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Die
Erfindung betrifft eine Zustandserfassungseinrichtung zur Befestigung
an einem Lebewesen, insbesondere an einem Menschen, um den Lagezustand
des Körpers des Lebewesens zu erfassen, nach Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ferner wird ein entsprechendes Verfahren vorgeschlagen.
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Stand der Technik
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Der
Bewegungserfassung von Lebewesen, insbesondere von Menschen, kommt
seit Jahren im Rahmen von Sport, Wellness, Fitness und auch insbesondere
in der Medizin, beispielsweise bei Diagnose, Therapie und Rehabilitation,
zunehmende Bedeutung zu. Es sind hierbei beispielsweise Systeme bekannt,
die im Bereich Sport und Fitness Bewegungszeiten und Schrittzahlen
beziehungsweise Schrittfolgen messen, wie etwa in der
WO 1998058236 vorgeschlagen. Insbesondere
im medizinischen Bereich interessieren weiterhin Gangparameter wie
etwa Trittzeiten, Gangsymmetrie linksseitig/rechtsseitig und Auftrittkraft,
wobei heute Bewegungsmonitore mit Software erhältlich sind,
die die Ermittlung solcher Parameter ermöglichen. Hierzu werden
mittels am Körper befestigter Beschleunigungssensoren die
Beschleunigungswerte des Körpers in Längs-, Quer-
und/oder Hochrichtung erfasst. Die Auswertung solcher Signale erfolgt
typischerweise mit Schrittzähleralgorithmen. Insbesondere
für spezifische medizinische Untersuchungen, insbesondere
in der Gerontologie oder beim Therapiemanagement chronischer Erkrankungen
ist darüber hinaus eine differenzierte Klassifizierung
von erfassten Bewegungen nach „gehen”, „sitzen”, „stehen” und „liegen” wünschenswert,
wobei eine solche Klassifizierung in einer Alltagsumgebung ohne
großen apparativen Aufwand möglich sein soll,
um den betroffenen Menschen nicht durch eine mitzuführende
Apparatur und vielfache Verkabelung einzuschränken. Da der
entsprechende Personenkreis derartige Geräte möglichst ständig
bei sich tragen soll, gleichzeitig aber oft in seiner Beweglichkeit
und Motorik eingeschränkt ist, sind aus dem Stand der Technik
bekannte Anordnungen ungeeignet. Die mit aus dem Stand der Technik
bekannten Erfassungseinrichtungen ermittelten Daten ermöglichen
weiter im Allgemeinen keine sichere Unterscheidung zwischen den
Zuständen „sitzen” und „stehen” beziehungsweise
keine sichere Erkennung eines Übergangs vom Sitzen in das Stehen
oder umgekehrt. Weiter ist aus der
JP-2004096457 eine Überwachungseinrichtung
für Klinikbetten bekannt, die mittels eines dreidimensionalen
Sensors das Liegen eines Patienten in einem Klinikbett überwacht.
Hieran ist nachteilig, dass die Anordnung nur einen sehr begrenzten
Einsatzbereich hat.
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Offenbarung der Erfindung
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In
sehr vorteilhafter Weise werden die aus dem Stand der Technik bekannten
Einschränkungen durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Zustandserfassungseinrichtung beseitigt, die eine sehr universelle
Verwendung im Bereich des Sports, der Fitness/Wellness und der Medizin
beziehungsweise Therapie und Rehabilitation ermöglicht.
Hierzu wird eine Zustandserfassungseinrichtung zur Befestigung an
einem Lebewesen, insbesondere an einem Menschen, vorgeschlagen,
um den Lagezustand des Körpers des Lebewesens zu erfassen,
mit einem ersten Sensor, der als Beschleunigungssensor und/oder Gyroskopsensor
ausgebildet ist. Hierbei ist ein weiterer, zweiter Sensor vorgesehen,
der als Höhenmesssensor ausgebildet ist. Mit Hilfe des
Höhenmesssensors ist es möglich, Änderungen
des Lagezustands des Körpers, die von dem ersten Sensor
erfasst wurden, zu verifizieren. Beispielsweise lässt sich
der Übergang vom Sitzen zum Stehen, der von einem ersten
Sensor, wie beschrieben, erfasst wurde, mittels des Höhenmesssensors
so verifizieren, dass beim Aufstehen eine Höhendifferenz
in etwa der Oberschenkellänge erfasst wird. Zwar ist es
prinzipiell möglich, solche Übergänge
vom Sitzen in das Stehen oder umgekehrt auch aus reinen Beschleunigungswerten,
wie sie vom ersten Sensor erfasst werden, zu ermitteln. Es besteht
allerdings hierbei eine erhöhte Unsicherheit, ob tatsächlich
eine solche Lagezustandsänderung vorliegt. Zur reinen Verifikation einer
solchen Lagezustandsänderung kann beispielsweise ein einfacher
und kostengünstiger, monolithischer Höhenmesser
zur Verifikation der Lagezustandsänderung des Körpers
herangezogen werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der
Höhenmesssensor ein Luftdruckerfassungssensor ist. Luftdruckerfassungssensoren sind
im Stand der Technik als Höhenmesssensoren bekannt. Eine
Höhe wird hierbei indirekt über eine Änderung
des herrschenden Luftdrucks ermittelt. Bevorzugt werden hierbei
mikromechanisch hergestellte, sehr genaue Höhenmesssensoren/Luftdruckerfassungssensoren
verwendet, um auch geringe Luftdruckunterschiede, wie sie beispielsweise
bei Höhenlageänderungen im Bereich einer Oberschenkellänge
eines Menschen entsprechen, sicher erfassen zu können.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist eine Kompensationseinrichtung
des Luftdruckerfassungssensors zur Kompensation nicht lageänderungsbedingter
Luftdruckschwankungen vorgesehen. Bei der indirekten Ermittlung
der Höhe beziehungsweise von Höhenänderungen
im Lagezustand über den Luftdruck können Fehlerquellen
auftreten, die durch solche Luftdruckschwankungen verursacht werden,
die nicht auf eine Lageänderung zurückzuführen
sind, sondern auf andere Einflüsse in der Umgebung, beispielsweise
auf das Öffnen von Fenstern oder Türen in klimatisierten
Räumen, die regelmäßig eine Änderung
des Umgebungsdrucks innerhalb einer kurzen Zeit zur Folge haben.
Durch die Kompensationseinrichtung werden derartige Luftdruckschwankungen erfasst
und in Hinblick auf die Erfassung einer Lagezustandsänderung
kompensiert. Dadurch wird eine fehlerhafte Annahme einer Lagezustandsänderung vermieden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform weist eine Plausibilitätseinrichtung
auf, die eine vom ersten Sensor sensorisierte Änderung
des Lagezustands des Körpers des Lebewesens mit vom Höhenmesssensor
kommenden Daten vergleicht. Hierbei findet ein Abgleich statt zwischen
Daten, die der erste Sensor, der, wie beschrieben, als Beschleunigungssensor
und/oder Gyroskopsensor ausgebildet ist, liefert, mit solchen Daten,
die der Höhenmesssensor liefert. Der Vergleich der Daten
vom ersten und vom zweiten Sensor erlaubt zuverlässige
Aussagen über die Lagezustandsänderung des Körpers.
Es wird hierbei nämlich eine Lagezustandsänderung,
wie sie vom ersten Sensor erfasst wird, mit einer Datenerfassung des
zweiten Sensors verglichen, oder umgekehrt, so dass nur dann tatsächlich
eine Lagezustandsänderung angenommen wird, wenn die Daten
beider Sensoren einer solche ausweisen. Gleichzeitig kann so eine
genaue Quantifizierung der Lagezustandsänderung erfolgen.
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Bevorzugt
ist die Zustandserfassungseinrichtung als Baueinheit ausgebildet.
Dies bedeutet, dass in einer einzelnen Baueinheit die ersten und
beiden Sensoren zusammengefasst sind, bevorzugt mit weiteren Einrichtungen
wie etwa der Plausibilitätseinrichtung und der Kompensationseinrichtung,
so dass nur diese eine Baueinheit die gesamten Funktionen der Zustandserfassungseinrichtung,
insbesondere auch eine Speicherung und/oder Auswertung und/oder
die Bereitstellung von Schnittstellen oder auch Signalisierungen
(Warntöne, Warnanzeigen) übernimmt. Hierdurch
ist, beispielsweise als oberhalb eines Hüftgelenks am Körper
des Lebewesens befestigte Baueinheit, eine komfortable, im alltäglichen
Gebrauch nicht behindernde und/oder einschränkende Bauform
möglich. Insbesondere Verletzten, Kranken oder alternden
Patienten ist es hierbei einfach möglich, die Zustandserfassungseinrichtung
in vorteilhafter Weise bequem mit sich zu tragen. Durch die sehr
zuverlässige Erkennung von Lagezustandsänderungen,
insbesondere Höhenänderungen, kann beispielsweise
auch sehr vorteilhaft eine Warneinrichtung verwirklicht werden,
die beispielsweise einen Sturz des Patienten, der die Zustandserfassungseinrichtung
trägt, erkennt und beispielsweise über eine Notrufeinrichtung
(Mobiltelefon, Funk) das Herbeirufen eines Notarztes oder Rettungsdienstes
veranlasst. Eine solche Sturzerkennung kann beispielsweise sehr
vorteilhaft dadurch erfolgen, dass die Lagezustandsänderung
des Körpers (insbesondere als Höhenänderung)
mit einer Zeitbasis verglichen wird, wie sie in sehr einfacher Weise durch
digitale Zeitmesseinrichtungen in der Zustandserfassungseinrichtung
integriert werden kann. Ein Sturz erfolgt nämlich, im Gegensatz
zu einem bewussten, gewollten Aufstehen oder Setzen, mit einem anderen
Bewegungs-/Zeitprofil, so dass über die für die
Höhenänderung ermittelte Zeitdauer eine sehr sichere
Unterscheidung zwischen einem beabsichtigten Setzen, Hinlegen oder
Aufstehen und einem Sturz möglich ist. Besonders bevorzugt
ist hierbei möglich, nach einer solchen Sturzerfassung
auf eine Quittierung, beispielsweise durch Knopfdruck, des Patienten
zu warten. Erfolgt eine solche Quittierung nicht innerhalb einer
vorgebbaren Zeitspanne, so wird ein Notruf veranlasst, weil davon
ausgegangen werden muss, dass der Patient nicht mehr in der Lage
ist, sich selbst zu helfen. Quittiert der Patient jedoch nach Aufforderung
der Zustandserfassungseinrichtung innerhalb der Zeitspanne, wird
kein Notruf abgesetzt, da, aufgrund der Quittierung, davon ausgegangen
wird, dass der Patient in der Lage ist, sich selbst zu behelfen.
Auf diese Weise kann ein fehlalarmsicheres Notfall-Alarmsystem in
günstiger Weise bereitgestellt werden.
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Weiter
wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Erfassung eines Lagezustands
eines Körpers eines Lebewesens, wobei mittels eines ersten,
am Körper befestigten Sensors, eine Beschleunigung und/oder eine
Winkellage des Körpers erfasst wird. Dabei ist vorgesehen,
dass mittels eines weiteren Sensors eine Höhenlage des
Körpers bestimmt wird. In vorteilhafter Weise werden zusätzlich
zu den Lagezustandsdaten, die der erste, am Körper befestigte Sensor
in Hinblick auf eine Beschleunigung und/oder eine Winkellage eben
dieses Körpers liefert, Daten eines weiteren Sensors hinsichtlich
einer Höhenlage des Körpers bestimmt. Lagezustandsänderungen des
Körpers lassen sich demzufolge durch Abgleich und Vergleich
der Daten des ersten Sensors mit denen des weiteren, zweiten Sensors
ermitteln, plausibilisieren und verifizieren. Beschleunigungen,
Winkeländerungen und Änderungen in der Höhenlage
des Körpers können hierbei zu einem Bewegungsprofil und
zu einer Bewegungsauswertung in sehr vorteilhafter Weise herangezogen
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt
zu sein.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Zustandserfassungseinrichtung und
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2 eine
Prinzipdarstellung der Funktionsweise der Zustandserfassungseinrichtung.
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1 zeigt
eine Zustandserfassungseinrichtung 1 zur Befestigung an
einem nicht dargestellten Lebewesen mittels Befestigungsmitteln 2,
beispielsweise Riemenbändern 3. Die Zustandserfassungseinrichtung 1 ist
als Baueinheit 4 ausgebildet, die in einem kompakten Gehäuse 5 einen
ersten Sensor 6 aufweist, der vorliegend von einem Beschleunigungssensor 7,
nämlich einem mehrachsigen Beschleunigungssensor 8,
und einem Gyroskopsensor 9 gebildet ist, und einem weiteren
Sensor 10, nämlich einem zweiten Sensor 11,
der ein Luftdruckerfas sungssensor 12 ist, der als Höhenmesssensor 13 durch
indirekte Höhenmessung über einen Umgebungsluftdruck
P wirkt. Der Beschleunigungssensor 7 als mehrachsiger Beschleunigungssensor 8 erfasst hierbei
auf ihn einwirkende Beschleunigungen in seinen (hier nicht dargestellten)
Achsen, insbesondere nämlich in den drei Achsen des Raumes.
Der Gyroskopsensor 9 erfasst Änderungen einer
Winkellage, die durch Bewegung der Baueinheit 4 beziehungsweise
des nicht dargestellten Lebewesens, das die Baueinheit 4 trägt,
verursacht sind. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen
möglich, die als ersten Sensor 6 nur den Beschleunigungssensor 8 (ohne
den Gyroskopsensor 9) aufweisen.
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Die
Daten des ersten Sensors 6 werden einer Auswerteeinrichtung 14 mittels
geeigneter elektrischer Verbindungen 15, beispielsweise
Leiterbahnen 16, zugeleitet, die die Lageänderungen
der Baueinheit 4 anhand der Daten vom ersten Sensor 6 auswertet,
aufzeichnet und über eine Schnittstelle 17 für außerhalb
der Zustandserfassungseinrichtung 1 erfolgende Auswertungen,
beispielsweise über ein nicht dargestelltes Computersystem,
verfügbar macht. Gleichzeitig ist über geeignete
elektrische Verbindungen 15 ein Display 17 zur
Anzeige von Zustands- oder Alarmmeldungen angeschlossen. Daten,
die vom ersten Sensor 6 kommen und von der Auswerteeinrichtung 14 als
Bewegungsdaten ausgewertet werden, sind nicht unter allen Umständen
zuverlässig. Der zweite Sensor 11 als Höhenmesssensor 13 liefert
deswegen weitere Daten, nämlich Höhendaten hinsichtlich
der Höhenlage der Zustandserfassungseinrichtung 1 (der
Baueinheit 4) an die Auswerteeinrichtung 14, die
mit den vom ersten Sensor 6 stammenden Daten verglichen
werden. Zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Höhendaten
des Höhenmesssensors 13 ist der Auswerteeinrichtung 14 eine Kompensationseinrichtung 18 zugeordnet,
die nicht lageänderungsbedingte Luftschwankungen des Umgebungsluftdrucks
P der Auswerteeinrichtung 14 signalisiert und dadurch kompensiert
(beispielsweise über ein Druckverlaufsprofil und/oder einen
weiteren Luftdrucksensor). Somit wird vermieden, dass bei Änderungen
im Umgebungsluftdruck P fälschlich eine Änderung
der Höhenlage durch den Luftdruckerfassungssensor 12 erkannt
wird.
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Wird
vom ersten Sensor, insbesondere vom Beschleunigungssensor 7,
eine Beschleunigung der Baueinheit 4 erkannt, kann dies
in der Auswerteeinrichtung 14 als Lagezustandsänderung
interpretiert werden. Wird gleichzeitig vom zweiten Sensor 11 keine Änderung
der Höhenlage erkannt (insbesondere nach Kompen sation durch
die Kompensationseinrichtung 18), so ist nicht von einer
Höhenänderung auszugehen. Wird vom ersten Sensor 6,
insbesondere vom Gyroskopsensor 9, eine Änderung
der Winkellage erkannt, so ist, wenn nicht der zweite Sensor 11 eine
Höhenänderung mitteilt, ebenfalls nicht von einer
Höhenänderung auszugehen. Auf diese Weise wird
die Genauigkeit des Gesamtsystems in Hinblick auf Änderungen
der Höhenlage als Zustand des Körpers (nicht dargestellt),
an dem die Zustandserfassungseinrichtung 1 beispielsweise
zu Diagnosezwecken angeordnet ist, deutlich erhöht. Liefert
der Höhenmesssensor 13 Daten an die Auswerteeinrichtung 14,
die eine Änderung der Höhenlage bedeuten, wird
dies (gegebenenfalls auch ohne Kompensationseinrichtung 18)
auf Luftdruckänderungen zurückgeführt,
sofern nicht gleichzeitig (mindestens) eine Änderung der
Winkellage über den Gyroskopsensor 9 des ersten
Sensors 6 und/oder eine Beschleunigung über den
Beschleunigungssensor 7 des ersten Sensors 6 an
die Auswerteeinrichtung 14 berichtet wird. Der Auswerteeinrichtung 14 ist
ferner eine genaue Zeiterfassungseinrichtung 19, beispielsweise als
digitale Uhr 20, zugeordnet, die Aussagen über die
zeitliche Abfolge der Zustandsänderungen/Änderungen
von Höhen- und Winkellage und/oder Beschleunigung, zulässt.
Beispielsweise ist es hierdurch leicht möglich, einen Sturz
von einem bewussten Hinsetzen zu unterscheiden, da der Sturz üblicherweise
innerhalb einer sehr viel kürzeren Zeit abläuft.
Eine hier nicht dargestellte Alarmierungseinrichtung kann in Fällen
erkannter Stürze beispielsweise zur Alarmierung/Absetzung
eines Notrufes dienen. Dieser ist bevorzugt in die Zustandserfassungseinrichtung,
nämlich die Baueinheit 4, integriert.
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2 zeigt
einen Menschen 21 als Lebewesen 22, der an einem
Hüftgurt in komfortabler Lage und Befestigungsweise die
schematisch gezeigte Zustandserfassungseinrichtung 1 mit
sich trägt. Der Mensch 21 ist einmal in stehender
und einmal in sitzender Position gezeigt, wobei die Differenz in
der Höhenerstreckung Δh ungefähr einer
Oberschenkellänge H des Menschen 21 entspricht.
Den Übergang zwischen stehendem und sitzendem Zustand als
jeweiligem Lagezustand des Körpers 23 des Menschen 21 im
Raum erfasst die Zustandserfassungseinrichtung 1 über
die zu 1 beschriebenen ersten Sensor 6 und zweiten
Sensor 11, wo insbesondere dem zweiten Sensor 11 die
Aufgabe zukommt, die Differenz der Höhenerstreckung Δh
zu ermitteln. Zur Verifikation dieses Übergangs vom sitzenden
in den stehenden Lagezustand beziehungsweise umgekehrt wird die
Oberschenkellänge H herangezogen, die der Zustanderfassungseinrichtung 1 vorgebbar ist,
beispielsweise in einem Speicherbereich der Auswerteeinrichtung 14 der
Zustandserfassungseinrichtung 1. Gerade diese Zustandsübergänge
zwischen sitzender und stehender Position können auf diese Weise
sehr genau erfasst werden. Beim Aufstehen, dem sogenannten Sitzen-Stehen-Transfer,
detektiert der zweite Sensor 11 (sämtliche nicht
in 2 gezeigten Bezugszeichen sind aus 1 entnehmbar) eine
positive Differenz der Höhenerstreckung Δh, die ungefähr
der Oberschenkellänge H des Menschen 21 entspricht,
der die jeweilige Zustandserfassungseinrichtung 1 trägt.
Die Zustandserfassungseinrichtung 1 ist deswegen mit der
jeweiligen, individuellen Oberschenkellänge H des jeweiligen,
individuellen Menschen 21 kalibrierbar, beispielsweise
kann diese Oberschenkellänge H einprogrammiert oder in
anderer Weise eingegeben werden, oder mittels eines einmalig durchgeführten
oder mehrfach wiederholten Aufstehens und Setzens in einem Kalibriermodus
der Zustandserfassungseinrichtung 1 über die so
ermittelte Differenz in der Höhenerstreckung Δh
ermittelt werden. Für derartige Kalibrierungen und andere
Interaktionen weist die Zustandserfassungseinrichtung 1 hier
nicht dargestellte Bedienelemente, beispielsweise Tasten, auf. Beim
Hinsetzen aus einem stehenden Lagezustand (dem sogenannten Stehen-Sitzen-Transfer)
wird eine entsprechende, negative Differenz in der Höhenerstreckung Δh
ermittelt. Zusätzlich zu dieser Differenz in der Höhenerstreckung Δh werden
Beschleunigungen vom Beschleunigungssensor 7 und/oder Winkellageänderungen
vom Gyroskopsensor 9 ermittelt, die zur Verifikation und
Plausibilitätsprüfung herangezogen werden. Mit
der vorgeschlagenen Zustandserfassungseinrichtung 1 mit den
beschriebenen, erfindungsgemäßen Merkmalen ist
eine Vielzahl von unterschiedlichen Bewegungsdaten und/oder Lagedaten
des Körpers 23 des die Zustanderfassungseinrichtung
jeweils tragenden Menschen 21 erfassbar, so dass die Zustandserfassungseinrichtung 1 sehr
universell einsetzbar ist und neben der Versorgung älterer
oder gebrechlicher Menschen insbesondere in den Bereichen Fitness und
Wellness sowie im Sport einsetzbar ist. In bevorzugter Ausführungsform
weist die Zustandserfassungseinrichtung hier nicht dargestellte,
langzeiterfassungstaugliche Speicherelemente auf, die der Auswerteeinrichtung 14 zugeordnet
sind und die eine Online-Auswertung am Gerät selbst in
Echtzeit oder auf Abfrage zulassen und ebenso die Offline-Auswertung
auf einem hier nicht dargestellten Computersystem gestatten, so
dass insbesondere Trainigungserfolge, Abweichungen in der Motorik
und in Bewegungsabläufen sowie motorische Verhaltensmuster erfasst
und ausgewertet werden können. Weiter ist eine sehr gute Überwachung
von ge brechlichen oder hilfslosen Personen möglich, dass
beispielsweise Stürze sehr viel zuverlässiger
erkannt werden können als mit aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen. Insbesondere in der vorgeschlagenen
Variante, in der ein (hier nicht dargestelltes) Alarmierungssystem,
beispielsweise über Funk oder Mobiltelefon, der Zustandserfassungseinrichtung 1 zugeordnet
oder in dieser integriert ist, kann für den jeweiligen
Träger eine sehr hohe Sicherheit erreicht werden. Beispielsweise
kann ein solches System auch vor Alarmgabe innerhalb einer vorgebbaren
Zeitspanne zur Quittierung auffordern, wenn es sich um eine bewusste
Bewegung gehandelt haben sollte. Erfolgt eine Quittierung, wird
kein Alarm gegeben, erfolgt die Quittierung nicht, geht die Zustandserfassungseinrichtung 1 von
einem Sturz des Trägers aus und alarmiert die eingespeicherten
Ziele. Auf diese Weise lässt sich eine sehr gute Überwachung
bei sehr hoher Fehlalarmsicherheit bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 1998058236 [0002]
- - JP 2004096457 [0002]