DE3442174C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines Indikators für den Entspannungszustand eines Menschen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Indikators für den Entspannungszustand eines Menschen durch sensorisches Erfassen der Atembewegungen und ihrer Veränderungen.

Beispielsweise aus der GB-PS 13 59 005 ist als Entspannungstherapie das respiratorische Feedback-Verfahren bekannt, bei dem die Atembewegungen eines Menschen abgetastet und von diesen Bewegungen abhängige verstärkte Signale mit Hilfe eines optischen oder akustischen Signals dem Patienten zurückgemeldet werden. Durch dieses respiratorische Feedback- Verfahren erfolgen nachweisbar eine ausgeprägte Reduktion der Gehirnaktivität und eine Herabsetzung des Muskeltonus. Objektive Befunde über den Entspannungszustand des Patienten können dabei bisher nur mit sehr aufwendigen und teuren Geräten bzw. Instrumenten, nämlich mit Elektroencephalographen oder Elektromyelographen und diesen nachgeordneten speziellen Rechnern ermittelt werden. Der Aufwand für derartige Einrichtungen zur Messung des Entspannungszustandes ist somit für die normale ärztliche Praxis und auch für die nicht auf diesem Fachgebiet spezialisierten Kliniken unvertretbar.

Andererseits ist der meßtechnische Nachweis des Entspannungszustandes bzw. des Entspannungsgrades im Rahmen der Entspannungstherapie von erheblicher Bedeutung, um feststellen zu können, ob der Patient für die angewandte Therapie geeignet ist, ob und welche Fortschritte erzielt werden, um Verlauf sowie eventuelle Störungen in der Behandlung erfassen und Störungen beseitigen zu können und dgl.

Aus der NL 82 00 271 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der eine Quantifizierung von Atembewegungen vorgenommen werden kann. Insbesondere ist in dieser Druckschrift bereits vorgesehen, die Pause zwischen Ausatmen und Einatmen meßtechnisch zu erfassen. Konsequenzen werden aus diesen Meßwerten allerdings nicht gezogen.

Bei Versuchen, auf einfachere Art den Entspannungszustand des Menschen zu messen, ist man bisher von der Annahme ausgegangen, es bestehe eine Korrelation zwischen der psycho-physischen Entspannung des Organismus und der Atemfrequenz sowie der Amplitude der Atembewegungen. Klinische Untersuchungen zeigten jedoch, daß die Atemfrequenz und die Atemamplitude individuell sehr schwanken und zu heterogen sind, um aus ihnen statistisch signifikante Werte ableiten zu können, die als Indikatoren für die Beurteilung des Entspannungszustandes geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren der einleitend genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszubilden, daß aus leicht zu ermittelnden und registrierbaren Daten der Atembewegungen durch quantitative Auswertung der jeweilige Entspannungszustand und dessen Veränderungen festgestellt und mit einem geringen Aufwand angezeigt bzw. aufgezeichnet werden können.

Bei einer ersten Lösung vorstehender Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Atemzyklen der jeweiligen Zeitdauer T in die Zeitspannen t_A etwa entsprechend jeder Folge der Ein- und Ausatmung sowie die Zeitspannen t_P etwa entsprechend den jeweiligen Pausen zwischen den Folgen der Ein- und Ausatmung aufgeteilt werden, daß auf der Grundlage der Zeitspannen t_A und t_P eine Verhältniszahl gebildet wird und Durchschnittswerte der Verhältniszahlen für die jeweils zurückliegenden gleichbleibenden Zeitspannen von mindestens 0,5 bis höchstens 3 Minuten oder während einer vorgegebenen Folge von mindestens 5 bis höchstens 20 Atembewegungen kontinuierlich ermittelt und als qualitative Größen digital oder analog angezeigt werden.

Beiden Lösungsalternativen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für das Maß der psycho-physischen Entspannung eine qualitative Veränderung der Atembewegungen in dem Sinne maßgeblich ist, daß mit zunehmendem Entspannungsgrad zwischen den Folgen der Ein- und Ausatmung eine längere Pause feststellbar ist, die sehr ausgeprägt sein kann, und daß aus dem Verhältnis der Zeitspannen für das Ein- und Ausatmen und der Zeitspannen für die jeweiligen Pausen zwischen den Folgen der Ein- und Ausatmung Werte ermittelt werden können, welche den Grad bzw. die Veränderung des Entspannungszustandes durch ensprechende Anzeige erkennen lassen.

Dabei wird erfindungsgemäß durch die beschriebenen Verfahrensmaßnahmen die Atemfrequenz eliminiert und die Atemamplitude nicht bei der Wertfindung für den Entspannungszustand berücksichtigt. Da jeweils über bestimmte Zeitspannen oder eine bestimmte Anzahl von Atembewegungen auf der Grundlage der Zeitspannen t_A und t_P abgeleitete Verhältniszahlen als Durchschnittswerte ermittelt werden, führen kurzfristige Schwankungen der Atembewegungen etwa durch augenblickliche Störeinflüsse nicht zu einer Verfälschung des Ergebnisses.

Durch die genannten Verfahren ist eine kontinuierliche Registrierung der Veränderungen der Atembewegungen in Zahlenform oder aber auch durch Aufzeichnung einer Kurve möglich.

Zur Ermittlung der genannten Verhältniszahl aus den Zeitspannen t_A und den Zeitspannen t_P können unmittelbar diesen entsprechende Spannungswerte oder von diesen abgeleitete Größen in einer elektronischen Schaltung umgewandelt und für die Anzeige benutzt werden.

Um mit einem relativ geringen Aufwand die Anzeige einer quantitativen Größe in digitaler oder analoger Form zu erreichen, sieht eine weitere auf dem gleichen Prinzip wie die bereits genannten Verfahren beruhende Lösung vor, daß der Verlauf der Atembewegungen in eine analoge Spannungskurve umgewandelt wird, die bezogen auf einen vollständigen Atemzyklus der Zeitspanne T als Wechselspannung mit gleichen Zeit-Spannungsflächen bei einer positiven Amplitude A₁ und einer Zeitspanne t₁ der einen und einer negativen Amplitude A₂ und einer Zeitspanne t₂ der anderen Fläche umgewandelt wird und auf der Grundlage der Zeitspannen t₁ und t₂ eine Verhältniszahl gebildet wird und Durchschnittswerte der Verhältniszahlen für eine vorgegebene Folge von mindestens 5 bis höchstens 20 Atembewegungen oder für die jeweils zurückliegenden gleichbleibenden Zeitspannen von mindestens 0,5 bis höchstens 3 Minuten kontinuierlich ermittelt und als qualitative Größen digital oder analog angezeigt werden.

Bei diesem Verfahren entsprechen die Zeitspannen t₁ und t₂ im entspannten Zustand des Menschen weitgehend den Zeitspannen t_A bzw. t_P. Allerdings weichen sie mit abnehmendem Entspannungsgrad von den Werten t_A und t_P ab, jedoch wird trotz dieser Abweichungen ein signifikanter Unterschied in der Anzeige in Abhängigkeit von dem Entspannungsgrad gewährleistet.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn bei dem vorgenannten Verfahren die Wechselspannung nach Verstärkung bis zur Übersteuerung und anschließender Siebung in ein Gleichspannungssignal nach der Formel:

(C = konstanter Faktor) umgewandelt und als Durchschnittswert digital oder analog angezeigt wird.

Bei diesem Verfahren wird aus der Wechselspannung ein Gleichspannungssignal abgeleitet, dessen Größe und Polarität ausschließlich von der Veränderung des Verhältnisses der Zeitspannen t₁ und t₂ abhängig ist. Diese Gleichspannungssignale können analog oder digital angezeigt, gespeichert oder registriert werden.

Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens mit den genannten Lösungsmerkmalen sind mit einem elektrischen Sensor für die Erfassung und Umwandlung der Atembewegungen des Menschen in elektrische Spannungswerte ausgerüstet und weisen die in den Ansprüchen 4 bzw. 5 angegebenen Merkmale auf.

Die Vorrichtung nach Anspruch 5 hat dabei den großen Vorteil des sehr einfachen Aufbaues, da sie nur aus relativ wenigen elektrischen Schaltelementen besteht. Vorrichtungen dieser Art sind besonders geeignet als Ergänzung und zum serienmäßigen Einbau in respiratorische Feedback-Geräte, um eine fortlaufende Registrierung des Entspannungsprozesses während der Entspannungsübungen und im Verlauf der Folge dieser Übungen zu liefern und miteinander zu vergleichen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen bzw. Schaltbilder für den beispielsweisen Aufbau von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf einer Atemkurve eines Menschen im nicht entspannten Zustand ohne Darstellung einer Bezugslinie für die Auswertung dieser Kurve,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Atemkurve eines Menschen im entspannten Zustand mit einer Bezugslinie zur Auswertung der Kurve gemäß den Ansprüchen 2 und 3 in Verbindung mit einer Vorrichtung nach Anspruch 5,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Atemkurve eines Menschen im entspannten Zustand mit einer Bezugslinie zur Auswertung der Kurve gemäß Anspruch 1 in Verbindung mit Anspruch 4,

Fig. 4 eine erste Schaltungsanordnung entsprechend der Vorrichtung gemäß Anspruch 4,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung entsprechend der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 und

Fig. 6 eine weitere Schaltungsanordnung entsprechend der Vorrichtung nach Anspruch 4.

In den dargestellten Kurven der Fig. 1 bis 3 entspricht der jeweils mit 1 bezeichnete ansteigende Teil der Kurve der Einatmung, während der mit 2 bezeichnete abfallende Teil der Kurve der Ausatmung entspricht.

Im nicht entspannten Zustand des Menschen bilden die genannten Teile 1 und 2 der Kurve gemäß Fig. 1 nahezu einen sinusförmigen Verlauf.

Im entspannten Zustand des Menschen dagegen sind gemäß den Fig. 2 und 3 zwischen den jeweiligen der Ein- und Ausatmung entsprechenden Kurventeilen 1 und 2 Kurvenabschnitte 3 erkennbar, welche die Zeitspanne einer relativen Ruhe zwischen den Atembewegungen des Ein- und Ausatmens erkennen lassen. Die Abschnitte 3 in den Kurven der Fig. 2 und 3 kennzeichnen somit Pausen zwischen jeweils aufeinanderfolgenden Atembewegungen. Der Gesamtzyklus der Atmung umfaßt dabei die Zeitspanne T.

Für die Messung des Entspannungszustandes ist gemäß der Erfindung das Verhältnis der Zeitspannen für die Ein- und Ausatmung im Vergleich zu den Pausen zwischen den jeweiligen Folgen der Ein- und Ausatmung das entscheidende Kriterium, wobei es darauf ankommt, über eine bestimmte Dauer oder eine vorgesehene Anzahl von Atembewegungen durchschnittliche Verhältniszahlen zu ermitteln.

Gemäß den Fig. 2 und 3 ergeben sich im entspannten Zustand des Menschen Zeitspannen t_A für die jeweiligen Ein- und Ausatmungen und Zeitspannen t_P relativer Ruhe, also der Pausen zwischen den Atembewegungen.

Um eine quantitative Größe zur digitalen oder analogen Anzeige für den Entspannungszustand zu erhalten, ist gemäß Fig. 4 eine elektrische Schaltung vorgesehen, an deren Eingangsseite 4 eine Spannung anliegt, welcher eine dem Verlauf der Kurve der Fig. 3 und damit den Atembewegungen entsprechende Spannung überlagert wird. Mit Hilfe des aus dem Kondensator 5 und dem Widerstand 6 bestehenden R-C-Gliedes wird der Gleichspannungsanteil der Eingangsspannung für den nachgeordneten Verstärker 7 unterdrückt. Der Verstärker ist mit einem Komparator 8 verbunden, welcher ausgangsseitig anzeigt, ob mehr oder weniger eingeatmet wurde, und er ermöglicht die Ansteuerung des Relais 9. Die Bauteile 11 und 12 bilden eine Ableitung des Atemsignals. Diese wird einem Fensterdiskriminator 13 zugeleitet, welcher das Relais 10 ansteuert, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Atemsignals einen vorgewählten Wert unterschreitet und die Ansteuerung nicht durch den Komparator blockiert ist.

Durch die vorgenannte Schaltung wird erreicht, daß z. B. das Relais 9 bei starken Änderungen der Atmungskurve, also auf Fig. 3 bezogen, während der Zeitspanne t_A und das Relais 10 in der Pause zwischen dem Ausatmen und dem Wiedereinatmen, also gemäß Fig. 3, während der Zeit t_P schließt. Nach einer Reihe von Atmungen stellt sich an den über die relaisbetätigten Schalter 16 und 17 jeweils an Spannung gelegten Kondensatoren 14 und 15 je ein Spannungswert ein, welcher der Ein- und Ausatmung einerseits bzw. der Pause zwischen Ausatmung und Einatmung entspricht. Die beiden erhaltenen Werte werden dem Dividierbaustein 18 zugeleitet, welcher das Verhältnis aus den beiden Werten bildet und an seinem Ausgang 19 eine Spannung liefert, die dem Verhältnis der beiden genannten Spannungen proportional ist. Dieser erhaltene Spannungswert kann sowohl analog als auch digital als Wert für den Entspannungsgrad angezeigt oder registriert werden.

Die in Fig. 5 wiedergegebene Schaltung, welche in ihrem Aufbau wesentlich einfacher als die Schaltung nach Fig. 4 ist, führt ebenfalls zu den gewünschten Meßergebnissen.

Bei dieser Schaltung wird erreicht, daß die in Fig. 2 wiedergegebene Null-Linie der Amplitude so verläuft, daß die durch die Kurve nach Fig. 2 begrenzten Flächen oberhalb der Null- Linie und unterhalb der Null-Linie gleich groß sind. Dabei weisen die Flächen oberhalb der Null-Linie die jeweilige Amplitude A₁ auf, während die Flächen unterhalb der Null-Linie die jeweilige Amplitude A₂ zeigen. Durch diese Lage der Null- Linie mit den gleichen Zeitspannungsflächen der Amplitude A₁ und der Zeitspanne t₁ sowie der Amplitude A₂ und der Zeitspanne t₂ ergibt sich für die Atemkurve eine reine Wechselspannungskurve nach Fig. 2, welche gemäß Fig. 5 verstärkt und ausgewertet wird, um an der Ausgangsseite der Schaltung nach Fig. 5 eine Spannung zu erhalten, welche als Wert für den Entspannungsgrad angezeigt oder registriert werden kann.

Die der Atmung entsprechende Spannungskurve wird an die Eingangsseite 20 der Schaltung gemäß Fig. 5 angelegt. Über das aus dem Kondensator 21 und dem Widerstand 22 gebildete R-C- Glied wird durch entsprechende Dimensionierung die Spannungskurve in die bereits genannte reine Wechselspannungskurve gemäß Fig. 2 umgewandelt und dem Verstärker 23 zugeleitet, der seinerseits mit einem Komparator 24 verbunden ist, welcher abhängig von der Polarität der ihm vom Verstärker zugeführten Spannung jeweils eine gleich große negative oder positive Spannung an das diesem nachgeschaltete aus dem Widerstand 25 und dem Kondensator 26 bestehende R-C-Glied abgibt und somit an dem Kondensator 26 für eine Spannungsänderung sorgt, welche der Formel

entspricht. Dieser Spannungswert kann für die digitale Anzeige verwendet, gespeichert oder in üblicher Weise mittels an sich bekannter und in der Zeichnung nicht wiedergegebener Einrichtungen registriert werden.

Die Schaltung gemäß Fig. 6 ist zur Auswertung der Atemkurve durch Erfassen einer vorbestimmten Anzahl von Atemzyklen zwischen 5 und 20 vorgesehen.

Das vom Atemfühler abgegebene Signal wird der Schaltung am Eingang von Verstärker 31 zugeführt. Die Baugruppe 32 bestimmt aus dem Signalverlauf die Zeiten t_A und t_P. Die Baugruppen 33 und 34 sind Integratoren, in denen die Summen aus den Zeiten t_A bzw. t_P gebildet werden. Die beiden Summen werden der Dividierschaltung 36 zugeführt, die daraus das Verhältnis, den gewünschten Wert, bildet. Da der erhaltene Wert nur jeweils nach einer vollen Atembewegung sinnvoll ist und auch nur der Anzeigewert gewünscht wird, der dem Durchschnittswert aus der vorgegebenen Anzahl der Atembewegungen entspricht, ist vor der Anzeige 39 eine Speicherschaltung 37 nötig, die den ermittelten Verhältniswert zum richtigen Zeitpunkt übernimmt und so lange ausgibt, bis ein neuer Wert zur Speicherung ansteht. Der Zeitpunkt, wann der Speicher 37 den Verhältniswert übernehmen soll, erfolgt durch die Schaltung 38, die nach Ablauf der vorgegebenen Anzahl der Atembewegungen zunächst die Übernahme des Verhältniswertes in den Speicher 37 bewirkt, und dann die Integratoren 33 und 34 wie auch den Zähler 35, der die Anzahl der bereits erfaßten Atembewegungen zählt, auf Null setzt.

Die angegebenen Schaltungsteile können zum größten Teil sowohl als analog als auch als digital arbeitende Teile realisiert werden.

Es ist auch möglich, die Schaltungsteile 33 bis 37 durch einen entsprechend programmierten Rechner zu ersetzen, wobei dann die Ermittlung des Verhältniswertes nicht kontinuierlich, sondern sinnvoll nur zur richtigen Zeit erfolgt (Steuerung wie gestrichelte Linie).

Es ist auch möglich, allerdings mit einem geänderten Schaltungsaufbau, den durchschnittlichen Verhältniswert aus einer Anzahl von Verhältniswerten aus Einzelatemzyklen zu gewinnen und hieraus dann den Durchschnittswert für die vorgegebene Anzahl der Atemzyklen zu bilden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Messen eines Indikators für den Entspannungszustand eines Menschen durch sensorisches Erfassen der Atembewegungen und ihrer Veränderungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Atemzyklen der jeweiligen Zeitdauer T in die Zeitspanne t_A entsprechend jeder Folge der Ein- und Ausatmung sowie die Zeitspannen t_P entsprechend den jeweiligen Pausen zwischen den Folgen der Ein- und Ausatmung aufgeteilt werden, daß auf der Grundlage der Zeitspannen t_A und t_P eine Verhältniszahl gebildet wird und Durchschnittswerte der Verhältniszahlen für die jeweils zurückliegenden gleichbleibenden Zeitspannen von mindestens 0,5 bis höchstens 3 Minuten oder während einer vorgegebenen Folge von mindestens 5 bis höchstens 20 Atembewegungen kontinuierlich ermittelt und als qualitative Größen digital oder analog angezeigt werden.

2. Verfahren nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Atembewegungen in eine analoge Spannungskurve umgewandelt wird, die bezogen auf einen vollständigen Atemzyklus der Zeitspanne T als Wechselspannung mit gleichen Zeit-Spannungsflächen bei einer positiven Amplitude A₁ und einer Zeitspanne t₁ der einen und einer negativen Amplitude A₂ und einer Zeitspanne t₂ der anderen Fläche umgewandelt wird und auf der Grundlage der Zeitspannen t₁ und t₂ eine Verhältniszahl gebildet wird und Durchschnittswerte der Verhältniszahlen für eine vorgegebene Folge von mindestens 5 bis höchstens 20 Atembewegungen oder für die jeweils zurückliegenden gleichbleibenden Zeitspannen von mindestens 0,5 bis höchstens 3 Minuten kontinuierlich ermittelt und als qualitative Größen digital oder analog angezeigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung nach Verstärkung bis zur Übersteuerung und anschließender Siebung in ein Gleichspannungssignal nach der Formel: (C = konstanter Faktor) umgewandelt und als Durchschnittswert digital oder analog angezeigt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem elektrischen Sensor für die Erfassung und Umwandlung der Atembewegungen des Menschen in elektrische Spannungswerte, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Schaltung mit einem Detektor (13) zur Umwandlung der Zeitspannen größerer Spannungsänderungen pro Zeiteinheit und der Zeitspannen eines etwa gleichbleibenden Spannungsverlaufes in jeweils unterschiedliche elektrische Signale vorgesehen und mit einer elektronischen Einrichtung zur fortlaufenden Ermittlung von Durchschnittswerten der jeweils unterschiedlichen Signale und von Verhältniswerten der beiden Signalgruppen aus einer jeweiligen Dauer von mindestens 0,5 bis höchstens 3 Minuten oder während einer Folge von mindestens 5 bis höchstens 20 Atemzyklen sowie mit einer Anzeigeeinrichtung ausgerüstet ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 2 oder 3 mit einem elektrischen Sensor für die Erfassung und Umwandlung der Atembewegungen des Menschen in elektrische Spannungswerte, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überführung der den Atembewegungen entsprechenden Spannungswerte in einen Wechselspannungsverlauf mit gleichen Zeit-Spannungsflächen ein R-C-Glied (21, 22) vorgesehen ist, an welches sich ein Verstärker (23) anschließt, der seinerseits mit einem Komparator (24) verbunden ist, welcher abhängig von der Polarität der ihm zugeführten Spannung jeweils eine gleich große negative oder positive Spannung abgibt und über ein weiteres R-C-Glied (25, 26) an eine Anzeigeeinrichtung angeschlossen ist.