EP3860456A1 - Sensorsystem, auswertevorrichtung, verfahren und computerprogrammprodukt zur erfassung des schlafverhaltens eines probanden - Google Patents

Sensorsystem, auswertevorrichtung, verfahren und computerprogrammprodukt zur erfassung des schlafverhaltens eines probanden

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Publication number
EP3860456A1
EP3860456A1 EP19783472.4A EP19783472A EP3860456A1 EP 3860456 A1 EP3860456 A1 EP 3860456A1 EP 19783472 A EP19783472 A EP 19783472A EP 3860456 A1 EP3860456 A1 EP 3860456A1
Authority
EP
European Patent Office
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sensor
concentration
volatile organic
organic compounds
subject
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19783472.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Beigl
Matthias BUDDE
Marcel KÖPKE
Tobias RÖDDIGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP3860456A1 publication Critical patent/EP3860456A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a sensor system, an evaluation device, a method and a computer program product for recording the sleep behavior of a subject.
  • the sleep behavior of a subject is determined by various factors.
  • various physical disorders or physical influences can (negatively) influence a subject's sleep behavior.
  • a disturbance in the subject's breathing activity negatively influenced the subject's sleep behavior.
  • Apnea and hypopnea are known in particular as disorders of respiratory activity.
  • Apnea means a more or less long suspension of the subject's breathing.
  • Hypopnea refers to an event during breathing that causes a decrease in the flow of breath.
  • the sleep behavior of a test person is largely characterized by movements of the test person during sleep.
  • One aspect of the invention relates to a sensor system for recording the sleep behavior of a test subject, comprising:
  • a sensor device for arrangement on the test subject, the sensor device being designed to provide first sensor information comprising a concentration of volatile organic compounds in the ambient air of the sensor device;
  • an evaluation device that can be coupled to the sensor device for evaluating the first sensor information provided by the sensor device, the evaluation device being designed to determine a time course of the concentration of the volatile organic compounds and, by means of the time course of the concentration of the volatile organic compounds, the sleep behavior of the test subject to determine.
  • the sensor system can be used, in particular, to record the subject's breathing activity during sleep and to identify a respiratory event or a breathing activity event in the recorded breathing activity.
  • the recorded breathing activity can include, in particular, the subject's inhalation and / or exhalation activity.
  • the sleep behavior of the test person can then be determined via the recorded breathing activity and / or the recognized breathing activity event.
  • a human being can be understood as a subject, but animals can also be considered as a subject.
  • the sensor device preferably has attachment or fastening means with which the sensor device can be detachably attached or arranged on the subject. Adhesive, adhesive or suction means, for example, can be provided as attachment or fastening means.
  • Volatile organic compounds are organic or carbon-containing compounds or substances which, at low temperatures, for example at room temperature, as a gas. Volatile organic compounds are also called “volatile organic compounds" in English and are abbreviated to "VOC". In the context of this disclosure, the formulation “volatile organic compounds” with the English name “volatile organic compounds” or the abbreviation “VOC” can be exchanged. The concentration of volatile organic compounds is stated in ppb (parts per billion or parts per billion) or ppm (parts per million or parts per million)
  • the area of the ambient air detected by the sensor device can relate to the concentration of volatile organic compounds present directly on the sensor device, the existing concentration of volatile organic substances in a range of up to 5 cm around the sensor device, a range of up to 10 cm around the sensor device , preferably up to 20 cm around the sensor device, or particularly preferably up to 50 cm around the sensor device.
  • the sensor device is preferably designed to detect the concentration of volatile organic substances in the ambient air of the sensor device with a sampling rate.
  • the sampling rate can be fixed or can be changed. For example, the concentration of volatile organic compounds in the ambient air can be sampled at a sampling rate of 1 Hz. If the sampling rate is increased, for example to 10 Hz, the accuracy of the first sensor information can be increased. On the other hand, if the sampling rate is reduced, for example to 0.5 Hz, the energy consumption of the sensor device can be reduced.
  • a changeable sampling rate enables the sensor device to be optimally adapted to the age and the physique of the test person, which have a significant influence on the test person's breathing frequency. As a result, the sampling rate can be set to a frequency which delivers sufficiently precise results and thereby contributes to energy-efficient operation of the sensor device. In particular, the sampling rate should be at least twice the subject's respiratory rate.
  • the Concentration of volatile organic compounds in the ambient air of the sensor device is significantly influenced by the breathing activity of the subject. This increases the concentration of volatile organic compounds in the ambient air of the sensor device when the subject exhales. Because they are volatile organic compounds, the concentration of volatile organic compounds drops immediately after the subject exhales. Thus, by measuring the concentration of the volatile organic compounds in the ambient air of the sensor device or by measuring the time course of the concentration of volatile organic compounds, the breathing activity of the test person can be detected by the sensor system.
  • the sensor device is preferably designed to detect the concentration of the volatile organic compounds in the breathing air or exhaled air and / or inhaled air of the test subject.
  • the sensor device can have a first sensor which is designed to detect the first sensor information, the first sensor being attachable between the subject's mouth and nose and in particular on the subject's philtrum. That is, the first sensor can preferably be arranged in the air flow generated by the test person's inhalation and / or exhalation air.
  • the arrangement of the sensor device or the first sensor on the subject's philtrum is advantageous since the change in the concentration of the volatile organic compound caused by the subject's breathing activity (inhalation / exhalation) can thus be precisely recorded.
  • the use of a mask, which is applied to the subject and by means of which the subject's breathing air is passed on to a detection unit, can be dispensed with.
  • the proposed solution enables the first sensor information to include information about the concentration of volatile organic compounds in the subject's inhaled and / or exhaled air. It is thus advantageously possible to determine a breathing activity event by means of the time course of the concentration of the volatile organic compound in the inhaled and / or exhaled air.
  • the first sensor information provided by the sensor device can, for example, be wireless or wired to that with the sensor device connectable evaluation device are transmitted.
  • wireless transmission transmission via wireless LAN, Bluetooth or mobile radio can be used, for example.
  • wireless LAN wireless local area network
  • Bluetooth or mobile radio can be used, for example.
  • proprietary radio standards it is also possible to use proprietary radio standards.
  • the transmission can preferably be encrypted.
  • the evaluation device determines a time course of the concentration of the volatile organic compounds from the first sensor information provided by the sensor device.
  • the evaluation device can determine a time course of the change in the concentration of the volatile organic compounds.
  • the evaluation device is preferably designed to determine the breathing activity of the test subject based on the time course of the concentration of the volatile organic compounds or the change in the concentration of the volatile organic compounds.
  • the respiratory rate of the subject can be determined on the basis of the time intervals between successive peaks in the concentration of volatile organic compounds.
  • a peak is understood as a local maximum in the course of the concentration of volatile organic compounds over time.
  • the respiratory rate can be determined on the basis of the time interval between two successive peaks, between which there is a local minimum. The respiratory rate is determined by dividing 1 by the time interval between two peaks.
  • the evaluation device is preferably designed to determine a first breathing activity event in the breathing activity of the test subject when the concentration of the volatile organic compounds decreases over a first time period.
  • determining whether the first respiratory event occurs For example, at a decrease in the concentration of the volatile organic compounds, which takes place over a period of 8 seconds, preferably over a longer period of time than 8 seconds, the presence of the first breathing activity event is determined.
  • the first breathing activity event corresponds to an apnea of the subject.
  • the first respiratory event can be determined by the concentration of volatile organic compounds at the end of the time period being below a local minimum that (immediately) preceded the peak.
  • the sensor system can determine that the first respiratory event occurs when the concentration of volatile organic compounds at the end of the period is at least 1/10 below the aforementioned local minimum. If the subject has a correspondingly long apnea, the concentration of the volatile organic compounds in the ambient air of the sensor device can substantially approach the concentration of the volatile organic compounds contained in the air.
  • the evaluation device is preferably designed to determine a second breathing activity event, different from the first breathing activity event, in the breathing activity of the test subject if the concentration of the volatile organic compounds falls below a threshold value and / or the concentration of the volatile organic compounds fluctuates below the threshold value.
  • the threshold depends, among other things, on the concentration of volatile organic compounds in the
  • Air surrounding the sensor device is already present without the subject's breathing activity and due to the change in the concentration of volatile organic compounds which occurs during normal breathing activity or breathing of the subject. If this threshold is undershot, the
  • the evaluation device determines that hypopnea is present as the second breathing activity event. If hypopnea is present, there is a reduced increase in the concentration of volatile organic compounds compared to normal breathing activity per breathing cycle, i.e. when the subject inhales and exhales. For example, the increase in the concentration of volatile compounds in the presence of hypopnea can be reduced by at least 30% compared to normal breathing.
  • the threshold value can preferably be changed so that the determination of the sleeping behavior by the evaluation device can be adapted to the test subject and / or the surroundings.
  • the evaluation device is preferably designed to determine a third breathing activity event that is different from the first and the second breathing activity event if the concentration of the volatile organic compounds fluctuates around a threshold value.
  • the evaluation device determines that the third breathing activity event, which corresponds to a normal breathing of the test person, is present when the concentration of the volatile organic compounds has an essentially periodic sinusoidal time profile.
  • the respiratory rate of the subject can be determined by the evaluation device by means of two peaks or local maxima which follow the concentration of the volatile organic compounds over time. The respiratory rate can be determined in particular by the time interval between the successive peaks or local maxima.
  • the evaluation device can in particular be designed to determine the sleep behavior by processing the time course of the concentration of the volatile compounds by means of a spectral analysis.
  • the evaluation device can be designed to transform the time course of the concentration of the volatile organic compounds into a spectrum by means of a spectral analysis unit.
  • the spectral analysis unit can transform the time course of the volatile organic compounds into a spectrum, for example by means of a (discrete) fast Fourier transformation or wavelet transformation, the present invention not being limited to these transformation processes.
  • the evaluation device can break down the time course of the concentration of the volatile compounds into a large number of data segments, with each data segment of the large number of data segments then being fed to the spectral analysis in order to determine a spectrum of the respective data segment.
  • the spectra obtained are sent to a classification unit of the Evaluation device transmitted.
  • the classification unit is designed to determine whether there is a respiratory event in the spectra.
  • the time course of the concentration of the volatile organic compounds can preferably be broken down into data segments of equal size.
  • each data segment of the plurality of data segments has the same size.
  • the same size is understood to mean the same length in time of the multiplicity of data segments or the same number of measuring points of each data segment.
  • the large number of data segments can have a length of 30 seconds.
  • the first data segment or the first data segments of the plurality of data segments can have a predefined size.
  • the predefined size can be larger than the size of the following data segments.
  • the respiratory rate of the test person can be roughly predetermined by the first larger data segment or the first larger data segments. Based on the rough predetermination of the respiratory rate, the size of the following data segments can be determined in order to reduce noise in the spectrum of the respective data segment.
  • the sensor system or the evaluation device is preferably designed to output a signal when the evaluation device determines that a first breathing activity event and / or second breathing activity event is present. Based on the signal, the test person can be informed or alarmed, for example, about the presence of a first breathing activity event and / or a second breathing activity event that is critical for the test person.
  • the evaluation device is preferably designed to issue a warning if an occurrence of the first respiratory activity event exceeds a first frequency and / or an occurrence of the second respiratory activity event exceeds a second frequency.
  • the first frequency and the second frequency can be the same or different.
  • the first frequency and the second frequency can each be one present an absolute value or define a value per time span.
  • the evaluation device can issue the warning if the first respiratory activity event occurs five times during an hour.
  • the warning can be a warning of the test person, for example an acoustic or haptic warning of the user.
  • the warning can also optionally or alternatively be information to a help center, for example by making an automated emergency call.
  • the first frequency and / or the second frequency can be changed and can be set individually for the test subject.
  • the sensor system or the sensor device preferably has a second sensor, which is designed to detect a movement of the subject as second sensor information, and the evaluation device is designed to determine the sleep behavior based on the second sensor information.
  • the second sensor can in particular be designed as an inertial measuring system consisting of a position sensor and an acceleration sensor and which is designed to detect an absolute position of the test person in space, the acceleration of a movement of the test person, a rotational speed of the test person and the earth's magnetic field .
  • This information can already be provided as second sensor information by the sensor device of the evaluation direction.
  • the evaluation device can assess the sleep quality of the test subject based on the second sensor information.
  • the sensor system is preferably designed to record at least the following compounds as volatile organic compounds: isoprene, ethanol, methanol, acetone and carbon monoxide.
  • the sensor system is designed to detect only the following compounds as volatile organic compounds: isoprene, ethanol, methanol, acetone and carbon monoxide.
  • the concentration of the volatile organic compounds is preferably detected as a total concentration of these compounds by the sensor device. This is advantageous since a separate detection and consideration of a concentration of each individual volatile compound can be omitted.
  • Another aspect of the invention relates to an evaluation device for determining the sleep behavior of a test subject, the evaluation device being designed: for receiving sensor information comprising a concentration of volatile organic compounds;
  • the evaluation device can in particular be designed in accordance with the preceding statements.
  • Another aspect of the invention relates to a method for determining a subject's sleep behavior, the method comprising the following steps:
  • the method can have one or more of the above statements.
  • Another aspect of the invention relates to a computer program product comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the above method.
  • Figure 1 shows schematically the arrangement of a sensor device on a Subjects.
  • FIG. 2 shows a sequence of recording the sleep behavior of a test subject.
  • FIG. 3 shows an example of the course over time of a detected concentration of volatile organic compounds.
  • FIG. 4 shows on the left side the time course of the concentration of volatile organic compounds during a respiratory activity event and on the right side a spectrum corresponding to the time course.
  • FIG. 5 shows on the left side the time course of the concentration of volatile organic compounds during a further breathing activity event and on the right side a spectrum corresponding to the time course.
  • FIG. 6 shows on the right side the time course of the concentration of volatile organic compounds during another breathing activity event and on the right side a spectrum corresponding to the time course.
  • FIG. 7 shows a sequence of recording the sleep behavior of a test subject.
  • FIG. 1 shows a sensor device 10 arranged on a test subject, FIG. 1 showing a human being as a test subject.
  • the sensor device 10 is worn by the test person on his nose.
  • the sensor device 10 also has a voltage source 12, a first sensor 14, a second sensor 16 and a data processing unit 18.
  • a connecting element 19 serves to mechanically connect the voltage source 12, the first sensor 14, the second sensor 16 and the data processing unit 18 to one another.
  • the voltage source 12 supplies the sensor device 10 with an operating voltage and can preferably have a rechargeable battery.
  • the first sensor 14 is designed to detect a concentration of volatile organic To detect connections in its ambient air.
  • the first sensor 14 can detect the concentration of volatile organic compounds with a fixed or variable sampling rate.
  • the first sensor 14 can detect the concentration of volatile organic compounds in the ambient air with a sampling rate of 1 Hz.
  • the sampling rate should be at least twice the subject's breathing rate. It can preferably be provided that the concentration of the volatile organic compounds in the ambient air of the sensor device 10 detected by the first sensor 14 corresponds to a concentration of the volatile organic compounds detected directly on the first sensor 14. In other words, the concentration of volatile organic compounds detected by the first sensor 14 corresponds to a concentration of volatile organic compounds present on the first sensor 14.
  • the concentration of volatile organic compounds detected by the first sensor 14 can the existing concentration of volatile organic substances in a range of up to 5 cm around the first sensor 14, a range of up to 10 cm around the first sensor 14, preferably from up to 20 cm around the first sensor 14, or particularly preferably up to 50 cm around the first sensor 14.
  • the first sensor 14 is preferably arranged between the subject's nose and mouth, and particularly preferably on the subject's philtrum. This arrangement makes it possible to exactly detect the change in the concentration of the volatile organic compounds in the ambient air of the first sensor 14 caused by the breathing activity of the test subject. In particular, an exhalation of the subject through the nose and / or mouth leads to an increase in the concentration of volatile organic compounds in the ambient air of the first sensor 14.
  • the second sensor 16 is designed to detect a position and a movement of the subject.
  • the second sensor 16 can in particular be designed to detect an absolute position of the test person in space, acceleration data of a movement of the test person, a rotational speed of the test person and the earth's magnetic field.
  • the second sensor 16 is designed as a 9-axis orientation sensor or as an inertial measuring system consisting of a position sensor and an acceleration sensor. It is preferably provided that the second sensor 16 is arranged and / or fastened on the bridge of the nose or the forehead of the test subject.
  • the data processing unit 18 is designed, in particular, to record the data measured by the first sensor 14 and the second sensor 16 and to transmit it as first sensor information and second sensor information to an evaluation device 20 (not shown in FIG. 1).
  • a suitably configured smartphone or wearable, for example, can be used as the evaluation device 20.
  • the transmission of the first sensor information and second sensor information to the evaluation device 20 is preferably wireless, for example via a Bluetooth, WLAN or (mobile) radio connection. However, a wired transmission of the first sensor information and second sensor information from the sensor device 10 to the evaluation device 20 would alternatively also be possible.
  • the voltage source 12 and the data processing unit 18 are designed to be arranged on the opposite nostrils of the subject. This results in a compact design of the sensor device 10, which can be easily attached to the test subject. Alternatively, the voltage source 12 and the data processing unit 18 can be arranged or fastened on the subject's forehead.
  • the sensor device 10 can in particular be arranged or fastened to the test person using adhesive, adhesive, suction and / or other fastening means.
  • adhesive adhesive, suction and / or other fastening means.
  • plasters, suction buttons or a fastening clip can be used to fasten the sensor device 10 to the subject.
  • the connecting element 19 can be designed to be deformable in order to adapt the sensor device 10 to the anatomy of the subject's nose.
  • FIG. 2 shows the sequence of recording the sleep behavior of a subject by the sensor device 10 and the evaluation device 20.
  • FIG. 2 illustrates the functions performed by the sensor device 10.
  • the block evaluation device 20 illustrates on the other hand, the functions performed by the evaluation device 20.
  • the first sensor 14 detects or measures the concentration of volatile organic compounds in the ambient air of the first sensor 14. As shown above, the first sensor 14 can detect or measure the concentration of volatile organic compounds at a specific or variable sampling rate . measure up. The first sensor 14 then forwards the measured data to the data processing unit 18.
  • a data preprocessing S210 of the measured data can be carried out by the data processing unit 18. The data preprocessing S210 enables faulty data sets to be identified and sorted out from the data measured by the first sensor 14.
  • the data preprocessing S210 can use a low-pass filter with a cut-off frequency of preferably 0.2 Hz - 1.2 Hz.
  • the data preprocessing S210 can identify outliers in the acquired data or data sets by means of a box plot and can sort out corresponding data or data sets.
  • the data or data records retained in the data preprocessing S210 are then converted into a format suitable for further processing by means of a data conversion S220.
  • the data converted in this way is buffered in step S230 "buffering" for transmission to the evaluation device 20.
  • the sensor device 10 then transmits the data as first sensor information to the evaluation device 20.
  • the transmission can be wireless or wired.
  • the transmission can preferably be encrypted.
  • the evaluation device 20 divides the first sensor information received from the sensor device 10 in one step data division S240 into a continuous stream of data segments of the same size.
  • the size of the data segments can relate to a period of time of the first sensor information, which comprises each individual data segment, or to the physical size of each data segment.
  • Each data segment is subjected to a spectral analysis by the evaluation device 20 in a step S250.
  • the spectral analysis can be carried out, for example, using a discrete fast Fourier transformation.
  • evaluation device 20 classifies the spectra obtained by spectral analysis S250.
  • the classification can determine which respiratory activity event is present in the spectra obtained.
  • the classification can take place in particular by means of machine-learning methods, such as, for example, neural networks or a support vector machine (SVM).
  • SVM support vector machine
  • the evaluation device can determine in step S270 whether a breathing condition of the subject is critical. If a critical breathing condition is present, the evaluation device 20 can trigger an alarm S290.
  • Alarm S290 can be used to inform the test subject of the presence of a critical breathing condition or of the presence of a breathing activity event. The alarm can, for example, take place haptically, by means of appropriate actuators, and / or acoustically.
  • the evaluation device 20 is designed to store the acquired data for later reproduction or evaluation. Furthermore, the evaluation device 20 can have an output medium which outputs an evaluation of the sleep behavior to the test subject. For example, a graphic and / or summary can be displayed by means of a display device, which shows the subject the evaluation of the sleep behavior. For example, the summary may include information about the frequency of the first breathing activity event, the frequency of the second breathing activity event, and the frequency of the third breathing activity event.
  • the classification S260 is described in more detail below with reference to FIGS. 3 to 6.
  • FIG. 3 shows an example of a time course of a concentration of volatile organic compounds (VOC) in ppb.
  • Different respiratory activity events are shown as examples in a first time period Z1, in a second time period Z2 and in a third time period Z3.
  • the first Time period Z1 shows the state of normal breathing activity of the test subject, which is referred to below as the third breathing activity event.
  • the second time period Z2 shows a first breathing activity event that is different from the third breathing activity event.
  • the first breathing activity event shown in the second time period Z2 corresponds to an apnea of the test person, that is to say a longer suspension of the test person's breathing.
  • the third period Z3 shows a second breathing activity event, which differs from the first and third breathing activity events.
  • the second respiratory activity event is a subject's hypopnea, which results in a decrease in the subject's respiratory flow.
  • FIGS. 4 to 6 each show on the left side the time course of a concentration of volatile organic compounds measured in the ambient air of the first sensor 14.
  • On the right an example of a spectrum of the respective time course obtained by the spectral analysis S250 is shown.
  • the ordinate of the spectrum represents the amplitude, the period duration of the spectrum obtained being shown on the abscissa of the spectrum.
  • Figure 4 also shows the third breathing activity event (normal breathing activity).
  • the concentration of the volatile organic compounds fluctuates depending on the breathing activity of the test subject.
  • exhaling the subject increases the concentration of volatile organic compounds.
  • the concentration of volatile organic compounds begins to decrease again.
  • the course over time of the concentration of volatile organic compounds is an essentially periodic sinusoidal course.
  • the subject's respiratory rate can be determined in particular from the time course shown on the left. For this purpose, the distance between two neighboring peaks or local maxima P1 and P2 is considered.
  • a peak P1 in the course of the concentration of the volatile organic compounds is a local maximum, which lies between two neighboring local ones Minima M1 and M2 lies.
  • the respiratory rate of the subject can thus be determined from the time interval T1 between two adjacent peaks P1 and P2. Furthermore, the time course of the concentration of the volatile compounds fluctuates periodically around a first threshold value SW1 and is particularly dependent on the age and physique of the test subject.
  • the first threshold value SW 1 lies between the minimum concentration of volatile organic compounds and the maximum concentration of volatile organic compounds when the subject breathes normally.
  • the minimum concentration of the volatile organic compounds and the maximum concentration of the volatile organic compounds in a normal breathing of the test person can be determined by averaging the local minima or averaging the local maxima.
  • the presence of the third respiratory event can be determined by the amplitude of the concentration of the volatile organic compounds being substantially constant.
  • the spectrum obtained by the spectral analysis S250 on the right-hand side of FIG. 4 results in a characteristic course of the third breathing activity event, the presence of which can be determined by the classification S260.
  • the spectrum of the third breathing activity event has a clear peak Pd, by means of which the presence of the third breathing activity event can be determined.
  • the amplitude of the peak Pd is preferably at least 5 db / s higher than a first limit value GW1 with a period of 30 seconds.
  • the peak Pd corresponds to a period of the subject's breathing activity, from which the subject's breathing frequency can be determined.
  • the time course of the concentration of the volatile organic compounds in the presence of the first respiratory activity event is shown on the left-hand side of FIG.
  • the right side of FIG. 5 shows the spectrum obtained by spectral analysis S250.
  • the first respiratory event can be determined from the course of the concentration of the volatile organic compounds over time when the concentration of the volatile organic compounds starts or falls over a period T2 starting from a peak P3.
  • the period T2 is at least 8 Seconds, preferably at least 10 seconds.
  • the presence of the first respiratory event can additionally be determined if the concentration of the volatile organic compounds at the end of the period T2 is below a local minimum M3 which preceded, preferably immediately preceded, peak P3.
  • the presence of the first respiratory activity event is preferably determined when the concentration of volatile organic compounds at the end of the period T2 is at least 10% below the local minimum M3.
  • a spectrum characteristic of the first respiratory activity event can be generated by the spectral analysis S250.
  • the S260 classification can be used to determine from this spectrum whether the first breathing activity event has occurred.
  • the spectrum is characterized in particular by the fact that it has no peak characteristic of normal respiratory activity, see peak Pd in FIG. 4. Rather, the amplitude value approaches a second limit value GW2 from below with increasing period duration.
  • the second limit value GW2 corresponds to an amplitude value with a period of approximately 30 seconds.
  • the time course of the concentration of the volatile organic compounds in the presence of the second respiratory activity event is shown on the left side of FIG.
  • the right side of FIG. 6 shows the spectrum obtained by spectral analysis S250.
  • the second respiratory activity event can be determined from the time course of the concentration of the volatile organic compounds shown on the left-hand side of FIG.
  • the concentration of volatile organic compounds fluctuates below a second threshold SW2.
  • the respiratory rate can be determined via two adjacent peaks P4 and P5 and their temporal distance from one another.
  • the second threshold value SW2 can be predetermined but can also be matched to the probands.
  • the presence of the second respiratory activity event can be determined if the respiratory rate deviates from the respiratory rate during a normal respiratory activity of the subject.
  • the presence of the second breathing activity event can be determined from the spectrum obtained by the spectral analysis S250 using the classification S260.
  • the spectrum has a peak PH, which corresponds to the period of the test subject's breathing activity.
  • the amplitude of the peak PH is below a third threshold value SW3.
  • the third threshold value SW3 can be predetermined and / or matched to the test subject.
  • the third threshold value SW3 is below the amplitude of the peak Pd during normal breathing by the subject.
  • the frequency with which the first to third breathing activity events occur in each case can be used to determine the subject's sleeping behavior.
  • the sensor device 10 and evaluation device 20 described above thus make it possible to determine the sleep behavior and in particular the first to third breathing activity events in real time.
  • the sensor device 10 or the first sensor 14 is preferably designed to detect at least the following substances as volatile organic compounds: isoprene, ethanol, methanol, acetone and carbon monoxide.
  • the sensor device 12 or the first sensor 14 is designed to detect only the following compounds as volatile organic compounds: isoprene, ethanol, methanol, acetone and carbon monoxide.
  • the concentration of the volatile organic compounds is preferably detected as a total concentration of these compounds by the sensor device. This is advantageous since a separate detection and consideration of a concentration of each individual volatile organic compound can be omitted.
  • the evaluation device 20 can take into account the movement data of the test person recorded by the second sensor 16 when determining the sleep behavior of the test person.
  • FIG. 7 shows the sequence of recording the sleep behavior of a subject by the sensor device 10 and by the evaluation device 20, taking into account the movement data recorded by the second sensor 16.
  • FIG. 7 illustrates in block sensor device 10 the functions performed by sensor device 10.
  • the block evaluation device 20, on the other hand, illustrates the functions performed by the evaluation device 20.
  • a measurement S300 is carried out with regard to the position and movement of the test subject.
  • the movement data obtained in this way are subjected to a correction by the data processing unit 18 in step S310.
  • the correction S310 can preferably use a low-pass filter and / or sort out exits in the movement data by means of a boxplot method.
  • a data conversion S320 converts the data or data sets of the movement data retained by the correction S310 into a format which is suitable for further processing.
  • the data converted in this way is buffered in step buffers S330 for transmission to the evaluation device 20.
  • the sensor device 10 then transmits the data as second sensor information to the evaluation device 20. As described above, the transmission can be wireless or wired.
  • the evaluation device 20 divides the second sensor information received from the sensor device 10 into data segments of equal size in step S340 (data sharing step S340).
  • the evaluation device 20 then carries out a classification of the individual data segments in step S350.
  • a movement or position of the test person can be determined by the classification S350 (step S360 posture determination).
  • the classification can take place in particular by means of machine-learning methods, such as, for example, neural networks or a Support Vector Machine (SVM).
  • SVM Support Vector Machine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden, aufweisend: eine Sensorvorrichtung (10) zur Anordnung an dem Probanden, wobei die Sensorvorrichtung dazu ausgelegt ist, erste Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung bereitzustellen; eine mit der Sensorvorrichtung (10) koppelbare Auswertevorrichtung (20) zum Auswerten der durch die Sensorvorrichtung (10) bereitgestellten ersten Sensorinformationen, wobei die Auswertevorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, einen zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zu bestimmen und mittels des zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, das Schlafverhalten des Probanden zu bestimmen.

Description

"Sensorsystem, Auswertevorrichtung, Verfahren und Computerprogrammprodukt zur Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden "
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem, eine Auswertevorrichtung, ein Verfahren sowie ein Computerprogrammprodukt zur Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden.
Das Schlafverhalten eines Probanden, wie zum Beispiel eines Menschen, wird durch verschiedene Faktoren bestimmt. Insbesondere können verschiedene physische Störungen bzw. physische Einflüsse das Schlafverhalten eines Probanden (negativ) beeinflussen. In jüngster Zeit wird insbesondere beobachtet, dass eine Störung der Atmungstätigkeit des Probanden, das Schlafverhalten des Probanden negativ beeinflussten. Als Störungen der Atmungstätigkeit sind insbesondere Apnoe und Hypopnoe bekannt. Apnoe bezeichnet dabei ein mehr oder weniger langes Aussetzen der Atmung des Probanden. Hypopnoe dagegen bezeichnet ein Ereignis während der Atmung, bei dem es zu einer Verminderung des Atemflusses kommt. Des Weiteren wird das Schlafverhalten eines Probanden maßgeblich durch Bewegungen des Probanden während des Schlafens charakterisiert.
Aussagekräftige Auswertungen des Schlafverhaltens eines Probanden können derzeit nur in Schlaflaboren mittels einer Polysomnographie erstellt werden. Dabei werden während einer ganzen Nacht unterschiedliche Körperfunktionen in einem speziell eingerichteten Schlaflabor kontinuierlich überwacht. Ferner sind für die Erfassung und Auswertung des Schlafverhaltens aus dem Heimanwendungsbereich verschiedene Anwendungen bekannt. So können zum Beispiel Sensormatten oder spezielle Smartphone-Anwendungen das Schlafverhalten eines Probanden erfassen und auswerten. Allerdings lassen diese Anwendungen keine zuverlässige Auswertung des Schlafverhaltens zu, da diese Anwendungen häufig fehleranfällig sind. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Sensorsystem, eine Auswertevorrichtung, ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt vorzuschlagen, welche das Schlafverhalten eines Probanden zuverlässig Erfassen können und welche einfach, vorzugsweise im Heimanwendungsbereich, einzusetzen bzw. anzuwenden sind.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden, aufweisend:
eine Sensorvorrichtung zur Anordnung an dem Probanden, wobei die Sensorvorrichtung dazu ausgelegt ist, erste Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung bereitzustellen;
eine mit der Sensorvorrichtung koppelbare Auswertevorrichtung zum Auswerten der durch die Sensorvorrichtung bereitgestellten ersten Sensorinformationen, wobei die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt ist, einen zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zu bestimmen und mittels des zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, das Schlafverhalten des Probanden zu bestimmen.
Das Sensorsystem kann insbesondere dazu eingesetzt werden, die Atmungstätigkeit des Probanden während dessen Schlaf zu erfassen und um ein respiratorisches Ereignis bzw. ein Atmungstätigkeitsereignis in der erfassten Atmungstätigkeit zu erkennen. Die erfasste Atmungstätigkeit kann insbesondere die Einatmungstätigkeit und/oder Ausatmungstätigkeit des Pro banden umfassen. Über die erfasste Atmungstätigkeit und/oder das erkannte Atmungstätigkeitsereignis kann dann das Schlafverhalten des Probanden bestimmt werden. Als Proband kann insbesondere ein Mensch verstanden werden, aber auch Tiere können als Proband infrage kommen. Die Sensorvorrichtung weist vorzugsweise Anbringungs- bzw. Befestigungsmittel auf, mit denen die Sensorvorrichtung lösbar an dem Probanden angebracht bzw. angeordnet werden kann. Als Anbringungs- bzw. Befestigungsmittel können beispielsweise Klebe-, Haft-, oder Saugmittel vorgesehen werden.
Als flüchtige organische Verbindungen werden organische bzw. kohlenstoffhaltige Verbindungen bzw. Stoffe bezeichnet, welche bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei Raumtemperatur, als Gas vorliegen. Flüchtige organische Verbindungen werden im Englischen auch als "volatile organic Compounds" bezeichnet und mit "VOC" abgekürzt. Im Rahmen dieser Offenbarung ist die Formulierung "flüchtige organische Verbindungen" mit der englischen Bezeichnung "volatile organic compounds" bzw. der Abkürzung "VOC" austauchbar. Die Angabe über die Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen erfolgt in ppb (parts per billion bzw. Teile pro Milliarden) oder auch ppm (parts per million bzw. Teile pro Million)
Ferner kann der durch die Sensorvorrichtung erfasste Bereich der Umgebungsluft die unmittelbar an der Sensorvorrichtung vorhandene Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen betreffen, die vorhandene Konzentration flüchtiger organischer Stoffe in einem Bereich von bis zu 5cm um die Sensorvorrichtung herum, einen Bereich von bis zu 10cm um die Sensorvorrichtung herum, bevorzugt von bis zu 20cm um die Sensorvorrichtung herum, oder besonders bevorzugt von bis zu 50 cm um die Sensorvorrichtung herum betreffen.
Die Sensorvorrichtung ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die Konzentration von flüchtigen organischen Stoffen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung mit einer Abtastrate zu erfassen. Die Abtastrate kann fest vorgegeben sein oder veränderbar sein. Beispielsweise kann die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft mit einer Abtastrate von 1 Hz abgetastet werden. Bei einer Erhöhung der Abtastrate, beispielsweise auf 10Hz, kann die Genauigkeit der ersten Sensorinformationen erhöht werden. Bei einem Absenken der Abtastrate, zum Beispiel auf 0,5 Hz, kann dahingegen der Energieverbrauch der Sensorvorrichtung gesenkt werden. Insbesondere ermöglicht eine veränderbare Abtastrate, dass die Sensorvorrichtung optimal an das Alter und die Physis des Probanden angepasst werden kann, welche die Atemfrequenz des Probanden maßgeblich beeinflussen. Dadurch kann die Abtastrate auf eine Frequenz eingestellt werden, welche ausreichend genaue Ergebnisse liefert und dabei zu einem energieeffizienten Betrieb der Sensorvorrichtung beiträgt. Insbesondere sollte die Abtastrate mindestens das Doppelte der Atemfrequenz des Probanden betragen.
Flüchtige organische Verbindungen sind in der Luft enthalten, wobei die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung maßgeblich durch die Atmungstätigkeit des Probanden beeinflusst wird. So erhöht sich die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung beim Ausatmen des Probanden. Dadurch, dass es sich um flüchtige organische Verbindungen handelt, sinkt die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen unmittelbar nach dem Ausatmen des Probanden. Somit kann durch die Messung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung bzw. durch die Messung des zeitlichen Verlaufs der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen, die Atmungstätigkeit des Probanden durch das Sensorsystem erfasst werden.
Vorzugsweise ist die Sensorvorrichtung dazu ausgelegt, die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Atemluft bzw. Ausatemluft und/oder Einatemluft des Probanden zu erfassen. Dazu kann die Sensorvorrichtung einen ersten Sensor aufweisen, der dazu ausgelegt ist, die ersten Sensorinformation zu erfassen, wobei der erste Sensor zwischen Mund und Nase des Probanden und insbesondere an dem Philtrum des Probanden befestigbar ist. D.h., der erste Sensor kann bevorzugt im durch die Ein- und/oder Ausatemluft des Probanden erzeugten Luftstrom angeordnet sein. Die Anordnung der Sensorvorrichtung bzw. des ersten Sensors am Philtrum des Probanden ist vorteilhaft, da die durch die Atmungstätigkeit (Einatmen/Ausatmen) des Probanden verursachte Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindung somit genau erfasst werden kann. Ferner kann auf die Verwendung einer Maske, welche dem Probanden angelegt wird und mittels welcher die Atemluft des Probanden zu einer Erfassungseinheit weitergeleitet wird, verzichtet werden. Ferner ermöglicht die vorgeschlagene Lösung, dass die erste Sensorinformation eine Information über die Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen in der Einatem- und/oder Ausatemluft des Probanden umfasst. Somit ist es vorteilhaft möglich, ein Atmungstätigkeitsereignis mittels des zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindung in der Einatem- und/oder Ausatemluft zu bestimmen.
Die von der Sensorvorrichtung bereitgestellten ersten Sensorinformationen können beispielsweise drahtlos bzw. drahtgebunden an die mit der Sensorvorrichtung koppelbare Auswertevorrichtung übertragen werden. Zur drahtlosen Übertragung kann beispielsweise auf eine Übertragung mittels Wireless Lan, Bluetooth oder Mobilfunk zurückgegriffen werden. Es ist aber auch eine Nutzung von proprietären Funkstandards möglich. Vorzugsweise kann die Übertragung verschlüsselt erfolgen.
Wie eingangs dargestellt, bestimmt die Auswertevorrichtung einen zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen aus den durch die Sensorvorrichtung bereitgestellten ersten Sensorinformationen. Insbesondere kann die Auswertevorrichtung einen zeitlichen Verlauf der Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bestimmen. Bevorzugt ist die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt, die Atmungstätigkeit des Probanden basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bzw. der Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zu bestimmen.
So kann beispielsweise anhand der zeitlichen Abstände von aufeinanderfolgenden Peaks in der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, eine Atemfrequenz des Probanden bestimmt werden. Als Peak wir ein lokales Maximum im zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen verstanden. Insbesondere kann die Atemfrequenz aufgrund des zeitlichen Abstands von zwei nacheinander folgenden Peaks ermittelt werden, zwischen denen ein lokales Minimum liegt. Die Atemfrequenz wird durch die Division von 1 durch den zeitlichen Abstand von zwei Peaks ermittelt.
Vorzugsweise ist die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt, ein erstes Atmungstätigkeitsereignis in der Atmungstätigkeit des Probanden zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen über eine erste Zeitspanne abnimmt. Insbesondere kann nach einem erfolgten Anstieg der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen und nach dem Erreichen eines Peaks der Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen, was auf ein Ausatmen des Probanden zurückzuführen ist, und einer im Anschluss an den erfolgten Anstieg bzw. erreichen des Peaks erfolgenden Abnahme der Konzentration der flüchtigen organischen Stoffe, welche über eine Zeitspanne erfolgt, das Voriiegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses bestimmt werden. So kann zum Beispiel bei einer Abnahme der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, welche über eine Zeitspanne von 8 Sekunden, bevorzugt über einen längeren Zeitraum als 8 Sekunden erfolgt, das Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses bestimmt werden. Das erste Atmungstätigkeitsereignis entspricht einer Apnoe des Probanden. Zusätzlich kann das erste Atmungstätigkeitsereignis dadurch bestimmt werden, dass die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen am Ende der Zeitspanne unterhalb eines lokalen Minimums liegt, welches dem Peak (unmittelbar) voraus gegangen ist. So kann das Sensorsystem beispielsweise bestimmen, dass das erste Atmungstätigkeitsereignis vorliegt, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen am Ende der Zeitspanne mindestens 1/10 unter dem zuvor genannten lokalen Minimum liegt. Bei entsprechend langanhaltender Apnoe des Probanden, kann die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung sich der in der Luft enthaltenen Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen im Wesentlichen annähern.
Vorzugsweise ist die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt, ein von dem ersten Atmungstätigkeitsereignis verschiedenes zweites Atmungstätigkeitsereignis in der Atmungstätigkeit des Probanden zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen unter einen Schwellenwert fällt und/oder die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen unterhalb des Schwellenwerts schwankt. Der Schwellenwert ist unter anderem davon abhängig, welche Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen in der die
Sensorvorrichtung umgebenden Luft bereits ohne Atmungstätigkeit des Probanden vorhanden ist und durch die Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, welche bei normaler Atemtätigkeit bzw. Atmung des Probanden erfolgt. Bei einem Unterschreiten dieses Schwellenwertes, kann die
Auswertevorrichtung bestimmen, dass als zweites Atmungstätigkeitsereignis eine Hypopnoe vorliegt. Beim Vorliegen von Hypopnoe erfolgt pro Atemzyklus, also beim Ein- und Ausatmen des Probanden, ein verringerter Anstieg der Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen im Vergleich zu einer normalen Atmungstätigkeit. Beispielsweise kann der Anstieg der Konzentration von flüchtigen Verbindungen bei Vorliegen einer Hypopnoe im Vergleich zu einer normalen Atmung um mindestens 30 % verringert sein. Vorzugsweise ist der Schwellenwert veränderbar, so dass die Bestimmung des Schlafverhaltens durch die Auswertevorrichtung an den Probanden und/oder die Umgebung anpassbar ist.
Des Weiteren ist die Auswertevorrichtung bevorzugt ausgelegt, ein von dem ersten und dem zweiten Atmungstätigkeitsereignis verschiedenes drittes Atmungstätigkeitsereignis zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen um einen Schwellenwert herum schwankt. Insbesondere bestimmt die Auswertevorrichtung, dass das dritte Atmungstätigkeitsereignis, welches einer normalen Atmung des Probanden entspricht, vorliegt, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen einen im Wesentlichen periodischen sinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweisen. Insbesondere kann mittels zweier im zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen aufeinanderfolgender Peaks bzw. lokaler Maxima, die Atemfrequenz des Probanden durch die Auswertevorrichtung bestimmt werden. Die Atemfrequenz kann insbesondere durch den zeitlichen Abstand der aufeinanderfolgenden Peaks bzw. lokaler Maxima bestimmt werden.
Die Auswertevorrichtung kann insbesondere dazu ausgelegt sein, das Schlafverhalten dadurch zu bestimmen, indem der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen Verbindungen mittels einer Spektralanalyse verarbeitet wird. Dazu kann die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt sein, den zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen mittels einer Spektralanalyseeinheit in ein Spektrum zu transformieren. Dabei kann die Spektralanalyseeinheit den zeitlichen Verlauf der flüchtigen organischen Verbindungen beispielsweise mittels einer (diskreten) schnellen Fouriertransformation oder Wavelet-T ransformation in ein Spektrum transformieren, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese T ransformationsverfahren beschränkt ist. Vor der eigentlichen Spektralanalyse kann die Auswertevorrichtung den zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen Verbindungen in eine Vielzahl von Datensegmenten zerlegen, wobei anschließend jedes Datensegment der Vielzahl von Datensegmenten der Spektralanalyse zugeführt wird, um ein Spektrum des jeweiligen Datensegments zu bestimmen. Im Anschluss an die Spektralanalyse, werden die erhaltenen Spektren an eine Klassifizierungseinheit der Auswertevorrichtung übermittelt. Die Klassifizierungseinheit ist dazu ausgelegt, zu bestimmen, ob in den Spektren ein Atmungstätigkeitsereignis vorliegt.
Bevorzugt kann der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in gleichgroße Datensegmente zerlegt werden. Mit anderen Worten weist jedes Datensegment der Vielzahl von Datensegmenten die gleiche Größe auf. Unter gleicher Größe wird eine gleiche zeitliche Länge der Vielzahl von Datensegmenten oder eine gleiche Anzahl von Messpunkten eines jeden Datensegments verstanden. Beispielsweise können die Vielzahl von Datensegmenten eine Länge von 30 Sekunden aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform können das erste Datensegment oder die ersten Datensegmente der Vielzahl von Datensegmenten eine vordefinierte Größe haben. Die vordefinierte Größe kann größer sein, als die Größe der folgenden Datensegmente. Durch das erste größere Datensegment oder die ersten größeren Datensegmente, kann die Atemfrequenz des Probanden grob vorbestimmt werden. Anhand der groben Vorbestimmung der Atemfrequenz kann die Größe der folgenden Datensegmente bestimmt werden, um Rauschen im Spektrum des jeweiligen Datensegments zu reduzieren.
Vorzugsweise ist das Sensorsystem bzw. die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt, ein Signal auszugeben, wenn die Auswertevorrichtung bestimmt, dass ein erstes Atmungstätigkeitsereignis und/oder zweites Atmungstätigkeitsereignis vorliegen. Anhand des Signals kann beispielsweise der Proband über das Vorliegen eines ersten Atmungstätigkeitsereignisses und/oder eines zweiten Atm u ngstätig keitsereig n isses , welche für den Probanden kritisch sind, informiert bzw. alarmiert werden.
Des Weiteren ist die Auswertevorrichtung bevorzugt dazu ausgelegt ist, eine Warnung auszugeben, wenn ein Auftreten des ersten Atmungstätigkeitsereignisses eine erste Häufigkeit überschreitet, und/oder ein Auftreten des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses eine zweite Häufigkeit überschreitet. Dabei können die erste Häufigkeit und die zweite Häufigkeit gleich oder unterschiedlich sein. Des Weiteren können die erste Häufigkeit und die zweite Häufigkeit jeweils einen absoluten Wert präsentieren oder einen Wert pro Zeitspanne definieren. Beispielsweise kann die Auswertevorrichtung bei einem fünfmaligen Auftreten des ersten Atmungstätigkeitsereignisses während einer Stunde, die Warnung ausgeben. Die Warnung kann dabei eine Warnung des Probanden sein, beispielsweise eine akustische bzw. haptische Warnung des Nutzers. Die Warnung kann aber auch optional oder a Iterativ eine Information an eine Hilfestelle sein, beispielsweise durch Absetzen eines automatisierten Notrufs. Die erste Häufigkeit und/oder die zweite Häufigkeit sind veränderbar und können individuell auf den Probanden eingestellt werden.
Vorzugsweise weist das Sensorsystem bzw. die Sensorvorrichtung einen zweiten Sensor auf, der dazu ausgelegt ist, eine Bewegung des Probanden als zweite Sensorinformation zu erfassen, und wobei die Auswertevorrichtung dazu ausgeiegt ist, das Schlafverhalten basierend auf der zweiten Sensorinformation zu bestimmen. Der zweite Sensor kann insbesondere als ein inertiales Messsystem, bestehend aus einem Lagesensor und einem Beschleunigungssensor, ausgebildet sein und der dazu ausgelegt ist, eine absolute Lage des Probanden im Raum, die Beschleunigung einer Bewegung des Probanden, eine Drehgeschwindigkeit des Probanden und das Erdmagnetfeld zu erfassen. Diese Informationen können durch die Sensorvorrichtung der Auswerterichtung als zweite Sensorinformationen bereits gestellt werden. Die Auswertevorrichtung kann basierend auf den zweiten Sensorinformationen die Schlafqualität des Probanden beurteilen.
Bevorzugt ist das Sensorsystem dazu ausgelegt, zumindest folgende Verbindungen als flüchtige organische Verbindungen zu erfassen: Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid. In einer weiteren Ausführungsform ist das Sensorsystem dazu ausgelegt ausschließlich folgende Verbindungen als flüchtige organische Verbindungen zu erfassen: Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid. Vorzugsweise wird die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen als eine Gesamtkonzentration dieser Verbindungen durch die Sensorvorrichtung erfasst. Dies ist vorteilhaft, da eine separate Erfassung und Betrachtung einer Konzentration jeder einzelnen flüchtigen Verbindung entfallen kann. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betriff eine Auswertevorrichtung zum Bestimmen des Schlafverhaltens eines Probanden, wobei die Auswertevorrichtung ausgelegt ist: zum Empfangen von Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen;
zum Bestimmen eines zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen basierend auf den empfangenen Sensorinformationen; und
zum Bestimmen des Schlafverhaltens des Probanden mittels des zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen.
Die Auswertevorrichtung kann insbesondere gemäß den vorhergehenden Ausführungen ausgebildet sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Schlafverhaltens eines Probanden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen von Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen;
Bestimmen eines zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen aus den bereitgestellten Sensorinformationen; und
Bestimmen des Schlafverhaltens des Probanden basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen.
Des Weiteren kann das Verfahren eine oder mehrere der vorstehenden Ausführungen aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das vorstehende Verfahren auszuführen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele schematisch näher erläutert. Gleiche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:
Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung einer Sensorvorrichtung an einem Probanden.
Figur 2 zeigt einen Ablauf einer Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden.
Figur 3 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf einer erfassten Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen.
Figur 4 zeigt auf der linken Seite den zeitlichen Verlauf der Konzentration flüchtiger organische Verbindungen während eines Atmungstätigkeitsereignisses und auf der rechten Seite ein dem zeitlichen Verlauf entsprechendes Spektrum.
Figur 5 zeigt auf der linken Seite den zeitlichen Verlauf der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen während eines weiteren Atmungstätigkeitsereignisses und auf der rechten Seite ein dem zeitlichen Verlauf entsprechendes Spektrum.
Figur 6 zeigt auf der rechten Seite den zeitlichen Verlauf der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen während eines weiteren Atmungstätigkeitsereignisses und auf der rechten Seite ein dem zeitlichen Verlauf entsprechendes Spektrum.
Figur 7 zeigt einen Ablauf einer Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden.
Figur 1 zeigt eine an einem Probanden angeordnete Sensorvorrichtung 10, wobei Figur 1 einen Menschen als Probanden darstellt. Die Anwendung der Sensorvorrichtung 10 ist jedoch nicht ausschließlich auf Menschen beschränkt, sie kann auch bei Tieren zur Anwendung gelangen. Die Sensorvorrichtung 10 wird von dem Probanden auf dessen Nase getragen. Die Sensorvorrichtung 10 weist ferner eine Spannungsquelle 12, einen ersten Sensor 14, einen zweiten Sensor 16 und eine Datenverarbeitungseinheit 18 auf. Ein Verbindungselement 19 dient zum mechanischen Verbinden der Spannungsquelle 12, des ersten Sensors 14, des zweiten Sensors 16 und der Datenverarbeitungseinheit 18 miteinander. Ferner versorgt die Spannungsquelle 12 die Sensorvorrichtung 10 mit einer Betriebsspannung und kann bevorzugt eine wiederaufladbare Batterie aufweisen.
Der erste Sensor 14 ist dazu ausgebildet, eine Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in dessen Umgebungsluft zu erfassen. Dabei kann der erste Sensor 14 die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen mit einer festen oder variablen Abtastrate erfassen. Beispielsweise kann der erste Sensor 14 die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft mit einer Abtastrate von 1 Hz erfassen. Bevorzugt sollte die Abtastrate mindestens das Doppelte der Atemfrequenz des Probanden betragen. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die durch den ersten Sensor 14 erfasste Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung 10 einer unmittelbar an dem ersten Sensor 14 erfassten Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen entspricht. Mit anderen Worten, die durch den ersten Sensor 14 erfasste Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen entspricht einer am ersten Sensor 14 vorhandenen Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen. Ferner kann die durch den ersten Sensor 14 erfasste Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen die vorhandene Konzentration flüchtiger organischer Stoffe in einem Bereich von bis zu 5 cm um den ersten Sensor 14 herum, einen Bereich von bis zu 10 cm um den ersten Sensor 14 herum, bevorzugt von bis zu 20 cm um den ersten Sensor 14 herum, oder besonders bevorzugt von bis zu 50 cm um den ersten Sensor 14 herum betreffen.
Wie in Figur 1 dargestellt, wird der erste Sensor 14 bevorzugt zwischen Nase und Mund des Probanden, und besonders bevorzugt am Philtrum des Probanden, angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht es, die durch die Atemtätigkeit des Probanden verursachte Änderung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft des ersten Sensors 14 exakt zu erfassen. Insbesondere führt ein Ausatmen des Probanden durch Nase und/oder Mund zu einer Erhöhung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft des ersten Sensors 14.
Der zweite Sensor 16 ist dazu ausgebildet, eine Lage und eine Bewegung des Probanden zu erfassen. Der zweite Sensor 16 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, eine absolute Lage des Probanden im Raum, Beschleunigungsdaten einer Bewegung des Probanden, eine Drehgeschwindigkeit des Probanden und das Erdmagnetfeld zu erfassen. Beispielsweise ist der zweite Sensor 16 als 9-Achsiger Orientierungssensor ausgebildet oder als eine inertiales Messsystem bestehend aus einem Lagesensor und einem Beschleunigungssensor. Vorzugsweise ist vorgesehen, den zweiten Sensor 16 auf dem Nasenrücken oder der Stirn des Probanden anzuordnen und/oder zu befestigen.
Die Datenverarbeitungseinheit 18 ist insbesondere dazu ausgebildet, die von dem ersten Sensor 14 und dem zweiten Sensor 16 gemessenen Daten zu erfassen, und jeweils als erste Sensorinformationen und zweite Sensorinformationen an eine Auswertevorrichtung 20 (in Figur 1 nicht dargestellt) zu übertragen. Als Auswertevorrichtung 20 können zum Beispiel ein entsprechend konfiguriertes Smartphone oder Wearable verwendet werden. Die Übertragung der ersten Sensorinformationen und zweiten Sensorinformationen an die Auswertevorrichtung 20 erfolgt bevorzugt drahtlos, beispielsweise über eine Bluetooth-, WLAN-, oder (Mobil)-Funkverbindung. Es wäre jedoch alternative auch eine kabelgebundene Übertagung der ersten Sensorinformationen und zweiten Sensorinformationen von der Sensorvorrichtung 10 an die Auswertevorrichtung 20 möglich.
Die Spannungsquelle 12 und die Datenverarbeitungseinheit 18 sind dazu ausgelegt, jeweils auf den sich gegenüberliegenden Nasenflügeln des Probanden angeordnet zu werden. Dadurch ergibt sich eine kompakte Bauform der Sensorvorrichtung 10, welche sich einfach an den Probanden befestigen lässt. Alternativ können die Spannungsquelle 12 und die Datenverarbeitungseinheit 18 an der Stirn des Probanden angeordnet bzw. befestigt werden.
Die Sensorvorrichtung 10 kann insbesondere mit Haft-, Klebe-, Saug- und/oder sonstigen Befestigungsmitteln an dem Probanden angeordnet bzw. befestigt werden. So können beispielsweise Pflaster, Saugknöpfe oder ein Befestigungsclip zur Befestigung der Sensorvorrichtung 10 an dem Probanden verwendet werden. Des Weiteren kann das Verbindungselement 19 verformbar ausgebildet sein, um die Sensorvorrichtung 10 an die Anatomie der Nase des Probanden anzupassen.
Fig. 2 zeigt den Ablauf einer Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden durch die Sensorvorrichtung 10 und die Auswertevorrichtung 20. Dabei veranschaulicht Fig. 2 im Block Sensorvorrichtung 10 die durch die Sensorvorrichtung 10 durchgeführten Funktionen. Der Block Auswertevorrichtung 20 veranschaulicht dagegen die von der Auswertevorrichtung 20 durchgeführten Funktionen.
Dabei erfolgt in Schritt S200 durch den ersten Sensor 14 eine Erfassung bzw. Messung der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen in der Umgebungsluft des ersten Sensors 14. Wie vorstehend dargestellt, kann der erste Sensor 14 die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen mit einer bestimmten oder variablen Abtastrate erfassen bzw. messen. Der erste Sensor 14 gibt sodann die gemessenen Daten an die Datenverarbeitungseinheit 18 weiter. Durch die Datenverarbeitungseinheit 18 kann eine Datenvorverarbeitung S210 der gemessenen Daten erfolgen. Durch die Datenvorverarbeitung S210 können fehlerhafte Datensätze aus den von dem ersten Sensor 14 gemessenen Daten erkannt und aussortiert werden. Dabei kann die Datenvorverarbeitung S210 einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von vorzugsweise 0,2 Hz - 1 ,2 Hz anwenden. Des Weiteren kann die Datenvorverarbeitung S210 mittels eines Boxplots Ausreißer in den erfassten Daten bzw. Datensätzen erkennen und entsprechende Daten bzw. Datensätze aussortieren. Anschließend erfolgt durch eine Datenkonvertierung S220 eine Konvertierung der in der Datenvorverarbeitung S210 beibehaltenen Daten bzw. Datensätze in ein zur weiteren Verarbeitung geeignetes Format. Die derart konvertierten Daten werden im Schritt S230 "Puffern" zur Übertragung an die Auswertevorrichtung 20 gepuffert. Danach erfolgt durch die Sensorvorrichtung 10 die Übertragung der Daten als erste Sensorinformationen an die Auswertevorrichtung 20. Wie vorstehend beschrieben kann die Übertragung kabellos oder kabelgebunden erfolgen. Vorzugsweise kann die Übertragung verschlüsselt erfolgen.
Die Auswertevorrichtung 20 teilt die von der Sensorvorrichtung 10 empfangenen ersten Sensorinformationen in einem Schritt Datenteilung S240 in einen kontinuierlichen Strom gleich großer Datensegmente auf. Dabei kann sich die Größe der Datensegmente auf einen Zeitraum bzw. Zeitspanne der ersten Sensorinformationen beziehen, welche jedes einzelne Datensegment umfasst, oder auf die physikalische Größe eines jeden Datensegments.
Jedes Datensegment wird durch die Auswertevorrichtung 20 in einem Schritt S250 einer Spektralanalyse unterzogen. Die Spektralanalyse kann beispielsweise mittels einer diskreten schnellen Fourier Transformation durchgeführt werden. Anschließend führt die Auswertevorrichtung 20 im Schritt S260 eine Klassifizierung der durch die Spektralanalyse S250 erhaltenen Spektren durch. Durch die Klassifizierung kann bestimmt werden, welches Atmungstätigkeitsereignis in den erhaltenen Spektren vorliegt. Die Klassifizierung kann insbesondere mittels maschinenlernender Verfahren erfolgen, wie beispielsweise neuronaler Netzwerke oder einer Support Vector Machine (SVM).
Anhand der Häufigkeit von bestimmten Atmungstätigkeitsereignissen kann die Auswertevorrichtung im Schritt S270 bestimmen, ob ein Atmungszustand des Probanden kritisch ist. Bei einem Vorliegen eines kritischen Atmungszustands kann die Auswertevorrichtung 20 einen Alarm S290 auslösen. Durch den Alarm S290 kann der Proband über das Vorliegen eines kritischen Atmungszustands bzw. über das Vorliegen eines Atmungstätigkeitsereignisses informiert werden. Die Alarmierung kann beispielsweise haptisch, mittels entsprechender Aktuatoren, und/oder akustisch erfolgen.
Des Weiteren ist die Auswertevorrichtung 20 dazu ausgelegt, die erfassten Daten für eine späteren Reproduktion bzw. Auswertung zu speichern. Ferner kann die Auswertevorrichtung 20 ein Ausgabemedium aufweisen, welches dem Probanden eine Auswertung des Schlafverhaltens ausgibt. Beispielsweise können mittels einer Anzeigevorrichtung eine Grafik und/oder Zusammenfassung angezeigt werden, welche dem Probanden die Auswertung des Schlafverhaltens anzeigt. Die Zusammenfassung kann beispielsweise Informationen über die Häufigkeit des ersten Atmungstätigkeitsereignisses, die Häufigkeit des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses und die Häufigkeit des dritten Atmungstätigkeitsereignisses enthalten.
Die Klassifizierung S260 wird im Folgenden anhand der Figuren 3 bis 6 näher beschrieben.
Figur 3 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf einer Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) in ppb. Dabei sind in einem ersten Zeitabschnitt Z1 , in einem zweiten Zeitabschnitt Z2 und in einem dritten Zeitabschnitt Z3 jeweils unterschiedliche Atmungstätigkeitsereignisse beispielhaft dargestellt. Der erste Zeitabschnitt Z1 zeigt dabei den Zustand einer normalen Atmungstätigkeit des Probanden, der im Folgenden als drittes Atmungstätigkeitsereignis bezeichnet wird. Der zweite Zeitabschnitt Z2 zeigt ein von dem dritten Atmungstätigkeitsereignis unterschiedliches erstes Atmungstätigkeitsereignis. Das im zweiten Zeitabschnitt Z2 dargestellte erste Atmungstätigkeitsereignis entspricht einer Apnoe des Probanden, also einem längeren Aussetzen der Atmung des Probanden. Der dritte Zeitabschnitt Z3 zeigt ein zweites Atmungstätigkeitsereignis, welches sich von dem ersten und dritten Atmungstätigkeitsereignis unterscheidet. Bei dem zweiten Atmungstätigkeitsereignis handelt es sich um eine Hypopnoe des Probanden, bei der es zu einer Verminderung des Atemflusses des Probanden kommt.
Details zu den einzelnen Atmungstätigkeitsereignissen werden nun unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 6 dargestellt.
Figuren 4 bis 6 zeigen jeweils auf der linken Seite den zeitlichen Verlauf einer in der Umgebungsluft des ersten Sensors 14 gemessenen Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen. Auf der rechten Seite wird beispielhaft ein durch die Spektralanalyse S250 erhaltenen Spektrums des jeweiligen zeitlichen Verlaufs dargestellt. Die Ordinate des Spektrums stellt dabei die Amplitude dar, wobei auf der Abszisse des Spektrums die Periodendauer des erhaltenen Spektrums gezeigt ist.
Ferner zeigt Figur 4 das dritte Atmungstätigkeitsereignis (normale Atmungstätigkeit). Wie auf der linken Seite der Figur 4 ersichtlich, schwankt die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in Abhängigkeit mit der Atmungstätigkeit des Probanden. Wie vorstehend beschrieben, führt ein Ausatmen des Probanden zu einer Erhöhung der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen. Nach dem Ende des Ausatmens des Probanden, beginnt die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen wieder zu sinken. Der zeitliche Verlauf der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen ist ein im Wesentlichen periodischer sinusförmiger Verlauf. Aus dem auf der linken Seite dargestellten zeitlichen Verlauf lässt sich insbesondere die Atemfrequenz des Probanden bestimmen. Dazu wird der Abstand von zwei benachbarten Peaks bzw. lokalen Maxima P1 und P2 betrachtet. Ein Peak P1 im zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen ist ein lokales Maximum, welches zwischen zwei benachbarten lokalen Minima M1 und M2 liegt. Aus dem zeitlichen Abstand T1 von zwei benachbarten Peaks P1 und P2 lässt sich somit die Atemfrequenz des Probanden bestimmen. Des Weiteren schwankt der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen Verbindungen periodisch um einen ersten Schwellenwert SW1 und ist insbesondere abhängig von Alter und Physis des Probanden. Der erste Schwellenwert SW 1 liegt zwischen der minimalen Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen und der maximalen Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen bei einer normalen Atmung des Probanden. Die minimale Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen und die maximale Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bei einer normalen Atmung des Probanden lassen sich über ein Mitteln der lokalen Minima bzw. ein Mittlen der lokalen Maxima bestimmen. Des Weiteren kann das Vorliegen des dritten Atmungstätigkeitsereignisses dadurch bestimmt werden, dass die Amplitude der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen im Wesentlichen konstant ist.
Das durch die Spektralanalyse S250 erhaltene Spektrum auf der rechten Seite der Figur 4, ergibt einen charakteristischen Verlauf des dritten Atmungstätigkeitsereignisses, dessen Vorliegen durch die Klassifizierung S260 bestimmt werden kann. Insbesondere weist das Spektrum des dritten Atmungstätigkeitsereignisses einen deutlichen Peak Pd auf, mittels dessen das Vorliegen das dritte Atmungstätigkeitsereignis bestimmt werden kann. Des Weiteren liegt die Amplitude des Peaks Pd vorzugsweise mindestens 5 db/s höher als ein erster Grenzwert GW1 bei einer Periodendauer von 30 Sekunden. Der Peak Pd entspricht dabei einer Periodendauer der Atmungstätigkeit des Probanden, aus welcher sich die Atemfrequenz des Probanden bestimmen lässt.
Auf der linken Seite der Figur 5 ist der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bei Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses, hier Apnoe, dargestellt. Die rechte Seite der Figur 5 zeigt das durch die Spektralanalyse S250 erhaltene Spektrum. Dabei lässt sich aus dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, das erste Atmungstätigkeitsereignis bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen ausgehend von einem Peak P3 über einen Zeitraum T2 fällt bzw. absinkt. Beispielsweise beträgt der Zeitraum T2 mindestens 8 Sekunden, vorzugsweise mindestens 10 Sekunden. Vorteilhafterweise kann das Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses zusätzlich dadurch bestimmt werden, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zum Ende des Zeitraums T2 unterhalb eines lokalen Minimums M3 liegt, welches dem Peak P3 vorangegangen, vorzugsweise unmittelbar vorangegangen, ist. Vorzugsweise wird das Vorliegen des ersten Atmungstätigkeitsereignisses dann bestimmt, wenn die Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen am Ende des Zeitraums T2 mindestens 10% Unterhalb des lokalen Minimums M3 liegt.
Durch die Spektralanalyse S250 kann ein für das erste Atmungstätigkeitsereignis charakteristisches Spektrum, wie auf der rechten Seite der Figur 5 dargestellt, erzeugt werden. Mittels der Klassifizierung S260 lässt sich aus diesem Spektrum bestimmen, ob das erste Atmungstätigkeitsereignis vorliegt. Das Spektrum wird insbesondere dadurch charakterisiert, dass es keinen für eine normale Atmungstätigkeit charakteristischen Peak aufweist, siehe Peak Pd in Figur 4. Vielmehr nähert sich der Amplitudenwert mit zunehmender Periodendauer einem zweiten Grenzwert GW2 von unten an. Der zweite Grenzwert GW2 entspricht einem Amplitudenwert bei einer Periodendauer von ungefähr 30 Sekunden.
Auf der linken Seite der Figur 6 ist der zeitliche Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen bei Vorliegen des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses, hier Hypopnoe, dargestellt. Die rechte Seite der Figur 6 zeigt das durch die Spektralanalyse S250 erhaltene Spektrum. Aus dem auf der linken Seite der Figur 6 dargestellten zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen lässt sich das zweite Atmungstätigkeitsereignis bestimmen. Die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen schwankt unterhalb eines zweiten Schwellenwerts SW2. Die Atemfrequenz lässt sich wie bei einer normalen Atmung (Figur 4) über zwei benachbarte Peaks P4 und P5 und deren zeitlicher Abstand voneinander bestimmen. Der zweite Schwellenwert SW2 kann vorgegeben sein aber auch auf den Pro banden abgestimmt werden. Durch die Abstimmung des zweiten Schwellenwerts SW2 können eine abweichende Anbringung der Sensorvorrichtung 10 an dem Probanden sowie unterschiedliche Konzentrationen der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft kompensiert werden. Insbesondere lässt sich das Vorliegen des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses bestimmen, wenn die Amplitude um mindestens ein vorbestimmtes Verhältnis kleiner ist als die Amplitude bei dem dritten Atmungstätigkeitsereignis. Des Weiteren kann das Vorliegen des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses daran bestimmt werden, wenn die Atemfrequenz von der Atemfrequenz bei einer normalen Atmungstätigkeit des Probanden abweicht.
Aus dem durch die Spektralanalyse S250 erhaltenen Spektrum kann mittels der Klassifizierung S260 das Vorliegen des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses bestimmt werden. Das Spektrum weist einen Peak PH auf, welcher der Periodendauer der Atmungstätigkeit des Probanden entspricht. Des Weiteren liegt die Amplitude des Peaks PH unter einem dritten Schwellenwert SW3. Der dritte Schwellenwert SW3 kann vorgegeben sein und/oder auf den Probanden abgestimmt werden. Insbesondere liegt der dritte Schwellenwert SW3 unter der Amplitude des Peaks Pd bei einer normalen Atmung des Probanden. Durch die Abstimmung des dritten Schwellenwerts SW3 können eine abweichende Anbringung der Sensorvorrichtung 10 an dem Probanden sowie unterschiedliche Konzentrationen der flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft kompensiert werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann durch die Häufigkeiten, mit welchen die ersten bis dritten Atmungstätigkeitsereignisse jeweils auftreten, das Schlafverhalten des Probanden erfasst werden. Die vorstehend beschriebene Sensorvorrichtung 10 und Auswertevorrichtung 20 ermöglichen somit, das Schlafverhalten und insbesondere die ersten bis dritten Atmungstätigkeitsereignisse in Echtzeit zu bestimmen.
Bevorzugt ist die Sensorvorrichtung 10 bzw. der erste Sensor 14 dazu ausgelegt, zumindest folgende Stoffe als flüchtige organische Verbindungen zu erfassen: Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid. In einer weiteren Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung 12 bzw. der erste Sensor 14 dazu ausgelegt, ausschließlich folgende Verbindungen als flüchtige organische Verbindungen zu erfassen: Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid. Vorzugsweise wird die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen als eine Gesamtkonzentration dieser Verbindungen durch die Sensorvorrichtung erfasst. Dies ist vorteilhaft, da eine separate Erfassung und Betrachtung einer Konzentration jeder einzelnen flüchtigen organischen Verbindung entfallen kann. Wie vorstehend beschrieben, kann die Auswertevorrichtung 20 die durch den zweiten Sensor 16 erfassten Bewegungsdaten des Probanden bei der Erfassung des Schlafverhaltens des Probanden berücksichtigen. Die, Bewegungsdaten werden der Auswertevorrichtung 20 von der Sensorvorrichtung 10 als zweite Sensorinformation bereitgestellt. Figur 7 zeigt den Ablauf einer Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden durch die Sensorvorrichtung 10 und durch die Auswertevorrichtung 20 unter Berücksichtigung der von dem zweiten Sensor 16 erfassten Bewegungsdaten. Dabei veranschaulicht Figur 7 in Block Sensorvorrichtung 10 die durch die Sensorvorrichtung 10 durchgeführten Funktionen. Der Block Auswertevorrichtung 20 veranschaulicht dagegen die von der Auswertevorrichtung 20 durchgeführten Funktionen.
Mittels des zweiten Sensors 16 wird eine Messung S300 bezüglich der Lage und Bewegung des Probanden durchgeführt. Die dadurch gewonnenen Bewegungsdaten werden im Schritt S310 einer Korrektur durch die Datenverarbeitungseinheit 18 unterzogen. Dabei kann die Korrektur S310 vorzugsweise einen Tiefpassfilter einsetzen und/oder Ausreiser in den Bewegungsdaten mittels eines Boxplots-Verfahrens aussortieren. Anschließend erfolgt durch eine Datenkonvertierung S320 eine Konvertierung der durch die Korrektur S310 beibehaltenen Daten bzw. Datensätze der Bewegungsdaten in ein Format, welches zur weiteren Verarbeitung geeignet ist. Die derart konvertierten Daten werden im Schritt Puffern S330 zur Übertragung an die Auswertevorrichtung 20 gepuffert. Danach erfolgt durch die Sensorvorrichtung 10 die Übertragung der Daten als zweite Sensorinformationen an die Auswertevorrichtung 20. Wie vorstehend beschrieben kann die Übertragung kabellos oder kabelgebunden erfolgen.
Die Auswertevorrichtung 20 teilt die von der Sensorvorrichtung 10 empfangenen zweiten Sensorinformationen im Schritt S340 in gleichgroße Datensegmente (Schritt S340 Datenteilung). Anschließend führt die Auswertvorrichtung 20 im Schritt S350 eine Klassifizierung der einzelnen Datensegmente durch. Durch die Klassifizierung S350 kann eine Bewegung bzw. Lage des Probanden bestimmt werden (Schritt S360 Haltungsbestimmung). Die Klassifizierung kann insbesondere mittels maschinenlernender Verfahren erfolgen, wie beispielsweise neuronaler Netzwerke oder einer Support Vector Machine (SVM). Danach erfolgt ein Speichern S370 der Bewegungsdaten, welche mittels der Anzeigevorrichtung angezeigt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Sensorsystem zur Erfassung des Schlafverhaltens eines Probanden, aufweisend:
eine Sensorvorrichtung (10) zur Anordnung an dem Probanden, wobei die Sensorvorrichtung dazu ausgelegt ist, erste Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen in der Umgebungsluft der Sensorvorrichtung bereitzustellen;
eine mit der Sensorvorrichtung (10) koppelbare Auswertevorrichtung (20) zum Auswerten der durch die Sensorvorrichtung (10) bereitgestellten ersten Sensorinformationen, wobei die Auswertevorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, einen zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zu bestimmen und mittels des zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen, das Schlafverhalten des Probanden zu bestimmen.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1 , wobei die Sensorvorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in der Atemluft des Probanden zu erfassen.
3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswertevorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, die Atmungstätigkeit des Probanden basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen zu bestimmen.
4. Sensorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auswertevorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, ein erstes Atmungstätigkeitsereignis in der Atmungstätigkeit des Probanden zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen über einen ersten Zeitraum abnimmt.
5. Sensorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auswertevorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, ein von dem ersten Atmungstätigkeitsereignis verschiedenes zweites Atmungstätigkeitsereignis in der Atmungstätigkeit des Probanden zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen unter einen Schwellenwert fällt und/oder die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen unterhalb des Schwellenwerts schwankt.
6. Sensorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auswertevorrichtung (20) dazu ausgelegt ist, ein von dem ersten und zweiten Atmungstätigkeitsereignis verschiedenes drittes Atmungstätigkeitsereignis zu bestimmen, wenn die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen um einen Schwellenwert herum schwankt.
7. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Schwellenwert veränderbar ist.
8. Sensorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (20) einen ersten Sensor (14) aufweist, der dazu ausgelegt ist, die ersten Sensorinformation zu erfassen und wobei der erste Sensor zwischen Mund und Nase des Probanden und insbesondere an dem Philtrum des Probanden befestigbar ist.
9. Sensorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (10) einen zweiten Sensor (16) aufweist, der dazu ausgelegt ist, eine Bewegung des Probanden als zweite Sensorinformation zu erfassen, und wobei die Auswertevo rrichtu ng dazu ausgelegt ist, das Schlafverhalten basierend auf der zweiten Sensorinformation zu bestimmen.
10. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Sensorsystem dazu ausgelegt ist, eine Warnung auszugeben, wenn:
ein Auftreten des ersten Atmungstätigkeitsereignisses eine erste Häufigkeit überschreitet; und/oder
ein Auftreten des zweiten Atmungstätigkeitsereignisses eine zweite Häufigkeit überschreitet.
11. Sensorsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die flüchtigen organischen Verbindungen Isopren, Ethanol, Methanol, Aceton und Kohlenmonoxid umfassen, und wobei die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen einer Gesamtkonzentration dieser Verbindungen entspricht.
12. Auswertevorrichtung (20) zum Bestimmen des Schlafverhaltens eines Probanden, wobei die Auswertevorrichtung ausgelegt ist:
- zum Empfangen von Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen;
- zum Bestimmen eines zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen basierend auf den empfangenen Sensorinformationen; und
- zum Bestimmen des Schlafverhaltens des Probanden mittels des zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen.
13. Verfahren zum Bestimmen des Schlafverhaltens eines Probanden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Bereitstellen von Sensorinformationen umfassend eine Konzentration von flüchtigen organischen Verbindungen;
- Bestimmen eines zeitlichen Verlaufs der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen aus den bereitgestellten Sensorinformationen; und
- Bestimmen des Schlafverhaltens des Probanden basierend auf dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen.
14. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren gemäß Anspruch 13 auszuführen.
EP19783472.4A 2018-10-05 2019-10-01 Sensorsystem, auswertevorrichtung, verfahren und computerprogrammprodukt zur erfassung des schlafverhaltens eines probanden Withdrawn EP3860456A1 (de)

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