, mit: mindestens einer Lichtquelle, die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Pulssensors Licht in Richtung eines durchbluteten Gewebes des Lebewesens abstrahlt, wobei das durchblutete Gewebe das Licht streut und wobei das gestreute Licht in Abhängigkeit des Pulses des Lebewesens moduliert ist; mindestens einem lumineszierenden Konzentrator, der eine Eintrittsfläche, eine Austrittsfläche, die kleiner als die Eintrittsfläche ist, und fluoreszierendes Material aufweist, das im Lichtpfad zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche angeordnet ist, und der so ausgebildet und angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des modulierten gestreuten Lichts durch die Eintrittsfläche in den lumineszierenden Konzentrator eintritt, dass das eingetretene Licht von dem fluoreszierenden Material konvertiert wird, wobei das konvertierte Licht korrespondierend zu dem modulierten gestreuten Licht moduliert ist, und dass sich zumindest ein Teil des modulierten konvertierten Lichts in dem lumineszierenden Konzentrator hin zu der Austrittsfläche ausbreitet und aus der Austrittsfläche austritt; und mindestens einem Lichtdetektor, der zumindest einen Teil des aus der Austrittsfläche austretenden, modulierten konvertierten Lichts erfasst.
Der lumineszierende Konzentrator dient dazu, in dem Gewebe gestreutes Licht zu sammeln und hin zu dem Lichtdetektor zu leiten. Da die Eintrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators größer als die Austrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators ist, bewirkt der lumineszierende Konzentrator, dass ein größerer Anteil des gestreuten Lichts auf die lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors trifft als ohne den Konzentrator. Anschaulich gesprochen sammelt der lumineszierende Konzentrator über seine relativ große erste Eintrittsfläche eine relativ große Menge an Licht und leitet diese auf die demgegenüber relativ kleine lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors. Dies bewirkt, dass die Effizienz des Pulsmessers verglichen mit einem herkömmlichen Pulsmesser groß ist.
Die im Vorhergehenden beschriebenen Effekte wären auch schon gegeben, wenn es sich bei dem Konzentrator lediglich um einen passiven optischen Konzentrator handeln würde. Passive optische Konzentratoren sammeln und leiten lediglich das Licht weiter und konvertieren das Licht nicht. Derartige passive optische Konzentratoren erhöhen lediglich die Bestrahlungsstärke bzw. die Beleuchtungsstärke und unterliegen der physikalischen Begrenzung, dass eine Konzentration von diffusem Licht bis maximal zum Quadrat des Brechungsindex des verwendeten Materials möglich ist.
Bei dem vorliegenden lumineszierenden Konzentrator mit dem fluoreszierenden Material handelt es sich jedoch um einen aktiven optischen Konzentrator, der zunächst das modulierte gestreute Licht sammelt, dann konvertiert und dann das modulierte konvertierte Licht weiterleitet. Bei einem derartigen aktiven optischen Konzentrator wird zusätzlich die Strahldichte bzw. die Leuchtdichte erhöht. Dies bewirkt, dass die Konzentration und dadurch die Effizienz des Pulsmessers besonders groß ist.
Darüber hinaus kann ein derartiger aktiver optischer Konzentrator relativ dünn ausgebildet sein, so dass der entsprechende Pulsmesser ebenfalls besonders dünn ausgebildet sein kann.
Die Lichtquelle kann beispielsweise eine LED sein. Zusätzlich zu der einen Lichtquelle kann der Pulsmesser eine, zwei oder mehr weitere Lichtquellen aufweisen. Der Lichtdetektor ist beispielsweise eine Fotodiode oder weist beispielsweise eine Fotodiode auf. Zusätzlich zu der Fotodiode kann der Lichtdetektor eine, zwei oder mehr weitere Fotodioden aufweisen. Außerdem kann der Pulsmesser ein Gehäuse aufweisen, in dem die Lichtquelle und der Lichtdetektor angeordnet sind. Dabei sind die Lichtquelle und der Lichtdetektor derart in dem Gehäuse angeordnet, dass das mittels der Lichtquelle erzeugte Licht nicht direkt, also ohne auf das Gewebe zu treffen, zu dem Lichtdetektor gelangt. Zu diesem Zweck können die Lichtquelle und der Lichtdetektor in je einer Kavität bzw. Kammer des Gehäuses angeordnet sein, wobei die eine Kavität von der anderen Kavität durch eine opake Trennwand abgetrennt ist.
Die Austrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators kann beispielsweise die gleiche Form und/oder die gleiche Größe aufweisen wie eine lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors. Der lumineszierende Konzentrator kann in optischem Kontakt mit der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors sein. Dass der lumineszierende Konzentrator in optischem Kontakt mit der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors ist, bedeutet, dass das im Gewebe gestreute Licht durch den lumineszierenden Konzentrator zu der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors gelangen kann und dass zwischen dem lumineszierenden Konzentrator und der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors kein Bereich mit einem Brechungsindex kleiner als 1,3 ist. Das bedeutet, dass das modulierte konvertierte Licht durch den lumineszierenden Konzentrator und gegebenenfalls durch einen Klebstoff, mittels dessen der Lichtdetektor an dem lumineszierenden Konzentrator befestigt ist, zu der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors gelangen kann.
Gemäß einer Weiterbildung ist der lumineszierende Konzentrator einstückig ausgebildet. Dies trägt dazu bei, dass der lumineszierende Konzentrator einfach herstellbar und einfach montierbar ist und dass keine Verluste innerhalb des lumineszierenden Konzentrators aufgrund von Grenzflächen unterschiedlicher Elemente des lumineszierenden Konzentrators auftreten.
Gemäß einer Weiterbildung ist der lumineszierende Konzentrator flach ausgebildet und weist eine erste Hauptseite, eine zweite Hauptseite, die der ersten Hauptseite gegenüberliegt, und mindestens eine Seitenfläche auf, die die erste Hauptseite und die zweite Hauptseite miteinander verbindet. Vorzugsweise sind die beiden Hauptseiten jeweils eben und parallel zueinander ausgebildet. Ferner können die Seitenflächen jeweils eben und/oder paarweise zueinander parallel ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung weist die erste Hauptseite die Eintrittsfläche auf und die Seitenfläche weist die Austrittsfläche auf. Da die erste Hauptseite verglichen mit der Seitenfläche relativ groß ist, ermöglicht das Anordnen der Eintrittsfläche an der ersten Hauptseite, dass die Eintrittsfläche besonders groß ist und zum Sammeln einer besonders großen Lichtmenge geeignet ist.
Gemäß einer Weiterbildung weist die erste Hauptseite die Eintrittsfläche auf und die zweite Hauptseite weist die Austrittsfläche auf. Die Anordnung der Austrittsfläche an der der ersten Hauptseite mit der Eintrittsfläche gegenüber liegenden zweiten Hauptseite ist sehr vorteilhaft, da dann der Lichtdetektor besonders einfach flach montierbar ist.
Gemäß einer Weiterbildung sind die erste Hauptseite, die zweite Hauptseite und/oder die Seitenfläche optisch glatt ausgebildet. Dies trägt dazu bei, dass ein besonders hoher Anteil des Lichts, das über die Eintrittsfläche in den lumineszierenden Konzentrator eintritt, nach der Konversion aus der Austrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators hin zu der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors austritt. Dass die Außenfläche optisch glatt ist, bedeutet, dass eine Rautiefe der Außenfläche klein gegenüber der Wellenlänge des konvertierten Lichts ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Seitenfläche reflektierend für das modulierte konvertierte Licht ausgebildet. Dies trägt dazu bei, dass relativ wenig moduliertes konvertiertes Licht außerhalb der Austrittsfläche aus dem lumineszierenden Konzentrator austritt und somit ein besonders hoher Anteil des modulierten konvertierten Lichts aus der Austrittsfläche austritt und von dem Lichtdetektor erfasst wird. Falls die Austrittsfläche an der zweiten Hauptseite ausgebildet ist, können alle Seitenflächen rundum reflektierend ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Lichtdetektor in optischem Kontakt mit dem lumineszierenden Konzentrator. Beispielsweise ist der Lichtdetektor mittels eines Klebstoffs an dem lumineszierenden Konzentrator befestigt, wobei der Klebstoff für das modulierte konvertierte Licht transparent ist und einen Brechungsindex aufweist, der für das konvertierte Licht gleich groß wie oder größer als der Brechungsindex des Materials des lumineszierenden Konzentrators ist. Dies bewirkt, dass Verluste beim Übergang von dem lumineszierenden Konzentrator zu dem Lichtdetektor besonders gering sind.
Gemäß einer Weiterbildung weist der optische Konzentrator Kunststoff mit Molekülen die für photolumineszenz geeignet sind und/oder einen monokristallinen anorganischen Leuchtstoffkörper auf. Dies kann dazu beitragen, dass die Strahldichte bzw. die Leuchtdichte des modulierten konvertierten Lichts besonders hoch ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Eintrittsfläche mehr als viermal größer, mehr als 10 mal größer, mehr als 50 mal größer oder mehr als 100 mal größer als die Austrittsfläche und/oder als eine lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors. Dies trägt dazu bei, dass eine besonders große Menge des modulierten gestreuten Lichts mittels des lumineszierenden Konzentrators eingesammelt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung entspricht eine Dicke des lumineszierenden Konzentrators gemessen von der ersten Hauptseite zur zweiten Hauptseite 2% bis 40% oder 3% bis 30% eines Durchmessers oder einer Diagonalen der ersten Hauptseite. Dies trägt dazu bei, dass der lumineszierende Konzentrator und damit der Pulsmesser besonders dünn ausgebildet sind.
Gemäß einer Weiterbildung ist der lumineszierende Konzentrator ringförmig ausgebildet und die Lichtquelle ist im Inneren der entsprechenden Ringform angeordnet. Dies trägt dazu bei, dass ein besonders hoher Anteil des modulierten gestreuten Lichts von dem lumineszierenden Konzentrator eingesammelt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung ist der lumineszierende Konzentrator streifenförmig ausgebildet und weist mindestens eine zweite Lichtquelle auf, wobei der lumineszierende Konzentrator zwischen den beiden Lichtquellen angeordnet ist. Dies trägt dazu bei, dass ein besonders hoher Anteil des modulierten gestreuten Lichts von dem lumineszierenden Konzentrator eingesammelt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung ist der lumineszierende Konzentrator scheibenförmig ausgebildet und weist mindestens eine zweite Lichtquelle auf, wobei die Lichtquellen radial außerhalb der entsprechenden Scheibe angeordnet sind. Dies trägt dazu bei, dass ein besonders hoher Anteil des modulierten gestreuten Lichts von dem lumineszierenden Konzentrator eingesammelt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung liegt eine Dicke des lumineszierenden Konzentrators gemessen von der ersten Hauptseite zur zweiten Hauptseite in einem Bereich zwischen 0,15 mm und 3 mm oder zwischen 0,2 mm und 2 mm und/oder der lumineszierende Konzentrator weist an seiner längsten Seite eine Länge auf zwischen 1,5 mm und 30 mm oder zwischen 2 mm und 20 mm.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine seitliche Schnittdarstellung eines herkömmlichen Pulssensors auf einem Gewebe eines Lebewesens;
2 eine Unteransicht des herkömmlichen Pulssensors gemäß 1;
3 eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors auf einem Gewebe eines Lebewesens;
4 eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines lumineszierenden Konzentrators und eines Lichtdetektors;
5 eine Draufsicht auf den lumineszierenden Konzentrator und den Lichtdetektor gemäß 4;
6 eine Unteransicht des Ausführungsbeispiels des Pulssensors gemäß 3;
7 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors in Draufsicht;
8 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors in Draufsicht;
9 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors in Draufsicht;
10 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors in Draufsicht;
11 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors in Draufsicht;
12 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors in Draufsicht.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines herkömmlichen Pulssensors 10 auf einem Gewebe 30 eines Lebewesens. Der herkömmliche Pulssensor 10 weist mindestens eine, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Lichtquellen 22 und einen Lichtdetektor 24 auf. Die Lichtquellen 22 und der Lichtdetektor 24 sind in einem Gehäuse des herkömmlichen Pulssensors 10 angeordnet. Das Gehäuse des herkömmlichen Pulssensors 10 weist zwei Trennwände 26 auf, die das Innere des Gehäuses in drei Kammern aufteilen. Die Kammern können auch als Kavitäten bezeichnet werden. In der mittleren Kammer ist der Lichtdetektor 24 angeordnet und in den äußeren Kammern sind die Lichtquellen 22 angeordnet. Die Trennwände 26 dienen dazu, zu verhindern, dass Licht, das mittels der Lichtquellen 22 erzeugt wird, direkt zu dem Lichtdetektor 24 gelangt, ohne vorher auf das Gewebe 30 zu treffen.
Das Gewebe 30 weist ein Blutgefäß 32 auf, das durch das Gewebe 30 verläuft. Das Blutgefäß 32 kann beispielsweise eine Vene, eine Ader oder eine Arterie sein. Das Herz des Lebewesens pumpt pulsartig Blut durch das Blutgefäß 32. Dadurch variiert dazu korrespondierend pulsartig das Volumen des Blutes in dem Blutgefäß 32. Dies führt zu einer pulsartigen Komprimierung des Gewebes 30 in der Nähe des Blutgefäßes 32.
Das mittels der Lichtquellen 22 erzeugte Licht breitet sich beispielsweise entlang eines ersten Lichtpfades 40 aus. Das Licht, das sich entlang des ersten Lichtpfades 40 ausbreitet, trifft auf das Blutgefäß 32 und wird von dem Blutgefäß 32 gestreut. Das Licht erfährt bei der Streuung eine Modulation, die zu dem Puls des Lebewesens korrespondiert. Das von dem Blutgefäß 32 gestreute Licht weist somit eine Modulation auf, anhand der Rückschlüsse auf den Puls des Lebewesens gezogen werden können.
Damit das gestreute Licht die Modulation aufweist, die zu dem Puls des Lebewesens korrespondiert, muss das Licht nicht unbedingt von dem Blutgefäß 32 selbst gestreut werden. Das Licht kann auch innerhalb des Blutgefäßes oder in der Nähe des Blutgefäßes 32 gestreut werden und weist gleichwohl die Modulation auf, die zu dem Puls des Lebewesens korrespondiert.
Das modulierte gestreute Licht kann sich beispielsweise entlang eines zweiten Lichtpfades 42 ausbreiten. Das modulierte gestreute Licht, das sich entlang des zweiten Lichtpfades 42 ausbreitet, trifft auf eine lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors 24. Der Lichtdetektor 24 erfasst das auf ihn treffende modulierte gestreute Licht und erzeugt ein Ausgangssignal, das repräsentativ für die Modulation und damit für den Puls des Lebewesens ist. Das Ausgangssignal wird an ein nicht dargestelltes Steuergerät übertragen, welches den Puls des Lebewesens anhand des Ausgangssignals ermittelt. Das Steuergerät kann in dem herkömmlichen Pulssensor 10 oder außerhalb des herkömmlichen Pulssensors 10 angeordnet sein.
Das modulierte gestreute Licht kann sich jedoch auch entlang eines dritten Lichtpfades 44 ausbreiten. Das modulierte gestreute Licht, das sich entlang des dritten Lichtpfades 44 ausbreitet, trifft auf eine der Trennwände 26 und wird von dieser absorbiert oder so gestreut, dass es nicht mehr erfasst werden kann. Dieser Anteil des modulierten gestreuten Lichts wird somit nicht von dem Lichtdetektor 24 erfasst.
2 zeigt eine Unteransicht des herkömmlichen Pulssensors gemäß 1. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Lichtquellen 22 und der Lichtdetektor 24 jeweils in separaten Kammern des herkömmlichen Pulssensors 10 angeordnet sind und dass die Kammern nach unten geöffnet sind, so dass das erzeugte Licht den herkömmlichen Pulssensor 10 in Richtung des Gewebes 30 verlassen kann und dass das gestreute Licht zu dem Lichtdetektor 24 gelangen kann.
3 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors 20 auf einem Gewebe 30 eines Lebewesens. Das Gewebe 30 weist das Blutgefäß 32 auf und entspricht dem im vorstehenden erläuterten Gewebe 30. Der Pulssensor 20 entspricht weitgehend dem im Vorhergehenden erläuterten Pulssensor 20. Beispielsweise weist auch der Pulssensor 20 mindestens eine, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Lichtquellen 22 und einen Lichtdetektor 24 auf. Außerdem sind die Lichtquellen 22 und der Lichtdetektor 24 ebenso in Kammern eines Gehäuses des Pulssensors 20 angeordnet und durch die Trennwände 26 voneinander abgeschattet. Die Kammern, in denen die Lichtquellen 22 angeordnet sind, können mit einem transparenten Material, beispielsweise mit Silikon, gefüllt sein.
Der Pulssensor 20 weist zusätzlich einen lumineszierenden Konzentrator 50 auf. Der lumineszierende Konzentrator 50 ist flach ausgebildet und weist eine erste Hauptseite 52, die dem Gewebe 30 zugewandt ist, eine zweite Hauptseite 54, die der ersten Hauptseite 52 gegenüberliegt, und eine, bevorzugt mehrere Seitenflächen 56 auf, die die erste Hauptseite 52 mit der zweiten Hauptseite 54 verbinden. Die erste Hauptseite 52 weist eine Eintrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators 50 auf, die ebenfalls dem Gewebe 30 zugewandt ist. Der lumineszierende Konzentrator 50 ist so angeordnet, dass eine ausreichend große Menge des modulierten gestreuten Lichts durch die Eintrittsfläche in ihn eintritt. Insbesondere ist die Eintrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators 50 in dem zweiten Lichtpfad 42 und dem dritten Lichtpfad 44 angeordnet, entlang derer sich das modulierte gestreute Licht ausbreitet.
Der lumineszierende Konzentrator 50 weist ein fluoreszierendes Material auf oder ist daraus gebildet. Beispielsweise weist der lumineszierende Konzentrator 50 einen Kunststoff mit fluoreszierenden Molekülen oder einen fluoreszierenden monokristallinen Körper auf oder ist daraus gebildet. Das modulierte gestreute Licht, das in den lumineszierenden Konzentrator 50 eingetreten ist, regt in dem lumineszierenden Konzentrator 50 die fluoreszierenden Moleküle an und konvertiert auf diese Weise das modulierte gestreute Licht. Bei diesem Vorgang entsteht konvertiertes Licht, das eine Modulation aufweist, die zu der Modulation des modulierten gestreuten Lichts und damit zu dem Puls des Lebewesens korrespondiert.
Der lumineszierende Konzentrator 50 weist eine Austrittsfläche auf, die dem Lichtdetektor 24 zugewandt ist. Die Eintrittsfläche ist größer als die Austrittsfläche. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Austrittsfläche an einer der Seitenflächen 56 ausgebildet. An derselben Seitenfläche 56 ist der Lichtdetektor 24 angeordnet. Der lumineszierende Konzentrator 50 ist in optischem Kontakt mit dem Lichtdetektor 24.
Das modulierte konvertierte Licht wird in dem lumineszierenden Konzentrator 50 hin zu der Austrittsfläche geleitet. Dort tritt das modulierte konvertierte Licht hin zu der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors 24 aus und wird von dem Lichtdetektor 24 erfasst. Der Lichtdetektor 24 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das repräsentativ für das erfasste Licht, dessen Modulation und insbesondere repräsentativ für den Puls des Lebewesens ist. Eine nicht dargestellte Auswerteeinheit kann das Ausgangssignal des Lichtdetektors 24 empfangen und auswerten. Insbesondere kann die Auswerteeinheit anhand der Modulation des Lichts den Puls des Lebewesens ermitteln.
Der lumineszierende Konzentrator 50 kann in mittelbarem oder unmittelbarem körperlichen Kontakt mit dem Lichtdetektor 24 sein. Beispielsweise kann der lumineszierende Konzentrator 50 mittels eines Klebstoffs an der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors 24 befestigt sein.
Da das modulierte gestreute Licht konvertiert wird und das modulierte konvertierte Licht erfasst wird, hat der lumineszierende Konzentrator 50 eine aktive Wirkung. Aufgrund dieser aktiven Wirkung kann mittels des lumineszierenden Konzentrators 50 eine Strahldichte bzw. eine Leuchtdichte des zu erfassenden Lichts erhöht werden. Aufgrund der erhöhten Strahldichte bzw. Leuchtdichte kann auch eine höhere Bestrahlungsstärke bzw. Beleuchtungsstärke auf der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors erreicht werden als ohne lumineszierenden Konzentrator. Unter Strahldichte wird hier die Strahlungsleistung pro Etendue verstanden. Analog wird unter Leuchtdichte hier der Lichtstrom pro Etendue verstanden.
4 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines lumineszierenden Konzentrators 50. Der lumineszierende Konzentrator 50 kann beispielsweise dem mit Bezug zu 3 erläuterten lumineszierenden Konzentrator 50 entsprechen. Optional sind die Seitenflächen 56 für das modulierte konvertierte Licht reflektierend ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Lichtdetektor 24, der an einer der Seitenflächen 56 des lumineszierenden Konzentrators angeordnet ist, kann ein weiterer Lichtdetektor 24 angeordnet sein. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der alternative bzw. weitere Lichtdetektor 24 mithilfe gestrichelter Linien dargestellt.
Der weitere Lichtdetektor 24 ist beispielsweise an der zweiten Hauptseite 54 des lumineszierenden Konzentrators 50 angeordnet. Der weitere Lichtdetektor 24 ist in optischem Kontakt mit dem lumineszierenden Konzentrator 50. Der lumineszierende Konzentrator 50 weist alternativ oder zusätzlich zu der Austrittsfläche eine weitere Austrittsfläche auf, die in optischem Kontakt mit dem weiteren Lichtdetektor 24 ist. Dementsprechend ist die weitere Austrittsfläche an der zweiten Hauptseite 54 des lumineszierenden Konzentrators 50 ausgebildet. In diesem Fall können die Seitenflächen 56 für das modulierte konvertierte Licht reflektierend ausgebildet sein.
5 zeigt eine Draufsicht auf den lumineszierenden Konzentrator gemäß 4.
6 zeigt eine Unteransicht des Ausführungsbeispiels des Pulssensors gemäß 3. Aus 6 ist ersichtlich, dass die Lichtquellen 22 und der Lichtdetektor 24 jeweils in separaten Kammern des Pulssensors 20 angeordnet sind und dass die Kammern nach unten geöffnet sind, so dass das erzeugte Licht den Pulssensor 20 in Richtung des Gewebes 30 verlassen kann und dass das gestreute Licht zu dem Lichtdetektor 24 gelangen kann.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele des Pulssensors 20 anhand von Prinzipskizzen beschrieben. Die entsprechenden Pulssensoren 20 entsprechen im Wesentlichen dem mit Bezug zu den 3 und 6 erläuterten Pulssensor 20, wobei lediglich die Anzahl und die Anordnung der Lichtquellen 22 und der Lichtdetektoren 24 und die Form des lumineszierenden Konzentrators 50 variiert werden. Aus Gründen der einfacheren Darstellbarkeit wird bei den nachfolgenden Prinzipskizzen auf das Darstellen des Gehäuses und der Trennwände 26 verzichtet.
7 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors 20 in Draufsicht. Der lumineszierende Konzentrator 50 ist rechteckig streifenförmig ausgebildet und erstreckt sich senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen zwei Lichtquellen 22. Der Lichtdetektor 24 ist mittig auf der zweiten Hauptseite 54 des lumineszierenden Konzentrators 50 angeordnet. Die Austrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators 50 ist so an der zweiten Hauptseite 54 angeordnet, dass sie in optischem Kontakt mit der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors 24 ist.
8 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors 20 in Draufsicht. Der lumineszierende Konzentrator 50 ist viereckig streifenförmig ausgebildet, erstreckt sich senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen zwei Lichtquellen 22 und seine den Lichtquellen 22 zugewandten Seitenflächen 56 sind derart konkav ausgebildet, dass sich die entsprechenden Seitenflächen 56 zumindest teilweise um die Lichtquellen 22 herum erstrecken. Der Lichtdetektor 24 ist mittig auf der zweiten Hauptseite 54 des lumineszierenden Konzentrators 50 angeordnet. Die Austrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators 50 ist so an der zweiten Hauptseite 54 angeordnet, dass sie in optischem Kontakt mit der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors 24 ist.
9 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors 20 in Draufsicht. Der lumineszierende Konzentrator 50 weist die Form zweier Ringsegmente auf, die an ihren Außenseiten ineinander übergehen. In dem Bereich, in dem die Ringsegmente ineinander übergehen, ist auf der zweiten Hauptseite 54 der Lichtdetektor 24 angeordnet. Die Austrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators 50 ist so an der zweiten Hauptseite 54 angeordnet, dass sie in optischem Kontakt mit der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors 24 ist.
10 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors 20 in Draufsicht. Der lumineszierende Konzentrator 50 dieses Pulssensors 20 entspricht im Wesentlichen dem mit Bezug zu 9 erläuterten lumineszierenden Konzentrator 50, wobei die Enden der Ringsegmente anders geformt sind als bei dem mit Bezug zu 9 erläuterten lumineszierenden Konzentrator 50. In dem Bereich, in dem die Ringsegmente ineinander übergehen, ist auf der zweiten Hauptseite 54 der Lichtdetektor 24 angeordnet. Die Austrittsfläche des lumineszierenden Konzentrators 50 ist so an der zweiten Hauptseite 54 angeordnet, dass sie in optischem Kontakt mit der lichtempfindlichen Fläche des Lichtdetektors 24 ist.
11 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors 20 in Draufsicht. Der lumineszierende Konzentrator 50 ist scheibenförmig ausgebildet. Sechs Lichtquellen 22 sind radial außerhalb des lumineszierenden Konzentrators 50 angeordnet. Zwei Lichtdetektoren 24 sind an der zweiten Hauptseite 54 des lumineszierenden Konzentrators 50 angeordnet. Der lumineszierende Konzentrator 50 weist an seiner zweiten Hauptseite 54 zwei Austrittsflächen auf, die so angeordnet sind, dass sie jeweils in optischem Kontakt mit einem der Lichtdetektoren 24 sind.
12 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Pulssensors 50 in Draufsicht. Der lumineszierende Konzentrator 50 ist ringförmig ausgebildet. Die Lichtquelle 22 befindet sich im Inneren der Ringform. An der zweiten Hauptseite 54 sind zwei Lichtdetektoren 24 angeordnet. Der lumineszierende Konzentrator 50 weist an seiner zweiten Hauptseite 54 zwei Austrittsflächen auf, die so angeordnet sind, dass sie jeweils in optischem Kontakt mit einem der Lichtdetektoren 24 sind.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die im Vorhergehenden erläuterten Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können alle der gezeigten Ausführungsbeispiele lediglich eine Lichtquelle 22 oder mehr als zwei Lichtquellen 22 aufweisen. Ferner können alle gezeigten Ausführungsbeispiele zwei oder mehr Lichtdetektoren 24 aufweisen. Ferner können alle der gezeigten Ausführungsbeispiele zwei oder mehr lumineszierende Konzentratoren 50 aufweisen. Ferner kann jeder der erläuterten Pulssensoren 20 ein Steuergerät zum Ansteuern der Lichtquellen 22 und/oder zum Auswerten des Ausgangssignals des Lichtdetektors 24 aufweisen. Alternativ dazu kann das Steuergerät außerhalb des Pulssensors 20 angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

10: herkömmlicher Pulssensor
20: Pulssensor
22: Lichtquelle
24: Lichtdetektor
26: Trennwand
30: Gewebe
32: Blutgefäß
40: erster Lichtpfad
42: zweiter Lichtpfad
44: dritter Lichtpfad
46: vierter Lichtpfad
48: fünfter Lichtpfad
50: optischer Konzentrator
52: erste Hauptseite
54: zweite Hauptseite
56: Seitenfläche

Claims

Pulssensor (20) zum Erfassen des Pulses eines Lebewesens, mit mindestens einer Lichtquelle (22), die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Pulssensors (20) Licht in Richtung eines durchbluteten Gewebes (30) des Lebewesens abstrahlt, wobei das durchblutete Gewebe (30) das Licht streut und wobei das gestreute Licht in Abhängigkeit des Pulses des Lebewesens moduliert ist, mindestens einem lumineszierenden Konzentrator (50), der eine Eintrittsfläche, eine Austrittsfläche, die kleiner als die Eintrittsfläche ist, und fluoreszierendes Material aufweist, das im Lichtpfad zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche angeordnet ist, und der so ausgebildet und angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des modulierten gestreuten Lichts durch die Eintrittsfläche in den lumineszierenden Konzentrator (50) eintritt, dass das eingetretene Licht von dem fluoreszierenden Material konvertiert wird, wobei das konvertierte Licht korrespondierend zu dem modulierten gestreuten Licht moduliert ist, und dass sich das modulierte konvertierte Licht in dem lumineszierenden Konzentrator (50) hin zu der Austrittsfläche ausbreitet und aus der Austrittsfläche austritt, und mindestens einem Lichtdetektor (24), der zumindest einen Teil des aus der Austrittsfläche austretenden, modulierten konvertierten Lichts erfasst.
Pulssensor (20) nach Anspruch 1, bei dem der lumineszierende Konzentrator (50) einstückig ausgebildet ist.
Pulssensor (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der lumineszierende Konzentrator (50) flach ausgebildet ist und aufweist eine erste Hauptseite (52), eine zweite Hauptseite (54), die der ersten Hauptseite (52) gegenüberliegt, und mindestens eine Seitenfläche (56), die die erste Hauptseite (52) und die zweite Hauptseite (54) miteinander verbindet.
Pulssensor (20) nach Anspruch 3, bei dem die erste Hauptseite (52) die Eintrittsfläche aufweist und die Seitenfläche (56) die Austrittsfläche aufweist.
Pulssensor (20) nach Anspruch 3, bei dem die erste Hauptseite (52) die Eintrittsfläche aufweist und die zweite Hauptseite (54) die Austrittsfläche aufweist.
Pulssensor (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die erste Hauptseite (52), die zweite Hauptseite (54) und/oder die Seitenfläche (56) optisch glatt ausgebildet sind.
Pulssensor (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Seitenfläche (56) reflektierend für das modulierte konvertierte Licht ausgebildet ist.
Pulssensor (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Lichtdetektor (24) in optischem Kontakt mit dem lumineszierenden Konzentrator (50) ist.
Pulssensor (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der lumineszierende Konzentrator (50) Kunststoff mit Molekülen, die für photolumineszenz geeignet sind, und/oder einen monokristallinen anorganischen Leuchtstoffkörper aufweist.
Pulssensor (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Eintrittsfläche mehr als viermal größer, mehr als 10 mal größer, mehr als 50 mal größer oder mehr als 100 mal größer als die Austrittsfläche und/oder als eine lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors (24) ist.
Pulssensor (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Dicke des lumineszierenden Konzentrators (50) gemessen von der ersten Hauptseite (52) zur zweiten Hauptseite (54) 2% bis 40% oder 3% bis 30% eines Durchmessers oder einer Diagonale der ersten Hauptseite (52) entspricht.
Pulssensor (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der lumineszierende Konzentrator (50) ringförmig ausgebildet ist und die Lichtquelle (22) im Inneren der entsprechenden Ringform angeordnet ist.
Pulssensor (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der lumineszierende Konzentrator (50) streifenförmig ausgebildet ist und der mindestens eine zweite Lichtquelle (22) aufweist, wobei der lumineszierende Konzentrator (50) zwischen den beiden Lichtquellen (22) angeordnet ist.
Pulssensor (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der lumineszierende Konzentrator (50) scheibenförmig ausgebildet ist und der mindestens eine zweite Lichtquelle (22) aufweist, wobei die Lichtquellen (22) radial außerhalb der entsprechenden Scheibe angeordnet sind.
Pulssensor (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Dicke des lumineszierenden Konzentrators (50) gemessen von der ersten Hauptseite (52) zur zweiten Hauptseite (54) in einem Bereich liegt zwischen 0,15 mm und 3 mm oder zwischen 0,2 mm und 2 mm und/oder der lumineszierende Konzentrator (50) in jeder Richtung zwischen 1,5 mm und 30 mm oder zwischen 2 mm und 20 mm lang ist.