DE102004020515A1

DE102004020515A1 - Verfahren und Vorrichtung zur drahtlosen Aufzeichnung und Fernüberwachung von Muskelaktivitäten bei Tieren

Info

Publication number: DE102004020515A1
Application number: DE102004020515A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Engel; Andreas Dr.-Ing. Rösch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-10

Abstract

Die Erfassung der elektrischen Muskelaktivität und als Sonderform die Erfassung der Herzmuskelaktivität als EKG sind als nichtinvasive Untersuchungsmethoden in der Medizin bekannt. Sie erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand, verbunden mit einer umfangreichen Verkabelung des Patienten. Während man dies einem erwachsenen Patienten noch plausibel machen kann, führt diese Untersuchungsmethode bei Kindern oder insbesondere bei Tieren zur erheblichen Abwehr, die das Untersuchungsergebnis stark verfälschen oder gar unmöglich machen. Die beschriebene Erfindung miniaturisiert und ergonomisiert die am Patienten bzw. Tier befindliche Messvorrichtung so weit, dass diese auch über eine längere Dauer, ohne weiter zu stören, angelegt bleiben kann. Gegenüber bereits bekannten Daueraufzeichnungsverfahren wie das Langzeit-EKG sind jedoch die Untersuchungsergebnisse ohne Zeitverzug sofort auswertbar und bei einer Änderung des Krankheitsbildes sofortige Gegenmaßnahmen ergreifbar. DOLLAR A Die ergonomische Miniaturisierung der Erfassung von Muskelaktivitäten gelingt durch räumliche Trennung der eigentlichen Messvorrichtung von der Auswerte- bzw. Anzeigeinheit. Am Patienten wird nur noch eine miniaturisierte Messwerterfassung mit einem kleinen batteriebetriebenen Gerät durchgeführt, das aber bereits die Digitalisierung, Fehlerkorrektur und Messwertverarbeitung durchführt. Über eine fehlersichere drahtlose digitale Verbindung werden die Messwerte an einen Computer übertragen, der nicht nur die ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die notwendige Vorrichtung zur drahtlosen Aufzeichnung und Fernüberwachung von Muskelaktivitäten bei Tieren gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Stand der Technik
Die Aufzeichnung von Muskelaktivitäten in Form eines Elektromyogramms (EMG) stellt in der Medizin ein lange bekanntes sowie bewährtes Standardverfahren zur nichtinvasiven Diagnostik und Beurteilung von Muskelerkrankungen beim Menschen dar. Neben Erkrankungen können auch Aussagen über den Erregungs- und Stoffwechselzustand bestimmter Muskelgruppen gemacht werden, so dass sich entsprechende Messverfahren auch zur Beurteilung des Trainingszustandes und der Evaluation von Grenzbelastungen im Leistungssport etabliert haben. Eine Sonderform des EMG ist die Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Herzmuskels, welche als Elektrokardiogramm (EKG) bezeichnet wird. Die autonome Erregungsausbreitung über den gesamten Herzmuskel kann elektrisch als dreidimensionale Wanderung eines Dipols über eine im Rhythmus der Herzfrequenz periodisch wiederkehrende Zeitachse betrachtet werden. Über empfindliche Messableitungen an den Extremitäten kann die Spannungsdifferenz des wandernden Dipols als zweidimensionale Projektion des Spannungsverlaufes über die Zeit aufgezeichnet werden. Zeichnet man mehrere Ableitungen zwischen verschiedenen Extremitäten und gegebenenfalls im Bezug zu einer Brustwandelektrode auf, lässt sich aus diesen zweidimensionalen Ableitungen unter verschiedenen Projektionsrichtungen der dreidimensional Verlauf des wandernden Dipols rekonstruieren. Da die Projektion des Dipols auf die äußere zweidimensionale Ableitung nicht nur von der Lage der angebrachten Elektroden sondern auch von der Lage des Herzens im Körper abhängig ist, bedarf es einer großen klinischen Erfahrung, um entsprechende EKG-Aufzeichnungen auswerten und eventuelle krankhafte Veränderung des Herzmuskels oder seiner Erregungsausbreitung erkennen zu können. Auch klinisch zunächst unauffällige Infarkte des Herzmuskels führen immer zu einer Störung der Erregungsausbreitung, die neben Unregelmäßigkeiten in der Autonomie der Erregungsentstehung wie das Flimmern des Herzmuskels sicher im EKG erkannt werden können.
Prinzipiell kann dieses Verfahren auch bei Tieren angewendet werden. Die im Vergleich zum Menschen abweichende Lage der Extremitätenansätze gegenüber der dreidimensionalen Orientierung des Herzdipols im Körper des Tieres machen jedoch eine abweichende Platzierung der Elektroden erforderlich. Dennoch lassen sich die beispielsweise in der equinen Kardiologie beschriebenen Spannungsverläufe nicht auf die menschliche EKG-Kurve übertragen, so dass auch von den beurteilenden Veterinärmedizinern eine entsprechende Ausbildung und Erfahrung auf diesem medizinischen Spezialgebiet verlangt wird.
Nachteile des Standes der Technik
Die messtechnische Erfassung von Muskelaktivitäten ist nur bei entsprechender Mitarbeit des Patienten bzw. Probanden durchführbar. Zunächst müssen mehrere hochempfindliche Messelektroden leitfähig auf der Haut befestigt und mit Hilfe einer teilweise recht umfangreichen Verkabelung mit dem eigentlichen Messverstärker bzw. dem Aufzeichnungsgerät verbunden werden, was bereits eine erhebliche Compliance des Probanden voraussetzt. Weiterhin müssen zur Erfassung der zu beurteilenden Muskelaktivität entweder genau definierte Bewegungsabläufe vom Probanden ausgeführt werden oder wie beim Ruhe-EKG ein möglichst entspannter Zustand eingenommen werden.
Während man den Sinn und Zweck sowie insbesondere die Ungefährlichkeit der Untersuchung trotz des erheblichen instrumentellen Aufwandes einem erwachsenen Menschen noch gut erklären kann, ist dies bei Tieren und gegebenenfalls beim noch stark in seiner Compliance eingeschränkten kindlichen Patienten in der Regel gänzlich unmöglich. Durch mangelnde Compliance und Ängstlichkeit vor der Untersuchungsmethode verursachte Abwehrbewegungen stellen jedoch in jedem Falle ungeplante Bewegungsabläufe dar, welche die eigentlich zu erfassenden Myogrammverläufe überlagern und bei der Muskelentspannung erfordernden EKG-Aufzeichnung sogar das gesamte Messsignal überdecken oder verfälschen können. Insbesondere bei größeren Tieren können solche Abwehrbewegungen nicht nur zum Abriss des Messelektroden sondern auch in hohem Maße den Untersucher selbst gefährden oder die Beschädigung des teueren Messequipments zur Folge haben.
Da die Ableitung des tief im Körperinneren liegenden Herzdipols an der Hautoberfläche nur sehr kleine Spannungsschwankungen im Bereich kleiner einem Millivolt als Messsignal ergibt, ist eine analoge drahtlose Übertragung direkt von den Elektroden zu einem ausreichend weit vom Tier entfernten Messempfänger nur mit erheblichem technischen und finanziellen Aufwand unter Inkaufnahme starker Störungen der Signalübertragung zu realisieren. Entsprechende Sendeeinrichtungen am Tier sind so voluminös, dass deren Anbringung das Tier trotz fehlender Kabelverbindungen zum Erfassungsgerät immer noch erheblich in seiner Bewegungsfreiheit einschränkt. Eine diagnostische Aufzeichnung von physiologischen Muskelabläufen ist so nicht möglich.
Es sind zwar miniaturisierte Aufzeichnungsgeräte für myografische Spannungsverläufe insbesondere Langzeit-EKG-Geräte bekannt, deren Messungen sich jedoch erst nach Abschluss der Untersuchung diagnostisch auswerten lassen. Bestimmte Therapien wie die Rezidivprophylaxe beim Kammerflimmern des Pferdes sind jedoch nur durch eine zeitgleiche EKG-Auswertung und die daraus abzuleitende unverzügliche Reduktion der Trainingsbelastung ohne Gefahr von tödlichen Komplikationen durchzuführen.
Hauptaufgabe der Erfindung
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, die Aufzeichnung jeglicher elektrischer Muskelaktivität so weit zu miniaturisieren bzw. so komfortabel zu gestalten und die Elektrodenanbringung so unauffällig vornehmen zu können, dass ein Tier in seiner natürlichen Bewegungen und Wahrnehmung durch die Messapparatur möglichst wenig oder sogar überhaupt nicht beeinflusst wird.
Die Messergebnisse werden nicht wie bei den bekannten Langzeit-EKG-Geräten nur aufgezeichnet und erst einer späteren Auswertung zugänglich gemacht, sondern durch die digitale Übertragung an eine im ausreichenden Abstand vom Tier befindliche Empfangsstation einer sofortigen evtl. sogar automatisierten diagnostischen Beurteilung unterzogen.
Nur so ist es möglich die zeitlichen Abläufe der elektrischen Muskelaktivität direkt während des natürlichen Verhaltens mit physiologischen Bewegungsabläufen in der gewohnten Umgebung oder in einer Trainingssituation des Tieres aussagekräftig aufzuzeichnen und zeitgleich diagnostisch so zu beurteilen, dass gegebenenfalls unverzüglich Einfluss auf das Trainingsprogramm genommen werden kann.
Über den diagnostischen Wert im Krankheitsfall bzw. die strategische Beurteilung im Trainingsablauf des Tieres solcher außerhalb jeglicher ärztlicher Untersuchungssituationen aufgezeichneten Daten kann beim derzeitigen Kenntnisstand der Veterinärmedizin nur spekuliert werden.
Nebenaufgabe der Erfindung
Nebenaufgabe der Erfindung ist es, die dafür zwingend erforderliche drahtlose Übertragung der Messsignale durch die Nutzung digitaler Übertragung und Fehlerkorrektur so zuverlässig zu gestalten, dass fehlerhafte Aufzeichnungen mit daraus unter Umständen fatalen Konsequenzen für Therapie bzw. Training des Tieres sicher vermieden werden können.
Durch entsprechende digitale Algorithmen sollen auch eigentlich Muskelentspannung erfordernde Untersuchungen aussagekräftiger werden, indem sie beim Tier unvermeidbare überlagernde rhythmische natürliche Bewegungen herausrechnen können.
Lösung der Aufgaben
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen und durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
Erreichte Vorteile
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass man unabhängig von der Zahmheit bzw. Folgsamkeit des Tieres während der Messung der elektrischen Muskelaktivität für dieses annähernd natürliche Umgebungsbedingungen schaffen kann und somit von der bisher zwangsläufig immer mit einer aufwändigen medizinischen Untersuchung verbundenen nachteiligen Einflüsse auf das Verhalten des Tieres und damit auf das Messergebnis unabhängig wird.
Im Gegensatz zu den am Patienten getragenen Geräten die lediglich aufzeichnen und erst später ausgewertet werden können, lässt sich bei dieser Erfindung neben der Aufzeichnung eine direkte zeitgleiche diagnostische Beurteilung der Myogrammverläufe vornehmen. So werden erstmals Krankheitsbilder wie die Rezidivprophylaxe des Kammerflimmerns bei Pferden behandelbar, die ein unverzügliches Eingreifen beim Auftreten bestimmter EKG-Veränderungen zwingend vorschreiben.
Gegenüber bisher bekannten sowohl technisch als auch finanziell mit erheblichem Aufwand verbundenen drahtlosen medizinischen Messsystemen werden inzwischen preiswert erhältliche Signalprozessoren eingesetzt, die ohne das Erfassungsgerät am Tier selbst voluminös werden zu lassen, eine digitale Aufbereitung der Daten direkt am Messort zulassen. Die weitere digitale Übertragung der Daten geschieht mit redundanter Zwischenspeicherung der Daten, wobei Störungen oder kurzzeitige Ausfälle auf der drahtlosen Übertragungsstrecke rechnerisch jederzeit wieder rekonstruiert werden können, so dass eine möglichst hohe Übertragungssicherheit erreicht werden kann.
Die digitale Aufbereitung und Speicherung der analogen Muskelableitungspotentiale ermöglicht jederzeit, also auch nach der eigentlichen Erfassung direkt am Probanden, deren rechnerische Aufbereitung. Insbesondere lassen sich mit dafür speziell zu erstellenden Computer-Algorithmen entsprechende Störungen oder Überlagerungen anderer Muskelaktivitäten herausrechnen, so dass erstmals eine fehlerfreie Darstellung bisher am lebenden Tier nicht zu erhebender Befunde möglich ist. Weiterhin lassen sich mehrere der im einzelnen nur zweidimensional erfassten elektrischen Ableitungspotentiale auf digitalem Wege zu einer dreidimensionalen oder unter Berücksichtigung der Zeitachse sogar zu einer vierdimensionalen Darstellung des Messergebnisses aufbereiten, die beim derzeitigen Kenntnisstand der Medizin bisher ungeahnte diagnostische Aussagen auch ohne spezielles Expertenwissen ergeben könnten. Dies könnte auch bei Anwendung des Verfahrens in der Humanmedizin vorteilhaft gegenüber dem bisherigen Stand der Technik sein.
Die unauffällige Anbringung der Messanordnung am Probanden kann sich auch vorteilhaft im Anwendungsbereich der Kinderheilkunde auswirken. Nach einer zunächst mit Gegenwehr verbundenen Phase der Anbringung lässt sich die Messung erst zu einem späteren Zeitpunkt starten, wenn sich der kindliche Patient wieder beruhigt hat.
Über einen entsprechenden Rückkanal der Datenübertragungsstrecke kann die Myogrammaufzeichnung jederzeit unterbrochen und wieder aktiviert werden. Das Datenerfassungsgerät wird so in einen batteriesparenden Standby-Modus versetzt, so dass auch Langzeitbeobachtungen in der Diagnostik oder während der Trainingsüberwachung z.B. von teueren Rennpferden möglich sind.
Ebenso ist mit dieser Technik kostengünstig eine Intensivüberwachung mehrerer Probanden beispielsweise auf einer Intensivstation oder auch eines Probanden in seinem häuslichen Umfeld realisierbar.
Durch Anwendung kostengünstiger digitaler Signalprozessoren schon während der Messwerterfassung ergibt sich neben der Übertragungssicherheit eine wesentliche technische Vereinfachung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik, die sich in einem deutlich geringeren Preis im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren zur drahtlosen EMG-Aufzeichnung auswirkt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher beschrieben. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf den Einsatz bei einem Pferd, wobei sich all diese prinzipiell sowohl zur Anwendung bei anderen Tieren als auch am Menschen eignen.
Das erste Problem ist die sichere Fixierung der Elektroden. Hierfür bietet sich beim Pferd die Integration in die ohnehin auf der Hautoberfläche getragen Bänder, Sattelbefestigung, Zaumzeug, Satteldecke und dergleichen an. Gegebenfalls muss an den korrespondierenden Hautarealen kleinflächig das Fell zurückgeschnitten werden und ein geeignetes Leitgel aufgetragen werden.
Die Unterbringung des Messverstärkers muss so erfolgen, dass einerseits die Kabel zu den Elektroden (1: Pos. 11) möglichst kurz und direkt verlegt werden können ohne das Tier in seinem natürlichen Bewegungsablauf zu hindern und andererseits die Messapparatur selbst nicht alteriert wird, wenn sich das Pferd beispielsweise spielerisch im Sand wälzt. Hierfür bietet sich die Unterbringung in einer Brusttasche des Schulterschoners an. An diesem speziellen Ort direkt unterhalb des Halses ist die Messvorrichtung auch bei extremsten Bewegungen oder Herumtollereien des Tieres nur wenigen mechanischen Belastungen ausgesetzt.
Die Messvorrichtung (Pos. 1). besteht zunächst aus einem Messverstärker (Pos. 2) je zu erfassendem Kanal. In vielen Anwendungsfällen kann eine einkanalige Aufzeichnung bereits ausreichend sein. Prinzipiell lässt sich jedoch die Messvorrichtung mit beliebig vielen Messverstärkern aus- bzw. aufrüsten.
Das verstärkte Ausgangssignal jedes Messverstärkers wird mit einem Eingang eines digitalen Signalprozessors (Pos. 3) verbunden. Dieser kann fest programmiert sein oder über den Rückkanal der digitalen Datenstrecke (Pos. 4) jederzeit während einer Messabfolge umprogrammiert werden. Seine Aufgabe ist es, neben dem Multiplexen bei Verwendung mehrerer Kanäle zunächst eine Digitalisierung des analogen Eingangssignals vorzunehmen. In digitalisierte Form werden über geeignete Algorithmen und digitale Signalfilter schon direkt am Erfassungsort der Daten alle Störungen und Rauschanteile herausgerechnet, so dass schon eine vollwertige EMG- bzw. EKG-Kurve (Pos. 5) in digitalisierter Form an einen digitalen Transceiver (Pos. 6) übermittelt wird, der sie über eine drahtlose digitale Übertragungsstrecke (Pos. 4) an einen Empfänger (Pos. 7) in genügendem Abstand zum Tier (Pos. 8) überträgt. Der digitale Empfänger ist mit einem Computer (Pos. 9) verbunden. Hier können die empfangenen Daten zwischengespeichert oder nach entsprechender Aufbereitung durch ein speziell dafür erstelltes Computerprogramm direkt auf dem Monitor (Pos. 10) dargestellt werden. Zur Dokumentation ist selbstverständlich jederzeit ein Ausdruck möglich.
Bei simultaner Erfassung mehrerer Ableitungen können diese im Computer zwischengespeichert und nacheinander zur Darstellung gebracht oder über eine spezielle Software miteinander verrechnet und als bisher noch nicht mögliche mehrdimensionale Darstelllungen analysiert werden.
Eine vorteilhafte Ausprägung der Erfindung ist schematisch in 1 dargestellt. Die Messvorrichtung verwendet Infinite Impuls Response Filter. Der hierfür benötigte Speicherbedarf ist im Vergleich zur Verwendung von Finite Impulse Response Filtern geringer und kann mit geringem Aufwand von Single-Chip Microcontrollern abgedeckt werden. Eine Aufbereitung der Daten bereits in der Messvorrichtung vorzunehmen ist vorteilhaft, da hierdurch Daten für Kalibrationszwecke schon in der Messvorrichtung zur Verfügung stehen.

Claims

Verfahren zur drahtlosen Aufzeichnung und Fernüberwachung von Muskelaktivitäten bei Tieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung so weit miniaturisiert bzw. ergonomisch gestaltet wird, dass das damit untersuchte Tier in seiner Wahrnehmung, in seinem Bewegungsablauf und in seinem natürlichen Umfeld nahezu unbeeinflusst bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal auf drahtlosem Wege an eine im sicheren Abstand vom Tier befindliche Auswertungsstation übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal sofort diagnostisch ausgewertet werden kann und daraus verzögerungsfrei Konsequenzen für die weitere Therapie bzw. den Trainingsverlauf abgeleitet werden können.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des Messsignals, dessen Aufbereitung und Übertragung an eine im sicheren Abstand vom Tier befindliche Auswertungsstation auf digitalem Wege erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierung sowie die Filterung und Fehleranalyse des Messsignals direkt am Probanden mit redundanter Zwischenspeicherung zum Ausschluss von Übertragungsfehlern durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit mit den dazugehörenden Elektroden in speziell an das jeweilige Tier angepassten Befestigungsvorrichtungen so untergebracht ist, dass nur eine geringe Beeinträchtigung des Tieres und möglichst keine nachteilige Auswirkung auf die Messeinheit selbst auftreten kann.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit mit weiteren Messkanälen aufrüstbar ist, deren Signale simultan übertragen werden und am entfernt stehenden Auswertecomputer rechnerisch zu einer mehrdimensionalen innovativen diagnostischen Darstellung zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Rückkanal des digitalen Übertragungsweges die Messvorrichtung am Probanden jederzeit in einen Standby-Modus versetzt bzw. daraus wieder aktiviert werden kann, so dass trotz Batterieversorgung ergonomische Überwachungen über einen langen Zeitraum möglich sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Kodierbarkeit des digitalen Übertragungsweges mehrere Probanden z.B. in einer Intensivstation oder in einem Trainingszentrum gleichzeitig überwacht werden können.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund seiner Miniaturisierung und Unauffälligkeit mithilfe einer kindgerechten Ausführung bzw. Design auch in der pediatrischen Medizin eingesetzt werden kann.
Vorrichtung zur drahtlosen Aufzeichnung und Fernüberwachung von Muskelaktivitäten bei Tieren, dadurch gekennzeichnet, dass die am Tier angebrachte Messeinheit so weit miniaturisiert und ergonomisch gestaltet ist, das diese möglichst unauffällig in die natürliche Lebens- bzw. Trainingssituation des Tieres integriert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die am Tier angebrachte Messeinheit mit den Elektroden zur Ableitung des Messsignals in speziellen an das jeweilige Tier angepasste Halterungen, Gürtel, Bänder oder Überzieher integriert werden kann.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Übertragung der Messsignale den Bluetooth-Standard nutzt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Auswertung der Messsignale mit speziell für den jeweiligen diagnostischen Zweck erstellten Computerprogrammen erfolgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbearbeitung, Darstellung und Dokumentation der Befunde ein im ausreichenden Abstand vom Tier befindlicher Computer benutzt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Messkanäle aufgerüstet werden kann.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Miniaturisierung und Begrenzung des finanziellen Aufwandes kostengünstige digitale Signalprozessoren eingesetzt werden.