DE2805202A1

DE2805202A1 - Pulsfrequenzanzeigegeraet

Info

Publication number: DE2805202A1
Application number: DE19782805202
Authority: DE
Inventors: Thomas Orr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-02-11
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1978-08-17
Also published as: DE2805202C3; JPS5730008B2; DE2805202B2; CH640683B; JPS53108692A; CH640683GA3; US4163447A; GB1555062A

Description

Pulsfrequenzanzeigegerät

Pulsfrequenzanzeigegerät mit einer lichtquelle zum Durchleuchten von Hautgewebe, mit einem Halbleiterdetektor zur Aufnahme des von dem Hautgewebe reflektierten Lichtes und zur Umwandlung der Helligkeitsschwankungen des reflektierten Lichtes in ein den Schwankungen des arteriellen Blutflusses in dem Hautgewebe entsprechendes elektrisches Signal, einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der Pulsfrequenz vermittels dieses elektrischen Signals und mit einer elektrischen Spannungsquelle und mit Einrichtungen zur Speisung der Lichtquelle aus dieser Spannungsquelle.

Es sind bereits Geräte dieser Art in kompakter Form angegeben worden (z.B. in der Patentanmeldung P 21 42 095)» welche eine Überwachung des Herzschlags und des persönlichen Pulsschlags ermöglichen. In der Patentanmeldung P 26 06 102.9 sind druckempfindliche oder optische Sensoren zur Ableitung von Signalen aus den DichteSchwankungen des Blutstroms beschrieben.

Ein solches Gerät kann beispielsweise in dem Gehäuse einer elektrischen Uhr enthalten sein, welche an Handgelenk getragen wird und eine Zeitanzeigeschaltung enthält. Es können also Signale, welche einerseits der Pulsfrequenz und andererseits der Tageszeit entsprechen, abgeleitet und zur Speisung getrennter Anzeigevorrichtungen, vielfach displays genannt, oder wahlweise einer einzigen Anzeigevorrichtung verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges, besseres, weitgehend wartungsfreies Pülsfrequenzanzeigegerät anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Gerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch eine derartige Ausbildung des Halbleiterdetektors, daß dieser bei Beleuchtung mit Raumlicht

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einen Aufladestrom liefert und durch eine derartige Ausbildung der Schaltung, daß der von dem Halbleiterdetektor ausgehende Aufladestrom der wieder aufladebar ausgebildeten Spannungsquelle zuführbar ist.

Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Geräts besteht darin, daß das Gerät mit einem am Körper zu tragenden Gehäuse nach Art eines Uhrgehäuses versehen ist, welches einen Taktgeber zur Erzeugung eines zur Uhrzeitanzeige geeigneten Signals, eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige der Uhrzeit mittels des vom Taktgeber erzeugten elektrischen Signals, wenigstenz eine Leuchtdiode als Lichtquelle zum Durchleuchten des Hautgewebes, ferner den Halbleiterdetektor und die wiederaufladbare Spannungsquelle zur Speisung des Taktgebers, der Anzeigevorrichtung und äsr Lichtquelle enthält, und daß das von dem Halbleiterdetektor abgegebene Signal ebenfalls einer Anzeigevorrichtung zuführbar ist.

Das Pulsfrequenzanzeigegerät kann eine getrennte Einheit in einem eigenen Gehäuse sein. Es wird jedoch vorzugsweise in einem Uhrgehäuse untergebracht, z.B. einem Armbanduhrgehäuse, einem Taschenuhrgehäuse oder einem solchen Uhrgehäuse, das an der Kleidung befestigt und üblicherweise von Pflegerinnen getragen wird. Das Gehäuse kann auch einen Zeitgeber zur Anzeige der Tageszeit enthalten. Dieser Zeitgeber ist vorzugsweise elektronischer Natur und wird von der wiederaufladbaren Batterie betrieben. Sowohl die Zeitanzeige als auch die Anzeige der Pulsfrequenz kann digital sein, wozu beispielsweise von der Figur : einer "Acht" ausgehende Anzeigegeräte mit Leuchtdioden- oder Flüssigkristall-Tableau dienen können.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend in Verbindung mit den Ausführungsbeispiele darstellenden figuren beschrieben. In den echematisch vereinfacht gezeichneten Figuren sind einander entsprechende Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen versehen.

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Es zeigt:

Pig. 1 die Ansicht der Rückseite eines Armbanduhr-

gehäuses, welches einen Teil eines Pulsfrequenzanzeigers bildet,

Pig. 2 die schematische Darstellung einer Schaltung zur Gewinnung "von Signalen für eine Pulsfrequenzanzeige ,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Schaltung zur Wiederaufladung einer Batterie,

Fig. 4 und 5 Abwandlungen der Ausführungsform gemäß Pig» 1, Fig. 6 eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig.3.

In Fig. 1 wird ein Pulsfrequenzanzeiger dargestellt, welcher eine von lichtundurchlässigem Kunststoffmaterial 2 umgebene Leuchtdiode 1 enthält. Auf einem die Leuchtdiode umgebenden Umfang sind sechs Silizium-Fotodioden 3 angebracht, welche das von der Leuchtdiode 1 ausgehende Licht auffangen, nachdem es vom Hautgewebe der die Vorrichtung tragenden Person reflektiert worden ist. Die Gesamtanordnung ist von einer transparenten Kunststoffhülle 4 umgeben und auf der Rückseite des Uhrgehäuses 6 von einem Schirm 5 zur Abschirmung von Raumlicht umschlossen.

Fig. 2 zeigt eine Taktgebersehlatung 10, welche von einer aufladbaren Batterie 11 gespeist wird und Signale zum Betrieb einer Zeitanzeigevorrichtung 12 liefert. Ton der Taktgeberschaltung 10 wird ferner ein Impulssignal abgegeben, welches die Leuchtdiode 1 taktmäßig erregt. Ein von den Fotodioden 3 abgegebenes Signal wird in einer Herzschlag-Schaltung 13 verarbeitet, deren Ausgangssignal einen Pulsfrequenzanzeiger 14 speist. Die Herzschlag-Schaltung 13 und der Anzeiger 14 werden ebenfalls von der Batterie 11 versorgt.

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Fig. 3 zeigt die Fotodioden 3 in der Betriebsweise zur Wiederaufladung der Batterie, in der sie dem Raumlicht ausgesetzt sind. Die Fotodioden sind dann in Reihe mit einer Sperrdiode 22 und der Batterie 11 geschaltet.

Die menschliche Haut ist für sichfbares und nah-ultrarotes Licht relativ gut durchlässig. Wenigstens in den äußeren Schichten wird keine Änderung der Durchlässigkeit oder Absorption innerhalb der kurzen Perioden der Beobachtung bemerkt. Da aber die inneren Schichten des Hautgewebes für ihr normales Funktionieren mit Blut versorgt werden, verursacht die Wechselwirkung zwischen diesem Blut und dem einfallenden Licht Änderungen des reflektierten Lichtpegels.

Das Hautgewebe wird vom Herzen über ein komplexes Netzwerk von Arteriolen und Kapillaren mit Blut versorgt. Das Arterienblut fließt stoßweise, und die Amplitude dieser Impulse nimmt längs des arteriellen Blutkreislaufs ab. Der stärkste Abfall des 3?ulsdrucks findet vor dem Eintritt in das Kapillarnetzwerk statt. Der das Blut zurückfördernde venöse Kreislauf kann hier vernachlässigt werden.

Die Hautarterien liegen gewöhnlich tief unter der Haut, die Arteriolen und Kapillaren hingegen viel näher an der Oberfläche derselben und sind in komplexen Bahnen zwischen den Arterien und den Venen parallel geschaltet.

Obwohl die Arteriolen und Kapillaren gegenüber dem Blutpuls sehr elastisch sind, wird doch angenommen, daß es vorwiegend gewisse Eigenschaften des Blutes und weniger die Bewegungen der Gefäßwände unter der Hautoberfläche sind, welche zu Änderungen der Absorption und der Reflektivität Anlaß geben. Es gibt zwei Mechanismen, denen man diese Änderungen zuschreiben kann. Beide sind komplex und in Wechselwirkung miteinander; sie Beziehen sich einerseits auf das Volumen eines Blutpulses

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im Hautgewebe und andererseits auf den Sauerstoffgehalt des Blutes.

Betrachtet man diese beiden Absorptionsphänomene gemeinsam und nimmt man an, daß die Lichtabsorption aufgrund der Volumenänderung des Blutes während einer arteriellen Pulswelle der vorhersehende Effekt ist, so ergibt sich, daß die Verwendung von Licht aus dem Wellenlängenbereich zwischen 500 und 600 nm eine maximale Lichtabsorption während des Blutpulses erbringen müßte. Es kommt jedoch darauf an, daß genügend von dem Blutgehalt des Hautgewebes reflektiertes Licht zur Anregung der Fotodioden 3 vorhanden ist. Betreibt man daher die Leuchtdiode 1 in dem Wellenlängenbereich zwischen 600 und 650 nm, so wird ein geringerer Absolutwert des Lichtabsorptionspegels, und daher eine höhere Intensität des reflektierten Lichtes erzielt.

Eine Signaländerung wird außerdem durch die Änderung des Sauerstoffgehaltes des Blutes während des arteriellen Pulses verursacht, und dies wirkt sich dahin aus, daß das zu erwartende Absorptionsmaximum während der Amplitudenspitze des arteriellen Pulses und dementsprechend die Signalamplitude etwas verringert wird.

Es ist bekannt, daß die äußere Hautoberfläche beim Menschen einen wellenlängenabhängigen Durehlaßkoeffizienten hat. In dem hier betrachteten Wellenlängenbereich sind jedoch keine größeren Änderungen dieses Koeffizienten vorhanden.

Die Leuchtdiode 1 sollte daher Licht in dem Bereich von 500 bis 650 nm, und aus den oben angeführten Gründen vorzugsweise in dem Bereich von 600 bis 650 nm abgeben. Die Fotodioden 3 sind vorzugsweise Silizium-, Selen-, oder Kadmiumsulfid/Cuprosulfid-Zeilen. Gewöhnlich werden zur Erzielung

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einea hinreichenden Ausgangspegels mehrere, im vorliegenden Beispiel sechs Fotodioden 3 in Parallelschaltung verwendet. Sie sind zweckmäßig so angeordnet, daß sie die Leuchtdiode 1 rings umgeben. Ein geeigneter Schirm 2 ist vorgesehen, um einen direkten Lichtübergang von der Leuchtdiode 1 zu den Fotodioden 3 zu unterbinden.

Für den Zweck einer Pulsfrequenzmessung muß die Leuchtdiode ganz nah am Hautgewebe angebracht sein. Die Fotodioden 3 werden so angeordnet, daß sie zwar das Licht der Leuchtdiode, aber kein Raumlicht aufnehmen. Das wird bei der Erfindung dadurch erreicht, daß die Leuchtdiode und die Fotodioden auf der Rückseite des Gehäuses einer Armbanduhr, wie gezeigt, angebracht sind, und erforderlichenfalls eine ringförmige Abdichtung um die Rückseite des Gehäuses 6 zur Abschirmung des Raümlichtes vorgesehen ist. Der Zutritt von Raumlicht kann auch durch Verwendung von Polarisationsfiltern vermindert werden.

Wenn die Fotodioden 3 in der alternativen Betriebsweise zur Lieferung eines Ladestroms für die Batterie 11, z.B. eine Silberoxid- oder ITickelkadmiumbatterie, benutzt werden, so ist es wesentlich, daß die Fotodioden dem Raumlicht ausgesetzt werden. Bei dem obigen Ausführungsbeispiel, bei dem die Fotodioden auf der Rückseite eines Armbanduhrgehäuses angebracht sind, kann dies durch Abnehmen der Uhr geschehen, so daß die Rückseite dem Raumlicht ausgesetzt wird. Man kann die Fotodioden jedoch auch auf der Vorderseite des Gehäuses 6 der Armbanduhr anbringen, wo sie normalerweise dem Raumlicht ausgesetzt sind und nur zugedeckt werden, wenn die Pulsfrequenz gemessen werden soll. Das Zudecken kann mit einer Fingerspitze oder dem Daumen einer Person geschehen. Diese Einrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Leuchtdiode und die Fotodioden 3 so angeordnet sind, daß sie mit der Fingerspitze oder dem Daumen einer Person stets dann abgedeckt und gegen Raumlicht abgeschirmt werden, wenn die Pulsfrequenz dieser Person durch Durchleuchten des Hautgewebes

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ihrer Pingerspitze oder ihres Daumens gemessen werden soll

Zur Erzielung eines hinreichenden elektrischen Stromes zur Aufladung der Batterie 1 kann eine Umschaltung der !Fotodioden für die Gewinnung der erforderliehen Spannung zweckmäßig sein. Beispielsweise kann einer Reihenschaltung hferfür statt der Parallelschaltung in frage kommen, und eine Umschaltvorrichtung kann für diesen Zweck vorgesehen sein. Es ist günstig, eine Sperrdiode 21 in Reihe zu den Fotodioden 3 und der Batterie 11 anzuordnen, um eine Entladung der Batterie 11 durch die Fotodioden 3 während der Dunkelheit oder in einem anderen als dem Auflade zustand zu verhindern.

Die Taktgeberschaltung 10 kann aus einem kristallgesteuerten Oszillator und geeigneten Teilerschaltungen bestehen, welche die vom Oszillator erzeugte Frequenz auf eine für den Zeitanzeiger geeignete Frequenz herunterteilen.

Obwolil die Leuchtdiode auch mit Gleichstrom "betrieben werden kann, ist es vorteilhaft, ein Signal von einem geeigneten Abgriff in der Teilersehaltung zu entnehmen und hiermit den Strom der Leuchtdiode 1 zu steuern, so daß diese Lichtblitze von einer frequenz abgibt, die wesentlich höher als die größte zu erwartende Pulsfrequenz ist. Die Lichtblitze können z.B. eine Frequenz von etwa 1 kHz haben. Das von den Fotodioden erzeugte Ausgangssignal besitzt dann die gleiche Frequenz wie die Lichtblitze, ist aber mit der Frequenz des Pulsschlags amplitudenmoduliert. Durch Unterdrücken des konstanten Anteils dieses Signals kann also die Einwirkung einer auf die Leuchtdiode 1 fallenden Fremdbeleuchtung vermindert werden.

Es sind verschiedene im Rahmen der Erfindung liegende Abwandlungen möglich. Z.B. können, wie in Fig. 4 gezeigt, bogenförmige und insbesondere halbkreisförmige Fotodioden 24 um die Leuchtdiode herum angeordnet sein. Ferner kann, wie Fig. 5 zeigt, eine Mehrzahl von Leuchtdioden 25» z.B. drei, um die

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zentrale Fotodiode 26 herum angeordnet und zyklisch mit Impulsen erregt werden. Durch eine geeignete Verarbeitung des von der Fotodiode 26 erhaltenen Ausgangssignals läßt sich die Unterscheidung der Herzschläge verbessern und eine stärkere Unterdrückung von Störungen erreichen.

Wenn es wünschenswert erscheint, kann die Zeitanzeige und die Pulsfrequenzanzeige in einem einzigen, getrennt gespeisten Anzeigegerät vereinigt werden. Normalerweise sind der oder die Anzeiger numerische, von der Figur einer "Acht" ausgehende Anzeigegeräte mit vorzugsweise Flüssigkristall- oder Leuchtdiodentableaus.

In Fig. 6 wird abschließend gezeigt, daß die Parallelanordnung der Fotodioden 3 während des Ladens der Batterie 11 beibehalten werden kann, wenn die notwendige ladespannung mittels einer elektronischen Spannungsvervielfacherschaltung 27 erzeugt wird.

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Claims

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Commander Thomas ü R R, Starboard House, 30 Shore Road, War sash, Southampton, England, XIK

Patentansprüche

M ..'Pulsfrequenzanzeigegerät mit einer Lichtquelle zum Durchleuchten von Hautgewebe, mit einem Halbleiterdetektor zur Aufnahme des von dem Hautgewebe reflektierten lichtes und zur Umwandlung der Helligkeitsschwankungen des reflektierten Lichtes in ein den Schwankungen des arteriellen Blutflusses in dem Hautgewebe entsprechendes elektrisches Signal, einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige der Pulsfrequenz vermittels dieses elektrischen Signals und mit einer elektrischen Spannungsquelle und mit Einrichtungen zur Speisung der Lichtquelle aus dieser Spannungsquelle, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des Halbleiterdetektors (3)» daß dieser bei Beleuchtung mit Raumlicht einen Aufladestrom liefert und durch eine derartige Ausbildung der Schaltung, daß der von dem Halbleiterdetektor (3) ausgehende Aufladestrom der wieder aufladebar ausgebildeten Spannungsquelle (11) zuführbar ist.
2. Pulsfrequenzanzeigegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät mit einem am Körper zu tragenden Gehäuse nach Art eines Uhrgehäuses (6) versehen ist, welches einen Taktgeber (10) zur Erzeugung eines zur Uhrzextanzeige geeigneten Signals, eine Anzeigevorrichtung (12) zur Anzeige der Uhrzeit mittels des vom Taktgeber (10) erzeugten elektrischen Signals, wenigstens eine Leuchtdiode (1) als Lichtquelle zum Durchleuchten des Hautgewebes, ferner den Halbleiterdetektor (3) und die wiederaufladbare Spannungsquelle (11) zur Speisung des Taktgebers, der

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Anzeigevorrichtung und der Lichtquelle enthält, und daß das von dem Halbleiterdetektor abgegebene Signal ebenfalls einer Anzeigevorrichtung zuführbar ist (Fig. 1 und 2).
3. Pulsfrequenzanzeigegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (12, 14) ein numerisch anzeigendes Leuchtdiodentableau ist (Pig. 2).
4· Pulsfrequenzanzeigegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (12, 14) ein numerisch anzeigendes Flüssigkristall-Tableau ist (Fig.2).
5· Pulsfrequenzanzeigegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdiode (1) impulsweise erregbar ist.
6. Pulsfrequenzanzeigegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus einer Mehrzahl von Leuchtdioden (24, 25) besteht, und daß eine Hilfsschaltung vorgesehen ist, um die Leuchtdioden zyklisch nacheinander zu erregen (Fig. 5).
7. Pulsfrequenzanzeigegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterdetektor (3> 24) aus wenigstens einer Fotodiode besteht (Fig. 1 und 4)·
8. Pulsfrequenzanzeigegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Halbleiterdetektors (3) Silizium ist.
9. Pulsfrequenzanzeigegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Übertragung des Aufladestroms von dem Halbleiterdetektor zu der elektrischen Spannungsquelle (11) eine Spannungsvervielfacherschaltung (27) enthält (£ig. 6).

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