EP3116381A1 - System zur bestimmung von vitalparametern - Google Patents

System zur bestimmung von vitalparametern

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EP3116381A1
EP3116381A1 EP15713139.2A EP15713139A EP3116381A1 EP 3116381 A1 EP3116381 A1 EP 3116381A1 EP 15713139 A EP15713139 A EP 15713139A EP 3116381 A1 EP3116381 A1 EP 3116381A1
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EP
European Patent Office
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light
pulse wave
measuring unit
unit
analog
Prior art date
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Pending
Application number
EP15713139.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Redtel
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Kenkou GmbH
Original Assignee
Kenkou GmbH
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Publication date
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    • A61B5/7285—Specific aspects of physiological measurement analysis for synchronising or triggering a physiological measurement or image acquisition with a physiological event or waveform, e.g. an ECG signal
    • A61B5/7289—Retrospective gating, i.e. associating measured signals or images with a physiological event after the actual measurement or image acquisition, e.g. by simultaneously recording an additional physiological signal during the measurement or image acquisition

Definitions

  • the invention relates to a system for determining vital parameters of an object, namely a human or animal body. Furthermore, the invention relates to a light measuring unit for such a system.
  • vital signs are used to document the athlete's performance and determine the success of the workout. Vital signs are used to determine if the athlete's training or diet needs to be changed.
  • the device is, however, uncomfortable for the patient to wear, since the chest belt, for example, for the long-term cardiogram must be worn without interruption. This limits the mobility of the patient and is also a hindrance to the daily laundry. Furthermore, the patient must also constantly carry the recording device with him.
  • a blood pressure cuff e.g. must be worn by a patient for 24 hours
  • the blood pressure cuff e.g. is pressurized every 15 minutes.
  • chest straps are often used with sensors that transmit the signals, for example, to a sports watch or an audio device for evaluation.
  • the chest strap is, in particular in order not to slip during training, attached with a high pressure on the chest of the athlete.
  • the chest strap restricts the freedom of movement of the athlete and is uncomfortable due to the high contact pressure.
  • the determination of the pulse wave transit time and vital parameters thereof is known, for example, from the publications DE 96 02 010, EP 0 859 569, DE 10 2008 042 1 15 and DE 2007/000406.
  • Activity trackers are portable electronic dataloggers that specifically record and monitor a person's fitness activities. They enable the observation and recording of fitness activities using sensors and microprocessors. The devices are easy to carry on the body. Electronic activity trackers are upgraded pedometers that, in addition to counting the steps, have the characteristics of accelerometers and altimeters. They calculate the mileage and calories burned and set the Some may also measure heart rate or sleep quality.
  • Known Activity Tracker can be found in cuffs, bracelets or small devices that can be attached to different parts of the body. There are various applications for smartphones that can record the measured by an activity tracker fitness activities. Activity trackers offer the opportunity to publish their own training progress via social media and to compare with others. This creates entire communities with which the user identifies and whose members spur each other on.
  • the known activity trackers have the disadvantage that the accuracy and reliability in the determination of vital signs and fitness leaves much to be desired.
  • the range of applications is therefore very limited. Only from a pulse measurement in combination with a recording of movements via acceleration sensors can be made statements about the fitness and health of the user only to a very limited extent.
  • the object of the present invention is to provide a system which enables a medically reliable and sound, but at the same time simple and cost-effective determination of vital parameters.
  • the invention achieves the object by a system according to claim 1 and further by a light measuring unit according to claim 17.
  • the invention proposes a system for determining vital parameters of an object, namely a human or animal body.
  • the system comprises at least:
  • a computing unit configured for processing and / or evaluation of the digital signal.
  • the core element of the system according to the invention is the light measuring unit, which is arranged on the skin surface of the measurement object and measures the pulse wave noninvasively there.
  • the light source of the light measuring unit shines through the local twill tissue through the skin (percutaneously), and the light sensor measures the light absorption or the light remission.
  • the light absorption / remission depends on the amount of blood and the blood composition in the screened body tissue. Blood volume and composition vary in character during the pulse cycle.
  • pulse wave is used synonymously for the wave propagation in the blood vessel system caused by the heartbeat and for the time-dependent signal of the light sensor.
  • the pulse wave is generated by the rhythmic discharge of the heart in the aorta and in the pulmonary artery and propagates up to the capillaries in the body tissue. At locations where the wave impedance changes, the pulse wave is reflected. At the end of the heartbeat systole, a short-term reverse current (with the closing of the aortic valve) is the cause of a so-called incision in the pulse waveform.
  • the progression of the pulse wave is characterized by a rise to a maximum, followed by a decrease to incisor and a slower continuous decrease to a minimum at the end of diastole.
  • the difference between the systolic and diastolic amplitude of the pulse wave represents the blood pressure amplitude.
  • an analog / digital converter is used in accordance with the invention which converts the analog signal of the light sensor into a digital signal, the analog Z digital converter providing the analog signal sampled at a sampling rate of at least 1000 Hz, preferably at least 5000 Hz, more preferably at least 20000 Hz.
  • sample rates that are even higher (up to 50,000 Hz or more) can be used to advantage.
  • the time interval between the individual heart beats is only a few milliseconds at high pulse rates.
  • the inventively proposed sampling rate still allows an evaluation of the details of the pulse waveform even at high pulse rates.
  • the dynamic range of digitization eg 8, 16 or 24 bits) is less crucial than the temporal resolution.
  • the thus high-frequency sampled digital signal is processed by means of the arithmetic unit.
  • the arithmetic unit may e.g. Use appropriate digital filters to suppress noise, motion artifacts, or other interference without losing the pulse waveform details required to derive physiologically relevant information.
  • the system according to the invention allows the reliable derivation of a large number of medical parameters from the pulse wave signal measured at high resolution.
  • the system according to the invention can be realized particularly cost-effectively.
  • the actual sensor system consists, as stated above, only of the light source and the light sensor.
  • a suitable energy source is required as a power supply unit (for example in the form of a battery or a rechargeable battery).
  • the evaluation by the arithmetic unit requires the Digitization by means of the analog / digital converter, which operates at a sufficiently high sampling rate.
  • the light measuring unit and the computing unit are spatially separated from each other and connected to each other via a wireless or wired data interface for transmitting the digital signal.
  • the spatial separation of the light measuring unit and the arithmetic unit has the advantage that only the light measuring unit, but not the arithmetic unit required for the evaluation of the pulse wave signal, must be arranged directly on the skin surface.
  • the arithmetic unit may be, for example, a smart device that is often used and carried by now anyway.
  • a smart device is understood to be a portable, programmable minicomputer with processor, main memory, user interface and display, such as a commercially available smartphone or a tablet computer.
  • the computing power of such smart devices is sufficient to process the digital pulse wave signal and optionally present on the display.
  • the light measuring unit is connected via a first data interface with a smart device wirelessly or by wire, wherein the light measuring unit transmits the digital signal via the first data interface to the smart device, wherein the smart device with the arithmetic unit via a second data interface connected wirelessly or by wire, wherein the smart device transmits the digital signal via the second data interface to the arithmetic unit and the arithmetic unit processes the digital signal and / or stored in a central data memory, and wherein the arithmetic unit transmits a processing result via the second data interface to the smart device.
  • the smart device serves as a kind of "relay station” which receives the digital signal from the light measuring unit (via the first data interface) and forwards it (via the second data interface) to the arithmetic unit, where then the actual processing and evaluation of the digital signal for deriving medically relevant
  • the arithmetic unit can store the digital signal and possibly also the processing results in a central data memory (for example in a database) After the processing and possibly storage of the digital signal, the arithmetic unit can in turn transmit the processing results back to the smart device via the second data interface.
  • the second data interface is then expediently a computer network, such as the Internet.
  • the arithmetic unit is in this case a computer, for example in the form of a server connected to the Internet and to which the digital signal for processing and optionally transferred for storage.
  • the communication interfaces (3G, LTE, WLAN, etc.) which are usually present in smart devices can be used.
  • the pulse wave has certain characteristics which are independent of the pulse frequency. Therefore, the temporal positions of the local and global extrema of the temporal pulse waveform for determining the pulse wave signature are given as relative magnitudes relative to the RR interval. The absolute value of the pulse wave signal is irrelevant. Thus, in the context of the pulse wave signature, the amplitude values of the local and global extrema are also detected as relative values, for example, in relation to the amplitude of the global maximum of the pulse wave curve corresponding to the systole.
  • the mentioned characteristics of the pulse wave curve are individually different.
  • the pulse wave signature is thus suitable for identifying the examined object.
  • the inventive system can be used for authentication.
  • the pulse wave signature is used similar to a fingerprint pattern.
  • the system according to the invention can advantageously be set up to compare the pulse wave signature with pulse wave signature data stored in a data memory for the purpose of identifying or authenticating the object.
  • the Authentication expediently takes place by means of the arithmetic unit of the system according to the invention.
  • the system according to the invention can also be set up to compare the pulse wave signature with pulse wave signature data stored in a data memory for the purpose of determining a possible disease.
  • a possible disease e.g. Extrasystoles that indicate a cardiac arrhythmia.
  • the pulse wave signature is a prerequisite that the signal of the light sensor is digitized according to the invention with a sufficiently high sampling rate.
  • the arithmetic unit of the system according to the invention is set up to derive at least one of the following vital parameters from the digital signal: heart rate, heart rate variability, pulse pressure, pulse wave transit time, blood pressure, respiratory rate, oxygen saturation.
  • the heart rate can be measured, for example, from the duration of the time interval from one systole to the next systole (RR interval).
  • the heart rate indicates how often the heart contracts in one minute.
  • heart rate limit values are described in the different age groups. However, the individual differences are very strong, as the heart rate is influenced by many factors. In addition to age, this includes the state of training, the current state of health and the influence of numerous medications. A continuous heart rate measurement therefore brings with it the opportunity to investigate numerous health issues closer. Heart rate is a key parameter in exercise control and performance diagnostics.
  • the heart rate variability is measured by means of the arithmetic unit by statistically evaluating a plurality of chronologically consecutively measured ones Heart rate values determined.
  • Pulse wave variability results in heart rate variability. This refers to the possibility of the human body to change the distances between two heartbeats. The distances are defined by the chamber contraction of the heart. The duration of the RR interval also changes spontaneously in rest, ie the intervals between the heart contractions differ. In healthy people, the heart action is started via a clock. The center of excitation in the heart is called sinus node. This is controlled by the autonomic nervous system and is therefore not subject to the voluntary influence, but the activity of the sympathetic.
  • heart rate variability With the heart rate variability in sports the stress of the athlete and possible overtraining situations can be determined. A targeted training control is possible with the heart rate variability. But even in the medical field, the heart rate variability finds its use.
  • the parameters of heart rate variability do not change only by athletic activity, but also by the presence of risk factors and a reduction of these risk factors. For example, in diabetic patients with present neuropathy, time-related variables such as SDNN, NN50, and rMSSD are reduced.
  • the pulse wave transit time describes the time it takes for a pulse wave to travel a certain distance in the vascular system of the body.
  • the pulse wave transit time can be determined according to the invention by simultaneous measurement of the pulse wave signal (by means of two light measuring units) at two different measuring locations (close to the heart and distant from the heart) on the body.
  • By measuring the pulse wave transit time conclusions can be drawn on important vital parameters such as blood pressure and elasticity of the vessels. It is possible to diagnose atherosclerotic change of the vessels very early on the basis of the pulse wave transit time and to prevent the progression of arteriosclerosis with the corresponding lifestyle change (for example low-fat and low-sodium diet, physical activity).
  • the pulse wave transit time can also be used to determine blood pressure.
  • Blood pressure is considered one of the medical standards in the assessment of the cardiovascular situation at rest and under physical stress. The physiological limits at rest and under stress are extensively described and laid down in guidelines.
  • a continuous determination of the blood pressure is currently not possible under stress, because the blood pressure can only be determined at certain times by means of a blood pressure cuff.
  • the invention enables a continuous measurement.
  • the blood pressure is determined according to the invention from the speed of the pulse wave / the pulse wave transit time, a low transit time from the heart to the periphery stands for a high blood pressure, since the vessels are set close.
  • a calibration is carried out at rest and under load. After that, the blood pressure can be continuous be measured.
  • the method according to the invention can be used in all groups of people; by non-invasive measurement, anyone can carry out the measurement without risk. Blood pressure determination over a longer period of time is not only possible in healthy athletes, but also in risk groups such as heart patients and pregnant women. Users are given the opportunity to detect blood pressure peaks and situations that lead to an increase. As a result, users can avoid situations and learn to better control their blood pressure through lifestyle changes.
  • data of the examined object and environmental data are acquired parallel to the pulse wave.
  • the system according to the invention comprises at least one additional sensor element from the following list: motion, acceleration, position, ambient, ambient temperature, body temperature, air pressure, sound sensor.
  • the movement data allow, for example, a reconstruction of the physical stress on the person, which is taken into account in the evaluation of the pulse wave and the derivation of vital parameters from the pulse wave.
  • the additional sensor elements may either be separate from the light metering unit.
  • the motion, acceleration, position and / or position sensors that are already present in conventional smart devices can be used.
  • the movements of the measurement object, which carries the corresponding smart device with it, can thus be detected, while the light measuring unit continuously measures the pulse wave in parallel.
  • a corresponding additional sensor system can be integrated in the light measuring unit.
  • the arithmetic unit is set up to process the pulse wave and a measurement signal of the additional sensor element recorded synchronously with time.
  • the system according to the invention can be used, for example, as a further developed Activity Tracker, which receives and monitors the fitness activities of a person.
  • the system may count the steps of a person using the acceleration sensor. The number of kilometers covered and the calorie consumption can be determined automatically and the physical activity and fitness can be evaluated in parallel using the vital parameters recorded by measuring the pulse wave.
  • the body temperature and ambient conditions temperature, air pressure
  • the evaluation of physiological parameters is inventively much more comprehensive and well-founded than in conventional systems that measure only the pulse. Similar to conventional activity trackers, the invention again offers the possibility of own training progress publish via smart device eg via social media and compare with others.
  • a sound sensor can be used to detect the heart sound.
  • the heart sound propagates very fast through the body, so that the time of the heart contraction can be determined almost instantaneously (with a delay of approx. 1 ms depending on the place of measurement) via the sound.
  • the time delay between the time of the heart contraction in the sound signal and the maximum of the pulse wave signal detected via the light measurement can be used according to the invention to determine the pulse wave velocity therefrom.
  • the arithmetic unit of the system can thus recognize the pulsation of the blood in the veins and differentiate it from the pulsing of the blood in the arteries (which is different, for example, ahead of time).
  • the oxygen content can then be determined as in a conventional pulse oximeter by measuring at the appropriate wavelengths.
  • the measured value obtained is assigned to the venous or arterial blood on the basis of the respectively detected pulsation.
  • the difference in the oxygen content then allows conclusions to be drawn about the energy conversion.
  • the arterial or venous measurement can be carried out expediently at different measuring locations on the body by means of two light measuring units.
  • the at least one light measuring unit or the arithmetic unit is set up to associate the digital signal with a time code which indicates at which point in time the analog signal of the light sensor is digitized.
  • a time code which indicates at which point in time the analog signal of the light sensor is digitized.
  • the invention further relates to a light measuring unit for the system described above. This includes:
  • the analog-to-digital converter that converts the analog signal of the light sensor into a digital signal, the analog-to-digital converter sampling the analog signal at a sampling rate of at least 1000 Hz, preferably at least 5000 Hz, more preferably at least 20000 Hz, and
  • a power supply unit which supplies the light source, the light sensor and the analog / digital converter with energy.
  • the light measuring unit should have a data communication unit (for example according to the mentioned BLE standard) for transmitting the digital signal to a receiver, in particular to the arithmetic unit of the system according to the invention.
  • a data communication unit for example according to the mentioned BLE standard
  • the data communication unit can be set up To compress the digital signal before transmission to the receiver. Suitable data compression algorithms are known in the art. Since the detected pulse wave is a more or less periodic signal with recurring features, data compression is particularly efficient.
  • the light measuring unit according to the invention preferably has a fastening means for fastening the light measuring unit to a human or animal body.
  • the attachment means may be, for example, a hook-and-loop tape, a self-adhesive patch, an elastic band, a bracelet or bracelet, a finger ring, a garment or a glove. All of these fasteners make it possible to inconspicuously and conveniently fasten the very compact and easy-to-install light measuring unit on the skin of the human or animal object to be measured.
  • Particularly preferred is a self-adhesive patch as a fastener, as this can ensure a particularly secure and firm attachment. Artifacts in the measurement signal caused by movements of the body can thereby be minimized.
  • the attachment means has two surfaces, wherein a first surface of the attachment means disposed on the body rests on the skin surface and a second surface facing away from the skin surface, wherein at least one light source and at least one light sensor on the first and second surface are arranged.
  • the attachment means e.g., in the form of a bracelet
  • the attachment means may be disposed on the user's arm near the radial artery to measure the peripheral pulse wave there. This measurement is carried out by means of the light source and the light sensor, which are arranged on the surface facing the skin surface, ie inner surface of the bracelet. Another light source and another light sensor are located on the outside of the bracelet.
  • the user can place these external sensors in another location on the surface of the skin, for example close to the carotid artery, to simultaneously measure the central pulse wave.
  • the light source and the light sensor are arranged on a flexible support which is spatially separated from another support on which at least the analog / digital converter and the power supply unit are arranged, wherein between light source and light sensor on the one hand and analog / digital converter and Power supply unit on the other hand, a flexible cable connection exists.
  • the spatial separation of the light source and the light sensor from the other components in combination with the use of flexible supports reduces movement errors and artifacts caused by movements in a particularly efficient manner.
  • the light source of the light measuring unit expediently emits in the infrared, red or blue spectral range, wherein the at least one light sensor should be sensitive in the corresponding spectral range.
  • the at least one light sensor should be sensitive in the corresponding spectral range.
  • two or more light sources are provided which emit light in different spectral ranges. This allows the targeted measurement of the pulse wave in venous or arterial blood and the measurement of the oxygen saturation of the blood, similar to a conventional pulse oximeter.
  • Fig. 2 is a schematic representation of another
  • Pulse wave signature according to the invention.
  • the digital signal on a server connected to the Internet for further access in an appropriate form Connected to the Internet is also a computer unit 1 16, ie a computer which processes and evaluates the digital signal
  • the computer unit 16 is, for example, adapted to derive vital parameters from the digital signal, such as the heart rate, the heart rate variability, the Pulse pressure, the pulse wave transit time, the blood pressure, the respiratory rate and the oxygen saturation These parameters can in turn be retrieved via the Internet via the smartphone 12 and displayed.

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System bereitzustellen, das eine medizinisch zuverlässige und fundierte, gleichzeitig jedoch einfache und kostengünstige Bestimmung von Vitalparametern ermöglicht. Die Erfindung schlägt hierzu ein System vor, das zumindest umfasst: - eine Lichtmesseinheit (100) mit wenigstens einer Lichtquelle (102), die einen Gewebebereich des Objektes beleuchtet, wenigstens einem Lichtsensor (103), der das an dem Gewebe gestreute und/oder von diesem reflektierte Licht detektiert, einem Analog-/Digitalwandler (108), der das analoge Signal des Lichtsensors (103) in ein Digitalsignal konvertiert, wobei der Analog-/Digitalwandler (108) das analoge Signal mit einer Abtastrate von wenigstens 1000 Hz, vorzugsweise wenigstens 5000 Hz, besonders bevorzugt wenigstens 20000 Hz abtastet, und einer Energieversorgungseinheit (110), die die Lichtquelle (102), den Lichtsensor (103) und den Analog-/Digitalwandler (108) mit Energie versorgt, und - eine Recheneinheit (116), eingerichtet zur Verarbeitung und/oder Auswertung des Digitalsignals. Außerdem betrifft die Erfindung eine Lichtmesseinheit für ein solches System.

Description

System zur Bestimmung von Vitalparametern
Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung von Vitalparametern eines Objektes, nämlich eines menschlichen oder tierischen Körpers. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Lichtmesseinheit für ein solches System.
Die Bestimmung von Vitalparametern, wie beispielsweise Puls, Blutdruck, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung, Pulsvariabilität etc., findet immer größere Verbreitung im alltäglichen Leben und wird nicht mehr rein für medizinische Zwecke verwendet. Früher wurden diese lediglich für eine sogenannte Patientenkurve beispielsweise in einem Krankenhaus oder im Leistungssport verwendet. Diese diente der Überwachung des Patienten vor oder nach einer Behandlung, um dessen gesundheitlichen Zustand genau zu dokumentieren und eine Verbesserung oder Verschlechterung desselben aufzuzeichnen.
Im Leistungssport werden Vitalparameter dazu verwendet, die Leistungsfähigkeit eines Athleten zu dokumentieren und den Erfolg des Trainings festzustellen. Dabei werden Vitalparameter verwendet, um festzustellen, ob das Training oder die Diät des Athleten umgestellt werden muss.
In jüngster Zeit sind Vitalparameter auch für die Heimdiagnose und den Freizeitsport interessant und wichtig geworden. So werden beispielsweise Patienten nicht mehr unbedingt in einem Krankenhaus stationär, sondern häufig nur noch ambulant behandelt, wobei eine Nachsorge zu Hause stattfindet. Beispielsweise muss ein Patient nach einer Behandlung seinen eigenen Puls aufzeichnen. Dabei wird häufig eine Vorrichtung verwendet, welche einen Brustgurt mit Sensoren und ein Aufnahmegerät aufweist. Die Sensoren des Brustgurts nehmen die Pulsschläge direkt an der Brust des Patienten auf. Die Daten werden dann an das Aufnahmegerät übermittelt. Das Aufnahmegerät kann die Daten beispielsweise für ein Langzeit-Kardiogramm über mehrere Stunden bis Tage speichern. Die Daten werden dann ausgelesen und beispielsweise von medizinischem Personal ausgewertet.
Die Vorrichtung ist dabei allerdings für den Patienten unangenehm zu tragen, da der Brustgurt beispielsweise für das Langzeit-Kardiogramm ohne Unterbrechung getragen werden muss. Dies schränkt die Beweglichkeit des Patienten ein und ist darüber hinaus bei der täglichen Wäsche hinderlich. Weiterhin muss der Patient zusätzlich das Aufnahmegerät ständig mit sich führen.
Ähnliches gilt bei Langzeitblutdruckmessungen, bei denen eine Blutdruckmanschette z.B. über 24 Stunden von einem Patienten getragen werden muss, wobei die Blutdruckmanschette z.B. alle 15 Minuten mit Druck beaufschlagt wird.
Im Freizeitsport ist es üblich, den Puls während des Trainings zu überwachen und das Training über den Puls zu steuern. Ein Läufer kann über seinen Puls die Intensität seines Trainings objektiv überwachen. Dabei werden häufig ähnlich wie im medizinischen Bereich Brustgurte mit Sensoren verwendet, welche die Signale beispielsweise an eine Sportuhr oder ein Audiogerät zur Auswertung übermitteln. Der Brustgurt ist dabei, insbesondere um während des Trainings nicht zu verrutschen, mit einem hohen Anpressdruck an der Brust des Sportlers befestigt. Der Brustgurt schränkt dabei die Bewegungsfreiheit des Sportlers deutlich ein und ist auf Grund des hohen Anpressdrucks unangenehm zu tragen.
Aus dem Stand der Technik ist es des Weiteren bekannt, Vitalparameter aus der Pulswellenlaufzeit ggf. in Kombination mit der Pulsfrequenz (RR-Intervall) zu bestimmen. Die Pulswellenlaufzeit ist ein kardiovaskulärer Messwert. Diese beschreibt die Zeit, die eine Pulswelle benötigt, um eine gewisse Strecke im Gefäßsystem des Körpers zurückzulegen. Durch die Messung der Pulswellenlaufzeit können Rückschlüsse auf wichtige Vitalparameter wie Blutdruck sowie Elastizität der Gefäße gezogen werden. Die häufigste Ausführungsform ist die Messung der Pulswellenlaufzeit vom Herz bis zu einem Finger. Dabei ist insbesondere stets eine Messung an mindestens zwei Messpunkten notwendig. Der Beginn der Pulswelle, also der Zeitpunkt der Herzkontraktion, kann mittels Elektrokardiogramm (EKG) bestimmt werden. Hierzu wird das EKG-Maximum, die sogenannte R-Zacke oder R-Welle, verwendet. Am Finger kann das Signal photoplethysmographisch mittels Pulsoximeter detektiert werden. Studien haben gezeigt, dass zumindest über kurze Zeiträume die Pulswellenlaufzeit zur Blutdruckbestimmung verwendet werden kann. Hierzu kann allerdings noch eine Referenzmessung notwendig sein.
Die Bestimmung der Pulswellenlaufzeit und von Vitalparametern daraus ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 96 02 010, EP 0 859 569, DE 10 2008 042 1 15 und DE 2007/000406 bekannt.
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Ansätze weisen stets den Nachteil auf, dass die entsprechenden Vorrichtungen und Verfahren nicht oder nicht praktisch im alltäglichen Leben verwendet werden können, da sie medizinisches Fachwissen voraussetzen oder technisch kompliziert zu handhaben sind. Darüber hinaus wird meist, wie bereits erwähnt, eine Referenzmessung der Pulswellenlaufzeit benötigt, welche auch die praktische Anwendung im medizinischen Bereich beispielsweise in einem Krankenhaus und im Leistungssport erschwert.
In jüngerer Zeit sind zudem so genannte Activity Tracker bekannt geworden. Als Activity Tracker werden am Körper tragbare elektronische Datenlogger bezeichnet, die speziell die Fitness-Aktivitäten einer Person aufnehmen und überwachen. Sie ermöglichen die Beobachtung und Aufzeichnung von Fitness- Aktivitäten mittels Sensoren und Mikroprozessoren. Die Geräte sind leicht am Körper zu tragen. Elektronische Activity Tracker sind aufgerüstete Pedometer, die abgesehen vom Zählen der Schritte noch dazu die Eigenschaften von Beschleunigungssensoren und Höhenmessern besitzen. Sie errechnen die zurückgelegte Kilometerzahl und den Kalorienverbrauch und stellen die physischen Aktivitäten graphisch dar. Einige können auch die Herzschlagfrequenz oder die Schlafqualität messen. Bekannte Activity Tracker lassen sich in Manschetten, Armbändern oder kleinen Geräten finden, welche an unterschiedlichen Körperstellen befestigt werden können. Dazu existieren verschiedene Applikationen für Smartphones, die die mittels eines Activity Trackers gemessenen Fitness-Aktivitäten aufzeichnen können. Activity Tracker bieten die Möglichkeit, die eigenen Trainingsfortschritte über Social Media zu veröffentlichen und mit anderen zu vergleichen. Dadurch entstehen ganze Communitys, mit denen sich der Nutzer identifiziert und deren Mitglieder sich gegenseitig anspornen.
Die bekannten Activity Tracker haben allerdings den Nachteil, dass die Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Ermittlung der Vitalparameter und der Fitness zu wünschen übrig lässt. Das Anwendungsspektrum ist daher sehr begrenzt. Allein aus einer Pulsmessung in Kombination mit einer Erfassung von Bewegungen über Beschleunigungssensoren lassen sich nur in sehr eingeschränktem Umfang Aussagen über den Fitness- und Gesundheitszustand des Benutzers treffen.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System bereitzustellen, das eine medizinisch zuverlässige und fundierte, gleichzeitig jedoch einfache und kostengünstige Bestimmung von Vitalparametern ermöglicht.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein System nach Anspruch 1 und weiter durch eine Lichtmesseinheit nach Anspruch 17.
Die Erfindung schlägt ein System zur Bestimmung von Vitalparametern eines Objektes, nämlich eines menschlichen oder tierischen Körpers, vor. Das System umfasst zumindest:
eine Lichtmesseinheit mit wenigstens einer Lichtquelle, die einen Gewebebereich des Objektes beleuchtet, wenigstens einem Lichtsensor, der das an dem Gewebe gestreute und/oder von diesem reflektierte Licht detektiert, einem Analog-/Digitalwandler, der das analoge Signal des Lichtsensors in ein Digitalsignal konvertiert, wobei der Analog-/Digitalwandler das analoge Signal mit einer Abtastrate von wenigstens 1000 Hz, vorzugsweise wenigstens 5000 Hz, besonders bevorzugt wenigstens 20000 Hz abtastet, und einer Energieversorgungseinheit, die die Lichtquelle, den Lichtsensor und den Analog-/Digitalwandler mit Energie versorgt, und
eine Recheneinheit, eingerichtet zur Verarbeitung und/oder Auswertung des Digitalsignals.
Kernelement des erfindungsgemäßen Systems ist die Lichtmesseinheit, die an der Hautoberfläche des Messobjektes angeordnet wird und dort die Pulswelle nichtinvasiv misst. Hierzu durchleuchtet die Lichtquelle der Lichtmesseinheit das lokale Köpergewebe durch die Haut (perkutan), und der Lichtsensor misst die Lichtabsorption bzw. die Lichtremission. Die Lichtabsorption/-remission hängt von der Blutmenge und von der Blutzusammensetzung im durchleuchteten Körpergewebe ab. Blutmenge und Blutzusammensetzung variieren während des Pulszyklus in charakteristischer weise.
Im Folgenden wird der Begriff Pulswelle synonym für die durch den Herzschlag verursachte Wellenausbreitung im Blutgefäßsystem und für das zeitabhängige Signal des Lichtsensors verwendet.
Die Pulswelle wird durch den rhythmischen Blutauswurf des Herzens in der Aorta und in der Arteria pulmonalis erzeugt und pflanzt sich bis zu den Kapillaren im Körpergewebe fort. An Orten, an denen sich der Wellenwiderstand ändert, wird die Pulswelle reflektiert. Am Ende der Herzschlag-Systole ist ein kurzdauernder Rückstrom (mit dem Schließen der Aortenklappe) Ursache für eine so genannte Inzisur im Pulswellenverlauf. Der Verlauf der Pulswelle ist gekennzeichnet durch einen Anstieg bis zu einem Maximum, gefolgt von einem Abfall bis zur Inzisur und einer langsameren kontinuierlichen Abnahme bis zu einem Minimum am Ende der Diastole. Die Differenz zwischen systolischer und diastolischer Amplitude der Pulswelle stellt die Blutdruckamplitude dar. Eine Überhöhung der Blutdruckamplitude erscheint in den herzfernen Arterien aufgrund der Reflexion der Pulswelle. Zur Ausbildung eines zweiten Gipfels in der herzfernen Pulswelle (Dikrotie) führt eine erneute Reflexion (z.B. der rücklaufenden Pulswelle an der Aortenklappe) der wieder in die Peripherie laufenden Welle. Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung ist, dass der zeitliche Verlauf der mittels der Lichtmesseinheit gemessenen Pulswelle die Gefäßelastizität sowie diverse individuelle Gefäßeigenschaften wiederspiegelt, sodass aus der Pulswelle zahlreiche individuelle Vitalparameter direkt oder indirekt abgeleitet werden können. Hierfür müssen die Feinheiten des Zeitverlaufs der Pulswelle ausgewertet werden. Damit dies bei niedrigen genau wie bei hohen Pulsfrequenzen (von 200 Schlägen pro Minute oder sogar mehr) möglich ist, wird erfindungsgemäß ein Analog-/Digitalwandler verwendet, der das analoge Signal des Lichtsensors in ein Digitalsignal konvertiert, wobei der Analog- ZDigitalwandler das analoge Signal mit einer Abtastrate von wenigstens 1000 Hz, vorzugsweise wenigstens 5000 Hz, besonders bevorzugt wenigstens 20000 Hz abtastet. In der Praxis können sogar Abtastraten, die noch darüber liegen (bis zu 50000 Hz oder mehr), mit Vorteil angewandt werden. Der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Herzschlägen beträgt bei hohen Pulsfrequenzen nur wenige Millisekunden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Abtastrate ermöglicht selbst bei hohen Pulsfrequenzen immer noch eine Auswertung der Details des Pulswellenverlaufs. Der Dynamikbereich der Digitalisierung (z.B. 8, 16 oder 24 Bit) ist weniger entscheidend als die zeitliche Auflösung.
Das somit hochfrequent abgetastete Digitalsignal wir mittels der Recheneinheit verarbeitet. Die Recheneinheit kann z.B. geeignete Digitalfilter anwenden, um Rauschen, Bewegungsartefakte oder andere Störungen zu unterdrücken, ohne dass die für die Ableitung physiologisch relevanter Informationen erforderlichen Details des Pulswellenverlaufs verloren gehen.
Das erfindungsgemäße System erlaubt die zuverlässige Ableitung einer Vielzahl von medizinischen Parametern aus dem zeitlich hoch aufgelöst gemessenen Pulswellensignal. Gleichzeitig lässt sich das erfindungsgemäße System besonders kostengünstig realisieren. Die eigentliche Sensorik besteht, wie oben ausgeführt, nur aus der Lichtquelle und dem Lichtsensor. Zur Energieversorgung wird eine geeignete Energiequelle als Energieversorgungseinheit (zum Beispiel in Form einer Batterie oder eines Akkus) benötigt. Die Auswertung durch die Recheneinheit erfordert die Digitalisierung mittels des Analog-/Digitalwandlers, der bei einer hinreichend hohen Abtastrate arbeitet.
Die optische Messung der Pulswelle gemäß der Erfindung kann auch als (kontinuierliche) Lichtkardiographie bezeichnet werden, die zur fundierten Einschätzung und Überwachung des Gesundheitszustands des Benutzers des Systems dient. Die Lichtmesseinheit kann sehr kompakt und leicht ausgestaltet sein. Die wenigen elektronischen Komponenten sind als miniaturisierte Standardteile (zum Beispiel in SMD-Bauform) kommerziell verfügbar. Die Lichtmesseinheit kann somit für den Benutzer komfortabel und von außen kaum wahrnehmbar am Körper getragen werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sind die Lichtmesseinheit und die Recheneinheit voneinander räumlich getrennt und über eine drahtlose oder drahtgebundene Datenschnittstelle zur Übertragung des Digitalsignals miteinander verbunden. Die räumliche Trennung von Lichtmesseinheit und Recheneinheit hat den Vorteil, dass nur die Lichtmesseinheit, nicht jedoch die für die Auswertung des Pulswellensignals erforderliche Recheneinheit unmittelbar an der Hautoberfläche angeordnet sein muss. Es existieren zahlreiche Standards zur drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragung von Digitalsignalen, auf die für das erfindungsgemäße System zurückgegriffen werden kann. Die Recheneinheit kann zum Beispiel ein Smartgerät sein, das heutzutage ohnehin häufig benutzt und mitgeführt wird. Unter einem Smartgerät wird im Sinne der Erfindung ein tragbarer, programmierbarer Minicomputer mit Prozessor, Arbeitsspeicher, Benutzerschnittstelle und Display verstanden, wie zum Beispiel ein handelsübliches Smartphone oder einen Tablet-Computer. Die Rechenleistung derartiger Smartgeräte reicht aus, um das digitale Pulswellensignal zu verarbeiten und gegebenenfalls auf dem Display darzustellen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die Lichtmesseinheit über eine erste Datenschnittstelle mit einem Smartgerät drahtlos oder drahtgebunden verbunden, wobei die Lichtmesseinheit das Digitalsignal über die erste Datenschnittstelle an das Smartgerät überträgt, wobei das Smartgerät mit der Recheneinheit über eine zweite Datenschnittstelle drahtlos oder drahtgebunden verbunden ist, wobei das Smartgerät das Digitalsignal über die zweite Datenschnittstelle an die Recheneinheit überträgt und die Recheneinheit das Digitalsignal verarbeitet und/oder in einem zentralen Datenspeicher speichert, und wobei die Recheneinheit ein Verarbeitungsergebnis über die zweite Datenschnittstelle an das Smartgerät überträgt. Bei dieser Ausgestaltung dient das Smartgerät gleichsam als „Relaisstation", die das Digitalsignal von der Lichtmesseinheit (über die erste Datenschnittstelle) empfängt und (über die zweite Datenschnittstelle) an die Recheneinheit weitergibt, wo dann die eigentliche Verarbeitung und Auswertung des Digitalsignals zur Ableitung medizinisch relevanter Parameter stattfindet. Gleichzeitig kann die Recheneinheit das Digitalsignal und gegebenenfalls auch die Verarbeitungsergebnisse in einem zentralen Datenspeicher (zum Beispiel in einer Datenbank) speichern. Nach der Verarbeitung und gegebenenfalls Speicherung des Digitalsignals kann die Recheneinheit die Verarbeitungsergebnisse wiederum über die zweite Datenschnittstelle an das Smartgerät zurückübertragen. Mittels des Smartgerätes kann der Benutzer dann die Verarbeitungsergebnisse betrachten und gegebenenfalls weiterverarbeiten. Die erste Datenschnittstelle kann bei einer bevorzugten Ausgestaltung eine Kurzstrecken-Funkschnittstelle sein, zum Beispiel nach dem Bluetooth- Standard. In diesem Falle ist die Lichtmesseinheit mit dem Smartgerät drahtlos über die Kurzstrecken-Funkschnittstelle verbunden. Der Bluetooth-Standard ist etabliert. Vorgefertigte elektronische Komponenten zur praktischen Realisierung der ersten Datenschnittstelle auf Basis des Bluetooth-Standards sind zu geringen Kosten verfügbar. Häufig ist eine Bluetooth-Schnittstelle in kommerziellen Mikrokontrollern, die für die erfindungsgemäße Lichtmesseinheit verwendet werden können, standardmäßig vorhanden. Besonders geeignet für das erfindungsgemäße System ist eine Datenschnittstelle nach dem Bluetooth- Low-Energy-Standard (BLE). Dies ermöglicht die Vernetzung zwischen der Lichtmesseinheit und dem Smartgerät über eine Distanz von 10 m bei äußerst geringem Energieverbrauch. Entsprechend reicht eine miniaturisierte Batterie bzw. ein Akku mit geringer Kapazität als Energieversorgungseinheit der Lichtmesseinheit aus. Die zweite Datenschnittstelle ist dann zweckmäßig ein Computernetzwerk, wie zum Beispiel das Internet. Die Recheneinheit ist in diesem Fall ein Computer, zum Beispiel in Form eines Servers, der an das Internet angebunden ist und an den das Digitalsignal zur Verarbeitung und gegebenenfalls zur Speicherung übertragen wird. Hierzu können die üblicherweise bei Smartgeräten vorhandenen Kommunikationsschnittstellen (3G, LTE, WLAN etc.) verwendet werden.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Systems ist die Ableitung einer so genannten Pulswellensignatur aus dem Digitalsignal mittels der Recheneinheit. Dabei ist die Pulswellensignatur durch lokale und globale Extrema des zeitlichen Pulswellenverlaufs, deren relative zeitliche Lage und deren relative Amplitudenwerte bestimmt. Die Pulswellensignatur ist damit gleichsam ein Satz von Parametern, welche die zeitlichen Positionen der lokalen und globalen Extrema des zeitlichen Pulswellenverlaufs sowie die relativen Amplitudenwerte des Messsignals bezeichnen. Die zeitlichen Positionen werden dabei vorzugsweise ebenfalls relativ angegeben. Das bedeutet z.B., dass die Pulswelle in so genannte RR-Intervalle unterteilt wird. Ein RR-Intervall gibt das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Systolen an. Die Dauer des RR-Intervalls hängt naturgemäß von der Pulsfrequenz ab. Es zeigt sich, dass die Pulswelle bestimmte Charakteristika aufweist, die unabhängig von der Pulsfrequenz sind. Von daher werden die zeitlichen Positionen der lokalen und globalen Extrema des zeitlichen Pulswellenverlaufs zur Bestimmung der Pulswellensignatur als relative Größen bezogen auf das jeweilige RR-Intervall angegeben. Der Absolutwert des Pulswellensignals ist ohne Bedeutung. Somit werden im Zusammenhang mit der Pulswellensignatur die Amplitudenwerte der lokalen und globalen Extrema ebenfalls als relative Werte erfasst, zum Beispiel in Relation zur Amplitude des globalen Maximums der Pulswellenkurve, das der Systole entspricht.
Die genannten Charakteristika der Pulswellenkurve sind individuell unterschiedlich. Die Pulswellensignatur eignet sich damit zur Identifizierung des untersuchten Objektes. Damit kann das erfindungsgemäße System zur Authentifizierung verwendet werden. Die Pulswellensignatur wird dabei vergleichbar einem Fingerabdruckmuster verwendet. Demnach kann das erfindungsgemäße System mit Vorteil eingerichtet sein, die Pulswellensignatur mit in einem Datenspeicher hinterlegten Pulswellensignaturdaten zum Zwecke der Identifizierung oder Authentifizierung des Objektes zu vergleichen. Die Authentifizierung findet zweckmäßig mittels der Recheneinheit des erfindungsgemäßen Systems statt.
Das erfindungsgemäße System kann weiter eingerichtet sein, die Pulswellensignatur mit in einem Datenspeicher hinterlegten Pulswellensignaturdaten zum Zwecke der Feststellung einer möglichen Erkrankung zu vergleichen. So können anhand der Pulswelle z.B. Extrasystolen festgestellt werden, die auf eine Herzrhythmusstörung hindeuten.
Für die Bestimmung der Pulswellensignatur ist Voraussetzung, dass das Signal des Lichtsensors erfindungsgemäß mit einer hinreichend hohen Abtastrate digitalisiert wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Recheneinheit des erfindungsgemäßen Systems eingerichtet, aus dem Digitalsignal zumindest einen der folgenden Vitalparameter abzuleiten: Herzfrequenz, Herzfrequenzvariabilität, Pulsdruck, Pulswellenlaufzeit, Blutdruck, Atmungsfrequenz, Sauerstoffsättigung.
Die Herzfrequenz kann beispielsweise aus der Dauer des Zeitintervalls von einer Systole zur nächsten Systole (RR-Intervall) gemessen werden. Die Herzfrequenz gibt an, wie häufig das Herz in einer Minute kontrahiert. Die Herzfrequenz in Ruhe und unter Belastung ist die gängigste Größe zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit. Für die Herzfrequenz sind Grenzwerte in den unterschiedlichen Altersklassen beschrieben. Die individuellen Unterschiede sind jedoch sehr stark, da die Herzfrequenz von vielen Faktoren beeinflusst wird. Dazu gehören neben dem Lebensalter auch der Trainingszustand, der aktuelle Gesundheitszustand und der Einfluss zahlreicher Medikamente. Eine kontinuierliche Herzfrequenzmessung bringt demnach die Möglichkeit mit sich, zahlreiche gesundheitliche Fragestellungen näher zu untersuchen. Die Herzfrequenz ist ein zentraler Parameter in der Trainingssteuerung und Leistungsdiagnostik.
Die Herzfrequenzvariabilität wird erfindungsgemäß mittels der Recheneinheit durch statistische Auswertung mehrerer zeitlich aufeinanderfolgend gemessener Herzfrequenzwerte ermittelt. Aus der Pulswellenvariabilität ergibt sich die Herzfrequenzvariabilität. Damit bezeichnet man die Möglichkeit des menschlichen Körpers, die Abstände zwischen zwei Herzschlägen zu verändern. Die Abstände werden über die Kammerkontraktion des Herzens definiert. Die Dauer des RR-Intervalls verändert sich auch in Ruhe spontan, d.h. die Abstände zwischen den Herzkontraktionen unterscheiden sich. Bei gesunden Personen wird die Herzaktion über einen Taktgeber gestartet. Das Erregungszentrum im Herzen heißt Sinusknoten. Dieser wird vom vegetativen Nervensystem gesteuert und unterliegt somit nicht dem willentlichen Einfluss, sondern der Aktivität des Sympathikus. Körperliche aber auch psychische Belastungen gehen mit einer Erhöhung der Sympathikusaktivität einher, dies führt zu einem Anstieg der Herzfrequenz. Der Parasympathikus, der Gegenspieler des Sympathikus im vegetativen Nervensystem, reduziert dagegen die Herzfrequenz. Es wird deutlich, dass äußere Einflüsse (Bewegung, Gedanken) aber auch mechanische Abläufe (z.B. Atmung) die Herzfrequenz beeinflussen können. Da die Herzfrequenzvariabilität ihren Ursprung im vegetativen Nervenzentrum hat, lassen die gemessenen Werte Rückschlüsse auf Erkrankungen des Organsystems zu. Wahrscheinlich ist die Herzfrequenzvariabilität sogar aussagekräftiger als die Herzfrequenz, um physiologische oder pathologische Veränderung im Herzkreislaufsystem frühzeitig zu erkennen. Es können Veränderungen in Ruhe und nach sportlicher Belastung beobachtet und ausgewertet werden. Folgende Parameter können von Interesse sein:
NN50 = Anzahl der fortlaufenden RR-Intervalle > 50ms; SDNN = Standardabweichung aller gemessenen RR-Intervalle bei Sinusrhythmus;
rMSSD = die Wurzel des Mittelwertes der quadrierten Differenzen fortlaufender RR-Intervall.e
Mit der Herzfrequenzvariabilität können im Sport die Beanspruchung des Sportlers und eventuelle Übertrainingssituationen bestimmt werden. Eine gezielte Trainingssteuerung wird mit der Herzfrequenzvariabilität möglich. Aber auch im medizinischen Bereich findet die Herzfrequenzvariabilität ihren Einsatz. Die Parameter der Herzfrequenzvariabilität verändern sich nicht nur durch sportliche Aktivität, sondern auch durch das Vorliegen von Risikofaktoren und eine Reduktion dieser Risikofaktoren. So sind zum Beispiel bei Diabetikern mit vorliegender Neuropathie die zeitbezogenen Variablen wie SDNN, NN50 und rMSSD reduziert.
Der Pulsdruck (Blutdruckamplitude) ergibt sich aus dem Verhältnis der Signalamplituden der Systole und der Diastole im Pulswellensignal.
Die Pulswellenlaufzeit beschreibt die Zeit, die eine Pulswelle benötigt, um eine gewisse Strecke im Gefäßsystem des Körpers zurückzulegen. Die Pulswellenlaufzeit kann erfindungsgemäß durch gleichzeitige Messung des Pulswellensignals (mittels zweier Lichtmesseinheiten) an zwei verschiedenen Messorten (herznah und herzfern) am Körper bestimmt werden. Durch die Messung der Pulswellenlaufzeit können Rückschlüsse auf wichtige Vitalparameter wie Blutdruck sowie Elastizität der Gefäße gezogen werden. Es ist möglich, anhand der Pulswellenlaufzeit eine arteriosklerotische Veränderung der Gefäße sehr früh zu diagnostizieren und mit der entsprechenden Lebensstiländerung (z.B. fett- und natriumarme Ernährung, sportliche Aktivität) ein Fortschreiten der Arteriosklerose zu verhindern.
Studien haben gezeigt, dass zumindest über kurze Zeiträume die Pulswellenlaufzeit auch zur Blutdruckbestimmung verwendet werden kann. Hierzu kann allerdings noch eine Referenzmessung notwendig sein. Der Blutdruck gilt als einer der medizinischen Standards in der Beurteilung der kardiovaskulären Situation in Ruhe und unter körperlicher Belastung. Die physiologischen Grenzwerte in Ruhe und unter Belastung sind umfangreich beschrieben und in Leitlinien festgelegt. Eine kontinuierliche Bestimmung des Blutdruckes ist unter Belastung aktuell jedoch nicht möglich, da mittels Blutdruckmanschette nur zu festgelegten Zeitpunkten der Blutdruck bestimmt werden kann. Durch die Erfindung wird eine kontinuierliche Messung möglich. Der Blutdruck wird erfindungsgemäß aus der Geschwindigkeit der Pulswelle / der Pulswellenlaufzeit bestimmt, eine geringe Laufzeit vom Herzen zur Peripherie steht für einen hohen Blutdruck, da die Gefäße eng gestellt sind. Bevorzugt erfolgt bei Anwendung der Erfindung zur Blutdruckmessung eine Eichung in Ruhe und unter Belastung. Danach kann der Blutdruck kontinuierlich gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in allen Personengruppen einsetzbar, durch die nichtinvasive Messung kann jeder ohne Risiko die Messung durchführen. Eine Blutdruckbestimmung über längere Zeit wird nicht nur bei gesunden Sportlern, sondern auch bei Risikogruppen z.B. Herzpatienten und Schwangeren möglich. Die Nutzer erhalten die Möglichkeit, Blutdruckspitzen und Situationen, die zu einem Anstieg führen, zu erkennen. Daraus ergibt sich in der Folge, dass die Nutzer entsprechende Situationen vermeiden können und lernen, ihren Blutdruck durch Änderungen im Lebensstil besser zu kontrollieren.
Die gemäß der Erfindung erfasste Pulswelle ist überlagert von einer Oszillation mit gegenüber dem Puls geringerer Frequenz, nämlich der Atemfrequenz. Diese überlagerte Oszillation kann gemäß der Erfindung ausgewertet werden, um die Atemfrequenz zu bestimmen.
Weiterhin kann eine Sauerstoffsättigung des Blutes des untersuchten Objektes bestimmt werden. Die Sauerstoffsättigung gibt an, wie viel Prozent des gesamten Hämoglobins im Blut mit Sauerstoff beladen ist. Sie erlaubt unter anderem Aussagen über die Effektivität des Sauerstofftransportes, also in erster Linie über die Atmung. Zur Messung der Sauerstoffsättigung sollte die Lichtmesseinheit des erfindungsgemäßen Systems Lichtquellen aufweisen, die bei zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen emittieren (z.B. im roten und im infraroten Spektralbereich), um die Sauerstoffsättigung durch Differenzbildung der bei den verschiedenen Wellenlängen gemessenen Signale zu ermitteln (wie bei herkömmlichen Pulsoximetern).
Aus der Sauerstoffsättigung kann in Kombination mit einer Analyse des erfindungsgemäß erfassten Pulswellenverlaufs auf das sogenannte Herzminutenvolumen zurückgeschlossen werden. Ein geeigneter Algorithmus ist z.B. unter der Bezeichnung PiCCO („Pulse Contour Continuous Cardiac Output") bekannt, der mittels der Recheneinheit des erfindungsgemäßen Systems genutzt werden kann. Das Herzminutenvolumen (HMV) oder Herzzeitvolumen (HZV) ist das Volumen des Blutes, welches in einer Minute vom Herz über die Aorta ascendens in den Blutkreislauf gepumpt wird. Das Herzminutenvolumen ist also ein Maß für die Pumpfunktion des Herzens und damit ein insbesondere im kardiologischen Bereich sehr aussagekräftiger Parameter. Im Englischen und als Fachausdruck auch im Deutschen wird dafür auch der Begriff Cardiac Output (abgekürzt CO) benutzt.
In einer weiteren Ausführungsform werden Daten des untersuchten Objektes sowie Umgebungsdaten parallel zur Pulswelle erfasst. Hierzu weist das erfindungsgemäße System wenigstens ein zusätzliches Sensorelement aus der folgenden Liste auf: Bewegungs-, Beschleunigungs-, Lage-, Positions-, Umgebungstemperatur-, Körpertemperatur-, Luftdruck-, Schallsensor. Die Bewegungsdaten erlauben dabei beispielsweise eine Rekonstruktion der körperlichen Belastung der Person, was bei der Auswertung der Pulswelle und der Ableitung von Vitalparametern aus der Pulswelle berücksichtigt wird. Die zusätzlichen Sensorelemente können entweder separat von der Lichtmesseinheit sein. Z.B. können die Bewegungs-, Beschleunigungs-, Lage- und/oder Positionssensoren verwendet werden, die in üblichen Smartgeräten ohnehin bereits vorhanden sind. Die Bewegungen des Messobjektes, das das entsprechende Smartgerät mit sich führt, können damit erfasst werden, während parallel die Lichtmesseinheit kontinuierlich die Pulswelle misst. Alternativ kann eine entsprechende zusätzliche Sensorik in die Lichtmesseinheit integriert sein.
Bevorzugt ist die Recheneinheit eingerichtet, die Pulswelle und ein damit zeitlich synchron erfasstes Messsignal des zusätzlichen Sensorelementes zu verarbeiten. Damit kann das erfindungsgemäße System z.B. als weiter entwickelter Activity Tracker verwendet werden, der die Fitness-Aktivitäten einer Person aufnimmt und überwacht. Das System kann z.B. die Schritte einer Person mittels der Beschleunigungssensorik zählen. Die zurückgelegte Kilometerzahl und der Kalorienverbrauch kann automatisch ermittelt und die physischen Aktivität und Fitness kann parallel dazu anhand der mittels der Messung der Pulswelle erfassten Vitalparameter bewertet werden. Dabei können, je nach verfügbarer Sensorik, auch die Körpertemperatur sowie Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftdruck) berücksichtigt werden. Die Bewertung der physiologischen Parameter ist erfindungsgemäß wesentlich umfassender und fundierter möglich als bei herkömmlichen Systemen, die lediglich den Puls messen. Ähnlich wie bei herkömmlichen Activity Trackern bietet die Erfindung wiederum die Möglichkeit, die eigenen Trainingsfortschritte per Smartgerät z.B. über Social Media zu veröffentlichen und mit anderen zu vergleichen.
Ein Schallsensor (Mikrofon) kann genutzt werden, um den Herzschall zu erfassen. Der Herzschall propagiert sehr schnell durch den Körper, so dass der Zeitpunkt der Herzkontraktion quasi instantan (mit einer Verzögerung von ca. 1 ms je nach Messort) über den Schall bestimmt werden kann. Der Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt der Herzkontraktion im Schallsignal und dem Maximum des über die Lichtmessung erfassten Pulswellensignals kann erfindungsgemäß genutzt werden, um daraus die Pulswellengeschwindigkeit zu bestimmen.
Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist die Lichtmesseinheit des erfindungsgemäßen Systems zumindest eine Lichtquelle auf, die Licht im blauen und/oder roten Spektralbereich emittiert. Mit dem blauen Licht wird die Pulswelle vor allem im venösen Gefäßsystem erfasst. Mittels einer weiteren, im roten/infraroten Spektralbereich emittierenden Lichtquelle kann parallel die Pulswelle vor allem im arteriellen Gefäßsystem erfasst werden. Durch Vergleich dieser Daten können metabolische Parameter ermittelt werden, wie z.B. der Energieumsatz anhand des Sauerstoffverbrauchs. Der Sauerstoffverbrauch ergibt sich aus der Differenz des Sauerstoffgehaltes im arteriellen und venösen Blut. Durch Beleuchtung mit blauem (und ggf. rotem) Licht durch eine der Lichtquellen werden die Venen gegenüber dem restlichen Gewebe besonders deutlich sichtbar. Die Recheneinheit des Systems kann damit die Pulsung des Blutes in den Venen erkennen und von der (davon verschiedenen, z.B. zeitlich vorauseilenden) Pulsung des Blutes in den Arterien unterscheiden. Der Sauerstoffgehalt kann dann wie bei einem herkömmlichen Pulsoximeter durch Messung bei den entsprechenden Wellenlängen bestimmt werden. Der gewonnene Messwert wird dabei anhand der jeweils detektierten Pulsung dem venösen bzw. arteriellen Blut zugeordnet. Die Differenz des Sauerstoffgehalts lässt dann Rückschlüsse auf den Energieumsatz zu. Die arterielle bzw. venöse Messung können zweckmäßig an verschiedenen Messorten am Körper mittels zweier Lichtmesseinheiten durchgeführt werden. Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sind die zumindest eine Lichtmesseinheit oder die Recheneinheit eingerichtet, dem Digitalsignal einen Zeitcode zuzuordnen, der angibt, zu welchem Zeitpunkt das analoge Signal des Lichtsensors jeweils digitalisiert wird. Wenn zwei oder mehr Lichtmesseinheiten vorgesehen sind, sollte dabei die Zuordnung des Zeitcodes zu den Digitalsignalen der zwei oder mehr Lichtmesseinheiten synchronisiert sein. Durch den Zeitcode wird gewährleistet, dass die Daten der Pulswellenmessung mit anderen gleichzeitig erfassten Messdaten (z.B. den Daten eines zusätzlichen Sensorelementes, wie z.B. eines Beschleunigungssensors) zeitlich präzise korreliert werden können. Bei der Bestimmung z.B. der Pulswellenlaufzeit aus an unterschiedlichen Messorten erfassten Pulswellen kommt es ebenfalls auf die Zuordnung der exakten Zeitpunkte zu den verschiedenen Signalabtastungen an. Durch die Zuordnung der Zeitcodes werden mögliche Auswertungsfehler durch Laufzeitverschiebungen, die sich ggf. durch die digitale Signalübertragung von den Lichtmesseinheiten zur Recheneinheit ergeben, verhindert.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Lichtmesseinheit für das zuvor beschriebene System. Diese umfasst:
wenigstens eine Lichtquelle,
wenigstens einen Lichtsensor,
wenigstens einen Analog-/Digitalwandler, der das analoge Signal des Lichtsensors in ein Digitalsignal konvertiert, wobei der Analog- /Digitalwandler das analoge Signal mit einer Abtastrate von wenigstens 1000 Hz, vorzugsweise wenigstens 5000 Hz, besonders bevorzugt wenigstens 20000 Hz abtastet, und
einer Energieversorgungseinheit, die die Lichtquelle, den Lichtsensor und den Analog-/Digitalwandler mit Energie versorgt.
Weiter sollte die Lichtmesseinheit eine Datenkommunikationseinheit (z.B. nach dem erwähnten BLE-Standard) zur Übertragung des Digitalsignals an einen Empfänger, insbesondere an die Recheneinheit des erfindungsgemäßen Systems aufweisen. Um eine ausreichend hohe Übertragungsgeschwindigkeit des Digitalsignals zu gewährleisten, insbesondere vor dem Hintergrund der hohen Abtastrate, kann die Datenkommunikationseinheit eingerichtet sein, dass Digitalsignal vor der Übertragung an den Empfänger zu komprimieren. Geeignete Datenkompressionsalgorithmen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Da die erfasste Pulswelle ein mehr oder weniger periodisches Signal mit immer wiederkehrenden Merkmalen ist, ist eine Datenkompression besonders effizient möglich.
Bevorzugt weist die Lichtmesseinheit gemäß der Erfindung ein Befestigungsmittel zur Befestigung der Lichtmesseinheit an einem menschlichen oder tierischen Körper auf. Das Befestigungsmittel kann zum Beispiel ein Klettband, ein selbstklebendes Pflaster, ein elastisches Band, ein Armreif oder ein Armband, ein Fingerring, ein Kleidungsstück oder ein Handschuh sein. Sämtliche dieser Befestigungsmittel ermöglichen es, die sehr kompakt und leicht bauende Lichtmesseinheit auf der Haut des menschlichen oder tierischen Messobjektes unauffällig und bequem zu befestigen. Besonders bevorzugt ist ein selbstklebendes Pflaster als Befestigungsmittel, da sich dadurch eine besonders sichere und feste Anbringung sicherstellen lässt. Durch Bewegungen des Körpers hervorgerufene Artefakte im Messsignal können dadurch minimiert werden.
Bei einer möglichen Ausgestaltung weist das Befestigungsmittel zwei Oberflächen auf, wobei eine erste Oberfläche des an dem Körper angeordneten Befestigungsmittels auf der Hautoberfläche aufliegt und eine zweite Oberfläche von der Hautoberfläche weg weist, wobei an der ersten und zweiten Oberfläche jeweils wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens ein Lichtsensor angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Befestigungsmittel (zum Beispiel in Form eines Armbandes) am Arm des Benutzers in der Nähe der Arteria Radialis angeordnet sein, um dort die periphere Pulswelle zu messen. Diese Messung erfolgt mittels der Lichtquelle und des Lichtsensors, die an der zur Hautoberfläche hin weisenden, d.h. inneren Oberfläche des Armbandes angeordnet sind. Eine weitere Lichtquelle und ein weiterer Lichtsensor befinden sich an der Außenseite des Armbandes. Der Benutzer kann diese äußere Sensorik an einem anderen Messort an der Hautoberfläche zur Anlage bringen, zum Beispiel in der Nähe der Arteria Carotis, um dort gleichzeitig die zentrale Pulswelle zu messen. Weiter bevorzugt sind die Lichtquelle und der Lichtsensor auf einem flexiblen Träger angeordnet, der von einem weiteren Träger, auf dem wenigstens der Analog-/Digitalwandler und die Energieversorgungseinheit angeordnet sind, räumlich getrennt ist, wobei zwischen Lichtquelle und Lichtsensor einerseits und Analog-/Digitalwandler und Energieversorgungseinheit andererseits eine flexible Kabelverbindung besteht. Die räumliche Trennung von Lichtquelle und Lichtsensor von den übrigen Komponenten in Kombination mit der Verwendung von flexiblen Trägern reduziert in besonders effizienter Weise durch Bewegungen hervorgerufene Messfehler und Artefakte.
Wie oben erläutert, emittiert die Lichtquelle der erfindungsgemäßen Lichtmesseinheit zweckmäßig im infraroten, roten oder blauen Spektralbereich, wobei der wenigstens eine Lichtsensor in dem entsprechenden Spektralbereich empfindlich sein sollte. Bevorzugt sind zwei oder mehr Lichtquellen vorgesehen, die Licht in verschiedenen Spektralbereichen emittieren. Dies ermöglicht die gezielte Messung der Pulswelle in venösem bzw. arteriellem Blut sowie die Messung der Sauerstoffsättigung des Blutes, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Pulsoximeter.
Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Lichtmesseinheit eine Synchronisationseinheit auf, die dem Digitalsignal einen Zeitcode zuordnet, der angibt, zu welchem Zeitpunkt das analoge Signal des Lichtsensors jeweils digitalisiert wird. Dies ermöglicht, wie oben erläutert, eine zeitliche Korrelation der erfassten Pulswelle mit anderen sensorisch erfassten Signalen.
Die Erfindung ermöglicht damit insgesamt einfach und kostengünstig, Vitalparameter für unterschiedliche Anwendungen zu bestimmen. Damit werden die Vitalparameter einfach zugänglich und können als Grundlage für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden.
Die Erfindung kann für den Bereich der telemedizinischen und medizinischen Anwendungen, der Spiele, Sport- und Freizeitmöglichkeiten, Online-Spiele, der Steuerung von Leistungsmerkmalen an Geräten, Maschinen, Anlagen und Fahrzeugen die persönlichen Vitaldaten bereitstellen. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Patentansprüche sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Eine Vielzahl von Anwendungen besteht für die Erfindung außerdem bei der Bestimmung und kontinuierlichen Überwachung von Vitalparametern bei Tieren.
Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten nachfolgend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 2 schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems; und
Fig. 3 Illustration der Bestimmung der
Pulswellensignatur gemäß der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes System zur Bestimmung von Vitalparametern eines Objektes, nämlich eines menschlichen oder tierischen Körpers.
Das System umfasst eine Lichtmesseinheit, die insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Die Lichtmesseinheit weist eine Lichtquelle 102 in Form einer SMD-LED auf, die einen Gewebebereich des untersuchten menschlichen oder tierischen Körpers mit Licht aus dem infraroten Spektralbereich beleuchtet. Außerdem weist die Lichtmesseinheit 100 einen Lichtsensor 103 in Form einer Fotodiode auf. Der Lichtsensor 103 detektiert das an dem Gewebe gestreute und/oder von diesem reflektierte Licht. Das Ausgangsignal des Lichtsensors 103 wird mittels eines Analogfilters 104 grob vorgefiltert. Dadurch können Signalrauschen und sonstige Artefakte teilweise herausgefiltert werden. Die Lichtquelle 102, der Lichtsensor 103 und das Filterelement 104 sind auf einem flexiblen Träger 105 angeordnet. Die Komponenten 102, 103 und 104 sind über eine flexible Kabelverbindung 106 mit einem Mikrokontroller 107 der Lichtmesseinheit 100 verbunden. Der Mikrokontroller 107 umfasst einen Analog- /Digitalwandler 108, der das vorgefilterte analoge Signal des Lichtsensors 103 in ein Digitalsignal transformiert, wobei der Analog-/Digitalwandler 108 das analoge Signal mit einer Abtastrate von bis zu 50000 Hz abtastet. Das Digitalsignal wird mittels eines Digitalfilterelementes 109 des Mikrokontrollers 107 weiter aufbereitet. Der Mikrokontroller 107 ist mit einer Energieversorgungseinheit 1 10 in Form einer Batterie verbunden, die den MikroController 107 sowie, über die Kabelverbindung 106, Lichtquelle 102 und Lichtsensor 103 mit Energie versorgt. Des Weiteren umfasst der Mikrokontroller 107 eine Datenkommunikationseinheit 1 1 1 , und zwar in Form eines Bluetooth- Low-Energy-Moduls zur Übertragung des gefilterten Digitalsignals an einen Empfänger. Der Empfänger ist in diesem Fall ein Smartphone 1 12. Das Smartphone 1 12 zeigt auf dessen Display 1 13 das Digitalsignal in Form einer Pulswellenkurve 1 14 an. Das Smartphone 1 12 weist eine Internet-Schnittstelle auf, über die das Digitalsignal weiter„in die Cloud", schematisch angedeutet durch 15, übertragen wird. Das bedeutet, dass das Digitalsignal auf einem mit dem Internet verbundenen Server für den weiteren Zugriff in geeigneter Form gespeichert wird. An das Internet angeschlossen ist des Weiteren eine Recheneinheit 1 16, d.h. ein Computer, der das Digitalsignal verarbeitet und auswertet. Die Recheneinheit 1 16 ist zum Beispiel dazu eingerichtet, aus dem Digitalsignal Vitalparameter abzuleiten, wie die Herzfrequenz, die Herzfrequenzvariabilität, den Pulsdruck, die Pulswellenlaufzeit, den Blutdruck, die Atmungsfrequenz sowie auch die Sauerstoffsättigung. Diese Parameter können wiederum über das Internet mittels des Smartphones 12 abgerufen und angezeigt werden.
Die Lichtmesseinheit 100 weist als Befestigungsmittel zur Befestigung an der Hautoberfläche des menschlichen oder tierischen Körpers ein selbstklebendes Pflaster 1 17 auf. Auf dem Pflaster 1 17 sind der Träger 105 sowie ein weiterer Träger 1 18 des Mikrokontrollers 107 und der Energieversorgungseinheit 1 10 angeordnet. Ebenfalls ist die flexible Kabelverbindung 106 auf dem Pflaster 1 17 angeordnet. Die Kabelverbindung 106 erstreckt sich Zickzack-, wellen- oder mäanderförmig auf dem Pflaster 1 17 zwischen den beiden Trägern 105 und 1 18, um eine möglichst gute mechanische Entkopplung zu erzielen. Dadurch werden insgesamt Bewegungsartefakte in den Messsignalen minimiert.
Das Smartphone 1 12 weist einen integrierten Beschleunigungssensor (nicht dargestellt) auf. Die Recheneinheit 1 16 ist eingerichtet, die digitalisierte Pulswelle und das damit zeitlich synchron erfasste und ebenfalls„in die Cloud" 1 15 übertragene Messsignal des Beschleunigungssensors des Smartphones 1 12 zu verarbeiten. Damit fungiert das dargestellte System als Activity Tracker, der die Aktivitäten des Messobjektes aufnimmt und überwacht und die mittels der Beschleunigungssensorik erfassten Bewegungen mit den über die Pulswelle erfassten Vitalparametern korreliert. Damit kann zum Beispiel ein Trainingsprogramm einer Person überwacht werden. Die Trainingsfortschritte und die anhand der Vitalparameter festgestellte Fitness kann über das Internet in Social Media veröffentlicht werden.
Die Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes System mit zwei Lichtmesseinheiten 100' und 100", die an unterschiedlichen Messorten am Körper 1 19 eines Messobjektes angeordnet sind. Es handelt sich jeweils um eine Lichtmesseinheit wie in Figur 1 dargestellt. Die Lichtmesseinheit 100' ist in der Nähe der Arteria Carotis, d.h. zentral angeordnet, während die weitere Lichtmesseinheit 100" in der Peripherie in der Nähe der Arteria Radialis angeordnet ist. Der MikroController 107 jeder Lichtmesseinheit 100', 100" fungiert gleichzeitig als Synchronisationseinheit und ordnet dem jeweils erzeugten Digitalsignal einen Zeitcode zu, der angibt, zu welchem Zeitpunkt das analoge Signal des jeweiligen Lichtsensors digitalisiert wird. Dabei ist die Zuordnung der Zeitcodes zu den Digitalsignalen durch die Lichtmesseinheiten 100' und 100" synchronisiert. Die Synchronisation kann z.B. über eine Nahfeld- Funkverbindung (BLE) zwischen den Lichtmesseinheiten 100', 100" oder mit dem Smartphone 1 12 erfolgen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Smartphone 1 12 gleichzeitig die Recheneinheit, die die Digitalsignale der Lichtmesseinheiten 100' und 100" auswertet. Aus der anhand der Zeitcodes feststellbaren Laufzeitdifferenz der Pulswelle leitet das Smartphone 1 12 die Pulswellengeschwindigkeit ab und berechnet daraus zum Beispiel den Blutdruck. Der Messwert kann dann auf dem Display 1 13 des Smartphones 1 12 angezeigt werden. Die Recheneinheit 1 16, des z.B. in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Systems kann eingerichtet sein, aus dem Digitalsignal eine Pulswellensignatur abzuleiten, die durch lokale und globale Extrema des zeitlichen Pulswellenverlaufs, deren relative zeitliche Lage und deren relative Amplitudenwerte bestimmt ist. Dies ist in Figur 3 illustriert. Die Figur 3 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf des Pulswellensignals PW. Die in dem Diagramm der Figur 3 eingetragenen Ziffern bezeichnen Charakteristika der Pulswelle, die die Pulswellensignatur bestimmen. Der zeitliche Abstand zwischen den Punkten 1 und 7 gibt die Dauer eines Herzzyklus an, d.h. das RR- Intervall. Der zeitliche Abstand zwischen den Punkten 1 und 4 beschreibt die Dauer der Systole. Der zeitliche Abstand zwischen den Punkten 4 und 7 beschreibt die Dauer der Diastole. Die Punkte 2, 3, 5, 6 und 8 geben lokale und globale Extrema des Pulswellensignals PW an, deren zeitliche Lage und Amplitude charakteristisch für ein bestimmtes untersuchtes Individuum ist. Die Gesamtheit dieser Parameter bildet die Pulswellensignatur, die erfindungsgemäß zum Beispiel zum Zwecke der Authentifizierung genutzt werden kann.
Über die Dauer der Systole (Punkte 1 -4) steigt die Pulskurve zunächst von 1 nach 2 bis zum oberen Wendepunkt 3 an und fällt dann steil bis zur so genannten Inzisur 4 ab. Die Inzisur entsteht durch einen kurzfristigen Anstieg des Blutdrucks von 4 nach 5 durch den Schluss der Aortenklappe am Ende des Herzschlags. Es folgt dann eine Nachschwingung (lokales Extremum 6) im diastolischen Teil des Pulswellenverlaufs PW bis der Fußpunkt 7 erreicht ist. Danach steigt die Pulswelle PW bis zum nächsten Maximum 8 wieder an. Der Pulszyklus beginnt von vorn.

Claims

Patentansprüche
1 . System zur Bestimmung von Vitalparametern eines Objektes, nämlich eines menschlichen oder tierischen Körpers, umfassend zumindest:
eine Lichtmesseinheit (100) mit wenigstens einer Lichtquelle (102), die einen Gewebebereich des Objektes beleuchtet, wenigstens einem Lichtsensor (103), der das an dem Gewebe gestreute und/oder von diesem reflektierte Licht detektiert, einem Analog-/Digitalwandler (108), der das analoge Signal des Lichtsensors (103) in ein Digitalsignal konvertiert, wobei der Analog- /Digitalwandler (108) das analoge Signal mit einer Abtastrate von wenigstens 1000 Hz, vorzugsweise wenigstens 5000 Hz, besonders bevorzugt wenigstens 20000 Hz abtastet, und einer Energieversorgungseinheit (1 10), die die Lichtquelle (102), den Lichtsensor (103) und den Analog-/Digitalwandler (108) mit Energie versorgt, und
eine Recheneinheit (1 16), eingerichtet zur Verarbeitung und/oder Auswertung des Digitalsignals.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmesseinheit (100) von der Recheneinheit (1 16) räumlich getrennt und über eine drahtlose oder drahtgebundene Datenschnittstelle zur Übertragung des Digitalsignals mit der Recheneinheit (1 16) verbunden ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmesseinheit (100) über eine erste Datenschnittstelle mit einem Smartgerät (1 12) drahtlos oder drahtgebunden verbunden ist, wobei die Lichtmesseinheit das Digitalsignal über die erste Datenschnittstelle an das Smartgerät (1 12) überträgt, wobei das Smartgerät (1 12) mit der Recheneinheit (1 16) über eine zweite Datenschnittstelle drahtlos oder drahtgebunden verbunden ist, wobei das Smartgerät (1 12) das Digitalsignal über die zweite Datenschnittstelle an die Recheneinheit (1 16) überträgt und die Recheneinheit (1 16) das Digitalsignal verarbeitet und/oder in einem zentralen Datenspeicher speichert, und wobei die Recheneinheit ein Verarbeitungsergebnis über die zweite Datenschnittstelle an das Smartgerät (1 12) überträgt.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Datenschnittstelle eine Kurzstrecken-Funkschnittstelle, insbesondere nach dem Bluetooth-Standard ist, wobei die zweite Datenschnittstelle ein Computernetzwerk, insbesondere das Internet ist.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (1 16) eingerichtet ist, aus dem Digitalsignal eine Pulswellensignatur abzuleiten, die durch lokale und globale Extrema des zeitlichen Pulswellenverlaufs (PW), deren relative zeitliche Lage und deren relative Amplitudenwerte bestimmt ist.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist, die Pulswellensignatur mit in einem Datenspeicher hinterlegten Pulswellensignaturdaten zum Zwecke der Identifizierung oder Authentifizierung des Objektes zu vergleichen.
7. System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist, die Pulswellensignatur mit in einem Datenspeicher hinterlegten Pulswellensignaturdaten zum Zwecke der Feststellung einer möglichen Erkrankung zu vergleichen.
8. System einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (1 16) eingerichtet ist, aus dem Digitalsignal zumindest einen der folgenden Vitalparameter abzuleiten: Herzfrequenz, Herzfrequenzvariabilität, Pulsdruck, Pulswellenlaufzeit, Blutdruck, Atmungsfrequenz, Sauerstoffsättigung.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch wenigstens ein zusätzliches Sensorelement aus der folgenden Liste: Bewegungs-, Beschleunigungs-, Lage-, Positions-, Umgebungstemperatur-, Körpertemperatur-, Luftdruck-, Schallsensor.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (1 16) eingerichtet ist, die Pulswelle und ein damit zeitlich synchron erfasstes Messsignal des zusätzlichen Sensorelementes zu verarbeiten.
1 1 . System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (1 16) eingerichtet ist, aus der Pulswelle und/oder dem Messsignal des wenigstens einen zusätzlichen Sensorelementes einen metabolischen Parameter abzuleiten.
12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , gekennzeichnet durch wenigstens zwei Lichtmesseinheiten (100', 100").
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Lichtmesseinheit (100') einen herznäheren und eine zweite Lichtmesseinheit (100") einen herzferneren Gewebebereich des Objektes erfasst.
14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtmesseinheit (100) wenigstens eine Lichtquelle (102) aufweist, die Licht im blauen und/oder roten Spektralbereich emittiert.
15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Lichtmesseinheit (100) oder die Recheneinheit (1 16) eingerichtet sind, dem Digitalsignal einen Zeitcode zuzuordnen, der angibt, zu welchem Zeitpunkt das analoge Signal des Lichtsensors (103) jeweils digitalisiert wird.
16. System nach Anspruch 15 und einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung des Zeitcodes zu den Digitalsignalen der zwei oder mehr Lichtmesseinheiten (100', 100"= synchronisiert ist.
17. Lichtmesseinheit für ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend:
wenigstens eine Lichtquelle (102),
wenigstens einen Lichtsensor (103),
wenigstens einen Analog-/Digitalwandler (1 08), der das analoge Signal des Lichtsensors (103) in ein Digitalsignal konvertiert, wobei der Analog- /Digitalwandler (108) das analoge Signal mit einer Abtastrate von wenigstens 1000 Hz, vorzugsweise wenigstens 5000 Hz, besonders bevorzugt wenigstens 20000 Hz abtastet, und
einer Energieversorgungseinheit (1 10), die die Lichtquelle (102), den Lichtsensor (103) und den Analog-/Digitalwandler (108) mit Energie versorgt.
18. Lichtmesseinheit nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Datenkommunikationseinheit zur Übertragung des Digitalsignals an einen Empfänger.
19. Lichtmesseinheit nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch ein Befestigungsmittel (1 17) zur Befestigung der Lichtmesseinheit an einem menschlichen oder tierischen Körper.
20. Lichtmesseinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel ein Klettband, ein selbstklebendes Pflaster, ein elastisches Band, ein Armreif oder ein Armband, ein Fingerring, ein Kleidungsstück oder ein Handschuh ist.
21 . Lichtmesseinheit nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel zwei Oberflächen aufweist, wobei eine erste Oberfläche des an dem Körper angeordneten Befestigungsmittels auf der Hautoberfläche aufliegt und eine zweite Oberfläche von der Hautoberfläche weg weist, wobei an der ersten und zweiten Oberfläche jeweils wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens ein Lichtsensor angeordnet sind.
22. Lichtmesseinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (102) und der Lichtsensor (103) auf einem flexiblen Träger (105) angeordnet sind, der von einem weiteren Träger (1 18), auf dem wenigstens der Analog-/Digitalwandler (108) und die Energieversorgungseinheit (1 10) angeordnet sind, räumlich getrennt ist, wobei zwischen Lichtquelle (102) und Lichtsensor (103) einerseits und Analog- /Digitalwandler (108) und Energieversorgungseinheit (1 10) andererseits eine flexible Kabelverbindung (106) besteht.
23. Lichtmesseinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lichtquelle (102) Licht im infraroten, roten oder blauen Spektralbereich emittiert, wobei der wenigstens eine Lichtsensor (103) in dem entsprechenden Spektralbereich empfindlich ist.
24. Lichtmesseinheit nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Lichtquellen vorgesehen sind, die Licht in verschiedenen Spektralbereichen emittieren.
25. Lichtmesseinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 24, gekennzeichnet durch eine Synchronisationseinheit, die dem Digitalsignal einen Zeitcode zuordnet, der angibt, zu welchem Zeitpunkt das analoge Signal des Lichtsensors (103) jeweils digitalisiert wird.
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