DE102013216604A1

DE102013216604A1 - Sensor zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung, Sensorarray und Sitz oder Liege

Info

Publication number: DE102013216604A1
Application number: DE102013216604.4A
Authority: DE
Inventors: Jeroen Lem; Marcel MATHISSEN; Hans-Joachim Lindner; Rainer Vogt; Marian Walter; Benjamin EILEBRECHT; Steffen Leonhardt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2015-02-26
Also published as: CN104414634A; US20150057556A1; US9277882B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer Person, umfassend ein flächiges Trägerelement (37) zur Befestigung des Sensors an einem Objekt und wenigstens eine elektrisch leitfähige, flächige, dem Trägerelement (37) gegenüberliegende und mit diesem verbundene Elektrode (24). Ferner stützt sich die Elektrode (24) über wenigstens einen Drucksensor (38) an dem Trägerelement (37) ab. Zwischen dem Trägerelement (37) und der Elektrode (24) sind außerdem ein Feuchtesensor (39), ein Temperatursensor (40) und ein Beschleunigungssensor (41) angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung ein Sensorarray sowie einen Sitz oder eine Liege für ein Fahrzeug zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer Person.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer Person nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein mit mehreren Sensoren ausgestattetes Sensorarray sowie einen mit einem Sensorarray ausgestatteten Sitz oder Liege in einem Fahrzeug.
Die Messung des elektrischen Potentials bzw. der elektrischen Feldstärke auf der Haut einer Person mittels elektrokardiographischer Sensoren bildet die Grundlage vieler medizinischer Diagnoseverfahren. Beispielsweise kann auf diesem Wege ein Elektrokardiogramm (EKG) aufgenommen werden oder aus den gemessenen elektrischen Potentialen die Herzfrequenz ermittelt werden.
Bei herkömmlichen Messverfahren zur Messung des elektrischen Potentials auf der Haut wird dieses durch Elektroden erfasst, die in direktem elektrischen Kontakt mit der Hautoberfläche stehen. Es wird also eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Haut einerseits und der Elektrode andererseits hergestellt. Es erweist sich hierbei jedoch häufig als schwierig, einen hinreichend guten elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode und der Haut und damit dem Körper der zu untersuchenden Person sicherzustellen. Außerdem wird der Einsatz derartiger Diagnoseverfahren zunehmend auch in Anwendungsgebieten vorgesehen, in denen ein direkter Zugang zur Haut der zu untersuchenden Person nicht gegeben ist, wie zum Beispiel in Fahrzeuganwendungen zur Überwachung von Körperfunktionen und/oder Vitalparametern von Fahrzeuginsassen auf Sitzen oder Liegen.
So offenbart beispielsweise die US 7 684 854 B2 einen Sensor zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer Person. Die Person kann sich hierbei in einem Stuhl, einem Bett oder einem Fahrzeugsitz befinden. Das Elektrokardiogramm kann von dem Körper der eine Kleidung tragenden Person ohne direkten Kontakt zur Haut aufgenommen werden. Der Sensor umfasst eine elektrisch leitfähige, flächige Elektrode, die eine der Person zugewandte Messfläche und eine der Person abgewandte, der Messfläche gegenüberliegende Anschlussfläche aufweist, die elektrisch mit einem Vorverstärker verbunden ist. Die Elektrode und der Vorverstärker des Sensors sind von einer Abschirmung umgeben.
Einen weiteren berührungslosen Sensor zur Aufnahme eines Elektrokardiogramms einer Person offenbart die EP 2 532 306 A1 . Der Sensor umfasst eine elektrisch leitfähige Elektrode und eine Detektionseinrichtung, die elektrisch mit der Elektrode verbunden und ausgelegt ist, die von der Elektrode aufgenommenen Signale zu verstärken. Der Sensor ist dazu vorgesehen, in einem Fahrzeugsitz angeordnet zu sein und bestimmte physiologische Parameter eines in dem Fahrzeugsitz sitzenden Fahrers zu ermitteln.
Die DE 20 2012 001 096 U1 offenbart kapazitive Sensoren zur kapazitiven Erfassung von Vitalparametern eines Fahrers eines Fahrzeugs. Hierzu sind die Sensoren in oder an der Rückenlehne des Sitzes des Fahrzeugs angebracht. Insbesondere wird gemäß einer Ausführungsform vorgeschlagen, die Sensoren in oder an der Rückenlehne des Sitzes in zwei voneinander mit einem der Breite der Wirbelsäule des Fahrers entsprechenden Abstand getrennten Reihen verteilt anzuordnen. Je Reihe sind die Sensoren mit einer Fläche von 16 bis 36 cm² in gleichen Abständen von 1 bis 5 cm zueinander angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform sind anstelle der zwei voneinander getrennten Sensorreihen mit über die gesamte Höhe des Sitzes in einem Abstand von 1–5 cm verteilten Sensoren zwei voneinander mit einem der Wirbelsäule entsprechenden Abstand getrennte Foliensensoren mit einer Breite von 4 bis 10 cm über die gesamte Sitzhöhe angeordnet.
Ferner offenbart die DE 10 2008 049 112 A1 eine kapazitive Textilelektrode zum Messen von Körperfunktionen und/oder Vitalparametern von Personen für Fahrzeuganwendungen, zum Beispiel in einem Sitz oder einer Liege, die einen mehrschichtigen Aufbau aufweist. Dieser umfasst zwei Textilschichten, die jeweils einen elektrisch leitfähigen Elektrodenbereich aufweisen, wobei eine weitere Textilschicht zum Herstellen eines Abstands zwischen den zwei anderen Textilschichten vorgesehen ist.
Allgemein zeichnet sich die berührungslose elektrokardiographische Messung dadurch aus, dass zum Beispiel die Kleidung zwischen der Haut der zu untersuchenden Person und der Elektrode des Sensors vorhanden sein kann. Die Signalqualität eines derart von der Elektrode aufgenommenen Messsignals wird jedoch von verschiedenen Faktoren wesentlich beeinflusst, wie zum Beispiel den Vibrationen, denen der Sensor zum Zeitpunkt der Messung ausgesetzt ist, dem Kontaktdruck, der zwischen der mit dem Sensor zu untersuchenden Person und der Elektrode zum Zeitpunkt der Messung vorhanden ist, dem Mikroklima zwischen der Elektrode und der Haut der zu untersuchenden Person, den Materialien der Kleidung und auch der elektrostatischen Aufladung in der Nähe der Elektrode.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sensor, ein Sensorarray sowie einen Sitz oder eine Liege zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an Personen, bevorzugt in Fahrzeuganwendungen, anzugeben, mit denen zuverlässige Aussagen über die Körperfunktionen und/oder Vitalparameter der Person gemacht werden können, das heißt, die jederzeit ein zuverlässiges Signal mit guter Signalqualität zu liefern imstande sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Sensorarray mit den Merkmalen des Anspruchs 3 sowie durch einen Sitz oder eine Liege mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Erfindungsgemäß umfasst ein Sensor zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer Person, bevorzugt in Fahrzeuganwendungen, ein flächiges Trägerelement zur Befestigung des Sensors an einem Objekt und wenigstens eine elektrisch leitfähige, flächige, dem Trägerelement gegenüberliegende und mit diesem verbundene Elektrode. „Berührungslos“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung derart aufzufassen, dass die Elektrode die Haut der zu untersuchenden Person nicht unmittelbar berührt. Beispielsweise können Kleidungsstücke zwischen der zu untersuchenden Person und der Elektrode angeordnet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor stützt sich die Elektrode über wenigstens einen Drucksensor an dem Trägerelement ab. Ferner sind zwischen dem Trägerelement und der Elektrode ein Feuchtesensor, ein Temperatursensor und ein Beschleunigungssensor angeordnet. Somit sind alle zuvor erwähnten Sensorarten in dem erfindungsgemäßen Sensor integriert. Diese erlauben die Erfassung aller wesentlichen Randbedingungen während der Ausführung der elektrokardiographischen Messung an einer Person für jeden einzelnen Sensor. Hierüber lassen sich Informationen über die Qualität und damit die Verwendbarkeit des mit der Elektrode des erfindungsgemäßen Sensors aufgenommenen Messsignals gewinnen. Insbesondere lässt sich das Messsignal beispielsweise bei einer zu geringen Signalqualität unterdrücken, so dass keine falschen Schlüsse bezüglich der Körperfunktionen und/oder Vitalparameter der zu untersuchenden Person gezogen werden können. Dementsprechend lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensors zuverlässigere Aussagen über die Körperfunktionen und/oder Vitalparameter der Person machen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Verarbeitungseinheit vor, die ausgelegt ist, die von dem Drucksensor, dem Feuchtesensor, dem Temperatursensor und dem Beschleunigungssensor erzeugten Informationen zu empfangen und ein von der Elektrode aufgenommenes Messsignal entsprechend den erhaltenen Informationen zu filtern. Auf diese Weise lässt sich die Signalqualität des aufgenommenen Messsignals verbessern, indem zum Beispiel aufgrund der Randbedingungen während der Messung generierte Artefakte aus dem Messsignal herausgefiltert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die mehrfach parallel generierten Sensorsignale der verschiedenen Sensoren dazu verwendet, unerwünschte Signalanteile herauszurechnen oder zu kompensieren, die erwünschten Signalanteile hervorzuheben und/oder die Übertragungseigenschaften der Elektronik und der nachfolgenden Signalverarbeitung anhand der gemessenen Informationen anzupassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist gegenüberliegend dem Feuchtesensor und dem Temperatursensor jeweils eine Öffnung in der Elektrode vorgesehen. Hierdurch wird die Bestimmung des Mikroklimas zwischen der Elektrode und der Haut der zu untersuchenden Person erleichtert, indem der Feuchtegehalt der von der Person getragenen Kleidung ermittelt wird.
Ein erfindungsgemäßes Sensorarray umfasst wenigstens zwei Sensoren der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Art. Als Sensorarray ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jede Art von Anordnung mehrerer dieser Sensoren zu verstehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Sitz oder eine Liege in einem Fahrzeug wenigstens ein Sensorarray nach der vorbeschriebenen, erfindungsgemäßen Art zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer auf dem Sitz oder der Liege befindlichen Person auf.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
1 ein Sensorarray und einen Sitz für ein Fahrzeug nach dem Stand der Technik,
2 eine Seitenquerschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensors entsprechend einer Ausführungsform und
3 eine Vorderansicht des Sensors aus 2.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt schematisch ein Sensorarray 20 und einen Sitz 21 für ein Fahrzeug zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer Person 22 nach dem Stand der Technik dar. Wie zu erkennen ist, besteht das Sensorarray aus einer matrixartigen Anordnung von sechs in einer Rückenlehne eines Fahrzeugsitzes in einer 3×2-Matrix angeordneten Sensoren 23, die jeweils eine elektrisch leitfähige, flächige Elektrode 24 aufweisen. In der Sitzfläche des Fahrzeugsitzes 21 ist ferner eine weitere Elektrode angeordnet, über die ein Bezugspotential der Schaltung eingeprägt wird.
Jede Elektrode 24 umfasst eine der Person 22 bzw. ihrem Körper zugewandte Messfläche 25 und eine der Person abgewandte, der Messfläche 25 gegenüberliegende Anschlussfläche 26 zum Anschluss einer Messeinrichtung 27. Wie in 1 dargestellt ist, berührt die Messfläche 25 der einzelnen Elektroden 24 die Haut der zu untersuchenden Person 22 nicht unmittelbar. Vielmehr ist auf der Messfläche 25 jeder Elektrode 24 in 1 eine Isolierung 28 aufgebracht. Außerdem befindet sich zwischen dem Körper der zu untersuchenden Person 22 und der Messfläche 25 noch die von der Person getragene Kleidung 29.
Die in 1 dargestellte Messeinrichtung 27 umfasst pro Sensor 23 einen von einer Abschirmung 30 umgebenen Vorverstärker 31. Ferner verstärkt ein Instrumentenverstärker 32 das von den Elektroden 24 der Sensoren 23 aufgenommene Messsignal, gefolgt von einer Filter- und Verstärkungseinheit 33 sowie einem A/D-Wandler 34. Das von dem A/D-Wandler 34 ausgegebene digitale Messsignal kann anschließend beispielsweise mittels einer digitalen Rechnereinheit 35 in geeigneter Weise weiterverarbeitet werden.
2 stellt schematisch eine Seitenquerschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensors 36 entsprechend einer ersten Ausführungsform dar. 3 stellt denselben Sensor 36 in einer Vorderansicht dar. Der Sensor 36 umfasst ein flächiges Trägerelement 37 zur Befestigung des Sensors 36 an einem Objekt, beispielsweise einer Rückenlehne eines Fahrzeugsitzes, und ferner eine elektrisch leitfähige, flächige, dem Trägerelement 37 gegenüberliegende und mit diesem verbundene Elektrode 24.
Ferner sind bei dem in 2 dargestellten Sensor zwischen dem Trägerelement 37 und der Elektrode 24 zwei Drucksensoren 38, ein Feuchtesensor 39, ein Temperatursensor 40 und ein Beschleunigungssensor 41 angeordnet. Insbesondere stützt sich die Elektrode 24 über die beiden Drucksensoren 38 an dem Trägerelement 37 ab, so dass ein Kontaktdruck zwischen der Elektrode 24 und der zu untersuchenden Person mit Hilfe der Drucksensoren 38 erfasst werden kann.
Wie weiter in den 2 und 3 zu erkennen ist, ist gegenüberliegend dem Feuchtesensor 39 und dem Temperatursensor 40 jeweils eine Öffnung 42 in der Elektrode 24 vorgesehen, um dem Feuchtesensor 39 und dem Temperatursensor 40 die Bestimmung des Mikroklimas zwischen der Elektrode 24 und der Haut der zu untersuchenden Person, insbesondere des Feuchtegehalts der von der zu untersuchenden Person getragenen Kleidung, zu ermöglichen.
Eine in den Figuren nicht dargestellte Verarbeitungseinheit ist des Weiteren ausgelegt, die von dem Drucksensor 38, dem Feuchtesensor 39, dem Temperatursensor 40 und dem Beschleunigungssensor 41 erzeugten Informationen zu empfangen und ein von der Elektrode 24 aufgenommenes Messsignal entsprechend den erhaltenen Informationen zu filtern, insbesondere die aufgrund der Randbedingungen während der Messung generierten Artefakte aus dem Messsignal herauszufiltern und somit die Signalqualität des Messsignals wesentlich zu verbessern, so dass sich zuverlässige Aussagen über die Körperfunktionen und/oder Vitalparameter der zu untersuchenden Person treffen lassen.
Der erfindungsgemäße Sensor, das Sensorarray und der Sitz oder die Liege wurden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Der Sensor, das Sensorarray und der Sitz oder die Liege sind jedoch nicht auf die hierin beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen. So ist es beispielsweise denkbar, an die Verarbeitungseinheit neben den in den erfindungsgemäßen Sensor integrierten Druck-, Feuchte-, Temperatur- und Beschleunigungssensoren auch weitere, externe Sensoren anzuschließen, zum Beispiel Sensoren zur Erfassung der Licht- und/oder Wärmestrahlung.
In bevorzugter Ausführung werden der erfindungsgemäße Sensor, das Sensorarray und der Sitz oder die Liege in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer Person verwendet.
Bezugszeichenliste

20: Sensorarray
21: Sitz
22: Person, Körper
23: Sensor
24: Elektrode
25: Messfläche
26: Anschlussfläche
27: Messeinrichtung
28: Isolierung
29: Kleidung
30: Abschirmung
31: Vorverstärker
32: Instrumentenverstärker
33: Filter- und Verstärkungseinheit
34: A/D-Wandler
35: Rechnereinheit
36: Sensor
37: Trägerelement
38: Drucksensor
39: Feuchtesensor
40: Temperatursensor
41: Beschleunigungssensor
42: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7684854 B2 [0004]
EP 2532306 A1 [0005]
DE 202012001096 U1 [0006]
DE 102008049112 A1 [0007]

Claims

Sensor zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer Person, umfassend ein flächiges Trägerelement (37) zur Befestigung des Sensors an einem Objekt und wenigstens eine elektrisch leitfähige, flächige, dem Trägerelement (37) gegenüberliegende und mit diesem verbundene Elektrode (24), dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elektrode (24) über wenigstens einen Drucksensor (38) an dem Trägerelement (37) abstützt und zwischen dem Trägerelement (37) und der Elektrode (24) ferner ein Feuchtesensor (39), ein Temperatursensor (40) und ein Beschleunigungssensor (41) angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungseinheit, die ausgelegt ist, die von dem Drucksensor (38), dem Feuchtesensor (39), dem Temperatursensor (40) und dem Beschleunigungssensor (41) erzeugten Informationen zu empfangen und ein von der Elektrode (24) aufgenommenes Messsignal entsprechend den erhaltenen Informationen zu filtern.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von mindestens einem der Sensoren Drucksensor (38), Feuchtesensor (39), Temperatursensor (40) und Beschleunigungssensor (41) gemessenen Informationen verwendet werden, unerwünschte Signalanteile herauszurechnen oder zu kompensieren, die erwünschten Signalanteile hervorzuheben und/oder die Übertragungseigenschaften der Elektronik und der nachfolgenden Signalverarbeitung anhand der gemessenen Informationen anzupassen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegend dem Feuchtesensor (39) und dem Temperatursensor (40) jeweils eine Öffnung (42) in der Elektrode (24) vorgesehen ist.
Sensorarray, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Sensoren (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Sitz oder Liege in einem Fahrzeug mit wenigstens einem Sensorarray nach dem vorhergehenden Anspruch zur berührungslosen elektrokardiographischen Messung an einer auf dem Sitz oder der Liege befindlichen Person.