DE4324374A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Körperdehnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Vitalfunktionen Atmung und Herztätigkeit sowie der plethysmografischen Messung von Muskelkontraktionen und Stauungsvorgängen, ist aber darüber hinaus auch zur elektrischen Messung nichtelektrischer Größen anwendbar.

In der Medizintechnik werden zur Überwachung der Vitalfunktionen von Patienten Sensoren benutzt, die am Körper befestigt werden, aber auch Sensoren, die in der Umgebung des Körpers appliziert werden und deshalb auch als berührungslose Sensoren bezeichnet werden.

Berührungslose Atemsensoren sind überwiegend mattenförmig ausgebildet, wobei die durch den aufliegenden Patienten hervorgerufenen Bewegungen auf die Matte einwirken und dadurch ein Signal erzeugen, das mit elektronischen Mitteln ausgewertet werden kann.

Diese Mattensensoren können pneumatisch, piezoelektrisch oder kapazitiv arbeiten und sind in der Regel großflächig wirkende Druckkraftsensoren.

Kapazitive Mattensensoren sind in der Regel als Plattenkondensator ausgeführt und bestehen aus zwei oder mehreren, parallel zur Mattenoberfläche angeordneten elektrisch leitfähigen Folien, die durch eine elastische Isolierschicht voneinander getrennt sind, wobei Körperdehnungen, z. B. infolge der Atmung, den Abstand zwischen den Folien partiell verändern. Die dadurch auftretenden Kapazitätsänderungen des Plattenkondensators werden mit bekannten Mitteln gemessen und ausgewertet.

Nachteilig bei der Anwendung von Mattensensoren ist die Tatsache, daß sie auch Bewegungen aus fremden Quellen aufnehmen können, und dadurch z. B. ein - nicht vorhandener - Atemvorgang vorgetäuscht wird.

Nachteilig ist auch, daß Mattensensoren nicht in der Lage sind, Verlauf und Stärke des biologischen Vorgangs abzubilden, sondern lediglich eine wahrscheinliche Aussage über deren Vorhandensein oder Nichtvorhandensein zulassen.

Mattensensoren funktionieren nur, wenn der Patient unmittelbar auf der Matte liegt.

Ungewöhnliche Schlafstellungen sind bei Kindern nicht selten und können bereits zu Störungen führen, denn die Matte überwacht tatsächlich nur Vorgänge in einem räumlich begrenzten Bereich und nicht den Patienten.

Durch die DE-OS 36 17 012 ist ein Mattensensor bekannt geworden, der insbesondere bei Kleinkindern Einsatz finden soll.

Die Sensorbestandteile sind als Platten eines Kondensators ausgebildet, zwischen denen sich ein abstandshaltendes, flexibles und dehnbares Medium befindet.

Zusätzlich ist dieser Mattensensor elektrisch mit einem meßwertaufnehmenden/­ vergleichenden Gerät verbunden.

In dieser Offenlegungsschrift sowie in der EP-Anmeldung 02 05 931 ist als Möglichkeit für die Herzfrequenzmessung genannt, einen - am Körper befestigten autonomen Sender - zu benutzen, um die Herzfrequenz drahtlos an den Mattensensor zu übertragen und in einer, mit dem Mattensensor verbundenen, Auswerteeinheit durch Frequenzanalyse vom Atemsignal zu trennen.

Am Körper befestigte Sensoren, auch Körpersensoren genannt, besitzen gegenüber den berührungslosen Mattensensoren den Vorteil, daß Bewegungen des Kopfes oder der Extremitäten sowie von außen einwirkende Bewegungen sehr viel weniger in das gemessene Signal eingehen.

Bekannt ist hier vor allem die Methode der Impedanzplethysmografie. Dabei werden Elektroden, ähnlich wie zu einer EKG-Ableitung auf dem Thorax befestigt und es wird der komplexe Widerstand zwischen den Elektroden, der sich Atem- und Herzsynchron verändert, gemessen.

Der Nachteil bei der Anwendung von Körpersensoren ist zum einen eine große Störanfälligkeit, wenn sich der Übergangswiderstand zwischen Elektrode und Haut ändert und zum andern die Tatsache, daß zur Übertragung Kabel an den zu Überwachenden angeschlossen werden müssen. Eine Belästigung und Gefährdung ist insbesondere bei Säuglingen nicht auszuschließen.

Es sind auch pneumatische Sensoren bekannt. Sie bestehen aus einem kleinen luftgefüllten Ball, der mittels eines Heftpflasters auf Bauch oder Thorax des zu Überwachenden befestigt wird.

Eine andere Befestigungsmöglichkeit besteht darin, den Pneumatikball in einen Gürtel so einzuarbeiten, daß er beim Anlegen des Gürtels richtig appliziert ist.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist die Notwendigkeit eines Schlauches zur Übertragung der Luftdruckschwankungen an ein Registriergerät. Außerdem erfolgt eine Belästigung entweder durch das Heftpflaster auf der Haut oder durch den Gurt, der nicht locker getragen werden kann, sondern elastisch sein muß, damit er immer mit einer Mindestkraft anliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung von biologischen Körperdehnungen zu schaffen, das mit einem Körpersensor arbeitet, zusätzlich aber über die Vorteile eines berührungslosen Sensors verfügt und zugleich kostengünstig und anwenderfreundlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das elektrische Feld eines in Verbindung mit der Kleidung oder unmittelbar an einem Körper/Körperteil befestigten Sensorkondensators, durch die Körperdehnungen in seiner Frequenz moduliert und das Streufeld des Sensorkondensators in einiger Entfernung vom Körper/Körperteil mit einer Sonde empfangen und in einer - mit der Sonde durch ein Kabel verbundenen elektronischen Schaltung - in ein Signal umgewandelt wird, das den Dehnungen des Körpers/Körperteils weitgehend proportional ist.

Dazu werden zwei voneinander isolierte Leitergebilde als Kondensatorelektroden des Sensorkondensators, mit der Kleidung und/oder einem eingebrachten isolierenden und elastischen Stoff als Dielektrikum, derart in die Nähe des Körpers/Körperteils oder seiner Oberfläche gebracht, damit sich eine dehnungsabhängige Abstandsänderung zwischen der leitfähigen Körperoberfläche und mindestens einer Kondensatorelektrode ergibt, wobei die Körperoberfläche zur berührungsfreien Messung aber nicht kontaktiert sein muß, sondern lediglich dazu verwendet wird, die zwei, zwischen jeder Kondensatorelektrode und der Körperoberfläche entstehenden, Teilkondensatoren zu einem einzigen Sensorkondensator in Reihe zu schalten, der dann zwischen den zwei Kondensatorelektroden kontaktiert und benutzt wird.

Daraus folgt als weitere Möglichkeit, daß die Dehnungen des Körpers/Körperteils lediglich nur eine der zwei Kondensatorelektroden oder eine zusätzliche dritte Elektrode als leitfähige Brücke über den zwei Kondensatorelektroden antreiben. Wenn sich zwischen den Kondensatorelektroden oder zwischen Kondensatorelektroden und der leitfähigen Brücke ein geeigneter dehnbarer Stoff befindet, ist die Wirkung dieselbe.

Bei Betrieb des Sensorkondensators mit einer Wechselspannung besteht ein elektrisches Feld nicht nur zwischen den Kondensatorelektroden und dem Körper bzw. einer zusätzlichen Brückenelektrode, sondern es besteht auch ein elektrisches Feld, ein Streufeld, außerhalb des Körpers zwischen den Kondensatorelektroden, das erfindungsgemäß zur Telemetrie der Körperdehnungen benutzt wird.

Der in den frequenzbestimmenden Zweig eines Oszillators/Generators in der Weise eingeschaltete Sensorkondensator nimmt mit seiner Spannung an den Schwingungen teil und verändert mit seinen Kapazitätsänderungen die Frequenz dieser Schwingungen unmittelbar, wodurch ein dehnungsproportional frequenzmoduliertes elektrisches Feld entsteht.

Die im dielektrischen Raum des Streufeldes stattfindenden Ladungsverschiebungen verursachen zwischen geeignet angebrachten leitfähigen Flächen Potentiale, die einen - zwischen diesen Flächen geschalteten - Koppelkondensator speisen.

Zur Vergrößerung der empfangswirksamen Fläche einer Sonde können beliebig viele leitfähige Flächen mit jeweils dazwischengeschalteten Koppelkondensatoren aneinandergereiht werden. Dadurch wird an den am weitesten auseinanderliegenden leitfähigen Flächen die Überlagerung der Spannungen aller Koppelkondensatoren wirksam.

Die Verbindung von Koppelkondensator(en) und leitfähigen Flächen mit einer Induktionsspule zu einem elektrischen Schwingungskreises, der auf die Mitte der Frequenz abgestimmt ist, mit welcher der Sensorkondensator betrieben wird, ergibt eine Resonanzüberhöhung des Signals.

Die Signalauskopplung aus dem Schwingungskreis erfolgt durch induktive oder kapazitive Widerstandstransformation auf den Wellenwiderstand eines Übertragungskabels, das zur Übertragung des Signals zu einer elektronischen Schaltung dient.

In der elektronischen Schaltung wird das von der Sonde gelieferte Signal ggf. mittels einer Vorstufe selektiv verstärkt und in einem Mischer mit der Wechselspannung eines Mischeroszillators, dessen Frequenz nicht oder nur wenig von der Frequenz des Streufeldes abweicht, multipliziert, wodurch eine Wechselspannung mit der Summe und der Differenz der Frequenzen von Sensoroszillator und Mischeroszillator entsteht, aber die Frequenzdifferenz so niedrig ist, daß sie mit Mitteln der Niederfrequenztechnik, insbesondere Operationsverstärkerschaltungen, direkt weiterverarbeitet werden kann.

Das am Mischerausgang entstehende Frequenzsignalgemisch wird mit einem Tiefpaß in der Art und Weise gefiltert, daß nur die Wechselspannung mit der Frequenzdifferenz, das Schwebungssignal, erhalten wird.

Der Zeitverlauf des Schwebungssignals ist in der Regel sinusförmig und wird durch einen Komparator/Schmitt-Trigger in eine Rechteckspannung gleicher Frequenz umgeformt. Dieses Signal kann bereits als dehnungsproportionales Ausgangssignal verwendet werden, wenn eine digitale Weiterverarbeitung erfolgen soll.

Um ein analoges Ausgangssignal zu erhalten, wird das vom Komparator/Schmitt-Trigger gelieferte Rechtecksignal von einem nachgeschalteten Monoflop in einen rechteckigen Zeitverlauf gleicher Frequenz aber mit einem Tastverhältnis gewandelt, das sich zur Frequenz des Schwebungssignals proportional verhält. Von einem sich anschließenden Tiefpaß wird dann der zeitliche Mittelwert gebildet, der den Körperdehnungen proportional ist.

Mit einem Differenzierer wird das bis jetzt erhaltene Signal von einem Offset befreit. Das Ausgangssignal ist damit gleichzeitig den Änderungen der Körperdehnungen proportional.

Mit den bisher bekannten Vorrichtungen ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht durchführbar.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine optimale Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, dabei zuverlässig in der Funktion und kostengünstig in der Herstellung ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Vorrichtung einen in Verbindung mit der Kleidung oder unmittelbar an einem Körper/Körperteil befestigten kapazitiven Sensor, eine im Streufeld des kapazitiven Sensors befindliche Sonde zum Empfangen des elektrischen Feldes sowie eine mit der Sonde mittels Kabels verbundene elektronische Schaltung aufweist.

Der kapazitive Sensor ist dadurch gekennzeichnet, daß er auf einem isolierenden Substrat zwei, vorzugsweise koplanar angeordnete, Kondensatorelektroden und einen - mit eigener Stromversorgung versehenen - Sensoroszillator enthält.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor als nichtelastischer Gürtel mit einem Klettverschluß ausgebildet und weist - auf der dem Körper/Körperteil zugewandten Seite - einen isolierenden elastischen oder nichtelastischen Stoff als Abstandshalter auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Stromversorgung für den Sensoroszillator aus einer chemischen Spannungsquelle über einen, mit einem Magneten durch eine Schutzumhüllung hindurch zu betätigenden, Schaltkontakt.

Zum Empfang des durch den Sensorkondensator verursachten Streufeldes - ein Feld, das an der Messung nicht teilhat, aber existiert und erfindungsgemäß zur Telemetrie dient - wird vorzugsweise eine als mattenförmige Unterlage ausgebildete, Sonde benutzt, die eine Vielzahl von - in der Ebene einer Trägerfolie hintereinander angeordneter leitfähiger Flächen - enthält, die mittels Koppelkondensatoren untereinander verbunden und mittels einer Induktionsspule zu einem Schwingungskreis zusammengeschaltet sind.

Bei dieser Sonde sind die Koppelkondensatoren vorzugsweise dadurch realisiert, daß sich nebeneinanderliegende leitfähige Flächen isolierend überlappen oder daß zwei nebeneinanderliegende leitfähige Flächen von einer zusätzlichen leitfähigen Fläche überlappt werden.

Eine Auskopplung des von der Sonde empfangenen Signals auf den Wellenwiderstand eines Übertragungskabels erfolgt vorzugsweise induktiv, mittels einer - galvanisch von den übrigen Bauteilen der Sonde getrennten, an die Induktionsspule angekoppelten - Auskoppelspule.

Die elektronische Schaltung besteht mindestens aus einem multiplizierenden Mischer, einem Mischeroszillator, einem Tiefpaß mit Verstärkung und einem Komparator/Schmitt-Trigger, dem bei weiterer analoger Signalverarbeitung, vorzugsweise ein Frequenz-Spannungs-Wandler, bestehend aus einem Monoflop und einem Tiefpaß sowie ein Differenzierer nachgeschaltet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die sich insbesondere durch eine kostengünstige Herstellung auszeichnet, werden sowohl Sensoroszillator als auch Mischeroszillator als Quarzoszillatoren ausgeführt, wobei Quarze gleicher Nennfrequenz eingesetzt werden und eine Ziehung der Quarzfrequenz, mit bekannten Mitteln, bereits die gewünschte Frequenzdifferenz, in Höhe der zu erwartenden Sensorfrequenzänderungen, ergibt.

Die Erfindung eignet sich damit insbesondere für den Einsatz im medizinischen Bereich, bei der Überwachung der Vitalfunktionen Atmung und Pulsschlag von Säuglingen und Kleinkindern, aber auch bei Erwachsenen und ist wegen ihrer unkritischen Handhabung, ihrer hohen Sicherheit und Zuverlässigkeit gut geeignet für den Einsatz im Heimbereich bei Bedienung durch nichtmedizinisches Personal. Darüber hinaus ist für die Erfindung ein vorteilhafter Einsatz außerhalb der Medizintechnik denkbar, wenn mit kapazitiven Sensoren gemessene Größen über kurze Distanzen drahtlos übertragen werden müssen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtsschema,

Fig. 2 eine Darstellung des sensorischen Teils zur Atemüberwachung,

Fig. 3 einen Blockschaltplan der elektronischen Schaltung.

In Fig. 1 ist, zum Teil schematisch, ein Meßaufbau dargestellt. Ein Sensoroszillator 8, bestehend aus einem Transistor Ts, einem Quarz Qs und den Widerständen Rbs und Rcs schwingt auf seiner Quarzfrequenz und erzeugt an den Anschlüssen des Quarzes eine Wechselspannung. An diese Wechselspannung ist ein Sensorkondensator angeschlossen, der vorzugsweise aus einem isolierenden Substrat 1 mit darauf angeordneten koplanaren Leitergebilden als Kondensatorelektroden 2 besteht.

Wenn diesen Kondensatorelektroden 2 ein leitender Körper/Körperteil 5 angenähert wird, so z. B. eine leitfähige Hautoberfläche, dann erhöht sich die Kapazität des Sensorkondensators. Als weitere Folge tritt ein, daß sich die Frequenz des Sensoroszillators 8 durch sogenanntes "Ziehen" der Quarzfrequenz geringfügig ändert. Das elektrische Feld zwischen den Kondensatorelektroden 2 erzeugt im dielektrischen Raum Ladungsverschiebungen, die ein Potential zwischen den leitfähigen Flächen 11 erzeugen. Dieses Potential speist den Koppelkondensator 12, dem eine Induktionsspule 16 parallelgeschaltet ist. Dadurch liegt ein stromgespeister Parallelschwingungskreis vor, der durch Abgleich in Resonanz mit der Frequenz des Sensoroszillators 8 gebracht wird. Durch eine, vorzugsweise induktive Auskopplung der Signalspannung aus dem Schwingungskreis mit einer Auskoppelspule 17, wird eine galvanische Trennung von Sonde und elektronischer Schaltung und gleichzeitig eine Anpassung an den Wellenwiderstand eines Kabels 18 erreicht.

In der elektronischen Schaltung wird aus der, mit dem Kabel 18 übertragenen Signalspannung, ein Signal erzeugt, das den Änderungen der Kapazität des Sensorkondensators proportional ist und mit einfachen Mitteln in beliebiger Weise angezeigt oder weiterverarbeitet werden kann.

Dazu wird die Signalspannung mit Hilfe eines multiplizierenden Mischers 21 mit der Spannung eines Mischeroszillators 20 multipliziert. Am Ausgang des Mischers 21 erhält man dadurch eine Spannung, deren Frequenz ein Gemisch aus der Summe und aus der Differenz der Frequenzen von Sensoroszillator 8 und Mischeroszillator 20 ist. Der Tiefpaß 22, der auch eine Signalverstärkung bewirken kann, beseitigt die höherfrequente Frequenzsumme, daß nur noch eine Frequenz im Bereich der Schwebung, die Schwebungsfrequenz, vorliegt. Mit einem Komparator/Schmitt-Trigger 23 als Flankenformer wird daraus ein rechteckförmiges Signal erzeugt, dessen Frequenz direkt proportional zu den Änderungen der Kapazität zwischen den Kondensatorelektroden 2, der Sensorkapazität, ist. Das Frequenzsignal kann direkt zur Ansteuerung von digital wirkenden Gliedern zur weiteren Meßwertverarbeitung zugeführt werden.

Dieses Ausführungsbeispiel soll aufzeigen, daß mit der Erfindung die zu einer Telemetrie mindestens notwendigen vier Funktionsglieder - Meßwertaufnehmer, Modulator, Sender und Antenne - in nur einem einzigen, einfach aufgebauten Sensoroszillatorzillator 8, ohne weitere zusätzliche Bauelemente, vereint werden können. Es soll weiterhin aufgezeigt werden, daß der zum Empfang des Signals und zur Rückgewinnung der Meßgröße erforderliche Aufwand gering ist. Vorteilig sind insbesondere die Verwendung eines Sender/Empfänger Quarzpaares, bestehend aus zwei in ihrer Frequenz identischen Schwingquarzen, die aus Sicherheitsgründen oft gewünschte und mit der Erfindung gegebene Möglichkeit der induktiven Signalkopplung und der insgesamt niedrige Herstellungsaufwand.

Fig. 2 zeigt, wie die Erfindung zur Atmungsüberwachung verwendet werden kann. Auf einem flexiblen, nicht dehnbaren Substrat 1 sind zwei koplanare leitfähige Streifen als Kondensatorelektroden 2 des Sensorkondensators angeordnet. Dieses Band wird wie ein Gürtel über oder zwischen Kleidungsstücken locker um den Thorax eines zu Überwachenden gelegt. Eine Fixierung wird vorzugsweise durch ein Klettband, bestehend z. B. aus Haken 3 und Schlingen 4, erreicht. Zusätzlich zur Kleidung, die die Funktion eines Abstandhalters 6 hat, kann der Gürtel - auf der dem Körper/Körperteil 5 zugewandten Seite - isolierend mit einem zusätzlichen elastischen Abstandshalter 6, etwa einem Schaumstoff, belegt sein. Die Dehnungen des leitfähigen Körpers/Körperteils 5 durch den Atemvorgang bewirken, daß sich der Abstand zwischen den Kondensatorelektroden 2 und dem Körper/Körperteil 5 ändert. Damit ändert sich die Kapazität des Sensorkondensators und die Frequenz des Sensoroszillators 8, wodurch das Streufeld 7 mit den atmungsabhängigen Körperdehnungen frequenzmoduliert vorliegt. Auf dem Substrat 1 sind die Bauteile des Sensoroszillators 8, die Spannungsquelle 9 und ein magnetisch betätigbarer Schaltkontakt 10 untergebracht, wodurch ein Kabelanschluß entfällt. Der Schaltkontakt 10 schaltet den Sensoroszillator ab, wenn der Sensor z. B. in seiner Verpackung gelagert wird, um die Lebensdauer der Spannungsquelle 9 zu erhöhen.

Dieser kapazitive Sensor berührt die Körperoberfläche nicht und liegt auch nicht mit konstanter Kraft an, was nach einiger Zeit als belästigend empfunden werden könnte. Er arbeitet ohne Kabelanschluß mit sehr langer Batterielebensdauer und ist auch von ungeschultem Personal problemlos zu handhaben.

Wie die Fig. 2 weiter zeigt, besteht die Sonde zum Empfang des Streufeldes 7 aus einer Vielzahl von, in der Ebene, ihrer Trägerfolie 13 parallel zueinander angeordneten, kapazitiv miteinander gekoppelten, leitfähigen Flächen 11 als Empfangsflächen, vorzugsweise ausgeführt als Metallfolienstreifen. Die kapazitive Kopplung erfolgt entweder durch Koppelkondensatoren 12 oder durch eine isolierende Überlappung eines Ansatzes 14 an den Metallfolienstreifen 11 oder durch zusätzliche - vorzugsweise ebenfalls als Metallfolienstreifen ausgebildete - leitfähige Flächen 15, die nebeneinander liegende Metallfolienstreifen 11 isolierend überlappen, so daß in jedem Fall die Funktion der Koppelkondensatoren 12 gewährleistet wird. Als Dielektrikum für die, durch Überlappung erzeugten, Koppelkondensatoren wirkt die Trägerfolie 13. Das elektrische Streufeld 7 des Sensors erzeugt im dielektrischen Raum eine Ladungsverschiebung und damit zwischen den Metallfolienstreifen 11 ein Potential. Dieses Potential speist die Koppelkondensatoren 12, wodurch das empfangene Gesamtpotential an den am weitesten voneinander entfernten Metallfolienstreifen 11 abgegriffen werden kann. Vorteilhaft ist es, mit dem Gesamtpotential einen elektrischen Schwingungskreis zu speisen, der aus der Induktionsspule 16 und der Zusammenschaltung aller Koppelkondensatoren 12 sowie aller Metallfolienstreifen 11 besteht. In Resonanz mit der Frequenz des Sensors ergibt sich eine Überhöhung des Gesamtpotentials. Das Signal wird vorzugsweise induktiv mit einer Auskoppelspule 17 auf den Wellenwiderstand eines Kabels 18 transformiert und einer elektronischen Schaltung zugeführt.

Die Anordnung der Metallfolienstreifen 11 in der Ebene ihrer Trägerfolie 13 kann so große Abmessungen annehmen, daß mühelos z. B. eine ganze Bettfläche ausgefüllt wird, wodurch die Zuverlässigkeit dieser Überwachungsanlage sehr groß ist. Die Herstellung einer derartigen Sonde als Matte zum Unterlegen ist einfach.

Mit der in Fig. 3 gezeigten elektronischen Schaltung wird aus dem durch das Kabel 18 gelieferten Signal ein analoges Ausgangssignal out erzeugt, das den Atembewegungen des zu Überwachenden proportional ist.

Das zunächst in der Vorstufe 19 ggf. selektiv verstärkte Signal wird in einem Mischer 21 mit der Frequenz des Mischeroszillators 20 multiplikativ gemischt und von einem Tiefpaß 22 von den höherfrequenten Mischprodukten befreit. Das Ergebnis ist eine in der Nähe der Schwebung liegende Frequenz, deren Größe den Atembewegungen proportional ist. Ein Komparator/Schmitt-Trigger 23 formt daraus einen rechteckigen Signalverlauf, der zum Ansteuern eines Monoflops 24 benutzt wird. Der arithmetische Mittelwert der Ausgangsspannung des Monoflops 24 wird durch den Tiefpaß 22 gebildet. Es ist ein Signal, das sich etwa proportional zum geatmeten Luftvolumen verhält. Ein nachgeschalteter Differenzierer 26 befreit dieses Signal von einem vorhandenen Offset, wodurch sich eine gute Nullpunktstabilität ergibt, und das erhaltene Signal out dem geatmeten Luftvolumenstrom (airflow) sehr ähnlich ist.

Verwendete Kurzzeichen

 1 isolierendes Substrat (für den Atemsensor)
 2 Kondensatorelektroden
 3 Haken (für Klettverschluß)
 4 Schlingen (für Klettverschluß)
 5 Körper/Körperteil (an dem die Dehnungen gemessen werden)
 6 Abstandshalter
 7 Streufeld
 8 Sensoroszillator
 9 Spannungsquelle
10 Schaltkontakt
11 leitfähige Flächen, vzw. als Metallfolienstreifen
12 Koppelkondensatoren
13 Trägerfolie
14 Ansatz an die leitfähigen Flächen
15 zusätzliche leitfähigen Flächen, vzw. als Metallfolienstreifen
16 Induktionsspule
17 Auskoppelspule
18 Kabel
19 Vorstufe
20 Mischeroszillator
21 multiplikativer Mischer
22 Tiefpaß
23 Komparator/Schmitt-Trigger
24 Monoflop
25 Tiefpaß
26 Differenzierer
R Widerstand (des Differenzierers)
C Kondensator (des Differenzierers)
OUT Ausgangssignal

Claims (20)

1. Verfahren zur Messung von Körperdehnungen, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld eines in Verbindung mit der Kleidung oder unmittelbar an einem Körper/Körperteil (5) befestigten Sensorkondensators, durch die Körperdehnungen in seiner Frequenz moduliert wird und das Streufeld (7) des Sensorkondensators in einiger Entfernung vom Körper/Körperteil mit einer Sonde empfangen und in einer - mit der Sonde durch ein Kabel (18) verbundenen elektronischen Schaltung - in ein Signal umgewandelt wird, das den Dehnungen des Körpers/Körperteils (5) weitgehend proportional ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander isolierte Leitergebilde als Kondensatorelektroden (2) des Sensorkondensators, mit der Kleidung und/oder einem eingebrachten isolierenden und elastischen Stoff als Dielektrikum, derart in die Nähe des Körpers/Körperteils (5) oder seiner Oberfläche gebracht werden, damit sich eine dehnungsabhängige Abstandsänderung zwischen der leitfähigen Körperoberfläche und mindestens einer Kondensatorelektrode (2) ergibt, wobei die Körperoberfläche zur berührungsfreien Messung aber nicht kontaktiert sein muß, sondern lediglich dazu verwendet wird, die zwei, zwischen jeder Kondensatorelektrode (2) und der Körperoberfläche entstehenden, Teilkondensatoren zu einem einzigen Sensorkondensator in Reihe zu schalten, der dann zwischen den zwei Kondensatorelektroden (2) kontaktiert und benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungen des Körpers/Körperteils (5) lediglich nur eine der zwei Kondensatorelektroden (2) oder eine zusätzliche dritte Elektrode als leitfähige Brücke über den zwei Kondensatorelektroden (2) antreibt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in den frequenzbestimmenden Zweig eines Oszillators/Generators (8) in der Weise eingeschaltete Sensorkondensator, mit seiner Spannung an den Schwingungen teilnimmt und mit seinen Kapazitätsänderungen die Frequenz dieser Schwingungen unmittelbar verändert, wodurch ein dehnungsproportional frequenzmoduliertes elektrisches Feld entsteht.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Sonde, mit elektrisch leitfähigen Flächen (11) im Streufeld (7) des Sensorkondensators, die durch das Feld verursachten dielektrischen Ladungsverschiebungen als Potentiale einem zwischen zwei leitfähigen Flächen (11) geschalteten Koppelkondensator (12) mitgeteilt, zur Vergrößerung der empfangswirksamen Fläche einer Sonde beliebig viele leitfähige Flächen (11) mit jeweils dazwischengeschalteten Koppelkondensatoren (12) aneinandergereiht werden, und die Kombination von Koppelkondensator(en) (12) und leitfähigen Flächen (11) ganz oder teilweise Bestandteil eines elektrischen Schwingungskreises sind, der auf die Mitte der Frequenz abgestimmt ist, mit welcher der Sensorkondensator betrieben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauskopplung aus dem elektrischen Schwingungskreis durch induktive oder kapazitive Widerstandstransformation auf den Wellenwiderstand eines Kabels (18) erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Sonde gelieferte Signal ggf. mittels einer Vorstufe (19) selektiv verstärkt und in einem Mischer (21) mit der Wechselspannung eines Mischeroszillators (20), dessen Frequenz nicht oder nur wenig von der Frequenz des Streufeldes (7) abweicht, multipliziert wird, wodurch eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Nähe des Schwebungszustandes entsteht, wodurch eine Weiterverarbeitung des Signals mit Mitteln der Niederfrequenztechnik ermöglicht wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem - am Mischerausgang entstehenden - Frequenzsignalgemisch mit einem Tiefpaß (22) die Frequenzsumme entfernt wird, um nur die Wechselspannung mit der Frequenzdifferenz, das Schwebungssignal, zu erhalten welches in einem nachgeschalteten Komparator/Schmitt-Trigger (23) in ein Rechtecksignal geformt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Komparators/Schmitt-Triggers (23) durch einen nachgeschalteten Monoflop (24) in ein impulslängenmoduliertes Signal gewandelt und daraus in einem anschließenden Tiefpaß (25) der zeitliche Mittelwert - ein analoges, den Körperdehnungen proportionales - Signal entsteht.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene analoge Signalverlauf mit einem Differenzierer (26) von einem Offset befreit und dadurch gleichzeitig ein Signal erhalten wird, das den Änderungen der Körperdehnungen proportional ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung von Körperdehnungen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung einen in Verbindung mit der Kleidung oder unmittelbar an einem Körper/Körperteil (5) befestigten kapazitiven Sensor, eine im Streufeld (7) des kapazitiven Sensors befindliche Sonde zum Empfangen des elektrischen Feldes sowie eine mit der Sonde mittels Kabels (18) verbundene elektronische Schaltung aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Sensor auf einem isolierenden Substrat (1) zwei, vorzugsweise koplanar angeordnete, Kondensatorelektroden (2) und einen - mit eigener Stromversorgung versehenen - Sensoroszillator (8) enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor vorzugsweise als nichtelastischer Gürtel mit einem Klettverschluß ausgebildet ist und auf der - dem Körper/Körperteil (5) zugewandten Seite - einen isolierenden, elastischen oder nichtelastischen Stoff als Abstandshalter (6) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromversorgung des Sensoroszillators (8), vorzugsweise ebenfalls auf dem isolierenden Substrat (1), eine chemische Spannungsquelle (9) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Spannungsquelle (9) einen magnetisch betätigbaren Schaltkontakt (10) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die - im elektrischen Streufeld (7) des Sensors angeordnete und vorzugsweise als mattenförmige Unterlage ausgebildete - Sonde, eine Vielzahl - von in der Ebene einer isolierenden Trägerfolie (13) hintereinander angeordneter - leitfähiger Flächen (11) enthält, die mittels Koppelkondensatoren (12) miteinander verbunden und mittels einer Induktionsspule (16) zu einem Schwingungskreis zusammengeschaltet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelkondensatoren (12) durch isolierende Überlappung der leitfähigen Flächen (11) oder durch zusätzliche leitfähige Flächen (15), die nebeneinanderliegende leitfähige Flächen (11) isolierend überlappen, realisiert sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (18) induktiv oder kapazitiv mittels einer, galvanisch von den übrigen Bauteilen der Sonde getrennten, Auskoppelspule (17) oder kapazitivem Spannungsteiler, an die Induktionsspule (16) angekoppelt wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung, mindestens einen multiplizierenden Mischer (21), einen Mischeroszillator (20), einen Tiefpaß (22) mit Verstärkung und einen Komparator/Schmitt-Trigger (23) umfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 14 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Sensoroszillator (8) als auch Mischeroszillator (20) Quarzoszillatoren sind, die Quarze gleicher Nennfrequenz aufweisen.