DE102006008844A1

DE102006008844A1 - Verfahren zur Detektion von Atemstillständen während des Schlafes

Info

Publication number: DE102006008844A1
Application number: DE200610008844
Authority: DE
Inventors: Heiko Lorenzen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-25
Filing date: 2006-02-25
Publication date: 2007-08-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kostengünstiges Verfahren zur Detektion von Atemstillständen. Es werden Anzahl und Dauer von Atemstillständen (Apnoen) während des Schlafes im häuslichen Bereich sowohl ohne als auch mit Druckluft-Beatmung (CPAP-Beatmung) ermittelt. Es ist insbesondere für Personen gedacht, die unter dem so genannten Schlafapnoe-Syndrom (SAS) leiden, sich aber ein professionelles Gerät der Medizintechnik wegen der hohen Kosten nicht anschaffen können. Sie haben bei Nutzung dieses Verfahrens die Möglichkeit, den Verlauf ihrer Krankheit, den sie durch bestimmte Maßnahmen selbst positiv beeinflussen können, zu verfolgen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass nicht wie üblich sämtliche hierfür erforderlichen Hard- und Software-Module speziell für diesen Zweck entwickelt und gefertigt werden, sondern es wird auf Hard- und Software zurückgegriffen, die in heute gängigen Windows-basierten Personalcomputern mit Soundkarte bereits vorhanden ist bzw. die kostenlos im Internet zur Verfügung steht (Freeware). Dazu wird das atemäquivalente Signal mit einem Thermistor an Mund und/oder Nase abgegriffen, dann aber erfindungsgemäß in ein Tonsignal umgeformt und anschließend mit den für die Sprach- und Musikbearbeitung entwickelten Hard- und Software-Modulen der PC-Technik erfasst, gespeichert und grafisch ausgewertet.

Description

Es handelt sich um ein Verfahren, Anzahl und Dauer von Atemstillständen während des Schlafes im häuslichen Bereich, insbesondere bei Personen, die unter dem so genannten Schlafapnoe-Syndrom (SAS) leiden, sowohl mit, als auch ohne CPAP-Anwendung, auf kostengünstige Weise zu ermitteln und grafisch anzuzeigen.

Stand der Technik:

Zur Untersuchung schlafbezogener Atemstörungen (SBAS) sind ambulante Screening bekannt, die neben den Atemstillständen noch weitere wichtige Parameter ermitteln, die von Schlafmedizinern zur Beurteilung von Schweregrad und Therapiebedarf (CPAP-Therapie) herangezogen werden. Die professionellen Messgeräte der Medizintechnik sind jedoch sehr teuer, da sie mit speziell für diesen Zweck entwickelter und gefertigter Hard- und Software für die gesamte Prozesskette, von der Signalerfassung bis hin zur Auswertung, arbeiten.

Aufgabenstellung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betroffenen nach erfolgter polysomnografischer Untersuchung im Schlaflabor und anschließender Versorgung mit einem CPAP-Therapiegerät, ein kostengünstiges Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sie den weiteren Verlauf ihrer Krankheit selbst kontrollieren können. Dazu müssen sie die wichtigsten Parameter ihrer Krankheit, nämlich Anzahl und Dauer der Atemstillstände während des Schlafes, messen und auswerten können. Dies gilt umso mehr, da sie durch eine Reihe von Maßnahmen Zahl und Dauer der Atemstillstände (Apnoen) selbst reduzieren können. Aber auch eine Zunahme der Apnoen sollten sie rechtzeitig erkennen können und dann den Facharzt aufsuchen, der über weiteren Diagnose- und Therapiebedarf entscheidet.

Lösung:

Ein Verfahren zur Erfassung von Atemstillständen, welches nur einen Bruchteil der in der Medizintechnik eingesetzten mobilen Screening-Geräte kostet, ist realisierbar, wenn anstelle der kostenintensiven firmenspezifisch entwickelten Hard- und Software bereits vorhandene Hard- und Software sowie frei zugängliche Software mit genutzt wird.

Kostenlos verfügbare Software (Freeware) gibt es in großem Umfang für die Sprach- und Musikbearbeitung. Hierauf wird erfindungsgemäß zurückgegriffen. Es wird weiterhin vorausgesetzt, dass ein Windows-basierter PC/Notebook bereits zur Verfügung steht, wie er auch für die Auswertung der nächtlichen Aufzeichnung mit professionellen Screening-Geräten erforderlich ist. Der PC muss über eine Soundkarte verfügen, was bei heutigen PC/Notebooks überwiegend der Fall ist. Es wird nun in bekannter Weise mittels Sensor (verwendet wird hier ein Thermistor) ein atemstrom-äquivalentes Signal generiert. Dieses Signal wird anschließend einem Signal im hörbaren Bereich (Dauerton) aufmoduliert (Amplitudenmodulation).

(Es ist wegen der Aufgabenstellung „Messung auch unter einer Atemmaske bei laufendem CPAP-Gerät" wegen der Gräuschentwicklung nicht möglich, als Sensor mit einem Mikrofon zu arbeiten, welches bereits ein Audio-Signal liefern würde).

Danach wird das so gewandelte Signal über den Line-In-Eingang der Soundkarte in den PC/Notebook eingespeist und mit Hilfe einer Audio-Recording-Software in Form einer Audio-Datei auf der Computer-Festplatte zwischengespeichert.

Eine grafische Auswertung erfolgt später, z.B. am nächsten Morgen mittels der gleichen Audio-Recording-Software auf dem PC/Notebook-Bildschirm. Die Phase der Einatmung (Inspiration) wird hier in Wellenform dargestellt. Atemstillstände sind deutlich als Nulllinie (Tonlücken) zu erkennen (siehe auch 6a).

Diese Darstellung kann auf jedem handelsüblichen Drucker anschließend ausgedruckt werden.

Durch dieses Verfahren reduziert sich die Anschaffung eines mobilen Apnoe-Screening-Gerätes auf den Erwerb eines Atemsensors sowie einer Verstärker/Signalwandler-Box, in der das atemäquivalente Signal in ein Tonsignal gewandelt wird, incl. erforderlicher Kabel.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen in Verbindung mit den Zeichnungen
1

(A) Firmenspezifisch entwickelte Hard- und Software für mobile Apnoe-Screening Geräte deckt nach dem Stand der Technik mindestens folgende Funktionen ab: 1 Signalerfassung (Druck, el. Widerstand etc.), 2 Verstärkung/Signalwandlung, 3 A/D-Wandlung, 4a Kodierung für die Speicherung/Aufzeichnung. 5 Speicherung der Rohdaten, 4b Auswertung.
(B) Demgegenüber besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, dass zum mobilen Apnoe-Screening unter Nutzung der Funktionalität von vorhandenem PC-Betriebssystem mit Soundkarte und einer kostenlosen Audio-Editor-Software nur ein Sensor mit Sensorhalter 1 und eine Verstärker/Signalwandler-Box 2, in der die Amplitudenmodulation erfolgt, sowie die zugehörigen Kabel, zusätzlich gekauft werden müssen.
(C) Die A/D-Wandlung 3 geschieht mit Hilfe der Soundkarte, die Kodierung für die Aufzeichnung der Rohdaten übernimmt eine Audio-Editor-Software 4 (Freeware). Die Speicherung geschieht auf der PC-eigenen Festplatte 5. Die Auswertung der Daten geschieht ebenfalls mit Hilfe der Audio-Editor-Software 4, indem das Programm die Daten in eine grafische Form bringt.
(D) Auf dem Computer-Bildschirm 6 sind die Atemstillstände dann visuell ablesbar bzw. auf einem Drucker ausdruckbar.

2a Ein atemstromäquivalentes Signal wird bei einer schlafenden Person über einen Sensor 1 in einer der beiden Nasenöffnungen generiert. Optional kann in Reihe mit Sensor 1 zusätzlich ein Sensor 2 vor dem Mund positioniert werden. Über die Signalleitungen 3, die über die beiden Ohren und dann nach vorne geführt werden, gelangt das Signal zur Verstärker/Signalwandler-Box in 3a.
2b zeigt eine Draufsicht des Sensorhalters. Der eigentliche Nasensensor 4 ist in der Mitte der Führungshülse 5 positioniert. Die Führungshülse sitzt auf einer Bodenplatte 6, von der die Signalleitungen 3 abzweigen. Der Sensorhalter ist so gestaltet, dass der Sensor unverrückbar in der Mitte des Atemstromes in einer der Nasenöffnungen positioniert ist. Damit ist eine artefaktfreie Messung gewährleistet.
2c zeigt in perspektivischer Ansicht eine schlauchförmige Folie 7 (punktierte Linie) sowie eine scheibenförmige Folie 8 (punktierte Linie), die vor jeder neuen Messung aus hygienischen Gründen erneuert werden. Hautkontakt nach Einführen der Führungshülse in eine der beiden Nasenöffnungen besteht somit nur mit diesen beiden hautfreundlichen Schutzfolien.
2d zeigt den auf der Unterseite der Bodenplatte in eine Buchse eingesteckten in Reihe geschalteten Mundsensor 2. Wird der optionale Mundsensor nicht verwendet, wird die Doppelbuchse mit einem entsprechenden Widerstand überbrückt.
3a Das Ende der beiden vom Nasensensor kommenden Signalleitungen a wird in einem Stecker zusammengeführt und über einen Steckkontakt mit der Verstärker/Signalwandler-Box 1 verbunden. Das Signal wird nach Verstärkung und Aufmodulation auf einen Dauerton über Kabel c zum Line-In-Eingang der Soundkarte eines PC/Notebooks geführt oder über ein Kabel d zum Mikrofoneingag eines mobilen Diktiergerätes.
Optional kann das Tonsignal auf einem handelsüblichen Diktiergerät mit Mikrofoneingang und USB-Ausgang zwischengespeichert werden. In diesem Fall wird der Mikrofonausgang d der Verstärker/Signalwandler-Box 1 mit dem Mikrofoneingang des Diktiergerätes verbunden.
Die Spannungsversorgung der Box geschieht entweder über Accu oder Batterie im Batteriefach 2 oder von Extern über das Kabel e, entweder von einem Netzteil oder über die USB-Schnittstelle des PC/Notebooks, sofern vorhanden.
Ein Schalter 4 dient zum Ein- bzw. Ausschalten der Spannungsversorgung. Die Diode 3 zeigt die Betriebsbereitschaft an.
3b zeigt das Prinzip der Wandlung des atemäquivalenten Signals a in ein Tonsignal c. Wegen größerer Übersichtlichkeit bei der Auswertung wird nur der während des Einatmens (Inspiration) erzeugte Teil für die weitere Verarbeitung genutzt. Es wird die 1. Ableitung gebildet, damit entspricht das Maximum des Wellenberges auch dem maximalen Atemzug während der Inspirationsphase. Im IC-Baustein 5 erfolgt die Verstärkung des Signals, im IC-Baustein 7 wird das Signal dem vom IC-Baustein 6 kommenden „Dauerton" aufmoduliert.
4a zeigt den Signalweg bei der nächtlichen Aufzeichnung vom Nasensensor 1 über die Verstärker/Signalwandler-Box 2, die in einer auf der Brust der schlafenden Person befestigten Tasche untergebracht ist, zum Line-In-Eingang 4 der Soundkarte am PC/Notebook.
4b zeigt eine Variante, bei der das Signal vom Nasensensor 1 über die Verstärker/Signalwandler-Box 2 erst zu einem handelsüblichen Diktiergerät 3 übertragen wird. In ihm wird das Signal zwischengespeichert. Signalwandler 2 und Diktiergerät 3 sind in einer Tasche auf der Brust der schlafenden Person untergebracht. Bei dieser Variante entfällt in der Nacht die Kabelverbindung von der schlafenden Person zum PC und es gibt in der Nacht somit kein störendes Lüftergräusch durch den PC. Die Übertragung vom Diktiergerät 3 auf den PC über dessen USB-Schnittstelle 5 erfolgt erst zur Auswertung, z.B. am nächsten Morgen.
5 zeigt das Beispiel einer grafischen Darstellung der nächtlichen Aufzeichnung der Atmung. Man erkennt hier 4 Perioden mit Atemstillständen.

1. Periode ca. 23 Apnoen
2. Periode ca. 19 Apnoen
3. Periode ca. 23 Apnoen
4. Periode ca. 14 Apnoen,

Die Nulllinie bei 5 zeigt eine Schlafpause, bei der die Kabelverbindung zum Computer unterbrochen ist.
6a zeigt eine stärkere Spreizung der Zeitachse. Die Dauer der hier gezeigten Apnoe beträgt ca. 50 Sekunden.
6b zeigt eine weitere Spreizung der Zeitachse mit der Darstellung eines einzelnen Atemzuges. Für die Beurteilung im Sinne der Aufgabenstellung ist jedoch die Auflösung in 5 bereits ausreichend.
7a zeigt eine Alternative, bei der neben dem Nasensensor 1 ein zweiter am Hals befestigter Sensor 2 (Schnarchmikrofon) parallel zur Atmung die Schnarchgeräusche aufzeichnet. Dieses Signal wird in der Box 3 lediglich verstärkt, da es ja bereits als Audio-Signal vorliegt, und dann parallel zum Atemsignal über den Line-In-Eingang 4 zur Sound-Karte des PC/Notebooks geführt. Hier werden die beiden Signale als Stereo-Ton 2-kanalig verarbeitet.
Die grafische Auswertung erfolgt wiederum mittels der Audio-Editor-Software. Jetzt werden 2 Tonspuren angezeigt (Stereo-Darstellung). Eine Spur zeigt die Atmung, die 2. Spur zeigt etwaige Schnarchgeräusche an, die als deutliche Ausschläge zu erkennen sind.
7b Für speziellere Fragestellungen besteht eine erweiterte Anwendung darin, nicht nur ein Audio-Signal, sondern parallel über eine CCD-Infrarot-Kamera 6 das Videosignal aufzuzeichnen. Zur Ausleuchtung wird eine Infrarot-Lichtquelle 7 benutzt. Das TV-Signal der CCD-Kamera wird über eine handelsübliche externe TV-Box 8 zur USB-Schnittstelle 5 geführt. Es wird gemeinsam mit dem Audio-Signal, das am Line-In-Eingang anliegt, mittels einer kostenlosen Software als Video-Datei auf der Computer-Festplatte zwischengespeichert. Es wird beispielsweise mit 2 Bildern/Sekunde aufgezeichnet. Die visuelle Auswertung erfolgt dann z.B. am nächsten Morgen mit der im Windows-XP-Betriebssystem enthaltenen Video-Software oder einem Freeware-Programm.
8a zeigt die grafische Auswertung einer nächtlichen Video-Aufzeichnung gem. 7b- schlafende Person in Seitenlage.
8b zeigt eine schlafende Person in Rückenlage. Es sind mehrere Apnoen erkennbar.
8c zeigt die grafische Auswertung einer nächtlichen Video-Aufzeichnung bei CPAP-Beatmung (hier: Maske über Mund und Nase – full-face-Maske).

Claims

Die Erfindung betrifft ein kostengünstiges Verfahren zur Detektion von Atemstillständen. Es werden Anzahl und Dauer von Atemstillständen (Apnoen) bei einer schlafenden Person im häuslichen Bereich ermittelt. Das Verfahren erlaubt die Messung sowohl ohne, als auch mit Druckluft-Beatmung (CPAP-Beatmung). Es werden hierfür nicht wie üblich, sämtliche erforderlichen Hard- und Software-Module speziell für diesen Zweck entwickelt und gefertigt. Vielmehr wird auf Hard- und Software zurückgegriffen, die in heute gängigen Windows-basierten Personalcomputern mit Soundkarte bereits vorhanden ist bzw. die kostenlos im Internet zur Verfügung steht (freeware). Dazu wird das atemäquivalente Signal in bekannter Weise mit einem Sensor (Thermistor) an Mund und oder Nase abgegriffen, dann aber erfindungsgemäß in ein Tonsignal gewandelt und anschließend mit den für die Sprach- und Musikbearbeitung entwickelten Hard- und Software-Werkzeugen der PC-Technik erfasst, gespeichert und ausgewertet. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird in Patentanspruch 2 bis 13 beschrieben:
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorhalter den Sensor derart fixiert, dass eine reproduzierbare artefaktfreie Messung in der Mitte des Atemstromes in einer der beiden Nasenöffnungen gewährleistet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Sensorhalter, mit dem ein Sensor fest verbunden ist, ein zweiter Sensor bei Bedarf aufsteckbar ist, der additiv das Atemsignal bei geöffnetem Mund erfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärker/Signalwandler das Signal vom Mund und oder Nasensensor in ein Tonsignal wandelt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gewandelte Signal dem Line-In-Eingang eines PC/Notebooks zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker/Signalwandler gemeinsam mit einer Spannungsversorgung (Accu oder Batterie), einer Betriebsbereitschaftsanzeige mittels Diode sowie einem Schalter in einer Box untergebracht ist, die für die Messung auf der Brust einer schlafenden Person befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung des Verstärkers/Signalwandlers auch über ein Kabel von einem externen Netzteil oder einem USB-Port aus erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer kostenlosen Audio-Editor Software die Kodierung und anschließende Speicherung der Rohdaten auf der computereigenen Festplatte erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine grafische Auswertung der gespeicherten Rohdaten auf einem PC/Notebook zu einem späteren Zeitpunkt mit einer Audio-Editor Software erfolgt. Dabei werden die Ergebnisse auf dem Computerbildschirm in einem Wellenform-Diagramm über der Zeitachse dargestellt. Hier sind die Apnoen deutlich als Nulllinien erkennbar.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 und 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspeicherung auch auf einem handelsüblichen Diktiergerät mit USB-Anschluss erfolgen kann, das gemeinsam mit der Verstärker/Signalwandler-Box auf der Brust der schlafenden Person befestigt ist. In diesem Fall wird für die nächtliche Tonaufzeichnung der Mikrofoneingang des Diktiergerätes mit dem Mikrofonausgang der Signalwandler-Box verbunden. Nach Überspielung auf einen PC/Notebook über die USB-Schnittstelle kann dann z.B. am nächsten Tag die Auswertung erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass neben der grafischen Auswertung auch eine numerische Auswertung erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass optional außer dem Atemsensor ein zweiter am Hals befestigter Sensor (Schnarchmikrofon) parallel zur Atmung die Schnarchgeräusche aufzeichnet. Dieses Signal wird nach Verstärkung in der Verstärker/Signalwandler-Box gemeinsam mit dem Atemsignal über den Line-In-Eingang zur Sound-Karte des PC/Notebooks geführt. Hier werden die beiden Signale als Stereo-Ton 2-kanalig verarbeitet. Die grafische Auswertung erfolgt wiederum mittels der Audio-Editor-Software. Jetzt werden 2 Tonspuren angezeigt (Stereo-Darstellung). Eine Spur zeigt die Atmung, die 2. Spur zeigt etwaige Schnarchgeräusch an, die als deutliche Ausschläge zu erkennen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für spezielle Fragestellungen, z.B. Körperposition, Mund offen oder geschlossen etc. parallel zum Audio-Signal auch ein Video-Signal von der schlafenden Person mittels einer CCD-Infrarot-Kamera erfasst und über eine externe TV-Box über die USB-Schnittstellen an den PC übertragen und dort gemeinsam mit dem am Line-In-Eingang anstehenden Audio-Signal, mit Hilfe einer kostenlosen Video-Software, z.B. Virtual-Dub, auf der Festplatte gespeichert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgezeichnete Video-Datei zu einem späteren Zeitpunkt z.B. mit der in Windows-XP bereits integrierten Video-Software ausgewertet werden kann.