DE102009033828A1

DE102009033828A1 - Gerät zum berührungslosen Herz-, Kreislauf- und Atmungsmonitoring

Info

Publication number: DE102009033828A1
Application number: DE102009033828A
Authority: DE
Inventors: Guy Leonard Dr.-Ing. Kouemou; Ariane Dr.med. Hack
Original assignee: Kouemou Guy Leonard Dr Ing
Current assignee: Kouemou Guy Leonard Dr Ing
Priority date: 2009-07-18
Filing date: 2009-07-18
Publication date: 2011-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum berührungslosen Herz-, Kreislauf- und Atmungsmonitoring. Beansprucht wird ein Gerät zur Aufzeichnung von Atmungs-Rhythmus-Informationen und Herz-Rhythmus-Informationen. Dabei werden mittels eines Miniaturradar-Senders hochfrequente Signale generiert. Diese Signale werden anschließend in den Brustkorbbereich eines Patienten ausgestrahlt. Die rückgestrahlten Signale werden durch eine Miniaturradar-Empfangsantenne gesammelt und anschließend über eine A/D-Wandlerkarte in einem Rechner zur Signalverarbeitung bereitgestellt.

Description

Stand der Technik
Heutzutage werden weltweit mehrere unterschiedliche Geräte zur Überwachung der Herzkreislauf und Atmungsfunktionalitäten eingesetzt. Die meisten davon sind kabelgebunden, d. h. dass z. B. das klassische Elektrokardiogram aus Sensoren besteht, die an Patienten befestigt werden und über Kabel Informationen an Auswertungsgeräte abgeleitet werden.
Millionen Patienten weltweit empfinden konventionelle Kurzzeit-EKG-Messungen als unangenehm, weil z. B. bei Standard 12 Kanal-Ableitungen zu viele Kontakt-Punkte zum Patient sind (Starke Einschränkungen bei Bewegungen beispielsweise im Patientenbett).
Bei konventionellen Langzeit-EKG-Messungen kommt zu den Langzeit-Unannehmlichkeiten noch das begrenzte Aushalten des Elektrodengel belastend hinzu.
Zum Alltagsmonitoring werden in Intensivstationen Blutdruck-, Sauerstoff- und EKG-Messgeräte eingesetzt. Zusätzlich werden für künstlich beatmete Patienten Beatmungsschläuche und sonstige Zustandsauswertungsgeräte benötigt. Diese Geräte werden überlicherweise zu einem Auswertungscomputer verbunden. Leider führt diese Konstellation oftmals zu Verkabelungen, die zu einer nicht mehr überschaubaren Situation führen.
Im klinischen Alltag beklagen Millionen Ärzte, Sanitäter und Pflegepersonal besonders beim schnellen Einsatz (Notfall) die relativ lange Zeit, um ein konventionelles EKG-Gerät schnell und vor allem zuverlässig zu fixieren.
Um die konventionellen EKG-Geräte entsprechend zu bedienen, brauchen viele Ärzte und Pflegepersonal immer wieder kostenintensive Schulungen (Elektroden Fixierung, Artefakte im Brustkorb-Bereich von Patienten).
Derzeit leiden in Deutschland mehrere Millionen Menschen an Schlafapnoe-Syndrom. Typischerweise werden Enddiagnose sowie Therapie in einem Schlaflabor eingeleitet. Als Grundlage der Diagnose und Therapie dient ein Standard-Polysomlographisches Messverfahren, welches jedoch aufgrund erhöhter Sensorik umstritten bleibt. Alternative Methoden sind derzeit nicht unbedingt erfolgreicher. Eines der Hauptprobleme besteht darin, dass die erhöhte Anzahl an Sensorik, die aus dem Patient zuverlässige Schlaf-Messdaten ermitteln soll, gleichzeitig den Schlafverlauf negativ beeinflusst.
Zu den wichtigsten Polysomlographischen Sensoren gehören neben dem Elektroenzephalogram (EEG), dem Elektrookulogram (EOG), dem Elektromyogram (EMG), dem Pulsoximeter und dem Elektrokardiogram (EKG) auch die Atmungsaktivität-Messgeräte.
Screening-Verfahren zur Erfassung schlafbezogener Atemstörungen nehmen in der Homecare-Medizin immer mehr Bedeutung ein. Zu den Standard-Screening-Messgeräten gehören Atmungsaktivitäten-Bemessung, Pulsoximeter und EKG. Die Vorabdiagnose-Ergebnisse dieser Geräte weisen oft Informationslücken auf, die meist auf Fehlbedienung zurückzuführen sind. Hinzu kommt, dass viele Patienten im Heimbereich ungern verkabelt schlafen.
Im Heimbereich wird die Problematik des plötzlichen Kindstods heutzutage durch Screening-Geräte unterstützt, die dazu dienen sollen, lebensbedrohliche Apnoen bei Säuglingen schnell zu erkennen, Alarm auszulösen und eventuell Weckreaktionen, bspw. elektrisch, beim Kind zu erzeugen. Solche Geräte bringen üblicherweise für das Kind lästige Kabelungen mit.
Aufgabenstellung
Die Fragestellung dieser Arbeit lautete, ein Miniaturradarsystem zu entwickeln, womit man Herz-Kreislauf- und Atmungszustand berührungslos bemessen und auswerten kann. Durch die kontaktlose Bemessung des Elektrokardiograms (EKG), Atem- und Kreislaufaktivitäten entfällt die nicht selten unüberschaubar hohe Anzahl an Kabeln im klinischen Alltag. Zusätzlich wird im Bereich der Schlafmedizin eine genauere Diagnose erreicht, weil der Schlafverlauf des Patienten nicht durch die Verkabelung gestört wird. Weiterhin sollte, auch aufgrund des immer knapper werdenden Budgets in Kliniken, Arztpraxen sowie den meisten sonstigen gesundheitlichen Einrichtungen, langfristig eine Kostenreduktion erzielt werden. Dabei dürfen keine Einbußen in der Qualität der Diagnose bzw. Überwachung Herz-, Kreislauf- und Atemwegs-Erkrankungen auftreten.
Lösungsvorschlag und Ausführungsbeispiel
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird wie folgt beschrieben:
→ Die Vorrichtung besitzt mindestens ein Miniaturradarsystem zur kontinuierlichen Aufzeichnung von Herz-, Kreislauf- und Atmungs-Dopplerinformationen, sowie einen in der Radarhardware integrierten Prozessor mit Auswertungssoftware. Alternativ zum Prozessor kann auch ein Personalcomputer an das Radar-Frontend mittels einer A/D-Wandlerkarte angeschlossen werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung werden durch folgende Zeichnungen näher erläutert:
zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die durch ein Miniaturradar-System gekennzeichnet ist. Das Miniaturradarsystem besteht aus drei Hauptkomponenten: einem integrierten Antennensystem, einem RF-Frontend und einer Prozessoreinheit. Grundsätzlich kann das Gerät sowohl kontaktlos als auch kontaktgebunden an Patienten betrieben werden. Für die folgende Applikation wird das Gerät vorteilhaft kontaktlos beschrieben. Das integrierte Miniatur-Antennensystem und RF-Frontend generiert elektromagnetische Wellen in die Richtung des Brustkorbbereichs des Patienten. Die ausgestrahlten Signale werden durch die inneren Organe des Patienten zurückgestrahlt. Diese zurückgestrahlten Signale werden vom Antennensystem sowie den RF-Frontend-Einheiten empfangen, in das Basisband heruntergemischt und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt. Anschließend werden die Basisband-Signale an eine integrierte Prozessoreinheit zur Dopplerinformationsverarbeitung und -auswertung weitergeleitet. Als alternative Lösung zur Prozessoreinheit kann für Heimbereich-Applikationen eine Analog/Digital-Wandlerkarte eingesetzt werden, an die ein Computer mit Signalverarbeitungssoftware angeschlossen ist.
zeigt eine weitere beispielhafte schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Signal- und Informationsverarbeitungskette in zwei Kanäle zerlegt wird. Dabei ist der erste Kanal der Sendekanal und der zweite der Empfangskanal. Beim Sendekanal erzeugt ein Signal-Waveform-Generator Wellenformen unterschiedlicher Art, die über eine Miniatursendeantenne ausgestrahlt werden. Diese verschiedenen Wellenformen werden im Körper des Patienten von den inneren Organen unterschiedlich zurückgestrahlt. Die zurückgestrahlten Signale gelangen durch die Miniaturempfängerantenne in den zweiten Kanal. Anschließend werden die Signale in der Prozessor-Einheit zur Extraktion der Dopplerinformationen weitergegeben. Die extrahierten Dopplerinformationen können danach über eine Steuerungseinheit angezeigt und archiviert werden.
Als alternative Lösung für Heimbereich-Applikationen kann die Miniaturempfängerantenne samt Antennencomputer über eine Analog/Digital-Wandlerkarte an einen Signalverarbeitungs-/Auswertungscomputer angeschlossen werden. Der Personalcomputer verfügt über eine Steuerungs-, Anzeige- und Archivierungseinheit, womit das Gerät bedient werden kann.
zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung des Erfindungsgeräts mit den vier Subsystemen: Das erste Geräte-Subsystem ist ein integriertes Miniatur-Antennensystem. Das zweite Geräte-Subsystem besteht aus vier Signalprozessor-Einheiten. Das dritte Geräte-Subsystem besteht aus vier Doppler- und Bewegungsinformations-Erzeugungseinheiten. Das vierte Geräte-Subsystem ist eine Einheit zur Informations-, Datenfusion sowie zum Ergebnismanagement.
Das in dargestellte integrierte Miniatur-Antennensystem kann aus einem bis vier Modulen bestehen. Dabei ist das erste Modul in S-Band, das zweite in X-Band, das dritte in K-Band und das vierte Modul in mm-Band. Das S-Band-Modul handelt hochfrequente Signale in einem Bereich zwischen 2 GHz und 4 GHz. Das X-Band-Modul sendet und empfängt Signale in einem Bereich zwischen 8 GHz und 12 GHz. Das K-Band-Modul sendet und empfängt Signale in einem Bereich von 18 GHz bis 40 GHz. Das mm-Band-Modul handelt hochfrequente Signale in einem Bereich zwischen 40 GHz und 300 GHz. Jedes Modul ist funktionell in ähnlicher interner Struktur aufgebaut. Diese besteht aus Sender- und Empfangs-Antennenmodulen, die mit einem Radarsignalgenerator verbunden sind und über einen Antennencomputer gesteuert werden.
Die in dargestellten Signalprozessoren-Einheiten besitzen für das S-, X-, K- und mm-Band eine ähnliche interne funktionale Struktur. Hier werden die empfangenen Patienten-Echosignale im Basisband bereitgestellt. Dabei werden die Signale in I- und Q-Komponenten zerlegt. Diese Signale können dann in komplexen Formen weiterverarbeitet werden.
Die in dargestellten Doppler- und Bewegungsinformations-Generatoren besitzen für das S-, X-, K- und mm-Band eine ähnliche interne funktionale Struktur. Dadurch dass die inneren Organe frequenzabhängig unterschiedliche Reflexionseigenschaften besitzen, werden allerdings die statistischen Parameter-Extraktorfilter hier entsprechend konfiguriert. Dies wird entsprechend der Art der Diagnose oder dem Therapiebegleitungsfall konfiguriert.
Die in dargestellte Einheit zur Informations-, Datenfusion sowie zum Ergebnismanagement erhält die Informationen aus den oben beschriebenen Modulen und fusioniert diese abhängig von der Diagnose oder dem Therapiebegleitungsfall.

Claims

Gerät zum Herz-, Kreislauf- und Atemmonitoring von Patienten mit einem Miniaturradarsystem, das eine elektromagnetische Welle mittels eines Sender-Antennensystems erzeugt und in Richtung des Brustkorbbereichs eines Patienten ausstrahlt. Anschließend werden die von Herz, Kreislauf und Atmungsorganen des Patienten zurückgestrahlten Echosignale von einem Empfänger-Antennensystem gesammelt und zur Auswertung bereitgestellt. Der gesamte Vorgang kann ohne direkten Kontakt zum Patient geschehen.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sendeinformationen durch ein Active-Phased-Array-Miniaturradar-Sender-Antennensystem ausgestrahlt werden.
Gerät nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Active-Phased-Array-Miniaturradar-Empfänger-Antennensystem zurückgestrahlte Informationen aufsammelt und zur weiteren Verarbeitung bereitstellt.
Gerät nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das empfangene Signal in das Basisband heruntergemischt wird und zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt wird.
Gerät nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorliegenden Basisband-Signale die Dopplerinformationen enthalten, die durch die inneren Organe eines Patienten zurückgestrahlt werden.
Gerät nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zurückgestrahlten Doppler- und Bewegungsinformationen des Patienten als I- und Q-Signale vorliegen können. Dabei wird eine mögliche komplexe weitere Signalverarbeitung ermöglicht.
Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für Herz-, Kreislauf- und Atemerkrankungen charakteristische Dopplerinformationen aus den inneren Organen des Patienten durch entsprechende Einstellung des Miniaturradar-Detektionsfilters bestimmt werden können.
Gerät nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es durch die simultane Nutzung unterschiedlicher Frequenzen im S-, X-, K- und mm-Band Aktivitäten von Herz, Kreislauf und Atmung simultan überwacht werden kann.
Gerät nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gesammelten Informationen sowohl durch eine Prozessoreinheit als auch als Alternative durch eine Analog/Digital-Wandlerkarte mit angebundenem Signalverarbeitungs-/Auswertungscomputer verarbeitet werden können.
Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Prozessoreinheit oder durch die Analog/Digital-Wandlerkarte mit angebundenem Signalverarbeitungs-/Auswertungscomputer verarbeiteten Informationen in eine Steuerungs-, Anzeige- und Archivierungseinheit weitergeleitet werden.