Piezo-Lösung zur Überwachung von Vitalparametern

Wird ein Streifen piezoelektrischer PVDF-Polymerfolie (Piezo-Folie) gedehnt, erzeugt er proportional zur Länge der Dehnung ein elektrisches Signal (Ladung oder Spannung) zwischen den oberen und unteren Elektrodenflächen. Piezoelektrische Materialien sind normalerweise dafür bekannt, auf Druck zu reagieren. Im Fall von Piezo-Folie führt jedoch die Geometrie des Elements dazu, dass im Querprofil der Folie sehr hohe Spannungsgrade erreicht werden können, wenn in der Längsrichtung eine sehr geringe Kraft einwirkt. Würde dagegen die gleiche Kraft über einen größeren Bereich auf der Oberfläche der Folie einwirken, wäre die erzeugte Spannung deutlich niedriger. Daher weist Piezo-Folie eine außerordentliche Empfindlichkeit gegenüber dynamischer Dehnung auf, üblicherweise im Bereich von 10 bis 15 mV je µm/m bei einer PVDF von 28 μm Dicke. Der Begriff der „dynamischen“ Dehnung wird verwendet, da die bei einer Dehnungsänderung entstehende elektrische Ladung in den mit der Folie verbundenen elektrischen Schaltkreis entweicht, sodass statische Dehnungszustände tatsächlich nicht erkannt werden können. Dies kann sich in bestimmten Fällen als Vorteil erweisen, wenn der Sensor schon mit einer gewissen Vorspannung angebracht wird. Die Folie erkennt ausschließlich zeitabhängige Änderungen der Dehnung mit einem Frequenzgang, der schon bei 0,1 Hz beginnen kann. Piezo-Folie ist außerdem leicht, dünn, hochflexibel und erfordert keine externe Stromversorgung. Durch diese einzigartige Kombination von Eigenschaften kann damit ein breites Spektrum medizinischer Anwendungen bedient werden, bei denen sehr niedrige mechanische Signale erkannt werden müssen. Diese Technologie weckt natürlich auch dort großes Interesse, wo die verfügbare Energie begrenzt ist. (In einigen Konfigurationen kann die Folie sogar geringe Mengen an Strom erzeugen.) Darüber hinaus ist die Folie äußerst beständig, stoßfest und kann mehreren Hundertmillionen Dehnungszyklen standhalten.

Dank der Eigenschaften von Piezo-Folie als „dynamischem Dehnungsmesser“ kann ein Element einfach direkt auf der Haut angebracht werden (z. B. an der Innenseite des Handgelenks). TE fertigt einen Allzweck-Sensor, der an einer Seite bereits über eine druckempfindliche Klebefläche verfügt, die jedoch nicht als biokompatibel klassifiziert ist. Für Kurzzeituntersuchungen wurde daher ein Streifen 3M 9842 (dünnes Polyurethan-Band mit Klebeschicht) auf die Haut aufgetragen und der Piezo-Foliensensor darüber angebracht. Abbildung 1 zeigt ein Pulssignal, das mit einem Ladungsverstärker mit einer unteren Grenzfrequenz von 1 Hz und einer Empfindlichkeit von 1 mV/pC erfasst wurde. Der Ausgang von ca. 130 mV Spitze-Spitze entspricht einer Leerlaufspannung von ca. 100 mV Spitze-Spitze, die wiederum als dynamische Dehnung von ungefähr 8 με gedeutet werden kann. Dieses Signal wurde aufgezeichnet, während die Hand ruhte. Beim Beugen oder Drehen des Handgelenks konnten deutlich höhere Amplitudensignale erzeugt werden, besonders wenn eine untere Grenzfrequenz am Vorverstärker ausgewählt wurde. Abbildung 2 zeigt als Beispiel die Reaktion des Sensors, während wiederholt ein Gegenstand ergriffen und wieder losgelassen wurde. Dabei ergab sich eine Amplitude von ca. 3 V Leerlaufspannung bzw. ca. 250 με.

Die Fähigkeit der Folie, sehr geringe physische Signale und gleichzeitig grobe Bewegungen zu erkennen, ergibt sich aus der Tatsache, dass die Piezo-Reaktion in der PVDF-Folie über einen sehr großen dynamischen Bereich linear verläuft (geschätzt bis zu 14 Zehnerpotenzen). In vielen Fällen können die kleineren Signale durch Filterung extrahiert werden, solange die Bandbreiten des Zielsignals und des Rauschens ausreichend getrennt werden können. Ähnliche selbstklebende Sensoren wurden verwendet, um Muskel- und Hautbewegungen von Brustkorb, Bein und Augenlid bei einer Untersuchung zur Schlafstörung zu erkennen. Darüber hinaus kann die Reaktion eines Muskels (z. B. zwischen Daumen und Zeigefinger) auf eine absichtliche elektrische Stimulation erkannt werden. Dies kann als Indikator für die Wirksamkeit einer Anästhesie genutzt werden (auch als neuromuskuläre Übertragung bezeichnet).

Der Minisense 100 ist eine Standardkomponente mit einem massebelasteten Cantilever-Design und einem biegesteifen Leiterplattenmaterial, das die Klemme bildet, an der Verbindungsstifte angebracht werden können. Durch die hinzugefügte Masse reagiert der Sensor träge unter der Einwirkung von Beschleunigung. Das Folienelement ist gebogen, während die Masse stillsteht, sodass eine äußerst hohe Spannungsempfindlichkeit erzielt wird (ca. 1 V/g). Eine Variante dieser Komponente erkennt Vitalparameter, wenn ein „intelligenter Badge“ (ausgestattet mit Hochfrequenztelemetrie) von einem Mitarbeiter oder einem Patienten getragen wird. Auf diese Weise kann ein periodisches Signal zu Überwachungs- oder Lokalisierungszwecken übertragen werden. Wenn der Sensor erkennt, dass der Badge von einer lebenden Person abgenommen wurde, wechselt dieser in den Ruhezustand. Wenn Muskelzittern, grobe Körperbewegungen oder gleichmäßige Vibrationen des Pulses erkannt werden, bleibt er dagegen aktiv. Der Standardsensor kann Details zu „Herzklängen“ offenlegen, wenn er mit einem leichten elastischen Band an die Brust gehaftet wird. Mit einer sehr niedrigen ausgewählten Grenzfrequenz an der elektronischen Schnittstelle ist es auch möglich, die Atemfrequenz zu erfassen (Abbildung 3). In dieser Wellenform wird die Bewegung der Brustwand als langsames periodisches Signal mit einem Intervall von ca. vier Sekunden angezeigt, während einzelne Herzschläge mit etwa 1/s (60 Schläge pro Minute) beobachtet werden können. Um das Atemsignal und einen Teil des Rauschens zu entfernen, können Filter bei 1 Hz (Untergrenze) und 10 Hz (Obergrenze) angewendet werden, um Echtzeitsignale zu erzeugen (Abbildung 4). Beachten Sie, dass alle Signale der Wellenform in Abbildung 4 von einem ruhenden Patienten stammen. Naturgemäß können bei Verwendung eines Beschleunigungsmessers die Signale des Herzschlags leicht von der Körperbewegung überdeckt werden. Tatsächlich wird eine winzige Implementierung (Abmessungen des aktiven Sensors von 1,3 x 3 mm) eines solchen Beschleunigungssensors mit Auslegerschnittstelle in Schrittmachern verwendet, um den Grad der physischen Aktivität des Patienten zu erkennen, sodass die Herzrate entsprechend angepasst werden kann.

Bei verschiedenen elektronischen Stethoskopen kommt Piezo-Folie aufgrund ihrer Robustheit, hohen Empfindlichkeit und großen Bandbreite als aktives Messelement zu Einsatz. In diesem Fall muss das Messelement mit einer gewissen „Auflagekraft“ gegen den Körper gehalten werden – normalerweise durch eine Bauweise mit massivem Kopf wie bei einem direkten akustischen Stethoskop. Nach Umwandlung des dynamischen Drucksignals in ein elektrisches Signal kann der Informationsgehalt durch selektive Filterung oder Verstärkung erhöht werden. Beispielsweise kann das Signal als Audiosignal wiedergegeben werden, durch komplexere Algorithmen auf spezielle Erkrankungen analysiert werden oder zur weiteren Analyse und Speicherung über eine Datenverbindung an eine Basisstation übertragen werden. Durch die Verwendung eines kompakten akustischen Sensors können mehrere Punkte gleichzeitig überwacht werden.

Bei Anwendungen ohne direkten Kontakt mit dem Körper wurden sowohl Piezo-Folie als auch Piezo-Kabel als Teil einer Matratze verwendet, um den Herzschlag, die Atmung und die Körperbewegungen eines Patienten zu erkennen. In einen Matratzenüberzug kann eine Vielzahl von Sensoren integriert werden, die die Patientendaten passiv messen, während der Patient auf diesen Messvorrichtungen liegt oder sitzt. Auf diese Weise können auch durch Kleidung oder Bettlaken hindurch präzise Messungen erzielt werden. Statische „Präsenz“ wird durch flexible Schalter erkannt, während Piezo-Folienelemente alle dynamischen Vitalparameter des Patienten in entsprechende elektrische Signale umwandeln, die auf einer daneben stehenden Einheit mit Alarmlogik angezeigt werden können. Bei Abnormalitäten der Herz- oder Atemfrequenz oder bei einem unerlaubten Verlassen des Betts kann das System frühzeitig eine Warnung ausgeben – und das alles ohne direkten Patientenkontakt.