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Mikro-Laser-Doppler-Sensor: Blutfluss berührungslos messen

Der Mikro-Laser-Doppler-Sensor zielt auf die Geschwindigkeitsmessung von lichtstreuenden Objekten. Er kann für die in-vivo-Bewertung der Strömungsgeschwindigkeit von Blut in der Haut genutzt werden und zahlreiche Krankheitssymptome und Heilungsprozesse können überwacht werden.

Schematisches Funktionsprinzip Bildquelle: © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik

Schematisches Funktionsprinzip des MiLD Sensors

Derzeitig verfügbare Systeme für die in-vivo-Bewertung der Strömungsgeschwindigkeit von Blut verwenden optische Fasern, die aber bewegungsempfindlich sind und damit kaum für mobile Anwendungen genutzt werden können. Zudem ist die Aussagekraft bei der Verwendung von nur einer Lichtwellenlänge auf relative und probandenspezifische Analyseergebnisse beschränkt.

MiLD-Sensor Bildquelle: © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik

MiLD-Sensor

Um Abhilfe zu schaffen, verfügt der Mikro-Laser-Doppler (MiLD) Sensor über mehrere, direkt integrierte Laserquellen (VCSEL). Das Sensorprinzip basiert auf dem Doppler-Effekt, durch den eine Frequenzverschiebung des eingestrahlten Laserlichts an den beweglichen Streuzentren erfolgt, wodurch das rückgestreute Licht effektiv eine Frequenzverbreiterung erfährt. Die Verbreiterung im Frequenzspektrum einiger 10 kHz kann sehr gut mit einem exponentiellen Abklingen beschrieben werden. Dabei zeigt  der Exponent einen linearen Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit.

Anwendungsgebiete und Innovationen

  • Berührungslose Geschwindigkeitsmessung von Feststoffen und Flüssigkeiten
  • Medizinische Anwendung zur Bewertung der Durchblutungssituation
  • Erhöhter Informationsgehalt durch Verwendung mehrerer Wellenlängen (3 Lichtquellen je Sensor)
  • Mobile Anwendungen und Monitoring durch:
    • Kompakte Bauform
    • Auf die Anwendung angepasste Lichtquellen (LEDs, VCSEL, Laser)
    • Vermeidung von optischen Fasern
      • reduzierte Bewegungsartefakte
Frequenzspektren bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten laminar strömender Milch in einem PTFE-Schlauch mit exponentieller Modellfunktion Bildquelle: © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik

Frequenzspektren bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten laminar strömender Milch in einem PTFE-Schlauch mit exponentieller Modellfunktion

Technische Parameter Chip:

  • Sensorgröße: 3,5 mm x 5,5 mm x 0,8 mm
  • Abgestrahlte Laser-Leistung: < 5 mW
  • Verfügbare Wellenlängen: 670, 780, 850 und 980 nm, andere auf Anfrage
  • Leistungsaufnahme: < 10 mW
  • Ausgangssignale: µA bis mA

Gesamtsystem:

Eine im Haus CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik entwickelte Ansteuerung und analoge, zweistufige Vorverstärkung (rauscharm, 100 Hz bis 50 kHz Bandbreite) kann genutzt werden. Für die Datenerfassung wird ein 24 bit, 102,4 kHz A/D-Wandler oder besser empfohlen. Auswertung der Daten erfolgt am Computer, Evaluierungssoftware auf Anfrage.

Teile der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (FKZ: VF140011).

Kennlinie bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten laminar strömender Milch in einem PTFE-Schlauch Bildquelle: © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik

Kennlinie bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten laminar strömender Milch in einem PTFE-Schlauch