DE69529675T2 - Vorrichtung zur überwachung und abschätzung des wachzustandes einer person - Google Patents
Vorrichtung zur überwachung und abschätzung des wachzustandes einer personInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen und Abschätzen der Wachheit einer Person und dadurch deren Schläfrigkeit.
- Es ist beispielsweise aus dem Artikel "Determination of sleep state in infant using respiratory variability", PEDIATR. RES. 1987, Haddad, GG, JENG, HJ, LAI, TL, MELLINS RB. bekannt, dass im Zusammenhang mit der Herz-/Atmungsforschung an Kindern, die Änderungen in der Herz-/Atmungsaktivität bei kurzem, momentanem (REM/Rapid Eye Movement) Schlafsich von den entsprechenden Änderungen bei ruhigem, tiefem Schlaf unterscheiden.
- Aus US-A-5 280 791 ist ein System bekannt zum Feststellen der Schlafphase einer Person mittels Messen der Herz-Aktivität und den Körperbewegungen speziell zum Unterscheidung zwischen den Wach-, REM- (Rapid Eye Movement) und Nicht-REM-Phasen. Signale von an der Brust der Person befestigten EKG- Elektroden und ein Körperbewegungssensor werden zum Feststellen der aktuellen Schlafphase in einem Komparator bearbeitet und gespeist.
- Die Aufgabe der Erfindung ist eine entsprechende Beziehung zwischen der Herz-/Atmungsfunktion und den Körperbewegungen einer Person auszuwerten, um die Wachheit dieser Person, und dadurch die Schläfrigkeit der besagten Person, abzuschätzen. Dies wird durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erzielt,
- - dass ein elektrisches Signal erzeugt wird als Antwort auf die Körperbewegungen der Person relativ zumindest einem stationären druckempfindlichen Mittel, welches zumindest einen Körperabschnitt der Person berührt,
- - dass Signale von dem elektrischen Signal in Übereinstimmung mit der Dauer und der Größe der wahren Körperbewegungen, der Amplitude der herzschlagbezogenen Körperbewegungen als eine Funktion der Rate und der Amplitude der atmungsbezogenen Körperbewegungen als eine Funktion der Rate getrennt werden,
- - dass die Dauer und die Größe der wahren Körperbewegungen als auch das Zeitintervall zwischen denselben gemessen werden und mit zuvor gemessenen zugeordneten Werten verglichen werden, um mögliche Änderungen festzustellen,
- - dass die Amplitude jeder herzschlagbezogenen und jeder atmungsbezogenen Körperbewegung als auch das Zeitintervall zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Herzschlägen und Atmungen gemessen werden und mit zuvor gemessenen zugeordneten Werten verglichen werden, um mögliche Änderungen festzustellen,
- - dass herzschlagbezogene und atmungsbezogene Änderungen mit wahren Körperbewegungs-Änderungen korreliert werden,
- - dass die sich ergebende Änderung mit einem eingestellten Wachheits-Schwellenwert verglichen wird, und
- - dass ein Alarm als ein Hinweis eines verminderten Wachheitsgrades ausgelöst wird, wenn der Schwellenwert erreicht ist.
- Die Aufgabe wird auch von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt, welche aufweist:
- - mindestens ein stationäres, druckempfindliches Mittel, welches zum Berühren mindestens eines Körperabschnitts der Person und zum Erzeugen eines elektrischen Signals an seinen Ausgangsanschluss als Antwort auf die Körperbewegungen der Person relativ zu demselben eingerichtet ist,
- - einen Detektor/Filter-Schaltkreis, der an dem Ausgangsanschluss des mindestens einen stationären, druckempfindlichen Mittels angeschlossen ist und eingerichtet ist von dem elektrischen Signal Signale zu trennen, die der Dauer und Größe der wahren Körperbewegungen, der Amplitude der herzschlagbezogenen Körperbewegungen als eine Funktion der Rate und der Amplitude der atmungsbezogenen Körperbewegungen als eine Funktion der Rate zugeordnet sind, und diese getrennten Signale an entsprechende Ausgangsanschlüsse ausgibt,
- - einen ersten Berechnungs- und Vergleichs-Schaltkreis, der eingerichtet ist, an seinen Eingangsanschluss das Signal, welches den wahren Körperbewegungen zugeordnet ist, zu empfangen, die Dauer und die Größe der wahren Körperbewegungen, sowie das Zeitintervall zwischen denselben zu berechnen und diese berechneten Werte mit vorherberechneten zugeordneten Werten zu vergleichen, um mögliche Änderungen festzustellen,
- - einen zweiten und eine dritten Berechnungs- und Vergleichs- Schaltkreis, die eingerichtet sind, an ihren Eingangsanschlüssen das Signal, welches herzschlagbezogenen bzw. atmungsbezogenen Körperbewegungen zugeordnet ist, aufzunehmen, um die Amplitude von jeder herzschlagbezogenen bzw. atmungsbezogenen Körperbewegung und auch das Zeitintervall zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Herzschlägen bzw. Atmungen zu berechnen und um diese berechneten Werte mit vorherberechneten zugeordneten Werten zu vergleichen, um mögliche Änderungen festzustellen,
- - einen Korrelator, der an die Ausgangsanschlüsse der drei Berechnungs- und Vergleichs-Schaltkreise angeschlossen ist und eingerichtet ist, herzschlagbezogenen und atmungsbezogenen Änderungen mit wahren Körperbewegungs- Änderungen zu korrelieren,
- - einen Schwellenwert-Detektorschaltkreis, der an dem Ausgangsanschluss des Korrelators angeschlossen ist und eingerichtet ist, die sich ergebende Änderung mit einem voreingestellten Wachheits-Schwellenwert zu vergleichen, und
- - eine Alarmvorrichtung, die an dem Ausgangsanschluss des Schwellenwert-Detektorschaltschaltkreises angeschlossen ist und eingerichtet ist, einen Alarm als einen Hinweis eines verminderten Wachheitsgerades auszulösen, wenn der voreingestellte Schwellenwert erreicht ist.
- Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf eine effektive Weise möglich ist den Wachheitsgrad von beispielsweise Fahrern unterschiedlicher Fahrzeugstypen (Autos/Busen/Zügen/Booten/Flugzeugen) zu überwachen, ohne die überwachte Person zu stören, indem auch die Körperbewegungen der überwachten Person berücksichtigt werden. Andere geeignete zu überwachende Gruppen können Personen sein, die eine sitzende Tätigkeit haben, wie beispielsweise Studenten, Wächter, Arbeiter in Verfahrenstechnischen Anlagen, Kernkraftwerken, usw..
- Außerdem kann die Erfindung angewendet werden, wenn Syndrome studiert werden, gekennzeichnet durch zustandsabhängige Änderungen der Herz- und Atmungsrate, wie beispielsweise Schlaf-Apnoe oder autonome Neuropathie.
- Natürlich ist es auch möglich die Erfindung bei anderen Analyse-Arten anzuwenden, die ausgerichtet sind, den Zustand der Wachheit innerhalb unterschiedlicher Berufsgruppen oder unterschiedlicher Krankheiten oder andern Schlafstörungs- Arten zu begründen.
- Die Erfindung wird unten in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, auf welcher
- Fig. 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zeigt, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendet,
- Fig. 2a bis 2f Diagramme von Variationen der kardial-R-R bei unterschiedlichen Schlafphasen sind, und
- Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
- Die Erfindung basiert auf der Untersuchung einer Anzahl von Erwachsenen in einem Schlaflaboratorium, bei der Papier- Polysomnografie und eine Vorrichtung, die unter den Markennamen "SleepBox" vermarktet wurde, angewendet wurde.
- Unterschiedliche Schlafphasen wurden gemäß klassischen neurophysiologischen Kriterien bestimmt. Kardial-R-R Intervalle, d. h. das Zeitintervall zwischen zwei Herzschlägen und Atmungsintervalle sowie die Amplitude der Wellen wurden sowohl manuell als auch mittels Wellendetektoren in Zeitabschnitten von 30 bis 60 s gemessen. Die Intervalle wurden für jede Schlaf-/Wachheitsphase über 15 min Perioden bestimmt. Es ist natürlich auch möglich die Intervalle kontinuierlich festzulegen, was beispielsweise im Zusammenhang mit der Computeranalyse getan wird. Phasenabhängige Pulsschlag-zu-Pulsschlag-Muster wurden durch Aufzeichnen jedes R-R- und Atmungsintervalls gegenüber dem vorherigen Intervall studiert. Die Ergebnisse zeigten die höchste Pulsschlag-zu-Pulsschlag- und Atmungsvariabilität während der Wachheit und eine große Streuung während des REMs mit einer progressiven Abnahme während dem Schlaf bezüglich des Schlafniveaus. Die kleinsten Variationen wurden im Tiefschlaferzielt.
- In Anbetracht dieser Ergebnisse wurde gemäß der Kardial-R-R- und der Atmungsvariabilität eine Entscheidungsregel zum Klassifizieren unterschiedlicher Schlafphasen entwickelt. Diese Regel wurde an normalen gesunden Erwaschen getestet und die Ergebnisse zeigten, dass mehr als 80% der Zeiträume korrekt klassifiziert wurden.
- Ein Prozess gemäß eines Verfahrens, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendet wird unten mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Das erläuterte Verfahren wird normalerweise mittels Software durchgeführt. Eine Person sitzt und lenkt beispielsweise ein Auto oder anderes Fahrzeug. Druckempfindliche, stationäre Platten oder Sensoren sind in dem Sitz oder der Lehne des Sitzes und, wo angemessen, möglicherweise in einem Sicherheitsgurt installiert. Die Platten können PVDF-Folien sein, möglicherweise in Kombination mit elektrostatischen Platten. Die Körperbewegungen des Fahrers verursachen unterschiedliche Drücke gegen die Platten, welche kontinuierlich den Druck und die Bewegungen registrieren.
- Auf eine per se bekannte Weise erzeugen die Platten elektrische Ausgangssignale, welche detektiert und analysiert werden. Neben den Bewegungen des Körpers können auch die Herzfunktion und die Atmungsfunktion mittels dieser Ausgangssignale detektiert werden. Die Amplitude und die Rate der Herzfunktion werden wie die Amplitude und die Rate der Atmungsfunktion detektiert. Abhängig vom Wachheitsgrad des Fahrers variiert die Größe dieser Parameter. Die Signale sind zu analysieren und können entweder direkt analysiert werden oder in einem Speicher zur späteren Übertragung gespeichert werden oder gleichzeitig mittels drahtloser Kommunikation zum Speichern und weiteren Verarbeiten der Daten zu einem Personalcomputer übertragen werden. Die Analyse und die Verarbeitung der Signale findet kontinuierlich in einem System statt, welches für den Zweck gestaltet ist und an den Platten mittels Drähten gekoppelt ist oder drahtlos an den Platten angeschlossen ist, in welchem System jedes Signal unabhängig von den anderen Signalen analysiert wird. Die Rate und Amplitude jeder herzschlagbezogen oder atmungsbezogenen Körperbewegung werden berechnet. Das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen wird gemessen. Bei der Registrierung der wahren Körperbewegungen werden sowohl die Dauer der Bewegungen als auch die Größe der Bewegungen gemessen. Außerdem wird das Zeitintervall zwischen den Bewegungen gemessen. Die Körperbewegungen werden nach Dauer und Größe klassifiziert.
- Außerdem werden in dem System die Variationen des Zeitintervalls, der Amplitude und der Rate für jeden Herzschlag und jede Atmung mit zugeordneten Werten von vorherigen oder aufeinanderfolgenden Herzschlägen und Atmungen verglichen. Die Atmungs- und Herzschlagänderungen werden mit Körperbewegungsänderungen korreliert. Um weitere Information zu erhalten, ist es auch möglich den Druck des Kopfs der Person gegen eine Kopfstütze, falls vorhanden, zu registrieren.
- Mittels statistischer Analyse, die i. a. multiple Regression aufweist, kann gezeigt werden, dass es eine direkte Beziehung zwischen den Parametern und den Änderungen des Wachheitsgrads der Person gibt. Das System vergleicht kontinuierlich verarbeitete Daten mit dem vorher erhaltenen Standardmaterial. Bei einem reduzierten Wachheitsgrad wird bei einem bestimmten Schwellenwertniveau ein Alarm ausgelöst, welcher Alarm ein Audiosignal und/oder ein Lichtsignal sein kann.
- Die Analyse und die Verarbeitung der Daten wird mittels eines Computersystems ausgeführt, welches von einem Analyseprogramms gesteuert wird. Wenn erforderlich, rekonstruiert das Programm alle Signale, welche dann auf einem Bildschirm (nicht gezeigt) dargestellt werden können, der an dem System angeschlossen ist. Das Endergebnis kann auch in Form von Histogrammen oder statistischen Tabellen präsentiert werden.
- Fig. 2a bis 2f zeigen die Variation, wenn das Kardial-R-R in Relation zu dem vorherigen Intervall in unterschiedlichen Schlaf/Wachheits-Phasen gemessen wird.
- Aus Fig. 2a ist ersichtlich, dass beim Wachsein die Variation am größten ist. Fig. 2b zeigt die Variation während des REM's, wohingegen Fig. 2c bis 2e die Variation bei unterschiedlichen Schlafphasen zeigen. Wie ersichtlich, nimmt die Variationen mit tieferem Schlaf ab. Fig. 2f zeigt, dass die Variation beim Wieder-Aufwachen ansteigt. Die Horizontalachse zeigt RR an, d. h. den aktuell gemessenen Wert. Die Vertikalachse zeigt RR+1 an, d. h. den im vorhergehenden Intervall gemessenen Wert.
- In Fig. 3 ist in Form eines Blockdiagramms ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf das Überwachen eines Fahrers 1 eines Fahrzeugs. Wie oben erwähnt, ist der Fahrer 1 in Kontakt mit druckempfindlichen Platten 2 bis 4, welche die Körperbewegungen des Fahrers 1 detektieren. Die Platten 2 bis 4 erzeugen Ausgangssignale, welche in einem Detektor-/Filterschaltkreis 5 mit Bezug auf die Signalart detektiert und gefiltert werden. Die unterschiedlichen Signalarten sind jene, die den wahren Körperbewegungen, herzschlagbezogen Körperbewegungen und atmungsbezogenen Körperbewegungen zugeordnet sind. Die Signale werden von Ausgangsanschlüssen am Filterschaltkreis 5 zu Eingangsanschlüssen der Berechnungs-Schaltkreise 6 bis 8 zur Berechnung der Rate und der Amplitude jedes Herzschlags als auch des Zeitintervalle zwischen den Herzschlägen im Schaltkreis 6, der Rate und der Amplitude jeder Atmung als auch des Zeitintervalle zwischen den Atmungen im Schaltkreis 7, und der Dauer und der Größe einer wahren Körperbewegung als auch des Zeitintervalls zwischen den wahren Körperbewegungen im Schaltkreis 8 geliefert. Die Vergleichs- Schaltkreise (Komparatoren) 9 bis 11 empfangen an ihren Eingangsanschlüssen Ausgangssignale der Schaltkreise 6 bis 8 und vergleichen für jede Funktion, d. h. herzschlagbezogene Körperbewegungen, atmungsbezogene Körperbewegungen und wahre Körperbewegungen, die Zeitintervall-Variation, die Variation in der Amplitude für herzschlagbezogene Körperbewegungen bzw. atmungsbezogene Körperbewegungen, mit in nicht gezeigten Speichermitteln gespeicherten zugeordneten Werten für vorher registrierte Herzschläge bzw. Atmungen.
- Ein entsprechender Vergleich wird in dem Schaltkreis 11 für die Dauer, die Größe und die Variation der Zeitintervalle für wahre Körperbewegungen ausgeführt. Die Ausgangssignale der Schaltkreise 9 bis 11 werden daher mittels den Parametern gesteuert und zu Eingangsanschlüssen eines Korrelators 12 zugeführt, in welchem herzschlagbezogene Änderungen, atmungsbezogene Änderungen und wahre Körperbewegungs- Änderungen korreliert werden. Da ein direkter Zusammenhang zwischen den Parametern und dem Wachheitsgrad besteht, werden sich die Parameterwerte bei beispielsweise einem reduzierten Wachheitsgrad ändern. Mittels eines Schwellenwert- Detektorschaltkreises 13 kann ein solcher Schwellenwert für den Wachheitsgrad eingestellt werden, bei welchem ein Alarm ausgelöst wird, welcher eine Alarmvorrichtung 14 beispielsweise in Form einer Alarmglocke oder einer Alarmlampe, oder falls geeignet aus beiden, aktiviert. Eine visuelle Darstellungsvorrichtung, beispielsweise ein Bildschirm, ist mit 15 bezeichnet.
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Überwachen und Abschätzen der Wachheit
einer Person und dadurch deren Schläfrigkeit, aufweisend:
- mindestens ein stationäres druckempfindliches Mittel
(2, 3, 4), das zum Berühren mindestens eines Körperabschnitts
der Person (1) und zum Erzeugen eines elektrischen Signals an
seinen Ausgangsanschluss als Antwort auf die Körperbewegungen
der Person relativ zu demselben eingerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung weiter aufweist:
- einen Detektor/Filter-Schaltkreis (5), der an dem
Ausgangsanschluss des mindestens einen stationären
druckempfindlichen Mittels (2, 3, 4) gekoppelt ist und
eingerichtet ist, von dem elektrischen Signal Signale zu
trennen, die der Dauer und der Größe der wahren
Körperbewegungen, der Amplitude der herzschlagbezogenen
Körperbewegungen als eine Funktion der Rate, und der
Amplitude der atmungsbezogenen Körperbewegungen als eine
Funktion der Rate zugeordnet sind, und diese getrennten
Signale an entsprechende Ausgangsanschlüsse ausgibt,
- einen ersten Berechnungs- und Vergleichs-Schaltkreis
(8, 11), der eingerichtet ist, an seinen Eingangsanschluss
das Signal, das den wahren Körperbewegungen zugeordnet ist,
zu empfangen, die Dauer und die Größe der wahren
Körperbewegungen sowie das Zeitintervall zwischen denselben
zu berechnen und diese berechneten Werte mit vorher
berechneten zugeordneten Werten zu vergleichen, um mögliche
Änderungen festzustellen,
- einen zweiten und einen dritten Berechnungs- und
Vergleichs-Schaltkreis (6, 9 bzw. 7, 10), die eingerichtet
sind, an ihren Eingangsanschlüssen die Signale, die
herzschlagbezogenen bzw. atmungsbezogenen Körperbewegungen
zugeordnet sind, aufzunehmen, um die Amplitude von jeder
herzschlagbezogenen bzw. von jeder atmungsbezogenen
Körperbewegung und auch das Zeitintervall zwischen mindestens
zwei aufeinanderfolgenden Herzschlägen bzw. Atmungen zu
berechnen, und um diese berechneten Werte mit vorher
berechneten zugeordneten Werten zu vergleichen, um mögliche
Änderungen festzustellen,
- einen Korrelator (12), der an die Ausgangsanschlüsse
der drei Berechnungs- und Vergleichs-Schaltkreise (6, 9; 7,
10; 8, 11) gekoppelt ist und eingerichtet ist,
herzschlagbezogene und atmungsbezogene Änderungen mit wahren
Körperbewegungs-Änderungen zu korrelieren,
- einen Schwellenwert-Detektorschaltkreis (13), der an
dem Ausgangsanschluss des Korrelators (12) gekoppelt ist und
eingerichtet ist, die sich ergebende Änderung mit einem
voreingestellten Wachheits-Schwellenwert zu vergleichen, und
- eine Alarmvorrichtung (14), die an dem
Ausgangsanschluss des Schwellenwert-Detektorschaltkreises
(13) gekoppelt ist und eingerichtet ist, einen Alarm als
einen Hinweis eines verminderten Wachheitsgrades auszuläsen,
wenn der voreingestellte Schwellenwert erreicht ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
durch gekennzeichnet, dass
mindestens ein druckempfindliches Mittel (2, 3, 4) mindestens
eine druckempfindliche Platte aus PVDF-Folie aufweist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine druckempfindliche Mittel (2, 3, 4)
mindestens eine druckempfindliche Platte aus PVDF-Folie in
Kombination mit mindestens einer elektrostatischen Platte
aufweist.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine druckempfindliche Mittel (2, 3, 4) in dem
Sitz und/oder der Rückenstütze und/oder im Sicherheitsgurt in
einem Fahrzeug oder in einem Bett installiert ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Alarmvorrichtung (14) eingerichtet ist, ein Audiosignal
zu erzeugen.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Alarmvorrichtung (14) eingerichtet ist, ein Lichtsignal
zu erzeugen.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Alarmvorrichtung (14) eingerichtet ist, ein Audiosignal
und auch ein Lichtsignal zu erzeugen.
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