DE3109026C2

DE3109026C2 - Respiratorisches Biofeedbackgerät

Info

Publication number: DE3109026C2
Application number: DE19813109026
Authority: DE
Inventors: Thomas 6800 Mannheim Schubert
Original assignee: SCHUBERT GEB GRUBER EDITH 6800 MANNHEIM DE; Schubert Geb Gruber Edith 6800 Mannheim
Current assignee: SCHUBERT, THOMAS, 8750 ASCHAFFENBURG, DE
Priority date: 1981-03-10
Filing date: 1981-03-10
Publication date: 1989-06-08
Also published as: DE3109026A1

Description

Die Erfindung betrifft ein respiratorisches Biofeedbackgerät mit Sensoren zur Erfassung und Registrierung der Atemtätigkeit und Rückmeldung derselben an den Patienten durch akustische und/oder optische Signale. Die Erfindung geht aus von bereits bekannten respiratorischen Biofeedbackgeräten, bei denen Sensoren unmittelbar am Körper des Patienten angebracht werden.

In der Zeitschrift »Therapiewoche« 27, 31, 1977, S. 5512-5524 findet sich eine ausführliche Beschreibung dieser Technik. Aus diesem und anderen Forschungsberichten ist ersichtlich, daß der Mensch bei entsprechender Atemführung eine tiefe Entspannung erleben kann, die dem gesamten Organismus zugute kommt. Im übrigen war die Bedeutung des Atems für ein psychisch-physisches Gleichgewicht schon in früheren Kulturen bekannt was leicht daraus zu erkennen ist daß in Jahrtausende alten Meditationsübungen der Atem mit einbezogen wird.

Es !ag also nahe, mit modernen elektronischen Mitteln nach einer Möglichkeit zu suchen, das entspannte Atmen zu unterstützen, bzw. zu trainieren. In den Druckschriften

1)
2)

DE-OS 20 42 535
DE-OS 26 39 141

werden Geräte beschrieben, die den angestrebten Zweck zu verwirklichen suchen. Das technische Problem bei respiratorischen Biofeedback-Geräten liegt in der Schnittstelle zwischen Mensch und Technik, also dort, wo die Sensoren das Atemgeschehen in ein elektrisches Signal umwandeln müssen.

So wird in 1) ein Atemgurt beschrieben, der mittels Dehnungsmeßstreifen aus der durch das Atmen hervorgerufenen Körperbewegung ein elektrisches Signal zur feedbackgemäßen Weiterverarbeitung gewinnt In 2) wird zu demselben Zweck ein Atemgürtel auf pneumatischer Basis eingesetzt In den folgend genannten Druckschriften

3) DE-OS 23 37 061

4) DE-OS 30 00 254

5) DE-OS29 10 944

6) DE-OS 24 18 910
7) DE-OS 23 02 770

werden Möglichkeiten beschrieben, wie man mittels Sensoren die Atemtätigkeit erfassen kann.
Und zwar bei

3) wird ein mechanisches Volumenmeßprinzip angewandt;

4) hier wird der Atemluftstrom durch Thermofühler gemessen;

5) die muskulöse Aktivität wird tr«it Elektroden erfaßt;

6) Elektroden messen unterschiedliche Hautleitfähigkeiten;

7) die akustische Aktivität beim Atmen wird erfaßt.
Es ist offensichtlich, daß die bekannten Biofeedbackgeräte und die in den Druckschriften genannten Verfahren und Vorrichtungen zur Signalgewinnung für respiratorisches Feedback — das der Entspannung dienen soll — nur bedingt geeignet sind. Dabei ist nämlich eine nicht unerhebliche technische Manipulation und ein apparativ dinglicher Gerätekontakt zum Patienten erforderlich, der dem erwünschten Ziel, nämlich einem tiefen Entspannungszustand im Wege steht.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein respiratorisches Biofeedbackgerät zur Erfassung und Rückmeldung der Atemtätigkeit durch akustische und/oder optische Signale zu schaffen, das einen einfachen äußerlichen Aufbau hat, ohne aufwendige oder genaue Justierung auskommt, so daß die Einstellung des Gerätes keine besonderen Kenntnisse erfordert, daß eine Nachjustierung bei Änderung der Lage des Patienten nicht erforderlich wird und daß keine besonderen Hilfsmittel am Körper des Patienten erforderlich sind.

Zur technischen Realisierung der Erfindung mußte zunächst folgende Erkenntnis erarbeitet werden: Da bei einem atmenden menschlichen Individuum körperhafte Bewegungen entweder im Brust- oder Bauchbereich zu finden sind — oder in einer Kombination von beiden, muß es erfindungsmäß möglich sein, die Atembewegun-

gen relativ ungezielt von der Körperoberfläche zu detektieren, denn ein entsprechend aufgefächerter Abtaststrahl wird stets wenigstens eine der sich bewegenden Körperpartien in seinem Erfassungsbeieich antreffen. Durch diese integrale Abtastung mittels einer Einpunktanordnung in Verbindung mit geeigneten elektronischen Folgeschaltungen können alle Forderungen der gestellten Aufgabe erfüllt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 bzw. 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Diese hier genannten Lösungsmöglichkeiten schaffen die Voraussetzungen für ε-inen wirklich entspannten Umgang mit dem Atemgeschehen zu Trainings- oder Therapiezwecken, denn es ist leicht einsehbar, daß eine umständliche oder gar bedrohlich wirkende Technik in Verbindung mit umfangreichen Manipulationen wie Justierung der Apparate oder der Lage des Patienten keine entspannte Grundstimmung aufkommen läßt. Eine irgendwie geartete Belästigung des Patienten muß grundsätzlich vermieden werden.

Diese Erkenntnis leitet über zu einem anderen Vorteil der Erfindung, nämlich daß es dem Patienten auch im Heimgebrauch möglich ist, sich einfach hinzusetzen, oder sich hinzulegen, einen unauffälligen Sensor in etwa auf die Region seiner Leibesmitte auszurichten, wobei er nur noch die für ihn angenehme Lautstärke oder die Helligkeit der Rückmeldesignale einzustellen hat und wobei Kleidung oder Decken die Funktion des Gerätes nicht behindern.

Zunächst gait es ein technisches Verfahren zu finden, das eine berührungslose Abtastung der Körperregion ermöglicht. Als Stand der Technik seien hier folgende Druckschriften angegeben:

8) Französisches Patent 15 70 640 _J5

9) US-Patent41 97 856

10) US-Patent39 93 995

11) Deutsche Offenlegung 21 62 070

12) Deutsche Offenlegung 26 22 128

8) Hier ist eine Vorrichtung angegeben, bei der ein Lichtstrahl auf den Patienten gerichtet wird, der an der Körperoberfläche ein reflektierendes Medium tragen muß und bei der über einen räumlich versetzten Empfänger die Lichtreflexion (auch im unsichtbaren Bereich) empfangen und den Atembewegungen entsprechend ausgewertet wird.

9) Hier wird anstatt einer Lichtstrahlung Ultraschallstrahlung zur Anwendung gebracht, ausgehend von dem gleichen Prinzip der räumlichen Trennung von Sender und Empfänger, in einer Dreipunkt-Anord- '° nung.

10) Diese Patentschrift beschreibt ein Gerät, das mittels Mikrowellen in der Lage ist, den Richtuingswechsel am Umkehrpunkt zwischen Ein- und Ausatmung zu erkennen (und vice versa), damit genau zu diesem Zeitpunkt ein Röntgengerät geschaltet werden kann.

11) Hier wird eine weitere Variante zur berührungslosen Atemüberwaehung veröffentlicht. Es handelt sich um einen Fühler, der auf Druck reagiert und auf dem der Patient gleichsam liegt. Für Biofeedbackzwecke jedoch nicht geeignet, da die körperliche Entspannung beim Atmen über dem Thorax- und Abdominalbeieich gemessen wird, wozu die hier vorgeschlagene Einrichtung physiologisch nicht geeignet ist.

12) Hier wird schließlich ein komplettes Atemtrainings- und Übeiwach'ingsgerät beschrieben, das mit Biorückkopplung arbeitet Aufgrund der Tatsache, daß der Patient in einen mechanischen Wandler »hineinatmen« muß, ist dieses Gerät für Entspannungstraining nicht brauchbar.

Die hier aufgezeigten Schriften zeigen zwar, daß es nach dem Stand der Technik durchaus möglich ist, auf berührungslosem Weg Information über das Atemgeschehen in elektrische Signale umzusetzen. Gleichzeitig wird jedoch deutlich, daß das -subtile Geschehen »seelisch-geistige-körperliche Entspannung« durch die technischen Parameter behindert wird, bzw. daß das erwünschte; dem Atem analoge Signal, aus physiologischen, oder technischen Gegebenheiten nicht erreicht werden kann. Bei den bereits bekannten Biofeedbackgeräten mit mechanisch dinglichem Körperkontakt zum Patienten (1) und 2)) ist dies, wie bereits erwähnt — auch nicht der Fall.

Anhand der Zeichnung werden πρτϊ im folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung naher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in stark schematisierter Darstellung und

Fig.2 ein zweites Ausführungsbeispiel, ebenfalls in stark schematisierter Darstellung.

Gemäß Fig. 1 ist einem Steuergerät (1), das die Rückmeldesignale erzeugt, mittels eines Stativs (3), das eine mechanisch-räumliche Einpunktfixierung ermöglicht, ein kleiner unauffälliger Sensor zugeordnet. Dieser Sensor (2) besitzt zwei kleine — optisch voneinander isolierte — Fotodioden. Die eine Fotodiode strahlt dabei Infrarotlicht in Richtung der mittleren Körperregion (4) des Patienten; und die andere Fotodiode empfängt den reflektierten Strahlungsanteil. Dieser reflektierte Strahlungsanteil enthält die dem Atem analoge Information, da sich der Abstand (A) atemrhythmisch ändert. Das so gewonnene Signal des Sensors wird über eine Verbindungsleitung (8) dem Steuergerät (1) zur elektronischen Aufbereitung und Weiterverarbeitung zugeleitet.

Die vom Steuergerät (1) atemmodulierten Rückmeldesignale werden über die Verbindungsleitung und das Stativ einer Leuchte (5) zugeführt, welche im Rhythmus des Atems ihre Helligkeit ändert. In dieser Leuchte kann zugleich ein Lautsprecher eingebaut sein, der das akustische Feedback besorgt.

Das Steuergerät (1) enthält zwei Regler (9) und (10) für die gewünschte Signalstärke des Lichtes und des Tones. Es kann ferner ein Kontrollämpchen (7) vorgesehen sein, das dem Bedienenden anzeigt, wann während des Einschwenkvorganges des Statives ein günstiger Arbeitsabstand für die Elektronik erreicht ist. Individuell verschiedene Entfernungseinstellungen, sowie divergierende Reflexionsfaktoren der Kleidung, können jedoch auch von einer Regelautomatik ausgeglichen werden. Ferner ist noch ein Leuchtdiodenband (6) vorgesehen, an dem die Atemtätigkeit bei Bedarf in Form des sich rhythmisch ändernden Leuchtbandes mitverfolgt werden kann.

Diese Beschreibung soll nur das grundsätzliche Funktionsschema erklären. Der gerätetechnische Aufbau kann auch ein ganz anderer sein. So kann z. B. das Stativ als Wandhalterung ausgebildet sein und die Rückmeldeeinheiten bestehen aus einem unsichtbar im Raum angebrachten Lautsprecher oder einem Kopfhörer, den der Patient trägt. Auch der Sensor kann unsichtbar in der Decke des Raumes angebracht sein, worunter eine bequeme Liegestätte errichtet ist. Sobald sich der Patient zur Entspannung niedereeleet hat

befindet er sich ja im Strahlungsbereich des Sensors. Das Steuergerät beginnt zu arbeiten und steuert atemsynchron die gesamte Raumhelligkeit, wobei synchron dazu ein melodischer Klang oder ein Musikstück gesteuert werden kann.

Wie die Praxis gezeigt hat, wird dem Patienten dadurch eine völlig neue Erlebnisform der seelisch-körperlichen Entspannung vermittelt, die im wesentlichen darin besteht, daß der Patient erlebt, wie sich visuelle und akustische Dimensionen eines ganzen Raumes verändern — hervorgerufen nur durch zentrales Geschehen innerhalb seines Körpers — und dies alles, ohne daß er sichtbar mit dem Raumgeschehen verknüpft ist.

Die Erfindung kann auch so aufgebaut sein, daß mehrere Patienten gleichzeitig behandelt werden können. Zum Beispiel wird ein Infrarotsender an einem zentralen Punkt der Raumdecke installiert, der alle Patienten gleichermaßen bestrahlt. Der dem einzelnen Patienten zugeordnete Sensor braucht dann nur noch aus der Empfangsdiode zu bestehen, die das an der Körperoberfläche reflektierte Licht einem zentralen Steuergerät zuführt, das dem einzelnen Patienten seinen individuellen Ton über Kopfhörer zuspielt. Dies bedeutet eine erhebliche Einsparung an Gerätetechnik, wenn im Multiplexverfahren in Verbindung mit Mikroprozessoren gearbeitet wird. So wäre dann auch nur ein einzelner Sender und Tongenerator nötig.

Die bisher genannten Sensoren, die mit Infrarotlicht ai'.^iten stehen nur stellvertretend für die Tatsache, daß erfindungsgemäß die Sensoren mit allen praktisch zu realisierenden Strahlen oder Feldern aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum arbeiten können, oder auch mit Schallstrahlung, oder in der Art kapazitiver Annäherungsschalter.

Gemäß Fig.2 kann als kleiner, unauffälliger Sensor aber auch ein metallhaltiges Schmuckstück dienen, das der Patient sich ungezielt und ohne zu justieren, auf die Brust — oder den Bauch legt. Eine solche Ausführung sei nun kurz erläutert.

(MD) ist ein beliebiger Metalldetektor (z. B. wie in Metallsuchgeräten üblich) dem zugleich die übrigen benötigten Steuerteile des Biofeedbackgerätes zugeordnet sind. (M) sei ein metallhaltiges Amulett. (Es kann auch eine metallene Gürtelschnalle sein, falls der Patient eine solche trägt.) Nach den bisherigen Ausführungen ergibt sich von selbst, daß (M) gegenüber dem Fixpunkt (MD) atemrhythmisch bewegt wird. Die erfindungsgemäße Funktion des Biofeedbackgerätes ist hinsichtlich der Aufgabenstellung ebenso befriedigend gelöst

Selbstverständlich kann (MD) auch ein reiner Magnetfelddetektor sein, wenn (M) selbst ein Magnet ist. Oder (M) ist eine Spule (Induktivität) und (MD) arbeitet nach dem Resonanz-Absorptionsverfahren.

Jedoch ist es auch ohne weiteres möglich, daß (M) e'm kleiner Minisender ist und (MD) als reiner Empfänger arbeitet.

^r> Mit den als Beispielen aufgezeigten Ausführungsformen der Erfindung ist die gestellte Aufgabe einwandfrei zu lösen und es wird noch einmal deutlich, worin der entscheidende Fortschritt gegenüber den bekannten respiratorischen Biofeedbackgeräten liegt. Es sei in

ι» diesem Zusammenhang noch einmal daran erinnert, daß eine leichte Bettdecke die Funktion nicht behindert, so daß auch bettlägrige Patienten sich der Vorteile der Erfindung bedienen können.

Der Stand der Technik — mit der Tendenz zu immer

Ii mehr Miniaturisierung der Bauelemente — als auch der Software-Weiterentwicklung bei Minicomputern — bietet immer bessere Möglichkeiten für praktische Ausführungen der Erfindung, dies insbesondere für die weitere Ausgestaltung des Gerätes zur Variierung

-o physiologischer oder psychologischer Parameter der Rückmeldesignale. Hierunter ist folgendes zu verstehen:

Ein physiologischer Parameter in dem hier gemeinten

Sinne ist beispielsweise das vom Sensor direkt gelieferte elektrische Signal in Form einer Spannung oder eines

-i Stromes, das (angenommen) streng linear mit der Atembewegung einhergeht. Dies widerum entspricht dem Atemvolumen. Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit, sowie der Umkehrpunkt zwischen Ein- und Ausatmung sind ebenfalls physiologische Parameter, die

w das Sensorsignal beinhaltet. Es kann nun — je nach medizinischer Indikation — sinnvoll sein, die Parameter nach psychologischen Aspekten zu verändern, indem elektronisch die ursprüngliche Proportionalität zwischen physiologischem Meßwert des Sensors und dem

J5 Rückmeldesignal verändert wird. Um wenigstens ein Beispiel tu nennen: Die Anstiegs- und/oder Abfaüge schwindigkeit des Atems kann elektronisch abgeflacht oder verzögert werden, womit dem Patienten ein weitaus »ruhigerer« Atem zurückgemeldet wird, als er

■»ο tatsächlich hat, was zu seiner Entspannung beiträgt.

Daneben kann eine dem Gerät zugeordnete elektronische Recheneinheit aus dem Gesamtverlauf der Atemfunktion eine Tendenz errechnen und diese Tendenz anstatt des aktuellen Atemgeschehens zurückmelden. Hierbei kann unter Umständen sogar eine Darstellung mittels Bildschirm sinnvoll sein. Das Gerät kann sogar in der Intensivmedizin als Atemmonitor Anwendung finden, oder bei Lungenfunktionstraining eingesetzt werden. Letzteres z. B. dadurch, d'ß der Patient eine Vorgabe erhält indem er eine Lichtsäule durch seinen Atem auf eine bestimmte Höhe bringen muß. Die Erfindung in einer ihrer Ausführungsformen bringt auch diesen Gebieten einen Fortschritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Respiratorisches Biofeedbackgerät zur Erfassung von Aterabewegungen eines Patienten mittels eines Sensors und Rückmeldung der Atembewegung an den Patienten durch akustische und/oder optische Signale,dadurch gekennzeichnet,

— daß das Gerät einen kleinen unauffälligen Sensor (2) aufweist, der in keinem direkten körperlichen Kontakt mit dem Patienten (4) steht und

— daß in dem Sensor (2) ein Sender und Empfänger so angeordnet sind, daß von einem einzigen räumlichen Fixpunkt aus die Atembewegung des Patienten (4) erfaßt wird.

2. Respiratorisches Biofeedbackgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (2) zur Anwendung kommen, die mit elektromagnetischer StraHÄing/Feldern und/oder Ultraschall-Strahlung arbeiten.

3. Respiratorisches Biofeedbackgerät zur Erfassung von Atembewegungen eines Patienten mittels eines direkt am Patienten angebrachten Sensors und Rückmeldung der Atembewegung an den Patienten durch akustische und/oder optische Signale, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (M) aus metallhaltigem oder permanentmagnetisch wirksamen Material besteht, den der Patient frontal an der Brust trägt, und daß ein zugehöriger Detektor (MD)dorsal unter dem sitzenden oder liegenden Patienten angebracht ist

4. Respiratorisches 3iofeedbatkgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeicr.net, daß der Sensor (M) als Schmuckstück (Amulett) oder Gürtelschnalle ausgebildet ist.

5. Respiratorisches Biofeedbackgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (M) als Minisender ausgeführt ist und der Detektor (MD) durch einen Empfänger ersetzt ist.

6. Respiratorisches Biofeedbackgerät nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gerät eine elektronische Schaltung oder ein Rechner zugeordnet ist, so daß die Rückmeldesignale frei wählbar nach physiologischen oder psychologischen Kriterien variiert werden können, und/oder daß die Signale einem Speichermedium zur späteren Auswertung zugeführt werden.