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Das Auflager kann sowohl ein Untergrund, ein Auflagerrahmen oder ein Bettgestell sein.
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Weiter kann die Verbindung zur Kopplung der Auflager-Sensoren einer Anordnung miteinander starr oder koppelbar ausgebildet sein. Bei einer koppelbaren Verbindung kann die jeweilige Koppelung bevorzugt jeweils durch zumindest ein Scharnier erfolgen.
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Die Erfindung betrifft ein Auflager-Sensor-System zur Erfassung von Druckkräften zwischen einem auf einer Auflage liegenden Körper und einem Auflager umfassend ein Auflager und mindestens eine Anordnung von Auflager-Sensoren aufweisend mindestens zwei Auflager-Sensoren und eine Verbindung, wobei eine Auflage auf dem Auflager positioniert ist und zur Erfassung von Druckkräften ein auf der Auflage liegende Körper eine Druckkraft auf das Auflager bewirkt.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Auflager-Sensor-System-Messverfahren, welches das Auflager-Sensor-System nutzt.
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Zum weiteren Verständnis von im Sprachgebrauch unterschiedlich verwendeten Begriffen, werden bei der vorliegenden Erfindung unter den verwendeten Begriffen nachfolgende technische Definitionen verstanden:
- Unter einer Auflage im Sinne der Erfindung, werden allgemein Matratzen, Polster und / oder elastische Lagen verstanden. Eine Kombination mit einem Überzug oder mehreren Überzügen und / oder einem Bauelement ist hierin inbegriffen.
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Der jeweilige Überzug beziehungsweise das Bauelement, sowie die jeweilige Matratze, das jeweilige Polster und / oder die jeweilige elastische Lage kann dabei aus textilen Elementen, Schaumstoff Elementen, Naturgewirken und/oder nachhaltigen, schadstoffgeprüften Rohstoffen bestehen.
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Dabei kann es auch zu einer funktionellen Kombination von bevorzugt textilen Überzügen und / oder Bauelementen mit funktionellen Materialien kommen, die als Kombination / Integration eine Kombinationsauflage bilden, wenn zum Beispiel textile, elastische Lagen oder Matratzen mit einer feuchtigkeitsundurchlässigen Lage kombiniert werden.
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Unter einem Topper ist eine zusätzliche elastische Schicht zu verstehen, um eine herkömmliche Matratze dicker und weicher zu machen.
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Unter einer Lattenrostmatratze im Sinne der Erfindung ist eine Auflage zu verstehen bei der ein Bauelement ein Lattenrost ist, der auf zwei beabstandeten, mechanisch flexiblen Holmen zu liegen kommt. Dabei ist der Lattenrost ein integraler funktioneller Bestandteil der Auflage und auch die beiden Holme, auf denen der Lattenrost aufliegt sind Bestandteil der Lattenrostmatratze. Lattenrostmatratzen sind unter anderem aus der
DE 39 36 788 C2 bekannt. Auch hier kommt ein Liegender auf einer Auflage, beispielsweise einer Polsterung, zu liegen, die auf einer Matratze liegt, in die ein Lattenrost integriert ist, die wiederum auf Holmen aufliegt, die aus druckflexiblen Materialien bestehen. Als eine Komfortauflage ist diese ebenfalls als ein Bauelement oder sind mehrere Bauelemente integrierter Bestandteil einer Lattenrostmatratze, wobei die jeweiligen Bauelemente durch einen Matratzendrell formstabil zusammengehalten werden.
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Unter einem Auflager-Sensor-System versteht man eine oder mehrere, bevorzugt miteinander physikalisch / technisch koppelbare, messende jeweilige Anordnungen von mindestens zwei Auflager-Sensoren, die miteinander mechanisch über eine Verbindung, bevorzugt jeweils eine Profilleiste, gekoppelt sind und über einen jeweiligen Auflager-Sensor auf eine Umgebung wirken (Schwerkraft).
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Bei pflegebedürftigen Personen, die teilweise und / oder vollständig bettlägerig sind, besteht durch hohe lokale Druckkräfte auf bestimmte Körperregionen während des Liegens die Gefahr einen Dekubitus und / oder Druckgeschwüre zu erleiden. Für pflegende Personen, wie Angehörige, Pflegepersonal und Betreuer ist es wichtig darauf zu achten, dass die pflegebedürftigen Personen regelmäßig umgelagert werden und Problemzonen rechtzeitig zu erkennen.
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Sensor-Systeme zur Erfassung von Druckkräften ausgehend von einem beispielsweise auf einer Matratze liegenden Körper können hierbei eine große Erleichterung im Bereich der Pflege darstellen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Sensorsysteme für Auflagen beziehungsweise Teilen davon, allgemein als Matratzen bezeichnet, bekannt. Dabei handelt es sich um Folienmatten, die auf einer allgemein bekannten Matratze aufliegen.
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Aus der
WO 2007/009586 A1 ist eine derartige Messmatte bekannt, die in einem Polsterelement mit zumindest einem, auf einer Trägermatte angeordneten, Sensor integriert ist. Auf dieser Trägermatte können mehrere hundert Sensoren in einer Matrixanordnung verschaltet sein. Diese Trägermatte ist nachteilig für den Liegekomfort und Temperaturausgleich der Nutzer, da ein Luftaustausch in den durch die integrierten Folien-Sensormatten getrennten Polsterlagen nur unvollständig oder gar nicht erfolgen kann. Der technische Aufwand für die Herstellung und Verschaltungen sind aufwändig, und eine kontinuierliche, exakte Druckmessung ist durch die Art der Anbringung der Sensoren auf der relativ zum Körper in einer in mehrere Ebenen beweglichen Trägermatte nur eingeschränkt möglich, wobei eine direkte, ständige Belastung der Sensoren die Lebensdauer zusätzlich verringert und die Vielzahl an Sensoren und deren Verbund in einer verschalteten Matrix einen höheren Serviceaufwand einfordert.
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Die Druckschrift
DE 20 2016 007 965 U1 offenbart ein modulares Sensorsystem aus zumindest drei Modulen mit zumindest einem Sensorträger und zumindest einer Gewichtsverteilleiste, die in einer Ebene sandwichartig miteinander verbindbar sind. Das Sensorsystem ist insbesondere für den Einsatz in einer Lattenrostmatratze geeignet.
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Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass lediglich temporär eingesetzte Messsysteme wie in der Druckschrift
WO 2007/009586 ein verfälschtes Messergebnis für Drücke wiedergeben, da die Eigenschaften der Trägermatte in die Messung durch die Sensoren mit eingehen. Sensormatten wie dort beschrieben sind derzeit aus betriebswirtschaftlichen und aus Haltbarkeitsgründen nicht für einen Dauerbetrieb geeignet und werden daher lediglich zu Forschung und Entwicklung oder zu Kontrollzwecken, zum Beispiel im Fahrzeugbau, eingesetzt.
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Das in der Druckschrift
DE 20 2016 007 965 U1 beschriebene System ist insbesondere für Lattenrostmatratzen geeignet und somit nur beschränkt einsetzbar.
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Die Erfindung beseitigt die erkennbaren Mängel im Stand der Technik.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Aufbau für eine Messeinrichtung bereit zu stellen, die auch im Dauerbetrieb genau misst und bei wechselnden Beanspruchungen sicher einsetzbar ist.
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Dem erfindungsgemäßen Auflager-Sensor-System liegt weiter die Aufgabe zu Grunde kontinuierlich und dauerhaft Messdaten beim Liegen und Sitzen in Echtzeit zu erfassen und für weitere Maßnahmen zur Verfügung zu stellen.
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Eine weitere Aufgabe des erfindungsgemäßen Auflager-Sensor-Systems ist es, durch die Erfassung von Gewichtskraftmessdaten, mit hohen Genauigkeiten (Abweichungen von wenigen cN), unterschiedliche, relative Druckverhältnisse, die Druckverteilung und Bewegungsprofile, sowie die Lage des gesamten auf die Sensoren direkt oder indirekt wirkenden Kräfte abzubilden und datentechnisch zu erfassen.
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Gelöst werden diese Aufgaben mit einem Auflager-Sensor-System gemäß Hauptanspruch sowie einem Auflager-Sensor-System-Messverfahren gemäß nebengeordnetem Anspruch.
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Das erfindungsgemäße Auflager-Sensor-System zur Erfassung von Druckkräften zwischen einem auf einer Auflage liegenden Körper und einem Auflager umfasst ein Auflager, mindestens eine Anordnung von Auflager-Sensoren aufweisend mindestens zwei Auflager-Sensoren und eine Verbindung, wobei eine Auflage auf dem Auflager positioniert ist und der auf der Auflage liegende Körper eine Druckkraft auf das Auflager bewirkt; dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager mit der mindestens einen Anordnung von Auflager-Sensoren aufweisend mindestens zwei Auflager-Sensoren versehen ist, die Auflager-Sensoren einer Anordnung miteinander über die Verbindung gekoppelt sind und die von dem auf der Auflage liegenden Körper verursachte Druckkraft auf das Auflager über die Auflager-Sensoren erfasst wird.
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Das Auflager-Sensor-System-Messverfahren mit einem erfindungsgemäßen Auflager-Sensor-System umfasst zumindest nachfolgende Schritte:
- - Messung zeitlich sequentieller, kontinuierlicher oder quasikontinuierlicher analoger Daten, die den Druckkräften entsprechen, die auf die Auflager ausgeübt werden mit den Auflager-Sensoren und
- - Datenbereitstellung für eine Weiterverarbeitung analog oder digital in einer definierbaren Schnittstelle.
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Das Auflager kann sowohl ein Untergrund, ein Auflagerrahmen oder ein Bettgestell sein.
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Weiter kann die Verbindung zur Kopplung der Auflager-Sensoren einer Anordnung miteinander starr oder koppelbar ausgebildet sein. Bei einer koppelbaren Verbindung kann die jeweilige Koppelung bevorzugt jeweils durch zumindest ein Scharnier erfolgen.
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Der Körper kann insbesondere in Form einer Person ausgebildet sein.
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Die Sensoren können ein analoges oder digitales Signal ausgeben. Es besteht ebenso die Möglichkeit, dass die Sensoren zwei Spannungen in Form eines Leitungspaares ausgeben aus dessen Differenzspannung dann ein interpretierbares Signal entsteht. Die Spannungsdifferenz zwischen den Leitungspaaren ergibt dann das zu messende analoge Signal. Dieser Vorgang kommt beispielsweise bei der Verwendung einer Wheatstoneschen Messbrücke zum Tragen, wenn diese einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen enthält. Durch den sich ändernden Widerstand des Dehnungsmessstreifen bei Belastung ändert sich hierbei die Spannungsdifferenz und somit das analoge Signal in messbarer Form. Zur feingranularen Erfassung der Veränderung des Differenzsignals kann es sinnvoll sein dieses zu verstärken. Die Verstärkung kann durch Adaption des Leitungspaares an einen Differenzverstärker erfolgen. Es ist auch möglich, dass der Differenzverstärker in einer Sensor-Auswerteeinheit integriert ist.
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Bei der Verwertung analoger Spannungssignale ist es vorteilhaft das Rauschen auf der Signalleitung gering zu halten. Es ist insbesondere günstig die Signalleitungen fern von elektromagnetischen Störeinflüssen anzuordnen. Besonders vorteilhaft ist eine bereits rauscharme Spannungsversorgung der Sensoren und der dahinterliegenden Auswertungseinheit. Diese kann beispielsweise durch einen speziell dafür ausgelegten Spannungsregulator erreicht werden.
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Der Spannungsregulator bietet in einer speziellen Ausführungsvariante die Möglichkeit, höhere Eingangsspannungen als benötigt zu verwenden, da über diesen die Spannung auf das benötigte Niveau reguliert werden kann. Hierdurch stehen dann mehrere Spannungspegel zur Verfügung. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn ein Sensor einen größeren Spannungsrahmen hat. Es ist dann möglich, einen Teil des Systems mit einer regulierten Spannung zu versorgen und die Sensoren mit einer höheren Spannung, welche unter Umständen für das restliche System schädlich wäre. Auch bei dieser Variante ist es stets vorteilhaft, das Rauschen jeglicher Teilversorgung so gering wie möglich zu halten.
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Zusätzlich kann das System zur Weiterleitung und Auswertung der von den Auflager-Sensoren erfassten Daten einen oder mehrere Multiplexer und eine Sensor-Auswerteeinheit umfassen, wobei die mindestens zwei Auflager-Sensoren der mindestens einen Anordnung von Auflager-Sensoren an einen oder mehrere Multiplexer mit einer nachfolgenden Sensor-Auswerteeinheit gekoppelt sind.
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Multiplexer in diesem Sinne sind auch als Analogschalter bekannt. Durch diese ist es möglich, sehr schnell zwischen verschiedenen analogen oder digitalen Signalpfaden zu wechseln. Durch die hohe Wechselgeschwindigkeit können so beispielsweise 64 Sensoren viele Male pro Sekunde durchgeschaltet und ausgewertet werden. Die Steuerung der Multiplexer/Analogschalter kann sowohl über die Sensor-Auswerteeinheit, als auch über einen Embedded PC erfolgen.
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Die Verwendung und Anordnung der Multiplexer/Analogschalter kann variieren. Diese können in einer Variante für sämtliche Sensoren auf einer zentralen Steuereinheit zusammengefasst sein. In einer weiteren Variante können wenige Multiplexer/Analogschalter verwendet werden, um einen weiteren Multiplexer Analogschalter anzusteuern, welcher dann einen Sensor gezielt durchschaltet. Weiter ist auch eine Variante möglich, in welcher alle Sensoren über eine zentrale Steuerleitung miteinander verbunden sind. Ein serielles Signal über diese Steuerleitung definiert dann welcher Sensor für die Auslesung ausgewählt werden soll (Bus System). Bei sämtlichen Varianten ist es besonders vorteilhaft eine Einzelpunkterdung der Sensoren und der hinter gelagerten Auswertungseinheit zu gewährleisten.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung werden sämtliche Sensoren voneinander entkoppelt. Dies geschieht durch einen Mehrfachanalogschalter, welcher mehrere Kanäle parallel durchschalten kann. Bei dieser Variante wird jede Leitung des Sensors mit einem Kanal des Analogschalters verbunden. Wenn dieser Analogschalter parallel sperrt, sind sämtliche Leitungen des Sensors gesperrt. Ein paralleles Durchschalten führt zu einer Verbindung sämtlicher Sensorleitungen mit dem System. Es werden sowohl die Leitungen für die Versorgungsspannung und Erdung (GND) als auch die Signalleitungen geschaltet. Hier ist es besonders vorteilhaft, wenn für die Erdung des Sensors eine eigene Leitung vorhanden ist.
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Sofern nur ein Sensor zugeschaltet ist, wird diese Erdungsleitung von dem Sensor exklusiv genutzt. Durch das Umschalten auf einen anderen Sensor wird diese Leitung wieder blockiert und für einen anderen Sensor freigegeben. Durch diese Vorgehensweise können Erdschleifen trotz Verkettung mehrerer Sensoren miteinander vermieden werden.
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Weiter können auch mehrere Auswertungseinheiten genutzt werden, welche einen oder mehrere Sensoren auswerten und über eine oder mehrere „Embedded-PC'''s angesteuert werden, wobei die Schaltung der auszuwertenden Sensoren auch über die Auswertungseinheit selbst erfolgen kann. Die Nutzung dieser Auswertungseinheiten kann sequentiell oder parallel erfolgen.
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Zudem kann die Sensor-Auswerteeinheit Teil eines „Embedded-PC“ sein.
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Wenn solch ein „Embedded-PC“ mit künstlicher Intelligenz (Kl) ausgestattet ist, kann die Sensordatenverarbeitung KI-basiert ausgebildet sein.
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Des Weiteren können die Datenbereitstellung und Weiterverarbeitung im Auflager-Sensor-System-Messverfahren folgende Schritte aufweisen:
- - Übertragung der Daten der einzelnen Auflager-Sensoren auf die verschiedenen Eingänge eines oder mehrerer Multiplexer;
- - Übertragung der Daten der Auflager-Sensoren vom Ausgang des Multiplexers oder der Multiplexer an einen oder mehrere Sensoren-Auswerteeinheit/en und Auswertung der Daten in der Sensor-Auswerteeinheit und
- - Übermittlung der ausgewerteten Daten an einen Computer und Auslesen der Ergebnisse.
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Die Sensordatenverarbeitung kann dabei über die Sensor-Auswerteeinheit KI-basiert ablaufen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen in der Abbildungsbeschreibung detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind. Aus einzelnen Ausführungsbeispielen und Darstellungen können auch eigenständige Erfindungen gesehen werden.
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Es zeigen:
- ein erstes beispielhaftes Auflager-Sensor-System mit einer Auflage in perspektivischer Ansicht von oben;
- ein erstes beispielhaftes Auflager-Sensor-System nach mit einer Auflage in perspektivischer Ansicht von unten;
- ein zweites beispielhaftes Auflager-Sensor-System mit einer Auflage in perspektivischer Ansicht von oben;
- ein zweites beispielhaftes Auflager-Sensor-System nach mit einer Auflage in Stirnseitenansicht;
- ein drittes beispielhaftes Auflager-Sensor-System mit einer Verbindung in perspektivischer Ansicht von oben;
- beispielhaft jeweils mehrere Auflager-Sensoren mit jeweiligen Verbindungen in paralleler Anordnung in perspektivischer Ansicht von oben;
- beispielhaft jeweils mehrere Auflager-Sensoren mit jeweiligen Verbindungen in paralleler Anordnung in perspektivischer Ansicht von oben mit einem Auflager, wobei ein Auflager-Sensor-System gebildet wird;
- ein beispielhaftes Auflager-Sensor-System nach in Schnittansicht;
- ein beispielhaftes Auflager-Sensor-System nach in Aufsicht;
- ein weiteres beispielhaftes Auflager-Sensor-System in perspektivischer Ansicht von oben;
- beispielhaft weitere jeweils mehrere Auflager-Sensoren mit jeweiligen Verbindungen in paralleler Anordnung in Schnittansicht;
- beispielhaft jeweils mehrere Auflager-Sensoren mit jeweiligen Verbindungen in paralleler Anordnung nach in Ansicht von unten;
- beispielhaft weitere jeweils mehrere Auflager-Sensoren mit jeweiligen Verbindungen in paralleler Anordnung in Schnittansicht;
- beispielhaft Auflager-Sensoren mit Verbindung nach in Schnittansicht;
- beispielhaft jeweils mehrere Auflager-Sensoren mit jeweiligen Verbindungen in paralleler Anordnung nach in perspektivischer Ansicht von unten;
- ein weiteres beispielhaftes Auflager-Sensor-System in Schnittansicht;
- ein weiteres beispielhaftes Auflager-Sensor-System nach in perspektivischer Ansicht von oben;
- beispielhaft weitere jeweils mehrere Auflager-Sensoren mit jeweiligen Verbindungen in paralleler Anordnung in Schnittansicht;
- beispielhaft jeweils mehrere Auflager-Sensoren mit jeweiligen Verbindungen in paralleler Anordnung nach in perspektivischer Ansicht von oben;
- eine erste beispielhafte Detailansicht eines Auflager-Sensor-Systems in perspektivischer Ansicht von oben;
- eine zweite beispielhafte Detailansicht eines Auflager-Sensor-Systems in perspektivischer Ansicht von oben;
- eine beispielhafte schematische Darstellung der Datenbereitstellung und Datenweiterverarbeitung bei Vorliegen eines Multiplexers;
- eine beispielhafte schematische Darstellung der Datenbereitstellung und Datenverarbeitung bei Vorliegen von zwei parallelen Multiplexern, gesteuert über einen Embedded PC und Sensoren mit einem Differentialpaar;
- eine beispielhafte schematische Darstellung der Datenbereitstellung und Datenverarbeitung bei Vorliegen von zwei parallelen Multiplexern, gesteuert über die Sensorauswertungseinheit und Sensoren mit einem Differentialpaar;
- eine beispielhafte schematische Darstellung der Zusammenfassung sämtlicher Sensorleitungen, wobei jeweils ein spezifisches Leitungspaar durch einen Analogschalter über einen vorgelagerten Analogschalter aktiviert bzw. gesperrt wird;
- eine beispielhafte schematische Darstellung der Zusammenfassung sämtlicher Sensorleitungen wobei jeweils ein spezifisches Leitungspaar über eine serielle Adressleitung geschaltet wird;
- eine beispielhafte schematische Darstellung der Entkopplung sämtlicher Sensoren, wobei die Sensoren einzeln über einen vorgelagerten Analogschalter geschaltet werden, welcher durch die Sensor-Auswerteeinheit gesteuert wird, und
- eine beispielhafte schematische Darstellung der Entkopplung sämtlicher Sensoren wobei die Sensoren einzeln über einen vorgelagerten Analogschalter geschaltet werden, welcher durch den „Embedded-PC“ gesteuert wird und die Leitungspaare über einen vorgeschalteten Differentialverstärker als Einzelsignal in die Sensor-Auswerteeinheit eingehen.
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In ist ein erstes beispielhaftes Auflager-Sensor-System 4 mit einer Anordnung von Auflager-Sensoren 7, den hierzu gehörenden Verbindungen 2, einem Auflager 3 und einer Auflage 5 in perspektivischer Ansicht von oben dargestellt. Das Auflager 3 ist in dieser Abbildung als Auflagerrahmen dargestellt und die Verbindung bildet eine starre Profilleiste.
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zeigt in einer perspektivischen Ansicht von unten. Jeweils ein Auflager-Sensor 1 befindet sich an den distalen Enden der Verbindung 2, also der Profilleiste. Ein Auflager 3 liegt auf den jeweiligen Auflager-Sensoren 1 liegen auf.
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In wird ein zweites beispielhaftes Auflager-Sensor-System 4 mit einer Anordnung von Auflager-Sensoren 7, den hierzu gehörenden Verbindungen 2, einem Auflager 3 und einer Auflage 5 in perspektivischer Ansicht von oben dargestellt. Das Auflager 3 ist in dieser Abbildung als Untergrund dargestellt und die Verbindung bildet eine starre Profilleiste.
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zeigt das Auflager-Sensor-System 4 aus in Stirnseitenansicht.
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Die Auflager-Sensoren 1 messen eine Gewichtskraft, welche auf die Fläche der Profilleiste drückt (Druckkraft).
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Weiter ist es möglich durch die Anordnung der Auflager-Sensoren 1, wie in den bis dargestellt, ein Belastungsschwerpunkt auf der Profileiste durch eine einfache Verhältnisgleichung zu ermitteln.
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Beispiel: Bei einer Belastung einer Sensorleiste mit einer Gewichtskraft auf der linken Seite von 10 N und einer Gewichtskraft auf der rechten Seite von 10 N, liegt der Schwerpunkt exakt mittig. Bei einer Verteilung von 15 N auf der linken Seite und 5 N auf der rechten Seite wandert der Schwerpunkt entsprechend der gegebenen Werte. In diesem Fall liegt der Schwerpunkt somit auf ¾ der linken Seite.
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Wenn etwa eine 1 m x 2 m große Matratze auf ein Auflager-Sensor-System 4 mit 32 Verbindungen, in den bis als Profilleisten dargestellt, gelegt wird, wirken 64 Auflager-Sensoren 1 bei Einsatz von Anordnungen von Auflager-Sensoren 7 mit jeweils zwei Auflager-Sensoren 1.
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Ein Körper, der auf einer Auflage 5, beispielsweise einer Matratze, liegt, wie in als Aufsicht und in von der Stirnseite gezeigt, ist somit beispielsweise in 32 Abschnitten / Segmenten (32 Verbindungen 2) erfassbar. Durch definierbare und oder ermittelte Einsinkwerte und Einsinkprofile eines Körpers in eine Auflage 5 können damit die tatsächlichen Drücke, welche zwischen Körper und Auflager 3 wirken, durch die Körpergewichtskraft und die Bestimmung der Körperkontaktfläche ermittelt werden.
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Diese Daten ermöglichen zahlreiche Möglichkeiten zur Auswertung, Steuerung von Aktoren und einer grafischen Darstellung. Je nach Anforderung können so dreidimensionale Abdrücke / Eindrücke und Bewegungen in einer Matratze, Polster oder Auflage in Echtzeit grafisch dargestellt werden. Mit bekannten Körperdaten lässt sich programmtechnisch die Person in einer 3D-Ansicht auf der Matratze darstellen, so dass auch jede Bewegungsänderung in Seitenlage oder Rückenlage in 3D sichtbar wird.
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In Summe sind folgende Parameter mess- und ermittelbar:
- 1. Druckverhältnisse auf einen Körper;
- 2. Lage auf einer Matratze, Polster oder Auflage;
- 3. Bewegungen eines Körpers durch die Schwerpunktermittlung;
- 4. Körpergewicht und
- 5. Körpergröße.
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Mit derartigen Daten und einer programmtechnischen Auswertung über das Liegebewegungsprofil können Druckprobleme rechtzeitig erkannt werden und es können Maßnahmen zur Dekubitusprophylaxe eingeleitet werden.
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Eine Skalierung der Verbindungen 2 und / oder der quantitativen und/oder qualitativen Anpassung von Auflager-Sensoren 1 ist einfach umzusetzen.
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Damit können gezielt Bereiche druckgefährdeter Körperregionen überwacht werden.
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Die Verbindungen 2 des Auflager-Sensor-Systems 4 können an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden und beispielsweise aus Metall, Holz, Kunststoff, Glasfaserverstärktem Kunststoff GFK, Carbon oder dergleichen bestehen und unterschiedliche Profile aufweisen. Neben U-Profilen sind auch halbrunde-, trapezförmige-, Winkel- Vierkantprofile oder individuelle Formen anpassbar. Da die Leistenprofile mit den Sensoren starr verbunden sind, ist eine Leitungsführung über Kabelkanäle, gedruckte Platinen oder Busleitungen unproblematisch. Durch ein Bussystem wird die Anzahl der Leitungen reduziert.
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Eine einzelne Verbindung 2, wie beispielhaft in anhand einer Profilleiste gezeigt, mit zwei Auflager-Sensoren 1 kann über eine definierbare Schnittstelle mit einer Speichereinheit, beziehungsweise Sendereinheit kombiniert werden (loT). Prinzipiell kann jeder einzelne Auflager-Sensor 1 als eigenständiges loT (Internet of Things)-Modul ausgeführt sein.
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Dadurch können die Daten sofort oder später abgerufen, dokumentiert und / oder weiterverarbeitet werden.
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Die Verwendung in bestehenden Liegesystemen, die dann das Auflager 3 bilden, wie Bettgestelle oder dergleichen, ist einfach möglich.
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Auch eine Verwendung in einem elektrisch betriebenen Motorrahmen mit Kopf- und Fußteilverstellung oder einem Aufstehbett mit Sessel- / Sitzfunktion ist durch das erfindungsgemäße Auflager-Sensor-System 4 sichergestellt.
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In den bis sind verschiedene Beispielansichten für jeweils mehrere Auflager-Sensoren 1 mit den jeweiligen Verbindungen 2 in paralleler Anordnung gezeigt. Hier bildet der Untergrund das Auflager 3, so dass insgesamt jeweils ein Auflager-Sensor-System 4 ausgebildet ist.
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In ist ein weiteres beispielhaftes Auflager-Sensor-System 4 in perspektivischer Ansicht von oben gezeigt, wobei das Auflager 3 durch einen Auflagerrahmen gebildet ist.
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zeigt beispielhaft Auflager-Sensoren 1 mit den jeweiligen zugehörigen Verbindungen 2 in paralleler Anordnung in Schnittansicht, die durch Scharniere 6 miteinander gekoppelt sind. Nicht an jeder Verbindung 2 sind Auflager-Sensoren 7 angeordnet.
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Des Weiteren wird in in Untersicht dargestellt.
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In werden beispielhaft Auflager-Sensoren 1 mit den jeweiligen zugehörigen Verbindungen 2 in paralleler Anordnung in Schnittansicht, die durch Scharniere 6 miteinander gekoppelt sind, dargestellt. Im Gegensatz zu sind an jeder Verbindung 2 Auflager-Sensoren 7 angeordnet.
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zeigt den Aufbau aus und als Seiten-Schnittansicht.
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zeigt den Aufbau aus und als perspektivische Ansicht von unten.
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In ist eine weitere Variante für den Aufbau des erfindungsgemäßen Auflager-Sensor-Systems 4 in Seiten-Schnittansicht gezeigt, wobei das Auflager 3 aus mehreren Abschnitten aufgebaut ist und die jeweiligen Abschnitte des Auflagers 3 über Scharniere 6 miteinander gekoppelt sind und jedes Auflager jeweilige Auflager-Sensoren 1, die durch eine jeweilige Verbindung 2 miteinander verbunden sind, trägt. Verbindungen 2 sind in der Abbildung als Profilleisten dargestellt.
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stellt eine perspektivische Ansicht von oben von dar.
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In ist eine weitere Variante in Seiten-Schnittansicht gezeigt, bei der die Verbindungen 2 über Scharniere 6 miteinander gekoppelt sind und jede Verbindung 2 zwei durch die Profilleiste miteinander verbundene Auflager-Sensoren 1 (Anordnung von Auflager-Sensoren 7) zeigt. Die Verbindungen 2 sind als Profilleisten dargestellt.
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stellt eine perspektivische Ansicht von oben von dar.
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In ist eine weitere Variante für den Aufbau des erfinderischen Auflager-Sensor-Systems 4 in perspektivischer Ansicht von oben im Detail gezeigt, wobei das jeweilige Auflager 3 ein profiliertes Seitenteil eines Rahmens bildet auf dem die jeweiligen Auflager-Sensoren 1, die durch eine jeweilige Verbindung 2 miteinander gekoppelt sind, aufliegen.
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zeigt in einer zweiten Detailansicht in perspektivischer Ansicht von oben.
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zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Datenbereitstellung und Datenweiterverarbeitung bei Vorliegen eines Multiplexers 8. Die einzelnen Auflager-Sensoren 1 sind an die Eingänge eines Multiplexers 8 angebunden. Vom Multiplexer 8 aus werden die Daten über einen Ausgang an eine Sensor-Auswerteinheit 9 übermittelt. Durch den Multiplexer 8 ist es hierbei möglich die Daten aller Auflager-Sensoren 1 über nur eine Sensor-Auswerteeinheit 9 auszulesen. Die Sensor-Auswerteeinheit 9 kann dabei Bestandteil eines Embedded PC sein. Nach der Datenauswertung werden diese zum Auslesen an einen Computer 10 weitergeleitet. Solch eine Weiterleitung kann auf verschiedene Weisen wie zum Beispiel über Feldbussysteme, Ethernet oder auch Funknetze realisiert werden.
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Über den Einsatz eines Multiplexer 8 wird es somit ausreichend bei Vorliegen von beispielsweise 32 Anordnungen von Auflager Sensoren 7, was mindestens 64 Auflager-Sensoren 1 entspricht, nur eine Sensor-Auswerteeinheit 9 bereitzustellen. Die von den Auflager-Sensoren 1 aufgenommenen Daten werden über genau einen Multiplexer-Ausgang an die Sensor-Auswerteeinheit 9 übermittelt.
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So kann eine Kostenersparnis gegenüber einem Aufbau ohne Multiplexer 8 erreicht werden, da die Kosten von einem Multiplexer 8 den Kosten für beispielsweise 63 zusätzliche Sensor-Auswerteeinheiten 9 gegenüberstehen.
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zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Datenbereitstellung und Datenverarbeitung bei Vorliegen von zwei parallelen Multiplexern 8, gesteuert über einen Embedded PC 10 und Auflager-Sensoren 1 mit einem Differentialpaar. Die einzelnen Auflager-Sensoren 1 sind mit einem Differentialpaar an die Ausgänge zweier parallel vorliegender Multiplexer 8 angebunden. Von den beiden parallelen Multiplexern 8 aus werden die Daten an die Sensor-Auswerteeinheit 9 übermittelt und werden nachfolgend nach der Datenauswertung in einem Embedded PC 10 ausgelesen. Der Embedded PC 10 steuert die Schaltung der beiden Multiplexer 8.
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In wird eine beispielhafte schematische Darstellung der Datenbereitstellung und Datenverarbeitung bei Vorliegen von zwei parallelen Multiplexern 8, gesteuert über eine Sensor-Auswerteeinheit 9 und Auflager-Sensoren 1 mit einem Differentialpaar gezeigt. Die einzelnen Auflager-Sensoren 1 sind mit einem Differentialpaar an die Ausgänge zweier parallel vorliegender Multiplexer 8 angebunden. Von den beiden parallelen Multiplexern 8 aus werden die Daten an die Sensor-Auswerteeinheit 9 übermittelt und werden nachfolgend nach der Datenauswertung in einem Embedded PC 10 ausgelesen. Die Sensor-Auswerteeinheit 9 steuert die Schaltung der beiden Multiplexer 8.
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Die in den , und als eine Verbindung dargestellte Steuerleitung ist verallgemeinernd dargestellt. So ist es beispielsweise möglich, dass in einem Steuerkonzept die Anzahl an Steuerleitungen bevorzugt immer Log2 (Anzahl Sensorleitungen) beträgt. Dies entspricht bei Vorliegen von 8 Sensorleitungen somit insgesamt 3 Steuerleitungen, bei Vorliegen von 16 Sensorleitungen 4 Steuerleitungen und entsprechend.
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Des Weiteren zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Zusammenfassung sämtlicher Sensorleitungen, wobei jeweils ein spezifisches Leitungspaar durch einen Multiplexer 8 über einen vorgelagerten Multiplexer 8.1 aktiviert beziehungsweise gesperrt wird. Die Auflager-Sensoren 1 sind an Multiplexer 8 angebunden. Von den Multiplexern 8 werden die Daten an die Sensor-Auswerteeinheit 9 übermittelt und nachfolgend zu einem Embedded PC 10 weitergeleitet. Der Embedded PC 10 steuert einen vorgelagerten Multiplexer 8.1 über den jeweils ein spezifisches Leitungspaar durch den zugehörigen Multiplexer 8 aktiviert oder gesperrt wird.
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zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Zusammenfassung sämtlicher Sensorleitungen, wobei jeweils ein spezifisches Leitungspaar über eine serielle Adressleitung (digitale Adresseinheit mit Multiplexer 11) geschaltet wird. Die Auflager-Sensoren 1 sind an digitale Adresseinheiten mit Multiplexern 11 angebunden. Von den digitalen Adresseinheiten mit Multiplexern 11 werden die Daten an die Sensor-Auswerteeinheit 9 übermittelt und nachfolgend zu einem Embedded PC 10 weitergeleitet. Der Embedded PC 10 schaltet jeweils spezifische Leitungspaare über die digitalen Adresseinheiten mit Multiplexern 11.
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zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung der Entkopplung sämtlicher Sensoren, wobei die Sensoren einzeln über einen vorgelagerten Analogschalter geschaltet werden, welcher durch die Sensor-Auswerteeinheit gesteuert wird.
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In ist eine beispielhafte schematische Darstellung der Entkopplung sämtlicher Sensoren gezeigt, wobei die Sensoren einzeln über einen vorgelagerten Analogschalter geschaltet werden, welcher durch den „Embedded-PC“ gesteuert wird und die Leitungspaare über einen vorgeschalteten Differentialverstärker als Einzelsignal in die Sensor-Auswerteeinheit eingehen.
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In den Abbildungen ist die selbstverständlich vorhandene Energieversorgung des Messsystems aus darstellerischen Gründen nicht abgebildet. Die Energieversorgung sollte bevorzugterweise stabilisiert sein, da diese einen direkten Einfluss auf die Sensorwerte hat. Schwankt die Spannung sehr stark, so schwanken auch die Sensorwerte sehr stark. Idealerweise wird eine Spannungsquelle verwendet, welche zudem rauscharm ist, da hohes Rauschen ebenfalls zu einer höheren Werteschwankung führt. Eine Möglichkeit zur Stabilisierung der Spannungsversorgung ist die Verwendung eines Low-Dropout-Reglers (LDO), insbesondere eines Low-Noise LDO zur zusätzlichen Rausch-Vermeidung.
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Auf Basis von den mit dem erfindungsgemäßen Auflager-Sensor-System gewonnenen Messdaten können beispielsweise pflegebedürftige Personen, die teilweise und / oder vollständig bettlägerig sind, direkt belastbare Informationen zu ihrem jeweiligen Liegestatus erhalten. Pflegende Personen, wie Angehörige, Pflegepersonal und Betreuer können durch diese Messungen und Daten Zustandsinformationen abrufen, um so die Sicherheit zu erhöhen und Erleichterung in der Pflege zu erfahren.
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Smarte Assistenzsysteme können mit diesen Daten versorgt werden und weitere Maßnahmenvorschläge an die pflegebedürftigen Personen, Pflegenden, Betreuer und / oder weiteres Fachpersonal, wie Ärzte oder Notdienste veranlassen. Solch ein smartes Assistenzsystem liegt beispielsweise bei einem mit einer künstlichen Intelligenz versehenen „Embedded PC“ mit Sensor-Auswerteeinheit bereits vor.
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So können, beispielsweise durch frühes Erkennen von hohen lokal wirkenden Drücken auf den Nutzer durch das Auflager-Sensor-System ein Dekubitus und / oder Druckgeschwüre prognostizierbar sein und durch weitere Maßnahmen, wie Informationen an Dritte oder Aktoren, verhindert werden.
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Durch Messung der Bewegungen über die Zeit, ist unter anderem auch ein Grad der Mobilität festzustellen und bestimmbar.
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Zudem sind kontinuierliche Körpergewichtmessungen eine wichtige Basis für die Bestimmung der Quantität und Qualität einer Medikation.
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Das Erkennen und kontinuierliche Bestimmen von Rücken- und Seitenlage und deren Wechsel kann unter anderem dazu dienen eine Schlafunterlage an die unterschiedlichen Lagerungen automatisch, zum Beispiel über Aktoren in einem Regelkreis mit dem Auflager-Sensor-System 4, gesteuert über einen mit einer künstlichen Intelligenz versehenen „Embedded PC“ mit Sensor-Auswerteeinheit, anpassen zu können. An einem Endgerät / Computer sind für den Nutzer ausgewertete Daten und falls erfolgt, durchgeführte Maßnahmen, auslesbar.
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Das erfinderische Auflager-Sensor-System unterstützt zudem die Pflege zuhause. Sowohl der Nutzer als auch Pflegende erhalten durch die Messergebnisse und deren an die Situation anpassbaren Informationsdirektiven zum Handeln Hilfen an die Hand, die die Lebensqualität und Sicherheit, insbesondere für ältere Generationen und Personen mit Handicap, erheblich erhöhen.
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Weiteres Ausführungsbeispiel:
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Nachfolgend erfolgt die Beschreibung der Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Hinzunahme der zuvor erläuterten Abbildungen:
- Ein Lattenrost mit einem Auflager, Verbindungen und einer Anordnung von Auflager-Sensoren weist die Auflager-Sensoren ausgebildet als Wägezellen, beispielsweise des Typs OMEGA E110A, auf. Das elektronische Gesamtsystem ist modular aufgebaut. Es liegen eine Adapterplatine und eine Wandlerplatine wie in dargestellt vor.
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Der Aufbau der Adapterplatine ist entsprechend. Die Einzeladern der Wägezellen werden mit einem Molex Micro-Fit Steckersystem im Rastermaß 3 mm auf der Adapterplatine adaptiert. Für die Adaption der digitalen Steuersignale werden Header-Pins mit einem Rastermaß von 2,54 mm verwendet.
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Die eingesetzten Multiplexer sind Multiplexer vom Typ HC4067, die per Logikpegel steuerbar sind.
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Auf der Adapterplatine ist zur Absicherung ein Widerstand > 5 kOhm vor die Spannungsversorgung geschaltet.
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Der Aufbau der Wandlerplatine ist entsprechend. Es wird ein Analog-Digital Wandler AD7192 als Sensor-Auswerteeinheit eingesetzt. Über diesen können mehrere Wägezellen über einen zentralen Wandler ausgelesen werden.
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Auch verfügt der Analog-Digital Wandler über mehrere Speicherregister, die größtenteils auch zur Laufzeit verändert oder ausgelesen werden können. Zu den relevanten Funktionen zählen: Statusabfrage Wandlung, Kalibrierung Nullwerte und Wertebereich, Filter und Auslesemodus, Geschwindigkeit der einzelnen Wandlungen, Chop, Polaritätseinstellung, GPOCON und Weitere.
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Die Ausgänge der Multiplexer in der Adapterplatine sind mit dem Eingang des Analog-Digital Wandlers verbunden und stellen so je nach Schaltzustand das Differenzialsignal der einzelnen Wägezelle zur Erfassung bereit.
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Zur Stabilisierung der Spannungsversorgung liegt eine Low-Noise LDO vor, welche die Wägezellen, den Analog-Digital Wandler und die Adapterplatine mit Spannung versorgt. Hierzu ist anzumerken, dass die verwendete Stromversorgung des Messsystems mindestens stabilisiert sein sollte, da diese einen direkten Einfluss auf die Ausgabewerte der Wägezellen hat. Schwankt die Spannung sehr stark, so schwanken dementsprechend auch die Sensor-Ausgabewerte sehr stark. Idealerweise wird eine Spannungsquelle verwendet, die zusätzlich sehr rauscharm ist, da hohes Rauschen ebenfalls zu einer höheren Werteschwankung führt.
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Für die Bereitstellung der Werte des Analog-Digital Wandlers für ein übergeordnetes System ist insbesondere eine Routine implementiert, die die Werte der einzelnen Sensoren beispielsweise im JSON Format über einen UNIX Socket bereitstellt.
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Nachfolgend wird beispielhaft ein Verfahren zur Auslesung eines Sensorlattenrost mit insgesamt 64 Auflager-Sensoren über einen einzelnen Analog-Digital Wandler dargestellt, wobei für das Auslösen von Schaltungen und für sämtliche Datenverarbeitung beispielhaft ein Raspberry Pi 3 verwendet wird. Diese Computerplatine steuert über insgesamt 8 Logikpegel das zu vermessende Leitungspaar. Ein Multiplexer-Paar steuert jeweils 8 Sensorpaare, also acht Einzellatten/Verbindungen. Jeder Multiplexer verfügt über einen „Kill-Schalter“, welche paarweise miteinander verbunden sind. Wird dieser Mechanismus über einen Logikpegel aktiviert, so ist die Durchleitung deaktiviert, unabhängig davon, ob die Steuerleitungen beschaltet werden oder nicht. Die Steuerleitungen sämtlicher Multiplexer sind miteinander verbunden und werden stets parallelgeschaltet. Es reichen somit 4 steuerbare Eingänge um alle 64 Differentialpaare zu schalten. Das Verfahren läuft periodisch wie folgt ab:
- 1. Festlegung einer Reihenfolge zur Auslesung der einzelnen Sensoren;
- 2. Einstellung der „Kill-Schalter“ auf das entsprechende Multiplexer-Paar;
- 3. Auslesung des Analog-Digital Wandlers, da dieser einen undefinierten Wert im Datenregister hat;
- 4. Erfassung des Differentialpaares zur aktuellen Multiplexer-Schaltung;
- 5. Umschaltung auf das nachfolgende Differentialpaar;
- 6. Auslesen des Wertes des vorherigen Differentialpaares sowie Erfassung des geschalteten Differentialpaares;
- 7. Insgesamt 16malige Durchführung der Vorgänge 5 und 6, um alle 8 Sensorpaare zu erfassen;
- 8. Einstellung der „Kill-Schalter“ auf das nachfolgende Multiplexer-Paar;
- 9. Ausführung von Vorgang 6;
- 10. Insgesamt 16malige Durchführung der Vorgänge 5 und 6, um alle 8 Sensorpaare zu erfassen und
- 11. Ausführung der Vorgänge 8, 9 und 10 in einer Endlosschleife.
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Für eine Erhöhung der Messgenauigkeit bei gleicher Anzahl an Auslesungen kann der Analog-Digital Wandler AD7192 insbesondere gegen den Analog-Digital Umwandler AD7190 getauscht werden. Dieser weist bei gleicher Funktionalität eine verbesserte Rauschperformance auf. Zu beachten ist, dass die effektive Peak-to-Peak-Auflösung des Wandlers sinkt, je höher das differentielle Eingangssignal im Wandler verstärkt wird. Je höher die Verstärkung ausfällt, desto höhere Werteschwankungen ergeben sich. Zudem ist die maximale Verstärkung des Eingangssignals auf das 128fache begrenzt. Durch zusätzlichen Einsatz eines externen Differentialverstärkers mit guter Rauschperformance und geringem Drift sind so problemlos Verstärkungen um den Faktor 1000 möglich. Insbesondere kann das ausgegebene Single-End Signal vor dem Eintritt in den Wandler zusätzlich stabilisiert werden, was die Wertigkeit einer einzelnen Gewichtseinheit bei gleichzeitiger Steigerung der Effektivauflösung erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Auflager-Sensor
- 2
- Verbindung
- 3
- Auflager
- 4
- Auflager-Sensor-System
- 5
- Auflage
- 6
- Scharnier
- 7
- Anordnung von Auflager-Sensoren
- 8
- Multiplexer/Analogschalter
- 8.1
- vorgelagerter Multiplexer/Analogschalter
- 9
- Sensor-Auswerteeinheit
- 10
- Computer, Embedded-PC
- 11
- Digitale Adresseinheit mit Multiplexer
- 12
- Differentialverstärker
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3936788 C2 [0009]
- WO 2007/009586 A1 [0014]
- DE 202016007965 U1 [0015, 0017]
- WO 2007/009586 [0016]
