DE10259522A1

DE10259522A1 - Radargestützte Sensierung von Lage und/oder Bewegung des Körpers oder im Körper von Lebewesen

Info

Publication number: DE10259522A1
Application number: DE10259522A
Authority: DE
Inventors: Hans-Oliver Ruoss; Michael Mahler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-01
Also published as: US20050073424A1; US7196629B2; WO2004057367A1; EP1590685A1; JP2006510880A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sensierung von Informationen über Lage und/oder Bewegungen des Körpers eines Lebewesens oder eines Körperteils im Körperinneren, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Das Verfahren enthält die Schritte: DOLLAR A Senden (18) eines elektromagnetischen Signals (15), das erfindungsgemäß Frequenzen im Radarbereich aufweist, auf einen vorgegebenen Körperbereich eines Lebewesens, DOLLAR A Empfangen (20) eines aus dem Körperbereich reflektierten elektromagnetischen Signals (22), DOLLAR A Auswerten (30) des eingefangenen Empfangssignals (22) hinsichtlich Laufzeit- und/oder Frequenzunterschied zum Sendesignal (15) zur Feststellung der Informationen. DOLLAR A Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Atmung und der Herzschlag sowie die Lage des Körpers eines Fahrers eines Kraftfahrzeuges berührungslos während der Fahrt überwacht werden.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Sensierung von Informationen über Lage und/oder Bewegungen des Körpers eines Lebewesens oder eines Körperteils im Körperinneren.

Für Verfahren zur Erfassung solcher Informationen besteht neben der Medizintechnik insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie ein großes Interesse. So sind Unaufmerksamkeit, Einschlafen am Steuer sowie die Belastung des Herzens durch Stresssituationen immer wieder Ursachen von Unfällen mit tödlichem Ausgang. Daher wird mit verschiedenen Ansätzen versucht, physiologische Messparameter wie Herzschlag, Atmung und Lage des Körpers zu erfassen. Diese Parameter werden ausgewertet und je nach Ergebnisse können Warnsignale erzeugt werden. Diese Informationen können zur Charakterisierung des Fahrerzustandes oder beispielsweise auch als Daten zum Steuern des Auslösens eines Airbags herangezogen werden.

Im Stand der Technik sind zum Erfassen von Lage und Bewegungen des Körpers optische Messmethoden mit Kameras bekannt. Jedoch ist die Bildauswertung schwierig und erfordert viel Auswertelogik, wodurch die Kosten erhöht werden. Auch lassen sich damit keine Bewegungen im Innern des Kör pers wie z. B. der Herzschlag feststellen.

Für die Beobachtung solcher körperinneren Bewegungen insbesondere des Herzens wird die Elektrokardiographie angewandt. Die Verfahren der Elektrokardiographie haben jedoch den Nachteil, nicht berührungslos zu sein, denn an dem Körper müssen dabei Elektroden angebracht werden.

Auch Infrarotmessverfahren sind wegen ihrer Ungenauigkeit und mangelnden Auflösung für die Beobachtung der Abläufe im Körperinneren für die oben genannten Zwecke ungeeignet.

Eine insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik gewünschte. beeinträchtigungsfreie, hinreichend störungsarme Messmethode der Lage und/oder Bewegungen des Körpers vor allem auch im Körperinneren ist für den Einsatz außerhalb von Testbedingungen bisher nicht gefunden worden.

Vorteile der Erfindung

Mit den Maßnahmen der unabhängigen Ansprüche wird der Vorteil erzielt, die Lage und/oder Bewegungen eines Körpers oder in einem Körper gezielt und kontaktlos, d.h., ohne elektrischen Kontakt zum Körper des Lebewesens, erfassen und mit geringem Aufwand an Material und Programmierlogik weiterverarbeiten, und gegebenenfalls an übergeordnete System weitergeben zu können. Dabei liegt die benötigte Sendeleistung mit ca. 1 mW weit unter dem internationalen Grenzwert für den Personenschutz. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere in Kraftfahrzeugen verwenden.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der im Folgenden ausgeführten Erkenntnis über die Wechselwirkung vom Körper eines Lebewesens mit elektromagnetischen Wellen aus dem Hochfrequenzbereich, insbesondere dem Radarfrequenzbereich:
Der Körper besteht aus zahlreichen verschiedenen Gewebearten. Jedes Gewebe besitzt andere elektrische Eigenschaften (d.h. elektrische Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Eindringtiefe für elektromagnetische Felder, usw.). Durch diese Unterschiede entstehen an den Übergangsstellen, den sogenannten Stoßstellen, Sprünge in den Eigenschaften, die zut teilweisen Reflexionen eindringender elektromagnetischer Wellen aus dem Hochfrequenzbereich führen.

Besonders gut lassen sich diese Reflexionen für die Messung des Herzschlags und der Atmung ausnutzen.

Die Gewebeunterschiede zwischen den Schichten über dem Herz (Fett/Muskel und Muskel/Knochen, ...) sind klein, so dass dort kaum Reflexionen der elektromagnetischen Wellen stattfinden. Eine starke Reflexion erhält man hingegen beim Auftreffen der Welle am Herzen, denn hier ist der Unterschied, nämlich zwischen Blut und Herzgewebe, besonders groß. Durch diese starke Reflexion ist man in der Lage, die Position dieser Stoßstelle über der Zeit zu bestimmen. Die zeitliche Lage- und Formveränderung des Herzens im Brustkorb erzeugt eine Dopplerverschiebung der reflektierten elektromagnetischen Welle, mit Hilfe derer der Herzschlag gemessen werden kann.

Durch den anatomischen Aufbau wird die Welle aber nicht nur an einer (punktuellen) Stoßstelle im Herz reflektiert. Es finden Reflexionen an verschiedenen Bereichen des Herzens (z.B. an den Herzklappen) statt, weil das Herz ein stark durchblutetes und mit Blut durchflossenes Organ ist. Die oben erwähnte starke Reflexion beim Übergang „Blut/Gewebe" gilt für alle diese Stellen. Die Signalstärke ist hier aber abhängig von der Eindringtiefe der Gewebearten und der Messtiefe.

Je nach Position der Sende-/Empfangsantennenelemente bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich andere Ein dringtiefen bis zum Herzen. Diese Abstände beeinflussen die Signalqualität und Signalform: Die Signalform wird durch die Stoßstelle vorgeben, weil jeder Punkt im Herzen einen anderen räumlichen Bewegungsablauf besitzt.

Der Herzschlag kann mit der vorliegenden Erfindung charakterisiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Sensor kann dabei nicht nur die Pulsfrequenz sondern auch die „Pumpbewegung" des Herzens bestimmt und physiologisch interpretiert werden.

Für die Messung der Atmung wird eine weitere starke Reflexion am Übergang Außenbereich/Brustkorb ausgenutzt. Dieses Signal wird nach derselben erfindungsgemäßen Methode ermittelt. Dadurch ist es möglich, Atmung und Herzschlag mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig zu messen.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.

In vorteilhafter, erfindungsgemäßer Weise lassen sich Bewegungen des Körper oder der Körperteile im Innern des Körpers durch die Auswertung des Empfangssignals und Sendesignals über die Feststellung der Dopplerfrequenzverschiebung zwischen beiden Signalen ermitteln. Dieses ist eine einfache und hinreichend genaue Methode zur Bestimmung der Körperbewegungen.

Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren auf Radarfrequenzen im Bereich zwischen 800 bis 5 GHz und insbesondere auf ein Frequenzband von 100 MHz um 2,45 GHz herum ausgelegt. Elektromagnetische Wellen aus diesem Frequenzbereich sind vor allem wegen der ausreichenden Eindringtiefe ins Körperinnere zur Detektion von Körperbewegungen besonders gut geeignet. Des Weiteren ist eine gesonderte Zulassung bei Frequenzen aus dem ISM-Band von 100 MHz um 2,45 GHz herum nicht erforderlich.

Mit einem alarm-dienenden Signal, dann wenn die ausgewerteten physiologischen Messdaten auf eine lebensbedrohende Ausnahmesituation hinweisen, kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise weitergebildet werden. Solche Situationen können beispielsweise ein Herzinfarkt, Herzrhythmusstörungen oder ein Atemstillstand sein.

Ebenfalls vorteilhaft ist die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung derart, dass das Radarfeld ein gepulstes Feld ist. Dadurch lässt sich aus dem Laufzeitunterschied von Sende- und Empfangssignal der Abstand d zwischen Körper und Sende-/Empfangsantennenelementen überwachen. Dieses ist zum Beispiel für die Steuerung der Auslösung eines Airbags von Nutzen. Bevorzugt kann dieses Verfahren für Frequenzen aus dem Bereich zwischen 20 bis 120 GHz und insbesondere aus dem Frequenzband von 250 MHz um 24,5 GHz herum ausgelegt sein. Mit solchen hohen Frequenzen lässt sich der Zeitunterschied zur Abstandsbestimmung sehr genau bestimmen. Des Weiteren dringen die Radarwellen aus diesem Frequenzbereich kaum in den Körper ein, sondern werden zum größten Teil an der Oberfläche reflektiert. Dadurch sind die gemessenen Daten für die momentane Position und Bewegung einer Stelle an der Körperoberfläche besonders genau und deutlich.

Die kurzen Radarpulse werden in vorteilhafter Weise entweder durch ein An- und Abschalten über eine einen Signalschalter ansteuernde Takterzeugungsschaltung oder durch einen Signalfilter des Taktsignals erzeugt.

Die Auswertung der empfangenen elektromagnetischen Wellen erfolgt bevorzugt entweder nach dem Samplingprinzip durch punktuelles Abtasten des Signals oder nach dem kostengünstigeren Mischerprinzip, bei dem ein abgezweigter Teil des Sendesignals (Referenzsignal) mit dem Empfangssignal verglichen wird und die daraus resultierende Information zur Ermittlung der Körperbewegung analysiert wird. Zur Vermeidung von Auswerteproblemen bei Nullstellen des Mischsignals kann eine IQ-Anordnung verwendet werden, Eine solche Signalauswerteanordnung ist dadurch charakterisiert, dass ein weiterer Kanal, bei dem das Referenzsignal um 90 Grad phasenverschoben ist, verwendet wird, und dadurch in der Summe der beiden Signalausgänge hinter den beiden Pfaden die komplexe Amplitude des Mischsignals ermittelt wird.

Das System, das Einrichtungen enthält zur Durchführung der Schritte nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren, kann bevorzugt zur Überwachung des Fahrers oder Beifahrers oder auch zur Feststellung der Anwesenheit eines Lebewesens im Kofferraum in einem Kraftfahrzeug angebracht sein. Die damit gewonnenen Informationen können insbesondere für die Gesundheitsüberwachung des Fahrers, die Steuerung der Auslösung eines Airbags sowie für die Notverriegelung des Kofferraums verwendet werden.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen
l ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Systems zur Sensierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Ausführungsform eines Continuous-Wave-(CW) Radars;
2 ein Blockschaltbild eines Aufbaus einer Variante der Signalauswertung nach dem Mischerprinzip als Bestandteil eines Systems nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Blockschaltbild eines Aufbaus einer erweiterten Variante der Signalauswertung nach dem Mischerprinzip als Bestandteil eines Systems nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Blockschaltbild eines Aufbaus eines Systems zur Sensierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Ausführungsform eines Impulsradars;
5 ein Blockschaltbild eines Aufbaus eines Systems zur Sensierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer weiteren Ausführungsform eines Impulsradars;
6 ein Blockschaltbild eines Aufbaus eines Systems zur Sensierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer weiteren Ausführungsform eines Impulsradars;
7 schematisch eine Sensorvorrichtung mit Sensorbereich für das erfindungsgemäße Verfahren in einem Kraftfahrzeug im seitlichen Querschnitt;
8 schematisch eine Sensorvorrichtung mit Sensorbereich für das erfindungsgemäße Verfahren im Kofferraum eines Kraftfahrzeugs im seitlichen Querschnitt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
In 1 ist ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Systems zur Sensierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Ausführungsform eines Continuous-Wave(CW)-Radars dargestellt. Bei einem Continuous-Wave-Radar werden nicht gepulste, sondern kontinuierliche elektromagnetische Wellen im Radarfrequenzbereich verwendet.
Ein hochfrequentes, kontinuierliches Nutzsignal aus dem GHz-Bereich mit beispielsweise einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Durchschnittsleistung von ca. 1 mW wird vom einem Frequenzgenerator 10 des Typs VCO zu einem 3dB Leistungsteiler 12 geleitet. Dabei wird das Signal in ein Sendesignal 15 und in ein Referenzsignal 24 im Verhältnis 1:1 aufgespaltet. Das Sendesignal 15 gelangt weiter über einen Bandpassfilter 14, der alle Frequenzen außerhalb des ISM-Bandes (2,45 GHz +/– 50 MHz) herausfiltert, zur Radarsendeantenne 18. Von dort wird eine kontinuierliche elektromagnetische Welle in Richtung des Bereichs der zu beobachtenden Körperstelle ausgesandt. Die Sendeantenne 18 ist beispielsweise im Lenkrad eines Kraftfahrzeugs eingebaut, wobei die Radarwelle auf den Brustbereich des Fahrers gerichtet ist, s. a. 7. Die an den Stoßstellen des Körpers insbesondere an der Brustoberfläche und an der Herzwand reflektierten Radarwellen werden von der Empfangsantenne 20, die sich zum Beispiel auch im Lenkrad befindet, aufgefangen. Das von der Antenne 20 weitergeleitete Empfangssignal 22 gelangt in die Signalauswertevorrichtung 30, in die ebenfalls das Referenzsignal 24 geleitet wird. Am Signalausgang 26 der Auswertevorrichtung 30 wird das die gewünschte Bewegungsinformation abbildende Signal ausgegeben und in einen Alarmsignalgenerator 38 weitergeleitet. In diesem wird dann, falls der Herzschlagschlag eine bestimmte Frequenz über- oder unterschreitet oder der Herzrhythmus eine außergewöhnliche Veränderung aufweist, ein akustisches oder optisches Alarmsignal erzeugt oder die Information an ein übergeordnetes System weitergeleitet.
Für die Signalauswertevorrichtung 30 sind erfindungsgemäß verschiedene Ausführungsformen vorgesehen. Zwei Beispiele sind in 2 und 3 dargestellt. Beide basieren auf dem Mischerprinzip, bei dem das Empfangssignal 22 und das Referenzsignal 24 überlagert und -entsprechend dem Mischerprinzip- sogenannte Summen- bzw. Differenzsignale erzeugt werden.
2 zeigt die einfachere Ausführung einer solchen Signalauswertevorrichtung 30. Dabei gelangen das Empfangssignal 22 und das Referenzsignal 24 in den Signalmischer 32, in dem die Signale korreliert werden. Der Signalmischer 32 ist mit einem Bandpassfilter zur Unterdrückung der störenden Nebensignale -unerwünschte Mischprodukte aber auch wie beispielsweise das 50 Hz Störsignal-ausgestattet. Von dem Signalmischer wird das resultierende Mischsignal zu einem weiteren Bandpassfilter 34 mit eingebautem Verstärker geleitet, der selektiv nur die für die Ermittlung der Bewegungsinformationen benötigten Frequenzen hindurchlässt und verstärkt. Diese Frequenzen sind die Dopplerfrequenzen und ihre zeitlichen Änderungen bei der Frequenzverschiebung von Empfangssignal zum Referenzsignal. Die Frequenz für die Änderungen der Dopplerfrequenzen liegt beispielsweise bei der durch die Atmung erfolgten Bewegung des Brustkorbs bei 0,01 bis 0,5 Hz und beim Herzschlag im Bereich von 0,5 bis 3 Hz. Die Dopplerfrequenzen zur erfolgreichen Signalauswertung selbst hingegen liegen im Frequenzbereich bis 20Hz.
Am Signalausgang 26 werden diese so durchgelassenen und verstärkten Signale zur Abbildung der gewünschten Bewegungsinformation ausgegeben.
In 3 ist eine erweiterte Form einer Signalauswertungsvorrichtung 30 nach dem Mischerprinzip dargestellt. Diese so genannte IQ-Auswertung enthält im Wesentlichen zwei statt einem Signalmischer 32. Es wird sowohl das Empfangssignal 22 als auch das Referenzsignal 24 jeweils durch einen 3dB Leistungsteiler 29, 31 im Verhältnis 1:1 auf die beiden Mischer 32 und 33 verteilt. Zusätzlich wird dabei der an den einen Mischer 33 geleitete Teil des Empfangssignals 22 im Leistungsteiler 31 um 90 Grad phasenverschoben. Jeweils in den beiden Mischern 32 und 33 wird dann wie zu 2 beschrieben das resultierende Signal erzeugt und weiter über Bandpassfilter 34 mit Verstärker die für die Bestimmung der Bewegung erforderlichen Frequenzen selektiert und verstärkt. Mit den an den beiden Signalausgängen 26 ausgegebenen Signalen kann die komplexe Amplitude des gesamten Ausgangssignals für die Abbildung auf die Bewegungsinformationen verwendet werden. Dadurch werden Auswerteproblemen bei Nullstellen des einen Mischsignals vermieden.
4 zeigt ein Blockschaltbild eines Aufbaus eines Systems zur Sensierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Ausführungsform eines Impulsradars. Dieses ist ein Radarsystem, bei dem gepulste elektromagnetische Wellen verwendet werden.
Ein hochfrequentes Nutzsignal mit einer Frequenz von beispielsweise 2,45 GHz wird vom Frequenzgenerator 10 des Typs VCO zu einem 3dB Leistungsteiler 12 geleitet. Dabei wird das Signal in ein Sendesignal 15 und in ein Referenzsignal 24 im Verhältnis 1:1 aufgespaltet. Das Sendesignal 15 gelangt weiter zu einem sehr schnellen Pin-Dioden-Schalter 16, der das Sendesignal 15 nur in kurzen Pulsen (1 bis 10ns Pulslänge) hindurchlässt.
Der Schalter 16 wird mittels eines Steuersignals, das von einem Steuersignalerzeuger 17 kommt, geregelt. Beispielsweise kann der Steuersignalerzeuger 17 einen Impuls mit der Länge der Schaltdauer liefern.
Die Sendesignalpulse 15 werden vom Schalter 16 über einen Bandpassfilter 14, der alle Frequenzen außerhalb des ISM- -Bandes (2,45 GHz +/– 50 MHz) herausfiltert, zur Radarsendeantenne 18 geleitet. Von dort werden elektromagnetische Wellenpulse 15 in Richtung des Bereichs der zu beobachtenden Körperstelle ausgesandt. Die Sendeantenne 18 ist beispielsweise im Lenkrad eines Kraftfahrzeugs eingebaut, wobei die Radarwelle auf den Brustbereich des Fahrers gerichtet ist.
Die an den Stoßstellen des Körpers insbesondere an der Brustoberfläche und an der Herzwand reflektierten Radarwellenpulse werden von der Empfangsantenne 20, die sich zum Beispiel auch im Lenkrad befindet, aufgefangen. Das von der Antenne 20 weitergeleitete, gepulste Empfangssignal 22 gelangt in die Signalauswertevorrichtung 30, in die ebenfalls das Referenzsignal 24 geleitet wird. Das dort eintreffende Referenzsignal 24 ist ebenfalls gepulst, was mittels des Schalters 21 erfolgt.
Dieser Schalter 21 ist mit dem Schalter 16 derart gekoppelt, dass er über dasselbe Steuersignal vom Steuersignalerzeuger 17, jedoch mit einer variablen Zeitverzögerung 19 belegt, angesteuert wird.
Die Zeitverzögerung führt das Delayelement 19 aus, das zum Beispiel den Zeitpunkt für das Öffnungssignal den Zacken der Sägezahnspannung des Steuersignalerzeugers 17 herauffahrend Stück für Stück nach hinten verschiebt. Die Pulse des Referenzsignals 24 sind dadurch gegenüber denen des Sendesignals entsprechend verspätet.
Eine für das Ergebnissignal am Signalausgang 26 notwendige Überlagerung von Referenzpuls 24 und Empfangspuls 22 in der Signalauswertung 30 wird bei einer Zeitverzögerung des Referenzpulses 24, die der Laufzeit der ausgesendeten und reflektierten Radarwelle entspricht, erreicht. Der Wert dieser Verzögerung wird von dem Delayelement 19 an die Auswertevorrichtung 30 übermittelt und als Information für den Abstand d (siehe 7) zwischen dem Körper oder Körperteil und der Sende- bzw. Empfangsantenne 18, 20 verwendet. Die Signalauswertung bezüglich der Körperbewegungen erfolgt beispielsweise nach den zu 2 oder 3 beschriebenen Methoden. Das Ergebnis am Signalausgang 26 wird per schnurloser Datenübertragung an ein übergeordnetes System 39 zur Weiterverarbeitung wie zum Beispiel eine medizinischen Auswertung weitergeleitet.
Eine andere ebenso geeignete Signalauswertungsmethode ist das mit den 5 und 6 illustrierte Samplingprinzip, bei dem das Empfangssignal 22 in Sampletaktschritten abgerastert wird.
In der in 5 dargestellten Variante wird für die Sendesignalfrequenz ein hochfrequentes Nutzsignal mit einer Frequenz von beispielsweise 24,5 GHz von einem Frequenzgenerator 10 verwendet. Gepulst mit Hilfe des Schalters 16 und gefiltert durch den Bandpassfilter 14 wird das Sendesignal 15 von der Antenne 18 als Radarwellenpuls ausgesandt und der an den Stoßstellen reflektierte Teil mit der Empfangsantenne 20 empfangen. Die Steuerung des Schalters 16 erfolgt durch ein im Steuersignalerzeuger 17 generiertes Steuersignal. Der Taktgeber für dieses Signal ist ein Takterzeuger 23, wie beispielsweise eine für hohe Frequenzen kommerziell erhältliche Clock.
Des Weiteren wird von dem Signal des Steuersignalerzeugers 17 neben dem Schalter 16 auch die Steuerpulserzeugung 25 für das Sampling geregelt. Jedoch ist in diese Steuerung durch ein zwischengeschaltetes Delayelement 19 eine variierende Zeitverzögerung eingebaut, um den Laufzeitausgleich der Radarwelle auszugleichen. Der Wert der Verzögerung wird zur Bestimmung des Abstands d (siehe 7) des Körpers zu den Antennenelementen 18 und 20 an den Sampler 35 übermittelt. (Da das Empfangssignal dauerhaft abtastet wird, wird das Signal praktisch schon A/D gewandelt. Die Laufzeit kann berechnet werden, indem das Empfangssignal mit dem Sendesignal verglichen und so der Zeitunterschied ermittelt wird.
Mit dem dann im Samplingsteuerpulserzeuger 25 generierten Steuerpuls 27 wird der das Empfangssignal 22 abtastende Sampler 35 gesteuert. Die resultierenden Samplingdaten werden danach für die Informationsanalyse am Signalausgang 26 des Samplers 35 ausgegeben.
In der in 6 dargestellten Alternative wird anstelle eines separaten, hochfrequenten Nutzsignals als Basis für den Sendepuls 15 das Taktsignal des Takterzeugers 23 der Samplingpulssteuerung 25 verwendet. Mit diesem Taktsignal werden mittels eines Impulserzeugers 13, der beispielsweise eine Diode sein kann, kurze Pulse erzeugt, aus denen dann im nachgeschalteten Bandpassfilter 14 der entsprechende Teil ihres durch die Kürze des Pulses verbreiterten Fourierspektrums als Sendeimpuls 15 hindurchgelassen wird. So kann zum Beispiel das ISM-Band für die Radarpulsfrequenzen verwendet werden. Für genauere Abstandsmessungen kann auch das zehnmal höher angesiedelte Frequenzband um 24.5 GHz benutzt werden.
In 7 ist schematisch eine Sensorvorrichtung 40 mit Sensorbereich für das erfindungsgemäße Verfahren in einem Kraftfahrzeug im seitlichen Querschnitt dargestellt.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 40 ist an einer Stelle in dem erlaubten Winkelbereich 42 vor dem Brustabschnitt 44 des Fahrers 46 befestigt. Eine geeignete Position innerhalb des mit ca. 30 Grad geöffneten Winkelbereichs 42 wäre zum Beispiel im Lenkrad 48. Dabei kann die elektromagnetische Welle auf das Herz 50 und/oder den Messbereich 52 der Atmungsbewegung gerichtet sein. Neben dem Herzschlag und der Atembewegung wird auch der Abstand d zwischen der Person 46 und dem Sensor 40 gemessen. Seine Abstrahlcharakteristik hat dabei einen Öffnungswinkel 43 von bis zu 45 Grad.
Die Steuerungs- und Auswertelemente für den Sensor 40 können sich an einem anderen Ort im Kraftfahrzeug befinden, wie beispielsweise in der Mittelkonsole.
In 8 ist, schematisch eine Sensorvorrichtung 40 für das erfindungsgemäße Verfahren im Kofferraum 62 eines Kraftfahrzeugs i60m seitlichen Querschnitt dargestellt. Der Sensor 40 ist dabei unter dem Kofferraumdach 64 derart angebracht, dass der Beobachtungsbereich im Abstrahlöffnungswinkel 43 den Hauptteil des Kofferraums 62 abdeckt. Dadurch kann festgestellt werden, ob sich dort ein Lebewesen befindet. Dieses kann für die automatische Öffnung der Klappe bei einem Unfall genutzt werden.
Ein Radar-basierter Sensor 40 zur Bestimmung von Herzschlag und Atemfrequenz kann mit hohem Nutzen bei den nachfolgenden Aufgaben bzw. Systemen in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden:

– Personeneanwesenheitserkennung: Durch (sitzbezogene) Messung des Herzschlags kann zwischen einer anwesenden Person und einem Gegenstand unterschieden wer den. Ein solches System kann die Airbagauslösung unterstützen. Ein unnötiges Airbagauslösen bei einem Unfall erhöht die Reparaturkosten stark.
– Personenklassifizierung: Durch unterschiedliche Frequenzen des Herzschlags bei Kindern bzw. Erwachsenen kann die Airbagsteuerung ebenfalls verbessert werden. Kinder haben einen höheren Puls als Erwachsene. Für eine eindeutige Klassifizierung sollten aber noch andere Parameter wie z.B. Gewicht und/oder Größe mitverwendet werden.
– Fahrermonitoring: Für eine Fahrerzustandsüberwachung sind der Herzschlag und die Atmung mit dem erfindungsgemäßen System gut zu messende physiologische Parameter mit hoher Aussagekraft. Die Einsatzmöglichkeit für ein solches System zeigen die steigenden Zahlen der Unfälle durch Herzanfälle oder Kreislaufversagen beim Kraftfahrzeugfahren. Auch könnte der Herzschlag mit eine Aussage über den Wachheitsgrad (Aufmerksamkeit, Belastbarkeit) des Fahrers geben. Bei einer entspannten Person ist die Pulsfrequenz deutlich geringer als bei einer Person, die unter Anstrengung steht.
– Langzeitüberwachung: Dieser Punkt scheint zunächst keine Kraftfahrzeug-spezifische Anwendung zu sein. Aus medizinischen Gesichtspunkten ist es aber von hohem Nutzen, den Fahrer über einen längeren Zeitraum in einer realen Stresssituation zu überwachen. Diese Werte könnten dann später von einem Arzt ausgewertet werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.

Claims

Verfahren zur Sensierung von Informationen über Lage und/oder Bewegungen des Körpers (46) eines Lebewesens oder eines Körperteils (50; 52) im Körperinneren enthaltend die Schritte: a) Senden (18) eines elektromagnetischen Signals (15) auf einen vorgegebenen Körperbereich (44) des Lebewesens, b) Empfangen (20) eines aus dem Körperbereich reflektierten elektromagnetischen Signals (22), c) Auswerten (30) des eingefangenen Empfangssignals (22) hinsichtlich Laufzeit- und/oder Frequenzunterschied zum Sendesignal (15) zur Feststellung der Informationen, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenzen im Hochfrequenzbereich, insbesondere im Radarbereich verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sensierung der Informationen über Bewegungen des Körpers (46) eines Lebewesens oder eines Körperteils (50; 52) im Körperinneren der Schritt der Auswertung des Empfangssignals (22) über die Feststellung der Dopplerfrequenzverschiebung zum Sendesignal (15) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Sensierung von Herzschlag und/oder Atmung des Lebewesen eine Radarfrequenz bevorzugt im Bereich zwischen 800 MHz und 6 GHz, und bevorzugt ein Frequenzband von 100 MHz um 2,45 GHz herum verwendet wird, und die Frequenzverschiebung auf Informationen, die die Herzbewegung und/oder Brustbewegung charakterisieren, abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, enthaltend den Schritt, Generieren (38) eines einem Alarm dienenden Signals, wenn die ausgewerteten Informationen von Herz- und/oder Brustbewegung auf eine lebensbedrohende Ausnahmesituation hinweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Signalauswertung (30) nach dem Mischerprinzip arbeitet.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei ein weiterer Mischer (33) in der Signalauswertung (30) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend den Schritt, ein gepulstes Sendesignal (15) zu erzeugen (13; 16).
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Information aus der Auswertung von Laufzeitunterschieden zwischen Sende- (15) und Empfangssignal (22) den Abstand d zwischen Körper (46) oder Körperteil (50; 52) und Sende/Empfangsantennenelementen (18, 20) enthält.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei zur Sensierung der Lage des Körpers (46) des Lebewesen eine Radarfrequenz bevorzugt im Bereich zwischen 20 und 120 GHz, und bevorzugt ein Frequenzband von 250 MHz um 24,5 GHz herum verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Pulse (15) durch An- und Ausschalten über eine Signalschalter (16) ansteuernde Takterzeugungsschaltung (23, 17) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Pulse (15) durch signalfilternde Halbleiterbauelemente (13) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Signalauswertung (30; 35) – insbesondere des gepulsten – elektromagnetischen Empfangssignals (22) nach dem Samplingprinzip arbeitet.
System zur Sensierung von Informationen über Lage und/oder Bewegungen des Körpers (46) eines Lebewesens oder eines Körperteils (50; 52) im Körperinneren, enthaltend Einrichtungen zur Durchführung der Schritte des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder des Systems nach Anspruch 13 zur Überwachung einer Person (46) in einem Kraftfahrzeug (60), wobei die Einrichtungen (40) zum Senden und Empfangen der Signale (15; 22) am Lenkrad (48) oder in dessen unmittelbaren Nähe angebracht sind, und die Abstrahlcharakteristik der Sendeantennenelemente (18) einen Öffnungswinkel (43) von unter 40 Grad, bevorzugt von 20 bis 30 Grad, besitzt.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder des Systems nach Anspruch 13 zur Feststellung der Anwesenheit und/oder Überwachung eines Lebewesens in einem Kofferraum (62) eines Kraftfahrzeugs (60), bei dem die Einrichtungen des Systems zur Sensierung in dem Kraftfahrzeug (60) angebracht sind.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder des Systems nach Anspruch 13 für einen der folgenden Zwecke: a) Personenanwesenheitserkennnung, b) Personenklassifizierung, c) Fahrermonitoring oder d) Langzeitüberwachung, wobei die ausgewerteten Informationen über Lage und/oder Bewegungen des Körpers (46) eines Lebewesens oder eines Körperteils (50; 52) im Körperinneren an ein übergeordnetes System (39) zur Weiterverarbeitung darin weitergeleitet werden.