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Die Erfindung betrifft einen Wiederbelebungssimulator nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
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Wiederbelebungssimulatoren sind in Form von menschlichen Puppen im Stand der Technik natürlich hinlänglich bekannt. Wiederbelebungssimulatoren dienen dazu, Wiederbelebungstechniken, insbesondere durch Anwendung von Herz-Druck-Massage in Kombination mit Beatmungen zu trainieren.
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Zur Durchführung einer richtigen, d. h. die Überlebenswahrscheinlichkeit des Patienten erhöhenden Herz-Druck-Massage bedarf es eines erheblichen Trainings hinsichtlich insbesondere der Kompressionstiefe des Brustkorbes. Um die richtige Kompressionstiefe zu trainieren, ist eine Rückkopplung oder ein Feedback über die Kompressionstiefe bisher von der Schulungsperson durchgeführter Herz-Druck-Massagen notwendig.
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Die im Stand der bekannten Wiederbelebungssimulatoren stellen jedoch nur eine unzureichende Information über die Kompressionstiefen durchgeführter Herz-Druck-Massagen zur Verfügung.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen eingangs genannten Wiederbelebungssimulator dahingehend zu verbessern, dass die Kompressionstiefe genauer bestimmbar ist.
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Die Aufgabe wird durch einen eingangs genannten Wiederbelebungssimulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfüllt.
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Der erfindungsgemäße Wiederbelebungssimulator weist eine Brustkorbwandung auf, die entlang einer Kompressionsstrecke hin und her beweglich ist, und einen erfindungsgemäßen Abstandssensor, der eine optische Weglänge zwischen einem Sender und einem Empfänger misst, wobei die Länge des optischen Weges durch die Stellung der Brustkorbwandung entlang der Kompressionstrecke zumindest mitbestimmt ist, vorzugsweise vollständig bestimmt ist.
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Somit ist es auf einfache Weise möglich, durch Messung der Länge des optischen Weges die Kompressionstiefe während des Wiederbelebungstrainings zu ermitteln und der Schulungsperson ein Feedback hinsichtlich der Qualität der von ihr an dem Wiederbelebungssimulator durchgeführten Herz-Druck-Massagen zu geben.
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Vorzugsweise strahlt der Sender eine Strahlung ab, deren Intensität mit zunehmender Länge der Wegstrecke abnimmt. Der Empfänger misst die eingehende Strahlungsintensität. Aus der gemessenen Strahlungsintensität ist die optische Weglänge und damit die Kompressionstiefe berechenbar.
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Günstigerweise handelt es sich bei dem Sender um eine IR-LED und/oder auch bei dem Empfänger um eine IR-LED. Durch die Verwendung von Strahlungssendern, insbesondere in Form von IR-LEDs ist es auf kostengünstige Weise möglich, einen Abstandssensor aufzubauen, der im Wesentlichen darauf beruht, dass sich die Länge des von der IR-Strahlung zurückgelegten optischen Weges zwischen den beiden IR-LEDs verändert und damit auch die gemessene Intensität an den IR-LED Empfänger verändert, solange der IR-LED Sender mit gleichbleibender Strahlungsintensität sendet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Wiederbelebungssimulators wechselt der Sender zwischen einem eingeschalteten und einem ausgeschalteten Zustand. Im eingeschalteten Zustand erzeugt der Sender eine Strahlung mit konstanter Intensität, im ausgeschalteten Zustand erzeugt der Sender keine Strahlung. Der Empfänger misst im ausgeschalteten Zustand des Senders eine Störstrahlung und wandelt diese in ein Störmesssignal um, das gegebenenfalls aufbereitet in einem Speicher eines Mikroprozessors zumindest kurzzeitig gespeichert wird. Günstigerweise misst der Empfänger im eingeschalteten Zustand des Senders eine Gesamtstrahlung und wandelt diese in ein Gesamtmesssignal um und führt auch dieses gegebenenfalls aufbereitet dem Mikroprozessor zu. In dem Mikroprozessor kann aus dem Gesamtmesssignal und dem vorab abgelegten Störmesssignal durch einen Algorithmus das eigentliche Nutzmesssignal ermittelt werden, das dann einer Weiterverarbeitung und Auswertung zuführbar ist.
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Das Nutzmesssignal dient als Grundlage für die Berechnung der Länge des von der Strahlung zurückgelegten optischen Weges und damit zur Berechnung der Kompressionstiefe des Brustkorbes durch die trainierende Schulungsperson.
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Vorzugsweise umfasst der Abstandssensor einen entlang der Kompressionsstrecke hin und her beweglichen Druckpilz mit einer Außenseite, die positionsfest mit der Brustkorbwandung verbunden ist und einer Innenseite, die eine Reflexionsebene aufweist. Die Reflexionsebene ist dem Sender und dem Empfänger gegenüberliegend angeordnet, und die Länge des optischen Weges ist durch die Entfernung zwischen Sender und Reflexionsebene und zwischen Reflexionsebene und Empfänger bestimmt. Somit ist eine einfache mechanische Konstruktion des Abstandssensors möglich.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Sender eine IR-LED, die mit einem Kollektor eines in Emitterschaltung betriebenen Transistors elektrisch leitend verbunden ist, und ein Basisstrom des Transistors ist ein- und ausschaltbar. Ein Arbeitspunkt des Transistors kann in bekannter Weise über drei feste Widerstände eingestellt werden. Ein an der Basis des Transistors vorgesehener Spannungsteiler wird vorzugsweise an einer ein- und ausschaltbaren Konstantspannungsquelle betrieben. Durch Ein- und Aussschalten der Konstantspannungsquelle wird durch die IR-LED ein im Wesentlichen rechteckförmiges Strahlungssignal erzeugt, das im Empfänger aufgenommen wird.
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Günstigerweise umfasst der Empfänger ebenfalls eine IR-LED, die an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen ist und die in Reihe mit einem Messwiderstand geschaltet ist und einen Messsignalanschluss zum Abgreifen eines Messsignals aufweist. Die IR-LED erzeugt durch Empfangen von IR-Licht einen Leckstrom. Der Leckstrom entsteht durch einen schwachen photovoltaischen Effekt, der durch die einfallende IR-Strahlung in der als Empfänger verwendeten IR-LED erzeugt wird. Ein durch den Leckstrom erzeugter Spannungsabfall am Messwiderstand ist durch eine Signalaufbereitungsschaltung abgreifbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Signalaufbereitungsschaltung eine Verstärkerschaltung, die günstigerweise als ein nichtinvertierender erster Operationsverstärker ausgebildet ist, die das Messsignal des Empfängers verstärkt und an einen ersten Eingang eines Summierers angeschlossen ist. Vorzugsweise ist ein zweiter Operationsverstärker als der Summierer beschaltet. Der Summierer subtrahiert vom verstärkten Messsignal eine Referenzspannung. Durch die Verstärkung befindet sich das Schwankungen aufweisende Messsignal in einem Spannungsbereich, in dem ein üblicher Mikroprozessor nicht ansteuerbar ist. Die Spannung muss daher in einen geeigneten Bereich verschoben werden. Diese Verschiebung des Spannungsbereiches wird durch eine mit der Signalaufbereitungsschaltung günstigerweise zusammenwirkende Offset-Kompensationsschaltung erreicht. Die Offset-Kompensationsschaltung erzeugt die Referenzspannung, die neben dem verstärkten Messsignal dem Summierer zugeführt wird.
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Die Offset-Kompensationsschaltung weist günstigerweise einen dritten Operationsverstärker auf, der als Spannungsfolger beschaltet ist. Der Spannungsfolger stellt eine stärker belastbare unverstärkte Zwischenreferenzspannung zur Verfügung. Die Zwischenreferenzspannung wird einem vierten Operationsverstärker zugeführt, der als nichtinvertierender Verstärker beschaltet ist und die Zwischenreferenzspannung auf die erforderliche Referenzspannung verstärkt. Der Ausgang des vierten Operationsverstärkers ist mit dem zweiten Eingang des zweiten als Summierer beschalteten Operationsverstärkers verbunden. Am Ausgang des Summierers wird ein in einem vorgegebenen, durch den Mikroprozessor auswertbaren Spannungsbereich variierendes aufbereitetes Messsignal zur Verfügung gestellt.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in sechs Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
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1a eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wiederbelebungssimulator,
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1b eine perspektivische Ansicht eines Kompressionsmoduls in 1,
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2 eine Beschaltung eines IR-Senders,
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3 eine Beschaltung eines IR-Empfängers,
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4a eine Signalaufbereitungsschaltung einer Verstärkerschaltung für ein Messsignal des IR-Sensors,
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4b eine Offset-Kompensationsschaltung der Verstärkerschaltung.
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Nach den Leitlinien des ERC (European Resuscitation Council) wird als genereller Ablauf der Basismaßnahmen zur Wiederbelebung eines Patienten ein Verhältnis von 30 Herzdruckmassagen zu zwei Beatmungen empfohlen. In einem hier dargestellten Wiederbelebungssimulator 1 ist ein Kompressionsmodul 3 zum Training der Herz-Druck-Massagen eingebaut. Das Kompressionsmodul 3 ist auch in 1b dargestellt. Es sind weitere Modulbauteile in dem Wiederbelebungssimulator 1 eingebaut, die hier zur Vereinfachung nicht dargestellt sind, und die beispielsweise die Beatmung betreffen. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
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1a zeigt einen erfindungsgemäßen Wiederbelebungssimulator 1 in Menschengestalt. Der Wiederbelebungssimulator 1 weist eine entlang einer durch einen Doppelpfeil gekennzeichneten Kompressionsstrecke hin und her bewegliche Brustkorbwandung 2 auf. Der Wiederbelebungssimulator 1 ist dazu geeignet, Herzdruckmassagen zu trainieren.
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Die Brustkorbwandung 2 ist unter Überwindung einer durch eine Feder 13 erzeugte Gegenkraft entlang der Hubstrecke komprimierbar. Die Gegenkraft entspricht in etwa der Gegenkraft, die zum Komprimieren eines durchschnittlichen Brustkorbs eines erwachsenen Menschen aufgewendet werden müsste.
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In den oben genannten ERC-Leitlinien wird empfohlen, eine Drucktiefe von 6 cm nicht zu überschreiten. Jedoch sind Kompressionstiefen, die bei weniger als 4 cm liegen, auch nicht empfehlenswert. Von daher sollte eine Kompressionstiefe bei einem erwachsenen Menschen von etwa 4 bis 6 cm erzielt werden, um eine möglichst hohe Wiederbelebungswahrscheinlichkeit zu haben.
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Der erfindungsgemäße Wiederbelebungssimulator 1 dient dazu, die Kompressionstiefe zu trainieren, indem ein Abstandssensor 4 vorgesehen ist, der einen IR-LED2 aufweisenden Sender 6 und einen IR-LED1 aufweisenden Empfänger 7 umfasst und der die Länge des von der IR-Strahlung zwischen dem IR-Sender 6 und dem IR-Empfänger 7 von einem von der IR-Strahlung zurückgelegten optischen Weg I misst.
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Der Wiederbelebungssimulator 1 ist in 1a mit einer Rückenseite 8 des Kompressionsmoduls 3 eben auf eine feste Unterlage 9 gelegt, und die Hilfsperson drückt mit der flachen Hand von außen auf die Brustkorbwandung 2 in Richtung der festen Unterlage 9. Dabei wird ein Druckpilz 10 des Kompressionsmoduls 3 gegen die Feder 13 betätigt. Die Brustkorbwandung 2 ist elastisch ausgebildet, um die Kompressionsbewegung mitgehen zu können.
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Die Funktion des Kompressionsmoduls 3 ist in 1b gezeigt. Die Innenseite der Brustkorbwandung 2 liegt druckfest auf einer Außenseite 11 des Druckpilzes 10 auf. Der Druckpilz 10 ist an einer dem IR-Sender 6 und dem IR-Empfänger 7 zugewandten Innenseite weiß angemalt und bildet somit eine Reflexionsebene 12 für IR-Strahlung aus. Der Druckpilz weist einen hohlen Stamm auf. In dem Stamm ist die Feder 13 angeordnet, die die Gegenkraft zur Kompressionsbewegung der Hilfsperson erzeugt.
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Die Reflexionsebene 12 reflektiert den vom IR-Sender 6 ausgehenden IR-Strahl und lenkt ihn auf den IR-Empfänger 7 um. Aufgrund der Kompressionsbewegung wird der Druckpilz 10 entlang der Kompressionsstrecke hoch- und herunterverfahren. Die Länge des optischen Weges I zwischen IR-Sender 6 und IR-Empfänger 7 verändert sich entsprechend der Stellung der Reflexionsebene 12 entlang der Kompressionstrecke. Der IR-Sender 6 sendet ein Infrarotsignal aus, dessen Intensität mit der Entfernung von IR-Sender 6 quadratisch abnimmt. Der IR-Empfänger 7 empfängt das Signal und erzeugt ein Messsignal im IR-Empfänger 7, dessen Stärke von der Intensität der empfangenen IR-Strahlung abhängt.
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Die am IR-Empfänger 7 eingehende IR-Strahlung enthält in der Regel Anteile von Störquellen, wie beispielsweise Tageslicht oder insbesondere Abstrahlung von Leuchtstoffröhren, die auch im IR-Bereich Strahlung absondern. Zur Durchführung einer exakten Längenmessung des optischen Weges I zwischen IR-Sender 6 und IR-Empfänger 7 muss das Messsignal am IR-Empfänger 7 um die Signale der Störquellen bereinigt werden.
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Dazu wird grundsätzlich der IR-Sender nach 20 ms ein- und nach weiteren 20 ms wieder ausgeschaltet, während der IR-Empfänger 7 ständig die eintreffende IR-Strahlung misst. Die empfangene IR-Strahlung erzeugt ein Gesamtmesssignal, das im Falle des eingeschalteten IR-Senders 6 aus einem Nutzmesssignal besteht, das mit einem Störmesssignal überlagert ist, während in den Zeitintervallen, in denen der IR-Sender 6 ausgeschaltet ist, nur das Störmesssignal am IR-Empfänger 7 gemessen wird. Das zur Entfernungsmessung verwendete Nutzmesssignal ergibt sich im Wesentlichen durch Differenzbildung des Gesamtmesssignals und des Störmesssignals.
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In 2 ist der IR-Sender 7 in einer Prinzipschaltung dargestellt. Die IR-LED2 ist an einen Kollektor eines in Emitterschaltung arbeitenden Transistors T angeschlossen. Ein Arbeitspunkt des Transistors T ist über drei feste Widerstände R1, R2, R4 eingestellt. Eine Basis des Transistors T ist mit einem aus den beiden Widerständen R1, R2 aufgebauten Spannungsteiler verbunden. Der Spannungsteiler R1, R2 ist an eine ein- und ausschaltbare Stromquelle IREN angeschlossen. Der Strom durch den Spannungsteiler R1, R2 wird nach 20 ms eingeschaltet und nach weiteren 20 ms für weitere 20 ms ausgeschaltet. Die IR-LED2 erzeugt daher ein etwa rechteckförmiges Strahlungsprofil.
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3 zeigt die Beschaltung des IR-Empfängers 7, der die IR-LED1 umfasst. Die IR-LED1 ist in Reihe mit einem Messwiderstand R31 in Höhe von 1 MΩ geschaltet, Die IR-LED1 erzeugt durch Empfangen von Infrarotstrahlung einen Photostrom im IR-Empfänger 7. Ein Spannungsabfall am Messwiderstand R31 wird als Messsignal in der Verstärkerschaltung gemäß 4a und 4b aufbereitet und kann am Ausgang IR_SEN_ADC abgegriffen werden.
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Die 4a und 4b sind zusammen zu lesen; sie bilden gemeinsam die Verstärkerschaltung aus. Die Verstärkerschaltung besteht zum einen aus der in 4a dargestellten Signalaufbereitungsschaltung, die, wie im linken Teil der Schaltung zu sehen ist, den Photostrom über den Messwiderstand R31 als Messsignal misst und aufbereitet. Die Aufbereitung erfolgt durch einen nichtinvertierenden ersten Operationsverstärker U2B, der hier einen Verstärkungsfaktor von VU = 1 + (R11/R14) = 50 aufweist. Das verstärkte Signal wird anschließend über einen Widerstand R12 einem als Summierverstärker arbeitenden zweiten Operationsverstärker U2C zugeführt.
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In den 4a und 4b sind zu verbindende Anschlussstellen gleich gekennzeichnet. Insbesondere ist der Ausgang eines vierten Operationsverstärkers U2A über einen Widerstand R18 mit einem negativen Eingang des zweiten Operationsverstärkers U2C verbunden.
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Die in der 4b dargestellte Offset-Kompensationsschaltung dient dazu, das am Ausgang IR_SEN_ADC zur Verfügung gestellte Signal in einen Spannungsbereich von 0 bis 3,3 Volt zu verschieben, da dieses der Arbeitsbereich des an dem Ausgang IR_SEN_ADC angeschlossenen Mikroprozessors ist. Die Offset-Kompensationsschaltung weist einen dritten Operationsverstärker U2D und den vierten Operationsverstärker U2A auf, wobei der dritte Operationsverstärker U2D als Spannungsfolger betrieben wird und eine Referenzspannung von URef1 = UVCC × (R3/(R3 + R7)) = 2,1 Volt erzeugt, wenn die an einem Spannungsteiler R3, R7 anliegende Spannung UVCC 3,3 Volt, wie in 4b dargestellt, beträgt. Der Spannungsfolger stellt die nichtverstärkte Referenzspannung von 2,1 Volt am positiven Eingang des vierten Operationsverstärkers U2A zur Verfügung. Der vierte Operationsverstärker U2A wird als nichtinvertierender Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor VU = 1 + (R30/R17) = 4 betrieben. Daher erzeugen der dritte U2D und vierte Operationsverstärker U2A zusammen eine Referenzspannung von VCC_REF in Höhe von 8,4 Volt. Diese Spannung entspricht genau der benötigten Offset-Kompensationsspannung. Die Referenzspannung VCC_REF wird dem als Summierverstärker mit Verstärkung VU = 1 beschalteten zweiten Operationsverstärker U2C der 4a zugeführt und zieht von dem verstärkten Sensorsignal die Referenzspannung von 8,4 Volt ab. Dadurch entsteht ein aufbereitetes Messsignal, das sich im Spannungsbereich von 0 bis 3,3 Volt befindet. Dieses aufbereitete Sensorsignal IR_SEN_ADC wird vom Analag-Digital-Wandler ADC zunächst digitalisiert und dem Mikroprozessor (nicht dargestellt) zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wiederbelebungssimulator
- 2
- Brustkorbwandung
- 3
- Kompressionsmodul
- 4
- Abstandssensor
- 6
- IR-Sender
- 7
- IR-Empfänger
- 8
- Rückenseite des Kompressionsmodul
- 9
- feste Unterlage
- 10
- Druckpilz
- 11
- Außenseite des Druckpilzes
- 12
- Reflexionsebene
- 13
- Feder
- I
- optischer Weg
