DE102014212590A1 - Method and device for detecting the cardiac activity of a driver - Google Patents

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Abstract

Eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der kardialen Aktivität eines Führers eines Kraftfahrzeuges mittels dem kapazitiven EKG-Verfahren, wobei eine vorgegebene Anzahl von Elektroden im Fahrersitz integriert sind, führen die folgenden Schritte aus: – Festlegen einer Elektrode als Referenzelektrode, – Definieren von Messkanälen als bipolare Ableitungen der anderen Elektroden gegenüber der Referenzelektrode, – Durchführen einer räumlich zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse basierend auf den Messkanälen zur Bestimmung der Ausgangskanäle eines Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse, – Auswählen von mindestens einem Ausgangskanal aus den Ausgangskanälen des Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse, und – Bestimmung von Herzrate und Herzratenvariabilität aus dem mindestens einen ausgewählten Ausgangskanal.A method and a device for detecting the cardiac activity of a driver of a motor vehicle by means of the capacitive ECG method, wherein a predetermined number of electrodes are integrated in the driver's seat, perform the following steps: defining an electrode as a reference electrode, defining measurement channels as bipolar derivatives of the other electrodes with respect to the reference electrode, performing a spatiotemporal independence analysis based on the measurement channels to determine the output channels of an output vector of the independence analysis, selecting at least one output channel from the output channels of the output vector of the independence analysis, and determining heart rate and heart rate variability the at least one selected output channel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der kardialen Aktivität eines Führers eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5. The invention relates to a method for detecting the cardiac activity of a driver of a motor vehicle according to the preamble of claim 1 and to a corresponding device according to the preamble of claim 5.

Aufgrund der demographischen Entwicklung der Bevölkerungsstruktur und der ständig zunehmenden Anzahl von älteren Fahrzeugführern bekommen Systeme zur medizinischen Analyse bzw. Unterstützung des Fahrers in einer automobilen Umgebung wachsende Bedeutung. Eine wesentliche Anforderung an medizinische Assistenzsysteme ist deren Fähigkeit zur verlässlichen Messung von Vitalsignalen, wobei eines der wichtigsten Vitalsignale der Herzschlag ist, insbesondere dessen Änderung und Rhythmus, also die kardiale Aktivität. Due to the demographic development of the population structure and the ever-increasing number of older drivers, systems for medical analysis or support of the driver in an automotive environment are becoming increasingly important. An essential requirement for medical assistance systems is their ability to reliably measure vital signals, wherein one of the most important vital signals is the heartbeat, in particular its change and rhythm, ie the cardiac activity.

Die Erfassung der kardialen Aktivität und der autonomen Regulation, was nachfolgend als physiologisches Monitoring bezeichnet wird, erlaubt die Diagnostik und Prädiktion kardiovaskulärer Komplikationen und kann weiterhin einen Beitrag zur Bewertung von Zuständen wie Stress und Müdigkeit leisten. Ein funktionsfähiges physiologisches Monitoring bei Kraftfahrern erfordert eine technische Lösung, die für den Fahrer keinerlei Einschränkung darstellt, was idealerweise eine kontaktlose Funktion erfordert, vollkommen rückwirkungsfrei arbeitet und trotz der im Auto vorgefundenen schwierigen Messsituation verlässliche Aussagen liefert. Die Schwierigkeiten der Messsituation sind insbesondere durch passive und aktive Bewegungen des Fahrers begründet. Detection of cardiac activity and autonomic regulation, hereafter referred to as physiological monitoring, allows the diagnosis and prediction of cardiovascular complications and may further contribute to the evaluation of conditions such as stress and fatigue. A functional physiological monitoring of motorists requires a technical solution that does not represent any restriction for the driver, which ideally requires a contactless function, works completely non-reactive and delivers reliable information despite the difficult measurement situation found in the car. The difficulties of the measurement situation are due in particular to passive and active movements of the driver.

So beschreibt die Druckschrift US 20090226071 A1 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Herzfrequenz einer Person mittels der Analyse optischer Bilder eines Hautabschnitts, welcher sich über einer bluttransportierenden Kapillare befindet. Die Beobachtung des Hautabschnitts erfolgt im sichtbaren Lichtbereich, wobei die Beobachtung sowohl in Reflexion als auch in Transmission erfolgen kann und zur Bestrahlung des Hautabschnitts eine geeignete Lichtquelle verwendet wird. Die durch den Herzschlag verursachte Änderung im Volumenstrom des Bluts in den Kapillaren kann in den optischen Bildern detektiert werden und so zur Bestimmung der kardialen Aktivität verwendet werden. Allerdings ist der Einsatz eines optischen Verfahrens durch Beobachtung der Hautoberfläche in einem Kraftfahrzeug schwierig zu realisieren. This is how the document describes US 20090226071 A1 a device for determining the heart rate of a person by means of the analysis of optical images of a skin portion which is located above a blood-carrying capillary. The observation of the skin section takes place in the visible light range, wherein the observation can take place both in reflection and in transmission and for the irradiation of the skin section a suitable light source is used. The change in the volume flow of blood in the capillaries caused by the heartbeat can be detected in the optical images and thus used to determine the cardiac activity. However, the use of an optical method by observing the skin surface in a motor vehicle is difficult to realize.

Eine weitere Möglichkeit zur kontaktlosen Bestimmung der kardialen Aktivität bietet das kapazitive EKG, welches im Folgenden als kEKG abgekürzt wird. Das kEKG ist von besonderem Interesse, da im klinischen Umfeld bereits gezeigt werden konnte, dass unter entsprechenden Messbedingungen vergleichbare Ergebnisse zur klinisch eingesetzten Referenztechnik, dem konduktiven EKG, erzielt werden können. Bezüglich des Monitorings von Fahrzeugführern mittels kEKG sind erste Ansätze beschrieben. Another possibility for the non-contact determination of cardiac activity is provided by the capacitive ECG, which is abbreviated hereafter to kEKG. The kEKG is of particular interest because it has already been shown in the clinical environment that comparable results to the clinically used reference technique, the conductive ECG, can be achieved under appropriate measurement conditions. Regarding the monitoring of drivers by kEKG first approaches are described.

In der Veröffentlichung U. Wiklund et al: "Adaptive spatio-temporal filtering of disturbed ECCs: a multi-channel approach to heartbeat detection in smart clothing", Med. Bio. Eng. Comput., Vol. 45, No. 6, S. 515–523, 2007 , wird ein Verfahren zur Ermittlung eines EKGs beschrieben, wobei in einem eng anliegenden Oberbekleidungsstück, beispielsweise ein T-Shirt, eine Vielzahl von Elektroden zur Definition einer Vielzahl möglicher Messkanäle angeordnet sind. Mittels eines adaptiven räumlich-zeitlichen Filterungsverfahrens (spatio-temporal filtering) der EKG-Signale können Herzschläge in einer stark verrauschten Umgebung ermittelt werden. In the publication U. Wiklund et al: "Adaptive Spatio-temporal filtering of disturbed ECCs: a multi-channel approach to heartbeat detection in smart clothing", Med. Bio. Closely. Comput., Vol. 45, no. 6, pp. 515-523, 2007 , a method for determining an ECG is described, wherein in a tight-fitting outer garment, such as a T-shirt, a plurality of electrodes for defining a plurality of possible measuring channels are arranged. By means of an adaptive spatial-temporal filtering method (spatio-temporal filtering) of the ECG signals, heartbeats can be determined in a strongly noisy environment.

Eine Zusammenfassung der Unabhängigkeitsanalyse, die als Independent Component Analyse ICA bekannt ist, kann A. Hyvärinen: "Independent Component Analysis: Recent Advances", Phil. Trans. R. Soc. A, vol. 371, no. 1984, S. 1–19, 2013 entnommen werden. A summary of the independence analysis, known as Independent Component Analysis ICA, can be found A. Hyvärinen: Independent Component Analysis: Recent Advances, Phil. Trans. R. Soc. A, vol. 371, no. 1984, pp. 1-19, 2013 be removed.

In T. Matsuda et al.: "ECG Monitoring of a Car Driver Using Capacitively-Coupled Electrodes, Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology, 30th Annual Conference, Vancouver, Canada 2008, 1315–1318 , wird ein Verfahren zur kapazitiven Messung eines EKG, also eine kEKG, beschrieben, wobei im unteren Teil des Fahrersitzes, d.h. im Gesäßbereich des Fahrers, eine Signalelektrode angeordnet ist, während das Lenkrad mit einer geeigneten Erdungselektrode versehen ist. Es zeigte sich, dass mit dieser Anordnung prinzipiell ein EKG-Signal bestimmt werden kann, allerdings müssen großflächige Elektroden verwendet werden und die Güte des Messsignals hängt stark von den äußeren Fahrbedingungen ab. So stellt sich die EKG-Bestimmung bei schlechten Straßenbedingungen als äußerst schwierig heraus. In T. Matsuda et al .: ECG Monitoring of a Car Driver Using Capacitively-Coupled Electrodes, Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology, 30th Annual Conference, Vancouver, Canada 2008, 1315-1318 , A method for capacitive measurement of an ECG, ie a kEKG, described, wherein in the lower part of the driver's seat, ie in the buttocks of the driver, a signal electrode is arranged, while the steering wheel is provided with a suitable ground electrode. It was found that with this arrangement, in principle, an ECG signal can be determined, however, large-area electrodes must be used and the quality of the measurement signal depends strongly on the external driving conditions. Thus, the ECG determination in bad road conditions turns out to be extremely difficult.

In T. Wartzek et al: "ECG on the Road: Robust and Unobtrusive Estimation of Heart Rate", IEEE transactions on bio-medical engineering, Vol. 58, No. 11, S. 3112-3120, Nov. 2011 , wird eine im Fahrersitz angeordnete Vorrichtung zur Bestimmung der Herzrate basierend auf einem kapazitiven EKG beschrieben, bei der in der Rückenlehne des Fahrersitzes 6 Elektroden und im unteren Sitzteil eine sogenannte DRL-Elektrode (DRL – Driven Right Leg) angeordnet sind, wobei die DRL-Elektrode die Funktion der Erdungselektrode hat. Ein Messkanal ist definiert als bipolare Ableitung zweier Elektroden, wobei mehrere Kanäle untersucht werden und eine Entscheidung getroffen wird, in welchem der beobachteten Kanäle ein geeigneter QRS-Komplex auffindbar ist. Dabei wird unter einem QRS-Komplex in der Medizin eine Gruppe von Ausschlägen im Elektrokardiogramm verstanden, die durch die Depolarisation der beiden Herzkammern verursacht wird. Es zeigt sich, dass die Bestimmung des EKGs beispielsweise von der Bekleidung der Testpersonen abhängt, so dass bei ungünstiger Bekleidung oftmals kein EKG bestimmt werden konnte und ein sicheres Monitoring des Fahrers nicht möglich ist. Ebenso ist ein sicherer Ausschluss von Artefakten nicht immer möglich. In Wartzek et al: "ECG on the Road: Robust and Unobtrusive Estimation of Heart Rate", IEEE transactions on bio-medical engineering, Vol. 11, p. 3112-3120, Nov. 2011 , a device arranged in the driver's seat for determining the heart rate based on a capacitive ECG is described in the backrest of the driver's seat 6 electrodes and in the lower seat part, a so-called DRL (DRL - Driven Right Leg) are arranged, wherein the DRL electrode has the function of the ground electrode. A measurement channel is defined as the bipolar derivative of two electrodes, whereby several channels are examined and a decision is made in which of the observed channels a suitable QRS complex can be found. In this context, a QRS complex in medicine is understood to mean a group of electrocardiogram eruptions caused by the depolarization of the two heart chambers. It turns out that the determination of the ECG, for example, depends on the clothing of the test persons, so that in unfavorable clothing often no ECG could be determined and safe monitoring of the driver is not possible. Likewise, a safe exclusion of artifacts is not always possible.

Die bekannten Verfahren zur Bestimmung der kardialen Aktivität eines Fahrers haben Schwierigkeiten mit den im Kraftfahrzeug vorgefundenen Störeinflüssen und zwar hinsichtlich von Fahrzeug- und Fahrerbewegung sowie die individuell stark unterschiedlichen Fahrereigenschaften. The known methods for determining the cardiac activity of a driver have difficulties with the disturbing influences found in the motor vehicle, namely with regard to vehicle and driver movement as well as the individually greatly differing driver characteristics.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die automatische Identifikation von kardiovaskulären Signalen des Fahrers eines Kraftfahrzeugs zu verbessern. The invention is therefore based on the object to improve the automatic identification of cardiovascular signals of the driver of a motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erfassung der kardialen Aktivität des Fahrers eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved by a method for detecting the cardiac activity of the driver of a motor vehicle having the features of claim 1 and by a corresponding device having the features of claim 5. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung der kardialen Aktivität eines Führers eines Kraftfahrzeuges mittels des kapazitiven EKG-Verfahrens, wobei eine vorgegebene Anzahl von Elektroden im Fahrersitz integriert sind, umfasst die folgenenden Schritte:

  • – Festlegen einer Elektrode als Referenzelektrode,
  • – Definieren von Messkanälen als bipolare Ableitungen der anderen Elektroden gegenüber der Referenzelektrode,
  • – Durchführen einer räumlich zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse basierend auf den Messkanälen zur Bestimmung der Ausgangskanäle eines Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse,
  • – Auswählen von mindestens einem Ausgangskanal aus den Ausgangskanälen des Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse, und
  • – Bestimmung von Herzrate und Herzratenvariabilität aus dem mindestens einen ausgewählten Ausgangskanal.
The inventive method for detecting the cardiac activity of a driver of a motor vehicle by means of the capacitive ECG method, wherein a predetermined number of electrodes are integrated in the driver's seat, comprises the following steps:
  • Setting an electrode as a reference electrode,
  • Defining measurement channels as bipolar derivatives of the other electrodes with respect to the reference electrode,
  • Performing a spatiotemporal independence analysis based on the measurement channels to determine the output channels of an output vector of the independence analysis,
  • Selecting at least one output channel from the output channels of the output vector of the independence analysis, and
  • Determination of heart rate and heart rate variability from the at least one selected output channel.

Vorzugsweise erfolgt eine Vorselektion der Messkanäle zur Zuführung einer Auswahl an Messkanälen an die räumlich-zeitliche Unabhängigkeitsanalyse. Preferably, a preselection of the measuring channels for supplying a selection of measuring channels to the spatio-temporal independence analysis.

Weiter bevorzugt erfolgt das Auswählen von mindestens einem Ausgangskanal mittels eines kaskadierten Auswahlverfahrens, wobei Artefakte ermittelt und ausgeschlossen werden. More preferably, the selection of at least one output channel by means of a cascaded selection process, wherein artifacts are determined and excluded.

Insbesondere umfasst das kaskadierte Auswahlverfahren drei Schritte, nämlich einen primären Artefaktausschluß, einen sekundären Artefaktausschluß und eine Kanalauswahl. In particular, the cascaded selection process comprises three steps, namely a primary artifact exclusion, a secondary artifact exclusion, and a channel selection.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der kardialen Aktivität eines Führers eines Kraftfahrzeuges mittels des kapazitiven EKG-Verfahrens, welche zur Durchführung des im Vorangegangenen erläuterten Verfahrens ausgelegt und eingerichtet ist, umfasst:

  • – eine vorgegebenen Anzahl von in dem Fahrersitz integrierten Elektroden zur Festlegung einer Anzahl bipolarer Messkanäle,
  • – eine Einrichtung zur Durchführung einer räumlich-zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse basierend auf den Messkanälen zur Bestimmung der Ausgangskanäle eines Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse,
  • – eine Einrichtung zum Auswählen von mindestens einem Ausgangskanal aus den Ausgangskanälen des Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse, und
  • – eine Einrichtung zur Bestimmung von Herzrate und Herzratenvariabilität aus dem mindestens einen Ausgangskanal.
The device according to the invention for detecting the cardiac activity of a driver of a motor vehicle by means of the capacitive ECG method, which is designed and configured to carry out the method explained above, comprises:
  • A predetermined number of electrodes integrated in the driver's seat for defining a number of bipolar measuring channels,
  • A device for carrying out a spatio-temporal independence analysis based on the measuring channels for determining the output channels of an output vector of the independence analysis,
  • Means for selecting at least one output channel from the output channels of the output vector of the independence analysis, and
  • A means for determining heart rate and heart rate variability from the at least one output channel.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Vorselektion der Messkanäle zur Zuführung einer Auswahl an Messkanälen an die räumlich-zeitliche Unabhängigkeitsanalyse auf. The device preferably has a device for preselecting the measurement channels for supplying a selection of measurement channels to the spatio-temporal independence analysis.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. It shows

1 ein erstes Beispiel eines Systems zur Bestimmung eines kEKGs, und 1 a first example of a system for determining a kEKG, and

2 ein zweites Beispiel eines Systems zur Bestimmung eines kEKGs. 2 a second example of a system for determining a kEKG.

1 zeigt ein erstes Beispiel der Komponenten eines Systems zur Bestimmung der kardialen Aktivität eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs. Dabei sind in dem Fahrersitz 9 des Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) eine Mehrzahl von Elektroden angeordnet, wobei im Beispiel der 1 in der Rückenlehne 10 des Sitzes 9 sechs Elektroden 1 bis 6 und im Sitzbereich 11 (Gesäßbereich) zwei weitere Elektroden 7, 8, also insgesamt acht Elektroden im Fahrersitz 9 integriert angeordnet sind. 1 shows a first example of the components of a system for determining the cardiac activity of a driver of a motor vehicle. Thereby are in the driver's seat 9 of the motor vehicle (not shown) arranged a plurality of electrodes, in the example of the 1 in the backrest 10 of the seat 9 six electrodes 1 to 6 and in the seating area 11 (Buttocks area) two more electrodes 7 . 8th , so a total of eight electrodes in the driver's seat 9 are arranged integrated.

Das kEKG wird durch die im Fahrersitz angeordneten Elektroden 1 bis 8 als bipolare Ableitungen gegenüber einer als Referenzelektrode ausgewählten Elektrode 1 bis 8 erfasst, so dass auf diese Weise sieben EKG-Kanäle kapazitiv gemessen werden. Wird beispielsweise Elektrode 3 als Referenzelektrode verwendet, so ergeben sich die in der folgenden Tabelle aufgelisteten sieben EKG-Kanäle, wobei zur weiteren formalen Behandlung bzw. Erläuterung des eingesetzten Verfahrens die sieben EKG-Kanäle in die rechts aufgeführten formalen Kanäle xi umdefiniert werden: Elektrodenkombination EKG-Kanal Formaler Kanal 1-3 KN1 x0 2-3 KN2 x1 4-3 KN4 x2 5-3 KN5 x3 6-3 KN6 x4 7-3 KN7 x5 8-3 KN8 x6 The kEKG is controlled by the electrodes in the driver's seat 1 to 8th as bipolar leads to an electrode selected as the reference electrode 1 to 8th recorded, so that in this way seven ECG channels are measured capacitively. For example, electrode 3 used as reference electrode, the result in the following table seven ECG channels, for further formal treatment or explanation of the method used, the seven ECG channels are redefined in the formal channels x i listed on the right: electrode combination ECG channel Formal channel 1 - 3 KN1 x 0 2 - 3 KN2 x 1 4 - 3 KN 4 x 2 5 - 3 KN5 x 3 6 - 3 KN6 x 4 7 - 3 KN7 x 5 8th - 3 CN8 x 6

Die Auswahl der Elektrode 3 als Referenzelektrode ist nur beispielhaft zu verstehen, es kann natürlich auch eine andere Elektrode gewählt werden. Ebenso ist die Gesamtzahl der Elektroden beispielhaft und nicht auf acht begrenzt. The selection of the electrode 3 As a reference electrode is to be understood as an example only, it can of course be chosen another electrode. Likewise, the total number of electrodes is exemplary and not limited to eight.

In einer räumlich-zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse 12, die auch als spatio-temporale ICA bezeichnet wird, (spatio-temporal Independent Component Analyse) werden die sieben EKG-Signale xi über einen vorgegebenen Zeitabschnitt, zum Beispiel 10 Sekunden, mit zeitverschobenen Duplikaten dieser Signale verknüpft, wodurch eine zeitliche und räumliche Filterung erreicht wird. Dies wird auch als Datenfusion auf Rohdatenebene bezeichnet. Dabei werden die Signale der EKG-Kanäle als Signalüberlagerungen aus ursprünglich unabhängigen Komponenten betrachtet. Mittels der Unabhängigkeitsanalyse 12 wird unter Berücksichtigung des zentralen Grenzwertsatzes die quadratische Entmischungsmatrix W bestimmt, so dass die ursprünglichen unabhängigen Komponenten, im vorliegenden Fall die kardiale Aktivität des Fahrers, bestimmt werden können. In a spatio-temporal independence analysis 12 Also referred to as spatiotemporal ICA (spatio-temporal independent component analysis), the seven ECG signals x i are associated with time-shifted duplicates of these signals over a predetermined period of time, for example 10 seconds, thereby providing temporal and spatial filtering is reached. This is also referred to as data fusion at the raw data level. The signals of the ECG channels are regarded as signal overlays from originally independent components. By means of the independence analysis 12 the quadratic segregation matrix W is determined taking into account the central limit theorem, so that the original independent components, in the present case the driver's cardiac activity, can be determined.

Aus den Eingangssignalen xi(n) der n-ten Messung des i-ten Kanals werden in der Unabhängigkeitsanalyse 12 die folgenden Größen zi,k(n) zum räumlich-zeitlichen Filtern gebildet:

Figure DE102014212590A1_0002
wobei I die Anzahl der Kanäle i und K die Anzahl der verschobenen Versionen bedeutet. From the input signals x i (n) of the n-th measurement of the i-th channel are in the independence analysis 12 the following quantities z i, k (n) are formed for spatial-temporal filtering:
Figure DE102014212590A1_0002
where I is the number of channels i and K is the number of shifted versions.

Im vorliegenden Beispiel werden I = 7 Kanäle und K = 10 zeitlich verschobene Versionen betrachtet. In this example, I = 7 channels and K = 10 time-shifted versions are considered.

Der Ausgang y der räumlich-zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse 12 ergibt sich zu y = Wz, wobei die quadratische Entmischungsmatrix W die Dimension [IK·IK] aufweist. Als Ausgang der räumlich-zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse 12 ergibt sich der Vektor y, der KI = N Ausgangskanäle ICA1 bis ICAN umfasst. Im vorliegenden Beispiel sind dies 70 Ausgangskanäle, die auch als Komponenten bezeichnet werden. Prinzipiell kann die räumlich-zeitliche Unabhängigkeitsanalyse 12 mit jeder beliebigen Anzahl von Eingangskanälen I und zeitlichen Verschiebungen K arbeiten. The output y of the spatio-temporal independence analysis 12 arises too y = Wz, wherein the square segregation matrix W has the dimension [IK · IK]. As an output of the spatio-temporal independence analysis 12 The result is the vector y, which comprises KI = N output channels ICA1 to ICAN. In the present example, these are 70 output channels, which are also referred to as components. In principle, the spatio-temporal independence analysis 12 work with any number of input channels I and time shifts K.

Die Komponenten bzw. Ausgangssignale ICA1 bis ICAN des Ausgangsvektors y der räumlich-zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse 12 werden einer kaskadierten Kanalauswahl 13 zugeführt, in der die Frequenzbänder der Ausgangskanäle bewertet werden. Diejenigen Ausgangskanäle ICA1 bis ICAN, die für die weitere Nutzung nicht in Frage kommen, werden verworfen. Die Bewertung erfolgt sowohl anhand den im EKG allgemein zu erwartenden Frequenzcharakteristiken als auch den nach der Rohdatenfusion mittels der räumlich-zeitllichen Unabhängigkeitsanalyse 12 zu erwartenden Charakteristiken. Dabei wird die Ausprägung und Auftretenscharakteristik von QRS-Komplexen bewertet, wobei QRS-Komplexe die elektrische Herzerregung, d.h. einzelne Herzschläge, wiederspiegeln. The components or output signals ICA1 to ICAN of the output vector y of the spatio-temporal independence analysis 12 become a cascaded channel selection 13 fed, in which the frequency bands of the output channels are evaluated. Those output channels ICA1 to ICAN, which are not suitable for further use, are discarded. The evaluation is carried out both on the basis of the frequency characteristics generally to be expected in the ECG and also after the raw data fusion by means of the spatio-temporal independence analysis 12 expected characteristics. It assesses the severity and appearance characteristics of QRS complexes, with QRS complexes reflecting electrical cardiac excitation, ie individual heartbeats.

Die kaskadierte Kanalauswahl 13 umfasst mehrere Schritte, wobei im vorliegenden Beispiel drei Schritte zum Einsatz kommen. Im ersten Schritt, dem primären Artefaktausschluss, wird das Verhältnis der höherfrequenten Leistung p (1) / HF zur niederfrequenten Leistung p (1) / NF für jeden Ausgangskanal ICA1 bis ICAN bzw. Komponente des Ausgangsvektors y bestimmt. Die Größen p (1) / HF und p (1) / NF werden durch Schätzungen der spektralen Leistungsdichte ermittelt, wobei höherfrequent für den Frequenzbereich 5 bis 40 Hz und niederfrequent für den Frequenzbereich kleiner 5 Hz steht. Kanäle ICA1 bis ICAN oder Komponenten, die das Kriterium

Figure DE102014212590A1_0003
erfüllen, werden aussortiert. Es wird also im ersten Schritt überprüft. ob die höherfrequenten Leistungen, wie sie im Falle ausgeprägter QRS Komplexe erwartet werden, ausreichend stark gegenüber den niederfrequenten Anteilen, die Rauschen und Störungen darstellen, repräsentiert sind. The cascaded channel selection 13 involves several steps, three steps being used in the present example. The first step, the primary artifact exclusion, is the ratio of higher-frequency power p (1) / HF to low-frequency power p (1) / NF for each output channel ICA1 to ICAN or component of the output vector y determined. The sizes p (1) / HF and p (1) / NF are determined by estimates of the spectral power density, with higher frequency for the frequency range 5 to 40 Hz and low frequency for the frequency range less than 5 Hz. Channels ICA1 to ICAN or components that meet the criterion
Figure DE102014212590A1_0003
fulfill are sorted out. It will be checked in the first step. whether the higher-frequency powers, as expected in the case of pronounced QRS complexes, are sufficiently strong in comparison with the low-frequency components that represent noise and interference.

In den verbliebenen Kanälen wird in einem zweiten Schritt eine Verstärkung der QRS-Komplexe mittels digitaler Filterung mittels eines Bandpassfilters im Bereich 5–11 Hz vorgenommen, die dafür sorgt, dass sich im Spektrum geeigneter Signale eine periodische Komponente mit Periodendauer der Herzfrequenz, d.h. zwischen 0,5 Hz und 5 Hz, mitsamt deren Harmonischen abzeichnet. Dies kann mittels eines geglätteten Ableitungsfilters mit einer nachfolgender Quadrierung erfolgen. Um ein gefiltertes Signal als nutzbar einzustufen, sollte die Leistung in diesem Frequenzbereich ausgeprägt gegenüber der verbliebenen hochfrequenten Leistung sein. Als Ausschlusskriterium gilt nunmehr im zweiten Schritt:

Figure DE102014212590A1_0004
In the remaining channels, in a second step, an amplification of the QRS complexes by means of digital filtering by means of a bandpass filter in the range 5-11 Hz is performed, which ensures that in the spectrum of suitable signals a periodic component with period of the heart rate, ie between 0 , 5 Hz and 5 Hz, together with their harmonics. This can be done by means of a smoothed derivative filter with a subsequent squaring. To classify a filtered signal as usable, the power in this frequency range should be distinct from the remaining high frequency power. The exclusion criterion now applies in the second step:
Figure DE102014212590A1_0004

Abschließend wird in einem dritten Schritt aus den noch verbliebenen Kanälen der am besten geeignete Kanal ICA_sel1 ausgewählt, indem der Grad der Ausgeprägtheit der fundamentalen Frequenz, und ggf. ihrer Harmonischen, bewertet wird. Besonders ausgeprägte spektrale Peaks im Bereich zwischen 0,5 Hz und 5 Hz sprechen für ein gut nutzbares Signal. Es können auch mehrere Kanäle ausgewählt werden. Finally, in a third step, the most suitable channel ICA_sel1 is selected from the remaining channels by evaluating the degree of distinctness of the fundamental frequency, and possibly of its harmonics. Particularly pronounced spectral peaks in the range between 0.5 Hz and 5 Hz speak for a good usable signal. You can also select multiple channels.

Der im dritten Schritt der kaskadierten Kanalauswahl 13 ausgewählte Kanal ICA_sel1 wird eine Einrichtung 14 zur Bestimmung der Herzrate und der Herzratenvariabilität zugeführt. Die Herzratenvariabilität entspricht dabei der Dynamik der Abstände zwischen je zwei aufeinanderfolgenden QRS-Komplexen, also Herzschlägen. The third step of the cascaded channel selection 13 selected channel ICA_sel1 becomes a device 14 for determining heart rate and heart rate variability. The heart rate variability corresponds to the dynamics of the distances between two successive QRS complexes, ie heartbeats.

2 zeigt ein zweites Beispiel eines Systems zur Bestimmung eines kEKGs, wobei zum ersten Beispiel identische Systemkomponenten mit den in 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind und nicht näher erläutert werden. In dem System nach 1 erfolgt in einer Vorselektionseinrichtung 15 eine Vorselektion der möglichen Kanäle. Auch im Beispiel der 2 sind im Fahrersitz acht Elektroden angeordnet, so dass sieben mögliche Messkanäle KN1, KN2, KN4 bis KN8 zur Verfügung stehen, wenn eine der acht Elektroden 18, im vorliegenden Beispiel Elektrode 3, als Referenzelektrode ausgewählt wird. Ist nun in der Vorselektionseinrichtung 15 erkennbar, dass einzelne Messkanäle eine unzulängliche Messqualität liefern, beispielsweise wenn kein oder ein zu gering ausgeprägter QRS-Komplex im Rohsignal erkennbar ist, so können diese Messkanäle direkt aussortiert werden. Sind beispielsweise nur die Kanäle KN5, KN6 und KN7 zur weiteren Verarbeitung geeignet, so vereinfacht sich die nachfolgende Signalverarbeitung in der Unabhängigkeitsanalyse 12 und der kaskadierten Signalauswahl 13. 2 shows a second example of a system for determining a kEKG, wherein the first example identical system components with the in 1 used reference numerals are designated and will not be explained in detail. In the system after 1 takes place in a preselection device 15 a preselection of the possible channels. Also in the example of 2 eight electrodes are arranged in the driver's seat so that seven possible measuring channels KN1, KN2, KN4 to KN8 are available if one of the eight electrodes 1 - 8th , in the present example, electrode 3 , is selected as the reference electrode. Is now in the preselection device 15 recognizable that individual measuring channels provide an inadequate quality of measurement, for example, if no or too little pronounced QRS complex in the raw signal is recognizable, these channels can be sorted out directly. If, for example, only the channels KN5, KN6 and KN7 are suitable for further processing, the subsequent signal processing in the independence analysis is simplified 12 and the cascaded signal selection 13 ,

Ferner ist eine Rückkopplung der Signalanalyse auf die Vorselektionseinrichtung 15 möglich, indem die nach den verschiedenen Schritten des Artefaktausschlusses in der Signalauswahl 13 vorliegenden Signale bzw. deren Korrelation zu den Eingangssignalen bewertet werden. So können geeignete Eingangssignale vorselektiert werden und/oder die Bezugselektrode bei Bedarf adaptiv angepasst werden. Furthermore, a feedback of the signal analysis to the preselection device 15 possible by following the various steps of artifact exclusion in the signal selection 13 present signals or their correlation to the input signals are evaluated. Thus, suitable input signals can be preselected and / or the reference electrode can be adapted adaptively if required.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Elektrode electrode
2 2
Elektrode electrode
3 3
Elektrode electrode
4 4
Elektrode electrode
5 5
Elektrode electrode
6 6
Elektrode electrode
7 7
Elektrode electrode
8 8th
Elektrode electrode
9 9
Kraftfahrzeugsitz Automotive seat
10 10
Rückenlehne backrest
11 11
Sitzteil seat part
12 12
Räumlich-zeitliche Unabhängigkeitsanalyse Spatio-temporal independence analysis
13 13
Kaskadierte Kanalauswahl Cascaded channel selection
14 14
Herzrate, Herzratenvariabilität Heart rate, heart rate variability
15 15
Vorselektion preselection
KN1 KN1
EKG-Kanal ECG channel
KN2 KN2
EKG-Kanal ECG channel
KN4 KN 4
EKG-Kanal ECG channel
KN5 KN5
EKG-Kanal ECG channel
KN6 KN6
EKG-Kanal ECG channel
KN7 KN7
EKG-Kanal ECG channel
KN8 CN8
EKG-Kanal ECG channel
ICA1 ICA1
Ausgangskanal Unabhängigkeitsanalyse Output channel independence analysis
ICAN ICAN
Ausgangskanal Unabhängigkeitsanalyse Output channel independence analysis
ICA_sel1 ICA_sel1
Ausgewählter Ausgangskanal Selected output channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • A. Hyvärinen: "Independent Component Analysis: Recent Advances", Phil. Trans. R. Soc. A, vol. 371, no. 1984, S. 1–19, 2013 [0007] A. Hyvärinen: Independent Component Analysis: Recent Advances, Phil. Trans. R. Soc. A, vol. 371, no. 1984, pp. 1-19, 2013 [0007]
  • T. Matsuda et al.: "ECG Monitoring of a Car Driver Using Capacitively-Coupled Electrodes, Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology, 30th Annual Conference, Vancouver, Canada 2008, 1315–1318 [0008] T. Matsuda et al .: "ECG Monitoring of a Car Driver Using Capacitively-Coupled Electrodes, Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology, 30th Annual Conference, Vancouver, Canada 2008, 1315-1318 [0008]
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Claims (6)

Verfahren zur Erfassung der kardialen Aktivität eines Führers eines Kraftfahrzeuges mittels des kapazitiven EKG-Verfahrens, wobei eine vorgegebene Anzahl von Elektroden (18) im Fahrersitz (9) integriert sind, und wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Festlegen einer Elektrode als Referenzelektrode (3), Definieren von Messkanälen (KN1, KN2, KN4–KN8) als bipolare Ableitungen der anderen Elektroden (1, 2, 48) gegenüber der Referenzelektrode (3), Durchführen einer räumlich-zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse (12) basierend auf den Messkanälen (KN1, KN2, KN4–KN8) zur Bestimmung der Ausgangskanäle (ICA1–ICAN) eines Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse (12), Auswählen von mindestens einem Ausgangskanal (ICA_sel1) aus den Ausgangskanälen des Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse (12), und Bestimmung von Herzrate und Herzratenvariabilität aus dem mindestens einen Ausgangskanal (ICA_sel1). Method for detecting the cardiac activity of a driver of a motor vehicle by means of the capacitive ECG method, wherein a predetermined number of electrodes ( 1 - 8th ) in the driver's seat ( 9 ), and wherein the method comprises the steps of: defining an electrode as a reference electrode ( 3 ), Defining measurement channels (KN1, KN2, KN4-KN8) as bipolar leads of the other electrodes ( 1 . 2 . 4 - 8th ) with respect to the reference electrode ( 3 ), Performing a spatio-temporal independence analysis ( 12 ) based on the measurement channels (KN1, KN2, KN4-KN8) for determining the output channels (ICA1-ICAN) of an output vector of the independence analysis ( 12 ), Selecting at least one output channel (ICA_sel1) from the output channels of the output vector of the independence analysis ( 12 ), and determining heart rate and heart rate variability from the at least one exit channel (ICA_sel1). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorselektion (15) der Messkanäle (KN1, KN2, KN4–KN8) zur Zuführung einer Auswahl an Messkanälen (KN5, KN6, KN7) an die räumlich-zeitliche Unabhängigkeitsanalyse (12) erfolgt. Method according to claim 1, characterized in that a preselection ( 15 ) of the measuring channels (KN1, KN2, KN4-KN8) for supplying a selection of measuring channels (KN5, KN6, KN7) to the spatio-temporal independence analysis ( 12 ) he follows. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswählen von mindestens einem Ausgangskanal (ICA_sel1) mittels eines kaskadierten Auswahlverfahrens (13) erfolgt, wobei Artefakte in den Ausgangskanälen (ICA1–ICAN) ermittelt und ausgeschlossen werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the selection of at least one output channel (ICA_sel1) by means of a cascaded selection method ( 13 ), whereby artefacts in the output channels (ICA1-ICAN) are detected and excluded. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kaskadierte Auswahlverfahren (13) drei Schritte, nämlich einen primären Artefaktausschluß, einen sekundären Artefaktausschluß und eine Kanalauswahl umfasst. Method according to claim 3, characterized in that the cascaded selection method ( 13 ) comprises three steps, namely a primary artifact exclusion, a secondary artifact exclusion, and a channel selection. Vorrichtung zur Erfassung der kardialen Aktivität eines Führers eines Kraftfahrzeuges mittels dem kapazitiven EKG-Verfahren, welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgelegt und eingerichtet ist, mit einer vorgegebenen Anzahl von in dem Fahrersitz integrierten Elektroden (18) zur Festlegung einer Anzahl bipolarer Messkanäle (KN1, KN2, KN4–KN8), einer Einrichtung zur Durchführung einer räumlich-zeitlichen Unabhängigkeitsanalyse (12) basierend auf den Messkanälen (KN1, KN2, KN4–KN8) zur Bestimmung der Ausgangskanäle (ICA1–ICAN) eines Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse (12), einer Einrichtung (13) zum Auswählen von mindestens einem Ausgangskanal (ICA_sel1) aus den Ausgangskanälen (ICA1–ICAN) des Ausgangsvektors der Unabhängigkeitsanalyse mittels eines kaskadierten Auswahlverfahrens (13), und einer Einrichtung (14) zur Bestimmung von Herzrate und Herzratenvariabilität aus dem mindestens einen Ausgangskanal (ICA_sel1). Device for detecting the cardiac activity of a driver of a motor vehicle by means of the capacitive ECG method, which is designed and arranged to carry out the method according to one of the preceding claims, with a predetermined number of integrated in the driver's seat electrodes ( 1 - 8th ) for determining a number of bipolar measuring channels (KN1, KN2, KN4-KN8), a device for carrying out a spatio-temporal independence analysis ( 12 ) based on the measurement channels (KN1, KN2, KN4-KN8) for determining the output channels (ICA1-ICAN) of an output vector of the independence analysis ( 12 ), an institution ( 13 ) for selecting at least one output channel (ICA_sel1) from the output channels (ICA1-ICAN) of the output vector of the independence analysis by means of a cascaded selection method ( 13 ), and a facility ( 14 ) for determining heart rate and heart rate variability from the at least one exit channel (ICA_sel1). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Vorselektion (15) der Messkanäle (KN1, KN2, KN4–KN8) zur Zuführung einer Auswahl an Messkanälen (KN5, KN6, KN7) an die räumlich-zeitliche Unabhängigkeitsanalyse (12) aufweist. Device according to claim 5, characterized in that the device comprises a preselection device ( 15 ) of the measuring channels (KN1, KN2, KN4-KN8) for supplying a selection of measuring channels (KN5, KN6, KN7) to the spatio-temporal independence analysis ( 12 ) having.
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