DE102020110828A1

DE102020110828A1 - Verfahren zur kontaktlosen Bestimmung von Vitalfunktionscharakteristika

Info

Publication number: DE102020110828A1
Application number: DE102020110828.1A
Authority: DE
Inventors: Slavomir Karas; Vladimir Beno; Tomas Zupa
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaktlosen Bestimmung von Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere eines Herzschlags, eines Menschen in oder auf einer Lagerungsvorrichtung, insbesondere einem Kranken- oder Pflegebett, umfassend die Verfahrensschritte:- Aufzeichnung von mehreren, bevorzugt vier Sensorsignalverläufen, von Sensoren, bevorzugt Kraftverformungssensoren, die die Kraft auf Stützelemente einer Auflage, insbesondere Bettpfosten, der Lagerungsvorrichtung über einen Zeitraum messen;- Vorverarbeiten der einzelnen Sensorsignalverläufe;- Kombinieren der vorverarbeiteten Sensorsignalverläufe zu einem gemeinsamen Differenzialsignalverlauf;- Weiterverarbeiten des Differenzialsignalverlaufs;- Automatische Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere des Herzschlags, in dem weiterverarbeiteten Differentialsignalverlauf. Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass das Kombinieren der vorverarbeiteten Sensorsignalverläufe eine Erstellung eines transversalsymmetrischen Signalverlaufs umfasst, bei dem Signalverläufe von Sensoren unterhalb einer Transversalebene der Lagerungsvorrichtung mit invertiertem Signalverlauf mit den Signalverläufen von Sensoren oberhalb der Transversalebene der Lagerungsvorrichtung aufaddiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaktlosen Bestimmung von Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere eines Herzschlags eines Menschen, in oder auf einer Lagerungsvorrichtung, insbesondere einem Kranken- oder Pflegebett.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ansätze bekannt, um kontaktlos Vitalfunktionscharakteristika aus einem kontaktlos aufgezeichneten Messsignal zu bestimmen, insbesondere wenn das Lebewesen, insbesondere der Mensch, auf einer entsprechenden Lagerungsvorrichtung gelagert wird oder sich auf einer solchen befindet.
Dabei sind einerseits bereits Systeme und Verfahren bekannt, bei denen Signalverläufe von Sensoren, bevorzugt Kraftverformungssensoren oder Dehnungsmessstreifen, die an unterschiedlichen Positionen der Lagerungsvorrichtung angeordnet sind und zumindest mittelbar die Bewegungen eines Menschen auf der Lagerungsvorrichtung detektieren, mittels einer Fourier-Transformation in einen Frequenzraum transformiert und anhand einer Auswertung des Signals im Frequenzraum die Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere die charakteristischen Frequenzen und Oberschwingungen eines Herzschlags, detektiert oder identifiziert werden. Der Nachteil an der Verwendung der Fourier-Transformation bei der Auswertung der Signalverläufe der Sensoren besteht darin, dass die Fourier-Transformation umso effektiver und genauer wird, je länger das aufgenommene Signal oder je länger der Signalverlauf (im Zeitraum) ist. Dies führt dazu, dass die Vitalfunktionscharakteristika nur mit einer verhältnismäßig geringen Wiederholungsrate oder Frequenz bestimmt werden können. Zudem ist die Fourier-Transformation rechenaufwändig, sodass die an das System zu stellenden Anforderungen, insbesondere an die Rechenleistung zu stellenden Anforderungen, um derartige Verfahren durchzuführen, groß sind,. Ein Ansatz zur Bestimmung von Vitalfunktionscharakteristika unter Anwendung von Fourier-Transformationen ist beispielsweise der Druckschrift EP 2 040 614 B1 zu entnehmen.
Ein weiterer Ansatz, der die Transformation von Signalverläufen in einen Frequenzraum vermeidet, ist beispielsweise der WO 2017/056 476 A1 zu entnehmen, die zur kontaktlosen Bestimmung von Vitalfunktionscharakteristika anhand eines Messsignals oder aus einem Messsignal vorsieht, dass ausgehend von Signalverläufen von Sensoren, bevorzugt Kraftverformungssensoren oder Dehnungsmessstreifen, die Kräfte ermittelt werden, die ein Mensch auf einer Lagerungsvorrichtung, insbesondere auf ein Kranken- oder Pflegebett, ausübt, wobei anhand der Signalverläufe die Bestimmung eines Körpermassenvektors erfolgt, und anhand der zeitlichen Veränderung des Körpermassenvektors eine Erkennung von Vitalfunktionscharakteristika, beispielsweise eine Bestimmung eines Herzschlags, erfolgt. Auch diese Herangehensweise ist verhältnismäßig komplex und rechenintensiv.
Vorrichtungen, die bei entsprechenden Verfahren aus dem Stand der Technik zum Einsatz kommen können, sind beispielsweise aus der EP 1 937 148 B1 oder der DE 20 2008 018 439 U1 bekannt.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur kontaktlosen Bestimmung von Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere eines Herzschlags, eines Menschen in oder auf einer Lagerungsvorrichtung, insbesondere einem Kranken- oder Pflegebett anhand eines kontaktlos gemessenen oder erzeugten Messsignals, vorzuschlagen, welches die im Stand der Technik vorherrschenden Probleme überwindet und insbesondere eine einfache, effektive und ressourcensparende Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte:

Neben der gattungsgemäßen Aufzeichnung von mehreren, bevorzugt vier, Sensorverläufen von Sensoren, bevorzugt Kraftverformungssensoren, die die Kraft auf Stützelemente einer Auflage, insbesondere Bettpfosten, der Lagerungsvorrichtung über einen Zeitraum messen, erfolgt eine ebenfalls dem Grunde nach bereits bekannte Vorverarbeitung der einzelnen Sensorsignalverläufe, bevor eine ebenfalls als solche schon bekannte Kombination von vorverarbeiteten Sensorsignalverläufen zu einem gemeinsamen Signalverlauf, insbesondere einem Differenzsignalverlauf, stattfindet. Anschließend wird in ebenfalls grundsätzlich bekannter Weise eine Weiterverarbeitung des Differenzsignalverlaufs durchgeführt, bevor eine automatische Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere des Herzschlags, in dem weiterverarbeiteten Differenzsignalverlauf stattfindet. Bevorzugt werden charakteristische Punkte oder Wertepaare von den Herzschlag wiedergebenden R-Wellen im weiterverarbeiteten Differenzsignalverlauf automatisch identifiziert.

Erfindungsgemäß ist jedoch im Rahmen des Verfahrensschritts der Bildung eines Differenzsignalverlaufs oder dem Verfahrensschritt des Kombinierens der vorverarbeiteten Sensorsignalverläufe vorgesehen, dass ein transversalsymmetrischer Signalverlauf erstellt wird, bei dem die Signalverläufe von Sensoren unterhalb einer Transversalebene der Lagerungsvorrichtung mit invertiertem Signalverlauf mit den Signalverläufen von Sensoren oberhalb der Transversalebene der Lagerungsvorrichtung aufaddiert werden.
Diese Bildung oder Erstellung eines transversalsymmetrischen Sensorsignalverlaufs oder Differenzsensorsignalverlaufs macht sich die Erkenntnis zunutze, dass Bewegungen des auf der Lagerungsvorrichtung befindlichen Menschen, die unmittelbar oder mittelbar durch den Herzschlag ausgelöst werden, in der oberen Körperhälfte und in der unteren Körperhälfte, die entsprechend durch eine Transversalebene getrennt werden, in Gegenphase oder mit entgegengesetzten Vorzeichen erfolgen. Unter die entsprechenden Bewegungen fallen nicht nur die Kontraktionsbewegung des Herzens selbst, sondern auch die dadurch verursachte Bewegungen, wie beispielsweise Blutbewegungen in den Venen und Arterien.
Durch die Bildung eines gemeinsamen, transversalsymmetrischen Signalverlaufs oder Differenzsignalverlaufs mit einer invertierten Addition von entsprechenden Signalverläufen entweder oberhalb oder unterhalb einer Transversalebene, werden die Signalcharakteristika, die durch die Vitalfunktion, insbesondere den Herzschlag, verursacht werden, verstärkt, wohingegen andere Signalbestandteile der Signalverläufe der jeweiligen Sensoren ausgemittelt werden oder sich entsprechend aufheben. Dadurch wird in überraschend einfacher Weise ermöglicht, in dem gebildeten transversalsymmetrischen Signalverlauf oder Differenzsignalverlauf die Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere den Herzschlag, zu identifizieren oder zumindest identifizierbar zu machen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll davon ausgegangen werden, dass sich die Transversalebene auf die Lagerungsvorrichtung bezieht und bevorzugt entsprechend symmetrisch zur Anordnung der, bevorzugt vier, Sensoren verläuft. Die Anordnung der Sensoren und damit auch die Ausbildung der Transversalebene der Lagerungsvorrichtung soll bevorzugt so gewählt werden, dass sie mit einer Transversalebene eines auf der Lagerungsvorrichtung gelagerten menschlichen Körpers oder Menschen bei einer normalen oder üblichen Lagerungsposition, nämlich im Wesentlichen längs einer Längsrichtung der Lagerungsvorrichtung, im Wesentlichen mit der Transversalebene des Körpers zusammenfällt.
Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Erstellung eines transversalsymmetrischen Gesamt-Differenzsignalverlaufs, welches die entsprechend invertierte Aufaddierung von Sensorsignalverläufen auf einer Seite der Transversalsymmetrieachse umfasst, ist es grundsätzlich unerheblich, ob die Sensorsignalverläufe oberhalb der Transversalebene invertiert werden oder ob die Signalverläufe unterhalb der Transversalebene invertiert werden. Es ist grundsätzlich aber entscheidend, dass die Signalverläufe auf einer Seite der Transversalebene mit dem gleichen Vorzeichen in das entsprechende Gesamt-Differenzsignal einfließen und die entsprechenden Signalverläufe auf der anderen Seite der Transversalebene invertiert berücksichtigt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dadurch ermöglicht, dass ohne komplexe Fourier-Transformation oder Bestimmung eines Körpermassenvektors eine Signalverbesserung oder Signalverstärkung in den einzelnen Signalen der Sensoren erreicht wird, die es insgesamt ermöglicht, mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Genauigkeit die Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere den Herzschlag, zu ermitteln oder ermittelbar zu machen.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine automatische Bestimmung einer Vitalfunktionseigenschaft, insbesondere einer Herzschlagfrequenz, anhand der automatisch ermittelten oder bestimmten Vitalfunktionscharakteristika erfolgt oder durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass in dem transversalsymmetrischen Signalverlauf anhand geeigneter Bestimmungsfaktoren oder Bestimmungsverfahren, auf die im Nachfolgenden noch im Detail eingegangen wird, charakteristische Punkte automatisch bestimmt werden, wobei die charakteristischen Punkte den charakteristischen Verlauf eines Herzschlags oder eines Herzschlagsignals wiedergeben oder betreffen. Anhand der automatisch bestimmten Vitalfunktionscharakteristika, beispielsweise anhand der automatischen Bestimmung sogenannter R-Wellen und deren Charakteristika, wie beispielsweise ein Spitzenwert oder Maximalwert, kann in einem zeitlichen Signalverlauf, bevorzugt in einem erfindungsgemäßen transversalsymmetrischen Signalverlauf, anhand der Auswertung der bestimmten Vitalfunktionscharakteristika, beispielsweise anhand der Auswertung der Maximalwerte oder Spitzenwerte der R-Wellen pro Zeiteinheit auf die Vitalfunktionseigenschaft, beispielsweise auf die Herzschlagfrequenz, geschlossen werden oder die Herzschlagfrequenz berechnet werden.
Dadurch wird in besonders vorteilhafter Weise erreicht, dass eine kontaktlose Bestimmung der Vitalfunktionseigenschaft, beispielsweise der Herzschlagfrequenz, innerhalb kurzer Zeit und dementsprechend mit einer hohen möglichen Wiederholungsrate einfach, effektiv und zuverlässig bestimmt werden kann. Dadurch kann insbesondere eine Beobachtung oder Überwachung des in oder auf der Lagerungsvorrichtung gelagerten Menschen stattfinden, ohne dass dazu ein besonderer Aufwand betrieben werden muss und darüber hinaus auch ohne dass dazu eine unmittelbare Nähe einer überwachenden Person zu der überwachten Person oder dem überwachten Menschen in oder auf der Lagerungsvorrichtung hergestellt werden muss.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des Verfahrens kann ein Verfahrensschritt vorgesehen sein, in dem eine automatische Klassifikation der automatisch bestimmten Vitalfunktionseigenschaft, insbesondere der Herzschlagfrequenz, in eine standardisierte Intervallklassifizierung, bevorzugt in die internationale Klassifizierung der American Heart Association (AHA) erfolgt. Dadurch wird ermöglicht, dass die Herzschlagfrequenz in entsprechende Intervalle einklassifiziert wird, die wiederum im Rahmen einer Beobachtung oder Überwachung besonders gut und besonders intuitiv hinsichtlich möglicherweise vorliegendem Handlungsbedarf oder Reaktionsbedarf auszuwerten sind, insbesondere wenn die Herzschlagfrequenz in eine entsprechend hohe oder niedrige Intervallklasse einklassifiziert wird.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass die Vorverarbeitung der Signalverläufe der einzelnen Sensoren die Entfernung eines Gleichspannungsversatzes (DC-Offset) und/oder die Anwendung eines Hochpassfilters und/oder die Anwendung eines Tiefpassfilters umfasst.
Durch die besagten Vorverarbeitungsschritte der jeweiligen Einzelsignalverläufe kann eine noch bessere Ausgangsbasis zur Erstellung des transversalsymmetrischen Signalverlaufs gebildet werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass jeder einzelne Signalverlauf der, bevorzugt vier, Sensorsignalverläufe von einem Gleichspannungsversatz befreit wird, der das Gewicht der Lagerungsvorrichtung sowie des Körpers als solches ohne die Bewegung des Körpers wiedergibt oder repräsentiert. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Gleichspannungsversatz genutzt werden kann, um eine Anwesenheitserkennung und/oder eine Bestimmung des Gewichts oder der Masse des Menschen auf oder in der Lagerungsvorrichtung durchzuführen, wobei dann die bekannten Eigenschaften der Lagerungsvorrichtung selbst und deren Niederschlag in den Sensorsignalverläufen berücksichtigt wird, also beispielsweise das Eigengewicht der Lagerungsvorrichtung herausgerechnet werden muss. Die Anwesenheitserkennung kann beispielsweise als Initiator oder als Abbruchkriterium für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen. Die Massen- oder Gewichtsbestimmung kann im Rahmen der Überwachung oder Beobachtung des Menschen in oder auf der Lagerungsvorrichtung weiterverwendet oder genutzt werden.
Im Anschluss daran kann eine Vorfilterung der einzelnen Signalverläufe stattfinden, wobei bevorzugt zudem vorgesehen sein kann, dass ein Signalverlauf eines einzelnen Sensors mit unterschiedlichen Filtern bearbeitet oder gefiltert wird, wobei die Filterung nicht nacheinander, sondern unabhängig voneinander erfolgt. Es kann also vorgesehen sein, dass eine, zumindest gedachte, Duplizierung des Sensorsignalverlaufs erfolgt, die dann jeweils einzeln einer Filterung unterzogen wird. Besonders bevorzugt kann also vorgesehen sein, dass die Vorverarbeitung der Signalverläufe für jeden einzelnen Signalverlauf unterschiedliche Filtervorgänge vorsieht, wobei dann in besonders bevorzugter Weise die unterschiedlich gefilterten Signalverläufe eines Sensorsignalverlaufs im Rahmen der Vorverarbeitung der Signalverläufe durch eine Differenzbildung wieder zu einem Signalverlauf pro Sensor zusammengeführt oder vereinigt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nach Entfernung eines Gleichspannungsversatzes das Sensorsignal oder der Signalverlauf eines Sensors einerseits einem Hochpassfilter und unabhängig davon einem Tiefpassfilter zugeführt oder mit den entsprechenden Filtern gefiltert wird und im Anschluss daran im Rahmen einer Differenzbildung der beiden gefilterten Signalverläufe eine Zusammenführung der gefilterten Signalverläufe erfolgt.
Alternativ dazu kann jedoch auf vorgesehen sein, dass die Filterung der Signalverläufe für den Signalverlauf eines Sensors oder Kanals sukzessive hintereinander oder nacheinander ausgeführt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass zunächst ein Tiefpassfilter auf den Signalverlauf angewendet wird und anschließend ein Hochpassfilter auf den Signalverlauf angewendet wird.
Gemäß einer weiteren besonders, vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass im Rahmen der Weiterverarbeitung des transversalsymmetrischen Differenzsignalverlaufs eine Signalglättung erfolgt. Für derartige Signalglättungen sind verschiedene Glättungsalgorithmen oder Glättungsfunktionen bekannt und verbreitet. Die Signalglättung des weiterverarbeiteten Differenzsignalverlaufs erleichtert in vorteilhafter Weise die zuverlässige und automatische Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika in dem besagten, transversalsymmetrischen Differenzsignalverlauf, beispielsweise die Bestimmung der Maximalwerte oder der Spitzenwerte der R-Wellen.
Ebenfalls kann in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen sein, dass die automatische Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika eine Amplitudennormalisierung des Differenzsignalverlaufs auf einen maximalen Amplitudenwert umfasst. Dies bedeutet, dass nach der Amplitudennormalisierung der Differenzsignalverlauf auf einen Maximalwert von 1 normiert ist und alle anderen Werte des Signalverlaufs zwischen +1 und -1 betragen.
Auch durch die besagte Normalisierung werden die automatisch zu bestimmenden oder automatisch zu detektierenden Vitalfunktionscharakteristika noch besser im Signalverlauf herausgearbeitet oder identifizierbar gemacht.
Ebenfalls kann in besonders vorteilhafter Weise im Rahmen der automatischen Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika eine automatische Spitzenwertbestimmung oder eine automatische Bestimmung von lokalen Maximalwerten im Differenzsignalverlauf, also im transversalsymmetrischen Differenzsignalverlauf, durchgeführt werden.
Für eine automatische Bestimmung von lokalen Maxima in einem Signalverlauf sind grundsätzlich unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt. Ein besonders bevorzugter Ansatz, der beispielsweise bereits in Herzschrittmachern zur Anwendung gekommen ist und darüber hinaus auch überraschenderwiese bei den Signalverläufen der vorliegenden Erfindung gute Ergebnisse liefert, ist beispielsweise in A. Castro et al.: „Evaluation of Autosensing as an Automatic Means of Maintaining a 2:1 Sensing Safety Margin in an Implanted Pacemaker", Autosensing Investigation Team, Page 19 (11 pt2): 1708-1713, 1996 beschrieben. Dieses Verfahren soll durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Beschreibung einbezogen werden.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass im Rahmen der Spitzenwertbestimmung des Differenzsignalverlaufs jeder Spitzenwert einzeln in einem jeweiligen Analysedurchlauf des Differenzsignals erkannt oder bestimmt wird. Diese Herangehensweise führt zwar zu einer etwas längeren Bearbeitungszeit oder einer etwas längeren Dauer des Verfahrensschritts der automatischen Spitzenwert- oder Maximalwertbestimmung, gleichzeitig wird jedoch eine sehr zuverlässige und genaue Bestimmung der Spitzenwerte oder Maximalwerte sowie der zugehörigen Zeitkoordinaten (X-Werte) ermöglicht.
Ebenfalls kann besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass im Rahmen der Spitzenwert- oder Maximalwertbestimmung weitere, bevorzugt benachbarte, Signalpunkte, bevorzugt mit entsprechenden Koordinatenpaaren (normierter Signalwert und Zeitwert), automatisch bestimmt werden. Beispielsweise können neben den Maximal- oder Spitzenwerten und den dazugehörigen Zeit- oder X-Werten auch die zu einem Maximalwert benachbarten Nulldurchgänge und die entsprechenden X-Koordinaten oder Zeitwerte bestimmt werden. Zudem können Umkehrpunkte oder charakteristische Steigungspunkte im Umfeld oder in der Nachbarschaft der bestimmten Maximalwert- oder Spitzenwertpunkte ermittelt und/oder berechnet werden.
Gemäß einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass im Rahmen der Spitzenwert- oder Maximalwertbestimmung eine adaptive Empfindlichkeit eines Erkennungsalgorithmus angewendet wird. Dies bedeutet mit anderen Worten ausgedrückt, dass im Rahmen der Spitzenwertbestimmung ein adaptiver Grenzwert festgelegt werden kann, der sich mit fortschreitender Zeit in dem transversalsymmetrischen Signalverlauf verändert, insbesondere nach der Detektion eines lokalen Maximums, wobei der adaptive Grenzwert von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird, um sicherzustellen, dass jeweils nur aufeinanderfolgende oder benachbarte Maximalwerte der R-Wellen sicher identifiziert oder erkannt werden. Als Einflussfaktor oder als Beeinflussungsgröße für die adaptive Empfindlichkeit oder den adaptiven Grenzwert können beispielsweise dienen: (normierter) Wert des zuletzt bestimmten Maximalwerts, Breite des zuletzt bestimmten Spitzenwerts oder Maximalwerts unter Berücksichtigung von Nulldurchläufen, Wendepunkten oder besonderen Steigungscharakteristika, Zeitfaktor oder Verzögerungsfaktor zur linearen oder nicht-linearen Verringerung der Schwelle oder des Grenzwerts mit zunehmendem Abstand oder mit zunehmendem Zeitfortschritt bezogen auf den X-Wert oder den Zeitpunkt des zuletzt bestimmten Peaks und dergleichen mehr.
Durch die vorangehend beschriebenen Maßnahmen zur Ermittlung oder Bestimmung der Peaks oder Maximalwerte mittels einer adaptiven Empfindlichkeit oder eines adaptiven Schwellwerts kann sichergestellt werden, dass beispielsweise trotz einer Glättung des Differenzsignalverlaufs noch in einem Spitzenwert einer R-Welle verbliebene lokale Maxima unberücksichtigt bleiben oder nicht als weiterer Peak einer R-Welle erkannt oder missinterpretiert werden.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass die Sensorsignalverläufe mit einer Länge von 6sec bis 10sec, bevorzugt von 7sec bis 9sec, aufgezeichnet und zur Vor- und/oder Weiterverarbeitung in einem Zwischenspeicher gespeichert werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Details des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben, wobei die Figuren lediglich rein schematische Darstellungen umfassen.
Darin zeigen:

1: eine stark schematisierte Darstellung einer Lagerungsvorrichtung;
2: eine schematisierte Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform;
3: eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Visualisierung von Beispielsignalverläufen ;
4: eine beispielhafte Darstellung zur Erläuterung der adaptiven Empfindlichkeit im Rahmen der Peakbestimmung zur automatischen Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika.

Die 1 zeigt in stark schematisierter Art und Weise eine Draufsicht auf eine Lagerungsvorrichtung 01, beispielsweise ein Kranken- oder Pflegebett. In der 1 ist dabei angedeutet, dass an den vier Ecken der Lagerungsvorrichtung, beispielsweise im Bereich der vier Bettpfosten, vier Sensoren 02 angeordnet sind, die bevorzugt als Kraftverformungssensoren oder Dehnungsmessstreifen ausgeführt sind und die die Kraft auf Stützelemente einer Auflage der Lagerungsvorrichtung 01 detektieren oder messen. Die Lagerungsvorrichtung 01 weist dabei eine ideale Transversalebene T auf, die in der Darstellung der 1 durch eine strichlinierte Darstellung gezeigt ist. Wie in der 1 skizziert, fällt im besten Falle, nämlich im Fall einer optimalen oder zentrierten Lagerung eines Menschen 03 in oder auf der Lagerungsvorrichtung 01 die Transversalebene T mit der Transversalebene T' des Menschen 03 zusammen. Gleiches gilt für die Sagittalebene S der Lagerungsvorrichtung und die Sagittalebene S' des Menschen 03.
Mit den Sensoren 02, deren Messwerte auch die vier Eingangskanäle CH1 bis CH4 einer im Verfahren zum Einsatz kommenden Auswerte- und Analyseeinheit darstellen, können Messsignale, die die statische Belastung der Lagerungsvorrichtung 01, durch Teile der Lagerungsvorrichtung 01 selbst und durch den Menschen 03, widerspiegeln, gemessen werden. Gleichzeitig umfassen die Sensorsignale der Sensoren 02 aber auch Signalelemente, welche durch einmalige oder sich wiederholende Bewegungen des Menschen 03 und damit einhergehende Änderungen in der Belastung der Lagerungsvorrichtung 01 herbeigeführt werden.
Die 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Verfahrensschritt S1 erfolgt die Aufzeichnung oder die Aufnahme von Sensorsignalverläufen von Sensoren, wie sie beispielsweise in der 1 skizziert sind. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden die besagten Sensorsignalverläufe zusammengetragen und in einen Zwischenspeicher 04 übertragen. Aus diesem Zwischenspeicher 04 werden die Signalverläufe in einem weiteren Verfahrensschritt S3 einer Vorverarbeitung unterzogen. Die Vorverarbeitung der einzelnen Sensorsignalverläufe kann dabei, wie in 2 skizziert, mehrere Einzelverfahrensschritte umfassen. Im Rahmen eines ersten Vorverarbeitungsschrittes S3.1 kann die Entfernung eines Gleichspannungsversatzes (DC-Offset) in dem jeweiligen Sensorsignalverlauf erfolgen, um statische Signalanteile oder Signalanteile, welche nur mit sehr langsamen Bewegungen des Menschen 03 verknüpft sind, aus dem Sensorsignal zu entfernen.
In den weiteren Vorverarbeitungsschritten S3.2 und S3.3 kann sukzessive oder unabhängig voneinander eine Filterung des jeweiligen Sensorsignalverlaufs erfolgen. Beispielsweise wird im Verfahrensschritt S3.2 das vom Gleichspannungsversatz befreite Sensorsignal oder Sensorsignalverlauf einer Tiefpassfilterung unterzogen.
Ebenfalls kann gemäß der Ausführungsform der 2 vorgesehen sein, dass anschließend oder parallel der Sensorsignalverlauf im Verfahrensschritt S3.3 einer Hochpassfilterung unterzogen wird. Im Anschluss an die Vorverarbeitung im Verfahrensschritt S3 erfolgt eine Übertragung der vorverarbeiteten Sensorsignalverläufe 05 in eine alternative Speichereinrichtung oder in einen alternativen Signalspeicher 06.
In dieser Speichereinrichtung oder diesem Signalspeicher 06 erfolgt dann die erfindungsgemäße Kombination der vorverarbeiteten, bevorzugt vier, Sensorsignalverläufe zu einem einzigen gemeinsamen transversalsymmetrischen Signalverlauf, bei dem die Signalverläufe von Sensoren unterhalb einer Transversalebene, also die Sensoren 02, die in der beispielhaften Darstellung der 1 als Kanal 1, CH1, und als Kanal 2, CH2, gekennzeichnet sind, mit invertiertem Signalverlauf mit den Signalverläufen von oberhalb der Transversalebene T, also CH3 und CH4 der 1, aufaddiert werden. Dadurch werden in besonders vorteilhafter Weise die in Gegenphase oder die invertiert oberhalb und unterhalb der Transversalebene detektierten R-Wellen des Herzschlags oder die entsprechenden Vitalfunktionscharakteristika, die bevorzugt oberhalb einer Transversalebene und unterhalb einer Transversalebene mit einer entsprechenden Invertierung oder umgekehrten Phase detektiert werden, verstärkt, wodurch letztendlich eine sichere und zuverlässige automatische Erkennung der R-Wellen sowie bestimmter Punkte der R-Wellen, insbesondere die Maximalwerte oder Spitzenwerte, besonders gut automatisch erkannt und die Abfolge der besagten charakteristischen Werte oder Punkte in einen zeitlichen Kontext gesetzt werden können, um aufbauend darauf auf eine Vitalfunktionseigenschaft, beispielsweise die Frequenz des Herzschlags, schließen zu können.
Die Erstellung des erfindungsgemäßen transversalsymmetrischen Signalverlaufs erfolgt im Verfahrensschritt S4. Im Anschluss daran wird der erzeugte transversalsymmetrische Signalverlauf mit einem entsprechenden Glättungsalgorithmus oder einem Glättungsverfahren im Rahmen des Verfahrensschritts S5 weiterverarbeitet, bevor im Verfahrensschritt S6 ausgehend von den bestimmten Vitalfunktionscharakteristika, beispielsweise dem Herzschlag oder den entsprechenden Signalen im verarbeiteten Signalverlauf, also beispielsweise den R-Wellen oder deren Maxima, die im Ablaufdiagramm der 2 nicht im Detail dargestellt sind, im Verfahrensschritt S6 die automatische Bestimmung oder Berechnung einer Vitalfunktionseigenschaft, insbesondere der Herzschlagfrequenz, erfolgt.
In der 3 sind einzelne Ergebnisse oder Zwischenergebnisse der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens noch einmal dargestellt und anhand von beispielhaften Signalverläufen aufgezeigt. Die jeweiligen Verfahrensschritte erfolgen, wie auch bildlich veranschaulicht, zwischen den jeweilig beispielhaft dargestellten Signalverläufen.
Zunächst ist in der 3 eine beispielhafte Darstellung der Aufzeichnung unterschiedlicher Sensorsignalverläufe 12 im Rahmen des Verfahrensschritts S1 zu erkennen. Nach einem nicht im Detail dargestellten Verfahrensschritt einer Entfernung eines Gleichspannungsversatzes im Verfahrensschritt S3.1 entstehen als Zwischenprodukt oder Zwischenergebnis der Vorverarbeitung der Sensorsignalverläufe mehrere, bevorzugt vier, entsprechende Signalverläufe 13, die in der 3 den Ausgangspunkt für eine nachfolgende Filterung bilden.
Beispielsweise wird im Verfahrensschritt S3.2 eine Tiefpassfilterung durchgeführt. Das Ergebnis der gefilterten Signalverläufe 14 ist ebenfalls in der 3 skizziert. Im Anschluss daran folgt eine Hochpassfilterung im Rahmen des Verfahrensschritts S3.3. Nach den Filterungen im Rahmen der Vorverarbeitung entstehen vier Sensorsignalverläufe 15, die, wie in 3 andeutungsweise erkennbar ist, charakteristische Ausschläge oder charakteristische lokale Maxima umfassen, die zwar unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, im Wesentlichen aber zum selben Zeitpunkt oder im selben zeitlichen Bereich gemessen oder detektiert wurden. Dabei handelt es sich um die in Gegenphase, je nach Anordnung des Sensors zur Transversalebene T, registrierten R-Wellen des Herzschlags.
Im Rahmen des Verfahrensschritts S4 findet eine entsprechende Erstellung eines transversalsymmetrischen Signalverlaufs statt, bei der die jeweiligen Signale mit ursprünglichem oder invertiertem Vorzeichen aufaddiert werden, je nachdem, ob die Sensoren, die das jeweilige Signal oder den jeweiligen Signalverlauf aufgezeichnet haben, oberhalb oder unterhalb der Transversalebene der Lagerungsvorrichtung angeordnet sind. Darauf folgt die Darstellung eines einzelnen oder einzigen Signalverlaufs 16 in der 3, in der sehr deutlich die entsprechenden R-Wellen des Herzschlags verstärkt sind und dementsprechend deutlich zutage treten. In einem anschließenden Verfahrensschritt S5, erfolgt eine Glättung des Signals, und in einem Verfahrensschritt S5.1. erfolgt eine Normalisierung auf einen maximalen Amplitudenwert bewirkt Anhand des gegäteten und normalisierten Signalverlaufs 17 erfolgt anschließend im Verfahrensschritt S6 eine automatische Detektion der Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere des Herzschlags, in Form der Maximalwerte oder Spitzenwerte der verstärkten R-Wellen in einem Verfahrensschritt S7. Die Darstellung der 3, die das Ergebnis 18 dieser automatischen Bestimmung darstellt, umfasst auch eine beispielhafte Darstellung des adaptiven oder dynamischen Schwellwerts oder der adaptiven Empfindlichkeit 07 des Verfahrens, mit der die jeweiligen Maximalwerte sowie die dazugehörigen Zeitpunkte der R-Wellen bestimmt werden. Diese adaptive Empfindlichkeit 07 wird noch eingehender anhand der Darstellung der 4 erläutert. Unter Heranziehung der Anzahl von Vitalfunktionscharakteristika, beispielsweise Maximalwerten oder Spitzenwerten der R-Wellen in Bezug auf den vermessenen oder gemessenen Zeitraum, kann eine Herzschlagfrequenz abgeleitet und ggf. in einen Bereich oder eine Klasse einer Klassifikation eingestuft werden.
Die 4 zeigt abermals einen Verlauf der adaptiven Empfindlichkeit 07 oder des adaptiven Grenz- oder Schwellwerts zur automatischen Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere des Herzschlags, beispielsweise in Form von Maximalwerten von R-Wellen. Die 4 umfasst eine beispielhafte Darstellung einer R-Welle 08, mit einem Spitzen- oder Maximalwert 09 sowie benachbarten charakteristischen Punkten, wie beispielsweise der Begrenzung 10 der R-Wellenbreite 19 und Anstiegs- und Abfallpunkten 11. Anhand dieser, ebenfalls automatisch bestimmbaren oder von automatisch bestimmten Werten abgeleiteten Werten kann eine entsprechend veränderliche Schwellwertführung der adaptiven Empfindlichkeit 07 hergestellt werden, die einerseits sicherstellt, dass die Spitzen- oder Maximalwerte 09 der R-Welle sicher und zuverlässig erkannt werden, gleichzeitig jedoch, insbesondere im Rahmen einer sukzessiven Erkennung oder Bestimmung der R-Wellen und deren Maxima, sichergestellt wird, dass ein Spitzenwert oder lokales Maximum zwischen Spitzenwerten zweier aufeinanderfolgender R-Wellen nicht ungewollterweise oder falscherweise als weiterer Maximalwert einer nachfolgenden R-Welle erkannt werden.
Die Formeln und Parameter, die die Bestimmung und Veränderung der adaptiven Empfindlichkeit 07 ermöglichen sollen nachfolgend beispielhaft erläutert werden.
Zunächst startet die adaptive Empfindlichkeit 07 mit einem jeweils neuen Grenzwert oder Anfangs-Schwellwert 20, der mit dem Maximalwert 09 im Kurvenverlauf zusammenfällt. Der neue Anfangs-Schwellwert 20 wird als fester Prozentsatz des normalisierten Maximalwerts 09 bestimmt. Beispielsweise kann 75% als fester Prozentsatz definiert werden. Im Beispiel der 4, bei der der normalisierte Maximalwert 09 einen Wert von etwa 0,95 aufweist ergibt sich damit der Anfangs-Schwellwert 20 aus: $Anfangs - Schwellwert = 0,75 * Maximalwert$
Wie in 4 zu erkennen ist, ergibt dies einen Anfangs-Schwellwert 20 von etwa 0,72.
Um lokale Maxima unberücksichtigt zu lassen wird die adaptive Empfindlichkeit 07 nach Einstellen oder Erfassen des neuen Anfangs-Schwellwerts 20 zunächst konstant gehalten. Die Verzögerungsdauer 21, während derer der Anfangs-Schwellwert 20 gehalten wird, wird beispielsweise durch einen konstanten Wert und unter Berücksichtigung der R-Wellenbreite 19 der R-Welle 08 bestimmt.
Beispielsweise lässt sich die gesamte Verzögerungsdauer 21 als Summe aus einer konstanten Dauer von 150 Messpunkten und einer variablen Dauer in Abhängigkeit von der R-Wellenbreite 19 der R-Welle 08 wie folgt berechnen: $\begin{array}{l} Verz \ddot{o} gerungsdauer = konstante Dauer + \frac{1}{2} R - Wellenbreite + variabler \\ Faktor * \frac{1}{2} R - Wellenbreite \end{array}$
Als variabler Faktor kann beispielsweise ein Wert von etwa 1 gesetzt werden. Bei einer Messrate oder Samplerate von 200 Hz entsprechen die 150 Messpunkte einer Dauer von 750 ms.
Im Anschluss an die Verzögerungsdauer 21 erfolgt eine lineare Absenkung 22 der adaptiven Empfindlichkeit 07, wobei der lineare Faktor bei beispielsweise 0,0025 pro Messpunkt liegen kann.
Diese Absenkung 22 wird höchstens bis zu einem Minimalwert der adaptiven Empfindlichkeit 07 durchgeführt. Diese kann beispielsweise auf einen Wert von 0,2 definiert werden.
Bei einer Erkennung eines neuen Maximalwertes 09 wird ein neuer Anfangs-Schwellwert 20 erzeugt und die anschließend die oben genannten Schritte durchlaufen oder die adaptive Empfindlichkeit 07 gemäß der vorangehend beschriebenen Routine angepasst.
Eine weitergehende Erläuterung zu dem angewandten Verfahren zur automatischen Spitzenwertbestimmung unter Verwendung einer adaptiven Empfindlichkeit oder eines adaptiven Grenzwertes finden sich beispielsweise bei A. Castro et al.: „Evaluation of Autosensing as an Automatic Means of Maintaining a 2:1 Sensing Safety Margin in an Implanted Pacemaker", Autosensing Investigation Team, Page 19 (11 pt2): 1708-1713, 1996, wobei das genannte Dokument zur Erläuterung des entsprechenden Verfahrens zur automatischen Peakbestimmung durch Verweis in die vorliegende Offenbarung einbezogen wird.
Bezugszeichenliste

01: Lagerungsvorrichtung
02: Sensoren
03: Mensch
04: Zwischenspeicher
05: vorverarbeitete Signalverläufe
06: Speicher
07: adaptive Empfindlichkeit
08: R-Welle
09: Spitzen- oder Maximalwert
10: Begrenzung
11: Anstiegs- und Abfallpunkte
12: Signalverläufe
13: Signalverläufe
14: Signalverläufe
15: Signalverläufe
16: Signalverlauf
17: Signalverlauf
18: Ergebnis
19: R-Wellenbreite
20: Anfangs-Schwellwert
21: Verzögerungsdauer
22: Absenkung
CH1 - CH4: Eingangskanal
S1 - S6: Verfahrensschritt
S: Sagittalebene der Lagerungsvorrichtung
S': Sagittalebene des Menschen
T: Transversalebene der Lagerungsvorrichtung
T': Transversalebene des Menschen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2040614 B1 [0003]
WO 2017/056476 A1 [0004]
EP 1937148 B1 [0005]
DE 202008018439 U1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Castro et al.: „Evaluation of Autosensing as an Automatic Means of Maintaining a 2:1 Sensing Safety Margin in an Implanted Pacemaker“, Autosensing Investigation Team, Page 19 (11 pt2): 1708-1713, 1996 [0026, 0055]

Claims

Verfahren zur kontaktlosen Bestimmung von Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere eines Herzschlags, eines Menschen (03) in oder auf einer Lagerungsvorrichtung (01), insbesondere einem Kranken- oder Pflegebett, umfassend die Verfahrensschritte: - Aufzeichnung von mehreren, bevorzugt vier Sensorsignalverläufen, von Sensoren (02), bevorzugt Kraftverformungssensoren, die die Kraft auf Stützelemente einer Auflage, insbesondere Bettpfosten, der Lagerungsvorrichtung (01) über einen Zeitraum messen (S1); - Vorverarbeiten der einzelnen Sensorsignalverläufe (S3); - Kombinieren der vorverarbeiteten Sensorsignalverläufe (05) zu einem gemeinsamen Differenzialsignalverlauf; - Weiterverarbeiten des Differenzialsignalverlaufs (S5); - Automatische Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika, insbesondere des Herzschlags, in dem weiterverarbeiteten Differentialsignalverlauf; dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinieren der vorverarbeiteten Sensorsignalverläufe (05) eine Erstellung eines transversalsymmetrischen Signalverlaufs umfasst, bei dem Signalverläufe von Sensoren (02) unterhalb einer Transversalebene der Lagerungsvorrichtung (01) mit invertiertem Signalverlauf mit den Signalverläufen von Sensoren (02) oberhalb der Transversalebene der Lagerungsvorrichtung (01) aufaddiert werden (S4).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die automatische Bestimmung einer Vitalfunktionseigenschaft, insbesondere einer Herzschlagfrequenz, anhand der Vitalfunktionscharakteristika (S6).
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt einer automatischen Klassifikation der automatisch bestimmten Vitalfunktionseigenschaft, insbesondere der Herzschlagfrequenz, in eine standardisierte Intervallklassifizierung, bevorzugt in die internationale Klassifikation der American Heart Association.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitung (S3.1, S3.2, S3.3) der Signalverläufe die Entfernung eines Gleichspannungsversatzes und/oder die Anwendung eines Hochpassfilters und/oder die Anwendung eines Tiefpassfilters umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterverarbeitung des Differenzialsignalverlaufs eine Signalglättung umfasst (S5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika eine Amplitudennormalisierung des Differenzsignalverlaufs auf einen maximalen Amplitudenwert umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die automatische Bestimmung der Vitalfunktionscharakteristika eine automatische Spitzenwertbestimmung im des Differenzsignalverlaufs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Spitzenwertbestimmung des Differenzsignalverlaufs jeder Spitzenwert (09) einzeln in einem jeweiligen Analysedurchlauf des Differenzsignalverlaufs erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dass im Rahmen der Spitzenwertbestimmung weitere, bevorzugt benachbarte, Signalpunkte, automatisch bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Spitzenwertbestimmung eine adaptive Empfindlichkeit (07) eines Erkennungsalgorithmus angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Sensorsignalverläufe von 6sec. bis 10sec., bevorzugt von 7sec. bis 9 sec. Länge aufgezeichnet und zur Vor- und/oder Weiterverarbeitung in einen Zwischenspeicher (04) gespeichert werden.