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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nichtinvasiven diagnostischen Messung von Bewegungen, die beispielsweise durch Atmung oder Herztätigkeit hervorgerufen sind mit einer Liegefläche.
In der medizinisch-physiologischen Diagnostik gibt es eine Reihe von bekannten, unterschiedlichen Aufnahmetechniken, um Aufschlüsse über physiomotorisch bedingte Manifestationen zu gewinnen. Der zu Untersuchende ist dabei an Elektroden oder Sensoren mittels Kabeln angeschlossen und/oder wird mit einer Infrarotkamera gefilmt.
Die hier beschriebene Methode zeichnet sich durch einfachste Handhabung aus, - der zu "Ob- servierende" liegt auf einer Unterlage, welche die Gesamtheit der Impulse seiner unwillkürlichen und willkürlichen Muskulatur nach Vektoren aufnimmt, elektronisch differenziert, analysiert und. So kann damit z. B. eine Änderung der Atmungstiefe, eine Behinderung des Atemweges, können Extrasystolen, Veränderungen der Körperlage, kurz-, jede Muskelkontraktion oder durch Muskelkontraktionen bedingte Äquivalente mit hoher Präzision elektronisch dargestellt und evaluiert werden.
Hauptanwendungsgebiet ist insbesondere die Langzeitobservation zu solchen diagnostischen Fragestellungen, die auch ihre Antwort in pathologischen Veränderungen der Motonk der unwillkürlichen und willkürlichen Muskulatur finden, sowie die Überwachung und Alarmgebung in kritischen Situationen.
Bekannt sind Vorrichtungen, die eine Liegefläche zur Detektion von Atem- oder Herzschlagbewegungen (a) oder zur Detektion respiratorischer Dysfunktionen (b) angeben, diese finden sich in der internationalen Offenlegungsschrift WO 96 08197 (ALAMED CORP) 21. März 1996 mittels eines fiberoptischen Bewegungsmonitor (a), sowie in der US Patentschrift US 5 435 317 (McMAHON) 25. Juli 1995 mittels Piezosensoren (b).
Im Gegensatz zu o. g. Apparaturen erlaubt die hier vorgestellte Vorrichtung eine dreidimensionale Auflösung der im zum untersuchendem Objekt freiwerdenden Vektoren, ihre lagespezifische Zuordnung und Ausbreitungsdynamik (z. B. Herzkontraktion mit darauffolgender Pulswelle), somit eine differenziertere Diagnostik.
(Sensoren, welche auf den Ptezoeffekt beruhen, haben ein eingeschränktes Frequenzband.)
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein starrer Rahmen (2) vorgesehen Ist, in welchem eine elastische Platte (1) eingespannt ist, wobei der starre Rahmen quasischwimmend auf einer elastischen Unterlage (5) liegt, wobei weiteres an der Unterseite der elastischen Platte mindestens eine Licht reflektierende Fläche (3) und an der Unterseite der Eckpunkte des starren Rahmens jeweils mindestens 2 reflektierende Flächen befestigt sind, deren, durch das auf der elastischen Platte liegende Objekt verursachten horizontalen und vertikalen Bewegungen von, den reflektierenden Flächen parallel gegenüberliegenden, Reflexoptokopplern (4) optometrisch detektiert werden
Die Funktion der Apparatur :
A) Mechanischer Teil (beweglich) (Fig. 1a, 1b, 1c)
Eine elastische Platte (1) aus Kunststoff, Metall oder anderem geeigneten Material ist von einem starren Rahmen (2) umgeben und mit ihm fest verbunden Sie hat in der Mitte ihrer Unter- seite zumindest eine horizontale, Licht reflektierende Fläche (3) z. B. aus Aluminium befestigt. Eine
Reflektoreneinheit mit jeweils drei Licht reflektierenden Flächen (cD1, cD2, cD3 am rechten oberen
Eckpunkt genannt) ist an der inneren Unterseite des SR nahe den Eckpunkten verbunden, von welcher zwei die vertikalen Bewegungen des starren Rahmens (2), nämlich cD1, cD2 und eine die horizontalen Bewegungen, nämlich < M, an drei Reflexoptokopplern (4) übermitteln.
Ein Teil des starren Rahmens (2) lieg "quasischwimmend"auf der elastischen, maximal dämpfenden oberen
Randseite des schachteiförmig gebauten, tragenden Gehäuses (6). (Siehe auch Fig. 2c und 2d).
B) Mechanlsch-detektlonselektronischer Teil (nichtbeweglich) (Fig. 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 3a)
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Der starre Rahmen (2) liegt mit etwa seiner äusseren Hälfte quasischwimmend auf einem Lförmigen elastischen, maximal dämpfenden Material (5), das von der Gehäusewand (6) getragen wird (Fig. 2a, im Querschnitt dargestellt). Der starre Rahmen (2) mitsamt der elastischen Platte (1), beide von minimalst möglichem Eigengewicht, und der darauf liegenden Gewichtskraft (Objekt) können um ca. einen Millimeter innerhalb des elastischen Bereichs nach unten und allen Seiten bewegt, schief gestellt, aber auch um etliche Minuten rotiert werden, kehren aber nach Beendigung einer Krafteinwirkung (Impuls) in ihre Ursprungslage zurück ("negativer Hooke").
In der praktischen Anwendung wird der Oberteil der elastischen Platte (1) mit einer welchen, homogenen und liegefreundlichen Unterlage beschichtet sein. Im funktionstuchtigen Zusammenbau des beweglichen mit dem unbeweglichen Teil haben sich die Licht reflektierenden Flächen (3) (Fig. 2c und Fig. 2d, Fig. 4a) bis auf etwa 5 Millimeter (in Fig. 2e als D" ((Distanz)) markiert) den Reflexoptokopplern (4) parallel genähert (Fig. 2a und Fig. 2e). Diese sind an geeigneten Plätzen mit dem Gehäuse fest verbunden (10). Ein vieradriges, geschirmtes Kabel (7) speist jeden Reflexoptokoppler. Die Kabel werden entweder zusammen nach aussen geführt oder als Buchsenverbindung an der Aussenseite des Gehäuses gesammelt.
C) Funktionale Einheit (Mechanik - Optoreflexometrie) (Fig. 2e, 3a, 3b, 4a)
Diese Einheit wandelt Abstandsänderungen der Licht reflektierenden Flachen (3) zu den Reflexoptokopplern (4) in elektrische Signale um. Der Reflexoptokoppler besteht aus einer Infrarot -
LED (11) und einer Photodiode, respektive Phototransistor (12). Die Photodiode (Phototransistor) des Reflexoptokopplers (4) ist als Beleuchtungsstärkeabhängige Impedanz im analogen Eingangsteil geschaltet (Fig. 5a).
Die Stärke des von der Photodiode empfangenen Lichtes (E) ist abhängig von der Lange des Lichtweges (2D) (Fig. 2e) von der divergierende Licht emittierenden
Infrarot-LED, der Lichtstärke der LED (I), der Streuungs- und Absorptionskoeffizienten der reflektie-
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:quadratische Funktionen der Abstandsänderungen der jeweiligen Licht reflektierenden Flächen (3) zu den Sensoren, welche durch weitere Verstärkungen (DC, AC) und analogen Bearbeitungen (Filterung, Multiplizierung u. ä.) Daten über die unterschiedlichen Vektoren und Gewichtskräfte geben, welche an der Liegefläche wechselwirkend mit dem Objekt zur Ubertragung kamen.
Unter Verwendung konventioneller rauscharmer Verstärkungsglieder, stabilisierter Spannungsversorgung, stabilisierter Stromversorgung für die Infrarot LED (11), bei einem Lichtweg von LED zur Photodiode (-transistor) von nicht mehr als einem Zentimeter betragt das Auflosungsvermogen für den Reflexoptokoppler CNY 70 von Telefunken ca. 3 Mikrometer
D) Gewinnung differenzierter elektronischer Daten von dem auf der elastischen Platte liegenden Objekt. (Es wird eine Liegefläche mit 13 Abstandsmesseinhelten angenommen Es können sowohl weniger, = geringere Vektorenauflösung, als auch mehr, = höhere Vektorenauflösung sein) (Fig. 4a, Fig 5a, 5b) 1. Benennung einer Reflexoptokoppler - Licht reflektierenden Flächen Einheit als On (Fig. 3a, 4a)
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< 11OP - DC Stufe (22) (Fig. 5a)
3.
Abstandsänderungen von < 1 und 02 (und ihre drei Konterparts) zu den Reflexoptokopplern definieren den Vektorenverlauf auf der X-Y Achse, #3 (seine 3 Konterparts und 013) auf der ZAchse.
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4. Beschreibung der Eingangsverstärkerstufe : (Fig. 5a)
Das von der LED (11) ausgestrahlte Licht (A) wird von der Licht reflektierenden Fläche (3) auf die Photodiode (12) zurückgeworfen, in der Lichtstärke abhängig vom Abstand der Licht reflektierenden Fläche Diese ändert ihren Widerstand und somit die Spannung welche den Operationsverstärkern, die als Spannungsfolger konzipiert sind, (OP 1 - 5) zugeführt wird.
OP 5 (22) verstarkt dieses Signal im DC Modus Die Verstärkereinheiten OP2 (OP4), R1 (R2), C1, (C2), OP6 (OP7) ergeben zusammen mit OP1, (OP3), (20, 21) eine Filtereinheit, deren Frequenzselektion von den RC Gliedern abhängig ist, und die bei Signalende die Instrumentationsverstärker zu Null Volt Ausgang treiben (die Spannungen an den invertierenden und nichtinvertierenden Eingängen der Instrumentationsverstärker werden gleich). R1C1 sind klein dimensioniert und selektieren schnelle Impulse wie Herztöne, Puls und Muskelfibrillationen = Hochpassfunktion, R2C2 sind hoch dimensioniert und selektieren langsame Impulse wie z. B. die Atmung = Tiefpassfunktion.
Die Instrumentenverstärker (23, 24) haben eine fest eingestellte Verstärkung. Eine Verkürzung des Lichtwege wird als ein Positiverwerden des ursprünglichen Wertes der Signalspannung weitergeleitet.
5. Beschreibung der Weiterverarbeitung der von der Eingangsverstärkerstufe gewonnenen Spannungssignaien, vereinfacht dargestelltes Funktionsdiagramm : (Fig. 5b)
Hoch- und Tiefpasssignale werden einer weiteren Filtrierung unterzogen, eventuell wird auch ein 50 Hz Filter vorgeschaltet, und weiterverstärkt (25, 26). Von beiden Signalen wird der Absolute Value" generiert (27). Der Absolute Vaiue"des Tiefpasssignais und das originale Tiefpasssignal steuern uber einen Vier Quadranten Multiplier (28) einen Voitage controled amplifier" (29) um die Verzerrungen der Amplituden der Hochpasssignale zu korrigieren (Fig. 7c).
Original und Absolute Value" Signale speisen Komparatoren und Sample and Hold" Einheiten (31), die ihrerseits auch von allen andern in Funktion stehenden Vorverstärkereinheiten gespeist und werden (40). Diese Vorrichtung ist besonders dann notwendig, wenn keine weitere Computerverarbeitung zur Verfügung steht und Überwachungs- mit Alarmfunktion gewünscht wird.
Eine "Clock" (32) steuert SH Funktionen und Counter (31), die ADCs (34) für die CPU (38) des Computers sowie einen analog aufgebauten "Watchdog" (33) mit eigener Stromversorgung (42), der die Spannungsüberwachung des Gesamtsystems (35), die Programmierung der Grenzwerte zur Alarmgebung entweder handisch (36) oder über den Computer (37) zulässt, eine Steuerlinie zu alarmgebenden Vorrichtungen (Relais mit Hupe o. ä.) (41) unterhält und bei Abnehmen der alarmgebenden Stromstarke (Hupe) eben diese auslöst (43).
Die von den DC OPs verstärkten Signale ( < M, 06, < M, < M2, 013) (39) (Fig. 3a, Fig. 4a) werden durch Vier Quadranten Muitiplier und mittels Komparatoren (30) so umgewandelt, dass sie Lage und Gewichtskraft des virtuellen Schwerpunktes des Objekts angeben
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E) Erklarungen zu den generierten Signalen, dargestellt an Speicheroszilloskopbildern (nachgezeichnet und Idealisiert) :
Fig 6a
Auf der elastischen Platte liegt keine Gewichtskraft. Alle Ausgange der DC Operations- verstärker liegen im selben negativen Bereich, der Lichtweg LED zur Photodiode ist gross. HP und TP liegen gegen Null Ausgangsspannung.
Fig 6b :
Eine Gewichtskraft (G) liegt In der Mitte der elastischen Platte. An allen vier Eckpunkten des starren Rahmens haben sich die Licht reflektierenden Flächen den Reflexopto- kopplern um die gleiche Lange genähert, den Widerstand der Photodiode (-transistor) verringert und an den Ausgängen aller DC Operationsverstarker die gleiche positive Aus- gangsspannung erzeugt. HP und TP liegen gegen Null Ausgangsspannung Flog. 6c
Die gleiche Gewichtskraft (G) wird in die rechte obere Ecke verschoben. Der Lichtweg Ist nun bei allen vier Reflexoptokopplern ein verschiedener, damit sind auch die DC
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Ausgangsspannungen verschieden und geben ein Bild von der Lage des Objektes auf der elastischen Platte. Die Ausgangsspannungen von HP und TP bleiben unverändert.
Fig. 7a :
Eine Person liegt ruhig auf der elastischen Platte und atmet Der von (dol 3 aufgenomme- ne Spannungsverlauf (a) zeigt die Ein- (positiver Bereich) und Ausatmung (negativer Be- reich) und wurde nach dem Tiefpass (26) in das Oszilloskop gespeist. Die Kurve welche
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veränderungl) erst später ihr Maximum.
Fig. 7b :
Der selbe Spannungsverlauf von 013 wie in Fig 7a nur vor dem Tiefpassfilter Man sieht die durch Herzaktion verursachten spitzen Pulszacken Fig 7c :
Spannungskurvenverlauf von 013 über HP von IA 1 (23) nach Absotute Vaiue"Detekti- on (27), (a). Das selbe Signal nach Korrektur durch Vier Quadranten Multiplier (28) und spannungsgesteuerten Verstärker (29) (b).
Die Amplituden korrigierende Steuerfunktion für den Vier Quadranten Multiplier wird aus der tiefpassgefilterten Atmungskurve gewon-
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des detektierten DC - Signalspannungsverlaufes auftreten (A-Bereich). Diese sind für die vorgesehenen Anwendungen ohne negative Bedeutung Bei einem von der Mitte ausge- henden, zu zwei Seitenrändern parallel verlaufenden Impuls sind jeweils 4 Detektoren gleichgeschaltet (Fig. 8a und 8b). Bei nicht parallelen Impulsverlauf geben die unter- schiedlichen Spannungen die Richtung des Impulses an (Fig. 8c) Fig. 9a
Darstellung der Eigenschwingung des Systems nach kurzem Berühren einer inerten
Gewichtskraft (Pfeile). Die Eigenschwingung des Systems sollte möglichst klein sein (Frage der verwendeten Materialien).
Fig 9b :
Darstellung einer prematuren Extrasystole (bei 29), mit kompensatorischen Pause und darauffolgend verstärktem Herzschlag Fig. 9c :
Kurvenverlauf bei kunstlich induziertem Atemhindernis (Schnappatmung) (a) im Ver- gleich zu einer normalen Atemkurve (b).
Fig. 10a :
Darstellung eines möglichen Signalkurvenverlaufs bei Hebung und Senkung der linken
Hand (maximale Tiefpassfilterung). Die Stärke der anfanglich beschleunigten Bewegung wird durch die Steilheit des Kurvenverlaufs definiert, die Masse und Lage durch Signal- kurvenänderung an den DC OP Amps (nicht eingezeichnet).
Fig 1 Ob.
Mehrfach Hochpass gefiltertes Signa ! an 013. Bei gleichzeitiger Abnahme und Sicht- barmachung eines EKGs zeigt sich das erste Kurvenmaximum (a) kurz nach dem QRS
Komplex (Kontraktion des Herzmuskels). Während der T-Phase zeigt sich eine ab- schwellende (gedämpfte) Schwingung (b, c) als Ausdruck der Dynamik des Blutflusses.
Dieser Kurvenverlauf ist abhängig von der Lage des Objektes und wahrscheinlich auch vom Tonus und der elastischen Beschaffenheit der blutführenden Gefässe.
Fig. 10c-
Dieselbe Signalkurve wie in Fig. 10b nach Absolute Vatue"Detekton und Tiefpassfilte- rung. Sie wird zur elektronischen Pulsfrequenzbestimmung benützt.
Bezugszeichenliste-
1 elastische Platte
2 starrer Rahmen
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3 Licht reflektierende Fläche
4 Reflexoptokoppler
5 Elastisches Material
6 Gehause
7 Kabel 10 Reflexkopplerhalterung 11 LED 12 Photodiode (-transistor) 20 Verstärkereinheit HP 21 Verstärkereinheit TP 22 DC OP Verstärkerstufe
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24 Instrumentationsverstarker 2
25 Hochpass
26 Tiefpass
27 Absolute Value Detektor
28 Vier Quadranten Multiplier
29 Spannungsgesteuerter Verstärker
30 Vier Quadranten Multiplier und Komparatoren
31 Komparatoren und Sam pie and Hold
32 Clock
33 Watchdog
34 ADCs
35 Spannungsüberwachung
36 Grenzwerteingabe analog
37 Grenzwerteingabe Tastatur Computer
38 Schnittstelle
39 Schnittstelle DC OP Amps
40 Schnittstelle AC OP Amps
41 Alarmsteuerlince
42 Stromversorgung Watchdog
43 Stromkontrolle Watchdog Bezugszeichenliste Figuren Fig. 1 a :
elastische Platte und starrer Rahmen von oben Fig. 1 b : Das selbe von unten mit den Licht reflektierenden Flächen Fig. 1c : Querschnitt Fig 2a : Querschnitt durch das Gehäuse und Funktionsgruppen Fig. 2b. Symbol des Reflexoptokoppiers mit Halterung Fig. 2c und 2d Schematische Darstellung der Licht reflektierenden Flächen Fig. 2e. Schematische Darstellung des Lichtwegs von der LED über die Licht reflektierende
Fläche zur Photodiode (-transistor) Fig. 3a : Schematische Darstellung der Funktionseinheit "starrer Rahmen", zwei "vertikal
Licht reflektierende Flächen", eine horizontal Licht reflektierende Fläche"mit dre !
Reflexoptokopplern. Ansicht von schräg unten Fig. 3b. Aufbau Reflexoptokoppler Fig 4a Benennung der Licht reflektierenden Flachen (Erklarung zu Fig. 10a) Fig. 5a.
Vereinfachte Darstellung der Eingangsverstärkerstufe Fig 5b. Schematische Darstellung der Signalaufarbeitung von der Eingangsverstärkerstufe
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Fig. 6a : Ausgangsspannungen bei nicht belasteter Liege Fig. 6b : Ausgangsspannungen bei exakt in der Mitte belasteter Liege Fig. 6c : Ausgangsspannungen bei seitlich belasteter Liege. Die DC Ausgänge zeigen den virtuellen Schwerpunkt an Fig 7a : Normale Tiefpass gefilterte Atmungskurve Fig. 7b. Nichtgefiltertes Kurvenbild von cE'13.
Fig. 7c : Nicht korrigierte und korrigierte Pulsverlaufskurve Fig. 8a, b, c : Darstellung verschiedener Impulsverläufe, richtungsabhängig und Verzerrun- gen durch RC Glieder in der Eingangsverstärkung Fig. 9a : Berührung einer inerten Gewichtskraft löst Eigenschwingungen des Systems aus Fig. 9b : Darstellung einer Extrasystole Fig. 9c : Vergleich Schnappatmung zu normaler In-Exspiration Fig. tOa : Möglicher Signalkurvenverlauf bei Bewegung einer Extrem ! tät Fig. 10b und 10c : Hochpass gefiltertes Signal im zeitlichen Zusammenhang mit einem EKG und Darstellung das selben Signals als Puls zwecks Pùlsfrequenzbestimmung.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Vorrichtung zur nichtinvaslven diagnostischen Messung von Bewegungen, die beispiels- weise durch Atmung oder Herztätigkeit hervorgerufen sind, mit einer Liegef) äche, gekenn- zeichnet dadurch, dass ein starrer Rahmen (2) vorgesehen ist, in welchem eine elastische
Platte (1) eingespannt ist, wobei der starre Rahmen quasischwimmend auf einer elasti- schen Unterlage (5) liegt, wobei weiteres an der Unterseite der elastischen Platte mindes- tens eine Licht reflektierende Fläche (3) und an der Unterseite der Eckpunkte des starren
Rahmens jeweils mindestens 2 reflektierende Flachen befestigt sind, deren, durch das auf der elastischen Platte liegende Objekt verursachten honzontalen und vertikalen Bewegun- gen von, den reflektierenden Flächen parallel gegenüberliegenden, Reflexoptokopplern (4)
optometrisch detektiert werden.
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The invention relates to a device for the non-invasive diagnostic measurement of movements which are caused, for example, by breathing or cardiac activity, with a lying surface.
In medical-physiological diagnostics, there are a number of known, different recording techniques in order to obtain information about manifestations caused by physiomotor activity. The person to be examined is connected to electrodes or sensors by means of cables and / or is filmed with an infrared camera.
The method described here is characterized by the simplest handling, - the "to be served" lies on a base, which electronically differentiates, analyzes and analyzes the whole of the impulses of its involuntary and arbitrary muscles according to vectors. So z. B. a change in the depth of respiration, an obstruction of the airway, extrasystoles, changes in body position, briefly, any muscle contraction or equivalent due to muscle contractions can be electronically displayed and evaluated with high precision.
The main area of application is in particular long-term observation on such diagnostic questions, which are also answered in pathological changes in the motonk of the involuntary and voluntary muscles, as well as monitoring and alarming in critical situations.
Devices are known which specify a lying surface for the detection of breathing or heartbeat movements (a) or for the detection of respiratory dysfunctions (b). a), and in US Pat. No. 5,435,317 (McMAHON) July 25, 1995 by means of piezo sensors (b).
In contrast to the above The apparatus presented here allows apparatuses to have a three-dimensional resolution of the vectors released in the object to be examined, their location-specific assignment and propagation dynamics (e.g. heart contraction followed by a pulse wave), and thus more differentiated diagnostics.
(Sensors based on the ptezo effect have a limited frequency band.)
According to the invention, this object is achieved in that a rigid frame (2) is provided, in which an elastic plate (1) is clamped, the rigid frame lying quasi-floating on an elastic base (5), further on the underside of the elastic plate at least one light-reflecting surface (3) and at least 2 reflecting surfaces are attached to the underside of the corner points of the rigid frame, the horizontal and vertical movements of the reflex optocouplers opposite the reflecting surfaces and caused by the object lying on the elastic plate ( 4) be detected optometrically
The function of the equipment:
A) Mechanical part (movable) (Fig. 1a, 1b, 1c)
An elastic plate (1) made of plastic, metal or other suitable material is surrounded by a rigid frame (2) and firmly connected to it. In the middle of its underside it has at least one horizontal, light-reflecting surface (3) z. B. made of aluminum. A
Reflector unit with three light-reflecting surfaces (cD1, cD2, cD3 on the upper right
Called corner point) is connected on the inner underside of the SR near the corner points, two of which transmit the vertical movements of the rigid frame (2), namely cD1, cD2 and one the horizontal movements, namely <M, to three reflex optocouplers (4).
Part of the rigid frame (2) lies "quasi-floating" on the elastic, maximum damping upper
Edge of the box-shaped, load-bearing housing (6). (See also Fig. 2c and 2d).
B) Mechanical electronic part (non-movable) (Fig. 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 3a)
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The rigid frame (2) lies with its outer half quasi-floating on an L-shaped elastic, maximum damping material (5) which is carried by the housing wall (6) (Fig. 2a, shown in cross section). The rigid frame (2) together with the elastic plate (1), both of the lowest possible dead weight, and the weight (object) lying on it can be moved down and all sides by about one millimeter within the elastic range, but also tilted are rotated by several minutes, but return to their original position after the application of a force (impulse) ("negative hook").
In practical use, the upper part of the elastic plate (1) will be coated with which, homogeneous and lying-friendly underlay. In the functional assembly of the movable and the immovable part, the light-reflecting surfaces (3) (FIG. 2c and FIG. 2d, FIG. 4a) have been marked up to approximately 5 millimeters (in FIG. 2e as D "((distance)) ) approach the reflex optocouplers (4) in parallel (Fig. 2a and Fig. 2e), which are firmly attached to the housing at suitable places (10). A four-core, shielded cable (7) feeds each reflex optocoupler guided outside or collected as a socket connection on the outside of the housing.
C) Functional unit (mechanics - optoreflexometry) (Fig. 2e, 3a, 3b, 4a)
This unit converts changes in distance of the light-reflecting surfaces (3) to the reflex optocouplers (4) into electrical signals. The reflex optocoupler consists of an infrared
LED (11) and a photodiode or phototransistor (12). The photodiode (phototransistor) of the reflex optocoupler (4) is connected as an illuminance-dependent impedance in the analog input part (FIG. 5a).
The strength of the light (E) received by the photodiode depends on the length of the light path (2D) (Fig. 2e) of the diverging light emitting
Infrared LED, the light intensity of the LED (I), the scattering and absorption coefficients of the reflective
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: quadratic functions of the changes in distance of the respective light-reflecting surfaces (3) to the sensors, which, through further amplifications (DC, AC) and analog processing (filtering, multiplication, etc.), give data about the different vectors and weight forces, which occur at the Lying surface interacting with the object came to be transferred.
Using conventional low-noise amplifying elements, stabilized voltage supply, stabilized power supply for the infrared LED (11), with a light path from LED to photodiode (transistor) of no more than one centimeter, the resolution for the reflex optocoupler CNY 70 from Telefunken is approx. 3 micrometers
D) Obtaining differentiated electronic data from the object lying on the elastic plate. (A lying surface with 13 distance measurement units is assumed. There may be less, = lower vector resolution, as well as more, = higher vector resolution) (Fig. 4a, Fig. 5a, 5b) 1. Name of a reflex optocoupler - light reflecting surface unit as On ( 3a, 4a)
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<11OP - DC stage (22) (Fig. 5a)
Third
Distance changes from <1 and 02 (and their three counterparts) to the reflex optocouplers define the vector course on the X-Y axis, # 3 (its 3 counterparts and 013) on the Z axis.
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4. Description of the input amplifier stage: (Fig. 5a)
The light (A) emitted by the LED (11) is thrown back from the light-reflecting surface (3) onto the photodiode (12), in terms of the light intensity depending on the distance of the light-reflecting surface. This changes its resistance and thus the voltage which the operational amplifiers , which are designed as voltage followers (OP 1 - 5).
OP 5 (22) amplifies this signal in DC mode. The amplifier units OP2 (OP4), R1 (R2), C1, (C2), OP6 (OP7) together with OP1, (OP3), (20, 21) result in a filter unit, whose frequency selection depends on the RC elements and which drive the instrumentation amplifiers to zero volt output at the end of the signal (the voltages at the inverting and non-inverting inputs of the instrumentation amplifiers become the same). R1C1 are small in size and select fast impulses such as heart sounds, pulse and muscle fibrillations = high pass function, R2C2 are large in size and select slow impulses such as B. breathing = low pass function.
The instrument amplifiers (23, 24) have a fixed gain. A shortening of the light path is passed on as a positive of the original value of the signal voltage.
5. Description of the further processing of the voltage signals obtained from the input amplifier stage, function diagram shown in simplified form: (FIG. 5b)
High and low pass signals are subjected to further filtering, a 50 Hz filter may also be connected upstream and further amplified (25, 26). The absolute value "of both signals is generated (27). The absolute value of the low-pass signal and the original low-pass signal control a Voitage controled amplifier" (29) via a four quadrant multiplier (28) in order to correct the distortions of the amplitudes of the high-pass signals ( Fig. 7c).
Original and Absolute Value "signals feed comparators and sample and hold" units (31), which in turn are also fed by all other pre-amplifier units in operation (40). This device is particularly necessary when no further computer processing is available and monitoring with an alarm function is desired.
A "clock" (32) controls SH functions and counters (31), the ADCs (34) for the CPU (38) of the computer and an analog "watchdog" (33) with its own power supply (42), which monitors the voltage of the Entire system (35), the programming of the limit values for alarming either manually (36) or via the computer (37), maintains a control line for alarm devices (relays with horn or similar) (41) and when the alarming current strength decreases ( Horn) triggers this (43).
The signals amplified by the DC OPs (<M, 06, <M, <M2, 013) (39) (Fig. 3a, Fig. 4a) are converted by four quadrants and by means of comparators (30) so that they position and specify the weight of the virtual center of gravity of the object
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E) Explanations of the generated signals, shown on storage oscilloscope images (traced and idealized):
Fig. 6a
There is no weight on the elastic plate. All outputs of the DC operational amplifiers are in the same negative range, the light path LED to the photodiode is large. HP and TP are close to zero output voltage.
Fig 6b:
A weight (G) is in the middle of the elastic plate. At all four corner points of the rigid frame, the light-reflecting surfaces have approached the reflex optocouplers by the same length, reduced the resistance of the photodiode (transistor) and generated the same positive output voltage at the outputs of all DC operational amplifiers. HP and TP are near zero output voltage. 6c
The same weight (G) is moved to the top right corner. The light path is now a different one for all four reflex optocouplers, so are the DC
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Output voltages differ and give an image of the position of the object on the elastic plate. The output voltages from HP and TP remain unchanged.
Fig. 7a:
A person lies calmly on the elastic plate and breathes. The voltage curve (a) recorded by (dol 3) shows the inhalation (positive area) and exhalation (negative area) and was fed into the oscilloscope after the low pass (26) The curve which
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changel) their maximum later.
Fig. 7b:
The same voltage curve of 013 as in FIG. 7a only before the low-pass filter. The sharp pulse waves caused by heart action are shown in FIG. 7c:
Voltage curve profile from 013 via HP from IA 1 (23) according to Absotute Vaiue "detection (27), (a). The same signal after correction by four quadrant multiplier (28) and voltage-controlled amplifier (29) (b).
The amplitude correcting control function for the four quadrant multiplier is obtained from the low-pass filtered breathing curve.
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of the detected DC signal voltage curve occur (A range). These are of no negative significance for the intended applications. In the case of a pulse originating from the center and running parallel to two side edges, 4 detectors are switched in series (FIGS. 8a and 8b). If the pulse curve is not parallel, the different voltages indicate the direction of the pulse (FIG. 8c) FIG. 9a
Representation of the natural vibration of the system after briefly touching an inert one
Weight force (arrows). The natural vibration of the system should be as small as possible (question of the materials used).
Fig 9b:
Representation of a premature extrasystole (at 29), with compensatory pause and subsequently increased heartbeat Fig. 9c:
Curve course with artificially induced breathing obstacle (snap breathing) (a) compared to a normal breathing curve (b).
10a:
Representation of a possible signal curve course when raising and lowering the left
Hand (maximum low pass filtering). The strength of the initially accelerated movement is defined by the steepness of the curve, the mass and position by changing the signal curve on the DC OP amps (not shown).
Fig 1 Ob.
Multiple high-pass filtered Signa! on 013. With simultaneous acceptance and visualization of an EKG, the first curve maximum (a) appears shortly after the QRS
Complex (contraction of the heart muscle). During the T phase, a swelling (damped) oscillation (b, c) is shown as an expression of the dynamics of the blood flow.
This course of the curve depends on the position of the object and probably also on the tone and the elastic nature of the blood-carrying vessels.
Fig. 10c-
The same signal curve as in FIG. 10b according to Absolute Vatue "detection and low-pass filtering. It is used for electronic pulse frequency determination.
Bezugszeichenliste-
1 elastic plate
2 rigid frames
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3 light reflecting surface
4 reflex optocouplers
5 Elastic material
6 housing
7 cables 10 reflex coupler bracket 11 LED 12 photodiode (transistor) 20 amplifier unit HP 21 amplifier unit TP 22 DC OP amplifier stage
EMI5.1
24 instrumentation amplifier 2
25 high pass
26 low pass
27 Absolute value detector
28 Four quadrants multiplier
29 Voltage controlled amplifier
30 Four quadrants of multipliers and comparators
31 comparators and sam pie and hold
32 clock
33 watchdog
34 ADCs
35 Voltage monitoring
36 Limit input analog
37 Limit input keyboard computer
38 interface
39 DC OP amps interface
40 AC OP amps interface
41 Alarm control lens
42 Power supply watchdog
43 Current control watchdog reference symbol list figures Fig. 1 a:
elastic plate and rigid frame from above Fig. 1b: the same from below with the light reflecting surfaces Fig. 1c: cross section Fig 2a: cross section through the housing and functional groups Fig. 2b. Symbol of the reflex optocoupler with holder Fig. 2c and 2d Schematic representation of the light reflecting surfaces Fig. 2e. Schematic representation of the light path from the LED via the light reflecting
Area to the photodiode (transistor) Fig. 3a: Schematic representation of the functional unit "rigid frame", two "vertical
Light reflecting surfaces ", a horizontally light reflecting surface" with dre!
Reflex optocouplers. View obliquely from below Fig. 3b. Structure of the reflex optocoupler Fig. 4a Name of the light-reflecting surfaces (explanation for Fig. 10a) Fig. 5a.
Simplified representation of the input amplifier stage Fig. 5b. Schematic representation of the signal processing from the input amplifier stage
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Fig. 6a: Output voltages when the bed is not loaded Fig. 6b: Output voltages when the bed is loaded exactly in the middle Fig. 6c: Output voltages when the bed is loaded laterally. The DC outputs show the virtual center of gravity Fig. 7a: Normal low-pass filtered breathing curve Fig. 7b. Unfiltered graph from cE'13.
Fig. 7c: uncorrected and corrected pulse curve Fig. 8a, b, c: representation of different pulse curves, direction-dependent and distortion by RC elements in the input gain Fig. 9a: touching an inert weight triggers natural vibrations of the system Fig. 9b: representation an extrasystole Fig. 9c: Comparison of snap breathing to normal in-expiration Fig. tOa: Possible signal curve course when moving an extremity! Fig. 10b and 10c: high-pass filtered signal in connection with an EKG and display of the same signal as a pulse for pulse frequency determination.
PATENT CLAIMS: 1. Device for the non-invasive diagnostic measurement of movements caused, for example, by breathing or cardiac activity, with a lying surface, characterized in that a rigid frame (2) is provided, in which an elastic frame
Plate (1) is clamped, the rigid frame lying quasi-floating on an elastic base (5), with at least one light-reflecting surface (3) on the underside of the elastic plate and on the underside of the corner points of the rigid plate
At least two reflecting surfaces are attached to the frame, the horizontal and vertical movements of the reflex optocouplers (4), which are parallel to the reflecting surfaces, caused by the object lying on the elastic plate.
be detected optometrically.