DE3789387T2

DE3789387T2 - Gerät und verfahren zur personalüberwachung bei hitze und arbeitsbelastung.

Info

Publication number: DE3789387T2
Application number: DE3789387T
Authority: DE
Inventors: Thomas Bernard; William Kenney; Debra Lewis; Gary W Sherwin
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-12-04
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2007-12-05
Also published as: EP0319551A1; DE3789387D1; EP0319551B1; CA1325246C; WO1988009146A1; JPH02500251A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Personenüberwachungsgerät der Art, das einen Herzschlagsensor, der ein die Herzschläge eines Benutzers anzeigendes elektrisches Signal erzeugt, enthält und eine Einrichtung zum Speichern von Herzschlaginformation, die sich auf die erzeugten Herzschlagsignale bezieht, eine Informationsverarbeitungseinrichtung, die so angeschlossen ist, daß ihr von der Speichereinrichtung die Herzschlaginformation zugeleitet wird, wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung so angeordnet ist, daß sie die Herzschlaginformation zum Erzielen einer physiologischen Anforderung und zum Vergleichen der physiologischen Anforderung mit einer gespeicherten physiologischen Anforderungsgrenze analysiert, und eine Einrichtung, die dem Benutzer anzeigt, wenn die gespeicherte physiologische Anforderungsgrenze überschritten wurde, wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung so konfiguriert und angeschlossen ist, daß sie den Betrieb der Anzeige-Bereitstellungseinrichtung steuert. Die Erfindung bezieht sich auch auf Überwachungsverfahren.
Traditionellerweise gibt es zwei Möglichkeiten bei der Vermeidung übergroßer Herzschlagfrequenzen und ansteigender Körpertemperaturen unter Hitze- und Belastungs-Bedingungen. Bei der einen wird die Dauer der Belastung durch administrative Steuermaßnahmen, wie z. B. Haltezeiten, begrenzt. Bei der anderen wird Willenskraft eingesetzt. Haltezeiten sind zum Schutz der meisten Leute normalerweise sehr konservativ. Der Einsatz der Willenskraft führt beim Einzelnen oft zu dessen Überanstrengung.
Eine Vielzahl von Meßeinrichtungen ist zur Messung von Anstrengung und verwandter Parameter bekannt. Die Körperinnentemperatur ist eine grundlegende physiologische Größe für die Reaktion des Körpers auf Hitzebelastung. Die Rektaltemperatur wird normalerweise als Primärmaß angenommen. Da die Rektaltemperatur durch das Einführen eines Fühlers gemessen wird, ist sie für die ständige Kontrolle der Innentemperatur nicht brauchbar. Eine Ersatz-Meßmöglichkeit wird benötigt.
Ein verbreitet verwendeter Ersatz für die Rektaltemperatur ist die Ohr-, die ösophagus- oder die Oral-Temperatur. Diese Temperatur-Meßtechnik ist zwar allgemein verfügbar, bietet aber viele praktische Probleme, die sie für ein Personenüberwachungsgerät unbrauchbar machen. Schluckbare oder aufgenommene Thermotransmitter sind zwar möglich, doch wegen ihrer potentiellen Gefahr, die sie darstellen, und ihrer fraglichen Akzeptanz nicht brauchbar.
Ein im Handel erhältliches Gerät kann die Körperinnentemperatur durch das Angleichen des Wärmeflusses von innen an die Oberfläche durch das äußere Anlegen einer Heizeinrichtung messen. Doch verbraucht diese Vorrichtung zu viel Energie, als daß sie bei dieser Anwendung brauchbar wäre, außerdem würde sie bei hoher Umgebungstemperatur falsche Werte anzeigen.
Die Herzfrequenz ist eine weitere physiologische Größe die sich auf die Belastung durch Arbeit und Wärme bezieht. Mehrere Geräte zum Messen der Herzfrequenz in Arbeitsumgebungen sind im Handel erhältlich. Die Hauptabsatzmärkte für diese Geräte sind Sport, Fitness und Rehabilitation. Die Verfahren und Ausführungsformen weisen zwar gewisse Unterschiede auf, doch besteht das Haupt-Überwachungsverfahren darin, daß ein niedriger und ein hoher Schwellenwert vorgegeben werden, so daß ein Alarm ausgelöst werden kann, wenn die Herzfrequenz das vorbestimmte Fenster entweder unter- oder überschreitet.
Für industrielle Anwendungen hat der niedere Schwellenwert keinen eigentlichen Zweck. Der höhere Schwellenwert ist von größerem Nutzen. Wenn die Herzfrequenz einer Person den Schwellenwert übersteigt, kann ein Alarm sie vor einer möglichen Überanstrengung warnen. Das Problem bei diesen Hochschwellenwarnungen ist das Bestimmen des Schwellenwerts. Bei Arbeitern können aufgrund von plötzlichen Aktivitätsstößen oder isometrischer Arbeit momentane Herzfrequenzspitzen auftreten. Diese Spitzen stellen keine andauernden Arbeitsniveaus dar, doch lösen sie einen Alarm aus, der bei einem andauernden Niveau hoher Anforderung gerechtfertigt wäre. Doch würden bei einem einfachen hohen Schwellenwert viele Alarme ausgelöst, die keine bedeutende physiologische Belastung anzeigen würden. Die Situation wird durch länger andauernde Arbeit auf einem mittleren Niveau noch verkompliziert. Bei einem hohen Schwellenwert würden länger andauernde Herzfrequenzen knapp unter dem Schwellenwert, die eine sehr beträchtliche physiologische Belastung darstellen, nicht registriert werden.
Beispiele vorbekannter Geräte zur Messung von Herzfrequenzen, Körpertemperaturen und verwandter Parameter sind in den folgenden veröffentlichten U.S.-Patenten offenbart: 4 513 753, ausgegeben am 30. April 1985 an Tabata et al.; 4 450 843, ausgegeben am 29. Mai 1984 an Berney et al.; 4 425 921, ausgegeben am 17. Januar 1984 an Fujisaki et al.; 4 409 985, ausgegeben am 18. Oktober 1983 an Sidorenko et al.; 4 378 111, ausgegeben am 29. März 1983 an Tsuchida et al.; 4 367 752, ausgegeben am 11. Januar 1983 an Jimenez et al.; 4 343 315, ausgegeben am 10. August 1982 an O'Leary und 4 312 358, ausgegeben am 26. Januar 1982 an Barney. Der Stand der Technik wird weiter angegeben in Humen, D.P. und Bougher, D.R., "Evaluation of Commercially Available Heart Rate Monitors" ("Vergleichstest im Handel erhältlicher Herzfrequenz- Überwachungsgeräte"), The Canadian Medical Association Journal, Vol. 131, 15. September 1984, S. 585-589 und durch im Handel erhältliche Herzfrequenz-Überwachungsgeräte von Computer Instruments Corporation, Hempstead. L.I., N.Y. 11550; Biosig Instruments, Inc., Champlain, N.Y. 12929 und Dak Industies, Inc., Canoga Park, CA 91304.
Im US-Patent Nr. 4 117 834 wird eine physiologische Motoraktivität-Überwachungsvorrichtung mit einem Quecksilber- Schalter beschrieben, der Bewegungen einer die Vorrichtung tragenden Person feststellt, weiter mit einer Größenordnungs- Einrichtung, die die Anzahl der Bewegungen durch einen zu wählenden Faktor teilt, mit einem Akkumulator, der das Ausgangssignal der Größenordnungseinrichtung während eines jeden Zeitintervalls abzählt, das durch Einstell-Impulse aus einem Frequenzteiler bestimmt wird, der wiederum durch einen Kristall-Oszillator gesteuert wird, und mit einem Speicher, der am Ende eines jeden Intervalls an einem vorbestimmten Speicherplatz den Inhalt des Akkumulators speichert. Wenn alle Speicherplätze aufgefüllt sind, werden Daten aus diesen Speicherplätzen in ein externes Festspeicher-Medium übertragen, so daß die Überwachungsvorrichtung weiter verwendet werden kann und die Daten analysiert werden können. Auf diese Weise wird die Menge der Motoraktivität überwacht und über viele aufeinander folgende Zeitintervalle gespeichert.
In EP-A-0 117 330 wird ein Herzüberwachungsgerät der oben beschriebenen Art beschrieben. Bei diesem bekannten Überwachungsgerät werden Herzschlaganzeigen als elektrische Impulse von einem Herzschlagsensor aufgenommen und an einen Mikroprozessor mit einem internen Speicher weitergeleitet. Ein Teil des internen Speichers wird als Zähler für Taktimpulse verwendet. Der Mikroprozessor berechnet und speichert die Ruhe- Herzfrequenz durch Zählen der Impulse vom Herzfrequenzsensor über einen vorbestimmten Zeitraum von z. B. sechs Sekunden. Dann führt der Benutzer einen submaximalen Belastungstest durch, in dem die Benutzer-Herzfrequenz alle sechs Schläge oder alle zehn Sekunden gemessen und aktualisiert wird. Die maximale Herzfrequenz wird nach der Formel 220-Alter (in Jahren) berechnet. Der Belastungstest wird beendet, entweder wenn die Herzfrequenz den errechneten maximalen Wert erreicht oder wenn der Benutzer sich zum Fortführen des Tests zu erschöpft fühlt. Die zum Erreichen dieses Zustands benötigte Zeit wird gemessen, und der Mikroprozessor errechnet aus der maximalen Herzfrequenz oder der Herzfrequenz bei Erschöpfung und der benötigten Zeit die maximale Sauerstoffaufnahme des Benutzers. Das Überwachungsgerät kann dann zur Belastungsüberwachung eingesetzt werden, indem es so eingestellt wird, daß es Schrittmachertöne in einer vom Benutzer gewählten Frequenz abgibt. Die Herzfrequenz des Benutzers wird überwacht und das Überwachungsgerät gibt Alarmtöne von sich, wenn das von der überwachten Herzfrequenz angezeigte Belastungsniveau außerhalb der Niveaus von 60% und 80% der maximalen Sauerstoffaufnahme liegt.
Zwar ist die Technik auf diesem Gebiet weit entwickelt, doch besteht immer noch ein Bedarf nach einem Personenüberwachungsgerät und nach einem Verfahren, die den Anforderungen einer industriellen Umgebung gerecht werden können.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Personen- Überwachungsgerät und ein Verfahren zur Überwachung von Arbeits- und Wärmebelastung vorzusehen, bei denen die physiologischen Reaktionen auf die Belastungen gemessen und dem Benutzer in einer industriellen Umgebung Empfehlungen gegeben werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein solches Personenüberwachungsgerät und ein solches Verfahren vorzusehen, bei denen weder dem Benutzer eine Vielzahl von unangebrachten Warnungen gegeben wird, noch es dem Benutzer möglich ist, sich zu gefährden, ohne gewarnt zu werden.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein solches Personenüberwachungsgerät und ein solches Verfahren vorzusehen, die die Messung verschiedener Körperparameter kombinieren und so eine zuverlässige Anzeige der Arbeits- und Wärmebelastung des Benutzers darstellen.
Deshalb bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, die es dem Benutzer ermöglichen, überhöhte Herzfrequenzen oder Steigerungen in der Körpertemperatur bei Belastung durch Wärme oder schwere Arbeit zu vermeiden. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Gerät und ein Verfahren, die die physiologischen Reaktionen auf Arbeits- und Wärmebelastung messen und dem Benutzer in Realzeit Empfehlungen geben. Ganz besonders bezieht sie sich auf ein solches Gerät und ein solches Verfahren, bei denen der Benutzer Empfehlungen erhält, auf die er eine intelligente Entscheidung stützen kann, um zu steuern, inwieweit er sich der Belastung aussetzen will. Weiter bezieht sie sich auf eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren, die für die Verwendung in einer industriellen Umgebung brauchbar sind.
Diese und verwandte Aufgaben können durch den Einsatz des neuartigen Personenüberwachungsgeräts und Verfahrens dieser Erfindung erfüllt werden.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Personenüberwachungsgerät der oben definierten Art in der Weise gekennzeichnet, daß die Informationsverarbeitungseinrichtung softwaregesteuert die Herzschlaginformation inkrementell über vorbestimmte Zeitintervalle durch bewegliche Zeitmittel mit mehreren unterschiedlichen Zeitbasen durch Inkrementieren der Zeitbasis der bewegenden Zeitmittel analysiert. Vorzugsweise wird ein isolierter Hauttemperaturfühler zur Erzeugung elektrischer Ausgangssignale vorgesehen, die wenigstens ungefähr der Körper-Innentemperatur eines Benutzers entsprechen, wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung so angeschlossen ist, daß sie den elektrischen Körper-Innentemperatur-Ausgangssignalen entsprechende Körpertemperaturinformation erhält, wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung ferner so aufgebaut ist, daß die Körper-Innentemperaturinformation mit einer gespeicherten Körper-Innentemperaturgrenze verglichen wird, und wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung ferner so aufgebaut ist, daß die Einrichtung zur Bereitstellung der Anzeige dem Benutzer eine Anzeige bereitstellt, wenn seine Körper-Innentemperatur die gespeicherte Körper- Innentemperaturgrenze übersteigt.
Ferner weist der Temperaturfühler in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen thermisch und elektrisch leitfähigen Teil auf mit einer blanken, ungebrochenen äußeren Oberfläche, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie die Haut einer Person, deren Temperatur gemessen werden soll, direkt berührt, ferner eine temperaturempfindliche Festkörpereinrichtung, die thermisch und elektrisch mit einer gegenüberliegenden Fläche des thermisch und elektrisch leitfähigen Teils verbunden ist, zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignals, das eine Funktion der Temperatur ist, und einen ausreichenden Körper aus thermisch isolierendem Material, der den Rest des thermisch und elektrisch leitfähigen Teils umgibt, so daß ein elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt wird, das die isolierte Hauttemperatur als Annäherung an die Körper-Innentemperatur der Person anzeigt, wobei der thermisch und elektrisch leitfähige Teil sowohl als thermischer Kontakt für die Haut der Person als auch als Bezugselektrode des Temperaturfühlers dient.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Überwachung der Herzfrequenz einer Person vorgesehen, das die folgenden Vorgänge umfaßt: Messen der Herzfrequenz einer Person, Analysieren der Herzfrequenzinformation, um eine physiologische Anforderung zu erhalten, Vergleichen der erhaltenen physiologischen Anforderung mit einer vorbestimmten physiologischen Anforderungsgrenze und Bereitstellen einer Anzeige für die Person, wenn die vorbestimmte physiologische Anforderungsgrenze überschritten wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die Herzschlaginformation inkrementell über vorbestimmte Zeitintervalle durch bewegende Zeitmittel mit mehreren unterschiedlichen Zeitbasen durch Inkrementieren der Zeitbasis der bewegenden Zeitmittel analysiert wird. Ein bevorzugtes Verfahren umfaßt weiterhin das Messen der isolierten Hauttemperatur einer Person als Annäherung an die Körper- Innentemperatur während der vorbestimmten Zeitintervalle, das Vergleichen der gemessenen Annäherung der Körper-Innentemperatur mit einer vorbestimmten Temperaturgrenze und das Bereitstellen einer Anzeige für die Person, wenn die gemessene Annäherung der Körper-Innentemperatur die vorbestimmte Temperaturgrenze überschreitet.
Die Erfindung wird nun an einem Beispiel mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines ersten Teils eines erfindungsgemäßen Personenüberwachungsgerätes.
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines zweiten Teils des Personenüberwachungsgerätes mit einem teilweisen Schnitt zum Aufzeigen von Einzelheiten im Innern.
Fig. 3 ist ein Schaltbild einer ersten elektrischen Schaltung, die im in Fig. 1 gezeigten Teil des Personenüberwachungsgeräts verwendet wird.
Fig. 4 ist ein Schaltbild einer zweiten elektrischen Schaltung, die im in Fig. 1 gezeigten Teil des Personenüberwachungsgeräts verwendet wird.
Fig. 5 zeigt im Diagramm Signalverläufe, die für das Verständnis der Arbeitsweise der Schaltung von Fig. 4 nützlich sind.
Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines zweiten Teils des Personenüberwachungsgeräts von Fig. 1-4.
Fig. 7 ist ein Schaltbild einer dritten elektrischen Schaltung, die im in Fig. 6 gezeigten zweiten Teil des Personenüberwachungsgeräts verwendet wird.
Fig. 8 ist ein Schaltbild einer vierten elektrischen Schaltung, die im in Fig. 6 gezeigten zweiten Teil des Personenüberwachungsgeräts verwendet wird.
Fig. 9 ist eine perspektivische Darstellung eines dritten Teils des Personenüberwachungsgeräts von Fig. 1-4 und 6-8.
Fig. 10 ist ein Fließdiagramm, das für das Verständnis der Arbeitsweise der zur Erfindung gehörenden Software nützlich ist.
Fig. 11 ist eine Diagramm-Darstellung bestimmter, beim Betrieb der Erfindung gespeicherter und verwendeter Information.
Fig. 12 ist eine diagrammatische Darstellung bestimmter weiterer beim Betrieb der Erfindung gespeicherter und verwendeter Information.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

PHYSIOLOGISCHE GRUNDLAGE

In diesem Abschnitt wird die physiologische Grundlage beschrieben, auf die sich der Algorithmus des Personenüberwachungsgeräts stützt. Physiologische Anspannung ist die Reaktion des Körpers auf eine Belastung. Bei der Wärmebelastung tritt eine Kombination von Belastungen aus Arbeitsanforderungen, Kleidungserfordernissen und Umwelt auf. Außer der Schweißabsonderung sind die auffälligsten physiologischen Belastungserscheinungen in Reaktion auf Wärmebelastung die Körpertemperatur und die Herzfrequenz. Im wesentlichen schlägt sich ein Wärmestau in der Körpertemperatur nieder und die Arbeitsfähigkeit und Wärmeabgabefähigkeit in der Herzfrequenz. Zwar stehen die Körper-Innentemperatur und die Herzfrequenz miteinander in Zusammenhang, doch messen sie verschiedene physiologische Belastungen und, wenn beide berücksichtigt werden, werden die Informationen über den physiologischen Zustand miteinander kombiniert. Das Personenüberwachungsgerät (personal monitor: PM) versucht sowohl die Körpertemperatur als auch die Herzfrequenz zu berücksichtigen, um bei überhöhter physiologischer Belastung einen Alarm auszulösen. Aufgrund von Laborversuchen gibt es auch Beweise dafür, daß das PM auf das erste Auftreten von Symptomen reagiert, die es auch geraten erscheinen lassen, eine Wärmebelastungssituation zu beenden.
Im Algorithmus werden die isolierte Hauttemperatur und die Herzfrequenz-Entwicklung zum Bestimmen des Alarmzustands verwendet. Diese beiden pysiologischen Meßgrößen werden unabhängig voneinander behandelt und der Alarmzustand wird durch die Meßgröße bestimmt, die den Alarmschwellenwert zuerst erreicht.
Die isolierte Hauttemperatur (Scheiben-Temperatur genannt) ist eine physiologische Variabel, die als Ersatzvariable für die Körper-Innentemperatur zum Vorhersagen von überhöhter Wärmebelastung entwickelt wurde. Die Korrelation zwischen den Innentemperaturen unter zwei verschiedenen Bedingungen von Wärmebelastung ist sehr hoch.
Der nächste Schritt besteht darin, einen sicheren Grenzwert für die Innentemperatur festzulegen. Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) und die World Health Organization haben empfohlen, Wärmebelastungen so zu begrenzen, daß die Innentemperatur 38,0ºC bei täglichen Arbeiten über längere Zeiträume, d. h. bei ständiger Arbeit unter Wärmebelastungsbedingungen, nicht überschreitet. Die WHO hat vorgeschlagen, daß "unter streng kontrollierten Bedingungen die Körper-Innentemperatur auf 39ºC (102ºF) ansteigen darf".
Die Gefahr von Wärmekrankheit steigt bei erhöhter Innentemperatur. Außerdem besteht ein Zusammenhang zwischen Wärmebelastung und einem Ansteigen in gefährlichem Verhalten. Hitzschlag tritt bei Innentemperaturen über 40ºC auf.
Für die Aktions-Alarm-Schwelle für die Innentemperatur wurde 38,5ºC gewählt, da das PM eine Möglichkeit zur strengen Kontrolle der Wärmebelastung darstellt und der Alarmschwellenwert zum Beenden der Belastung Zeit läßt. Erstens ermöglicht diese Grenze eine längere Wärmebelastung über annehmbare Werte hinaus bei ständiger Belastung. Zweitens wird dadurch eine Zeitspanne von fünf bis zehn Minuten zum Verlassen einer Wärme-Belastungszone vorgesehen.
Bei einer festgelegten Innentemperaturgrenze von 38,5ºC kann ein Scheiben-Temperaturgrenzwert für das Auslösen eines Alarms festgelegt werden. Für das Festlegen einer Aktions- Alarmgrenze für die Scheiben-Temperatur, die die Mehrheit der Arbeiter gegen ein Überschreiten einer Innentemperatur von 38,5ºC schützt, werden zwei Entscheidungen getroffen. Erstens haben Untersuchungen gezeigt, daß das Verhältnis von Innentemperatur und Disk-Temperatur bei unterschiedlicher Kleidung verschieden ist. Aus diesem Grund wurden zwei Bekleidungsklassen bestimmt: (1) Arbeitskleidung oder einfache Baumwoll- Overalls, und (2) doppelte Baumwoll-Overalls oder undurchlässige Kleidung (Kunststoff) über einfachen Overalls. Zweitens ist die Scheiben-Temperatur kein exaktes Maß für die Innentemperatur, sondern ein Ersatz. Das heißt, daß eine gewisse Fehlerquote beim Ermitteln der Innentemperatur über die Scheiben-Temperatur auftritt. Für jede Kleidungsklasse oder jedes Kleidungsensemble wurde eine Scheiben-Temperatur ausgewählt, so daß in 95% der Fälle die Innentemperatur weniger als 38,5ºC betrug. Die gewählte Disk-Temperatur war die Aktions-Alarmschwelle. Die Aktionsschwelle für Arbeitskleidung oder Baumwoll-Overalls ist 38,2ºC und für doppelte Baumwoll- Overalls oder undurchlässige Overalls über Baumwoll-Overalls 38,5ºC. Diese Werte sind die Aktions-Alarm-Schwellenwerte im PM-Algorithmus, die eine Zeit zum Beenden der Belastung angeben.
Die Konstruktionsvorgaben für das PM beinhalteten auch das Vorsehen einer Warn-Alarmstufe, so daß man vorgewarnt werden kann, wenn sich die physiologische Belastung erhöht hat, und die Kriterien nachgestellt werden können, die es ermöglichen, daß die Alarmstufe sich von Warnung auf akzeptabel ändert. Die Warn-Alarmstufe sollte ungefähr 10 Minuten vor einem Aktions-Alarm unter typischen Wärme-Erhöhungsbedingungen erfolgen. Die Warnschwellen waren 38,0 bzw. 38,1ºC für Arbeitskleidung/Baumwoll-Overalls bzw. doppelte Baumwollkleidung/undurchlässige Kleidung. Wenn die Belastung nach einer Warn-Alarmstufe verringert wird, zeigt das PM wieder "akzeptabel" an. Die Rückstell-Schwellenwerte wurden auf 0,2ºC unter dem Warnschwellenwert eingestellt. Der Rückgang um 0,2ºC zeigt einen beträchtlichen Temperaturrückgang an und vermeidet Probleme mit der Temperaturfühlerfluktuation oder "Flattern" um den Schwellenwert (z. B. beim Wechsel zwischen 37,9 und 38,0ºC).
Der Zweck der Herzfrequenzkriterien ist, die aus der Überwachung der Herzfrequenz gewonnene Information auf die kardiovaskuläre Belastung bei der Wärmebelastung zu beziehen. Das wird dadurch erreicht, daß die Beziehung zwischen Arbeitsanforderung und Durchhaltezeit untersucht wird, dann die Durchhaltezeit und die Herzfrequenz durch die Arbeitsanforderung in Beziehung gesetzt wird und schließlich Herzfrequenzkriterien zum Anzeigen andauernder Anstrengung vorgeschlagen werden. Zusätzlich können Herz-Erhol-Muster zum Beurteilen des Niveaus der kardiovaskulären Angleichung an Wärme- und Arbeitsbelastung verwendet werden.
Beim Ausführen körperlich anstrengender Arbeit, fordern die Muskeln Sauerstoff an, der durch das zirkulierende Blut geliefert wird. Der erhöhte Bedarf an Sauerstoff und damit an Blutzufuhr wird durch eine erhöhte Herzfrequenz gedeckt. Mit der ansteigenden Arbeitsanforderung steigt der Sauerstoffbedarf zur Unterstützung des Muskelstoffwechsels und die Herzfrequenz steigt zur Steigerung der Blutzufuhr. Wenn eine Person in steigendem Maße Arbeit (und Sauerstoffbedarf) ausgesetzt ist, wird ihre Herzfrequenz einen maximalen Wert erreichen, der auch durch einen maximalen Sauerstoffverbrauch (maximale aerobische Kapazität, maximal aerobic capacity: MAC) gekennzeichnet ist.
Eine häufige Beobachtung ist, daß die gleiche Aufgabe von einem Arbeiter leicht ausgeführt werden kann, während ein anderer damit Schwierigkeiten hat. Die relative Schwierigkeit, eine Aufgabe auszuführen, hängt davon ab, wie der Sauerstoffbedarf der Aufgabe im Vergleich zur MAC der Person ist. Die relative Schwierigkeit wird bei Arbeitsanforderungen und entsprechendem Sauerstoffbedarf unter der MAC auf den als Prozentsatz der maximalen aeroben Kapazität (percent of the maximum aerobic capacity: %MAC) ausgedrückten Sauerstoffgehalt bezogen. Ein Arbeiter mit guter Kondition (hohe MAC) hat weniger Schwierigkeiten bei der Durchführung der gleichen Aufgabe als einer mit weniger guter Kondition, weil der erste mit einem geringeren Anteil seiner MAC arbeitet.
Wenn bei der Arbeit ein Sauerstoffbedarf von 30% des Maximums auftritt, wird die Aufgabe als leicht eingestuft und kann über Stunden fortgesetzt werden, wenn er aber 75% der MAC beträgt, kann die Aufgabe nur etwa 20 Minuten lang bei relativ großer, zur Erschöpfung führender körperlicher Belastung durchgehalten werden. Es sind schon viele Laborversuche zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Zeit bis zur Erschöpfung (Durchhaltezeit) und %MAC durchgeführt worden. Beim typischen Versuch wird einer Person eine Aufgabe gestellt, die einen regelmäßigen Sauerstoffverbrauch erfordert (z. B. Tretmühlenlaufen oder Treten eines Fahrrad-Ergometers). Die Arbeit wird bis zur Erschöpfung fortgesetzt und die Zeit festgehalten. Die Durchhaltezeit, aufgezeichnet in Abhängigkeit von %MAC, ergibt für alle Menschen ähnliche Kurven. Die Durchhaltezeit nimmt exponentiell mit %MAC ab.
Ein durchschnittlicher Mensch kann ungefähr 20 Minuten lang bei 80% seiner MAC bis zur Erschöpfung arbeiten. Dieser Zeitraum verlängert sich auf 40 Minuten bei 70% MAC und 80 Minuten bei 60% MAC. Vom Gesichtspunkt der Arbeitskonzeption sollte die Arbeit nicht länger dauern als die Durchhaltezeit. Es sollte also eine Aufgabe, die 70% MAC einer Person erfordert 40 Minuten nicht überschreiten. Wenn auf der anderen Seite nur eine minimale Arbeitszeit benötigt wird, muß die tatsächliche %MAC niedriger sein als die %MAC, die der Durchhaltezeit entspricht, die gleich der Arbeitszeit ist. Wenn man z. B. 40 Minuten zur Durchführung einer Arbeit benötigt, sollte die tatsächliche MAC weniger als 70% MAC für jeden Arbeiter betragen, der die Arbeit durchführen soll.
Es gibt für jeden bestimmten %MAC-Wert einen Bereich von Durchhaltezeiten (endurance time: ET). Um die meisten Arbeiter zu schützen, kann man alle ET-Daten für eine vorgegebene %MAC mit einbezogen werden, die der folgenden Gleichung folgt:
log&sub1;&sub0;(ET) = 4,0-4,0 (%MAC/100%) (1a)
-%MAC = 25% [log&sub1;&sub0;(ET)-4,0] (1b)
wobei ET Durchhaltezeit in Minuten ist und der Ausdruck (%MAC/100%) das Verhältnis des Sauerstoffbedarfs zur MAC zwischen 0 und 1 ist. Die Gleichungen 1a und 1b stellen den gleichen Zusammenhang auf zwei verschiedene Arten und Weisen dar. Die Bedeutung des Verhältnisses kann wie folgt interpretiert werden. Aus der Gleichung 1a: Bei jedem %MAC könnten die meisten Arbeiter auf diesem relativen Niveau mindestens eine Zeit von ET lang arbeiten. Oder aus der Gleichung 1b: Wenn eine Arbeit eine Zeit von ET erfordern würde, kann sie von jedem durchgeführt werden, der mit einem entsprechenden %MAC-Wert oder darunter arbeitet. So kann ein Arbeiter mindestens 10 Minuten bei 75% MAC arbeiten; oder eine Arbeit, die 10 Minuten Arbeitszeit erfordert, kann von jedem, der mit 75 %MAC oder darunter arbeitet, durchgeführt werden.
Ein praktischer Hinweis: Ein Muster aus unterschiedlichen Arbeitsanforderungen mit unterschiedlichem Sauerstoffbedarf kann über ein Zeitintervall zu einem Durchschnitt zusammengefaßt werden und so die durchschnittliche %MAC ergeben. Die durchschnittliche %MAC wird zur Schätzung der zu erwartenden Durchhaltezeit verwendet, und diese Durchhaltezeit wird mit der tatsächlich benötigten Zeit verglichen (der Zeitbasis für den Durchschnitt). So können z. B. 5 Minuten bei 80% MAC und 20 Minuten bei 50% MAC zu einem Durchschnitt von 56% MAC über 25 Minuten verrechnet werden. Dieser Durchschnitt kann durchgehalten werden, denn er ist niedriger als die Durchhaltezeit von 100 Minuten, die 56% MAC entspricht. Diese Technik der Durchschnittbildung kann nicht angewendet werden, wenn die Arbeitsbelastung über einen kürzeren Zeitraum bedeuten würde, daß die Durchhaltezeit überschritten würde. So können z. B. 30 Minuten bei 80% MAC und 30 Minuten bei 40% MAC nicht zu 60 Minuten bei 60% MAC zusammengefaßt werden. Der Arbeiter würde während des 80%-Abschnitts an den Erschöpfungspunkt gelangen, weil die Durchhaltezeit bei 80% MAC zwanzig Minuten beträgt.
Basierend auf diesem Prinzip der Durchschnittbildung kann eine Inkrementanalyse durchgeführt werden um einzuschätzen, ob eine Arbeit zur Erschöpfung führen kann. Bei der Inkrementanalyse wird der relative Sauerstoffbedarf (%MAC) über kurze Zeitintervalle (d. h. 5 Minuten) untersucht, um festzustellen, ob die entsprechende Durchhaltezeit kürzer ist als das Zeitintervall. D.h., daß bei jedem 5-Minuten-Intervall für den Arbeiter die durchschnittliche %MAC den Wert von 83 nicht überschreiten sollte, wenn das aus Gleichung Ib, bei ET = 5 Minuten, errechnet wird. Der Zeitschritt wird dann erhöht (z. B. auf 10 Minuten) und für dieses Zeitintervall wird die durchschnittliche %MAC berechnet. Noch einmal: Wenn die durchschnittliche %MAC weniger ist als 75%MAC (Wert aus Gleichung 1b mit ET = 10 min.), sollte keine überhöhte physiologische Anforderung (Erschöpfung) auftreten. Durch Inkrementieren der Zeitbasis des Durchschnitts auf-die Arbeitszeit selbst können alle möglichen Kombinationen der Arbeit auf ihre erschöpfende Wirkung untersucht werden. Das heißt, daß sowohl kurze Zeiten hoher Belastung als auch lange Zeiten niedriger durchschnittlicher Belastung berücksichtigt werden.
Wegen des exponentiellen Charakters des Verhältnisses können die Zeitintervalle geometrisch erhöht werden, um die Anzahl der durchschnittsbildenden Intervalle zu verringern, ohne an Schutzwirkung zu verlieren. Wenn man also mit 5 Minuten anfängt, was das kürzeste praktikable Intervall ist, können die Intervalle 10, 20, 40, 80, . . . Minuten folgen. Als eine Annäherung der geometrischen Fortschreitung wurden 7 durchschnittsbildende Intervalle für den PM-Algorithmus gewählt: 5, 10, 20, 30, 45, 60 und 90 Minuten. Aus Gleichung Ib ist die höchste %MAC, die bei diesen Intervallen durchgehalten werden kann 83, 75, 67, 63, 59, 56 bzw. 51% MAC. Bei den Arbeitsszenarios, in denen das PM zum Einsatz kommen könnte, ist es nicht nötig, die durchschnittsbildenden Intervalle über 90 Minuten auszudehnen, da nur sehr wenige Belastungszeiträume 3 Stunden (180 Minuten) andauernder Arbeit erreichen.
Der nächste Schritt bei der Entwicklung eines Algorithmus für die Herzfrequenz ist, die Herzfrequenz auf %MAC zu beziehen. Dieser Schritt ist notwendig, da es nicht möglich ist, sowohl die MAC eines jeden potentiellen Benutzers des Personen-Überwachungsgeräts zu kennen als auch zur Ermittlung der %MAC den Sauerstoffbedarf bei allen möglichen zu erfüllenden Aufgaben.
Während der Sauerstoffbedarf einer Person sich vom Ruhebedarf zum MAC bewegt, erhöht sich die Herzfrequenz (heart rate: HR) vom Ruhepuls (HRRuhe) auf die maximale Herfrequenz (HRmax) Der durchschnittliche Ruhepuls ist 75 Schläge pro Minute und wird von Alter, Rasse oder Geschlecht so gut wie nicht beeinflußt. Bei der durchschnittlichen Bevölkerung nimmt die HRmax mit zunehmendem Alter ab, was mit folgender Formel einigermaßen sicher berechnet werden kann:
HRmax = 220 - Alter(Jahre) (2)
Das heißt allgemein, daß die durchschnittliche HRmax bei einem Menschen jeweils um einen Schlag pro Minute (SpM) niedriger ist, als bei einem Menschen, der ein Jahr jünger ist. Das bedeutet auch, daß die durchschnittliche MAC wegen einer tatsächlich zurückgehenden Fähigkeit, Sauerstoff an die Muskeln zu liefern, abnimmt.
Die Herzfrequenzreserve (heart rate reserve: HRR) ist die Differenz zwischen HRRuhe und HRmax. Jede Herzfrequenz (HR) kann als ein Prozentsatz der Herzfrequenzreserve %HRR ausgedrückt werden durch:
%HRR = [(HRmax - HR)/(HRmax - HRRuhe))·100% (3a)
oder
%HRR = ((HRmax - HR)/HRR)·100% (3b)
%HRR ist Null in der Ruhe und 100 bei HRmax.
Drei Faktoren müssen berücksichtigt werden:
(1) MAC(100%MAC) tritt bei HRmax auf, (2) der Sauerstoffbedarf ist ungefähr 10%MAC und (3) die Herzfrequenz erhöht sich linear mit %MAC. Diese drei Tatsachen lassen auf eine grundlegende, bei dem PM verwendete Annäherung schließen: %HRR ist gleich %MAC. Wenn jemand 50% seiner MAC für die Arbeit verwendet, dann benutzt er auch 50% seiner HRR. Um diese Verhältnisse zu illustrieren, nehmen wir an, ein 45 Jahre alter Arbeiter führt eine Aufgabe mit einer Herzfrequenz von 125 Schlägen pro Minute (Schl./min.) durch. Erstens: seine HRmax = 175 (= 220-45, Gleichung 2), und er hat einen Ruhepuls von 75. Er hat eine HRR von 100 Schl./min., er benutzt 50% seiner HRR(L175-125)/100]·100%, Gleichung 3b). Das heißt, daß er mindestens 100 Minuten arbeiten kann (Gleichung 1a). Wenn man die HR weiß, kann man aufgrund von %HRR und %MAC die Durchhaltezeit schätzen. Das zeigt, daß es nicht notwendig ist, den Sauerstoffbedarf oder die MAC des Einzelnen zu kennen, um die Durchhaltezeit abzuschätzen - nur die Herzfrequenz für die Aufgabe muß bekannt sein.
Diese Verhältnisse können auch umgekehrt angewendet werden. Wenn eine minimale Arbeitszeit bekannt ist und der ET gleichgesetzt wird, kann die höchste zu erwartende Arbeitsanforderung, ausgedrückt als %MAC, und damit die %HRR basierend auf Gleichung 1b, geschätzt werden. Mit der HRR und den Annahmen über HRRuhe (= 75) und HRmax (Gleichung 2), kann ein Herzfrequenzlimit vorgeschlagen werden. Als Beispiel nehmen wir an, daß die Arbeitszeit 20 Minuten beträgt und der Arbeiter 45 Jahre alt ist (wie oben). Die höchste %MAC ist 67 bei ET = 20 aus Gleichung 1b. Das heißt dann, daß die durchschnittliche Herzfrequenz für die zwanzig Minuten 67% HRR nicht überschreiten sollte. Gleichung 4 ist eine umgeformte Version der Gleichung 1b.
HR = HRRuhe + HRR(%HRR/100%) (4)
67%MAC ergibt dabei eine Herzfrequenz von 142 (= 75 + 100(67/100)), Gleichung 4.
Bei der voraufgehenden Diskussion wurde jedoch nicht auf die Wärmebelastung eingegangen. Es ist bekannt, daß die zusätzliche Last durch Wärmebelastung auf das kardiovaskuläre System sich auch auf die Herzfrequenz niederschlägt und daß die Herzfrequenzerhöhungen aufgrund von Wärmebelastung als Inkrement in %MAC behandelt werden können. Anders ausgedrückt ist die durch die Herzfrequenz ausgedrückte physiologische Belastung die gleiche, ob sie von der Arbeit allein oder von einem niedrigeren Arbeitsniveau in Kombination mit Wärmebelastung herrührt. Daher verhalten sich die Auswirkungen von Arbeits- und Wärmebelastung additiv, und die Gesamtwirkung auf die Herzfrequenz kann dazu benutzt werden, durch %HRR eine %MAC zu schätzen. Die %MAC kann dann dazu verwendet werden, eine maximale Arbeitszeit oder eine maximale Durchhaltezeit vorherzusagen.
Zwei Annahmen spielen deshalb bei der Verwendung der Herzfrequenz zur Überwachung physiologischer Anstrengung aufgrund von Arbeit unter Wärmebelastung eine Rolle. Erstens, die Wirkung von Wärmebelastung auf die Herzfrequenz verhält sich additiv zur Herzfrequenz aufgrund von Arbeit allein. Zweitens kann die Herzfrequenz dazu verwendet werden, das äquivalente %MAC wiederzuspiegeln, und damit ist die Durchhaltezeit bei hoher %MAC kurz und wird bei niedriger %MAC lang. Das daraus resultierende Prinzip ist, daß hohe Herzfrequenzen (hoher Bedarf, reflektiert durch die Kombination von Stoffwechsel und Hitzebelastung) über kurze Zeiträume ohne Gefahr aufrechterhalten werden können und niedrigere Herzfrequenzen (niedrigerer Bedarf) über längere Zeiträume.
Bei einem PM ist ein Herzfrequenzschwellenwert ein Niveau, über dem eine durchschnittliche Herzfrequenz über einen vorbestimmten Zeitraum einen Alarm auslöst. Über eine kurze Zeit sollte das PM auf eine hohe Herzfrequenz aufgrund großer Belastung durch Arbeit und/oder Wärme nicht ansprechen. Das kann durch einen kurzen durchschnittsbildenden Zeitraum und einem hohen Schwellenwert erreicht werden. Dagegen muß das PM auf eine mittlere Anforderung (niedrigere HR) über einen längeren Zeitraum ansprechen. Dazu kann ein längerer durchschnittsbildender Zeitraum mit einem niedrigeren Schwellenwert verwendet werden.
Mit der Durchschnittsbildung können Probleme vermieden werden, die sonst bei einzelnen statischen Schwellenwerten auftreten, wie sie in den marktüblichen Herzfrequenzüberwachungsgeräten verwendet werden. Wenn ein statisches Kriterium so hoch angesetzt wird, daß Schübe hoher Anforderung möglich sind, dann werden längere Zeiträume mittlerer Belastung nicht erfaßt. Wenn das Kriterium für mittlere Belastung niedriger angesetzt wird, dann wird bei kurzen, jedoch annehmbaren Zeiten hohen Bedarfs ein Alarm ausgelöst. Das PM berücksichtigt das Belastungskontinuum zwischen diesen beiden Situationen durch die Verwendung einer Vielzahl von durchschnittsbildenden Zeiträumen. Die Schwellenwerte können für jeden der multiplen durchschnittsbildenden Zeiträume gewählt werden.
Multiple Durchschnittsbildungs-Zeiträume und Schwellenwerte werden durch die Technik beweglicher Zeitdurchschnitte (moving time average: MTA) der Herzfrequenz errechnet und aktualisiert. Die Verwendung von MTAs stellt eine neue Möglichkeit für die Überwachung der Herzfrequenz dar. Ein MTA-5 (beweglicher Zeitdurchschnitt über 5 Minuten) stellt die durchschnittliche Herzfrequenz über die letzten 5 Minuten dar und kann zur Untersuchung eines Schubs hoher Belastung verwendet werden. Wenn die Herzfrequenz zwei Minuten lang hoch ist, nähert sich der MTA-5 schnell der hohen Frequenz. Wenn er einen kritischen Wert erreicht, löst er einen Alarm aus. Wenn jedoch der Schub hoher Anforderung zu kurz ist, als daß er Sorge erregen würde, erreicht der MTA-5 den kritischen Wert nicht. Auf diese Weise kann er auf hohe Anforderungen ansprechen, ohne bei kurzen vorübergehenden Spitzen überzureagieren. Das andere Extrem ist ein MTA-90 (90-minütiger beweglicher Zeitdurchschnitt). Auch lang andauernde Zustände hoher Herzfrequenz bleiben verborgen, aber allmähliche Steigerungen aufgrund lang anhaltender mittlerer, Ermüdung verursachender Anforderungen werden berücksichtigt. Ein Schwellenwert oder kritischer Wert für MTA-90 kann viel niedriger sein, wodurch ein Alarm erst dann ausgelöst wird, wenn die Langzeitanforderung als überhöht eingestuft wird.
Bei dem PM werden 7 MTAs auf Zeitbasen von 5, 10, 20, 30, 45, 60 und 90 Minuten verwendet zum Bereitstellen einer stetigen Fortschreitung des Schutzes von kurzen, hohen Anforderungen bis zu lang andauernden, mittleren Anforderungen. Die MTA- Intervalle stehen für eine Annäherung einer geometrischen Progression (fortlaufende Verdoppelung) ausgehend von 5 Minuten.
Die Wirkung der beweglichen Zeitdurchschnitte auf das Abflachen von Spitzen und die Erkennung von Entwicklungen kann im folgenden Beispiel gezeigt werden. Man betrachte einen Einsatzleiter bei der Inspektion des Containments eines Nuklearkraftwerks unmittelbar nach einem warmen Abschalten. Damit ist sowohl viel Leiter- und Treppensteigen verbunden (hohe Herzfrequenzen) als auch relative Inaktivität. MTA-5 ermöglicht das Verfolgen der kurzzeitigen Entwicklungen der Herzfrequenz, ohne daß sehr kurze Spitzen zu sehr ins Gewicht fallen. MTA-90 ermöglicht es auf der anderen Seite, daß die ständig steigende kardiovaskuläre Belastung aufgrund von Langzeitauswirkungen verfolgt werden können.
Die Aktions-Alarm-Schwellenwerte für die MTAs werden unter der Verwendung zweier Faktoren ausgewählt: (1) das Alter zum Einstellen der HRmax und (2) %MAC zum Ermitteln einer Durchhaltezeit, die gleich der Zeitbasis des durchschnittsbildenden Zeitraums ist. Drei Altersgruppen wurden zur Berücksichtigung der Auswirkungen des Alters auf die HRmax für ausreichend erachtet. Zwei Gruppen würden den Auswirkungen des Alters nicht genügend Rechnung tragen, doch sind auch nicht mehr als drei Gruppen notwendig, um die altersbedingte Veränderung der Heu zu berücksichtigen. Dann wurden für jede Gruppe HRRs geschätzt, wobei ein typischer Ruhepuls von 75 Schl./min. vorausgesetzt wurde und eine HRmax eines in der Mitte der Bereiche gelegenen Alters.
* Jung: < 35 Jahre mit HRR = 118 (27 Jahre)
* Mittel: 36-50 Jahre mit HRR - 102 (43 Jahre)
* Älter: > 51 Jahre mit HRR = 87 (58 Jahre)
Für jede MTA Zeitbasis wurde ET auf die Zeitbasis eingestellt, und die %MAC (und daher auch die %HRR) wurde aus Gleichung 1b errechnet. Für die 7 durchschnittsbildenden Intervalle - 5, 10, 20, 30, 45, 60 und 90 Minuten - sind die höchsten für diese Intervalle durchzuhaltenden %MAC 83, 75, 67, 63, 59, 56 bzw. 51%MAC. Für jede Altersgruppe wurde die Herzfrequenz für jede %HRR, die der %MAC gleich ist, unter Verwendung von Gleichung 4 errechnet. Das Ergebnis wurde als Aktions-Alarm- Schwellenwert verwendet. Die Herzfrequenz-Schwellenwerte für die ältere Altersgruppe wurden um ungefähr 2 Schl./min. nach unten korrigiert, aufgrund von Laborversuchen und anderer Daten, aus denen hervorgeht, daß die Fähigkeit, Wärmebelastung zu ertragen, mit zunehmendem Alter stärker abnimmt, als aus einem altersabhängigen Dekrement kardiovaskulärer Kapazität resultieren würde.
Die Warn-Alarmstufen-Schwellenwerte wurden so gewählt, daß vor dem Aktions-Alarm-Schwellenwert eine zehnminütige Warnzeit verstreicht, wenn die Herzfrequenz bei mittlerer Anforderung gleichbleibt. Die Rückstellwerte wurden so gewählt, daß sie einen länger anhaltenden Abfall in der Herzfrequenz von den Warnwerten anzeigen. Nach den Laborversuchen scheinen sie angemessen zu sein.
Herzfrequenz-Erhol-Muster wurden von Brouha bei duPont als ein Verfahren eingeführt zur Bewertung der physiologischen Belastung, die ein Mensch bei körperlich anstrengender Arbeit erfährt. Sie sind auch für Wärme-Belastungs-Bedingungen gültig. Die Kriterien wurden von Füller und Smith überarbeitet. Beim Herzfrequenz-Erhol-Verfahren muß der Arbeiter die Arbeit einstellen und sich 3 Minuten lang setzen. Drei 30-Sekundenlange Pulszählungen werden während der zweiten Hälfte der drei aufeinanderfolgenden Minuten wie folgt vorgenommen.
* P&sub1;: 30 bis 60 Sekunden nach dem Hinsetzen.
* P&sub2;: 90 bis 120 Sekunden nach dem Hinsetzen.
* P&sub1;: 120 bis 180 Sekunden nach dem Hinsetzen.
Jede der drei Zählungen wird zur Ermittlung eines Pulses verdoppelt. Fuller und Smith ermittelten, daß eine P&sub3;-Frequenz von weniger als 90 Schl./min. eine vollständige Erholung anzeigt und daß die voraufgegangene Arbeit keine Überanstrengung dargestellt hat; d. h. sie war akzeptabel.
Wenn P&sub3; höher war als 90 Schl./min., sammelte der Arbeiter ein physiologisches Defizit an mit der Folge, daß er nicht unbegrenzt weiterarbeiten konnte. Weiter ließ sich feststellen, daß ein Abfall von mehr als 10 Schl./min. von P&sub1; auf P&sub3; eine marginale Erholung anzeigte. Das heißt, daß er zwar weiterarbeiten kann, jedoch später wahrscheinlich erschöpft sein wird. Das ist der Warn-Alarmstufe vergleichbar. Wenn der Abfall weniger als 10 Schl./min. beträgt, erfolgt keine Erholung, und die Arbeit sollte eingestellt werden, was dem Auslösen eines Aktionsalarms entspricht.
Auf der Basis von Daten aus Laborversuchen für Erhol- Muster nahe dem Terminationspunkt wurde die obige Methode noch weiter modifiziert. Eine Kategorie "keine Erholung" wird vom PM-Algorithmus zugeteilt, wenn P&sub3; höher ist als 120, unabhängig vom Unterschied zu P&sub1;.

HARDWARE

Das Personen-Überwachungsgerät besteht aus drei getrennten Teilen: der Fühler-Einrichtung, der Überwachungs-Einrichtung und der Alarm-Einrichtung. Jede dieser Einrichtungen wird im Detail beschrieben.
Die Fühler-Einrichtung 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Die Fühler-Einrichtung 10 enthält EKG-Sensoren (Elektroden) 12, eine Temperaturscheibe (für isolierte Hauttemperatur) 14 und ein Elektronikpaket 16 für die Sensoren 12 und 14. Das Sensorenpaket 16 ist in einem Geschirr 18 befestigt, das auf der Brust getragen wird. Auf der Innenseite des Geschirrs 18 sind die EKG-Elektroden 12 und die Temperaturscheibe 14 angebracht, die alle in Kontakt mit der Haut stehen müssen.
Das Hauptziel bei der Auswahl der EKG-Elektroden 12 war, Elektroden auszuwählen oder zu konstruieren, die im Gebrauch bei einem Minimum an Hautvorbereitung ein gutes EKG-Signal erfassen würden. Ein gutes Erfassen des Signals ist möglich, wenn die Impedanz zwischen den beiden Elektroden 12 weniger als 10 kOhm beträgt.
Die Elektroden 12, die für das Personen-Überwachungsgerät ausgewählt wurden, sind im Handel als integraler Bestandteil des Brustriemengeschirrs 18 erhältlich. Dieser Riemen 18 ist ein Teil eines Herzfrequenz-Überwachungsgeräts für körperliche Leistung, das von AMF entwickelt wurde und von Computer Instruments Corporation vertrieben wird. Dabei werden zwei Segmente aus flexiblem leitendem Material auf der Innenseite des Riemens 18 für die Elektroden 12 verwendet. Ein Druckknopf durch das Material und das Geschirr 18 stellt eine elektrisch leitende Verbindung nach außen her. Bei der PM-Fühler-Einrichtung 10 werden Kabel zu den Druckknöpfen für die EKG-Elektroden 12 verwendet.
Wenn die Elektroden 12 einfach auf trockene Haut auf der Brust plaziert werden, ist die Impedanz zum Erzielen eines guten EKG zu hoch (> 10 kOhm). Nach etwa 2 Minuten hat sich so viel Schweiß unter den Elektroden 12 angesammelt, daß die Impedanz sich auf einen akzeptablen Wert verringert. Wenn man sofort ein brauchbares EKG-Signal erhalten will, kann man vor dem Anlegen ein wenig Leitmittel oder Wasser auf die Elektroden 12 auftragen. Keine weitere Hautvorbereitung (z. B. einreiben, Haare rasieren usw.) ist notwendig.
Alternative, anstelle der Elektroden 12 zu verwendende Elektroden sind mit Gel beschichtete Einweg-Elektroden, wie sie in Krankenhäusern und bei körperlichen Leistungstests verwendet werden. Das Grundkonzept ist eine weiche Kunststoffscheibe mit einer selbstklebenden Oberfläche zum Befestigen der Elektrode am Menschen. In der Mitte der Scheibe befindet sich leitendes Gel zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit der Haut. Eine dritte Möglichkeit sind Elektroden mit leitfähiger Gelatine, die bei einem von Biotechnology entwickelten Überwachungsgerät für die Herzfrequenz bei körperlicher Leistung verwendet werden.
Zur Messung des EKG werden drei Elektroden (Aktiv-, Referenz- und Masse-Elektrode) benötigt. Die aktive Elektrode wird über dem Herz (linke Seite der Brust) angebracht. Die Referenzelektrode auf der rechten Seite der Brust. Die Temperaturscheibe 14 dient gleichzeitig als Masse-Elektrode. Sie ist außerhalb der von der Referenz- und der Aktiv-Elektrode 12 gebildeten Linie angebracht. Auf diese Weise ist die Kupferscheibe sowohl ein Wärme- als auch ein Elektrizitäts-Leiter.
Das Geschirr kann leicht von einer Person an- und abgelegt werden. Normalerweise wird es dann auf der Brust in die richtige Position gerückt, und der Temperatursensor 14 wird auf der rechten Seite unter das Geschirr 18 geschoben. Zur Hygiene kann das Geschirr mit der Hand gewaschen werden.
In Fig. 2 ist der Temperaturfühler 14 dargestellt. Eine Polystyrolschaum-Scheibe 22 von 0,8 cm Dicke mit einem Durchmesser von 4,2 cm ist der Isolierkörper des Fühlers. Auf der der Haut zugewandten Oberfläche 24 ist eine Kupferscheibe 26 mit 2,5 cm Durchmesser angeordnet. Eine temperaturempfindliche Festkörpereinrichtung 28 (National Semiconductor MV 34 CA) ist auf der Innenseite 30 auf die Kupferscheibe 26 aufgelötet und auf den anderen Seiten von der Polystyrolschaum-Scheibe umgeben. Der Festkörper-Temperaturfühler 28 hat eine niedrige Ausgangsimpedanz und ein lineares Spannungs-Ausgangssignal, das proportional zur Temperatur (T) ist, was wie folgt ausgedrückt werden kann:
Spannung (mV) = 10·(Temperatur in ºF)
Z.B. ist das Ausgangssignal 0,950 V bei 35ºC (95ºF) und 1,040 V bei 40ºC (104ºF), für eine Veränderung von 90 mV über den Bereich typischer Körper-Außentemperaturen. Auf Wunsch könnte auch ein Thermistor verwendet werden, doch weist die Festkörpereinrichtung eine vergleichbare Temperaturempfindlichkeit auf, ist widerstandsfähiger und hat einen niedrigeren Strombedarf.
Drei elektrische Kabel 32, 34 und 36 sind an den Temperaturfühler 28 angeschlossen. Das erste Kabel 32 ist das gemeinsame elektrische (Masse-)Kabel, das an das Metallgehäuse 38 des Fühlers angeschlossen ist. Dieses Kabel 32 wird in seiner Rolle als Masse-Elektrode auch als elektrischer Leiter verwendet. Das zweite Kabel 34 führt die Versorgungsspannung (+5 V). Das dritte Kabel 36 führt das Spannungs-Ausgangssignal, das proportional zur Temperatur ist.
Die Fühler-Schaltung 40 ist im Schaltbild der Fig. 3 dargestellt. Der erste Schritt ist, das Spannungs-Ausgangssignal von Vorrichtung 28 aus der Leitung 42 und eine Vorspannung aus Leitung 44 im Summierungsverstärker 46 zu summieren, so daß eine Nullstellung ermöglicht wird. Unter Verwendung der Stellwiderstände R31 und R7 wird eine nominale Vorspannung von -975 mV mit der Temperatureinrichtungs-Ausgangsspannung summiert, so daß die an den Verstärker 48 angelegte Spannung Null ist, wenn das Gerät auf 36,4ºC (97,5ºF) mißt.
Ein weiterer Stellwiderstand R36 wird zur Einstellung des Verstärkersignals von Verstärker 50 verwendet. Die Verstärkung aus Verstärker 50 wird so eingestellt, daß eine Veränderung von einem Bit bei einem Analog/Digital-Konverter (A/D-Konverter) in der Überwachungs-Einrichtung 0,025ºC entspricht. Die Überwachungs-Einrichtung hat einen 8-Bit-A/D-Konverter über einen Bereich von O bis +5 V, was bedeutet, daß es für 0 V einen numerischen Wert von Q anzeigt und 255 für +5 V. Das heißt daß 51 Ausgangseinheiten einem Eingangssignal in Volt an den A/D-Konverter entsprechen. Unter Verwendung der Zielsensibilität von 0,025ºC/Einheit sollte eine Steigerung von 3ºC über 36,4ºC (also 39,4ºC) in einer A/D-Anzeige von 120 (= 3/0,025) resultieren. Das Verstärkersignal wird so eingestellt, daß eine Temperatur von 39,4ºC am Gerät 28 eine Spannung von 2,353 V (5·120/255) im Ausgang 52 des Verstärkers 50 ergibt. Das Verstärker-Ausgangssignal ist das Eingangssignal an den A/D-Konverter. Das Gerät 28 wird in einem Wasserbad über den wichtigen Temperaturbereich (37ºC bis 39ºC) geeicht, und die Kalibrierungskurve wird in einem nichtflüchtigen Speicher (EEPROM) als die Neigung (slope) und der Schnittpunkt (intercept) einer Ausgleichskurve (least squares fit) angelegt.
Die Aufgabe der Fühler-Einrichtung 10 beim Feststellen der Herzfrequenz ist das Erfassen eines Herzschlags und, falls erfaßt, das Senden eines Signals an die Überwachungs-Einrichtung. Bei der Herzfrequenz-Erfassungsschaltung 60 in Fig. 4 ist es zum Erfassen notwendig, daß ein QRS-Komplex auftritt, der eine sehr charakteristische Komponente des EKG ist. Er ist ein sich schnell veränderndes Signal großer Amplitude (in der Regel zwischen 2 und 5-mal so groß wie die anderen sich langsamer verändernden Signale).
Wie oben erwähnt, sind drei Elektroden beteiligt. Eine ist die Masse-Elektrode 14, die gleichzeitig die Temperaturscheibe ist. Sie ist auch an die Masse des Instruments angeschlossen und gibt dem Signal Stabilität. Die anderen zwei Elektroden sind der positive (aktives Kabel) und der negative (Referenz-Kabel) Eingang von den EKG-Fühlern 12 an den instrumentengeeigneten (instrument grade) Differenzverstärker 62 (Burr-Brown), wie in Fig. 4 dargestellt. Das Signal wird um einen Faktor 1000 verstärkt (von mV auf V) und wird außerdem durch ein relativ breites Bandpaßfilter 53 geleitet. Das Signal passiert dann vier aktive Filter 65, 66, 68 und 70, die zusammen ein enges Bandpaßfilter bilden, das so ausgelegt ist, daß es die QRS-Welle mittlerer Frequenz (nominell 100 Hz) durchläßt und niedrigerfrequente EKG-Wellen, elektrisches Rauschen, wie z. B. elektrisches Rauschen von 60 Hz in der Umgebung, Impulsbasisverschiebung aufgrund sich verändernder Elektrodenimpedanz und höher frequentes Rauschen, wie z. B. Instrumentenrauschen von 400 Hz. Die Filter-Grenz-Frequenzen wurden empirisch festgelegt. Die Grenzfrequenzen für das Bandpaßfilter wurden unter Betrachtung ihrer Auswirkung auf die QRS-Welle eingestellt. Die Frequenz der beiden Hochpaßfilter wurde erhöht, bis sie eine Auswirkung auf die Amplitude des QRS hatten; auf ähnliche Weise wurden auch die Frequenzen der beiden Tiefpaßfilter verringert. Das gefilterte EKG/QRS- Signal wird dann einem hochverstärkenden Vergleichs-Verstärker 72 zugeleitet, der so lange ein Ausgangssignal Null aufweist, bis das Eingangssignal ein vorbestimmtes Niveau erreicht. Wenn das Signal dieses Niveau überschreitet, steigt das Ausgangssignal sehr schnell auf +5 V. Wenn das QRS-Signal also den Schwellenwert erreicht, erzeugt der Verstärker 72 eine positive Rechteckwelle zum Auslösen zweier monostabiler Multivibratoren 74 und 76.
Die Multivibratorschaltung 74 erzeugt ein ständiges, hohes Signal (+5 V), bis der Eingangsauslöser einen positiven Impuls empfängt. Der positive Impuls löst den Anfang einer Null-Volt-Rechteck-Welle vom Ausgang 78 des Multivibrators 74 aus. Das relativ lange hohe Fenster des zweiten Multivibrators 76 verhindert ein Auslösen des ersten Multivibrators 74 bei Frequenzen von über 255 Schl./min, was höher ist als alle zu beobachtenden möglichen Herzfrequenzen. Der niedrige Puls vom Mulitvibratorausgang 78 wird nicht nur von einer Zählerschaltung aufgenommen, sondern ermöglicht auch, daß die Leuchtdioden 208-212 bei jedem Herzschlag aufblinken (siehe Alarm- Einrichtungs-Elektronik). Die Breite des Impulses an die Leuchtdioden wurde so gewählt, daß die Leuchtdioden merklich aufblinken.
Fig. 5 ist eine Darstellung der Auswirkungen der Erfassungsschaltungen 60 auf das EKG-Signal. Oben ist das ungefilterte EKG-Signal 82 für einen Herzschlag gezeigt. Nach dem ersten, breiten Bandpaßfilter 64 hat das Signal einen eckigen bipolaren Charakter, mit 84 in (B) dargestellt. Das vierstufige, enge Bandpaßfilter 65-70 entfernt die negative Komponente und die langsamen Wellen und verbreitert die positive Welle, wie mit 86 in (C) dargestellt. Das Signal geht dann an die Vergleicherschaltung 72, wonach das gefilterte Signal eine Rechteckwelle 88 bildet, wie sie in (D) gezeigt wird. Dieses höchst modifizierte Signal löst dann die Multivibratorschaltung 74 aus, die eine exakte Null-Volt-Rechteckwelle 90, gezeigt in (E), auf ein normales Signal 92 von +5 V bildet. Die Fühler-Einrichtung 10 (Fig. 1) wird direkt aus der Batterie- Stromquelle versorgt. In der Fühler-Einrichtung 10 ist ein +5 V-Spannungsregler, der die integrierten Schaltkreise der Einrichtung versorgt.
Die Überwachungseinrichtung hat vier Bauteilmerkmale: Verbindungsbuchsen und Kontrollschalter, Herzschlagzähler, Mikroprozessor-Board und Alarm-Einrichtungs-Elektronik. Die Überwachungseinrichtung 100 hat drei Verbindungsbuchsen 102 und fünf Schalter 106. Die drei Telefon-Buchsen 102 werden zur Verbindung der Fühler- 10 und der Alarm-Einrichtung 200, zur Überwachungseinrichtung 100 und als Kommunikationbuchse verwendet. Zusätzlich gibt es noch eine Batterie-Anschlußbuchse 107.
Die Kommunikationsbuchse 108 ist die oberste Steckbuchse in Fig. 6 mit der Beschriftung RS232. Sie ist eine RS232C- Buchse für einen 6-poligen Telefon-Stecker, der an ein Kommunkations-Spezialkabel an einen Onset Computer-Datenaufzeichner angeschlossen ist. Dieser Anschluß ist notwendig zur Kommunikation mit dem Mikroprozessor (1) zum Überwachen des Funktionierens des PM während Laborversuchen und Vorführungen, (2) zur Kalibrierungsüberprüfung der PM, (3) zum Erhalten von Daten mit der DUMP-(WEITERLEITEN-)Funktion und (4) zum Kommunizieren mit dem Mikroprozessor zum Check-Out oder zum Modifizieren von Programmen.
Die Alarm-Einrichtungs-Buchse 110 ist die mittlere Buchse mit der Beschriftung "Alert". Sie ist eine achtpolige Steckbuchse zum Anschluß der Alarm-Einrichtung. Die Fühler-Einrichtungs-Buchse 112 ist die untere Telephonbuchse. Vier Kabel führen von ihr zur Fühler-Einrichtung.
Die Zusatzbatteriebuchse 107 ist oben auf der Überwachungs-Einrichtung 100 angebracht. Dadurch kann eine zweite oder alternative Batterie zur Versorgung der Überwachungs- Einrichtung mit Strom angeschlossen werden. Sie kann auch zur Verlängerung der Betriebszeit des PM verwendet werden.
Die Außenschalter 104 liegen auf der Vorderseite der Überwachungs-Einrichtung. Ein Bekleidung-Schalter 114 ist ein Zwei-Positionen-Schalter für die Auswahl und Anzeige der Bekleidungsgruppen: (1) Arbeitskleidung oder einfache Baumwoll-Overalls und (2) doppelte Baumwoll-Overalls oder undurchlässige (nicht atmungsaktive) Kleidung. Der Altersgruppen- Schalter ist ein Drei-Positionen-Schalter, der auch anzeigt, welche MTA-Schwellenwerte verwendet werden sollten. Die drei Altersguppen sind: (1) unter 36 Jahren; (2) 36-50 Jahre; und (3) über 50 Jahre. Funktionsschalter 118 zeigt die Betriebsart des PM an. Die Einzelheiten über die Betriebsarten werden unten im Abschnitt über Software erörtert. Die Betriebsarten sind: (1) DUMP (Weiterleiten), (2) CHECK (Prüfen), wobei ein System-Checkout und Kalbirieren möglich ist, und (3) RUN (Betrieb).
Zwei innere Schalter 106 können durch Knöpfe in der vorderen Abdeckung bedient werden. Der DEMO/DUMP-Format-Schalter 120 ist eine interner Drei-Positions-Schalter, der, wie gezeigt, in der rechten oberen Ecke der Einrichtung liegt. Er hat zwei Funktionen. In der CCW-Stellung werden während der DUMP-Routine alle während des Gebrauchs der vom PM gespeicherten Daten zur Komminkationsbuchse 108 geleitet (siehe Software). In der mittleren Stellung werden die MTA-Daten vom Dump- Ausgang gelöscht. In der CW-Stellung sind zwei Vorgänge möglich. Bei DUMP werden die MTA-Daten vom Dump-Ausgang gelöscht. In der RUN-Betriebsart wird die Programmsteuerung an eine Alarm-Demonstrations-Routine übergeben. Dieser Schalter kann durch den oberen Druckknopf in der Abdeckung bedient werden.
Ein Baud-Raten-Schalter (Bit-Frequenz-Schalter) 122 ist, wie gezeigt, rechts auf der Einrichtung 100 auf halber Höhe angebracht. Mit ihm werden die Baud-Raten der Kommunikationsbuchse gewählt: (1) 300 Baud, (2) 1200 Baud und (3) 9600 Baud. Wenn das Terminal (Drucker, Rechner usw.) das XON/XOFF-Kommunikations-Protokoll nicht unterstützt, ist eine Kommunikationsgeschwindigkeit von 300 Baud zu empfehlen. Bei höheren Übertragungsraten, können Ausgangsdaten (vor allem während der DUMP-Routine) durcheinander geraten (garbled) oder verlorengehen. Unter anderem sind in den Kommunikationsbestimmungen 8- Bit-Wörter mit 1 Stop Bit ohne Paritätskontrolle vorgeschrieben. Dieser Schalter kann durch den unteren Druckknopf betätigt werden. Die Baud-Rate wird beim Einschalten oder nach dem Eintritt in die DUMP-Betriebsart auf den neuen Wert geändert (siehe Software).
Der Herzschlagzähler 124 ist ein typischer integrierter Schaltkreis mit einem Auslösereingang (Takteingang), einer Rückstellsteuerung und 12 Ausgangsbits. Der Zähler 124 zählt jeden von der Fühler-Einrichtung 10 in den Auslösereingang geschickten Herzschlag. Dieser Zähler wird auf Null gestellt, wenn dem Rückstell-Eingang ein postitiver Impuls zugeleitet wird. Nur die ersten sieben Bits des Zählers werden als Eingang zum Mikorprozessor-Board 126 verwendet. Das heißt, daß der Zähler Werte von 0 bis 127 lesen kann. Wenn der Zähler vor einer Rückstellung auf 128 schalten will, schaltet er auf Null und fängt von vorne an. Der Zähler 124 wird alle 30 Sekunden gelesen und zurückgestellt, was bedeutet, daß ein Puls bis zu 254 Schl./min. gezählt werden kann, was höher ist als physiologisch möglich. Der Zähler 124 wird vom Mikroprozessor 126 unter der Programmsteuerung zurückgestellt.
Das Mikroprozessor-Board 126 ist ein im Handel erhältlicher Datenaufzeichner (data logger) Tattletale Model II, der von 0nset Computer für Fabrikabnehmer entwickelt wurde. Die Programmiersprache ist eine anwenderorientierte Version von BASIC (TTBASIC, Version 1.72). Das Handbuch für dieses Board beschreibt die Hardware und die Programmiersprache. Die wichtigen Merkmale der Mikroprozessor-Hardware sind unten zusammengefaßt.
Die Hardware des Datenaufzeichners ist auf einer 7,4 cm· 12,7 cm großen Platine untergebracht. Zur Hardware gehört ein 8-Bit-Mikroprozessor 126 mit einem 32 K EEPROM (electrically erasable programmable read only meomory/elektrisch zu löschender programmierbarer Festspeicher), 256 K dynamisches RAM 127, 8-Kanal-8-Bit-analog/digital-Konverter (A/D converter) und ein 14 Pin-digital-I/O (14 Bit digitaler Input und/oder 0utput). Zusätzlich gibt es noch eine serielle Kommunikationsbuchse RS232C. Zum Speichern von Zahlen sind 21 Stellen im durch TTBASIC zugänglichen nicht-flüchtigen Speicher (EEPROM) vorgesehen. Wenn der Prozessor eingeschaltet wird, lädt er das im EEPROM gespeicherte Programm in das RAM 127 und startet das Programm. Bei der Anwendung im PM enthält das ROM das TTBASIC- Übersetzungsprogramm und die in TTBASIC geschriebene Software. Die PM-Software und die für TTBASIC reservierten Variablen besetzen ungefähr 60K des RAM, der Rest bleibt zum Speichern von während des Betriebs gesammelten Daten. Während jeder Betriebsminute sammelt das PM ungefähr 22 Bytes Daten oder ungefähr 1,2 K pro Stunde. Zwar wurde die Datenspeicherung auf Labor- und Feldversuche ausgelegt, sie könnte jedoch auch für Routine-Bewertungen individueller Streß- und Arbeitsanforderungen in einem breiter ausgelegten Wärmebelastungs-Management-Programm verwendet werden.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild der Alarm-Einrichtungs-Elektronik 130, die in der Überwachungseinrichtung 100 enthalten ist. Die Digitalkabel 132, 134 und 136 für die grüne, die gelbe und die rote Leuchtdiode dienen zur Trennung der UND- Gatter 138, 140 und 142. Auf den zweiten Zweigen 144, 146 und 148 der UND-Gatter 138-142 liegt das Herzschlagsignal von der Fühlereinrichtung 10. Die Ausgänge 150, 152 und 154 der UND-Gatter 138-142 sind mit jeweils getrennten Verstärkern 156, 158 oder 160 verbunden zur Speisung ihrer getrennten Leuchtdioden. Wenn das Programm es vorsieht, daß eine Leuchtdiode an ist, dann wird sie mit jedem Herzschlag aufblinken und wieder erlöschen. Es sei daran erinnert, daß das Herzschlagsignal +5 V beträgt, außer wenn eine QRS-Welle festgestellt wird.) Es wird darauf hingewiesen, daß ein Pullup- Widerstand 162 das Herzschlagsignal hoch hält, wenn die Fühlereinrichtung 10 nicht angeschlossen ist. Die Schaltung weist eine Überwachungs-Einrichtungs-Leuchtdiode bei 164 auf, die auch mit dem Herzschlag blinkt, wenn eine oder mehr der Alarmeinrichtungs-Leuchtdioden eingeschaltet sind. Die Ausgänge 150
- 154 sind wie gezeigt durch ODER-Gatter 166 und 168 mit dem Überwachungs- Leuchtdioden-Ausgang 164 verbunden.
Wenn die Befehlsknopf-Leitung 170 aktiviert wird, führt die Logik-Leitung 172, die Kanal 1 des Digital-I/O versorgt, hohe Spannung (+5 V). Diese Leitung bleibt hoch bis durch das PM-Programm ein hohes Rückstell-Signal (+5 V) auf Kanal 0 des digitalen I/O auf der Leitung 174 ausgesendet wird.
Wenn durch das PM-Programm ein akustisches Signal vorgesehen wird, geht Kanal 12 des Digital-I/O auf Leitung 176 kurzzeitig auf 0 V, wodurch eine Zeitschalter 180 ausgelöst wird (Fig. 8). Der Zeitschalter 180 läßt 3 Sekunden lang einen Ton erklingen. Der Ton wird durch sich abwechselnde Plus- und Minus-Zweige 182 und 184 einer Batterie auf dem piezo-elektrischen Antrieb einer Membran 186 der Alarmeinrichtung erzeugt (siehe auch Fig. 9).
Bei der Überwachungseinrichtung (Fig. 6) ist die Leuchtdiode 164 vorne auf dem Gehäuse vorgesehen. Diese Leuchtdiode wird gleichzeitig mit einer oder mehr Leuchtdioden 208-212 (Fig. 9) auf der Alarmeinrichtung 200 aktiviert. Der Hauptzweck dabei ist, daß man den Herzschlag auch ohne Blick auf die Alarm-Baugruppe beobachten kann. Außerdem sind Einsatzmöglichkeiten denkbar, bei denen das PM zum Sammeln physiologischer Daten verwendet wird und die Alarmeinrichtung nicht angeschlossen ist. Wenn eine Batterie direkt über die Zusatz- Batterie-Buchse 107 oder Überwachungs-Einrichtung 100 angeschlossen ist, wird die Alarm-Einrichtung nicht zur Versorgung des PM benötigt (siehe Alarm-Einrichtung im folgenden Abschnitt). Die Zusatz-Buchse 107 kann auch zur Ausdehnung der PM-Stromversorgung verwendet werden oder zur Aufbewahrung gesammelter Daten nach dem Abschließen der Alarm-Einrichtung. (Wenn die Stromzufuhr zum Mikroprozessor 126 unterbrochen wird, gehen alle Daten eines PM-Einsatzes verloren.) Die Alarm-Einrichtung 200 ist in Fig. 9 dargestellt. Sie hat vier Bauteile: Batterie, Steuerknöpfe, Alarm-Leuchtdioden und Ton-Generator. Die Alarm-Einrichtung 200 hat als Hauptstromquelle für das PM eine 9-V-Transistor-Batterie 202. Die Batterie-Spannung wird von der Software geprüft. Zwei Knöpfe 204 und 206 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Alarm- Einrichtung 200 angeordnet. Wenn beide Knöpfe gleichzeitig gedrückt werden, wird das Steuerungs-Logik-Signal auf der Leitung 174 (Fig. 7) auf Hoch geschaltet (+5 V). Das PM-Programm verwendet dieses Signal, um entsprechende, durch die Stellung des Funktionsschalters 118 (Fig. 6) bestimmte Vorgänge einzuleiten. Zwei Anordnungen von je drei Alarm-Leuchtdioden 208, 210 und 212 sind jeweils auf der Seite der Einrichtung 200 angebracht. Von oben nach unten sind sie rot, gelb und grün. Welche Paare mit den Herzschlägen blinken, wird vom Programm in der Überwachungseinrichtung 100 bestimmt. Eine piezoelektrisch getriebene Membran 168 befindet sich in der Einrichtung 200 mit einer Öffnung 214 nach außen. Diese erzeugt den eigentlichen akustischen Alarmton unter der Steuerung des Mikroprozessors 126 und wird durch die Elektronik in der Überwachnungseinrichtung 100 angetrieben.

SOFTWARE

Bei dem Personenüberwachungsgerät wird ein Algorithmus verwendet, der es einem Menschen ermöglicht, seine Belastung durch Wärme zu bestimmen. Der Algorithmus ist in ein Programm integriert, das das Sammeln von Daten einerseits der Temperatur von Scheibe 14 (Fig. 1) und andererseits des Herzschlags steuert, und das Daten zum Erhalten relevanter Information manipuliert und den entsprechenden Alarm aktiviert. Das Programm spiegelt die Anwendung des Algorithmus im Rahmen der Prototypen-Hardware wider. In der folgenden Beschreibung der PM-Software werden die wesentlichen Meßdaten und die Entscheidungs-Struktur erläutert.
Die oben beschriebene PM-Hardware überwacht die isolierte (Scheiben-)Hauttemperatur und die Herzschläge (die in einer Zählerschaltung gespeichert werden), gibt den Alarm-Stufen- Status an und ermöglicht die Steuerung durch den Benutzer. Das in einem EEPROM (electrically erasable programmable read only memory) gespeicherte Programm steuert den Datenaufzeichner- Mikroprozessor 126 (Fig. 6).
Die folgende Liste ist die Beschreibung der für das PM wichtigen Variablen, wie sie im Algorithmus verwendet werden.
Td Hauttemperatur, gemessen in einminütigen Abständen
HR Herzschläge, gezählt über einen Zeitraum von 30 Sekunden, mit 2 multipliziert: Puls
MTAn bewegliche Zeitdurchschnitts-Herzfrequenzen (MTA- HR) über die letzten n Minuten (n - 5, 10, 20, 30, 45, 60, 90) anfangs auf 75 festgesetzt und jede Minute durch HR aktualisiert
Grün Alarmstufe, die aktezptable (normale) physiologische Belastung anzeigt
Gelb Alarmstufe, die eine Warnstufe anzeigt
Rot Alarmstufe, die eine Aktionsstufe anzeigt.
Eine Überblicksdarstellung des Programm-Steuerungsvorgangs ist Fig. 10.

PM-BETRIEBSARTEN UND -ROUTINEN

Wenn die Alarm-Einrichtung 200 (Fig. 9) an die Überwachungseinrichtung 100 (Fig. 6) angeschlossen wird (oder wenn eine Zusatzbatterie angeschlossen wird), wird der Mikroprozessor 126 bei 230 aktiviert. Sein erster Schritt 232 besteht darin, daß spezielle Faktoren vom Festspeicher geladen werden und die grüne und die rote Leuchtdiode 212 und 208 angeschaltet werden. Die Leuchtdioden blinken mit dem Herzschlag, wenn das System ein EKG-Signal empfängt. Die Überwachungseinrichtung (oder der Computer) wartet in der IDLE-(Ruhe-)Betriebsart auf die Kontrollknöpfe 204 und 206. Nach dem Lesen des Funktionsschalters 118 schaltet sich das PM in eine von drei Betriebsarten 234, 236 oder 238:
CHECK (ÜBERPRÜFEN), wodurch die Kalibrierung überprüft werden kann
RUN (PROGRAMMLAUF), wodurch das PM anfängt, den physiologischen Zustand zu überwachen und die Alarmstufen zu steuern
DUMP (WEITERLEITEN), wodurch der physiologische Zustand des Benutzers in seinem Zeitablauf und die Alarmstufeninformation des PM an einen Drucker oder an einen anderen Rechner zur Einsicht weitergeleitet werden kann.
In der folgenden Erörterung werden Zeilenzahlen des Programm-Codes angegeben, um die Erörterung mit dem Programm zu verbinden. Wenn die Kommunikationsbuchse 108 dazu verwendet wird, die PM an ein Terminal anzuschließen, können PM-Aktivitätsnachrichten überwacht werden.
Die CHECK-Betriebsart 234 hat zwei Funktionen: Systemüberprüfung vor PM-Benutzung und Kalibrierungsüberprüfung. Beide Funktionen arbeiten zusammen und sind für den normalen Benutzer nicht unterscheidbar. Der erste Vorgang 240 ist die Überprüfung der Batteriespannung. Wenn die Spannung zu niedrig ist, wird ein Alarm ausgelöst und bei 244 werden alle Leuchtdioden ausgeschaltet. Wenn die Spannung für eine Betriebszeit von 4 Stunden ausreicht, überprüft das Programm den Membram- Tonumwandler 186 und die Leuchtdioden 164, 208, 210, 212 bei 242, indem ein Alarmton erzeugt wird und eine Leuchtdiode nach der anderen in 1-Sekunden-Abständen aufleuchtet. Dadurch können die Leuchtdioden visuell und der Alarmton akustisch überprüft werden.
Die Leuchtdioden 164 und 208-212 leuchten mit jedem Herzschlag auf, wenn die Fühlereinrichtung angeschlossen ist und ein störungsfreies EKG-Signal aufgenommen wird. Wenn die Fühler-Einrichtung 10 abgetrennt wird, hören die Leuchtdioden auf zu blinken. Wenn das EKG-Signal von schlechter Qualität ist, blinken die Leuchtdioden entweder gar nicht oder das Blinken ist sehr unregelmäßig (kein rhythmisches Pulsieren wie das des Herzens). In der CHECK-Betriebsart leuchten die Leuchtdioden so lang nacheinander auf, und die Batterie wird so lange alle 15 Sekunden überprüft, bis die Steuerknöpfe 204 und 206 bei 246 betätigt werden, wobei das Programm wieder in die IDLE-Betriebsart 232 zurückkehrt. Dann ist es bei 248 zum Lesen des Funktionsschalters 118 bereit zum nächsten Aktivieren von Command. Wenn die Batteriespannung unter das Startniveau-Kriterium fällt, ertönt der Alarm und alle Leuchtdioden erlöschen.
In der CHECK-Betriebsart kann eine Kalibrierungs-Überprüfung durchgeführt werden. Das wäre eine Tisch-Überprüfung, während der ein Drucker oder ein Computer-Terminal an das PM durch die RS232-Buchse 108 angeschlossen ist. Der Temperaturfühler 14 wird in ein gerührtes Wasserbad bei einer Temperatur zwischen 350 und 40ºC (950 und 104ºF) gelegt, und die Temperatur wird mittels eines Thermometers mit einer Genauigkeit von +0,05ºC (0,1ºF) gemessen. Ein Impulsgenerator wird durch einen Spannungstrenner an die Elektroden 12 angeschlossen, so daß ihnen ein 2-Millivolt-Impuls (positiv auf der linken Elektrode) zugeleitet wird. Alle 15 Sekunden wird die Pulsfrequenz in Schlägen pro Minute, die Scheibentemperatur in ºC mal 10 (375 bedeutet z. B. 37,5ºC) und die Batteriespannung mal 10 (77 bedeutet z. B. 7,7 V) über die RS232-Buchse 108 nach außen geleitet. Wenn die Temperaturmessung nicht mehr als 0,05ºC und die Pulsfrequenz nicht mehr als 2 Schläge pro Minute abweicht, arbeiten die Fühlereinrichtung 10 und die Überwachungseinrichtung 100 störungsfrei. Die Kalibrierungsüberprüfung kann zwar auch durchgeführt werden, wenn das Signal für fehlende Batterieladung gegeben wurde, doch können fehlerhafte Temperaturmessungen auftreten, wenn die Batteriespannung weniger als 7,1 V beträgt. Die Kalibrierungsüberprüfung wird durch Drücken der Steuerungs-Knöpfe 204 und 206 beendet, was das Programm in die IDLE-Stellung 232 zurückversetzt.
Wenn der Funktionsschalter 118 bei Command RUN anzeigt, wird das PM in Betrieb genommen. Zu diesem Zeitpunkt leuchten nur die grünen Leuchtdioden 212, und die gelben und roten sind deaktiviert. In dieser Betriebsart überwacht das PM den physiologischen Zustand. In der RUN-Betriebsart gibt es vier Haupt-Vorgänge: Initialisieren 248, nach den ersten 30 Sekunden jeder Minute 250, nach den zweiten 30 Sekunden jeder Minute 252 und die Herzfrequenz-Erhol-Routine 254. Das Initialisieren 248 ist der erste Vorgang und wird nur beim Übergang aus der IDLE-Stellung 232 in die RUN-Betriebsart 236 durchgeführt. Die Schalter für die Altersstufe und für die Kleidungsart werden gelesen. Je nach Schalterstellung werden die entsprechenden Schwellenwerte für Grün-nach-Gelb (Warnung), Gelb-nach-Grün (Rückstellung) und Gelb-nach-Rot (Aktion) für die Scheibentemperatur und die beweglichen Zeit- Durchschnitts-Herzfrequenzen (MTAs) in das Datenfeld geladen. Alle Herzfrequenz-Werte in einem Verzögerungsstapel und den MTAs werden auf 75 gestellt, den für den Ruhepuls angenommenen Wert. Die Zeituhr und der Herzschlagzähler werden auf Null gestellt.
Am Ende der ersten Hälfte jeder Minute nach dem Start der RUN-Betriebsart, werden die Batteriespannung und der Herzfrequenzzähler bei 256 abgelesen. Die Zählerschaltung wird sofort auf Null zurückgestellt und die Herzschläge werden zur Angabe der Schläge pro Minute (Schl./min.) verdoppelt. Der nächste Schritt ist die Durchführung einer Qualitätsüberprüfung bei der Herzfrequenz. Wenn der Wert zwischen 40 und 220 Schl./min. liegt und der Zuwachs im Vergleich zur vorhergehenden Messung weniger als 30% beträgt, wird die Herzfrequenz als gemessen gespeichert. Wenn HR < 40 oder HR > 220, dann ist der Wert außerhalb annehmbarer Grenzen. Das heißt, daß die Frequenz physiologisch zu hoch oder zu niedrig ist, was auf einem EKG-Signal schlechter Qualität beruht. In jedem Fall wird für HR der zuvor gemessene Wert angenommen (die Messung, die von 60 - 30 Sekunden vor der aktuellen Messung durchgeführt wurde). Ein Ansteigen um mehr als 30% ist unwahrscheinlich und liegt wahrscheinlich an unerwünschten Impulsen von den EKG- Elektroden. In diesem Fall wird die Steigerung auf 30% begrenzt. Das hat keine wirklichen Auswirkungen auf die MTAs, wenn es sich um ein tatsächliches Ansteigen handelt, da HR den neuen Wert schnell erreichen wird. Wenn das Ansteigen künstlich ist, kehrt HR zum richtigen Wert zurück und die Wirkung des angestiegenen Wertes auf die MTAs ist begrenzt.
Eine die Net-Zahl-Variable genannte Variable (HR-Fehler- Index) wird bei jeder fragwürdigen Messung um eins erhöht und bei jeder gültigen Messung um eins verringert, sie kann aber weder unter Null fallen noch über 7 steigen. Wenn bei nachgestellten HR-Werten für 30 Sekunden die Net-Zahl von 7 fragwürdigen Messungen vorliegt, wird ein Alarmton ausgelöst. Schlimmstenfalls heißt das, daß für 3 ganze Minuten für HR fragwürdige Daten vorliegen. Das Alarmsignal für ungenaue HR- Daten ist der akustische Alarm und das Einschalten aller Leuchtdioden.
Der nächste Schritt ist das Verschieben des Verzögerungsstapels (delay stack) um eine Minute bei 258. Der Verzögerungsstapel ist in Fig. 11 dargestellt. Der erste Wert ist für die aktuelle Minute, der zweite für die vorhergehende Minute, der dritte für die vorletzte Minute usw. bis zum letzten Wert, der für die 90. Minute vor der aktuellen steht. Es sei daran erinnert, daß am Anfang ein Ruhewert von 75 angenommen wird und der Stapel deshalb mit Werten von 75 vorgefüllt ist. Der Stapel wird in der Weise verschoben, daß 89 an die Stelle von 90 tritt, dann 88 an die Stelle von 89 usw. bis der letzte aktuelle Wert 0 an die Stelle von 1 weiterrückt. Der Stapel stellt den HR-Ablauf über die letzten 90 Minuten dar, wobei die 91. Minute verworfen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Frequenz für die erste halbe Minute auf 0 gesetzt. Das Programm überprüft dann, ob sich eine Erholung abzeichnet. Das wird unten erörtert.
Die Batteriespannung wird wie folgt überprüft: Wenn sie über drei aufeinander folgende Messungen weniger oder gleich 7,0 V beträgt, wird ein Alarm ausgelöst, und alle Leuchtdioden erlöschen. Der Alarm für schlechte HR-Qualität setzt die anderen außer Kraft. Das Gerät funktioniert weiter, so daß Daten gesammelt werden, doch wird der Alarmstatus nicht ständig angezeigt. Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, daß die Temperaturmessungen nicht genau sind, doch ist die Betriebsart bei Versagen so ausgerichtet, daß die Werte erhöht werden, die Betriebsart ist also eher auf Sicherheit ausgelegt.
In der gleichen Weise, wie oben beschrieben, wird der Herzfrequenzzähler bei 260 abgelesen, und es wird bei der HR eine Qualitätsüberprüfung durchgeführt. Aus dem HR-Wert für die zweiten 30 Sekunden wird ein Durchschnitt gebildet, was die Gesamtzählung für die vergangene Minute ergibt. Dieser Wert wird auf Platz 0 von Fig. 11 gesetzt. Der nächste Schritt ist das Berechnen der MTAs bei 262. MTA-5 ist der bewegliche Zeitdurchschnitt für 5 Minuten und wäre in Fig. 11 die Summe der Werte 0 bis 4 geteilt durch 5. MTA-10 wäre die Summe der Werte 0-9, geteilt durch 10. Als EDV-Abkürzung werden die Summen in getrennten Variablen behalten, wobei der letzte Wert (immer Platz 0) zur Gesamtsumme-gezählt und der älteste Wert abgezogen wird. Bei MTA-5 wäre der älteste Wert auf Platz 5; bei MTA-10 auf 10 usw. Wenn die MTAs aktualisiert sind, kann bei 264 der Alarmstufen-Status bestimmt werden. Die physiologischen Zustände, d. h. Hauttemperatur Td und bewegliche Zeitdurchschnitt-Herzfrequenzen MTA-5 bis MTA-90 werden durch die Werte D1 bis D8 in Fig. 12 dargestellt. Die entsprechenden Schwellenwerte werden in ähnlicher Weise dargestellt, wobei W für die Warnstufe (Gelb) steht, R für Rückstellung (zurück auf Grün) und A für Aktion (Rot).
Der folgende Entscheidungsprozeß wird im Programm verwendet:
1. Wenn GELB aktuelle Alarmstufe, soll PM auf GRÜN gestellt werden?
* für m = 1 bis 8: wenn Dm < Rm, dann WFm = 0 (WFm ist ein Flag zum Anzeigen eines Wechsels auf GRÜN)
* WFT = WFm: wenn WFT = 0, dann auf GRÜN stellen.
2. Wenn GELB aktuelle Alarmstufe, soll PM auf ROT gestellt werden?
* für m = 1 bis 8: wenn Dm > Am, dann auf ROT stellen.
3. Wenn GRÜN aktuelle Alarmstufe, soll PM auf GELB gestellt werden?
* für m = 1 bis 8L wenn Dm > Wm, dann WFm = 1 (WFm ist ein Flag zum Anzeigen eines Wechsels auf GELB)
* WFT = WFm: wenn WFT > 0, dann Alarmstufe auf GELB stellen.
4. Bis zur nächsten Minute warten: neue Daten sammeln und gehe zu 1.
Wenn es einen Wechsel von GELB auf GRÜN, von GELB auf ROT oder von GRÜN auf GELB gegeben hat, ertönt ein Alarmton (7 Sekunden durchgehender Ton), und es wird die entsprechende Leuchtdiode ausgewählt. Das geschieht auch, wenn die Batterie für Dauerbetrieb eine zu geringe Ladung hat. In diesem Fall brennt die Leuchtdiode 30 Sekunden lang. Die physiologischen Daten und der PM-Status für die vorhergehende Minute werden im Speicher gespeichert. Diese Daten können in der DUMP-Betriebsart 238 (siehe unten) abgerufen-werden. Wenn das PM-Gerät an einen Drucker oder Rechner (für Feldgebrauch unwahrscheinlich) angeschlossen ist, wird bei 266 für jede Zeitminute der aktuelle Wert für HR, Scheibentemperatur (·10), Alarmstufe und Leuchtdiodenstatus (0: alle Leuchtdioden aus, 1: GRÜN, 2: GELB, 3: ROT, 4: alle Leuchtdioden an), Herzfrequenz-Qualitätsstatus und Batteriespannung (·10) ausgedruckt (bzw. angezeigt). Diese Eigenschaft ist für Laborversuche und zu Demonstrationszwecken gedacht.
Die Erhol-Routine 254 kann zu jeder Zeit in der RUN- Betriebsart durch Aktivieren der Steuerknöpfe 204 und 206 aufgerufen werden. Ist Command gefragt, wird der Funktionsschalter 118 überprüft. Ist die ausgewählte Funktion RUN, wird die Erhol-Routine 254 angefordert. Wird eine zweite Anforderung getätigt, bevor die erste erfüllt wurde, wird die erste ignoriert und die Erholung neu initialisiert. Der erste Schritt ist das Synchronisieren der Anforderung mit der Proben-Entnahmezeit durch Schieben derselben auf die nächste Halbminute der PM-Zeituhr. Dadurch weicht die Berechnung von P&sub1;, P&sub2; und P&sub3; (siehe Abschnitt 2) schlimmstenfalls um + 15 Sekunden ab.
Die Erhol-Routine folgt den Schritten:
1. Aufnahme der Herzschläge für die folgenden Zeitintervalle:
* 30 bis 60 Sekunden nach Anforderung (P&sub1; = gesamte Schläge·2)
* 90 bis 120 Sekunden nach Anforderung (P&sub2; = gesamte Schläge·2)
* 150 bis 180 Sekunden nach Anforderung (P&sub3; = gesamte Schläge·2)
2. Wenn P&sub3; < 90, dann
* Alarmton geben
* GRÜN blinken
* gehe nach 5
3. Wenn P&sub3; < 120 und (P&sub1;-P&sub3; > 10), dann
* Alarmton geben
* 15 Sekunden lang GELB blinken
* gehe nach 5
4. Alarmton geben und 15 Sekunden lang ROT blinken
5. Leuchtdioden auf ursprünglichen Stand bringen und Erhol-Routine verlassen.
Die Werte für P&sub1;, P&sub2; und P&sub3; werden in einminütigen Zeitabständen abgenommen und stellen 30 Sekunden lange Zählungen der zweiten Hälften der drei zu dem Vorgang erforderlichen Erhol-Minuten dar. Nach dem Messen aller drei Werte wird dem Benutzer der Erholstatus angezeigt. Zuerst ertönt der akustische Alarm, dann blinkt die entsprechende Leuchtdiode 15 Sekunden lang 1 Sekunde an und 1 Sekunde aus. Dann werden die Leuchtdioden in ihren ursprünglichen Stand zurückversetzt. Das Ergebnis der Erhol-Routine wird über die R5232-Buchse ausgegeben und im DUMP-Speicher gespeichert.
Die RUN-Betriebsart kann dadurch beendet werden, daß der Funktionsschalter entweder auf CHECK oder DUMP geschaltet wird, oder indem die beiden Steuerknöpfe 204 und 206 gedrückt werden. Die Programmkontrolle geht immer zur CHECK-Betriebsart. Wenn die RUN-Betriebsart gewählt wird und der Demo/Dump- Format-Schalter 120 auf CW steht, werden die Alarmstufen des PM demonstriert. In 5-Sekunden-Abständen wird folgende Sequenz der Alarmstufen geboten: GRÜN-GELB-GRÜN-GELB-ROT. Bei der roten Leuchtdiode wartet das Programm zehn Sekunden auf die Steuerknöpfe 204 und 206 zum Demonstrieren einer gelben Erhol- Alarmstufe. Das PM kehrt zur IDLE-Betreibsart zurück, wenn die Steuerknöpfe 204 und 206 bei grüner oder gelber leuchtender Leuchtdiode oder 10 Sekunden nach der roten Erhol-Alarmstufe aktiviert werden.
Die DUMP-Betriebsart 238 ermöglicht am Ende einer PM- Betriebsphase die Ausgabe von Information über sowohl körperliche Leistung als auch die Funktion des PM. Zur Sicherung der gespeicherten Daten muß der Benutzer
1. Mit dem Funktionsschalter 118 CHECK oder DUMP wählen, um RUN zu verlassen;
2. Die Steuerknöpfe 204 und 206 aktivieren;
3. eine Zusatzbatterie anschließen oder die Alarm-Einrichtung nicht abschließen;
4. Die Überwachungseinrichtung von der Person entfernen
5. Einen Drucker oder Rechner an die RS232-Buchse 108 anschließen;
6. Mit dem Funktionsschalter 118 DUMP wählen
7. Die Steuerknöpfe 204 und 206 aktivieren.
Der akustische Alarm ertönt und die Leuchtdioden GELB und ROT leuchten auf (GRÜN erlischt). Die Daten werden bei 270 im ausgewählten Format, der gewählten Baud-Rate, mit 8 Bits/Wort, 1 Stop Bit, keine Parity ausgegeben. Wenn die empfangende Einheit das XON/XOFF-Protokoll nicht unterstützt, ist es möglich, daß die Ergebnisse aufgrund von Puffer-Überlast (buffer overflow) verstümmelt werden.
Die Baud-Rate auf der Kommunikations-Buchse kann mit dem Baud-Raten-Schalter 122 verändert werden. Die Veränderung wird sofort beim Eintreten in die DUMP-Betriebsart wirksam. Beim Eintreten in die DUMP-Betriebsart wird auch der Demo/Dump- Format-Schalter abgelesen, und es erfolgt eine entsprechende Reaktion.
Grundsätzlich gibt es zwei Datentypen. Der eine Typ sind die Hauptdaten, die in einminütigen Abständen gespeichert werden. Darin enthalten sind die sieben MTAs, so daß die berechneten Durchschnitte (Werte, die zum Bestimmen der Alarmstufe verwendet werden) verfügbar sind. (Der Demo/Dump-Format- Schalter 120 bietet die Möglichkeit, das MTA-Ausgangssignal wegzulassen.) Der Flag-Status ist eine achtstellige Zahl, bei der jede Stelle für eine Arbeitsvariable steht (Scheibentemperatur und MTAs), die die einzelnen Alarmstufen anzeigen. Der HR-Fehlerindex ist die Netto-Anzahl fragwürdiger 30-Sekunden- Herzfrequenz-Werte (die ein QC-Label für "Quality Check" bekommen). Der letzte Eintrag ist die Batteriespannung mal 10. Der zweite Typ an Ausgangssignalen sind die Erhol-Daten, die die Bericht-Zeit, den Erhol-Status und die drei Herz-Erholfrequenzen angeben.
Das Programm kehrt am Ende des Downloading automatisch zur IDLE-Betriebsart 232 zurück. Das Downloading kann auch durch Drücken der Steuerknöpfe 204 und 206 beendet werden, wodurch das Programm zur IDLE-Betriebsart zurückkehrt.
Vier Spezialanwendungs-Routinen wurden zur Unterstützung der weiteren Entwicklung in das Programm mit einbezogen. Sie sind am Ende gespeichert. Um diese Routinen zu verwenden, muß in der IDLE-Betriebsart von einem Terminal aus (durch Eingabe oder Eintippen) Control-A (_A) eingegeben werden. An diesem Punkt wird die Steuerung an den TTBASIC-Monitor weitergegeben.
Die Scheibentemperatur-Kalibrierungs-Faktoren, das Batteriespannungs-Startkriterium und die fortlaufende Nummer können durch das Ausführen von "GOT0 21000" geändert werden. Die Routine wird den Schnittpunkt (intercept) (ºC) und dann die Steigung (ºC/Einheit), jeweils mal 1000, anfordern. Dann fordert sie die Batteriespannung mal 10 an, die das zum Betrieb des PM benötigte Minimum ist. Diese Werte werden dann in einem Festspeicher gespeichert und zur Überprüfung ausgedruckt.
Der Run-Zähler und die fortlaufende Nummer können durch Ausführen von "GOTO 21100" auf eine neue Zahl gestellt werden. Eine Tief-Schlaf-Routine (deep sleep routine) bei Zeile 30000 dient zum Verlängern der Batterie-Lebensdauer, ohne daß die Stromversorgung an das PM unterbrochen wird. Sie dient zur Langzeitspeicherung von PM-Daten. Die A/D-Konverter-Werte für alle 8 Kanäle und die Batteriespannung werden durch das Einsetzen bei Zeile 31000 geliefert. Alle 3 Sekunden wird eine Aktualisierung durchgeführt. Die Steuerung kann wieder an das PM zurückgehen, indem entweder die Stromzufuhr unterbrochen und neu gestartet wird oder indem ein "RUN" durchgeführt wird.
Einem Fachmann sollte nun offensichtlich sein, daß ein neuartiges Personen-Überwachungsgerät und ein entsprechendes Verfahren für Wärme- und Arbeitsbelastung vorliegen. Drei neuartige Eigenschaften sind hervorzuheben: Erstens ist neu, ein speziell für die Verwendung im Überwachungsgerät und dem Verfahren eingerichteter Temperaturfühler, der die genannten Aufgaben der Erfindung erfüllen kann. Zweitens werden im Verfahren vielfältige bewegliche Zeit-Durchschnitte zur Untersuchung von Herzfrequenz-Mustern verwendet. Es werden für jede der vielfältigen beweglichen Zeitdurchschnitte Schwellenwerte zum Festlegen des Punktes für übergroße körperliche Belastung verwendet. Drittens wird eine allgemein anerkannte Herzfrequenz-Erhol-Routine im PM automatisiert. Das Personen-Überwachungsgerät und das dazugehörigen Verfahren dienen zum Messen physiologischer Reaktionen auf die Belastung durch Arbeit und Wärme und stellen dem Benutzer in einer industriellen Umgebung Empfehlungen zur Verfügung, die es ihm ermöglichen, seine Belastung durch körperliche Anstrengung in gezielter Weise zu begrenzen. Das Überwachungsgerät und das entsprechende Verfahren gibt dem Benutzer weder eine Vielzahl unangebrachter Warnungen noch ist es ihm möglich, sich zu gefährden, ohne daß er in angebrachter Weise gewarnt wird. Der neuartige Temperaturfühler überwacht die Körper-Innentemperatur auf konsequente und zuverlässige Weise.
Weiter ist es für einen Fachmann erkennbar, daß es möglich ist, verschiedenartigste Modifikationen bei der Form und den Details der Erfindung, wie sie gezeigt und beschrieben wurde, anzubringen. Zum Beispiel ist bei der Hardware zwar die Verwendung von 3 im Handel erhältlichen, in drei Einrichtungen eingesetzten integrierten Standard-Schaltkreisen vorgesehen, doch könnte sie beträchtlich verkleinert werden, wenn speziell gefertigte integrierte Schaltkreise eingesetzt würden, was zu ein oder zwei kleineren Bauteilen führen würde. Eine Infrarot- oder Funkverbindung könnte zwischen den Einrichtungen und/oder Fühlern eingesetzt werden. Mit solchen Verbindungen könnte das System auch mit einer externen Überwachungseinheit verbunden werden. Anstelle der Schalter könnte ein anderes Benutzer- Interface eingesetzt werden. Bei den Fühlelektroden könnte ein Zweielektrodensystem anstelle eines Dreielektrodensystems verwendet werden, wobei eine die aktive EKG-Elektrode und die andere gleichzeitig die passive EKG-Elektrode und der Temperaturfühler ist. Das System kann auch in anderen Bereichen eingesetzt werden, wie z. B. beim Sport und/oder beim Rehabilitationstraining, und als Sammelgerät physiologischer Daten zur Anwendung bei Sport und Rehabilitation könnte das System so abgeändert werden, daß ein vorbestimmtes Trainingsprogramm vorgesehen wird, das sich mit der Zeit verändert und das sowohl einen Minimal- als auch einen Maximal-Alarm vorsieht, so daß der Benutzer das gewünschte Niveau und das gewünschte Tempo seines Trainings bekommt, ohne daß er sich dabei gefährdet. Zwar ist der Temperaturfühler als speziell in seiner Anwendung beim Überwachen der Körper-Innentemperatur gezeigt, er könnte jedoch auch zur Temperatur-Überwachung bei allen möglichen anderen Gegenständen verwendet werden.

Claims

1. Personen-Herzschlag-Überwachungsgerät mit einem Herzschlagsensor (12, 62), der die Herzschläge eines Benutzers anzeigende elektrische Ausgangssignale erzeugt, einer Einrichtung (124) zum Speichern den erzeugten Herzschlagsignalen entsprechender Herzschlaginformation, einer die Herzschlaginformation von der Speichereinrichtung (124) erhaltenden Informationsverarbeitungseinrichtung (126), die so aufgebaut ist, daß sie die Herzschlaginformation analysiert, so daß eine physiologische Anforderung erhalten wird, und die erhaltene physiologische Anforderung mit einer gespeicherten physiologischen Anforderungsgrenze vergleicht, und einer Einrichtung (200) zur Bereitstellung einer Anzeige für den Benutzer, wenn die gespeicherte physiologische Anforderungsgrenze überschritten wurde, wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung (126) so aufgebaut und angeschlossen ist, daß sie den Betrieb der Anzeige-Bereitstellungseinrichtung (200) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationsverarbeitungseinrichtung (126) softwaregesteuert die Herzschlaginformation inkrementell über vorbestimmte Zeitintervalle durch bewegliche Zeitmittel mit mehreren unterschiedlichen Zeitbasen durch Inkrementieren der Zeitbasis der bewegenden Zeitmittel analysiert.

2. Personen-Herzschlag-Überwachungsgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen isolierten Hauttemperaturfühler (14), dessen elektrische Ausgangssignale wenigstens ungefähr die Körper-Innentemperatur eines Benutzers anzeigen, wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung (126) so angeschlossen ist, daß sie den elektrischen Körper-Innentemperatur-Ausgangs- Signalen entsprechende Körpertemperaturinformation erhält, wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung (126) ferner so aufgebaut ist, daß die Körper-Innentemperaturinformation mit einer gespeicherten Körper- Innentemperaturgrenze verglichen wird, und wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung (126) ferner so aufgebaut ist, daß die Einrichtung (200) zur Bereitstellung der Anzeige für den Benutzer dem Benutzer eine Anzeige bereitstellt, wenn seine Körper-Innentemperatur die gespeicherte Körper-Innentemperaturgrenze übersteigt.

3. Personen-Überwachungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierte Hauttemperaturfühler (14) einen thermisch und elektrisch leitfähigen Teil (26) enthält, dessen Oberfläche so ausgebildet ist, daß er die Haut des Benutzers direkt berührt, sowie ferner eine Einrichtung (38), die thermisch mit dem thermisch und elektrisch leitfähigen Teil (26) verbunden ist und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das eine Funktion der Temperatur ist, und einen ausreichenden Körper (22) aus thermisch isolierendem Material, der einen Rest des thermisch und elektrisch leitfähigen Teils (26) umgibt, so daß elektrische Ausgangssignale bereitgestellt werden, die die Hauttemperatur als Annäherung an die Körper- Innentemperatur anzeigen.

4. Personen-Überwachungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermisch und elektrisch leitfähige Teil (26) als Masseelektrode für den Herzschlagsensor angeschlossen ist.

5. Personen-Überwachungsgerät nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4, gekennzeichnet durch eine Eingabeeinrichtung (114) zur Bereitstellung einer Kleidungsart-Auswahl des Benutzers für die Informationsverarbeitungseinrichtung (126), sowie ferner dadurch, daß die Informationsverarbeitungseinrichtung weiter so aufgebaut ist, daß die Körpertemperaturgrenze auf der Grundlage der Kleidungsart-Auswahl des Benutzers zum Vergleich mit der Körpertemperaturinformation gewählt wird.

6. Personen-Überwachungsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Eingabeeinrichtung (116) zur Bereitstellung einer Alterswahl des Benutzers für die Informationsverarbeitungseinrichtung (126), und ferner dadurch, daß die Informationsverarbeitungseinrichtung (126) so aufgebaut ist, daß die gespeicherte physiologische Anforderungsgrenze zum Vergleich auf der Basis der Alterswahl des Benutzers gewählt wird.

7. Personen-Überwachungsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Eingabeeinrichtung (118) zur Wahl eines Betriebsmodus durch den Benutzer und ferner dadurch, daß die Informationsverarbeitungseinrichtung (126) so ausgebildet ist, daß für mehrere Intervalle die Herzschlagfrequenz des Benutzers aufgezeichnet und die Herzschlagfrequenz des Benutzers entsprechend der Wahl des Betriebsmodus durch den Benutzer für wenigstens einen der Intervalle verglichen und eine Anzeige des Vergleichs für den Benutzer bereitgestellt wird.

8. Personen-Überwachungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationsverarbeitungseinrichtung (126) so ausgebildet ist, daß die Herzschlagfrequenz des Benutzers für einen letzten der Intervalle mit einer vorbestimmten Grenze verglichen und eine Anzeige des Vergleichs für den Benutzer bereitgestellt wird.

9. Personen-Überwachungsgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der thermisch und elektrisch leitfähige Teil (26) ein Kupferteil ist.

10. Personen-Überwachungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (14) einen thermisch und elektrisch leitfähigen Teil (26) mit einer freiliegenden, nach außen weisenden, ungebrochenen Oberfläche aufweist, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie die Haut einer Person, deren Temperatur gemessen werden soll, direkt berührt, sowie ferner eine temperaturempfindliche Festkörpereinrichtung (38), die thermisch und elektrisch direkt mit einer gegenüberliegenden Fläche des thermisch und elektrisch leitfähigen Teils (26) verbunden ist, zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignals, das eine Funktion der Temperatur ist, und einen ausreichenden Körper (22) aus thermisch isolierendem Material, der einen Rest des thermisch und elektrisch leitfähigen Teils umgibt, so daß ein elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt wird, das die isolierte Hauttemperatur als Annäherung an die Körper-Innentemperatur der Person anzeigt, wobei der thermisch und elektrisch leitfähige Teil (26) einen thermischen Kontakt für die Haut der Person und eine Bezugselektrode des Temperaturfühlers aufweist.

11. Personen-Überwachungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (22) aus thermisch isolierendem Material geschäumten Kunststoff enthält.

12. Personen-Überwachungsgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der thermisch und elektrisch leitfähige Teil (26) ein Kupferteil ist.

13. Verfahren zur Überwachung des Herzschlags einer Person, das umfaßt: Messen der Herzschläge der Person, Analysieren der Herzschlaginformation, um eine physiologische Anforderung zu erhalten, Vergleichen der erhaltenen physiologischen Anforderung mit einer vorbestimmten physiologischen Anforderungsgrenze und Bereitstellen einer Anzeige für die Person, wenn die vorbestimmte physiologische Anforderungsgrenze überschritten wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die Herzschlaginformation inkrementell über vorbestimmte Zeitintervalle durch bewegende Zeitmittel mit mehreren unterschiedlichen Zeitbasen durch Inkrementieren der Zeitbasis der bewegenden Zeitmittel analysiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ferner zur Überwachung von Wärme und Arbeitsbeanspruchung die isolierte Hauttemperatur der Person als Annäherung an die Körper-Innentemperatur während der vorbestimmten Zeitintervalle gemessen wird, wobei die gemessene Annäherung an die Körper-Innentemperatur mit einer vorbestimmten Temperaturgrenze verglichen und eine Anzeige für die Person bereitgestellt wird, wenn die gemessene Annäherung an die Körper- Innentemperatur die vorbestimmte Temperaturgrenze überschreitet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Annäherung an die Körper-Innentemperatur durch die Berührung der Haut der Person mit einer Oberfläche gemessen wird, die so ausgebildet ist, daß ein thermisch und elektrisch leitfähiger Teil (26) die Haut des Benutzers direkt berührt, wobei ein Rest des thermisch und elektrisch leitfähigen Teils (26) isoliert und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, das eine Funktion der Temperatur des thermisch und elektrisch leitfähigen Teils (26) ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch den Schritt der Wahl einer vorbestimmten Temperaturgrenze auf der Grundlage einer Kleidungsart des Benutzers.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der thermisch und elektrisch leitfähige Teil (26) ein Kupferteil ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch den Schritt der Wahl der physiologischen Anforderungsgrenze auf der Grundlage des Alters des Benutzers.