-
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem, eine Auswertevorrichtung, ein Verfahren sowie ein Computerprogrammprodukt zur Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden.
-
Das Schlafverhalten eines Probanden, wie zum Beispiel eines Menschen, wird durch verschiedene Faktoren bestimmt. Insbesondere können verschiedene physische Störungen bzw. physische Einflüsse das Schlafverhalten eines Probanden (negativ) beeinflussen. In jüngster Zeit wird insbesondere beobachtet, dass eine Störung der Atmungstätigkeit des Probanden, das Schlafverhalten des Probanden negativ beeinflussten. Als Störungen der Atmungstätigkeit sind insbesondere Apnoe und Hypopnoe bekannt. Apnoe bezeichnet dabei ein mehr oder weniger langes Aussetzen der Atmung des Probanden. Hypopnoe dagegen bezeichnet ein Ereignis während der Atmung, bei dem es zu einer Verminderung des Atemflusses kommt. Des Weiteren wird das Schlafverhalten eines Probanden maßgeblich durch Bewegungen des Probanden während des Schlafens charakterisiert.
-
Aussagekräftige Auswertungen des Schlafverhaltens eines Probanden können derzeit nur in Schlaflaboren mittels einer Polysomnographie erstellt werden. Dabei werden während einer ganzen Nacht unterschiedliche Körperfunktionen in einem speziell eingerichteten Schlaflabor kontinuierlich überwacht. Ferner sind für die Erfassung und Auswertung des Schlafverhaltens aus dem Heimanwendungsbereich verschiedene Anwendungen bekannt. So können zum Beispiel Sensormatten oder spezielle Smartphone-Anwendungen das Schlafverhalten eines Probanden erfassen und auswerten. Allerdings lassen diese Anwendungen keine zuverlässige Auswertung des Schlafverhaltens zu, da diese Anwendungen häufig fehleranfällig sind.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Sensorsystem, eine Auswertevorrichtung, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt vorzuschlagen, welche das Schlafverhalten eines Probanden zuverlässig Erfassen können und welche einfach, vorzugsweise im Heimanwendungsbereich, einzusetzen bzw. anzuwenden sind.
-
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden, aufweisend:
- eine Sensorvorrichtung zur Anordnung an dem Probanden, wobei die Sensorvorrichtung dazu ausgelegt ist, erste Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung bereitzustellen;
- eine mit der Sensorvorrichtung koppelbare Auswertevorrichtung zum Auswerten der durch die Sensorvorrichtung bereitgestellten ersten Sensorinformationen, wobei die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt ist, einen zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zu bestimmen und mittels des zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, das Schlafverhalten des Probanden zu bestimmen.
-
Das Sensorsystem kann insbesondere dazu eingesetzt werden, die Atmungstätigkeit des Probanden während dessen Schlaf zu erfassen. Über die erfasste Atmungstätigkeit kann dann das Schlafverhalten des Probanden bestimmt werden. Als Proband kann insbesondere ein Mensch verstanden werden, aber auch Tiere können als Proband infrage kommen. Die Sensorvorrichtung weist vorzugsweise Anbringungs- bzw. Befestigungsmittel auf, mit denen die Sensorvorrichtung lösbar an dem Probanden angebracht bzw. angeordnet werden kann. Als Anbringungs- bzw. Befestigungsmittel können beispielsweise Klebe-, Haft-, oder Saugmittel vorgesehen werden.
-
Als flüchtige organische Verbindungen werden organische bzw. kohlenstoffhaltige Verbindungen bzw. Stoffe bezeichnet, welche bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Raumtemperatur, als Gas vorliegen. Flüchtige organische Verbindungen werden im Englischen auch als „volatile organic compounds“ bezeichnet und mit „VOC“ abgekürzt. Im Rahmen dieser Offenbarung ist die Formulierung „flüchtige organische Verbindungen“ mit der englischen Bezeichnung „volatile organic compounds“ bzw. der Abkürzung „VOC“ austauchbar. Die Angabe über die Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen erfolgt in ppb (parts per billion bzw. Teile pro Milliarden) oder auch ppm (parts per million bzw. Teile pro Million)
-
Die Sensorvorrichtung ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die Konzentration von flüchtigen organischen Stoffen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung mit einer Abtastrate zu erfassen. Die Abtastrate kann fest vorgegeben sein oder veränderbar sein. Beispielsweise kann die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft mit einer Abtastrate von 1 Hz abgetastet werden. Bei einer Erhöhung der Abtastrate, beispielsweise auf 10 Hz, kann die Genauigkeit der ersten Sensorinformationen erhöht werden. Bei einem Absenken der Abtastrate, zum Beispiel auf 0,5 Hz, kann dahingegen der Energieverbrauch der Sensorvorrichtung gesenkt werden. Insbesondere ermöglicht eine veränderbare Abtastrate, dass die Sensorvorrichtung optimal an das Alter und die Physis des Probanden angepasst werden kann, welche die Atemfrequenz des Probanden maßgeblich beeinflussen. Dadurch kann die Abtastrate auf eine Frequenz eingestellt werden, welche ausreichend genaue Ergebnisse liefert und dabei zu einem energieeffizienten Betrieb der Sensorvorrichtung beiträgt. Insbesondere sollte die Abtastrate mindestens das Doppelte der Atemfrequenz des Probanden betragen.
-
Flüchtige organische Verbindungen sind in der Luft enthalten, wobei die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung maßgeblich durch die Atmungstätigkeit des Probanden beeinflusst wird. So erhöht sich die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung beim Ausatmen des Probanden. Dadurch, dass es sich um flüchtige organische Verbindungen handelt, sinkt die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen unmittelbar nach dem Ausatmen des Probanden. Somit kann durch die Messung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung bzw. durch die Messung des zeitlichen Verlaufs der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen, die Atmungstätigkeit des Probanden durch das Sensorsystem erfasst werden.
-
Vorzugsweise ist die Sensorvorrichtung dazu ausgelegt, die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Atemluft bzw. Ausatemluft des Probanden zu erfassen. Dazu kann die Sensorvorrichtung einen ersten Sensor aufweisen, der dazu ausgelegt ist, die ersten Sensorinformation zu erfassen, wobei der erste Sensor zwischen Mund und Nase des Probanden und insbesondere an dem Philtrum des Probanden befestigbar ist. Die Anordnung der Sensorvorrichtung bzw. des ersten Sensors am Philtrum des Probanden ist vorteilhaft, da die durch die Atmungstätigkeit des Probanden verursachte Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindung somit genau erfasst werden kann.
-
Die von der Sensorvorrichtung bereitgestellten ersten Sensorinformationen können beispielsweise drahtlos bzw. drahtgebunden an die mit der Sensorvorrichtung koppelbare Auswertevorrichtung übertragen werden. Zur drahtlosen Übertragung kann beispielsweise auf eine Übertragung mittels Wireless Lan, Bluetooth oder Mobilfunk zurückgegriffen werden. Es ist aber auch eine Nutzung von proprietären Funkstandards möglich. Vorzugsweise kann die Übertragung verschlüsselt erfolgen.
-
Wie eingangs dargestellt, bestimmt die Auswertevorrichtung einen zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen aus den durch die Sensorvorrichtung bereitgestellten ersten Sensorinformationen. Insbesondere kann die Auswertevorrichtung einen zeitlichen Verlauf der Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bestimmen. Bevorzugt ist die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt, die Atmungstätigkeit des Probanden basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bzw. der Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zu bestimmen.
-
So kann beispielsweise anhand der zeitlichen Abstände von aufeinanderfolgenden Peaks in der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, eine Atemfrequenz des Probanden bestimmt werden. Als Peak wir ein lokales Maximum im zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen verstanden. Insbesondere kann die Atemfrequenz aufgrund des zeitlichen Abstands von zwei nacheinander folgenden Peaks ermittelt werden, zwischen denen ein lokales Minimum liegt. Die Atemfrequenz wird durch die Division von 1 durch den zeitlichen Abstand von zwei Peaks ermittelt.
-
Vorzugsweise ist die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt, ein erstes Atmungstätigkeitsereignis in der Atmungstätigkeit des Probanden zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen über eine erste Zeitspanne abnimmt. Insbesondere kann nach einem erfolgten Anstieg der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen und nach dem Erreichen eines Peaks der Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen, was auf ein Ausatmen des Probanden zurückzuführen ist, und einer im Anschluss an den erfolgten Anstieg bzw. erreichen des Peaks erfolgenden Abnahme der Konzentration der flüchtigen organischen Stoffe, welche über eine Zeitspanne erfolgt, das Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses bestimmt werden. So kann zum Beispiel bei einer Abnahme der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, welche über eine Zeitspanne von 8 Sekunden, bevorzugt über einen längeren Zeitraum als 8 Sekunden erfolgt, das Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses bestimmt werden. Das erste Atmungstätigkeitsereignis entspricht einer Apnoe des Probanden. Zusätzlich kann das erste Atmungstätigkeitsereignis dadurch bestimmt werden, dass die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen am Ende der Zeitspanne unterhalb eines lokalen Minimums liegt, welches dem Peak (unmittelbar) voraus gegangen ist. So kann das Sensorsystem beispielsweise bestimmen, dass das erste Atmungstätigkeitsereignis vorliegt, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen am Ende der Zeitspanne mindestens 1/10 unter dem zuvor genannten lokalen Minimum liegt. Bei entsprechend langanhaltender Apnoe des Probanden, kann die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung sich der in der Luft enthaltenen Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen im Wesentlichen annähern.
-
Vorzugsweise ist die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt, ein von dem ersten Atmungstätigkeitsereignis verschiedenes zweites Atmungstätigkeitsereignis in der Atmungstätigkeit des Probanden zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen unter einen Schwellenwert fällt und/oder die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen unterhalb des Schwellenwerts schwankt. Der Schwellenwert ist unter anderem davon abhängig, welche Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen in der die Sensorvorrichtung umgebenden Luft bereits ohne Atmungstätigkeit des Probanden vorhanden ist und durch die Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, welche bei normaler Atemtätigkeit bzw. Atmung des Probanden erfolgt. Bei einem Unterschreiten dieses Schwellenwertes, kann die Auswertevorrichtung bestimmen, dass als zweites Atmungstätigkeitsereignis eine Hypopnoe vorliegt. Beim Vorliegen von Hypopnoe erfolgt pro Atemzyklus, also beim Ein- und Ausatmen des Probanden, ein verringerter Anstieg der Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen im Vergleich zu einer normalen Atmungstätigkeit. Beispielsweise kann der Anstieg der Konzentration von flüchtigen Verbindungen bei Vorliegen einer Hypopnoe im Vergleich zu einer normalen Atmung um mindestens 30 % verringert sein.
-
Vorzugsweise ist der Schwellenwert veränderbar, so dass die Bestimmung des Schlafverhaltens durch die Auswertevorrichtung an den Probanden und/oder die Umgebung anpassbar ist.
-
Des Weiteren ist die Auswertevorrichtung bevorzugt ausgelegt, ein von dem ersten und dem zweiten Atmungstätigkeitsereignis verschiedenes drittes Atmungstätigkeitsereignis zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen um einen Schwellenwert herum schwankt. Insbesondere bestimmt die Auswertevorrichtung, dass das dritte Atmungstätigkeitsereignis, welches einer normalen Atmung des Probanden entspricht, vorliegt, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen einen im Wesentlichen periodischen sinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweisen. Insbesondere kann mittels zweier im zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen aufeinanderfolgender Peaks bzw. lokaler Maxima, die Atemfrequenz des Probanden durch die Auswertevorrichtung bestimmt werden. Die Atemfrequenz kann insbesondere durch den zeitlichen Abstand der aufeinanderfolgenden Peaks bzw. lokaler Maxima bestimmt werden.
-
Die Auswertevorrichtung kann insbesondere dazu ausgelegt sein, das Schlafverhalten dadurch zu bestimmen, indem der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen Verbindungen mittels einer Spektralanalyse verarbeitet wird. Dazu kann die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt sein, den zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen mittels einer Spektralanalyseeinheit in ein Spektrum zu transformieren. Dabei kann die Spektralanalyseeinheit den zeitlichen Verlauf der flüchtigen organischen Verbindungen beispielsweise mittels einer (diskreten) schnellen Fouriertransformation oder Wavelet-Transformation in ein Spektrum transformieren, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese Transformationsverfahren beschränkt ist. Vor der eigentlichen Spektralanalyse kann die Auswertevorrichtung den zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen Verbindungen in eine Vielzahl von Datensegmenten zerlegen, wobei anschließend jedes Datensegment der Vielzahl von Datensegmenten der Spektralanalyse zugeführt wird, um ein Spektrum des jeweiligen Datensegments zu bestimmen. Im Anschluss an die Spektralanalyse, werden die erhaltenen Spektren an eine Klassifizierungseinheit der Auswertevorrichtung übermittelt. Die Klassifizierungseinheit ist dazu ausgelegt, zu bestimmen, ob in den Spektren ein Atmungstätigkeitsereignis vorliegt.
-
Bevorzugt kann der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in gleichgroße Datensegmente zerlegt werden. Mit anderen Worten weist jedes Datensegment der Vielzahl von Datensegmenten die gleiche Größe auf. Unter gleicher Größe wird eine gleiche zeitliche Länge der Vielzahl von Datensegmenten oder eine gleiche Anzahl von Messpunkten eines jeden Datensegments verstanden. Beispielsweise können die Vielzahl von Datensegmenten eine Länge von 30 Sekunden aufweisen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform können das erste Datensegment oder die ersten Datensegmente der Vielzahl von Datensegmenten eine vordefinierte Größe haben. Die vordefinierte Größe kann größer sein, als die Größe der folgenden Datensegmente. Durch das erste größere Datensegment oder die ersten größeren Datensegmente, kann die Atemfrequenz des Probanden grob vorbestimmt werden. Anhand der groben Vorbestimmung der Atemfrequenz kann die Größe der folgenden Datensegmente bestimmt werden, um Rauschen im Spektrum des jeweiligen Datensegments zu reduzieren.
-
Vorzugsweise ist das Sensorsystem bzw. die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt, ein Signal auszugeben, wenn die Auswertevorrichtung bestimmt, dass ein erstes Atmungstätigkeitsereignis und/oder zweites Atmungstätigkeitsereignis vorliegen. Anhand des Signals kann beispielsweise der Proband über das Vorliegen eines ersten Atmungstätigkeitsereignisses und/oder eines zweiten Atmungstätigkeitsereignisses, welche für den Probanden kritisch sind, informiert bzw. alarmiert werden.
-
Des Weiteren ist die Auswertevorrichtung bevorzugt dazu ausgelegt ist, eine Warnung auszugeben, wenn ein Auftreten des ersten Atmungstätigkeitsereignisses eine erste Häufigkeit überschreitet, und/oder ein Auftreten des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses eine zweite Häufigkeit überschreitet. Dabei können die erste Häufigkeit und die zweite Häufigkeit gleich oder unterschiedlich sein. Des Weiteren können die erste Häufigkeit und die zweite Häufigkeit jeweils einen absoluten Wert präsentieren oder einen Wert pro Zeitspanne definieren. Beispielsweise kann die Auswertevorrichtung bei einem fünfmaligen Auftreten des ersten Atmungstätigkeitsereignisses während einer Stunde, die Warnung ausgeben. Die Warnung kann dabei eine Warnung des Probanden sein, beispielsweise eine akustische bzw. haptische Warnung des Nutzers. Die Warnung kann aber auch optional oder alterativ eine Information an eine Hilfestelle sein, beispielsweise durch Absetzen eines automatisierten Notrufs. Die erste Häufigkeit und/oder die zweite Häufigkeit sind veränderbar und können individuell auf den Probanden eingestellt werden.
-
Vorzugsweise weist das Sensorsystem bzw. die Sensorvorrichtung einen zweiten Sensor auf, der dazu ausgelegt ist, eine Bewegung des Probanden als zweite Sensorinformation zu erfassen, und wobei die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt ist, das Schlafverhalten basierend auf der zweiten Sensorinformation zu bestimmen. Der zweite Sensor kann insbesondere als ein inertiales Messsystem, bestehend aus einem Lagesensor und einem Beschleunigungssensor, ausgebildet sein und der dazu ausgelegt ist, eine absolute Lage des Probanden im Raum, die Beschleunigung einer Bewegung des Probanden, eine Drehgeschwindigkeit des Probanden und das Erdmagnetfeld zu erfassen. Diese Informationen können durch die Sensorvorrichtung der Auswerterichtung als zweite Sensorinformationen bereits gestellt werden. Die Auswertevorrichtung kann basierend auf den zweiten Sensorinformationen die Schlafqualität des Probanden beurteilen.
-
Bevorzugt ist das Sensorsystem dazu ausgelegt, zumindest folgende Verbindungen als flüchtige organische Verbindungen zu erfassen: Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid. In einer weiteren Ausführungsform ist das Sensorsystem dazu ausgelegt ausschließlich folgende Verbindungen als flüchtige organische Verbindungen zu erfassen: Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid. Vorzugsweise wird die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen als eine Gesamtkonzentration dieser Verbindungen durch die Sensorvorrichtung erfasst. Dies ist vorteilhaft, da eine separate Erfassung und Betrachtung einer Konzentration jeder einzelnen flüchtigen Verbindung entfallen kann.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betriff eine Auswertevorrichtung zum Bestimmen des Schlafverhaltens eines Probanden, wobei die Auswertevorrichtung ausgelegt ist:
- - zum Empfangen von Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen;
- - zum Bestimmen eines zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen basierend auf den empfangenen Sensorinformationen; und
- - zum Bestimmen des Schlafverhaltens des Probanden mittels des zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen.
-
Die Auswertevorrichtung kann insbesondere gemäß den vorhergehenden Ausführungen ausgebildet sein.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Schlafverhaltens eines Probanden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Bereitstellen von Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen;
- - Bestimmen eines zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen aus den bereitgestellten Sensorinformationen; und
- - Bestimmen des Schlafverhaltens des Probanden basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen.
-
Des Weiteren kann das Verfahren eine oder mehrere der vorstehenden Ausführungen aufweisen.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das vorstehende Verfahren auszuführen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele schematisch näher erläutert. Gleiche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:
- 1 zeigt schematisch die Anordnung einer Sensorvorrichtung an einem Probanden.
- 2 zeigt einen Ablauf einer Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden.
- 3 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf einer erfassten Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen.
- 4 zeigt auf der linken Seite den zeitlichen Verlauf der Konzentration flüchtiger organische Verbindungen während eines Atmungstätigkeitsereignisses und auf der rechten Seite ein dem zeitlichen Verlauf entsprechendes Spektrum.
- 5 zeigt auf der linken Seite den zeitlichen Verlauf der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen während eines weiteren Atmungstätigkeitsereignisses und auf der rechten Seite ein dem zeitlichen Verlauf entsprechendes Spektrum.
- 6 zeigt auf der rechten Seite den zeitlichen Verlauf der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen während eines weiteren Atmungstätigkeitsereignisses und auf der rechten Seite ein dem zeitlichen Verlauf entsprechendes Spektrum.
- 7 zeigt einen Ablauf einer Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden.
-
1 zeigt eine an einem Probanden angeordnete Sensorvorrichtung 10, wobei 1 einen Menschen als Probanden darstellt. Die Anwendung der Sensorvorrichtung 10 ist jedoch nicht ausschließlich auf Menschen beschränkt, sie kann auch bei Tieren zur Anwendung gelangen. Die Sensorvorrichtung 10 wird von dem Probanden auf dessen Nase getragen. Die Sensorvorrichtung 10 weist ferner eine Spannungsquelle 12, einen ersten Sensor 14, einen zweiten Sensor 16 und eine Datenverarbeitungseinheit 18 auf. Ein Verbindungselement 19 dient zum mechanischen Verbinden der Spannungsquelle 12, des ersten Sensors 14, des zweiten Sensors 16 und der Datenverarbeitungseinheit 18 miteinander. Ferner versorgt die Spannungsquelle 12 die Sensorvorrichtung 10 mit einer Betriebsspannung und kann bevorzugt eine wiederaufladbare Batterie aufweisen.
-
Der erste Sensor 14 ist dazu ausgebildet, eine Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in dessen Umgebungsluft zu erfassen. Dabei kann der erste Sensor 14 die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen mit einer festen oder variablen Abtastrate erfassen. Beispielsweise kann der erste Sensor 14 die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft mit einer Abtastrate von 1 Hz erfassen. Bevorzugt sollte die Abtastrate mindestens das Doppelte der Atemfrequenz des Probanden betragen.
-
Wie in 1 dargestellt, wird der erste Sensor 14 bevorzugt zwischen Nase und Mund des Probanden, und besonders bevorzugt am Philtrum des Probanden, angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht es, die durch die Atemtätigkeit des Probanden verursachte Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft des ersten Sensors 14 exakt zu erfassen. Insbesondere führt ein Ausatmen des Probanden durch Nase und/oder Mund zu einer Erhöhung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft des ersten Sensors 14.
-
Der zweite Sensor 16 ist dazu ausgebildet, eine Lage und eine Bewegung des Probanden zu erfassen. Der zweite Sensor 16 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, eine absolute Lage des Probanden im Raum, Beschleunigungsdaten einer Bewegung des Probanden, eine Drehgeschwindigkeit des Probanden und das Erdmagnetfeld zu erfassen. Beispielsweise ist der zweite Sensor 16 als 9-Achsiger Orientierungssensor ausgebildet oder als eine inertiales Messsystem bestehend aus einem Lagesensor und einem Beschleunigungssensor. Vorzugsweise ist vorgesehen, den zweiten Sensor 16 auf dem Nasenrücken oder der Stirn des Probanden anzuordnen und/oder zu befestigen.
-
Die Datenverarbeitungseinheit 18 ist insbesondere dazu ausgebildet, die von dem ersten Sensor 14 und dem zweiten Sensor 16 gemessenen Daten zu erfassen, und jeweils als erste Sensorinformationen und zweite Sensorinformationen an eine Auswertevorrichtung 20 (in 1 nicht dargestellt) zu übertragen. Als Auswertevorrichtung 20 können zum Beispiel ein entsprechend konfiguriertes Smartphone oder Wearable verwendet werden. Die Übertragung der ersten Sensorinformationen und zweiten Sensorinformationen an die Auswertevorrichtung 20 erfolgt bevorzugt drahtlos, beispielsweise über eine Bluetooth-, WLAN-, oder (Mobil)-Funkverbindung. Es wäre jedoch alternative auch eine kabelgebundene Übertagung der ersten Sensorinformationen und zweiten Sensorinformationen von der Sensorvorrichtung 10 an die Auswertevorrichtung 20 möglich.
-
Die Spannungsquelle 12 und die Datenverarbeitungseinheit 18 sind dazu ausgelegt, jeweils auf den sich gegenüberliegenden Nasenflügeln des Probanden angeordnet zu werden. Dadurch ergibt sich eine kompakte Bauform der Sensorvorrichtung 10, welche sich einfach an den Probanden befestigen lässt. Alternativ können die Spannungsquelle 12 und die Datenverarbeitungseinheit 18 an der Stirn des Probanden angeordnet bzw. befestigt werden.
-
Die Sensorvorrichtung 10 kann insbesondere mit Haft-, Klebe-, Saug- und/oder sonstigen Befestigungsmitteln an dem Probanden angeordnet bzw. befestigt werden. So können beispielsweise Pflaster, Saugknöpfe oder ein Befestigungsclip zur Befestigung der Sensorvorrichtung 10 an dem Probanden verwendet werden. Des Weiteren kann das Verbindungselement 19 verformbar ausgebildet sein, um die Sensorvorrichtung 10 an die Anatomie der Nase des Probanden anzupassen.
-
2 zeigt den Ablauf einer Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden durch die Sensorvorrichtung 10 und die Auswertevorrichtung 20. Dabei veranschaulicht 2 im Block Sensorvorrichtung 10 die durch die Sensorvorrichtung 10 durchgeführten Funktionen. Der Block Auswertevorrichtung 20 veranschaulicht dagegen die von der Auswertevorrichtung 20 durchgeführten Funktionen.
-
Dabei erfolgt in Schritt S200 durch den ersten Sensor 14 eine Erfassung bzw. Messung der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft des ersten Sensors 14. Wie vorstehend dargestellt, kann der erste Sensor 14 die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen mit einer bestimmten oder variablen Abtastrate erfassen bzw. messen. Der erste Sensor 14 gibt sodann die gemessenen Daten an die Datenverarbeitungseinheit 18 weiter. Durch die Datenverarbeitungseinheit 18 kann eine Datenvorverarbeitung S210 der gemessenen Daten erfolgen. Durch die Datenvorverarbeitung S210 können fehlerhafte Datensätze aus den von dem ersten Sensor 14 gemessenen Daten erkannt und aussortiert werden. Dabei kann die Datenvorverarbeitung S210 einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von vorzugsweise 0,2 Hz - 1,2 Hz anwenden. Des Weiteren kann die Datenvorverarbeitung S210 mittels eines Boxplots Ausreißer in den erfassten Daten bzw. Datensätzen erkennen und entsprechende Daten bzw. Datensätze aussortieren. Anschließend erfolgt durch eine Datenkonvertierung S220 eine Konvertierung der in der Datenvorverarbeitung S210 beibehaltenen Daten bzw. Datensätze in ein zur weiteren Verarbeitung geeignetes Format. Die derart konvertierten Daten werden im Schritt S230 „Puffern“ zur Übertragung an die Auswertevorrichtung 20 gepuffert. Danach erfolgt durch die Sensorvorrichtung 10 die Übertragung der Daten als erste Sensorinformationen an die Auswertevorrichtung 20. Wie vorstehend beschrieben kann die Übertragung kabellos oder kabelgebunden erfolgen. Vorzugsweise kann die Übertragung verschlüsselt erfolgen.
-
Die Auswertevorrichtung 20 teilt die von der Sensorvorrichtung 10 empfangenen ersten Sensorinformationen in einem Schritt Datenteilung S240 in einen kontinuierlichen Strom gleich großer Datensegmente auf. Dabei kann sich die Größe der Datensegmente auf einen Zeitraum bzw. Zeitspanne der ersten Sensorinformationen beziehen, welche jedes einzelne Datensegment umfasst, oder auf die physikalische Größe eines jeden Datensegments.
-
Jedes Datensegment wird durch die Auswertevorrichtung 20 in einem Schritt S250 einer Spektralanalyse unterzogen. Die Spektralanalyse kann beispielsweise mittels einer diskreten schnellen Fourier Transformation durchgeführt werden. Anschließend führt die Auswertevorrichtung 20 im Schritt S260 eine Klassifizierung der durch die Spektralanalyse S250 erhaltenen Spektren durch. Durch die Klassifizierung kann bestimmt werden, welches Atmungstätigkeitsereignis in den erhaltenen Spektren vorliegt. Die Klassifizierung kann insbesondere mittels maschinenlernender Verfahren erfolgen, wie beispielsweise neuronaler Netzwerke oder einer Support Vector Machine (SVM).
-
Anhand der Häufigkeit von bestimmten Atmungstätigkeitsereignissen kann die Auswertevorrichtung im Schritt S270 bestimmen, ob ein Atmungszustand des Probanden kritisch ist. Bei einem Vorliegen eines kritischen Atmungszustands kann die Auswertevorrichtung 20 einen Alarm S290 auslösen. Durch den Alarm S290 kann der Proband über das Vorliegen eines kritischen Atmungszustands bzw. über das Vorliegen eines Atmungstätigkeitsereignisses informiert werden. Die Alarmierung kann beispielsweise haptisch, mittels entsprechender Aktuatoren, und/oder akustisch erfolgen.
-
Des Weiteren ist die Auswertevorrichtung 20 dazu ausgelegt, die erfassten Daten für eine späteren Reproduktion bzw. Auswertung zu speichern. Ferner kann die Auswertevorrichtung 20 ein Ausgabemedium aufweisen, welches dem Probanden eine Auswertung des Schlafverhaltens ausgibt. Beispielsweise können mittels einer Anzeigevorrichtung eine Grafik und/oder Zusammenfassung angezeigt werden, welche dem Probanden die Auswertung des Schlafverhaltens anzeigt. Die Zusammenfassung kann beispielsweise Informationen über die Häufigkeit des ersten Atmungstätigkeitsereignisses, die Häufigkeit des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses und die Häufigkeit des dritten Atmungstätigkeitsereignisses enthalten.
-
Die Klassifizierung S260 wird im Folgenden anhand der 3 bis 6 näher beschrieben.
-
3 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf einer Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) in ppb. Dabei sind in einem ersten Zeitabschnitt Z1, in einem zweiten Zeitabschnitt Z2 und in einem dritten Zeitabschnitt Z3 jeweils unterschiedliche Atmungstätigkeitsereignisse beispielhaft dargestellt. Der erste Zeitabschnitt Z1 zeigt dabei den Zustand einer normalen Atmungstätigkeit des Probanden, der im Folgenden als drittes Atmungstätigkeitsereignis bezeichnet wird. Der zweite Zeitabschnitt Z2 zeigt ein von dem dritten Atmungstätigkeitsereignis unterschiedliches erstes Atmungstätigkeitsereignis. Das im zweiten Zeitabschnitt Z2 dargestellte erste Atmungstätigkeitsereignis entspricht einer Apnoe des Probanden, also einem längeren Aussetzen der Atmung des Probanden. Der dritte Zeitabschnitt Z3 zeigt ein zweites Atmungstätigkeitsereignis, welches sich von dem ersten und dritten Atmungstätigkeitsereignis unterscheidet. Bei dem zweiten Atmungstätigkeitsereignis handelt es sich um eine Hypopnoe des Probanden, bei der es zu einer Verminderung des Atemflusses des Probanden kommt.
-
Details zu den einzelnen Atmungstätigkeitsereignissen werden nun unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 dargestellt.
-
4 bis 6 zeigen jeweils auf der linken Seite den zeitlichen Verlauf einer in der Umgebungsluft des ersten Sensors 14 gemessenen Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen. Auf der rechten Seite wird beispielhaft ein durch die Spektralanalyse S250 erhaltenen Spektrums des jeweiligen zeitlichen Verlaufs dargestellt. Die Ordinate des Spektrums stellt dabei die Amplitude dar, wobei auf der Abszisse des Spektrums die Periodendauer des erhaltenen Spektrums gezeigt ist.
-
Ferner zeigt 4 das dritte Atmungstätigkeitsereignis (normale Atmungstätigkeit). Wie auf der linken Seite der 4 ersichtlich, schwankt die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in Abhängigkeit mit der Atmungstätigkeit des Probanden. Wie vorstehend beschrieben, führt ein Ausatmen des Probanden zu einer Erhöhung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen. Nach dem Ende des Ausatmens des Probanden, beginnt die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen wieder zu sinken. Der zeitliche Verlauf der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen ist ein im Wesentlichen periodischer sinusförmiger Verlauf. Aus dem auf der linken Seite dargestellten zeitlichen Verlauf lässt sich insbesondere die Atemfrequenz des Probanden bestimmen. Dazu wird der Abstand von zwei benachbarten Peaks bzw. lokalen Maxima P1 und P2 betrachtet. Ein Peak P1 im zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen ist ein lokales Maximum, welches zwischen zwei benachbarten lokalen Minima M1 und M2 liegt. Aus dem zeitlichen Abstand T1 von zwei benachbarten Peaks P1 und P2 lässt sich somit die Atemfrequenz des Probanden bestimmen. Des Weiteren schwankt der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen Verbindungen periodisch um einen ersten Schwellenwert SW1 und ist insbesondere abhängig von Alter und Physis des Probanden. Der erste Schwellenwert SW 1 liegt zwischen der minimalen Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen und der maximalen Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen bei einer normalen Atmung des Probanden. Die minimale Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen und die maximale Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bei einer normalen Atmung des Probanden lassen sich über ein Mitteln der lokalen Minima bzw. ein Mittlen der lokalen Maxima bestimmen. Des Weiteren kann das Vorliegen des dritten Atmungstätigkeitsereignisses dadurch bestimmt werden, dass die Amplitude der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen im Wesentlichen konstant ist.
-
Das durch die Spektralanalyse S250 erhaltene Spektrum auf der rechten Seite der 4, ergibt einen charakteristischen Verlauf des dritten Atmungstätigkeitsereignisses, dessen Vorliegen durch die Klassifizierung S260 bestimmt werden kann. Insbesondere weist das Spektrum des dritten Atmungstätigkeitsereignisses einen deutlichen Peak Pd auf, mittels dessen das Vorliegen das dritte Atmungstätigkeitsereignis bestimmt werden kann. Des Weiteren liegt die Amplitude des Peaks Pd vorzugsweise mindestens 5 db/s höher als ein erster Grenzwert GW1 bei einer Periodendauer von 30 Sekunden. Der Peak Pd entspricht dabei einer Periodendauer der Atmungstätigkeit des Probanden, aus welcher sich die Atemfrequenz des Probanden bestimmen lässt.
-
Auf der linken Seite der 5 ist der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bei Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses, hier Apnoe, dargestellt. Die rechte Seite der 5 zeigt das durch die Spektralanalyse S250 erhaltene Spektrum. Dabei lässt sich aus dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, das erste Atmungstätigkeitsereignis bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen ausgehend von einem Peak P3 über einen Zeitraum T2 fällt bzw. absinkt. Beispielsweise beträgt der Zeitraum T2 mindestens 8 Sekunden, vorzugsweise mindestens 10 Sekunden. Vorteilhafterweise kann das Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses zusätzlich dadurch bestimmt werden, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zum Ende des Zeitraums T2 unterhalb eines lokalen Minimums M3 liegt, welches dem Peak P3 vorangegangen, vorzugsweise unmittelbar vorangegangen, ist. Vorzugsweise wird das Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses dann bestimmt, wenn die Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen am Ende des Zeitraums T2 mindestens 10% Unterhalb des lokalen Minimums M3 liegt.
-
Durch die Spektralanalyse S250 kann ein für das erste Atmungstätigkeitsereignis charakteristisches Spektrum, wie auf der rechten Seite der 5 dargestellt, erzeugt werden. Mittels der Klassifizierung S260 lässt sich aus diesem Spektrum bestimmen, ob das erste Atmungstätigkeitsereignis vorliegt. Das Spektrum wird insbesondere dadurch charakterisiert, dass es keinen für eine normale Atmungstätigkeit charakteristischen Peak aufweist, siehe Peak Pd in 4. Vielmehr nähert sich der Amplitudenwert mit zunehmender Periodendauer einem zweiten Grenzwert GW2 von unten an. Der zweite Grenzwert GW2 entspricht einem Amplitudenwert bei einer Periodendauer von ungefähr 30 Sekunden.
-
Auf der linken Seite der 6 ist der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bei Vorliegen des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses, hier Hypopnoe, dargestellt. Die rechte Seite der 6 zeigt das durch die Spektralanalyse S250 erhaltene Spektrum. Aus dem auf der linken Seite der 6 dargestellten zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen lässt sich das zweite Atmungstätigkeitsereignis bestimmen. Die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen schwankt unterhalb eines zweiten Schwellenwerts SW2. Die Atemfrequenz lässt sich wie bei einer normalen Atmung (4) über zwei benachbarte Peaks P4 und P5 und deren zeitlicher Abstand voneinander bestimmen. Der zweite Schwellenwert SW2 kann vorgegeben sein aber auch auf den Probanden abgestimmt werden. Durch die Abstimmung des zweiten Schwellenwerts SW2 können eine abweichende Anbringung der Sensorvorrichtung 10 an dem Probanden sowie unterschiedliche Konzentrationen der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft kompensiert werden. Insbesondere lässt sich das Vorliegen des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses bestimmen, wenn die Amplitude um mindestens ein vorbestimmtes Verhältnis kleiner ist als die Amplitude bei dem dritten Atmungstätigkeitsereignis. Des Weiteren kann das Vorliegen des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses daran bestimmt werden, wenn die Atemfrequenz von der Atemfrequenz bei einer normalen Atmungstätigkeit des Probanden abweicht.
-
Aus dem durch die Spektralanalyse S250 erhaltenen Spektrum kann mittels der Klassifizierung S260 das Vorliegen des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses bestimmt werden. Das Spektrum weist einen Peak PH auf, welcher der Periodendauer der Atmungstätigkeit des Probanden entspricht. Des Weiteren liegt die Amplitude des Peaks PH unter einem dritten Schwellenwert SW3. Der dritte Schwellenwert SW3 kann vorgegeben sein und/oder auf den Probanden abgestimmt werden. Insbesondere liegt der dritte Schwellenwert SW3 unter der Amplitude des Peaks Pd bei einer normalen Atmung des Probanden. Durch die Abstimmung des dritten Schwellenwerts SW3 können eine abweichende Anbringung der Sensorvorrichtung 10 an dem Probanden sowie unterschiedliche Konzentrationen der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft kompensiert werden.
-
Wie vorstehend beschrieben, kann durch die Häufigkeiten, mit welchen die ersten bis dritten Atmungstätigkeitsereignisse jeweils auftreten, das Schlafverhalten des Probanden erfasst werden. Die vorstehend beschriebene Sensorvorrichtung 10 und Auswertevorrichtung 20 ermöglichen somit, das Schlafverhalten und insbesondere die ersten bis dritten Atmungstätigkeitsereignisse in Echtzeit zu bestimmen.
-
Bevorzugt ist die Sensorvorrichtung 10 bzw. der erste Sensor 14 dazu ausgelegt, zumindest folgende Stoffe als flüchtige organische Verbindungen zu erfassen: Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid. In einer weiteren Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung 12 bzw. der erste Sensor 14 dazu ausgelegt, ausschließlich folgende Verbindungen als flüchtige organische Verbindungen zu erfassen: Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid. Vorzugsweise wird die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen als eine Gesamtkonzentration dieser Verbindungen durch die Sensorvorrichtung erfasst. Dies ist vorteilhaft, da eine separate Erfassung und Betrachtung einer Konzentration jeder einzelnen flüchtigen organischen Verbindung entfallen kann.
-
Wie vorstehend beschrieben, kann die Auswertevorrichtung 20 die durch den zweiten Sensor 16 erfassten Bewegungsdaten des Probanden bei der Erfassung des Schlafverhaltens des Probanden berücksichtigen. Die Bewegungsdaten werden der Auswertevorrichtung 20 von der Sensorvorrichtung 10 als zweite Sensorinformation bereitgestellt. 7 zeigt den Ablauf einer Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden durch die Sensorvorrichtung 10 und durch die Auswertevorrichtung 20 unter Berücksichtigung der von dem zweiten Sensor 16 erfassten Bewegungsdaten. Dabei veranschaulicht 7 in Block Sensorvorrichtung 10 die durch die Sensorvorrichtung 10 durchgeführten Funktionen. Der Block Auswertevorrichtung 20 veranschaulicht dagegen die von der Auswertevorrichtung 20 durchgeführten Funktionen.
-
Mittels des zweiten Sensors 16 wird eine Messung S300 bezüglich der Lage und Bewegung des Probanden durchgeführt. Die dadurch gewonnenen Bewegungsdaten werden im Schritt S310 einer Korrektur durch die Datenverarbeitungseinheit 18 unterzogen. Dabei kann die Korrektur S310 vorzugsweise einen Tiefpassfilter einsetzen und/oder Ausreiser in den Bewegungsdaten mittels eines Boxplots-Verfahrens aussortieren. Anschließend erfolgt durch eine Datenkonvertierung S320 eine Konvertierung der durch die Korrektur S310 beibehaltenen Daten bzw. Datensätze der Bewegungsdaten in ein Format, welches zur weiteren Verarbeitung geeignet ist. Die derart konvertierten Daten werden im Schritt Puffern S330 zur Übertragung an die Auswertevorrichtung 20 gepuffert. Danach erfolgt durch die Sensorvorrichtung 10 die Übertragung der Daten als zweite Sensorinformationen an die Auswertevorrichtung 20. Wie vorstehend beschrieben kann die Übertragung kabellos oder kabelgebunden erfolgen.
-
Die Auswertevorrichtung 20 teilt die von der Sensorvorrichtung 10 empfangenen zweiten Sensorinformationen im Schritt S340 in gleichgroße Datensegmente (Schritt S340 Datenteilung). Anschließend führt die Auswertvorrichtung 20 im Schritt S350 eine Klassifizierung der einzelnen Datensegmente durch. Durch die Klassifizierung S350 kann eine Bewegung bzw. Lage des Probanden bestimmt werden (Schritt S360 Haltungsbestimmung). Die Klassifizierung kann insbesondere mittels maschinenlernender Verfahren erfolgen, wie beispielsweise neuronaler Netzwerke oder einer Support Vector Machine (SVM). Danach erfolgt ein Speichern S370 der Bewegungsdaten, welche mittels der Anzeigevorrichtung angezeigt werden können.
