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Die
Erfindung betrifft ein sensorintegriertes Bekleidungssystem mit
mehreren Schutzfunktionen, welches Körper- und Umweltdaten sensorisch
erfasst, verarbeitet, als Funksignal weiterleitet, bei Erkennung
gesundheitsgefährdender
bzw. lebensbedrohlicher Zustände
autark Warnsignale abgibt ohne Beeinträchtigung der textilen Gebrauchseigenschaften,
insbesondere für
den Einsatz in Extremsituationen, wie z.B. dem alpinen und polaren
Extremsportbereich, in industriellen Kühl- und Kältebereichen oder anderen.
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Problemumfeld
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Unfalluntersuchungen
und -statistiken belegen, dass unter Extrembelastungen Körperfunktionen
stark beeinträchtigt
sind und abnorme Verhaltensstörungen
auftreten können.
Es ist keine Seltenheit, dass Alpinisten Erschöpfung, Herzversagen, Höhenkrankheiten,
Erfrierungen, Orientierungslosigkeit, Sonnenbrand (UV-Strahlung),
Unfällen
ausgesetzt sind und teilweise den Tod finden. Hinzu kommen Unwetter-
und Lawinengefahren.
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Als
besonders unkalkulierbar ist die so genannte Höhenkrankheit zu werten. Oberhalb
3000m reicht der Sauerstoffgehalt der Luft nicht mehr für eine normale
Lungentätigkeit
aus. Um die 7000m tritt schwere Atemnot ein. Lungen, Blut und die
Körperzellen
werden kaum noch mit Sauerstoff versorgt und der Erstickungstod
bzw. Bewusstlosigkeit droht. Weitere Nebenerscheinungen sind Schwindel, Übelkeit, Koordinationsstörungen,
Kopfschmerzen.
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Insbesondere
im professionellen Bereich sind Bergsteiger im Hochgebirge so von
der Realisierung der Gipfelbesteigung erfasst, dass körperliche Warnsignale
nicht aktiv wahrgenommen oder unterschätzt werden. Neben Herz-Kreislauf-Komplikationen
sind Erfrierungen bei oft auftretenden Umgebungstemperaturen von
bis zu –50°C typische
Körperschäden.
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Expeditionen
im Hochgebirge bestehen meist aus maximal 15 Personen. Sie bewegen
sich in Gruppen in unbekanntem und ungesichertem Gebiet. Das überraschende
Lösen einer
Lawine wird schnell zur Todesgefahr. Eine Langzeitstudie am Mount
Everest ergab, dass die Todesursache durch Verschüttung bei
etwa 70% lag.
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Die
Bergung von Personen im Hochgebirge ist äußerst schwierig. Über 5000m
können
Hubschrauber wegen des fehlenden Luftpolsters nicht mehr sicher
fliegen. Eine gegenseitige Rettung ist durch die allgemeine körperliche
Erschöpfung
der Beteiligten eingeschränkt.
Bei Lawinenopfern ist oftmals der genaue Aufenthaltsort nicht bekannt.
Insgesamt ist das Zeitfenster für
eine Rettung stark beschnitten.
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Motivation
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Es
ist deshalb absolut wichtig, ein System zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes
und zur Rettungsunterstützung
zu entwickeln. Zur Verringerung des Unfallrisikos und zur Erhöhung der
Rettungswahrscheinlichkeit sind bereitgestellte präventive
Informationen zur Gefahrenerkennung nützlich. Diese geben Such- und
Hilfstrupps neue Möglichkeiten
der Bergung und den Alpinisten selbst höhere Rettungschancen. Des Weiteren
können
die Aktiven bei Gefahrenerkennung gewarnt werden.
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Eine
weitere Aufgabe besteht in der Kommunikation der Aktiven untereinander
und zwischen dem Basislager. Üblicherweise
besteht bei aktuellen Expeditionen keine Funkkommunikation zwischen den
Aktiven und der Basislager. Es ist deshalb notwendig, eine Kommunikationsmethode
zu entwickeln, welche einen permanenten Datentransfer gestattet,
rechtzeitige Hilfe ermöglicht
und gleichzeitig einen realistischen Überblick über die aktuelle personenspezifische
Situation sowie den Aufenthaltsort gibt.
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Viele
Bergunfälle
passieren infolge der Unterschätzung
der eigenen körperlichen
Verfassung und der Gefahrensituation. Deshalb ist ein System notwendig,
das aus der körperlichen
Verfassung und den kritischen Umwelteinflüssen ein Warnsignal generieren
kann. Prinzipiell ist diese Warnfunktion in lebensgefährdenen
Situationen auch für
andere Bereiche wie Militär,
Technisches Hilfswerk (Minensuchtrupps) und industriellen Kühl- und
Kältebereichen, also
andere Bereiche der extremen körperlichen
Belastung unter speziellen Umweltbedingungen wichtig.
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Stand der
Technik
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Es
sind Textil- und Bekleidungsvarianten bekannt, bei denen elektronische
Komponenten wie Sensoren, Tastaturen bis hin zu CD-Player integriert sind.
Sie erfüllen
jedoch nicht die Aufgabe einer Schutzbekleidung mit integrierter
Warnfunktion.
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Nachfolgend
sind ausgewählte
Patente mit Bezugnahme zum beschriebenen Gegenstand aufgeführt. Sie
berühren
inhaltlich jedoch nur sehr begrenzte Teilbereiche und nicht die
gestellte Komplexität.
Patente, welche konkret intelligente Bekleidungssysteme nach dem
im Patent beschriebenen Systemansatz beinhalten, sind derzeit nicht
bekannt.
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Aus
dem Patent
DE 697
09 919 T2 ist eine wärmeisolierende
Textilfaser bekannt. Ein daraus hergestelltes wärmeisolierendes Gewebe, bei
dem sich der Grad der Isolation als Reaktion auf eine Veränderung der Umgebungstemperatur verändert, wird dargestellt.
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Bekannt
ist auch das Patent
DE
10 2004 003 461 A1 Textilmaterial mit einem HF-Transponder. Beschrieben
wird die Integration eines Transpondermoduls mit textil hergestellter
Antenne. Transponder können
Informationen speichern, nicht aber ein aktives Meßsystem
bilden. Sie sind auch nicht in der Lage eigenständige Datenverarbeitung auszuführen oder
Funksignale abzusetzen.
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Der
in WO 02060370 dargestellt Verbund aus elastischer textiler Struktur
und leitenden Kabeln ist ein Teilelement zum bekleidungsintegrierten
Monitoring von Vitalfunktionen. Das in WO 2004107962 beschriebene
Patent beschäftigt
sich mit einer Auswertungsmethode von Vitalparametern. Eine autarke Warnfunktion
für den
Bekleidungsträger
oder für
externe Rettungsdienste sowie der Zusammenhang zu einem Bekleidungssystem
sind in beiden zitierten Schriften nicht beschrieben.
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In
dem Patent
DE 196
20 153 A1 wird ein Kälteschutzanzug
beschrieben, der die Körperwärme reflektiert
durch eine sich dem Körper
zugewandte, im Kälteschutzanzug
befindliche Reflexionsschicht. Auch wird in dem Patent
DE 33 07 595 A1 wird eine wasserdichte
Kälteschutzkleidung
für Arbeiten
auf See bei niedrigen Temperaturen erläutert. Die beschriebenen Kälteschutzkleidungen
erfüllen keinerlei Warnfunktion
bzw. können
sie kein Notsignal für
die Generierung externe Hilfe absetzen.
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Weiterhin
gibt es eine Anzahl von Patenten, die sogenannte „Lifeshirts" erläutern, z.B.
US 2002032386 oder WO
03105682, die für
ein Monitoring von Vitalfunktionen (Herz- und Atmungsfrequenz) verwendet
werden. Hier steht der Schutz des Herzinfarkt-Patienten im Vordergrund.
Eine Übertragung
der Daten ist gegeben; eine im Bekleidungssystem integrierte autarke
Auswertung der Daten und die Abgabe eines Warnsignals bei lebensbedrohlichen
Situationen ist nicht enthalten. Andere zusätzliche Schutzfunktionen (Kälte-/Hitzeschutz)
sind hier nicht in die Bekleidung integriert.
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Die
Herstellung von tragbaren Computern ist im Patent
US 6507486 beschrieben. In diesem
Patent wird ein Bekleidungssystem zum ballistischen, chemischen
und biologischen Schutz beschrieben, das in militärischen
Operationen zum Einsatz kommen soll. Das Bekleidungssystem selbst
besteht aus Schichten und schützt
Mensch und Computer vor den beschriebenen Gefahren. Eine sensorische
Erfassung der Vitalfunktion des Trägers ist nicht beschrieben
und nicht Inhalt der Patentansprüche.
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Lösungsansatz
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Technologie zu
entwickeln, die es erlaubt, aus sensorisch erfasster Umwelt- und
Körperdaten
eine personengebundene Situationseinschätzung und prophylaktische Vorhersage
des Gesundheitszustandes zu erstellen, mit dem Ziel Gesundheitsgefahren
zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
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Da
ausgehend von der Problemstellung selbst hochprofessionelle Outdoorbekleidung
oder „Lifeshirts" unter extremen Einsatzbedingungen
(z.B. Polar, Hochgebirge) keinen allumfassenden Schutz für den Anwender
bieten können,
wird die Implementierung intelligenter lebensnettender und gesundheitserhaltender
mikrosensorischer Systeme für
Bekleidung in Extremsituationen umgesetzt. Dabei werden durch verschiedenartige
sensorische Systeme autark Informationen (Kleidungstemperatur, Herz- und
Atmungsfrequenz, Lage- und Positionsbestimmung) gesammelt und kritische
Gefahrenzustände (körperliche
Extrembelastung, Unterkühlung
und Erfrierung unter Einbeziehung Hauttemperatur, Orientierungslosigkeit,
Bewusstlosigkeit, etc.) bereits vor oder am Anfang ihrer Entstehung
erkannt.
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Die
Daten werden durch ein kleidungsintegriertes Elektroniksystem erfasst,
verarbeitet und per Funk zu einer zentralen Empfangsstation weitergeleitet.
Die Empfangsstation empfängt
die Daten und bewertet durch mathematisch-physikalische Algorithmen den Gefahren-
und Gesundheitszustand der Person und kann bei Überschreitung von Grenzwerten
und der Erkennung von Gefahrenzuständen externe Hilfe generieren.
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Der
Träger
der Kleidung erhält
bei Überschreitung
von Grenzwerten und der Erkennung von Gefahrenzuständen ein
entsprechendes indikatives Signal. Der Träger kann eigenständig einen
Notruf absetzen.
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Mittels
GPS-Technik lässt
sich eine sehr genaue Navigation in Fläche und Höhe mit einer Ortsauflösung im
unteren Meterbereich ermöglichen.
Somit können
Aufstiegsrouten und Aufenthaltsorte sehr genau detektiert werden,
gleichzeitig kann die Technik mit einem Zusatzmodul auch als Kompass
genutzt werden.
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Die
textilen Schutzfunktionen werden durch die elektronischen Systemkomponenten
nicht beeinträchtigt.
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Lösung
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Vorteile der
Lösung
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Ein
wesentlicher Vorteil der Ausgestaltung nach den Unteransprüchen ist
in der universellen Anwendbarkeit zu sehen, es gibt keine Beschränkung auf
spezielle Einsatzgebiete oder eine besondere personelle Bindung
der Bekleidung zum jeweiligen Träger
(außer
der Größenabmaße).
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Durch
Integration einer Kommunikationsmöglichkeit der eingebauten Elektronik
und dem permanentem Datentransfer können folgende Aspekte realisiert
werden:
- • Lebenserhaltung
bzw. Gesundheitserhaltung und Gesundheitskontrolle durch sensorische
Erfassung der Körper-
und Umweltdaten
- • Rettungs-
und Bergungsmöglichkeit
durch schnelle Lokalisierung der verunfallten Personen
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Dieses
erfindungsgemäße multifunktionale sensorintegrierte
Bekleidungssystem ist folgendermaßen charakterisiert:
- • Autarke
Datenerfassung, -verarbeitung und -weiterleitung somit kein Bedienaufwand
- • Onlinebewertung
von Vitalfunktionen (Atem- und Herzfrequenz) durch sensorische Erfassung
des ganzen Körpers
(inklusive Hände
und Füße)
- • Genaue
Positionsbestimmung, Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit, zurückgelegter
Weg für
aktuelle Zeit/Datum bestimmbar
- • Onlinebestimmung
des Wärmegradienten
in der Kleidung und Vorhersage einer Unterkühlungs- bzw. Erfrierungswahrscheinlichkeit
- • Implementiertes
Gefahrenwarn- und vorhersagesystem zur gesundheitsbezogenen Gefahrenabwendung
- • Autarke
Energieversorgung
- • Vollständige Bekleidungsintegration
der Elektroniksysteme (alle Systemkomponenten befinden sich in der
Kleidung, keine Adaption vor Gebrauch notwendig) dadurch geringes
Gewicht & hoher Tragekomfort
- • Möglichkeit
des manuelles Absetzens eines Notrufsignals
- • Funktion
an jedem Punkt der Erde gewährleistet, da
keine externen Funknetze notwendig sind, keine Anmeldung in Funknetze,
sofort nutzbar, nicht gebührenpflichtig
- • Keine
Abhängigkeit
oder Anpassung auf die nutzende Person
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend durch ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
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Die
dazugehörige
Zeichnung zeigt eine Prinzipskizze des Ausführungsbeispieles, wobei folgende
Bestandteile enthalten sind:
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- 1
- Temperatursensoren
- 2
- Lagesensor
- 3
- Energieversorgung
- 4
- Atemfrequenzsensor
- 5
- Herzfrequenzsensor
- 6
- GPS-Modul
- 7
- Funkmodul
- 8
- Indikator
- 9
- Notruf
- 10
- Rechner,
Basisstation
- 11
- Mikrocontroller
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An
der Außen-
und Innenseite der Kälteschutzkleidung
sind in einer geeigneten Flächenverteilung
Temperatursensoren (1) fixiert. Für eine möglichst fehlerfreie Bereitstellung
der Temperaturinformation werden vorzugsweise digitale Sensoren
mit einer Signalaufbereitung im Sensorkern eingesetzt. Aus den messbaren
Temperaturgradienten und bekannten Materialparametern der Kleidung
kann der partielle Wärmestrom
bestimmt werden. Durch die zusätzliche
Einbindung kalorimetrischer und thermodynamischer Berechnungen und
bekannter Gesetzmäßigkeiten
zum Wärmehaushalt
des menschlichen Körpers
wird in der Auswertung der Gesamtheit der Temperaturinformationen
mit hinreichender Näherung
auf die ortsbezogene Hauttemperatur geschlossen. Durch Nutzung medizinischen
Erkenntnisse zum Kälteverhalten
der Haut und Online-Auswertung zeitbezogenen Auskühlung wird
der Grad einer Erfrierungsgefährdung
abgeschätzt.
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Im
Innenbereich der Kälteschutzkleidung
befindet sich auf Brusthöhe
der mit einem dehnbaren Band verbundene Sensor zur Aufnahme der
Atemfrequenz (4) und umschließt bei geschlossener Kleidung
den Körper.
Durch Variation des Brustumfangs infolge der Atmung entsteht ein
Zug-/Dehnungseffekt am Sensor, welcher durch eine eingebaute Dehnmessstreifenmatrix
ein atemfrequenz- und atemintensitätsbezogenes Ausgangssignal
generiert.
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Der
Sensor zur Aufnahme der Herzfrequenz (5) befindet sich
ebenfalls in Brusthöhe
und ist so in die Unterkleidung integriert, dass ein Elektrodenkontakt
zur Haut besteht. Das Frequenzsignal wird über Funk ausgegeben. Ein weiterer
Herzfrequenzsensor ist im Daumenbereich der Handschuhe integriert. Flexible
Elektroden, bestehend beispielsweise aus metallisierten Gewebe,
umhüllen
kontaktierend den Daumen und greifen dadurch ein herzfrequenz-/pulstypisches
körpergeneriertes
elektrisches Spannungssignal ab.
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Der
in der Schutzkleidung eingebauter Lagesensor (2) unterscheidet
zwischen einer stehenden und liegenden Person und liefert somit
Zusatzinformationen. Die Positionsbestimmung erfolgt mittels eines
GPS-Navigationssystems (6). Die Ortsbestimmung erfolgt
dreidimensional aus den bereitgestellten und umgerechneten geografischen
Daten mit Zeitbezug.
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Im
Innenteil der Schutzkleidung befindet sich eine Elektronikplatine
mit den Hauptbestandteilen Mikrocontroller (11), analogen
Eingängen,
digitalen Ein- und Ausgängen,
Temperatureingänge,
GPS-Modul, Funkempfänger
für den
Herzfrequenzsensor und Funkmodul. GPS- und Sensordaten werden erfasst, aufbereitet
und durch das Funkmodul (7) gesendet. Durch Betätigung eines
kleidungsintegrierten Tasters (9) ist das Absetzen eines
manuellen Notrufs möglich.
Im Controller erfolgt bereits eine Vorverarbeitung der Daten. Somit
besteht die Möglichkeit,
bei Erkennung einer Gefahr einen Indikator (8), z.B. Lichtsignal,
anzusteuern. Die betreffende Person oder auch benachbarte Personen
werden dadurch gewarnt. Eine leistungsfähige Batterie, ebenfalls im
Innenteil der Schutzkleidung integriert, liefert die Energieversorgung
(3). Eine Energieunterstützung durch Solarmodule ist
zusätzlich
möglich.
Die Verbindungsleitungen zwischen den Elektronikkomponenten werden durch
isolierte, dünne
und hochflexible Litzen realisiert, welche in einem aufgenähten textilen
Träger (Bandmaterial)
integriert sind.
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Eine
zentrale Basisstation (10) empfängt die personenadressierten
gesendeten (z.B. 433MHz-Funkmodul) Daten und bearbeitet diese. Somit
ist online eine genaue Zustandsanalyse der sendenden Person möglich. Auswertbar
sind beispielsweise Zeit, Geschwindigkeit, Position, Weg, Lage,
Herz- und Atemfrequenz, Außen-,
Innen und Hauttemperatur, Unterkühlungs-/Erfrierungswahrscheinlichkeit,
Gefahrenzustand oder der Grad der körperlichen Belastung durch
Bewertung der Vitalparameter. Mathematisch-physikalische Algorithmen werten
die Gesamtheit der Parameter aus und erkennen eine personenbezogene
Gefahr bereits während ihrer
Entstehung und können
somit vor Eintritt eines akuten Gefahrdungsereignisses (z.B. Erfrierung, Atemnot)
warnen. Dies geschieht zum einen in der Basisstation, zum anderen
durch eine Funkinformation (Duplexbetrieb) zur betreffenden Person.
Ist eine Person zu suchen, so kann durch die verfügbaren Positionsdaten
der Aufenthaltsort eingegrenzt werden. Ein Algorithmus zur Aktivierung
externer Hilfe bei Erkennung einer akuten Gefährdung ist integriert.