-
1. Zweck der
Erfindung
-
Herzerkrankungen die im Laufe des
Lebens erworben werden lassen sich einteilen in Erkrankungen des
Endocards, des Myokards, des Perikards und des Reizleitungssystems.
-
Durch eine systematische Erfassung,
unter Berücksichtigung
der klassischen Risikofaktoren wie Übergewicht, Bluthochdruck,
Höhe des
Cholesterinspiegels, lässt
sich heute nur knapp 60% aller gefährdeten Personen rechtzeitig
erfassen.
-
Man kann die klinischen Untersuchungsmethoden
zur diagnostischen Erkennung von Erkrankungen des Herzens in invasive
und nichtinvasive Untersuchungsmethoden einteilen. Die klinisch
invasiven Untersuchungsmethoden sind im allg. mit einem hohen Gesundheitsrisiko
verbunden. Die invasive Herzkatheter-Methode, die allein in Deutschland bis
zu 500000 mal pro Jahr durchgeführt
wird ermöglicht
im allg. eine zuverlässige
Voraussage ob eine aktuelle Herzerkrankung droht, jedoch stirbt
statistisch gesehen fast jeder tausendste Patient bei dieser Untersuchungsmethode.
Nichtinvasive klinische Untersuchungsmethoden, wie z. B. die Elektrokardiographie,
haben kein so hohes Sicherheitsrisiko, ihr klinischer Stellenwert
und die Zuverlässigkeit
dieser Diagnostik ist nach dem Stand der Technik aber nicht befriedigend
und hängt
zu stark von der zeitlichen Häufigkeit
des Auftretens der einzelnen Symptome ab. Die bildgebende elektronische
Verfahren; wie z. B. die Kernspintomographie, lösen im Laufe der Zeit die invasive
Herzkatheder-Methode ab. Bildgebende elektronische Verfahren lassen
Entzündungsherde
in Gefäßen, durch
unterschiedliche Gewebe, gut erkennen und prinzipiell gut diagnostizieren.
Diese Geräte sind
aber sehr teuer in der Anschaffung und auch sehr kostenintensiv
im diagnostischen Einsatz. Für Langzeitbeobachtungen
sind diese Geräte
weniger geeignet, da Patienten den längeren Aufenthalt in den engen
Körperaufnahmeröhren des
Gerätes
im allg. nicht tolerieren. Biochemischen Verfahren beruhen im auf
Blutuntersuchungen nach sog. Biomarkern. Bei der bekanntesten Methode
wird das Protein CRP gemessen. Es zeigt entzündliche Prozesse im Körper an
und gibt Hinweise für
das Gesundheitsrisiko eines Patienten (CRP-Test). Eine gute nichtinvasive
Möglichkeit
zur Früherkennung
von Herzschäden auf
elektronischer Basis bietet das elektrophysiologische Erregungs-
und Reizleitungssystem des Herzens selbst. Das Erregungs- und Reizleitungssystem manifestiert
sich sehr differenziert in den einzelnen Gewebearten durch unterschiedliche
elektrischen Potentialmuster. Sie entstehen durch elektrische Polarisation
und Depolarisation. Man nimmt an, dass die an der Körperoberfläche des
Patienten ableitbaren elektrischen Potentiale an der Grenze zwischen dem
elektrisch erregten und dem elektrisch nichterregten Teil des Myokards
entsteht. Diese elektrischen Potentiale werden im Elektrokardiogramm
(EKG) registriert und dargestellt.
-
Das EKG ermöglicht diagnostisch verwertbare
Aussagen über
Herzfrequenz, Erregungsrhythmus und Erregungsrückbildung sowie deren physiologischen
und pathologischen Verlauf. Pathologische Herzrhythmusstörungen oder
der Änderungen
der Herzfrequenz sind sog. Extrasystolen, Vorhof- bzw. Kammerflattern (240 bis 350 Herzaktionen
pro Minute), Vorhof- oder Kammerflimmern (350 bis 1000 Herzaktionen
pro Minute) und der sog. Block (Behinderung der Erregungsfortleitung
in einem bestimmten Abschnitt des Leitungssystems).
-
Mit Hilfe der Pulsbetastung und der
Arterienauskultation lassen sich Aussagen über Störungen des Herzkreislaufs machen.
Durch die Pulsabtastung können
Aussagen über
die Kreislauffunktionen (Kollaps, Hochdruck, akuter Verschluss)
und über
die Herzfunktionen (Bradykardie, Tachykardie, Arrhythmie) gemacht
werden.
-
Neben den ventrikulären und
den supraventrikulären
Extrasystolen stellt das Vorhofflimmern die am häufigsten vorkommende Herzrhythmusstörung dar.
Bei einer angenommenen Prävalenz
des Vorhofflimmerns von 0,4 bis 1 % der Bevölkerung ergeben sich allein
in Deutschland 330000 bis 830000 betroffene Bürger. Da das Vorhofflimmern
mit zunehmendem Lebensalter zunimmt und der Anteil der älteren Menschen
in der Bevölkerung
ebenfalls, wird die Zahl der betroffenen Menschen stetig wachsen.
-
Es scheint also in jedem Fall wünschenswert,
dass gerade für
eine frühe
und sichere Diagnose des Vorhofflimmerns ein leichtes mobiles und
einfach zu bedienendes Gerät
für die
Dauerüberwachung
von gefährdeten
Menschen zu deren Verfügung
steht, dessen Aussagekraft, im angewendeten diagnostischen Bereich,
den der elektrokardiographischen Geräte erreicht oder sogar übertrifft.
Diese Aufgabe löst
gattungsgemäß der Erfindungsgegenstand.
Es handelt sich um eine sehr leichte, batteriebetriebene, nichtinvasive,
bioelektronische, mobile Messeinrichtung zur Herzdiagnostik, d.
h. zur elektrophysikalischen Sensierung des arteriellen Blutdruckpulses
mit einer neuartigen, zuverlässigen,
numerischen, algorithmusunterstützten
elektronischen Auswertung sowie verschiedenen optoelektronischen und
elektroakustischen Anzeigeeinheiten zur sicheren Diagnostik des
hochfrequenten Vorhofflimmerns zu einem möglichst frühen Zeitpunkt der Erkrankung.
-
2. Stand der
Technik
-
Die Herzrhythmusfrequenz kann, nach
dem Stand der Technik mit verschiedenen Messgeräten aus der Kardiologie gemessen
und analysiert werden.
-
Für
sportwissenschaftliche, biomedizinische und diagnostische Untersuchungen
sind stationäre drahtgebundene
und drahtlose, „EKG – genaue" und softwarecodierte
Messgeräte
zur Erfassung der Herzfrequenz mit der elektronischen Darstellung
der maximalen Herzfrequenz sowie der Angabe eines Prozentsatzes
der maximalen Herzfrequenz, mit programmierbaren Zielzonen (Ober-
/ und Untergrenzen) mit abschaltbarer Alarmfunktion und Anzeige der
durchschnittlichen Herzfrequenz bekannt (
DE 29910633 ,
DE 69424982 ,
DE 694 17 010 ,
DE 1020161 ,
DE 4215549 ,
DE 4223637 ). Dem Erfindungsgegenstand
am nächsten
kommen die medizinischen Uhren der Firma Polar. Für medizinische
und leistungsdiagnostische Untersuchungen konzipiert, bietet die
Polar – Uhr
(Typ 5810 / Fa. Polar) technische Möglichkeiten zur automatischen
Aufzeichnung der Herzfrequenz, wahlweise in 5 -, 15 – und 60 – Sekunden – Intervallen
oder im sog. "beat – to – beat" – Modus. Die elektronische
Aufzeichnungskapazität beträgt in diesem
Modus bis zu 30.000 Herzschläge (d.h.
ca. 8 Stunden bei einer Frequenz von 60 Schlägen pro Minute), bei 60 – Sekunden – Intervallen
bis zu 520 Stunden. Durch direkte Messung der Herzfrequenz – Variation
(HTV) und den Übertrainings-Test können Trainings
-, Wettkampf – und
Erholungs – Phasen überwacht
werden. Die IR – Data – Funktion ermöglichen
drahtlose Datenübertragung
in den PC (Download) und auf den Empfänger (Upload). Mit Hilfe der
Precision Performance Software 3.0 (kompatibel zu WIN 95/98/NT/2000),
die im Lieferumfang enthaltenen ist, kann über die Datenauswertung hinaus auch
eine Vorplanung von Trainingsabläufen
und die Definition von Belastungstests am PC ermöglicht werden. Es ist jedoch
zu beachten, dass das Infrarot – Interface
nicht auf allen Laptops läuft,
besonders dann nicht wenn die serielle Ausgangsspannung 8V nicht
erreicht. Die Infrarot – Übertragung
funktioniert nur mit dem speziellen Polar – Infrarot – Interface, d. h. nicht mit
den sonst üblich
Infrarot – Geräten. Dieses
Gerät kann
daher nur über
den autorisierten Fachhandel bezogen werden. Die Messung der Herzfrequenz
oder der sog. Herzratenvariabilität (HRV) wird einfach mit Hilfe
eines Brustgurtes mit integrierten EKG – Messelektroden und einem
eingebauten Sender, einem Aufzeichnungsgerät und ein Computerauswertungsprogramm
durchgeführt.
Wer einen Computer besitzt, muss nur noch 150 bis 300 E für die oben
erwähnten
Zusatzkomponenten investieren. Die Durchführung der Messung ist problemlos,
da eine Messung von 3 bis 5 Minuten, laut Hersteller, ausreicht.
Die „Variabilität" der Herzschlagfolge
wird nach hohen Frequenzen (HF), niedrige Frequenzen (LF) bzw. besonders
niedrige Frequenzen (VLF) eingeteilt. Diese Trennung ist aber willkürlich, da
der Übergang
zwischen den einzelnen Frequenzbereichen praktisch immer kontinuierlich
ist, wie die Häufigkeitsverteilung
der gemessenen Herzfrequenzen (Spektralanalyse) zeigt. Der HF-Bereich
umfasst Frequenzen von 0,15 bis 0,4 Hz (9 – 24 / min), der LF-Bereich
umfasst Frequenzen von 0,04 bis 0,15 Hz, der VLF-Bereich erfasst
Frequenzen unterhalb 0,04 Hz (2,4 / min). Die zeitlichen Abstände von
einem Herzschlag zum nächsten
liefern die Grundlage, um für
jeden Frequenzbereich die „Leistung" zu errechnen. Es
wird der Zeitabstand zwischen zwei Herzschlägen mit sich selbst multipliziert
(Quadratbildung) und die so berechneten Zahlen eines Frequenzbereiches
(VLF-, LF und HF) summiert. Die Summe wiederum führt zur Gesamtleistung. Computerprogramme
geben zusätzlich
an, wie viel Prozent der Gesamtleistung dann auf die drei genannten
Frequenzbereiche entfallen. Ein großer Nachteil des Brustgurtes
ist das umständliche
Umkleiden der Testpersonen vor allem in der Psychotherapie.
-
Eine weitere Möglichkeit zur Messung der HRV
bietet die Pulsmessung der neuen Polar – Uhren (Fa. Polar) aus der
M – Serie.
Die Pulsfrequenz korreliert bekanntlich mit der Herzfrequenz. Die
Höhe des
aktuellen Pulses wird durch verschiedene physiologische und phatologische
Faktoren beeinflusst. Die Auswertetechniken sind zu den oben dargestellten
analog. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, den sog. Belastungspuls
zu bestimmen. Die Polaruhr M 51 / 52 bietet z. B. eine Möglichkeit,
die Trainingsherzfrequenz nach einem Fitnesstest automatisch festzulegen.
Dieser erlaubt nur eine ungefähre
Einschätzung
der jeweils aktuellen Leistungsfähigkeit. Die
Planung der Wanderwoche (z. B. die Zusammensetzung der Wandergruppen,
Tourlänge,
Höhenunterschiede,
Rasttage) wird somit erleichtert. Die Arbeiten mit der Pulsuhr erfordert
die Eingabe einiger Daten und das Einstellen von Pulsgrenzen, sowie
die Durchführung
des Fitnesstests. Vor der Anwendung dieser Uhren sollten diese auf
jeden Fall in einem vorher durchgeführten Probebetrieb einwandfrei funktioniert
haben.
-
Während
die "normalen" Funktionen wie eingebe
Ober – und
Untergrenzen, zur Selektierung des Frequenzbereiches reicht, schwört die Fa.
Roya auf ihr Modell mit Interface um zu einem späteren Zeitpunkt die Analyse
und Auswertung am Bildschirm (Polar Coach, Accurex Plus, Xtrainer
Plus) vornehmen zu können.
-
Die heute zur Pulsfrequenzmessung
eingesetzten Sensoren sind piezoelektrischen Sensoren zur Messung
des Karotispulses oder optoelektronische Sensoren zur Messung des
Radialispuls und des Fingerpulses. Das Sensorgehäuse besteht z. B. aus Apfelholz
und enthält
einen optoelektronischen Reflexionssensor, der den photoplethysmographischen
Puls auf einer Fläche
von ca. 2 mm2 misst. Mit Hilfe von vergleichenden
klassischen EKG – Messungen
kann gezeigt werden, dass unter der Berücksichtigung bestimmter messtechnischer
Randbedingungen (Störgrößen) aus
den Messdaten der Pulssensoren RR-Intervalle bzw. Herzfrequenz,
Pulswellenlaufzeit zum Carotis-, Radialis- und Fingerpuls sowie
die Pulswellenamplitude von Karotispuls, Radialispuls und Fingerpuls
mit guter Genauigkeit gemessen werden können und dass zwischen diesen
Daten eine statistisch signifikante physiologische Korrelation existiert.
-
Bei der Erfindung handelt es sich
nun um eine sehr leichte, batteriebetriebene, nichtinvasive, bioelektronische,
mobile, kalibrierbare Herzdiagnostikmesseinrichtung, integriert
in einen normal tragbaren Handschuh, der sich in seinem äußeren Design einem
modischen Gebrauchshandschuh entspricht. Die elektrophysikalischen
Sensierung von Pulswellen über
die Fingerkuppen erfolgt mit einer redundanten störsicheren
elektronischen Sensortechnik und einer neuartigen, zuverlässigen numerischen
algorithmusunterstützten
Auswertung, zur sicheren statistischen Unterdrückung von externen Störvariablen, mit
einer in den Handschuhrücken
integrierten vollwertigen Uhreneinheit, einem Mikrotastenfeld für Voreinstellungen
technischer, medizinischer und persönlicher Parameter, sowie optoelektronischen
und elektroakustischen Anzeigeeinheiten zur Vorwarnung und sicheren
Diagnostik des hochfrequenten Vorhofflimmerns zu einem sehr frühen Zeitpunkt
der Erkrankung. Drahtlose und drahtgebundene Schnittstellen für verschiedene
Standartgeräte
ermöglichen eine
weitergehende biomedizinische und diagnostische Auswertung von intern
oder extern speicherbaren Daten.
-
3. Technischer Aufbau
und physikalische Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes
-
Das Herz pumpt das Blut in einem
bestimmten Rhythmus mit einer bestimmten Pulsamplitude stoßweise durch
die Arterien. Es wird also immer nur eine bestimmte Menge Blut stoßweise durch
die Arterien gepresst. Man kann nun diesen physiologischen Effekt
benutzen um die Pulsfrequenz und die Regelmäßigkeit des Herzschlages (Rhythmus)
zu messen. Man braucht dazu nur einen Sensor, der das stoßweise fließende Blut
sensieren kann. Besonders geeignete Sensoren sind neben elektrokardiograhischen
und tonometrischen Sensoren die optoelektronischen Sensoren 4a und 4b. Geeignete Messorte sind anatomische
Stellen wie das Ohrläppchen,
die Finger 3 im Bereich
Phalanx media und Phalanx distalis (Fingerspitze). Von einem optoelektionischen
Sender G, elektrisch gespeist über
die Anschlussleitung A, werden die gut durchbluteten Körperstellen
angestrahlt und das transmittierte oder das reflektierte Restlicht,
je nach Messprinzip, von einem optoelektronischen Elementarsensor
F aufgenommen und über
die Anschlussleitung A elektrisch weitergeleitet und elektronisch
weiterverarbeitet. Bei der Auswahl des optoelektronischen Senders
und Empfängers
ist darauf zu achten, dass die Bauteile klein sind (z.B. 2 × 2 × 1.5 mm
LEDs von der Fa. Nichia), dass die optische Abstrahlleistung des
Senders für
die Messung ausreicht (z.B. von Fa. Nichia), dass der Reflexionskoeffizient
oder der Transmissionskoefizient des Messortes für die Messung gut ausreicht
und dass die spektralen optische Empfindlichkeiten zwischen dem
Sender (Lichtquelle) und dem Elementarsensor (Empfänger) optimal übereinstimmen.
-
Die Herzfehlfunktion Arrhythmie ist
dadurch gekennzeichnet, dass bei längerer Erfassung der Pulswellen
ein unregelmäßiger Rhythmus
feststellbar ist, d. h. dass die Kontraktion des linken Herzventrikels
und somit die zeitliche Folge des Pulses, d.h. die stoßweise Durchblutung
der Messstellen unregelmäßig sind.
Diese Störung
beruht auf einem sog. Vorhofflimmern, also auf einer hochfrequenten
elektrischen Erregung des Vorhofs.
-
Vergleichende Messungen haben gezeigt, dass
eine gute Korrelation zwischen der den klassischen EKG – Signalen 1 und 2 und den Pulswellen 2 durch die Arteria carotis, die Arteria radialis
und die Finger existiert. In 5 ist
ein normiertes EKG über
einem normierten Polsignal dargestellt. Es ist gut zu erkennen,
dass die Zeitdifferenz zwischen den R – Zacken des EKGs und die Zeitdifferenz
zwischen den Blutdruckamplituden gut übereinstimmen. zwischen den
beiden Signalen besteht lediglich ein anatomisch bedingter konstanter
Laufzeitunterschied.
-
Viele mathematische Zeitreihenanalysen und
viele Berechnungen haben gezeigt, dass bei der neu entwickelten
graphischen Darstellung die von den Pulswellen 5 abgeleiteten elektronischen Impulse
als sog. Scatter – Plot,
aus drei aufeinanderfolgende Impuls – Intervalle in ihrer zeitlichen
Reihenfolge gemessen, in einem dreidimensionalen Zahlenraum als
Punktetripel 6a graphisch
dargestellt werden können.
Diese neue graphische Auswertemethode des chaotisch statistischen
Verhaltens der Pulswellen ergibt bei gesunden Probanden eine dreidimensionale
geometrisch keulenförmige
Punktstruktur wie in 6b dargestellt.
Wie nun weitere Untersuchungen zeigten entsteht, nach dieser Auswertemethode,
beim Vorhandensein von Vorhofflimmern immer eine von der Keulengeometrie
abweichende und gut erkennbare andere geometrische Punktstruktur.
In einer dreidimensionalen Darstellung entsteht die geometrische
Punktstruktur eines räumlich
orientierten Trapezes, in einer zweidimensionalen Darstellung entsteht
die geometrische Punktstruktur eines Dreieckes 6c. Es muss also immer zuerst aus dem
messtechnisch erfassten zeitlichen Verlauf der physiologischen Pulswellen
der zeitliche Verlauf elektronischer Pulssignale gebildeten werden um
dann daraus eine Datenliste in Form einer Ereigniszeitreihenfolge
zu generieren, um daraus einen virtuellern zweidimensionalen Scatter – Plot erzeugen
zu können.
Mit Hilfe eines speziellen fest programmierten Auswertealgorithmus
kann der virtuelle Scatter – Plot
auf das Vorhandensein einer entsprechenden geometrischen Punktstruktur
elektronisch überprüft werden.
Je nach Ergebnis muss immer eine entsprechende optische oder akustische
Anzeige zur Erkennung des Risikos eines möglichen noch bevorstehenden
oder schon vorhandenen Vorhofflimmerns erfolgen.
-
Außerdem können die für den virtuellen Scatter – Plot aufbereiteten
Daten zusätzlich
noch einer Fourier – Analyse
(FFT) unterzogen werden, wobei in einer weiteren Auswertung mit
Hilfe eines weiteren speziellen Algorithmus die höchste im
berechneten Spektrum vorkommende Frequenz fhigh und
die niedrigste im berechneten Spektrum vorkommende Frequenz flow ermittelt wird um daraus den von uns jetzt
sog. „cardiophysiologischen
Frequenzquotienten" fhigh / flow zu bilden.
Mit dem spektralanalytisch gewonnenen cardiophysiologischen Frequenzquotienten
kann dann durch einen Vergleich mit einem, durch viele Vergleichsmessungen
an gesunden und erkrankten Menschen gewonnen „normierten cardiophysiologischen
Frequenzquotienten" eine
Aussage über
die aktuelle physiologische Balance zwischen Sympathikus und Parasympathikus
gewonnen werden, d.h. über
die aktuelle körperliche
Konstitution. Eine wichtige Information die für den behandelnden Arzt bei
der Einleitung spezieller medizinischer Maßnahmen von Bedeutung ist.
-
Die Messeinrichtung soll in Form
eines leichten flachen mobilen elektronischen Gerätes gebaut werden
um den Patienten während
der Messzeit, auch bei Langzeitmessungen, so wenig wie nur möglich zu
belasten. Die Messungen sollen vom Patienten selbständig und
richtig ausgeführt
werden können.
Die Anzeige des Analyseergebnisses soll so einfach erfolgen, dass
jeder Patient sofort seinen gesundheitlichen Status erkennen kann
und im Gefahrenfalle das nächste
Krankenhaus oder einen entsprechenden Facharzt aufsuchen kann.
-
Anatomisch gut zugängliche
Messflächen
für die
Messung von arteriellen Pulswellen sind, wie in 3 dargestellt, die Finger im Bereich
Phalanx media und Phalanx distales (Fingerspitze). Weiter sind in 3 schematisch die anatomischen
Lagen der Arterien auf der Handinnenseite (mit den messtechnisch
wichtigen Aa digitales palmares 29) dargestellt, während die
anatomischen Lagen der Arterien auf dem Handrücken (mit den messtechnisch
wichtigen Aa digitales dorsales) nicht sichtbar sind. Zur elektronischen
Sensierung der Pulswelle eignen sich, wie schon beschrieben, das
optische Reflexionsprinzip 4a und
das optische Durchlichtprinzip 4b.
-
Der Erfindungsgegenstand (bioelektronische Herzdiagnostikhandschuh)
lässt sich
funktionell in zwei Bereiche einteilen. Der obere sensorische Bereich
ist der Fingerteil des Messhandschuhs 7 in den
die optoelektronischen Sensoren (optoelektronische Elementarsensoren
mit I/U – Wandlern) 4a und 4b integriert sind. Der untere elektronische
Bereich ist das Handschuhrückenteil 7.1,
in welchen innen die Signalaufbereitungselektronik 8.2, 8.3 und die
Signalauswerteelektronik 8.5, und außen das beleuchtbare elektronische
alphanumerische Display 7.2 mit der chronometrischen und
Messdaten- sowie Einstelldatenanzeige 7.4, das Eingabemikrotastenfeld 7.7,
die elektronischen und infrarottechnische Schnittstellen 7.10 und 7.11,
die Zustandsanzeigen 7.6 und die Abdeckung für den Batterieschacht 7.12 integriert
sind. Die hochelastischen Verbindungsbahnen zwischen dem Sensorteil 8.1 dem
Elektronikblock und der Spannungsversorgung 8.5 sind in
die textile Struktur des Messhandschuhs integriert.
-
In 8 ist
das elektronische Blockschaltbild für die batteriebetriebene technische
Ausführung
der Messeinrichtung mit dem Elementarsensor 8.1 und dem
externen Kalibrator 8.11 dargestellt. Die Messelektronik
besteht, aus einer DC – Spannungsquelle und
eine DC – Stromquelle 8.5 zur
elektrischen Energieversorgung der Elektronikbaugruppen und der passiven
optoelektronischen Elementarsensoren (Sl bis S4 und E1 bis E4),
aus dem Mess- und Kalibrierinterface 8.4 für die Umschaltung
zwischen Messbetrieb, Testbetrieb und Kalibrierbetrieb, aus den
analogen Blöcken 8.2 und 8.3 Elektronikblöcken zur
analogen elektronischen Signalaufbereitung der Sensorsignale, aus
dem digitalen Elektronikblock mit dem Mikrocontroller 8.5,
einem externen RAM zur digitalen Signalverarbeitung und diversen
externen Schnittsellen 8.10, aus der Anzeigeeinheit 8.7 mit
seinen optoelektronischen und piezoelektrischen Aktoren für die Ausgabe
von wichtigen Informationen und Warnmeldungen und der Mikrotasteneinheit 8.9 mit
dem Mikrotastenfeld und der Tastenlogik zur Voreinstellung verschiedener
technischer und medizinischer Funktionen.
-
Der analoge Elektronikblock 8.2 und 8.3 besteht
aus einem programmierbaren Verstärker
mit einer internen Schaltlogik zur softwaremäßigen Einstellung der Verstärkung und
einem mehrpoligen analogen Tiefpass – Filter, einen elektronischen
Differenzieren und einem Impulsgenerator.
-
In 5 ist
das normierte analoge Pulssignal dargestellt. Nach dem Stand der
Technik wird der negative und der positive Amplitudenwert erfasst,
daraus wird der Mittelwert zur Festlegung der Triggerschwelle errechnet
und mit deren Hilfe das elektronische Pulsignal gewonnen wird. Bei
dem Erfindungsgegenstand wird ein viel einfacherer Weg vorgeschlagen.
Das Pulssignal wird mit einem elektronisch frei programmierbaren
Verstärker
vorverstärkt
und mit Hilfe eines Tschebyscheff-Tiefpasses 4. Ordnung (Grenzfrequenz
25 Hz) von hochfrequenten Störungen
befreit. Das nun so gewonnene Pulssignal wird nicht normiert (siehe 5) sondern direkt elektronisch
differenziert. Die Wendepunkte der Signale werden dadurch zu Nullpunkten
mit einer positiven oder negativen Flanke des Signals durch den
Nullpunkt. Bei jedem Nulldurchgang mit einer positiven Flanke wird
dann der Impulsgenerator angesteuert und erzeugt normierter positive
unipolare Impulse. Diese Impulse werden dann im Mikrocontroller 8.5, wie oben beschrieben,
zu einem elektronischen Scatter – Plot 6c verarbeitet, elektronisch ausgewertet
und zu der Erzeugung von Steuer- und Regelsignalen verwendet.
-
Da sowohl psychische als auch physische Belastungen
die Pulswellenfrequenz und damit auch die Durchblutung der Haut
beeinflussen, kann es zu Veränderungen
der Signalamplituden und damit zu unsicheren Messergebnissen führen, wenn
keine technischen Gegenmaßnahmen
getroffen werden. Beim Unterschreiten eines fest vorgegebenen Spannungswertes
wird der softwareprogrammierbare Verstärker in Elektronikblock 8.2 und 8.3 über seine Steuerleitung
aufgefordert seine Verstärkung
so zu erhöhen,
dass eine einwandfreie Funktion der beiden Elektronikblöcke möglich ist.
-
Der digitale Elektronikblock besteht
aus einem Mikrocontroller und einem zusätzlichen externen RAM 8.8 zur
Speicherung größerer Datenmengen.
Die elektronischen Impulsfolgen werden mit Hilfe des Mikrocontrollers
im externen Speicher (RAM) elektronisch zeitlich geordnet eingelesen.
Das digitale Datenmaterial wird digital komprimiert und dann mit
Hilfe des schon beschriebenen Algorithmus verarbeitet, codiert und
mit einer softwaremäßig im AAM abgelegten
Referenzstruktur verglichen werden. Nach Ablauf der gewählten Messzeit
(einstellbar von 30 bis 60 Minuten) wird das Analyseergebnis über eine
elektronische Anzeigeeinheit optisch und akustisch angezeigt. Zur
optischen Anzeige werden vier verschieden farbige Leuchtdioden (LED) 7.3 verwendet
die auf dem Rücken
des Messhandschuhs 7 im
Display 7.2 nebeneinander angeordnet sind, da das Risiko
für ein
Vorhofflimmern formal in vier Risikostufen eingeteilt werden kann.
Leuchtet die rote LED ist das Eintreten eines Ereignisses (Vorhofflimmern)
sehr wahrscheinlich. Leuchtet die gelbe LED ist ein Eintreten des
Ereignisses wahrscheinlich. Leuchtet die blaue LED ist ein Eintreten
eines Ereignisses nicht sehr wahrscheinlich. leuchtet die grüne LED besteht
zur Zeit überhaupt
kein Risiko für
ein Eintreten eines Ereignisses.
-
Um die einwandfreie messtechnische
Funktionssicherheit des Messhandschuhs während der Messzeit sicherzustellen
wird das Sensorik 8.1 vierfach redundant ausgebildet. In
den Fingerteilen für den
Mittel- und den Ringfinger ist jeweils im distalen Bereich ein Reflexlichtelementarsensor 4a und jeweils im medialen
Bereich ein Durchlichtelementarsensor 4b Integriert.
Die Signale werden wie oben schon beschrieben elektronisch verarbeitet
und an den Mikrocontroller weitergeleitet. Dieser vergleicht die
Signale paarweise und leitet beim Einhalten einer vorgegeben Toleranzschwelle
die weitere digitale Signalverarbeitung ein. Wird die bekannte Toleranzschwelle überschritten
wird die Messung abgebrochen und dem Anwender durch einen gepulsten
Dauerton angezeigt, der erst dann erlischt, wenn die Elektronik
abgeschaltet wird.
-
Eine weitere Sicherheitsmaßnahme gegen elektromagnetische
Störungen
ist das einarbeiten von einer elektrisch leitfähigen Textilfaserschicht an den
kritischen Stellen unter der äußeren elektrisch nichtleitenden
Textilfaserschicht.
-
Um die einwandfreie elektrische Funktionstüchtigkeit
des Messhandschuhs während
der Messzeit sicherzustellen ist in den Rückenteil 7.1 eine
piezoakustische Zustandskontrolle 7.9 für die Batterie integriert,
die bei einer zu kleinen Batteriespannung einen Pfeifton generiert,
damit die alte Batterie vor der Messung durch eine neue ersetzt
wird.
-
Der Messhandschuh kann auf seine
technische Funktionstüchtigkeit
sehr einfach getestet werden, indem vor anlegen des Herzdiagnostikhandschuhs
in die beiden Messfinger nacheinander ein sog künstlicher Finger (kurz Kunstfinger,
ohne Abbildung) aus einem Material mit einem definierten distalen
Reflexionsfaktor und einem definierten medialen Transmissionsfaktor
eingeführ
wird und anschließend
die Taste Gesamttest im Mikrotastenfeld 7.7 angetippt wird.
Durch die Betätigung
dieser Testtaste wird über
das Mess – und
Kalibrierinterface 8.4 über den
analogen Elektronikblock 8.2 und 8.3 der Gesamttest
durchgeführt
und eine elektrische Kalibrierung (75 % vom maximalen Messbereichsendwert) durchgeführt wird.
Bei einem nicht defekten Messhandschuh leuchtet eine LED aus dem
Block 7.6 auf.
-
Die Elementarsensoren 8.1 können unabhängig von
der übrigen
Messelektronik auf ihre technische Funktionstüchtigkeit mit dem Kunstfinger
sehr einfach getestet werden, indem vor dem Anlegen des Messhandschuhs
in die beiden Messfinger nacheinander der Kunstfinger eingeführt wird
und anschließend
die Taste Sensortest kurz betätigt
wird. Durch die Betätigung
der Taste wird über
das Mess- und Kalibrierinterface 8.4 über eine an der Steckverbindung 7.8 angeschlossene
sehr kleine Testelektronikeinheit der aktuelle Status des Sensors
optisch angezeigt, während
die Messeingänge
der Elektronikblöcke 8.2 und 8.3 abgeschaltet
wurden.
-
Der externe elektronische Kalibrator 8.4 kann
auch für
den quantitativen Test der analogen und digitalen Messelektronik
und der Auswertesoftware eingesetzt werden. Vor dem Messeinsatz
des Messhandschuhs wird die auf dem Handschuhrücken 7.1 befindliche
Systemtest – Taste
aus dem Mikrotastenfeld 7.7 betätigt. Jetzt wird das elektroakustische
Signal der Anzeigeeinheit abgewartet. Bei einem kurzen Ton ist die
analoge und digitale Elektronikeinheit sofort messbereit. Bei einem
Dauerton ist die Elektronikeinheit defekt und die Messung kann nicht
durchgeführt
werden. Erfolgt kein akustischer Dauerton kann der Elektronik- und
Softwaretest beginnen. In dem Speicher des Kalibrator 8.11 sind
vier elektronische Referenzsignale gespeichert deren elektronische
Strukturen so beschaffen sind, dass die vier oben schon beschriebenen
Risikostufen elektronisch simuliert werden können. Damit können die
vier Modi, ausgelöst
durch zweimaliges Drücken
der Systemtest-Taste,
in einer automatisch ablaufenden Prüfroutine systematisch getestet,
protokolliert und auf ihre korrekte Anzeige überprüft werden.
-
Der Erfindungsgegenstand verfügt über mindestens
eine drahtgebundene mehrpolige elektronische und drahtlose mehrkanalige
infrarottechnische Schnittstelle 8.10 über welche die in einem Speicher enthaltenen
Daten in einen externen Rechner (PC, Laptop)eingelesen werden können um
im Labor zusätzlich
Informationen zu erlangen und um die gemessenen Ereignisse für spätere Vergleiche
auf einem separaten Datenträger
zu können.
-
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit
besteht darin, dass bei routinemäßiger Herzuntersuchung
im Rahmen einer allgemeinen Gesundheitsuntersuchung der Erfindungsgegenstand
eingesetzt wird um die am gesunden Patienten erzeugte typische keulenförmige Punktgeometrie
zu speichern um sie dann später
als Referenzgeometrie in seinem Gerät zu programmieren um so eine
erfolgreiche Früherkennung
möglich
zu machen. Außerdem
kann gleichzeitig bei der Gesundheitsuntersuchung an dem gesunden
Patienten sein individueller cardiophysiologischer Frequenzquotient
bestimmt werden, um ihn später
als cardiophysiologischen Referenzfrequenzquotient in seinem Gerät zu speichern,
um eine individuelle Diagnose über
seine aktuelle körperliche Konstitution
und seine psychische Grundstimmung zu erhalten.
-
In 7 ist
beispielhaft die Oberfläche
einer Uhr -, Elektronik – und
Informationseinheit 7.2 mit ihren möglichen alphanumerischen, optischen
und akustischen Anzeigen von medizinischen Daten, von Messwerten,
von Uhrfunktionen und von eingestellten Parametern, mit einer elektronischen
und einer infrarottechnischen Schnittstelle 7.8 / 7.10,
mit einem Mikromultitastenfeld 7.7 gezeigt. Es gibt eine
Mikrotaste für
den Sensortest und die eine LED für die optische Anzeige. Es
gibt eine LED für
die optische Anzeige der Batteriekontrolle. Es gibt vier verschiedenfarbige
LEDs 7.3 für
die optische Anzeige der vier verschiedenen Risikostufen eines Herzvorkammerflimmerns.
Es gibt Mikrotasten für
die Uhreinstellung zur Umschaltung auf verschiedenen Modi durch mehrfaches
antippen (Uhrzeit 12 – /
24 – Std. – Modus,
zwei Zeitzonen, Alarm/Wecker, Wochentagsanzeige, Stoppuhr Kalender,
Intervalltimer für
Trainingsfunktionen). Es gibt eine Mikrokalibriertaste zur Einleitung
von Kalibriervorgängen.
Es gibt eine Mikrotaste für
das Einschalten einer seitlich in das Display integrierten Beleuchtungseinheit
für die
Beleuchtung des Datendisplays, bei schlechten Lichtverhältnissen.
Es gibt eine Mikrodateneingabe für
die wissenschaftlich, physiologischen und medizinischen Parameter.
Es gibt eine Mikrotaste für
die Eingabe von persönlichen
allgemeinen und medizinischen Daten. Über eine Mikrotaste wird bei
einmaligen Drücken
der Start / Stopp Funktion für
den Messbetrieb und bei zweimaligen Drücken die on / off Funktion
für die
Batterie aktiviert. Die mehrpolige elektronische und mehrkanalige
infrarottechnische Schnittstelle 8.10 befindet sich auf
dem Handrücken.
Das Datendisplay 7.2 dient zur alphanumerischen Darstellung aller
erfassten, eingegebenen und ausgewerteten Daten (jeweils aktuelle
Herzfrequenz, maximale Herzfrequenz, durchschnittliche Herzfrequenz,
Prozentsatz der maximalen Herzfrequenz (OwnIndexs), Ober-/ Untergrenzen
der Herzfunktion, Erholungs-Herzfrequenz usw.).