DE602004010939T2

DE602004010939T2 - Methode und Vorrichtung zur menschlichen Stressevaluierung durch Photoplethysmographie

Info

Publication number: DE602004010939T2
Application number: DE602004010939T
Authority: DE
Inventors: Hyung-sok Yongin-si Yeo; Jeong-whan Yeongtong-gu Suwon-si Lee; Hyun-tai Yongin-si Hwang; Gil-Won Yoon
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: KR100519758B1; CN1517070A; JP4545446B2; US20040220483A1; DE602004010939D1; JP2004223258A; CN1297231C; EP1440653B1; EP1440653A1; KR20040067240A; US7613486B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bestimmung von Belastung (Stress) beim Menschen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Belastung beim Menschen unter Verwendung von Photoplethysmographie (PPG).
Im Bereich der medizinischen Diagnostik wird bei verschiedenen Ansätzen zum Diagnostizieren von kardiovaskulären Erkrankungen oder zum Erfassen des Entwicklungsgrades einer Erkrankung oder der Steifigkeit eines Blutgefäßes PPG angewendet. PPG gibt ein Signal an, das der Menge an Licht entspricht, die von einem ausgewählten Teil eines menschlichen Körpers reflektiert wird, nachdem dieser mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt wurde, das von einer Lichtquelle einer Lichtemissionsvorrichtung emittiert ist. Die Technologie unter Verwendung von PPG wurde hauptsächlich zum Zwecke der Bestimmung des physiologischen Zustands eines Patienten in Verbindung mit einem arteriellen System entwickelt, aber üblicherweise wird sie als Hilfsmittel zur Diagnose spezieller Erkrankungen verwendet.
Zum Beispiel offenbart US-Patent Nr. 5,830,131 einen Monitor, der so konfiguriert ist, dass er ein Kalibrierungssignal bereitstellt, das einen physiologischen Parameter eines Patienten darstellt, um den physiologischen Zustand des Patienten zu bestimmen. Ein Hämoparameter ist als irgendein physiologischer Parameter definiert, der mit Gefäßblut in Zusammenhang steht, wie Druck, Durchfluss, Volumen, Geschwindigkeit, Blutgefäßwandbewegung, Blutgefäßwandposition und andere zugehörige Parameter. Ein Prozessor ist so konfiguriert, dass er eine Beziehung zwischen einer Eigenschaft einer ermittelten PPG-Wellenform und einer Eigenschaft des physiologischen Parameters bestimmt. Mit einer solchen Anordnung können Arterienelastizität, Arteriendicke, Arterien steifigkeit, Arterienwandnachgiebigkeit und andere Zustände bestimmt werden.
US-Patent Nr. 6,340,346 offenbart ein Verfahren zum Ableiten des Zustands eines Fötus durch Messen von EKG, BP, PO₂, PCO₂, Blutdurchfluss (entsprechend PPG), Blutgeschwindigkeit, Blutvolumen, thermischen Index, Atmung und anderen physiologischen Signalen bei einer schwangeren Frau und unter Verwendung eines mathematischen Box-Jenkins-Modells auf Basis von Veränderungen in den physiologischen Signalen. US-Patent Nr. 6,117,075 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Tiefe einer Anästhesie durch Aufnehmen von PPG- und Hauttemperatur(SKT)-Daten am Finger eines Patienten, Unterteilen der Daten in bestimmte Frequenzbänder und Durchführen einer Spektrumanalyse und Konkordanzbestimmung auf Basis von Datenvariationen.
Indessen wurden eine Reihe von Verfahren unter Verwendung verschiedener Arten von physiologischen Signalen, auf die ein menschlicher Körper reagiert, vorgeschlagen, um Wohlbefinden beim Menschen, Entspannung beim Menschen und Belastung beim Menschen zu bestimmen. Bei diesen Verfahren werden Belastung oder Wohlbefinden beim Menschen basierend auf mindestens zwei physiologischen Signalen gemessen und bewertet. Mit anderen Worten, um den Zustand eines menschlichen Körpers zu bewerten oder kontinuierlich zu überwachen, werden verschiedene physiologische Signale wie EKG, EEG, EMG, PPG, GSR und SKT aufgenommen und analysiert.
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. 2000-116614 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bewerten des Wohlbefindens. Es wird ein Handschuh mit einem Temperatursensor zum Messen der SKT, einer Elektrode zum Messen der Hautimpedanz und ein Lichtemissionsdioden(LED)-Phototransistor zum Messen einer Pulswelle zur Verfügung gestellt. Pulswelle, SKT und Hautimpedanz, die entsprechend unter Verwendung einer Pulswellendetektorschaltung, einer Temperaturdetektorschaltung und einer Hautimpedanzdetektorschaltung gemessen werden, werden in eine Messungssteuerverarbeitungseinheit (CPU) eingegeben. Basierend auf den Variationen der gemessenen Pulswelle, SKT und Hautimpedanz wird das Wohlbefinden bewertet. Außerdem offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. 1997-294724 eine Vorrichtung zum Messen von SKT-Unterschieden zwischen einem peripheren Teil eines menschlichen Probanden, wie einer Hand oder einem Fuß, und dem Rumpfteil eines menschlichen Probanden unter Verwendung einer Infrarottemperatursensoreinrichtung zum Abschätzen des Belastungsgrads und Rückführung des Schätzwerts zum menschlichen Probanden.
Solche herkömmliche Technologie kann zuverlässige Analyseergebnisse durch Aufnehmen verschiedener physiologischer Signale ergeben. Da es jedoch zusammen mit der Notwendigkeit eines Systems im großen Maßstab viele Einschränkungen bei menschlichen Probanden gibt, beeinflusst die Messung selbst menschliche Probanden als Belastungsfall. Außerdem werden Messvorrichtungen vom Typ eines Handschuhs oder als Fingerkontakt verwendet, um PPG von den Fingern eines menschlichen Probanden zu ermitteln, so dass der menschliche Proband bei der Ausführung von Tätigkeiten wie Arbeit an einem Personalcomputer (PC) oder anderen Tätigkeiten unter Einsatz der Hand gehindert ist.
US 4,867,165 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Perfusion durch Bestimmung des von mindestens einer Lichtquelle emittierten und von Arterienblut beeinflussten Lichts. Die Perfusion wird als Veränderung der Dicke aus der Summe von parallelen Gewebevergrößerungen oder als normalisiertes Volumen angezeigt. Die Verwendung von Perfu sion als Maß für den Belastungszustand eines Patienten ist ebenfalls offenbart.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Photoplethysmographie, nachfolgend als PPG bezeichnet, zur Verfügung gestellt, die umfasst:
eine PPG-Messeinheit zum Einstrahlen von Licht mit mindestens einer Wellenlänge, das auf eine zu messende Blutkomponente in einem Messobjekt reagiert, und Messen eines PPG-Signals vom Messobjekt während einer bestimmten Zeitspanne, eine Verstärker- und Filtereinheit zum Verstärken des von der PPG-Messeinheit bereitgestellten PPG-Signals auf ein bestimmtes Niveau und Durchführen einer Filterung, um Rauschkomponenten zu eliminieren, und eine Signalverarbeitungseinheit zum Definieren von PPG-Parametern des verstärkten und gefilterten PPG-Signals, wobei die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet ist, dass sie eine Pulskomponentenamplitude, ein Peak-zu-Peak-Intervall und einen Basislinienstreubereich als die PPG-Parameter des verstärkten und gefilterten PPG-Signals definiert, und Belastung beim Menschen unter Verwendung von Belastungsindices ermittelt, die unter Verwendung aller definierter PPG-Parameter des verstärkten und gefilterten PPG-Signals gewonnen sind.
Die Belastung des Menschen kann aus einem Langzeittest und einem Kurzzeittest ermittelt werden, die in Abhängigkeit von der Messdauer des PPG-Signals, das von der Verstärker- und Filtereinheit bereitgestellt ist, identifiziert werden.
Die PPG-Messeinheit kann eine "C"-Form aufweisen, so dass das Messobjekt in die PPG-Messeinheit eingesetzt werden kann, und eine Transmissions- oder Reflexionsstruktur aufweisen.
Die Signalverarbeitungseinheit kann ferner so ausgebildet sein, dass sie:
einen Mittelwert von Pulskomponentenamplituden während der bestimmten Zeitspanne ermittelt, den Basislinienstreubereich mit dem Mittelwert der Pulskomponentenamplituden während der bestimmten Zeitspanne vergleicht und einen ersten relativen Belastungsindex berechnet, der auf einer Beziehung zwischen dem Basislinienstreubereich und dem Mittelwert der Pulskomponentenamplituden basiert.
Die Signalverarbeitungseinheit kann ferner so ausgebildet sein, dass sie:
einen Mittelwert des Peak-zu-Peak-Intervalls während der bestimmten Zeitspanne ermittelt und eine Gesamtanzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die kleiner sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, und die Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die größer sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, während der bestimmten Zeitspanne zählt und einen relativen zweiten Belastungsindex basierend auf einer Beziehung zwischen der Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die kleiner sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, und der Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die größer sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, berechnet.
Die Signalverarbeitungseinheit kann ferner so ausgebildet sein, dass sie:
eine Gesamtanzahl an Pulskomponenten, die Anzahl an Pulskomponenten, die eine kleinere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, und die Anzahl an Pulskomponenten, die eine größere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, während der bestimmten Zeitspanne zählt und einen relativen dritten Belastungsindex basierend auf einer Beziehung zwischen der Anzahl an Pulskomponenten, die eine kleinere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, und der Anzahl an Pulskomponenten, die eine größere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, berechnet.
Die Signalverarbeitungseinheit kann ferner so ausgebildet sein, dass sie die aus einem Langzeit- oder Kurzzeittest erfassten Belastungsindices basierend auf den PPG-Parametern mittelt und einen mittleren Belastungsindex als endgültigen Belastungsindex bestimmt.
Die Vorrichtung kann ferner eine Anzeigeeinheit umfassen, die so ausgebildet ist, dass sie mindestens einen Belastungsindex und die ermittelte Belastung des Menschen anzeigt.
Beim Kurzzeittest kann die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet sein, dass sie:
einen Mittelwert von Peak-zu-Peak-Intervallen während einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, die Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die kleiner sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, und die Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die größer sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, während der bestimmten Zeitspanne zählt und einen relativen Belastungsindex basierend auf einer Beziehung zwischen der Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die kleiner sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, und der Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die größer sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, berechnet.
Beim Langzeittest kann die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet sein, dass sie:
Peak-zu-Peak-Intervalle bezüglich aller Pulse während einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, Datensätze definiert, die aus einer bestimmten Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen bezüglich aller während der bestimmten Zeitspanne ermittelten Peak-zu-Peak-Intervalle bestehen, gemäß der Anzahl an Datensätzen ein bestimmtes statistisches Verfahren durchführt und einen Belastungsindex basierend auf einem p-Wert be rechnet, der als Ergebnis der Durchführung des bestimmten statistischen Verfahrens erfasst ist.
Beim Kurzzeittest kann die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet sein, dass sie:
einen Mittelwert von Pulskomponentenamplituden während einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, die Anzahl an Pulskomponenten, die eine kleinere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, und die Anzahl an Pulskomponenten, die eine größere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, während der bestimmten Zeitspanne zählt und einen relativen Belastungsindex basierend auf einer Beziehung zwischen der Anzahl an Pulskomponenten, die eine kleinere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, und der Anzahl an Pulskomponenten, die eine größere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, berechnet.
Beim Langzeittest kann die Signalverarbeitungseinheit so ausgebildet sein, dass sie:
Pulskomponentenamplituden bezüglich aller Pulse während einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, Datensätze definiert, die aus einer bestimmten Anzahl an Pulskomponentenamplituden bezüglich aller während der bestimmten Zeitspanne ermittelten Pulskomponentenamplituden bestehen, gemäß der Anzahl an Datensätzen ein bestimmtes statistisches Verfahren durchführt und einen Belastungsindex basierend auf einem p-Wert berechnet, der als Ergebnis der Durchführung des bestimmten statistischen Verfahrens erfasst ist.
Das bestimmte statistische Verfahren kann ein t-Test für zwei gepaarte Stichproben sein, wenn die Anzahl an Datensätzen zwei beträgt, und eine einfaktorielle Varianzanalyse (one-way ANOVA), wenn die Anzahl an Datensätzen mindestens drei beträgt.
Die vorliegende Erfindung stellt auf diese Weise eine Vorrichtung zur Bestimmung der Belastung, d. h. eines Entspanntheitsgrads, eines menschlichen Probanden unter Verwendung der Amplitude einer Pulskomponente der Photoplethysmographie (PPG), einer Basislinienschwankung und einer Variation des Peak-zu-Peak-Intervalls der gemäß einer Herzrate gebildeten PPG zur Verfügung.
Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich durch eine ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeich nungen, in denen:
1 ein Schaubild ist, das eine Pulskomponente und ein Peak-zu-Peak-Intervall in einem Photoplethysmographie(PPG)-Signal darstellt;
2A und 2B Schaubilder sind, die den Basislinienstreubereich in einem PPG-Signal darstellen;
3A und 3B Schaubilder sind, die Veränderungen in PPG-Signalen unter Belastung bzw. Ruhe zeigen;
4 ein Schaubild ist, das Ergebnisse der Differenzierung des in 3A gezeigten PPG-Signals und des in 3B gezeigten PPG-Signals zeigt;
5 ein Flussbild eines Verfahrens zum Bestimmen von Belastung beim Menschen unter Verwendung von PPG gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 ein Schaubild ist, das im in 5 gezeigten Verfahren definierte Parameter darstellt;
7A und 7B Diagramme von Beispielen einer PPG-Messvorrichtung sind, die zum Erfassen von PPG-Daten beim in 5 gezeigten Verfahren verwendet ist;
8A und 8B Diagramme sind, die Anwendungsbeispiele von in den 7A und 7B gezeigten Messvorrichtungen zeigen;
9 ein detailliertes Flussbild der Analyse beim in 5 gezeigten Verfahren ist;
10 ein Diagramm ist, das ein Beispiel der Darstellung von Belastung basierend auf der Verteilung von Belastungsgraden im in 5 gezeigten Verfahren zeigt; und
11 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Bestimmen von Belastung beim Menschen unter Verwendung von PPG gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Information zum Kontraktionsgrad eines peripheren Blutgefäßes und einer Zunahme oder Abnahme der Herzleistung wird durch Photoplethysmographie (PPG) reflektiert, und der Kontraktionsgrad eines peripheren Blutgefäßes und die Zunahme oder Abnahme der Herzleistung sind durch das autonome Nervensystem dominiert, das die Myokardialbewegung steuert. Wenn zum Beispiel ein sympathetischer Nerv durch eine externe Stimulation angeregt wird, nimmt eine Herzfunktion, wie Herzrate (HR), zu, und eine Stimulationsleitungsrate nimmt zu oder Erregbarkeit nimmt zu und Kontraktilität wird akzentuiert. Die HR gibt die Anzahl an Herzpulsen in einer Minute an und wird als Herzschläge pro Minute (BPM) ausgedrückt. Normale Erwachsene weisen eine HR von 60 bis 90 BPM auf. Die HR steigt bei körperlicher Betätigung, geistiger Anregung oder Fieber und nimmt während des Schlafs ab. Mit anderen Worten, wenn ein sympathetischer Nerv angeregt wird, nimmt ein Peak-zu-Peak-Intervall des PPG aufgrund eines Anstiegs der HR ab und die Amplitude einer Pulskomponente von PPG fällt aufgrund der Kontraktion eines peripheren Blutgefäßes.
Indessen verändert sich eine Basislinie im PPG aufgrund von unregelmäßig tiefer Atmung oder einem anderen Bewegungsartefakt bei einem menschlichen Probanden, der nicht ruht. Bei einer Veränderung in der HR beim Atmen nimmt die HR beim Einatmen aufgrund einer Beschleunigung der Bewegung eines Sinusknotens zu, während sie beim Ausatmen abnimmt. Bei einer Veränderung der Basislinie im PPG nimmt ein Peak-zu-Peak-Intervall wiederholt zu und ab, und sein Zunahme- und Abnahmegrad und Status ist in Abhängigkeit von einem Stimulationsgrad eines sympathetischen Nervs veränderlich.
1 ist ein Schaubild, das eine Pulskomponente und ein Peak-zu-Peak-Intervall (PPI) in einem bei einem menschlichen Probanden aufgenommenen PPG-Signal darstellt. Im Schaubild wird eine Höhe vom niedrigsten zum höchsten Punkt in jedem Puls als Pulskomponentenamplitude 11 bezeichnet und ein Abstand zwischen benachbarten höchsten Punkten wird als Peak-zu-Peak-Intervall 13 bezeichnet.
Die 2A und 2B sind Schaubilder, die den Basislinienstreubereich in einem PPG-Signal darstellen. Der Streubereich einer Basislinie wird durch eine Differenz zwischen einem höchsten Peakwert und einem niedrigsten Peakwert in den gesamten aufgenommenen Daten ausgedrückt. Der Basislinienstreubereich reflektiert Information zu einer Veränderung der PPG-Basislinie. Ein Basislinienstreubereich 21, der auftritt, wenn eine unregelmäßige Atmung oder ein anderer Bewegungsartefakt erfolgt, wie in 2A gezeigt, ist größer als ein Basislinienstreubereich 23, der auftritt, wenn Atmung oder Haltung stabil sind, wie in 2B gezeigt. Hieraus ist abzuleiten, dass eine Veränderung der Basislinie stabiler ist, wenn Atmung oder Haltung stabil sind.
Die 3A und 3B sind Schaubilder, die Veränderungen in PPG-Signalen unter Belastung bzw. Ruhe zeigen. Eine Pulskomponentenamplitude 31 bei Belastung ist geringer als eine Pulskomponentenamp litude 37 in Ruhe und ein Basislinienstreubereich 33 bei Belastung ist größer als ein Basislinienstreubereich 39 in Ruhe.
4 ist ein Schaubild, das Ergebnisse einer primären Differenzierung des in 3A gezeigten PPG-Signals und des in 3B gezeigten PPG-Signals zeigt, um Veränderungen in einer Pulskomponentenamplitude zwischen Belastung und Ruhe zu vergleichen. Da die primäre Differenzierung Gleichstromkomponenten aus den PPG-Signalen eliminiert, können nur die Pulskomponenten leicht verglichen werden. Es ist aus 4 zu sehen, dass die Pulskomponentenamplitude bei Belastung im Vergleich zur Pulskomponentenamplitude in Ruhe verringert ist.

Es wurden wiederholt Experimente bei fünf menschlichen Probanden durchgeführt, um zu verifizieren, ob eine statistisch signifikante Differenz bei einem Mittelwert von Pulskomponentenamplituden im PPG, d. h. AC-Mittel, zwischen Belastung und Ruhe auftritt, wie es in 4 gezeigt ist. Hier wurden für eine zum Aufnehmen von PPG-Signalen verwendete Lichtquelle insbesondere fünf Wellenlängen in einem Bereich von 500 bis 1000 nm ausgewählt und als AC1, AC2, AC3, AC4 bzw. AC5 bezeichnet. Nach Aufnehmen von PPG-Daten für die fünf Wellenlängen wurden Pulskomponentenamplituden extrahiert und in einen Datensatz konfiguriert. Dann wurde ein gepaarter t-Test für zwei Gruppen unter einer Belastungsbedingung bzw. einer Ruhebedingung durchgeführt. Die Ergebnisse der Experimente sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Menschl.	Wellen	Belastung		Ruhe		p-Wert
Proband	länge	AC-Mittel	AC SD	AC-Mittel	AC SD
#1-1	AC1	134,77	12,28	144,21	13,00	0,005
	AC2	90,87	10,79	96,59	7,57	0,026
	AC3	132,79	17,03	138,82	10,05	0,017
	AC4	127,44	13,02	133,26	7,32	0,034
	AC5	130,33	13,54	138,95	10,60	0,031

#1-2	AC1	125,79	15,23	150,34	12,95	0,000
	AC2	86,37	16,10	90,63	9,18	0,175
	AC3	120,11	15,68	140,79	11,52	0,000
	AC4	112,87	14,43	138,97	11,59	0,000
	AC5	119,08	17,18	134,24	11,41	0,000

#1-3	AC1	139,44	16,15	153,51	14,03	0,001
	AC2	88,37	11,37	93,98	11,05	0,046
	AC3	131,67	15,44	142,15	14,00	0,007
	AC4	130,27	13,80	138,39	13,17	0,025
	AC5	125,54	15,64	135,68	14,03	0,015

#2-1	AC1	178,29	13,10	198,26	15,97	0,000
	AC2	117,74	12,52	133,43	11,39	0,000
	AC3	178,06	12,22	200,23	16,23	0,000
	AC4	164,23	10,97	183,40	12,21	0,000
	AC5	170,83	12,09	193,03	13,68	0,000

#2-2	AC1	198,32	14,18	210,62	10,04	0,000
	AC2	135,21	11,01	140,71	7,61	0,019
	AC3	200,35	14,59	207,94	14,29	0,044
	AC4	186,15	13,99	191,62	11,97	0,101
	AC5	189,65	12,92	196,71	10,13	0,022

#2-3	AC1	198,50	12,95	216,38	12,56	0,000
	AC2	135,21	9,78	145,41	8,17	0,000
	AC3	199,41	11,91	215,12	13,34	0,000
	AC4	183,85	10,91	193,00	13,29	0,003
	AC5	187,68	10,63	198,74	12,23	0,000

#3-1	AC1	227,79	16,70	241,21	15,79	0,002
	AC2	138,45	12,27	154,89	13,15	0,000
	AC3	217,03	14,69	226,55	13,89	0,013
	AC4	214,05	16,28	232,00	15,69	0,000
	AC5	206,87	15,39	219,47	15,93	0,002

#3-2	AC1	212,59	15,42	220,76	12,48	0,019
	AC2	137,43	13,93	145,35	11,93	0,004
	AC3	205,27	16,48	210,51	15,60	0,127
	AC4	208,41	13,57	214,19	11,94	0,028
	AC5	198,89	13,92	204,73	15,79	0,041

#4-1	AC1	478,58	19,78	529,92	23,33	0,000
	AC2	232,83	14,10	274,23	15,89	0,000
	AC3	392,63	19,03	451,33	21,58	0,000
	AC4	470,93	23,90	527,45	22,12	0,000
	AC5	466,33	20,28	526,83	24,48	0,000

#5-1	AC1	462,78	24,58	482,96	28,65	0,017
	AC2	246,89	15,20	262,93	15,77	0,005
	AC3	406,41	20,62	428,19	24,95	0,005
	AC4	440,15	18,61	459,81	21,70	0,005
	AC5	390,70	20,55	410,78	24,24	0,012

#5-2	AC1	484,04	17,10	513,68	14,69	0,000
	AC2	260,68	16,83	290,86	14,89	0,000
	AC3	428,50	17,03	451,71	18,41	0,000
	AC4	462,32	14,71	486,79	15,95	0,000
	AC5	414,18	16,22	434,07	13,09	0,000

#5-3	AC1	417,52	34,39	468,62	24,36	0,000
	AC2	222,72	20,10	263,38	18,11	0,000
	AC3	366,83	28,67	414,86	20,27	0,000
	AC4	395,03	32,38	443,62	21,24	0,000
	AC5	365,38	27,06	405,90	16,92	0,000

Mit Bezug zu Tabelle 1, wenn die beiden Gruppen verglichen werden, betragen die meisten p-Werte weniger als 0,05, das heißt, es wird bestimmt, dass es in den meisten Fällen eine statistisch signifikante Differenz gibt. Selbst in anderen Fällen ist zu sehen, dass ein AC-Mittel bei Belastung geringer ist als in Ruhe.
Tabelle 2 zeigt Beziehungen zwischen PPG-Parametern, die durch die vorliegende Erfindung definiert sind, und Bedingungen von Belastung und Ruhe bei einem menschlichen Probanden. Tabelle 2
5 ist ein Flussbild eines Verfahrens zur Bestimmung von Belastung beim Menschen unter Verwendung von PPG gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren beinhaltet Definition von Parametern in Schritt 51, Aufnahme von PPG-Daten in Schritt 53, Filtern in Schritt 55, Analyse in Schritt 57 und Anzeige in Schritt 59.
Mit Bezug zu 5 werden PPG-Parameter, wie in 6 gezeigt, in Schritt 51 definiert. Mit Bezug zu 6 ist eine Pulskomponentenamplitude 61 durch eine Differenz zwischen einem höchsten Punkt und einem niedrigsten Punkt in jedem Puls definiert. In Verbindung mit der Pulskomponentenamplitude 61 werden ein AC-Mittel und eine Gesamtanzahl an Pulskomponenten in einer vorgegebenen Zeitspanne definiert. Bei der Gesamtzahl an Pulskomponenten ist die Anzahl an Pulskomponenten mit einer Amplitude von weniger als dem AC-Mittel als "kleine AC-Zahl" definiert. Ein Verhältnis von kleiner AC-Zahl zur Gesamtzahl an Pulskomponenten ist als "kleiner AC-Zahl %" definiert. Ein durch Subtrahieren des kleinen AC-Zahl % von 100 ermittelter Wert ist als "großer AC-Zahl %" definiert.
Danach wird ein i-tes PPI 63 durch ein Zeitintervall zwischen einem i-ten Peak P(i) und einem benachbarten (i + 1)-ten Peak P(i + 1) definiert und durch PPI (i) dargestellt. Eine Differenz zwischen einem Datenindex des i-ten Peaks P(i) und einem Datenindex des (i + 1)-ten Peaks P(i + 1) wird ermittelt und dann mit einer Abtastrate multipliziert, um ein Zeitintervall zu definieren. Wenn zum Beispiel der Datenindex des i-ten Peaks P(i) i(n) ist und der Datenindex des (i + 1)-ten Peaks P(i + 1)i(n + k) ist, kann PPI(i) durch die Formel (1) ausgedrückt werden PPI(i) = [i(n + k) – i(n)] × Abtastrate (1)
In Verbindung mit dem PPI 63 werden ein mittleres PPI und eine Gesamtzahl an PPIs für eine vorgegebene Zeitspanne definiert. Bei der Gesamtzahl an PPIs ist die Anzahl an PPIs, die weniger als das mittlere PPI betragen, als "schnelle PPI-Zahl" definiert. Ein Verhältnis der schnellen PPI-Zahl zur Gesamtzahl an PPIs ist als "schneller PPI-Zahl %" definiert. Ein Wert, der durch Subtrahieren des schnellen PPI-Zahl % von 100 ermittelt ist, wird als "langsame PPI-Zahl %" definiert.
Danach wird ein Basislinienstreubereich 65 durch eine Differenz zwischen einem maximalen Peak Pmax und einem minimalen Peak Pmin in den gesamten in einer vorgegebenen Zeitspanne aufgenommenen PPG-Daten definiert.
Nochmals mit Bezug zu 5, wird eine vorgegebene Zeitspanne als Zeiteinheit festgelegt und PPG-Daten werden in Schritt 53 in der Zeiteinheit aufgenommen. Für diesen Vorgang wird eine in 7A oder 7B gezeigte PPG-Messvorrichtung verwendet.
7A zeigt eine Transmissions-PPG-Messvorrichtung, die einen Lichtemissionsteil 72 mit einem Licht ausstrahlenden Lichtemissionselement 71 und einen Lichtempfangsteil 75 mit einem Lichtempfangselement 74, das von einem Messobjekt 73 transmittiertes Licht erfasst, beinhaltet. Die Gehäuse des Lichtemissionsteils 72 und des Lichtempfangsteils 75 sind an einem Ende so verbunden, dass sie eine "C"-Form bilden. 7B zeigt eine Reflexions-PPG-Messvorrichtung, die ein Lichtemissions-/-empfangsteil 78 mit einem Licht ausstrahlenden Lichtemissionselement 76 und einem Lichtempfangselement 77, das von einem Messobjekt 73 transmittiertes Licht erfasst, beinhaltet. Ein Messobjekthalter 79 ist an einem Ende des Lichtemissions-/-empfangsteils 78 so verbunden, dass eine "C"-Form ausgebildet ist. Wie in den 8A und 8B gezeigt ist, kann eine in 7A oder 7B gezeigte PPG-Messvorrichtung 81 an jedem Teil eines menschlichen Körpers angewendet werden, zum Beispiel einem Ohr 83, einem Finger 85 oder einer Zehe.
In Schritt 53 wird Licht mit einer speziellen Wellenlänge am Messobjekt 73 eines menschlichen Körpers unter Verwendung der PPG-Messvorrichtung 81 eingestrahlt und vom Messobjekt 73 reflektiertes oder transmittiertes Licht erfasst. Hierbei weist das im Lichtemissionsteil 72 oder 78 verwendete Licht eine spezielle Wellenlänge auf, die für den Zweck der Messung geeignet ist, wie eine Wellenlänge von 500 bis 1000 nm, und es kann eine einzelne Wellenlänge oder mindestens zwei Wellenlängen aufweisen. Eine Datenabtastfrequenz ist unter Berücksichtigung einer höchsten Frequenz in der PPG so ausgewählt, dass sie in einem geeigneten Bereich liegt und ein Alias-Effekt oder eine Verzerrung eines ursprünglichen Signals verhindert werden kann. Eine Datenabtastdauer kann fundamental so festgelegt sein, dass sie mindestens 30 Sekunden beträgt, kann aber wahlweise so festgelegt werden, dass sie für den Zweck der Messung geeignet ist.
Nochmals mit Bezug zu 5 wird in Schritt 55 eine Tiefpassfilterung durchgeführt, um Hochfrequenzrauschen aus den in Schritt 53 aufgenommenen Daten zu eliminieren. Hierbei kann ein Tiefpassfilter mit einer Cutoff-Frequenz von 10 Hz verwendet werden.
In Schritt 57 werden die in Schritt 55 analysierten PPG-Daten unter Verwendung der in Schritt 51 definierten PPG-Parameter analysiert, so dass ein Belastungsindex des untersuchten Menschen errechnet wird. Schritt 57 wird mit Bezug zu 9 ausführlich beschrieben.

Mit Bezug zu 9 wird ein Basislinienstreubereich mit einem AC-Mittel verglichen, um einen Belastungsindex SI zu ermitteln. Zum Beispiel werden Belastungsindices nach Bedingungsformeln in 8 Klassen eingeteilt, wie es in Tabelle 3 gezeigt ist. Wenn eine zu vergleichende Da tengruppe eine Bedingung für eine bestimmte Klasse unter den 8 Klassen erfüllt, wird entsprechend der Bedingung eine Subtraktion oder eine Addition an einem Belastungsindex SI durchgeführt. Der als Ergebnis der obigen Verfahrensschritte ermittelte Belastungsindex wird als SI_1 bezeichnet und ist so eingestellt, dass er 100 nicht übersteigt. Tabelle 3

Klasse	Bedingung	Belastungsindex (Anfangswert = 30)
A	AC-Mittel*3 ≤ Basislinienstreubereich	SI = SI – 20
B	AC-Mittel3 < Basislinienstreuber. ≤ AC-Mittel4	SI = SI + 5
C	AC-Mittel4 < Basislinienstreuber. ≤ AC-Mittel5	SI = SI + 15
D	AC-Mittel5 < Basislinienstreuber. ≤ AC-Mittel6	SI = SI + 20
E	AC-Mittel6 < Basislinienstreuber. ≤ AC-Mittel7	SI = SI + 30
F	AC-Mittel7 < Basislinienstreuber. ≤ AC-Mittel8	SI = SI + 40
G	AC-Mittel8 < Basislinienstreuber. ≤ AC-Mittel9	SI = SI + 50
H	AC-Mittel*9 < Basislinienstreubereich	SI = SI + 60

In Schritt 93 wird ein schneller PPI-Zahl % basierend auf einem mittleren PPI berechnet und es wird bestimmt, ob der schnelle PPI-Zahl % in einem bestimmten Bereich liegt, so dass ein Belastungsindex SI ermittelt wird. Zum Beispiel werden Belastungsindices entsprechend Bedingungsformeln in 3 Klassen eingeteilt, wie es in Tabelle 4 gezeigt ist.
Wenn eine zu vergleichende Datengruppe eine Bedingung für eine bestimmte Klasse unter den 3 Klassen erfüllt, wird eine Subtraktion oder eine Addition an einem Belastungsindex SI entsprechend der Bedingung durchgeführt. Der als Ergebnis der obigen Verfahrensschritte ermittelte Belastungsindex wird als SI_2 bezeichnet und ist so eingestellt, dass er 100 nicht übersteigt. Tabelle 4

Klasse Bedingung Belastungsindex (Anfangswert = 50)

A schnelle PPI-Zahl % ≤ 50 SI = SI – 20

B 50 < schnelle PPI-Zahl % ≤ 60 SI = SI + 15

C 60 < schnelle PPI-Zahl % SI = SI + 35
Wenn es dabei etwas länger dauert, um PPG-Daten aufzunehmen, kann ein statistisches Verfahren angewendet werden, um die Zuverlässigkeit der Bestimmung zu erhöhen. Wenn es zum Beispiel zum Aufnehmen von PPG-Daten mehr als 1 Minute dauert, wird bestimmt, ob eine Gesamtzahl an PPIs in den aufgenommenen PPG-Daten mindestens 50 beträgt. Wenn bestimmt ist, dass die Gesamtzahl an PPIs mindestens 50 beträgt, wird eine PPI-Zeitreihendatengruppe von einem Anfangs-PPI zum 25-ten PPI als Datensatz_1 definiert, eine PPI-Zeitreihendatengruppe entsprechend den nächsten 25 PPIs wird als Datensatz_2 definiert und ein Datensatz_n wird auf die gleiche Weise definiert. Wenn zwei zu vergleichende Datengruppen vorliegen, wird ein t-Test für zwei gepaarte Stichproben durchgeführt, und wenn mindestens drei zu vergleichende Datengruppen vorliegen, wird eine einfaktorielle Varianzanalyse (one-way ANOVA) durchgeführt, um einen p-Wert zu ermitteln. Wenn der erfasste p-Wert größer ist als 0,05, wird ein stabiler Zustand bestimmt. Wenn der erfasste p-Wert kleiner ist als 0,05, wird ein instabiler Zustand bestimmt. Außerdem kann eine Bestimmung eines Belastungsgrads ausgehend von einem p-Wert auf Basis von 0,05 genauer durchgeführt werden. Zum Beispiel werden Belastungsindices nach Bedingungsformeln in 4 Klassen eingeteilt, wie es in Tabelle 5 gezeigt ist.

Wenn eine zu vergleichende Datengruppe eine Bedingung für eine be stimmte Klasse unter den 4 Klassen erfüllt, wird entsprechend der Bedingung eine Subtraktion oder eine Addition an einem Belastungsindex SI durchgeführt. Der als Ergebnis der obigen Verfahrensschritte ermittelte Belastungsindex wird als SI_3 bezeichnet und ist so eingestellt, dass er 100 nicht übersteigt. Tabelle 5

Klasse	Bedingung	Belastungsindex (Anfangswert = 50)
A	p-Wert ≥ 0,05	SI = SI – 20
B	0,01 ≤ p-Wert < 0,05	SI = SI + 15
C	0,001 ≤ p-Wert < 0,01	SI = SI + 25
D	p-Wert < 0,001	SI = SI + 35

Danach wird in Schritt 95 ein kleiner AC-Zahl % ausgehend von einem AC-Mittel berechnet und es wird bestimmt, ob der kleine AC-Zahl % in einem vorgegebenen Bereich liegt, so dass ein Belastungsindex SI ermittelt wird. Zum Beispiel werden Belastungsindices nach Bedingungsformeln in 3 Klassen eingeteilt, wie es in Tabelle 6 gezeigt ist. Wenn eine zu vergleichende Datengruppe eine Bedingung für eine bestimmte Klasse unter den 3 Klassen erfüllt, wird entsprechend der Bedingung eine Subtraktion oder eine Addition an einem Belastungsindex SI durchgeführt. Der als Ergebnis der obigen Verfahrensschritte ermittelte Belastungsindex wird als SI_4 bezeichnet und ist so eingestellt, dass er 100 nicht übersteigt. Tabelle 6

Klasse Bedingung Belastungsindex (Anfangswert = 50)

A kleiner AC-Zahl % ≤ 50 SI = SI – 20

B 50 < kleiner AC-Zahl % ≤ 60 SI = SI + 15

C 60 < kleiner AC-Zahl % SI = SI + 35

Wenn es dabei etwas länger dauert, um PPG-Daten aufzunehmen, kann ein statistisches Verfahren angewendet werden, um die Zuverlässigkeit der Bestimmung zu erhöhen. Wenn es zum Beispiel zum Aufnehmen von PPG-Daten mehr als 1 Minute dauert, wird bestimmt, ob eine Gesamtzahl an Pulskomponenten in den aufgenommenen PPG-Daten mindestens 50 beträgt. Wenn bestimmt ist, dass die Gesamtzahl an Pulskomponenten mindestens 50 beträgt, wird eine Pulskomponentenamplitudenzeitreihendatengruppe von einer Anfangspulskomponente zur 25-ten Pulskomponente als Datensatz_1 definiert, eine Pulskomponentenamplitudenzeitreihendatengruppe entsprechend den nächsten 25 Pulskomponenten wird als Datensatz_2 definiert und ein Datensatz_n wird auf die gleiche Weise definiert. Wenn zwei zu vergleichende Datengruppen vorliegen, wird ein t-Test für zwei gepaarte Stichproben durchgeführt, und wenn mindestens drei zu vergleichende Datengruppen vorliegen, wird eine one-way ANOVA durchgeführt, um einen p-Wert zu ermitteln. Wenn der erfasste p-Wert größer ist als 0,05, wird ein stabiler Zustand bestimmt. Wenn der erfasste p-Wert kleiner ist als 0,05, wird ein instabiler Zustand bestimmt. Außerdem kann eine Bestimmung eines Belastungsgrads ausgehend von einem p-Wert auf Basis von 0,05 genauer durchgeführt werden. Zum Beispiel werden Belastungsindices nach Bedingungsformeln in 4 Klassen eingeteilt, wie es in Tabelle 7 gezeigt ist. Wenn eine zu vergleichende Datengruppe eine Bedingung für eine bestimmte Klasse unter den 4 Klassen erfüllt, wird entsprechend der Bedingung eine Subtraktion oder eine Addition an einem Belas tungsindex SI durchgeführt. Der als Ergebnis der obigen Verfahrensschritte ermittelte Belastungsindex wird als SI_5 bezeichnet und ist so eingestellt, dass er 100 nicht übersteigt. Tabelle 7

Wie oben beschrieben, können Kurzzeitbelastungsindices und Langzeitbelastungsindices in Abhängigkeit von der zum Aufnehmen von PPG-Daten aufgewendeten Zeit ermittelt werden. Eine Kurzzeitbelastungsindexgruppe 97 beinhaltet SI_1, SI_2 und SI_4 und eine Langzeitbelastungsindesgruppe 98 beinhaltet SI_1, SI_2, SI_3, SI_4 und SI_5. Nach Festlegen von Maximalwerten für die zugehörigen Belastungsindi ces SI_1 bis SI_5, kann ein Belastungsgrad basierend auf den festgelegten Werten bestimmt werden. Zum Beispiel kann ein Maximalwert für jeden der Belastungsindices SI_1 bis SI_5 der Bequemlichkeit halber auf 100 gesetzt werden, und ein Belastungsgrad, der als Belastungsindex % bezeichnet wird, kann wie in den Formeln (2) und (3) gezeigt berechnet werden. Langzeitbelastungsindex % = (Summe der Langzeitbelastungsindices/300) × 100 (2) Kurzzeitbelastungsindex % = (Summe der Kurzeitbelastungsindices/500) × 100 (3)
Mit anderen Worten, in Schritt 57 werden die PPG-Daten in Abhängigkeit von der aufgewendeten Zeit zum Aufnehmen der PPG-Daten in einen Langzeittest und einen Kurzzeittest unterteilt und separat analysiert. Zum Beispiel können Daten unter den Kurzzeittest platziert werden, wenn eine Datenaufnahmedauer weniger als eine Minute beträgt, und Daten können unter den Langzeittest platziert werden, wenn eine Datenaufnahmedauer eine Minute übersteigt.
Nochmals mit Bezug zu 5 werden in Schritt 59 Gegenstände der in Schritt 57 erfassten Belastungsindices und ein endgültiger Belastungsindex % angezeigt. Die Belastungsindexgegenstände können, wenn nötig, verändert werden. Wenn bestimmt ist, ob der Belastungsindex % in einem vorgegebenen Referenzbereich vorliegt, kann der Belastungsindex % zusammen mit dem vorgegebenen Referenzbereich angezeigt werden. Zum Beispiel kann der Belastungsindex % basierend auf seiner Verteilung bestimmt werden, wie es in 10 gezeigt ist. Mit anderen Worten, wenn der Belastungsindex % in einem Bereich von ±10% um 43% zentriert liegt, wird ein Normalzustand bestimmt. Wenn der Belastungsindex % den maximalen Grenzwert des Normalbereichs übersteigt, wird ein Belastungszustand bestimmt. Wenn der Belastungsindex % kleiner ist als der minimale Grenzwert des Normalbereichs, wird ein entspannter Zustand bestimmt.
11 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Bestimmen von Belastung beim Menschen unter Verwendung von PPG gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung beinhaltet eine PPG-Messeinheit 101, eine Verstärker- und Filtereinheit 103, eine Signalverarbeitungseinheit 105, eine Speichereinheit 107 und eine Anzeigeeinheit 109.
Mit Bezug zu 11 weist die PPG-Messeinheit 101 eine "C"-Form auf, wie es in 7A oder 7B gezeigt ist, so dass ein Messobjekt in die PPG-Messeinheit 101 eingesetzt werden kann. Die PPG-Messeinheit 101 misst ein PPG-Signal, das von einem Teil eines menschlichen Körpers, wie einem Finger, einer Zehe oder einem Ohrläppchen, erzeugt wurde, in dem periphere Blutgefäße konzentriert sind. Dabei wird das An/Aus-Intervall durch die Signalverarbeitungseinheit 105 gesteuert. Die Verstärker- und Filtereinheit 103 verstärkt das von der PPG-Messeinheit 101 bereitgestellte Signal auf ein vorgegebenes Niveau und führt eine Filterung zum Eliminieren von Rauschkomponenten durch.
Die Signalverarbeitungseinheit 105 extrahiert ein PPG-Signal, das auf eine spezielle Blutkomponente reagiert, aus einem Signal, das von der Verstärker- und Filtereinheit 103 bereitgestellt wurde, wandelt des extrahierte PPG-Signal in digitale Daten um, berechnet Pulskomponentenamplituden, einen Basislinienstreubereich und PPIs in Bezug auf die digitalen PPG-Daten in einer vorgegebenen Zeitspanne und bestimmt Belastung des Menschen unter Verwendung der errechneten PPG-Parameter. Ein Programm zum Ausführen eines Verfahrens zum Bestimmen von Belastung beim Menschen gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Signalverarbeitungseinheit 105 aufgezeichnet und ein computerlesbares Aufzeichnungsmedium ist darin installiert.
Die Speichereinheit 107 speichert das Verarbeitungsergebnis von der Signalverarbeitungseinheit 105. Die Anzeigeeinheit 109 zeigt das Verarbeitungsergebnis von der Signalverarbeitungseinheit 105 an, so dass es einem Benutzer mitgeteilt wird.
Dabei kann eine Vorrichtung zur Bestimmung von Belastung beim Menschen gemäß der vorliegenden Erfindung einen drahtlosen Kommunikationsmodus einsetzen, so dass die PPG-Messeinheit 101 Daten zu einer Empfängerseite übertragen und davon empfangen kann, ohne dass sie mit einem PC verbunden ist. Alternativ kann eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, da eine Extraktion von zuverlässigen Parame tern in der PPG-Messeinheit 101 einen Algorithmus vereinfacht und den Umfang arithmetischer Verfahrensschritte reduziert, in einem unabhängigen Typ implementiert sein, bei dem die PPG-Messeinheit 101 und die Signalverarbeitungseinheit 105 gemeinsam vorliegen, obwohl kein drahtloser Kommunikationsmodus eingesetzt ist.
Die vorliegende Erfindung kann als Kode ausgeführt sein, der auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist und von einem Computer gelesen werden kann. Zum Beispiel kann ein Verfahren zum Bestimmen von Belastung beim Menschen gemäß der vorliegenden Erfindung durch Aufzeichnen eines ersten Programms zum Definieren von PPG-Parametern mit Pulskomponentenamplitude, PPI und/oder Basislinienstreubereich, eines zweiten Programms zum Einstrahlen von Licht mit mindestens einer Wellenlänge, das mit einer zu messenden Blutkomponente bei einem Messobjekt reagiert, und Messen eines PPG-Signals vom Messobjekt über eine vorgegebene Zeitspanne und eines dritten Programms zum Bestimmen von Belastung beim Menschen basierend auf den PPG-Parametern, die vom ersten Programm definiert sind, in einem Langzeittest oder einem Kurzzeittest, der in Abhängigkeit von der Messdauer des PPG-Signals identifiziert ist, auf ein computerlesbares Aufzeichnungsmedium implementiert sein. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann jeglicher Typ sein, auf dem Daten, die von einem Computersystem gelesen werden können, aufgezeichnet werden können, zum Beispiel ROM, RAM, CD-ROM, Magnetband, Floppy-Disk oder eine optischen Datenspeichervorrichtung. Die vorliegende Erfindung kann auch als Trägerwellen ausgeführt sein (zum Beispiel über das Internet übertragen). Alternativ können computerlesbare Aufzeichnungsmedien über Computersysteme verteilt sein, die durch ein Netzwerk verbunden sind, so dass die vorliegende Erfindung als Kode ausgeführt sein kann, der in den Aufzeichnungsmedien gespeichert ist und von den Computern gelesen und ausgeführt werden kann. Funktionelle Programme, Kodes und Kodesegmente zum Imple mentieren der vorliegenden Erfindung können von Programmierern im Fachbereich der vorliegenden Erfindung leicht abgeleitet werden.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Grad an Belastung beim Menschen unter Verwendung eines Mittelwerts von Pulskomponentenamplituden bestimmt, d. h. einem AC-Mittel, einem mittleren PPI und einem Basislinienstreubereich, die in Bezug auf ein PPG-Signal definiert sind, so dass ein behandelter Mensch so viel Bequemlichkeit wie möglich erfahren kann und auch die Zuverlässigkeit der Analyse erhöht werden kann.
Außerdem kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine PPG-Messvorrichtung so vereinfacht und miniaturisiert werden, dass ein PPG-Signal von einem beliebigen Körperteil, wie einem Ohrläppchen, in dem periphere Blutgefäße konzentriert sind, sowie einem Finger gemessen werden kann. Als Folge davon kann, selbst wenn ein behandelter Mensch an einem PC arbeitet, sein Belastungsgrad kontinuierlich über einen langen Zeitraum gemessen werden.

Claims

Vorrichtung zur Photoplethysmographie, nachfolgend als PPG bezeichnet, umfassend: eine PPG-Messeinheit (101) zum Einstrahlen von Licht mit mindestens einer Wellenlänge, das auf eine zu messende Blutkomponente in einem Messobjekt (73) reagiert, und Messen eines PPG-Signals vom Messobjekt (73) während einer bestimmten Zeitspanne, eine Verstärker- und Filtereinheit (103) zum Verstärken des von der PPG-Messeinheit (101) bereitgestellten PPG-Signals auf ein bestimmtes Niveau und Durchführen einer Filterung, um Rauschkomponenten zu eliminieren, und eine Signalverarbeitungseinheit (105) zum Definieren von PPG-Parametern des verstärkten und gefilterten PPG-Signals, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) so ausgebildet ist, dass sie eine Pulskomponentenamplitude (61), ein Peak-zu-Peak-Intervall (63) und einen Basislinienstreubereich (65) als die PPG-Parameter des verstärkten und gefilterten PPG-Signals definiert, und Belastung beim Menschen unter Verwendung von Belastungsindices ermittelt, die unter Verwendung aller definierter PPG-Parameter des verstärkten und gefilterten PPG-Signals gewonnen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Belastung beim Menschen aus einem Langzeittest oder einem Kurzzeittest gewonnen sind, die in Abhängigkeit von einer Messdauer des PPG-Signals identifiziert sind, das von der Verstärker- und Filtereinheit (103) bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die PPG-Messeinheit (101) eine "C-Form" aufweist, so dass das Messobjekt (73) in die PPG-Messeinheit (101) eingesetzt werden kann, und eine Transmissions- oder Reflexionsstruktur aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) ferner so ausgebildet ist, dass sie: einen Mittelwert von Pulskomponentenamplituden (61) während der bestimmten Zeitspanne ermittelt, den Basislinienstreubereich (65) mit dem Mittelwert der Pulskomponentenamplituden während der bestimmten Zeitspanne vergleicht und einen ersten relativen Belastungsindex berechnet, der auf einer Beziehung zwischen dem Basislinienstreubereich (65) und dem Mittelwert der Pulskomponentenamplituden basiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) ferner so ausgebildet ist, dass sie: einen Mittelwert des Peak-zu-Peak-Intervalls (63) während der bestimmten Zeitspanne ermittelt und eine Gesamtanzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen (63), die Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die kleiner sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, und die Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die größer sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, während der bestimmten Zeitspanne zählt, und einen relativen zweiten Belastungsindex basierend auf einer Beziehung zwischen der Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die kleiner sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, und der Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die größer sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, berechnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) ferner so ausgebildet ist, dass sie: eine Gesamtanzahl an Pulskomponenten, die Anzahl an Pulskomponenten, die eine kleinere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden (61), und die Anzahl an Pulskomponenten, die eine größere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden (61), während der bestimmten Zeitspanne zählt, und einen relativen dritten Belastungsindex basierend auf einer Beziehung zwischen der Anzahl an Pulskomponenten, die eine kleinere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, und der Anzahl an Pulskomponenten, die eine größere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, berechnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) ferner so ausgebildet ist, dass sie die aus einem Langzeit- oder Kurzzeittest erfassten Belastungsindices basierend auf den PPG-Parametern mittelt und einen mittleren Belastungsindex als endgültigen Belastungsindex bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend eine Anzeigeeinheit (109), die so ausgebildet ist, dass sie mindestens einen Belastungsindex und die ermittelte Belastung des Menschen anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) im Kurzzeittest so ausgebildet ist, dass sie: einen Mittelwert von Peak-zu-Peak-Intervallen (63) während einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, die Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen (63), die kleiner sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, und die Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen (63), die größer sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, während der bestimmten Zeitspanne zählt, und einen relativen Belastungsindex basierend auf einer Beziehung zwischen der Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die kleiner sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, und der Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen, die größer sind als das mittlere Peak-zu-Peak-Intervall, berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) im Langzeittest so ausgebildet ist, dass sie: Peak-zu-Peak-Intervalle (63) bezüglich aller Pulse während einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, Datensätze definiert, die aus einer bestimmten Anzahl an Peak-zu-Peak-Intervallen (63) bezüglich aller während der bestimmten Zeitspanne ermittelten Peak-zu-Peak-Intervalle bestehen, gemäß der Anzahl an Datensätzen ein bestimmtes statistisches Verfahren durchführt und einen Belastungsindex basierend auf einem p-Wert berechnet, der als Ergebnis der Durchführung des bestimmten statistischen Verfahrens erfasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) im Kurzzeittest so ausgebildet ist, dass sie: einen Mittelwert von Pulskomponentenamplituden (61) während einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, die Anzahl an Pulskomponenten, die eine kleinere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden (61), und die Anzahl an Pulskomponenten, die eine größere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden (61), während der bestimmten Zeitspanne zählt, und einen relativen Belastungsindex basierend auf einer Beziehung zwischen der Anzahl an Pulskomponenten, die eine kleinere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, und der Anzahl an Pulskomponenten, die eine größere Amplitude aufweisen als der Mittelwert der Pulskomponentenamplituden, berechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Signalverarbeitungseinheit (105) im Langzeittest so ausgebildet ist, dass sie: Pulskomponentenamplituden (61) bezüglich aller Pulse während einer bestimmten Zeitspanne ermittelt, Datensätze definiert, die aus einer bestimmten Anzahl an Pulskomponentenamplituden (61) bezüglich aller während der bestimmten Zeitspanne ermittelten Pulskomponentenamplituden (61) bestehen, gemäß der Anzahl an Datensätzen ein bestimmtes statistisches Verfahren durchführt und einen Belastungsindex basierend auf einem p-Wert berechnet, der als Ergebnis der Durchführung des bestimmten statistischen Verfahrens erfasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 12, wobei das bestimmte statistische Verfahren ein t-Test für zwei gepaarte Stichproben ist, wenn die Anzahl an Datensätzen zwei beträgt, und eine einfaktorielle Varianzanalyse (one-way ANOVA), wenn die Anzahl an Datensätzen mindestens drei beträgt.