EP4408259A1 - Verfahren und drucksensoreinheit - Google Patents

Verfahren und drucksensoreinheit

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Publication number
EP4408259A1
EP4408259A1 EP22798264.2A EP22798264A EP4408259A1 EP 4408259 A1 EP4408259 A1 EP 4408259A1 EP 22798264 A EP22798264 A EP 22798264A EP 4408259 A1 EP4408259 A1 EP 4408259A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductor tracks
rows
columns
unit
pressure sensor
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP22798264.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Danilo SANTAGATA
Rijad ZUZO
Heini SEGER
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.)
Karma Technologies Ag
Original Assignee
Karma Technologies Ag
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 Karma Technologies Ag filed Critical Karma Technologies Ag
Publication of EP4408259A1 publication Critical patent/EP4408259A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • A61B5/1126—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb using a particular sensing technique
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/441—Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis
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    • A61B5/6887—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient mounted on external non-worn devices, e.g. non-medical devices
    • A61B5/6892—Mats
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    • A61B5/7225—Details of analogue processing, e.g. isolation amplifier, gain or sensitivity adjustment, filtering, baseline or drift compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
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    • A61B2562/16—Details of sensor housings or probes; Details of structural supports for sensors
    • A61B2562/164—Details of sensor housings or probes; Details of structural supports for sensors the sensor is mounted in or on a conformable substrate or carrier
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    • A61B2562/18—Shielding or protection of sensors from environmental influences, e.g. protection from mechanical damage
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48—Other medical applications
    • A61B5/4806—Sleep evaluation
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    • A61B5/74—Details of notification to user or communication with user or patient; User input means
    • A61B5/746—Alarms related to a physiological condition, e.g. details of setting alarm thresholds or avoiding false alarms

Definitions

  • the present invention relates to methods for querying sensor values of a pressure sensor sheet, in particular a textile pressure sensor sheet, and a pressure sensor unit.
  • US 5 144 284 discloses a mat with pressure sensors to be placed on a bed to monitor a patient's movement.
  • WO 2012/153263 A1 relates to a sensor pillow with pressure sensors for monitoring sleep.
  • WO 01/75924 A1 describes pressure sensors in the form of an electrically conductive fabric. It is mentioned that such a sensor fabric can be used in combination with a mattress.
  • EP 1 269 502 B1 discloses a sensor mat with an electrically conductive layer.
  • EP 3 736 364 A1 shows a textile sensor mat for a bed, the sensor mat being used to determine the pressure distribution in bedridden persons.
  • EP 3 415 134 B1 discloses a textile pressure sensor.
  • a first fabric layer has electrically conductive threads which extend in a first direction.
  • a second fabric layer with electrically conductive threads extends in a second direction, which is perpendicular to the first direction.
  • a piezoresistive third fabric layer is arranged between the two fabric layers. This third fabric layer changes its resistance and thus its electrical conductivity as a function of the compressive force. If a measuring current is applied to the electrically conductive threads and the mat is subjected to pressure, the electrical resistance changes at the crossing areas. This change serves as a measure for the applied pressure and can be detected by a control unit.
  • An FPGA Field Programmable Gate Array
  • ADC analog-to-digital converter
  • Each matrix column i of n is turned on individually, while the rest are turned off.
  • the voltages in the m rows then correspond to those at the crossing areas of the m rows of the ith column.
  • These voltages of the m rows are forwarded to multiplexers and fed into the ADC's.
  • the next column i+1 is switched on and the corresponding voltages in the m rows are passed on. How the individual multiplexers are controlled is not described.
  • the column-by-column query results in a data series that corresponds to the pressure distribution.
  • n ADC's and n associated multiplexers are required. It is stated that 128x128 sensor points can be forwarded to a computer in 40 frames per second. An image analysis is then carried out.
  • the method according to the invention for querying sensor values of a pressure sensor sheet uses a pressure sensor sheet which has
  • the first and second layer are arranged relative to one another in such a way that the first conductor tracks run perpendicularly to the second conductor tracks and the first and second layer form a common grid, referred to below as a matrix.
  • the matrix has rows formed by the first conductive lines and columns formed by the second conductive lines.
  • the rows and the columns of the matrix form crossing points at which the first and second conductor tracks cross through the middle layer at a distance from one another and which serve as sensor points.
  • An external pressure effect changes the distance between the first and second conductor tracks in at least one of the crossing points. This change is detected by means of an electronic circuit and read out as a value, an electrical voltage being applied to the first conductor tracks for the purpose of reading the value and the change being determined on the second conductor tracks.
  • the rows with the first conductor tracks and the columns with the second conductor tracks are clocked through by means of at least one counter unit in order to determine the values at all crossing points one after the other.
  • a) a first switch unit is actuated according to the at least one counter unit and the electrical voltage is applied to a single one of the first conductor tracks
  • b) a second switch unit is actuated several times according to the at least one counter unit and the changes in the second conductor tracks are displayed individually determined one after the other. All changes determined on the second traces are converted by a single analog-to-digital converter (ADC).
  • ADC analog-to-digital converter
  • Steps a) and b) are repeated in that in step a) the first switch unit is actuated in accordance with the at least one counter unit in order to apply the electrical voltage to a single other one of the first conductor tracks. Steps a) and b) are preferably repeated until all rows and all columns of the matrix have been clocked through.
  • rows and columns are not limited to the orientation of the sheet on a bed. They are also not limited to having columns running lengthways and rows running across the sheet. They are only intended to explain that the first conductor tracks run perpendicularly to the second conductor tracks and that the conductor tracks form a lattice structure when viewed from above.
  • sheets does not only encompass units that are laid out on a bed. It also includes units for use in, on or on bodies that allow the human body to lie or sit. For example, they are part of a mattress, a bed base, a couch, an armchair, a chair, a sofa or a car seat.
  • pressure sensor sheet and “sensor sheet” are used below. However, they also include the embodiments mentioned which are integrated in other bodies, placed on other bodies or connected to other bodies.
  • the pressure sensor sheet is preferably a textile sensor sheet.
  • the plies are preferably, but not exclusively, fabric plies.
  • fabric layers is used below, with other types of self-supporting and non-self-supporting material layers also being included.
  • the layer is self-supporting.
  • the layers are material layers on or in which the first and second conductor tracks are arranged.
  • one or both layers are formed by the conductor tracks themselves and do not consist of their own separate material layer.
  • the first and/or the second conductor tracks can be sewn onto the middle layer.
  • An embroidery machine can be used for this purpose, for example, which attaches the first or second conductor tracks to the middle layer in a predetermined pattern.
  • An electrically non-conductive thread is preferably used for this purpose.
  • Preferably only the first or the second conductor tracks are sewn onto the middle layer.
  • the other conductor tracks are sewn onto their own separate material layer, in particular a textile material.
  • the material is preferably a woven fabric, a knitted fabric, a felted fabric, a knitted fabric, a mesh, a stitched fabric, a nonwoven fabric or a felt.
  • the flex prints mentioned further below are preferably attached to their own, separate material layer, preferably also sewn on.
  • the middle layer is preferably designed to be smaller than its own separate material layer, so that the separate material layer projects beyond at least one edge of the middle layer.
  • Connection tracks, which connect the first and second conductor tracks to the flexprints are also sewn onto the separate material layer.
  • the flexprints also known as electronic units, can also or alternatively be glued on, fastened with adhesive strips or adhesive strips, crimped on or fastened in some other way.
  • the connecting tracks are the integral extensions of the first and second conductive tracks.
  • the middle layer of this embodiment is preferably Carbotex®, a material sold by Sefar AG. Other materials that serve as sensor elements can also be used.
  • the first and second conductor tracks are preferably electrically conductive threads, wires or cables. They are preferably flat or round in cross-section. Preferably they are silver coated copper wires or other wires that have optimum conductivity.
  • an electrical voltage is preferably applied to only a single line of the sensor sheet, ie only a single line is energized. There is no electrical voltage on the other rows of the sensor sheet, ie they are not energized and have a zero potential. This means that only the values of this single row can be read from the columns, not those of the other rows. Since the columns are queried individually, only the value of a single crossing point is transmitted, although the other columns could also supply signals. Since the controller determines which row the voltage is applied to and since this controller also determines which column is currently being read, the location information of the crossing point and thus of the sensor being read is known. The location information therefore does not have to be supplied to the controller as an additional value. A single measuring circuit is sufficient for each crossing point. This reduces the amount of data and increases the speed of the query.
  • ADO analog-digital converter
  • Switch arrays are preferably used as switch units.
  • the switch units are preferably not multiplexers.
  • the voltage evaluation takes place via the only ADO.
  • the ADO is preferably a 12-bit ADO.
  • the ADO preferably transmits the digitized values to a Raspberry PI via a bus system (SPI). No other complex components are necessary.
  • the digital IO (input, output) are preferably not reconfigured during a reading process of the matrix, but only when the matrix is polled again.
  • the digital IO (input, output) are usually part of the Rasperry PI.
  • the ADO is preferably an independent component that is separate from the voltage evaluation.
  • the measuring circuits including the switching and counter units, are preferably arranged on flexprints.
  • the ADO is preferably also arranged on one of the flexprints.
  • Two or more flexprints for the rows or columns can also be arranged one behind the other and connected.
  • the flexprints are preferably part of the sensor sheet and incorporated into the cover of the sheet.
  • the sensor sheet can be divided into several sections, with each section forming a partial sheet.
  • these sheets can be accommodated in a common cover, according to the invention they are to be understood as two separate sheets with regard to data acquisition.
  • the recorded data is first combined and evaluated in an external data processing unit
  • the material or the fabric between the conductor tracks of the individual columns is designed to be electrically non-conductive, so that these conductor tracks are electrically isolated from one another. The same applies to the material or the fabric between the conductor tracks of the individual rows.
  • the middle layer is preferably a dielectric or electrically insulating.
  • the changes in resistance of the second conductor tracks are usually measured.
  • Known measuring circuits are used for this purpose.
  • the analog to digital converter changes the analog signal into a digital signal.
  • Software preferably specifies the clock for clocking through the rows and columns.
  • a switch of the switch units is preferably actuated with each cycle.
  • one switch of the first switch unit of a row is preferably left "on", i.e. the voltage remains applied to the corresponding first conductor track until all columns have been clocked through by means of the second switch unit.
  • Adjacent columns and/or rows are preferably clocked through one after the other, i.e. the next second interconnect or the next first interconnect is always activated.
  • the controller preferably jumps one line further when all columns in the previous line have been clocked through.
  • the rows and/or the columns are clocked through in a predetermined order that deviates from the order in which the rows and/or the columns are arranged.
  • This can be done with a single ADC or with multiple ADCs. If a single ADC is used, the individual printed conductors are connected to the electronics in terms of hardware, or the connection between the at least one counter unit and the switch units is selected accordingly. Alternatively, the same connections are available in terms of hardware as with incremental, sequential polling, but the software does not control the switches incrementally, but rather in a predetermined pattern.
  • the first and second switch units are actuated in such a way that no electrical voltage is applied to any of the rows and none of the columns is connected to the analog/digital converter (ADC).
  • ADC analog/digital converter
  • a DC voltage is preferably applied, preferably of approximately 3.3 V or 5 V. This minimizes the electromagnetic influence on the patient.
  • the rows and/or the columns are preferably clocked through at a frequency of at least 16 MHz.
  • a high clock frequency increases the query speed.
  • the read values can be saved in different ways.
  • the read values of all crossing points are stored as a common value package.
  • Subsequent readings are preferably stored as separate further common value packets. These value packets are preferably transmitted to a data processing unit.
  • the measured values are preferably stored in a data processing unit. This enables the values to be evaluated for later use, for example to predict the patient's behavior in bed.
  • the prognosis can be used to identify health problems or medical emergencies at an early stage or to recognize early on whether the patient is about to get out of bed or fall.
  • the stored values are preferably processed in a self-learning algorithm for patient monitoring forecasts. Earlier data is compared with newly received data, any interacting actions of the nursing staff that have been entered into the system are taken into account and, depending on the embodiment, data from further patient monitoring with the same or similar systems from databases are also taken into account. The consideration is preferably weighted depending on the source and/or age of the data. Statistical mean values are preferably determined and used as a basis for further calculations.
  • the first switch unit preferably has a number of switch arrays and the second switch unit also has a number of switch arrays.
  • At least one sensor preferably a temperature sensor or a moisture sensor, is present, the sensor values of which are determined by means of the second switch unit in accordance with the first and second counter unit.
  • the sensor values are determined as values of a row and column analogous to the values of the crossing points.
  • the sensor is preferably connected to the corresponding electronic unit, preferably the corresponding flexprint.
  • the way the values are queried does not have to be changed.
  • the sensor values are re-read each time the individual columns are clocked through.
  • the values obtained from at least one sensor are stored in the common value packet like the pressure sensor values. They don't get any special treatment. This facilitates the query, which is thus not delayed.
  • the entire value package i.e. including the sensor data, is preferably transmitted to the data processing unit. It is preferably recognized in the data processing unit based on the row identification which values are to be assigned to which sensor.
  • a mean value per sensor is preferably formed by a data processing unit from the multiple data of the at least one sensor that follow closely in time.
  • the method according to the invention is therefore preferably used for monitoring a patient lying in a bed, with the pressure sensor sheet being arranged on the bed and with the values being transmitted to a central or mobile patient monitoring system.
  • a pressure sensor unit according to the invention for querying sensor values of a pressure sensor sheet uses a pressure sensor sheet which has
  • the first and second layers are arranged relative to one another in such a way that the first conductor tracks run perpendicular to the second conductor tracks and the first and second position forms a common grid, hereinafter referred to as the matrix.
  • the matrix has rows formed by the first conductive lines and columns formed by the second conductive lines.
  • the rows and columns of the matrix form crossing points at which the first and second conductor tracks cross through the middle layer at a distance from one another and which serve as sensor points.
  • An external pressure effect changes the distance between the first and second conductor tracks in at least one of the crossing points.
  • This change can be detected by means of an electronic circuit and can be read out as a value, in order to read out the value an electrical voltage can be applied to the first conductor tracks and the change can be determined on the second conductor tracks.
  • the pressure sensor unit has
  • At least one counter unit for clocking through the rows with the first conductor tracks and for clocking through the columns with the second conductor tracks to read out the values at all crossing points
  • At least one first switch unit for applying the electrical voltage to the first conductor tracks
  • the pressure sensor unit has a single analog-to-digital converter (ADC) for converting the changes determined on the second conductor tracks into the values.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the electrical voltage can be applied successively to the first conductor tracks by means of the at least one first switch unit and according to the at least one counter unit, with the electrical voltage only being applied to a single one of the first conductor tracks.
  • the changes in the second conductor tracks can be determined individually one after the other by means of the at least one second switch unit and according to the at least one counter unit.
  • the determined changes of all second traces are convertible in the single analog-to-digital converter (ADC).
  • This pressure sensor unit can be produced inexpensively. It has a minimum of electronic components.
  • the measuring circuit can be arranged on flexprints. Flexprints are flexible electronic components. They are well known in the prior art.
  • the carrier is usually made of plastic, and the electrical connections are usually printed on.
  • the at least one counter unit is preferably software-controlled.
  • the at least one counter unit and the at least one first and/or second switch unit are preferably arranged on a flexprint or a series of flexprints connected to one another.
  • the pressure sensor sheet preferably has at least one sensor, preferably a temperature sensor or a humidity sensor, and the pressure sensor unit determines sensor data from the at least one sensor.
  • counter units There are preferably two counter units, with a first counter unit of these counter units clocking through the rows and a second counter unit of these counter units clocking through the columns.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a patient bed with a pressure sensor sheet according to the invention of a pressure sensor system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the pressure sensor system according to the invention
  • FIG. 3 shows a section of a layer of the pressure sensor sheet according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a schematic exploded view of the pressure sensor sheet according to FIG. 1 without the surrounding cover
  • FIG. 5 shows a schematic exploded view of the pressure sensor sheet according to FIG. 1 with the surrounding cover
  • FIG. 6 shows a schematic exploded view of the pressure sensor sheet according to FIG. 1 with flexible electronic prints and without a surrounding cover
  • FIG. 7 shows a cross section through the pressure sensor sheet according to FIG. 1 without the surrounding cover, in a schematic representation
  • FIG. 8 shows a schematic representation of intersecting conductor tracks of two layers of the pressure sensor sheet according to FIG. 1;
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the pressure sensor sheet according to FIG. 1 with crossing conductor tracks
  • FIG. 10 shows a schematic representation of the system architecture of the readout unit of the pressure sensor sheet according to FIG. 1;
  • FIG. 11 shows a further schematic representation of the system architecture of the readout unit of the pressure sensor sheet according to FIG. 1 and
  • Figure 12 is a flow chart of the control of the pressure sensing sheet.
  • FIG. 1 shows a patient bed with a pressure sensor system according to the invention.
  • a mattress 1 is covered as usual with a bed sheet 2 on which a patient P is lying.
  • a pressure sensor sheet 3 according to the invention is placed between the mattress 1 and the bed sheet 2 .
  • the pressure sheet 3 can be designed as a fitted sheet or, as shown here, as a flat, flexible and preferably soft mat. Depending on the embodiment, it extends over the entire surface of the mattress 1 or, as shown here, ends at a distance from the edge of the mattress. In other embodiments, the pressure sensor sheet 3 only extends in a partial area of the mattress 1, for example only in the upper or in the middle or in the lower area of the mattress surface. In further embodiments, the pressure sensor sheet 3 is part of the mattress 1 or the bed sheet 2. As can be seen clearly in FIGS.
  • the pressure sensor sheet 3 has a first layer or fabric layer 31, a second layer or fabric layer 32 and a middle layer 33 arranged in between.
  • the three layers 31, 32, 33 are preferably connected to one another at certain points, preferably glued. They are preferably surrounded together by a protective cover, the cover preferably having a lower layer 34 and an upper layer 35 which, depending on the embodiment, consist of the same material or of different materials. They are preferably soft and flexible, in particular a textile fabric or another suitable layer of material. At least the upper of the two layers 34, 35 is preferably provided with an incontinence guard so that the three layers 31, 32, 33 in between are protected from moisture.
  • the first and the second fabric layer 31, 32 are preferably made of the same material. 3 and FIG. 4, they have several electrically conductive strips or webs 310, 320 running parallel to one another, which are preferably distributed over the entire or almost the entire surface of the fabric layer 31, 32. They are preferably arranged in a uniformly distributed manner.
  • the areas 311, 321 between the conductor tracks 310, 320 are designed to be electrically non-conductive.
  • the conductor tracks 310, 320 are preferably electrically conductive threads which are woven with the non-conductive material fabric 311, 321.
  • Sensor fabrics such as those offered by Sefar AG are preferably used. These are, for example, in the aforementioned EP 3 447 463 B1 and J. Cheng, et al., Smart-surface: Large scale textile pressure sensor arrays for activity recognition, Pervasive and Mobile Computing (2016), http://dx.doi .org/10.1016/j.pmci.2016.01.007, mentioned.
  • the middle layer 33 is made of a pressure-sensitive, preferably dielectric, material.
  • the middle layer is preferably formed homogeneously. It is preferably made of a material which changes its thickness in proportion to the expected external pressure and which thus changes its electrical conductivity in proportion to the pressure exerted.
  • the middle layer 33 preferably consists of Carbotex®, a material sold by Sefar AG. Other materials that serve as sensor elements can also be used.
  • the first and second fabric layers 31, 32 are of this type superimposed that their conductor tracks 310, 320 have different orientations.
  • the first conductor tracks 310 run perpendicularly to the second conductor tracks 320.
  • the crossing areas 30 thus act like capacitors or resistors, as shown in FIG.
  • the capacitance of a capacitor changes indirectly in proportion to the distance between its two capacitor plates. Thus, the capacitance at an intersection 30 changes when a person lies on this intersection 30 and thus compresses the middle layer 33.
  • the change in capacitance has a change in resistance which can be detected using a voltage divider.
  • a constant DC voltage is applied to the second conductor tracks 320 .
  • the voltage is preferably 3.3 V or 5 V and therefore does not affect the well-being of the patient.
  • Two strip-shaped, flexible electronic flexprints 380, 381 are also arranged in the cover 34, 35 of the pressure sensor sheet 3. They are preferably attached, preferably glued, to the edges of the lower and upper layers 34, 35 protruding from the fabric layers 31, 32, 33.
  • a first flexprint strip 380 runs perpendicular to the conductor tracks of the first fabric layer 31 and contacts all ends of the first conductor tracks 310 that are on one side of the fabric layer 31.
  • a second flexprint strip 381 runs perpendicular to the conductor tracks of the first fabric layer 32 and contacts all of them one side of the fabric layer 32 lying ends of the first conductor tracks 320.
  • the two flexprint strips 380, 381 thus run perpendicular to each other. This can be seen in FIG.
  • the flexprint strips 380, 381 preferably have a modular structure and each consist of several sections that are connected to one another. Each section typically has about 16 connections to the fabric layers. The flexprint strips thus form flexprint units.
  • the pressure sensor sheet 3 is connected to a control device 4 via a connection 36 and a cable 37, preferably a 6-pin cable.
  • a control unit 40 of the control device is connected to a DC voltage source 41 . Furthermore, it is connected to a data storage unit and/or a data evaluation unit. These can be located in an on-premises unit and/or cloud-based.
  • a cloud is provided with the reference number 5 in FIG.
  • a plug connection of the cable 37 of the The pressure sensor sheet 3 with the cable 42 of the control device 4 is shown symbolically and bears the reference number 43. It is preferably a LISB-C connection.
  • the control device 4 is implemented as an SPI master, preferably on a Raspberry PI.
  • FIG. 10 a switch unit 71, 72 in the form of a plurality of interconnected switch arrays S1, S2, Si; Si+1 , .
  • Each switch array preferably has 16 ports for connection to traces 310,320.
  • FIGS. 10 and 11 should therefore only be understood as schematic representations.
  • each crossing area 30, i.e. each sensor is polled individually.
  • the electrical voltage is only applied to one row, i.e. a first conductor track 310
  • the values of all columns, i.e. the second conductor tracks 320 are read out one after the other and only then is the next row "energized", i.e. the electrical voltage is applied.
  • the remaining rows or first conductor tracks 310 are set to 0V.
  • a pull-down resistor is preferably present for this purpose, which sets the remaining first interconnects 310 to OV. Accordingly, all rows are clocked through one after the other.
  • the second switch unit 72 opens the connection from the analog-to-digital converter ADC to a single second conductor track 320.
  • the active path 6 for detecting the crossing area 30 circled in bold is shown in FIG. 9 with an arrow.
  • the value generated by the voltage divider which is a measure of the pressure change, is converted into a digital signal in the analog-digital converter ADC and made available to the SPI master, e.g. the Raspberry Pi, via the SPI bus.
  • the data can be transmitted via software interfaces, preferably via APIs (Application Programming Interface) to higher-level software of a data storage unit and/or data evaluation unit. Measurements that are above average or deliver low values can be compensated and filtered in software using standard methods. The values read out can be smoothed using standard statistical methods.
  • a second switch unit 72 with i switches S1 . . . Si is assigned to the n columns, so that each switch can operate several columns.
  • a first switch unit 71 with j-i switches Si+1 , . . . Si+j is assigned to the m columns, so that each of these switches can operate several of the m rows.
  • the second switch unit 72 enable the connection between the second conductive traces 320 and the ADC. Both switch units 71, 72 are connected to the controller via at least one counter unit Z. This is shown in Figure 11.
  • Figure 11 also shows that a DC voltage can be applied to one of the first conductor tracks 310 via the first switch unit 71 according to the counter unit Z, and the change at the crossing points PO, P1, P2 can be applied via the second switch unit 72 according to the counter unit Z , can be transmitted to the ADC.
  • CLK means clock, i.e. the pulsing for the counter to switch the switches and for the ADC to read the values.
  • Dt means data and shows that the ADC can transmit values to the external data storage device or data processing device.
  • Rs means reset and shows that the counter can be reset to zero after querying all crossing points of the sensor mat.
  • addresses Adr 0 to 5 are assigned to the columns with the second conductor tracks and addresses Adr 6 to 12 to the rows with the first conductor tracks.
  • addresses Adr 6 to 12 are assigned to the rows with the first conductor tracks.
  • the addresses are transferred serially with the clock to the two counter units.
  • the addresses are preferably increased by 1 with the clock and the electronics activate the next address.
  • the two counter units thus result in the coordinates of the pressure point to be measured. Based on the counter reading, which is increased by the clocks, the software knows at all times which coordinates must be assigned to the next sensor value.
  • FIG. 12 shows a flow chart of the method according to the invention. The query of all crossing points of the sensor mat is shown. The SPI bus is initialized in a first step.
  • the Digital IO on the Rasperry Pi will be configured and initialized. Furthermore, the switch units are reset with their switch arrays, according to the Connections from the ADC to the second conductor tracks are closed by means of the switch units and the voltage on the first conductor tracks is set to 0 V. The counter units are also set to 0 for columns x and rows y.
  • the DC voltage is now applied to the first of the first conductor tracks 310 . This is recorded in the flow chart according to FIG. 12 in the step “energize line y”. Column x is then switched through, i.e. the ADC is connected to the second conductor track 320 of column x. The value is read by the ADC, converted into a digital signal and stored with the coordinates x,y.
  • the matrix is preferably transmitted to an internal service of the evaluation unit. This service preferably displays the values in a GUI (Graphocal User Interface). Furthermore, the matrix is preferably forwarded to a cloud.
  • the SPI bus is preferably shut down and the connections are closed by means of the switches. If there is a new query, which usually takes place within a few seconds or minutes, the SPI bus is reinitialized and the process begins again with the first step according to Figure 12.
  • the method according to the invention can be used, for example, for sensor mats with 64 Lay out columns and 128 rows. For example, mats with 55 columns and 80 rows, ie with 4,440 sensor points, can be completely read within approx. 100 to 200 ms.
  • n and m are possible.
  • the sizes depend on the area of the pressure sensor sheet and on the resolution of the pressure measurement, i.e. on the number and spacing of the conductor tracks 310, 320 arranged parallel to one another.
  • the clock frequency can also be different.
  • the measuring circuits with the switch units and the ADC can be attached directly to the flexprints 380, 381. They are thus located in pressure sensor sheet 3. This facilitates cable connections, facilitates on-site use and allows for more flexible combination with external devices.
  • values are preferably determined at a specific point in time and not average values. This increases the quality of the data volume and is particularly helpful for the use of the data for early detection mentioned further below in the text.
  • the measured values obtained from the individual crossing points provide information about where the patient is lying, which points he loads more than others and how he behaves depending on the Time moves on the bed.
  • One goal of data collection is early detection as to whether a demented patient will be getting out of bed in the near future and/or whether a patient is in danger of falling out of bed. This is achieved by collecting data and drawing conclusions about his behavior when leaving or falling out of the bed from previous behavior and measured values of patients in general and/or a monitored patient in particular. This allows early detection of whether a patient is in danger of leaving the bed unobserved or falling out. This early detection system can thus warn nursing staff and trigger an alarm so that intervention can take place as early as possible. As early as possible means, if possible, before the unwanted event occurs.
  • a sensor 8 for example a temperature sensor, a humidity sensor or another type of sensor, is also connected to the second switch unit 72 .
  • the cable or the line is provided with the reference number 80 .
  • the line 80 is preferably sewn, glued or woven.
  • the readout method of this sensor does not differ from the readout method of the first and second conductor tracks.
  • the same electrical voltage is preferably applied. In other embodiments, a different electrical voltage is applied to determine the sensor values.
  • the method is explained in more detail in the "Presentation of the Invention" section.

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Abstract

In einem Drucksensorlaken (3) bilden erste Leiterbahnen (310) einer ersten Lage (31) Zeilen und zweite Leiterbahnen (320) einer zweiten Lage (32) Spalten. Sie bilden gemeinsam eine Matrix mit Kreuzungspunkten (30), wobei sie durch eine Mittelschicht (33) voneinander getrennt sind. Die Kreuzungspunkte (30) dienen als Sensorpunkte. In einem Verfahren zur Abfrage von Sensorwerten werden mittels mindestens einer Zählereinheit die Zeilen und die Spalten durchgetaktet, um einzeln nacheinander die Werte an allen Kreuzungspunkten (30) zu bestimmen. Nach Massgabe der Zählereinheit wird eine erste Schaltereinheit betätigt und eine elektrische Spannung wird an eine einzige der ersten Leiterbahnen (310) angelegt. Nach Massgabe der Zählereinheit wird eine zweite Schaltereinheit mehrfach betätigt und die Änderungen in den zweiten Leiterbahnen (320) werden einzeln nacheinander bestimmt. Alle an den zweiten Leiterbahnen (320) bestimmten Änderungen werden von einem einzigen Analog-Digital-Wandler (ADC) umgewandelt. Dies wird solange wiederholt, bis alle Zeilen und alle Spalten der Matrix durchgetaktet sind. Diese Methode zur Auslesung von Daten im Drucksensorlaken ist schnell und kostengünstig. Das Drucksensorlaken eignet sich insbesondere für eine Patientenüberwachung.

Description

TITEL
VERFAHREN UND DRUCKSENSOREINHEIT
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Abfrage von Sensorwerten eines Drucksensorlakens, insbesondere eines textilen Drucksensorlakens, sowie eine Drucksensoreinheit.
STAND DER TECHNIK
Optimale Patientenüberwachung ist insbesondere aufgrund der personellen Unterbesetzung im Pflegebereich ein zunehmendes Problem. Technische Lösungen können hier Abhilfe schaffen und mehr Sicherheit sowie Entlastung in der Patientenbetreuung gewährleisten.
US 5 144 284 offenbart eine Matte mit Drucksensoren, die auf ein Bett gelegt werden kann, um die Bewegung eines Patienten zu überwachen. WO 2012/153263 A1 betrifft ein Sensorkissen mit Drucksensoren zur Schlafüberwachung.
WO 01/75924 A1 beschreibt Drucksensoren in Form eines elektrisch leitenden Gewebes. Es ist erwähnt, dass ein derartiges Sensorgewebe in Kombination mit einer Matratze verwendet werden kann. EP 1 269 502 B1 offenbart eine Sensormatte mit einer elektrisch leitenden Schicht.
EP 3 736 364 A1 zeigt eine textile Sensormatte für ein Bett, wobei die Sensormatte zur Bestimmung der Druckverteilung bei bettlägerigen Personen verwendet wird.
In EP 3 415 134 B1 sollen die Dekubitusrisiken von bettlägerigen Patienten mittels einer Sensormatte überwacht und somit vermindert werden. Hierzu werden bandförmige Sensoren eingesetzt. Auch EP 3 769 676 A1 überwacht Druckveränderungen auf einem Bett mittels bandförmigen Sensoren. EP 3 447 463 B1 der Firma Sefar AG offenbart einen textilen Drucksensor In einer Ausführungsform gemäss den Figuren 7 und 8 weist eine erste Gewebelage elektrisch leitfähige Fäden auf, die sich in eine erste Richtung erstrecken. Eine zweite Gewebelage mit elektrisch leitfähigen Fäden erstreckt sich in eine zweite Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft. Zwischen den zwei Gewebelagen ist eine piezoresistive dritte Gewebelage angeordnet. Diese dritte Gewebelage ändert in Abhängigkeit der Druckkrafteinwirkung ihren Widerstand und somit ihre elektrische Leitfähigkeit. Wird ein Messstrom an die elektrisch leitenden Fäden angelegt wird die Matte mit einem Druck beaufschlagt, so ändert sich an den Kreuzungsbereichen der elektrische Widerstand. Diese Änderung dient als Mass für den anliegenden Druck und kann durch eine Steuereinheit erfasst werden.
J. Cheng, et al., Smart-surface: Large scale textile pressure sensors arrays for activity recognition, Pervasive and Mobile Computing (2016), http://dx.doi.Org/10.1016/i.pmci.2016.01.007, offenbart eine Sensormatte der Sefar AG mit einer dritten Gewebelage, die aus einem drucksensitiven Material mit dem Markennamen CARBOTEX® der Firma Sefar AG besteht. Die elektrisch leitenden Fäden bilden ein Gitter bzw. eine Matrix n x m mit Kreuzungsbereichen. Jeder Kreuzungsbereich agiert als Drucksensor und entspricht einem Pixel der Druckverteilungsmatrix. Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) steuert ultraschnelle Schaltereinheiten (Switch-Arrays) und Analog-Digital Wandler (ADC, Analog Digital Converter) und sammelt Daten der Matrix. Jede Matrixspalte i von n wird einzeln eingeschaltet, wobei die übrigen deaktiviert werden. Die Spannungen in den m Zeilen entsprechend dann den an den Kreuzungsbereichen der m Zeilen der i-ten Spalte. Diese Spannungen der m Zeilen werden an Multiplexer weitergeleitet und in die ADC's gespeist. Im nächsten Schritt wird die nächste Spalte i+1 eingeschaltet und die entsprechenden Spannungen in den m Zeilen weitergeleitet. Wie die einzelnen Multiplexer gesteuert werden, ist nicht beschrieben. Die spaltenweise Abfrage führt zu einer Datenreihe, die der Druckverteilung entspricht. Es werden n ADC's und n zugehörige Multiplexer benötigt, Es wird angegeben, dass 128x128 Sensorpunkte in 40 Bildern pro Sekunde an einen Computer weitergeleitet werden können. Anschliessend wird eine Bildanalyse durchgeführt.
Je mehr Sensorpunkte eine Sensormatte aufweist, umso mehr Zeit wird für die Erfassung der Messwerte benötigt. Dies erhöht die Kosten für die entsprechende Elektronik und Software. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Abfrage von Sensorwerten eines Drucksensorlakens und eine Drucksensoreinheit zu schaffen, die in möglichst kurzer Zeit die Sensorwerte des gesamten Lakens auslesen können und trotzdem kostengünstig sind.
Diese Aufgabe lösen ein Verfahren und eine Drucksensoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 16.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Abfrage von Sensorwerten eines Drucksensorlakens verwendet ein Drucksensorlaken, das aufweist
- eine erste Lage mit parallel zu einander verlaufenden ersten Leiterbahnen,
- eine zweite Lage mit parallel zueinander verlaufenden zweiten Leiterbahnen und
- eine zwischen der ersten und zweiten Lage angeordneten Mittelschicht.
Die erste und zweite Lage sind derart relativ zueinander angeordnet, dass die ersten Leiterbahnen senkrecht zu den zweiten Leiterbahnen verlaufen und die erste und zweite Lage ein gemeinsames Gitter, nachfolgend Matrix genannt. Die Matrix weist Zeilen auf, gebildet durch die ersten Leiterbahnen, und Spalten, gebildet durch die zweiten Leiterbahnen.
Die Zeilen und die Spalten der Matrix bilden Kreuzungspunkte, in denen sich die ersten und zweiten Leiterbahnen durch die Mittelschicht beabstandet zueinander kreuzen und die als Sensorpunkte dienen.
Eine äussere Druckeinwirkung ändert den Abstand zwischen den ersten und zweiten Leiterbahnen in mindestens einem der Kreuzungspunkte. Diese Änderung wird mittels einer elektronischen Schaltung detektiert und als ein Wert ausgelesen, wobei zwecks Auslesung des Werts eine elektrische Spannung an die ersten Leiterbahnen angelegt wird und die Änderung an den zweiten Leiterbahnen bestimmt wird.
Mittels mindestens einer Zählereinheit werden die Zeilen mit den ersten Leiterbahnen und die Spalten mit den zweiten Leiterbahnen durchgetaktet, um einzeln nacheinander die Werte an allen Kreuzungspunkten zu bestimmen. Dabei wird a) nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit eine erste Schaltereinheit betätigt und die elektrische Spannung wird an eine einzige der ersten Leiterbahnen angelegt, und b) nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit eine zweite Schaltereinheit mehrfach betätigt und die Änderungen in den zweiten Leiterbahnen werden einzeln nacheinander bestimmt. Alle an den zweiten Leiterbahnen bestimmten Änderungen werden von einem einzigen Analog-Digital-Wandler (ADC) umgewandelt. Die Schritte a) und b) werden wiederholt, indem in Schritt a) nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit die erste Schaltereinheit betätigt wird, um die elektrische Spannung an eine einzige andere der ersten Leiterbahnen anzulegen. Die Schritte a) und b) werden vorzugsweise solange wiederholt, bis alle Zeilen und alle Spalten der Matrix durchgetaktet sind.
Die Begriffe "Zeilen" und "Spalten" sind nicht auf die Ausrichtung des Lakens auf einem Bett eingeschränkt. Sie sind auch nicht darauf eingeschränkt, dass die Spalten in Längsrichtung und die Zeilen in Querrichtung des Lakens verlaufen. Sie sollen lediglich darlegen, dass die ersten Leiterbahnen senkrecht zu den zweiten Leiterbahnen verlaufen und die Leiterbahnen in der Draufsicht eine Gitterstruktur bilden.
Der Begriff "Laken" umfasst nicht nur Einheiten, die auf einem Bett aufgelegt werden. Er umfasst auch Einheiten zur Verwendung in, auf oder an Körpern, die dem menschlichen Körper zum Liegen oder Sitzen dienen. Beispielsweise sind sie Teil einer Matratze, eines Bettenrosts, einer Liege, eines Sessels, eines Stuhls, eines Sofas oder eines Autositzes. Im Folgenden werden die Begriffe "Drucksensorlaken" und "Sensorlaken" verwendet. Sie umfassen jedoch auch die erwähnten in anderen Körpern integrierten, auf andere Körper aufgelegte oder mit anderen Körpern verbundenen Ausführungsformen.
Das Drucksensorlaken ist vorzugsweise ein textiles Sensorlaken.
Die Lagen sind vorzugsweise, jedoch nicht ausschliesslich, Gewebelagen. Im Folgenden wird der Begriff "Gewebelagen" verwendet, wobei auch andere Arten von selbsttragenden und nicht-selbsttragenden Materiallagen mitumfasst sind. Vorzugsweise ist die Lage selbsttragend.
Die Lagen sind in einigen Ausführungsformen Materiallagen, auf oder in denen die ersten und zweiten Leiterbahnen angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen ist eine oder sind beide Lagen durch die Leiterbahnen selber gebildet und bestehen nicht aus einer eigenen, separaten Materiallage. So lassen sich beispielsweise die ersten und/oder die zweiten Leiterbahnen auf die Mittelschicht aufnähen. Hierzu lässt sich beispielsweise eine Stickmaschine verwenden, die die ersten bzw. zweiten Leiterbahnen in einem vorgegebenen Muster auf die Mittelschicht befestigt. Hierzu wird vorzugsweise ein elektrisch nichtleitender Faden verwendet. Vorzugsweise sind nur die ersten oder die zweiten Leiterbahnen auf der Mittelschicht aufgenäht. Die anderen Leiterbahnen sind auf eine eigene, separaten Materiallage, insbesondere einem textilen Material, aufgenäht. Das Material ist vorzugsweise ein Gewebe, ein Gewirke, ein gewalkter Stoff, ein Gestrick, ein Geflecht, ein Nähgewirk, ein Vliesstoff oder ein Filz. In dieser Ausführungsform sind die weiter unten im Text genannten Flexprints vorzugsweise auf dieser eigenen, separaten Materiallage befestigt, vorzugsweise ebenfalls aufgenäht. D.h. auch die Flexprints, die mit den auf der Mittelschicht befestigten Leiterbahnen verbunden sind, sind auf der eigenen, separaten Materiallage befestigt. Die Mittelschicht ist vorzugsweise kleiner ausgebildet als die eigene, separate Materiallage, so dass die separate Materiallage mindestens einen Rand der Mittelschicht überragt. Verbindungsbahnen, die die ersten und zweiten Leiterbahnen mit den Flexprints verbinden, sind ebenfalls auf der separaten Materiallage aufgenäht. Die Flexprints, auch Elektronikeinheiten genannt, lassen sich zusätzlich oder alternativ auch aufkleben, mit Klebestreifen oder Haftstreifen befestigen, aufcrimpen oder auf eine andere Art und Weise befestigen.
Vorzugsweise sind die Verbindungsbahnen die einteiligen Verlängerungen der ersten und zweiten Leiterbahnen. Dies bedeutet, dass diejenigen Leiterbahnen, die auf der Mittelschicht angenäht oder aufgenäht sind, an mindestens einem ihrer Enden auf der separaten Materiallage aufgenäht bzw. angenäht sind. Die Mittelschicht dieser Ausführungsform ist vorzugsweise Carbotex®, ein von der Firma Sefar AG vertriebenes Material. Andere Materialien, die als Sensorelemente dienen, lassen sich ebenfalls verwenden. Die ersten und zweiten Leiterbahnen sind vorzugsweise elektrisch leitende Fäden, Drähte oder Kabel. Sie sind vorzugsweise flach oder rund in ihrem Querschnitt. Vorzugsweise sind sie silberbeschichtete Kupferdrähte oder andere Drähte, die eine optimale Leitfähigkeit besitzen.
Im erfindungsgemässen Verfahren wird vorzugsweise jeweils nur eine einzige Zeile des Sensorlakens eine elektrische Spannung angelegt, d.h. es wird nur eine einzige Zeile bestromt. An den übrigen Zeilen des Sensorlakens liegt keine elektrische Spannung an, d.h. sie sind nicht bestromt und weisen ein Null-Potential auf. Somit können an den Spalten nur die Werte dieser einzigen Zeile ausgelesen werden, diejenigen der übrigen Zeilen nicht. Da die Spalten einzeln abgefragt werden, wird jeweils nur der Wert eines einzigen Kreuzungspunktes übermittelt, obwohl auch die übrigen Spalten Signale liefern könnten. Da die Steuerung bestimmt, an welcher Zeile die Spannung anliegt, und da diese Steuerung auch bestimmt, welche Spalte gerade ausgelesen wird, ist die Ortsinformation des Kreuzungspunktes und somit des ausgelesenen Sensors bekannt. Die Ortsinformation muss somit nicht als weiterer Wert an die Steuerung geliefert werden. Pro Kreuzungspunkt genügt eine einzige Messschaltung. Dies reduziert die Datenmenge und erhöht die Geschwindigkeit bei der Abfrage.
Vorteilhaft ist ferner, dass kein "Einpendeln" einer Spannung abgewartet werden muss. Die Spannung lässt sich unmittelbar am Analog-Digital Wandler (ADO) erkennen, wenn die Weichen für die Zeile und die Spalte gelegt ist, d.h. wenn der jeweilige Kreuzungspunkt eingestellt ist.
Als Schaltereinheiten werden vorzugsweise "Switch-Arrays" verwendet. Die Schaltereinheiten sind vorzugsweise keine Multiplexer.
Die Spannungsauswertung erfolgt über den einzigen ADO. Der ADO ist vorzugsweise ein 12Bit ADO. Vorzugsweise übermittelt der ADO die digitalisierten Werte über ein Bus- System (SPI) an einen Raspberry PI. Es sind keine weiteren aufwendigen Bauteile notwendig.
Vorzugsweise werden die digitalen IO (input, output) während eines Auslesevorgangs der Matrix nicht neu konfiguriert, sondern erst bei vor einer erneuten Abfrage der Matrix. Die digitalen IO (input, output) sind üblicherweise Teil des Rasperry PI.
Der ADO ist vorzugsweise ein eigenständiges Bauteil, das von der Spannungsauswertung getrennt ausgebildet ist.
Die Messschaltungen inkl. die Schalte- und Zählereinheiten sind vorzugsweise auf Flexprints angeordnet. Vorzugsweise ist auch der ADO auf einem der Flexprints angeordnet. Vorzugsweise ist ein Flexprint für die Zeilen und ein Flexprint für die Spalten vorhanden. Es lassen sich auch zwei oder mehr Flexprints für die Zeilen bzw. Spalten hintereinander anordnen und verbinden. Die Flexprints sind vorzugsweise Teil des Sensorlakens und in die Hülle des Lakens eingearbeitet.
Je nach Grösse des Sensorlakens lässt es sich in mehrere Abschnitte unterteilen, wobei jeder Abschnitt ein Teillaken bildet. Beispielsweise lässt sich der Kopf- und der Rumpfbereich des Bettlakens als ein erstes Sensorlaken ausbilden und der Hüft- und Beinbereich des Patienten als zweites Sensorlaken. Diese Laken lassen sich zwar in eine gemeinsame Hülle unterbringen, sie sind erfindungsgemäss bezüglich der Datenerfassung jedoch als zwei getrennte Laken zu verstehen. Die erfassten Daten werden in diesem Fall erst in einer externen Datenverarbeitungseinheit zusammengeführt und ausgewertet
Das Material bzw. das Gewebe zwischen den Leiterbahnen der einzelnen Spalten ist elektrisch nicht leitend ausgebildet, so dass diese Leiterbahnen galvanisch voneinander getrennt sind. Dasselbe gilt für das Material bzw. das Gewebe zwischen den Leiterbahnen der einzelnen Zeilen. Die Mittelschicht ist vorzugsweise ein Dielektrikum oder elektrisch isolierend.
Üblicherweise werden die Widerstandsänderungen der zweiten Leiterbahnen gemessen. Hierzu werden bekannte Messschaltungen verwendet. Der Analog-Digital-Wandler ändert das analoge Signal in ein digitales Signal.
Vorzugsweise gibt eine Software den Takt zum Durchtakten der Zeilen und Spalten vor. Vorzugsweise wird bei jedem Takt ein Schalter der Schaltereinheiten betätigt. Dabei wird vorzugsweise ein Schalter der ersten Schaltereinheit einer Zeile auf "ein" belassen, d.h. die Spannung bleibt an die entsprechende erste Leiterbahn angelegt, bis alle Spalten mittels der zweiten Schaltereinheit durchgetaktet worden sind.
Vorzugsweise werden benachbarte Spalten und/oder Zeilen zeitlich nacheinander durchgetaktet, d.h. es wird stets die nächstfolgende zweite Leiterbahn bzw. die nächstfolgende erste Leiterbahn aktiviert. Vorzugsweise springt der Controller eine Zeile weiter, wenn in der vorangegangenen Zeile alle Spalten durchgetaktet worden sind.
In anderen Varianten des Verfahrens werden die Zeilen und/oder die Spalten in einer vorgegebenen Reihenfolge durchgetaktet, die von der Reihenfolge der Anordnung der Zeilen und/oder der Spalten abweicht. Dies lässt sich mit einem einzigen ADC oder mit mehreren ADC's verwirklichen. Im Falle der Verwendung eines einzigen ADC's werden die einzelnen Leiterbahnen hardwaremässig entsprechend mit der Elektronik verbunden oder die Verbindung zwischen der mindestens einen Zählereinheit und den Schaltereinheiten ist entsprechend gewählt. Alternativ sind hardwaremässig dieselben Verbindungen vorhanden wie bei inkrementellen, aufeinanderfolgenden Abfragung, die Software steuert die Schalter jedoch nicht inkrementell, sondern in einem vorgegebenen Muster. Vorzugsweise werden vor einem erneuten Durchtakten aller Zeilen und aller Spalten der Matrix die erste und zweite Schaltereinheit derart betätigt werden, dass an keiner der Zeilen eine elektrische Spannung anliegt und dass keine der Spalten mit dem Analog-Digital- Wandler (ADC) verbunden ist.
Vorzugsweise wird eine Gleichspannung angelegt, vorzugsweise von circa 3.3 V oder 5 V. Dies minimiert die elektromagnetische Beeinflussung des Patienten.
Vorzugsweise werden die Zeilen und/oder die Spalten mit einer Frequenz von mindestens 16 MHz durchgetaktet werden. Eine hohe Taktfrequenz erhöht die Abfragegeschwindigkeit.
Die ausgelesenen Werte können auf unterschiedliche Art und Weise gespeichert werden. Vorzugsweise werden die ausgelesenen Werte aller Kreuzungspunkte als ein gemeinsames Wertepaket gespeichert. Nachfolgende Auslesungen werden vorzugsweise als separate weitere gemeinsame Wertepakete gespeichert. Diese Wertepakete werden vorzugsweise an eine Datenverarbeitungseinheit übermittelt.
Vorzugsweise werden die gemessenen Werte in einer Datenverarbeitungseinheit gespeichert. Dies ermöglicht die Auswertung der Werte für eine spätere Verwendung, beispielsweise für eine Prognose des Verhaltens des Patienten im Bett. Die Prognose kann zu einer Früherkennung von gesundheitlichen Problemen oder medizinischen Notfällen dienen oder auch dazu, frühzeitlich zu erkennen, ob der Patient gleich aus dem Bett steigen oder fallen wird. Vorzugsweise werden die gespeicherten Werte in einem selbstlernenden Algorithmus für Prognosen einer Patientenüberwachung verarbeitet. Dabei werden frühere Daten mit neu erhaltenen Daten verglichen, allfällige interagierende Aktionen des Pflegepersonals, welche in das System eingegeben worden sind, berücksichtigt und je nach Ausführungsform auch Daten von weiteren Patientenüberwachungen mit gleichen oder ähnlichen Systemen aus Datenbanken mitberücksichtigt. Die Berücksichtigung ist vorzugsweise je nach Quelle und/oder Alter der Daten gewichtet. Vorzugsweise werde statistische Mittelwerte ermittelt und als Basis für weitere Berechnungen werden.
Vorzugsweise weist die erste Schaltereinheit mehrere Switch-Arrays auf und die zweite Schaltereinheit weist ebenfalls mehrere Switch-Arrays auf.
In bevorzugten Ausführungsformen ist mindestens ein Sensor vorhanden, vorzugsweise ein Temperatursensor oder ein Feuchtigkeitssensor, vorhanden ist, dessen Sensorwerte mittels der zweiten Schaltereinheit nach Massgabe der ersten und zweiten Zählereinheit bestimmt werden. Die Sensorwerte werden beim Durchtakten der Zeilen und Spalten als Werte einer Zeile und Spalte analog zu den Werten der Kreuzungspunkte bestimmt. Der Sensor ist vorzugsweise mit der entsprechenden Elektronikeinheit, vorzugsweise dem entsprechenden Flexprint, verbunden.
Dies ermöglicht mit demselben Matrixsystem, derselben Zählereinheit und denselben Schaltereinheiten die zusätzliche Erfassung von Sensorwerten.
Die Art der Abfrage der Werte muss nicht geändert werden. Die Sensorwerte werden beim Durchtakten der einzelnen Spalten jedes Mal neu ausgelesen.
Die vom mindestens einen Sensor erhaltenen Werte werden wie die Drucksensorwerte in das gemeinsame Wertepaket gespeichert. Sie werden nicht speziell behandelt. Dies erleichtert die Abfrage, die somit nicht verzögert wird.
Vorzugsweise wird das gesamte Wertepaket, d.h. inklusive der Sensordaten, an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt. Vorzugsweise wird in der Datenverarbeitungseinheit anhand der Zeilenidentifikation erkannt, welche Werte welchem Sensor zuzuordnen sind. Vorzugsweise wird von einer Datenverarbeitungseinheit aus den mehrfachen, zeitlich eng aufeinanderfolgende Daten des mindestens einen Sensor ein Mittelwert pro Sensor gebildet.
Das erfindungsgemässe Verfahren findet deshalb vorzugsweise Verwendung für eine Überwachung eines in einem Bett liegenden Patienten, wobei das Drucksensorlaken auf dem Bett angeordnet ist und wobei die Werte an eine zentrale oder mobile Patientenüberwachung übermittelt werden.
Eine erfindungsgemässe Drucksensoreinheit zur Abfrage von Sensorwerten eines Drucksensorlakens verwendet ein Drucksensorlaken, das aufweist
- eine erste Lage mit parallel zu einander verlaufenden ersten Leiterbahnen,
- eine zweite Lage mit parallel zueinander verlaufenden zweiten Leiterbahnen und
- eine zwischen der ersten und zweiten Lage angeordneten Mittelschicht.
Die erste und zweite Lage sind derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die ersten Leiterbahnen senkrecht zu den zweiten Leiterbahnen verlaufen und die erste und zweite Lage ein gemeinsames Gitter, nachfolgend Matrix genannt bildet. Die Matrix weist Zeilen auf, gebildet durch die ersten Leiterbahnen, und Spalten, gebildet durch die zweiten Leiterbahnen.
Die Zeilen und Spalten der Matrix bilden Kreuzungspunkte, in denen sich die ersten und zweiten Leiterbahnen durch die Mittelschicht beabstandet zueinander kreuzen und die als Sensorpunkte dienen.
Eine äussere Druckeinwirkung ändert den Abstand zwischen den ersten und zweiten Leiterbahnen in mindestens einem der Kreuzungspunkte. Diese Änderung ist mittels einer elektronischen Schaltung detektierbar und als ein Wert auslesbar, wobei zwecks Auslesung des Werts eine elektrische Spannung an die ersten Leiterbahnen anlegbar ist und die Änderung an den zweiten Leiterbahnen bestimmbar ist.
Die Drucksensoreinheit weist auf
- mindestens eine Zählereinheit zum Durchtakten der Zeilen mit den ersten Leiterbahnen und zum Durchtakten der Spalten mit den zweiten Leiterbahnen zur Auslesung der Werte an allen Kreuzungspunkten,
- mindestens eine erste Schaltereinheit zum Anlegen der elektrischen Spannung an die ersten Leiterbahnen und
- mindestens eine zweite Schaltereinheit zum Bestimmen der Änderung an den zweiten Leiterbahnen.
Die Drucksensoreinheit weist einen einzigen Analog-Digital-Wandler (ADC) auf zur Umwandlung der an den zweiten Leiterbahnen bestimmten Änderungen in die Werte.
Mittels der mindestens einen ersten Schaltereinheit und nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit ist die elektrische Spannung nacheinander an die ersten Leiterbahnen anlegbar, wobei die elektrische Spannung jeweils nur an einer einzigen der ersten Leiterbahnen anliegt. Mittels der mindestens einen zweiten Schaltereinheit und nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit sind bei Anliegen der elektrischen Spannung an einer der ersten Leiterbahnen jeweils die Änderungen der zweiten Leiterbahnen einzeln nacheinander bestimmbar. Die bestimmten Änderungen aller zweiter Leiterbahnen sind im einzigen Analog-Digital-Wandler (ADC) umwandelbar.
Diese Drucksensoreinheit lässt sich kostengünstig herstellen. Sie weist ein Minimum an elektronischen Bauteilen auf. Zudem lässt sich die Messschaltung auf Flexprints anordnen. Flexprints sind biegsame elektronische Bauteile. Sie sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Der Träger besteht üblicherweise aus Kunststoff, die elektrischen Verbindungen sind üblicherweise aufgedruckt. Die mindestens eine Zählereinheit ist vorzugsweise softwaregesteuert.
Vorzugsweise sind die mindestens eine Zählereinheit und die mindestens eine erste und/oder zweite Schaltereinheit auf einem Flexprint oder einer Reihe von miteinander verbundenen Flexprints angeordnet.
Vorzugsweise weist das Drucksensorlaken mindestens einen Sensor auf, vorzugsweise ein Temperatursensor oder ein Feuchtigkeitssensor, und wobei die Drucksensoreinheit Sensordaten des mindestens einen Sensors bestimmt.
Vorzugsweise sind zwei Zählereinheiten vorhanden, wobei eine erste Zählereinheit dieser Zählereinheiten die Zeilen durchtaktet und eine zweite Zählereinheit dieser Zählereinheiten die Spalten durchtaktet.
Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Patientenbetts mit einem erfindungsgemässen Drucksensorlaken eines erfindungsgemässen Drucksensorsystems;
Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Drucksensorsystems;
Figur 3 einen Ausschnitt einer Lage des Drucksensorlakens gemäss Figur 1 ;
Figur 4 eine schematische Explosionsdarstellung des Drucksensorlakens gemäss Figur 1 ohne umgebende Hülle;
Figur 5 eine schematische Explosionsdarstellung des Drucksensorlakens gemäss Figur 1 mit umgebender Hülle; Figur 6 eine schematische Explosionsdarstellung des Drucksensorlakens gemäss Figur 1 mit flexiblen Elektronikprints und ohne umgebende Hülle;
Figur 7 einen Querschnitt durch das Drucksensorlaken gemäss Figur 1 ohne umgebende Hülle, in einer schematischen Darstellung;
Figur 8 eine schematische Darstellung sich kreuzender Leiterbahnen zweier Lagen des Drucksensorlakens gemäss Figur 1 ;
Figur 9 eine schematische Darstellung des Drucksensorlakens gemäss Figur 1 mit sich kreuzenden Leiterbahnen;
Figur 10 eine schematische Darstellung der Systemarchitektur der Ausleseeinheit des Drucksensorlakens gemäss Figur 1 ;
Figur 11 eine weitere schematische Darstellung der Systemarchitektur der Ausleseeinheit des Drucksensorlakens gemäss Figur 1 und
Figur 12 ein Flussdiagramm der Steuerung des Drucksensorlakens.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Figur 1 ist schematisch ein Patientenbett mit einem erfindungsgemässen Drucksensorsystem dargestellt.
Eine Matratze 1 ist wie üblich mit einem Bettlaken 2 bezogen, auf welchem ein Patient P liegt. Zwischen Matratze 1 und Bettlaken 2 ist ein erfindungsgemässes Drucksensorlaken 3 gelegt. Das Drucklaken 3 lässt sich als Fixleintuch ausbilden oder wie hier dargestellt, als flächige flexible und vorzugsweise weiche Matte. Es erstreckt sich je nach Ausführungsform über die gesamte Oberfläche der Matratze 1 oder endet, wie hier dargestellt, beabstandet zum Matratzenrand. In anderen Ausführungsformen erstreckt sich das Drucksensorlaken 3 lediglich in einem Teilbereich der Matratze 1 , beispielsweise lediglich im oberen oder im mittleren oder im unteren Bereich der Matratzenfläche. In weiteren Ausführungsformen ist das Drucksensorlaken 3 Teil der Matratze 1 oder des Bettlakens 2. Wie in den Figuren 1 und 5 gut erkennbar ist, weist das Drucksensorlaken 3 eine erste Lage bzw. Gewebelage 31 , eine zweite Lage bzw. Gewebelage 32 und eine dazwischen angeordnete Mittelschicht 33 auf. Die drei Lagen 31 , 32, 33 sind vorzugsweise punktuell miteinander verbunden, vorzugsweise verklebt. Sie sind vorzugsweise gemeinsam von einer schützenden Hülle umgeben, wobei die Hülle vorzugsweise eine untere Lage 34 und eine obere Lage 35 aufweist, die je nach Ausführungsform aus demselben Material bestehen oder aus unterschiedlichen Materialien. Vorzugsweise sind sie weich und flexibel ausgebildet, insbesondere ein textiles Gewebe oder eine andere geeignete Materiallage. Mindestens die obere der zwei Lagen 34, 35 ist vorzugsweise mit einem Inkontinenzschutz versehen, damit die drei dazwischenliegenden Lagen 31 , 32, 33 vor Nässe geschützt sind.
Die erste und die zweite Gewebelage 31 , 32 sind vorzugsweise aus demselben Material gefertigt. Sie weisen, wie anhand eines Ausschnitts gemäss Figur 3 und in Figur 4 dargestellt ist, mehrere parallel zueinander verlaufende elektrisch leitende Streifen oder Bahnen 310, 320 auf, die vorzugsweise über die gesamte oder annähernd die gesamte Fläche der Gewebelage 31 , 32 verteilt angeordnet sind. Vorzugsweise sind sie gleichmässig verteilt angeordnet. Die Bereiche 311 , 321 zwischen den Leiterbahnen 310, 320 sind elektrisch nichtleitend ausgebildet. Die Leiterbahnen 310, 320 sind vorzugsweise elektrisch leitende Fäden, die mit dem nichtleitenden Material Gewebe 311 , 321 verwoben sind. Derartige Gewebelagen 31 , 32 sind aus dem Stand der Technik bekannt. Vorzugsweise werden Sensorgewebe verwendet, wie sie von der Firma Sefar AG angeboten werden. Diese sind beispielsweise in der eingangs genannten EP 3 447 463 B1 und J. Cheng, et al., Smart-surface: Large scale textile pressure sensors arrays for activity recognition, Pervasive and Mobile Computing (2016), http://dx.doi.Org/10.1016/j.pmci.2016.01.007, erwähnt.
Die Mittelschicht 33 ist aus einem drucksensitiven, vorzugsweise dielektrischen Material gefertigt. Die Mittelschicht ist vorzugsweise homogen ausgebildet. Vorzugsweise besteht sie aus einem Material, das seine Dicke im Bereich des zu erwartenden extern einwirkenden Drucks proportional ändert und das somit seine elektrische Leitfähigkeit proportional zum ausgeübten Druck verändert. Vorzugsweise besteht die Mittelschicht 33 aus Carbotex®, einem von der Firma Sefar AG vertriebenen Material. Andere Materialien, die als Sensorelemente dienen, lassen sich ebenfalls verwenden.
Wie in Figur 4 erkennbar ist, sind die erste und zweite Gewebelage 31 , 32 derart übereinandergelegt, dass ihre Leiterbahnen 310, 320 unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Die ersten Leiterbahnen 310 verlaufen senkrecht zu den zweiten Leiterbahnen 320. Dadurch entstehen Kreuzungsbereiche 30, wie in Figur 2 erkennbar ist. In den Kreuzungsbereichen 30 kontaktieren sich die Leiterbahnen 310, 320 jedoch nicht, da sie durch die Mittelschicht 33 voneinander getrennt sind. Dies ist in Figur 7 erkennbar. Die Kreuzungsbereiche 30 wirken somit wie Kondensatoren bzw. Widerstände, wie die in Figur 8 dargestellt ist. Die Kapazität eines Kondensators ändert sich indirekt proportional zum Abstand seiner zwei Kondensatorplatten. Somit verändert sich die Kapazität an einem Kreuzungsbereich 30, wenn eine Person auf diesem Kreuzungsbereich 30 aufliegt und somit die Mittelschicht 33 zusammendrückt.
Die Kapazitätsveränderung hat eine Veränderung des Widerstandes, der mittels eines Spannungsteilers detektiert werden kann. Hierzu wird eine konstante Gleichspannung an die zweiten Leiterbahnen 320 angelegt. Die Spannung beträgt vorzugsweise 3.3 V oder 5 V und beeinflusst somit das Wohlbefinden des Patienten nicht.
Zwei streifenförmige, biegsame elektronische Flexprints 380, 381 , sind ebenfalls in der Hülle 34, 35 des Drucksensorlakens 3 angeordnet. Vorzugsweise werden sie an den den Gewebelagen 31 , 32, 33 vorstehenden Rändern der unteren und oberen Lage 34, 35 befestigt, vorzugsweise verklebt. Ein erster Flexprint-Streifen 380 verläuft senkrecht zu den Leiterbahnen der ersten Gewebelage 31 und kontaktiert alle auf einer Seite der Gewebelage 31 liegenden Enden der ersten Leiterbahnen 310. Ein zweiter Flexprint- Streifen 381 verläuft senkrecht zu den Leiterbahnen der ersten Gewebelage 32 und kontaktiert alle auf einer Seite der Gewebelage 32 liegenden Enden der ersten Leiterbahnen 320. Die zwei Flexprint-Streifen 380, 381 verlaufen somit senkrecht zueinander. Dies ist in Figur 6 erkennbar. Die Flexprint-Streifen 380, 381 sind vorzugsweise modular aufgebaut und bestehen je aus mehreren Abschnitten, die miteinander verbunden sind. Jeder Abschnitt weist üblicherweise circa 16 Anschlüsse an die Gewebelagen auf. Die Flexprint-Streifen bilden somit Flexprint-Einheiten.
Das Drucksensorlaken 3 ist über einen Anschluss 36 und einem Kabel 37, vorzugsweise einem 6-poligen Kabel mit einer Steuerungsvorrichtung 4 verbunden. Eine Steuereinheit 40 der Steuerungsvorrichtung ist mit einer Gleichspannungsquelle 41 verbunden. Ferner ist sie mit einer Datenspeichereinheit und/oder einer Datenauswerteeinheit verbunden. Diese können in einer Einheit vor Ort angeordnet sein und/oder cloudbasiert sein. Eine Cloud ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Eine Steckverbindung des Kabels 37 des Drucksensorlakens 3 mit dem Kabel 42 der Steuerungsvorrichtung 4 ist symbolisch dargestellt und trägt das Bezugszeichen 43. Vorzugsweise ist sie ein LISB-C Anschluss. Die Steuervorrichtung 4 ist als SPI Master implementiert, vorzugsweise auf einem Raspberry PI.
Anhand der Figuren 9 bis 12 lässt sich die Funktionsweise des erfindungsgemässen Drucksensorsystems erläutern. Wie in Figur 10 dargestellt, ist je eine Schaltereinheit 71 , 72 in Form von mehreren miteinander verbundenen Switch-Arrays S1 , S2, Si; Si+1 , ... , Si+j den ersten Leiterbahnen 310 bzw. den zweiten Leiterbahnen 320 zugeordnet und mit diesen verbunden. Jeder Switch-Array weist vorzugsweise 16 Anschlüsse zur Verbindung mit den Leiterbahnen 310, 320 auf. Die Figuren 10 und 11 sind deshalb lediglich als schematische Darstellungen zu verstehen.
Wie in Figur 9 erkennbar ist, wird jeder Kreuzungsbereich 30, d.h. jeder Sensor, einzeln abgefragt. Die elektrische Spannung wird hierzu jeweils nur an eine Zeile, d.h. eine erste Leiterbahn 310, angelegt, die Werte aller Spalten, d.h. der zweiten Leiterbahnen 320 werden nacheinander ausgelesen und erst anschliessend wird die nächste Zeile "bestromt", d.h. die elektrische Spannung angelegt. Die übrigen Zeilen bzw. ersten Leiterbahnen 310 sind auf 0V gesetzt. Vorzugsweise ist hierzu ein Pull-Down Widerstand vorhanden, der die übrigen ersten Leiterbahnen 310 auf OV setzt. Entsprechend werden alle Zeilen nacheinander durchgetaktet.
Damit nur ein einziger Kreuzungsbereich 30 detektiert wird, werden zudem sämtliche Spalten, d.h. zweite Leiterbahnen 320, bis auf eine auf inaktiv gesetzt. D.h. auch hier öffnet die zweite Schaltereinheit 72 die Verbindung vom Analog-Digital-Wandler ADC zu einer einzigen zweiten Leiterbahn 320.
Die aktive Bahn 6 zur Detektion des fett eingekreisten Kreuzungsbereich 30 ist in Figur 9 mit einem Pfeil dargestellt.
Der vom Spannungsteiler generierte Wert, der ein Mass für die Druckveränderung ist, wird im Analog-Digital Wandler ADC in ein digitales Signal geändert und über den SPI Bus dem SPI Master, z.B. dem Raspberry Pi, zur Verfügung gestellt. Die Daten lassen sich über Software-Schnittstellen, vorzugsweise über API's (Application Programming Interface) an eine übergeordnete Software einer Datenspeichereinheit und/oder Datenauswertungseinheit übermitteln. Messungen, welche überdurchschnittlich hohe oder tiefe Werte liefern, lassen sich softwaremässig mittels üblichen Methoden kompensieren und filtern. Die ausgelesenen Werte lassen sich mittels üblichen statistische Methoden glätten.
Im Beispiel gemäss Figur 10 sind somit n Spalten und m Zeilen vorhanden, die eine n x m Matrix bilden. Den n Spalten ist eine zweite Schaltereinheit 72 mit i Schaltern S1 ... Si, zugeordnet, so dass jeder Schalter mehrere Spalten bedienen kann. Den m Spalten ist eine erste Schaltereinheit 71 mitj-i Schaltern Si+1 , ... Si+j zugeordnet, so dass jeder dieser Schalter mehrere der m Zeilen bedienen kann. Die zweite Schaltereinheit 72 ermöglichen die Verbindung zwischen den zweiten Leiterbahnen 320 und dem ADC. Beide Schaltereinheiten 71 , 72 sind über mindestens eine Zählereinheit Z mit der Steuerung verbunden. Dies ist in Figur 11 dargestellt. In Figur 11 ist ebenfalls erkennbar, dass über die erste Schaltereinheit 71 nach Massgabe der Zählereinheit Z eine Gleichspannung an eine der ersten Leiterbahnen 310 angelegt werden kann und über die zweite Schaltereinheit 72 nach Massgabe der Zählereinheit Z die Veränderung an den Kreuzungspunkten PO, P1 , P2, an den ADC übermittelt werden können. CLK bedeutet Clock, d.h. die Taktung für den Zähler zum Schalten der Schalter und für den ADC zum Auslesen der Werte. Dt bedeutet Daten und zeigt, dass der ADC Werte an die externe Datenspeichereinheit oder Datentbearbeitungseinheit übermitteln kann. Rs bedeutet Reset und zeigt, dass der Zähler nach Abfrage aller Kreuzungspunkte der Sensormatte wieder auf Null gesetzt werden kann. In diesem Beispiel sind die Adressen Adr 0 bis 5 den Spalten mit den zweiten Leiterbahnen zugeordnet und die Adressen Adr 6 bis 12 den Zeilen mit den ersten Leiterbahnen. Dies ist lediglich beispielhaft. Eine andere Anzahl von Adressen lässt sich ebenfalls verwenden. Die Adressen werden seriell mit dem Clock an die zwei Zählereinheiten übergeben. Die Adressen werden vorzugsweise mit dem Clock jeweils um 1 erhöht und die Elektronik aktiviert die nächste Adresse. Die zwei Zählereinheiten ergeben somit die Koordinaten des zu messenden Druckpunkts. Anhand des Zählerstandes, der durch die Clocks erhöht wird, weiss die Software zu jedem Zeitpunkt, welche Koordinaten dem nächsten Sensorwert zugeordnet werden muss.
Figur 12 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens. Dargestellt ist die Abfrage aller Kreuzungspunkte der Sensormatte. Der SPI Bus wird in einem ersten Schritt initialisiert.
In den nächsten Schritten werden die Digital IO am Rasperry Pi konfiguriert und initialisiert. Ferner werden die Schaltereinheiten mit ihren Switch-Arrays zurückgesetzt, so die Verbindungen vom ADC zu den zweiten Leiterbahnen mittels der Schaltereinheiten geschlossen sind und die Spannung an den ersten Leiterbahnen auf 0 V gesetzt ist. Die Zählereinheiten werden für die Spalten x und die Zeilen y zudem auf 0 gesetzt.
Nun wird an die erste der ersten Leiterbahnen 310 die Gleichspannung angelegt. Dies ist im Flussdiagramm gemäss Figur 12 im Schritt "Zeile y bestromen" festgehalten. Anschliessend wird die Spalte x durchgeschaltet, d.h. der ADC wird mit der zweiten Leiterbahn 320 der Spalte x verbunden. Der Wert wird vom ADC ausgelesen, in ein digitales Signal gewandelt und mit den Koordinaten x,y gespeichert.
Gestartet wird dabei mit y=0 und x=0. Dies entspricht dem Messpunkt PO in Figur 11. Anschliessend wird der x Wert um 1 erhöht, wie in Figur 12 angegeben ist. Die Spalten werden somit nacheinander durchgeschaltet, bis x=n ist. In Figur 12 ist n = 64. Nun wird der y Wert erhöht, wodurch die Gleichspannung an die nächste erste Leiterbahn 310 angelegt wird und die vorher angesprochene erste Leiterbahn 310 auf OV vorzugsweise gesetzt wird. Ist y = m erreicht und sind somit alle Kreuzungspunkte ausgelesen, wird der Speicher mit den n mal m Werten übermittelt. Die Übermittlung der Matrix erfolgt vorzugsweise an einen internen Service der Auswerteeinheit weitergeleitet. Dieser Service zeigt vorzugsweise die Werte einem GUI (Graphocal User Interface) an. Ferner wird die Matrix vorzugsweise in eine Cloud weitergeleitet.
Vorzugsweise wird nach jeder Abfrage der Matrix der SPI Bus heruntergefahren und die Verbindungen mittels der Schalter geschlossen. Bei einer erneuten Abfrage, welche üblicherweise innerhalb weniger Sekunden oder Minuten erfolgt, wird der SPI Bus wieder neu initialisiert und das Verfahren beginnt wieder beim ersten Schritt gemäss Figur 12.
Dank der erfindungsgemässen Kombination von Zählereinheit, Schaltereinheiten und einzigen ADC sind keine weiteren Multiplexer oder weitere ADC notwendig. Die Software, d.h. die Steuerung, steuert beide Schaltereinheiten. Dadurch ist bereits bekannt, welche x und y Koordinaten in der n x m Matrix, d.h. welcher Kreuzungsbereich 30, gerade gemessen wird. Welcher Kreuzungsbereich gerade gemessen wird, wird somit nicht über eine Messschaltung bestimmt und erkannt, sondern über die Software angegeben. Dies vereinfacht die Elektronik und erhöht die Datenmenge pro Zeit. Ferner ist pro Kreuzungsbereich 30 lediglich eine Messschaltung notwendig.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich beispielsweise für Sensormatten mit 64 Spalten und 128 Zeilen auslegen. Matten mit 55 Spalten und 80 Zeilen, d.h. mit 4'440 Sensorpunkten, lassen sich beispielsweise innerhalb von ca. 100 bis 200 ms vollständig auslesen.
Andere Grössen für n und m sind möglich. Die Grössen hängen von der Fläche des Drucksensorlakens und von der Auflösung der Druckmessung, d.h. von der Anzahl und den Abständen der parallel zueinander angeordneten Leiterbahnen 310, 320 ab. Auch die Taktfrequenz kann eine andere sein.
Vorteilhaft ist ferner, dass sich die Messschaltungen mit den Schaltereinheiten und dem ADC direkt auf den Flexprints 380, 381 anbringen lassen. Sie befinden sich somit im Drucksensorlaken 3. Dies erleichtert die Kabelverbindungen, erleichtert den Einsatz vor Ort und ermöglicht eine flexiblere Kombination mit externen Geräten.
Vorteilhaft ist ferner, dass sich die Flexprintabschnitte für die einzelnen Spalten und Zeilen kaum voneinander unterscheiden. Ein Flexprint weist den ADC auf. Die Bestückung der Flexprints unterscheidet sich jeweils, darin, welche Abschnitte verwendet werden können. Dies ist vorzugsweise durch entsprechende Anordnung von 0 Ohm Widerständen festgelegt. Auch die Flexprints für die Spalten und Zeilen unterscheiden sich kaum voneinander. Dies minimiert die Herstellungskosten.
Ferner muss nicht gewartet werden, bis sich eine Spannung "eingependelt" hat. Sobald die Weiche für die x und y-Achse der n x m Matrix gesetzt ist, lässt sich die an dem jeweiligen ADC anliegende Spannung direkt messen. Die digitalen lO's werden während einer Abfrage aller n x m Werte vorzugsweise nicht neu konfiguriert. Vorzugsweise ist der SPI Bus für Read-and-Write Befehle ausgelegt. Somit lässt sich ein Befehl an den jeweiligen ADC zur Übergabe des Sensorwerts senden und als Antwort wird der Sensorwert erhalten. Dies erhöht die Geschwindigkeit der Abfrage.
Vorteilhaft ist ferner, dass vorzugsweise Werte zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelt werden und nicht Durchschnittswerte. Dies erhöht die Qualität der Datenmenge und ist insbesondere für die weiter unten im Text erwähnte Verwendung der Daten für die Früherkennung hilfreich.
Die erhaltenen Messwerte der einzelnen Kreuzungspunkte ergeben Informationen, wo der Patient liegt, welche Punkte er mehr belastet als andere und wie er sich in Abhängigkeit der Zeit auf dem Bett bewegt.
Es lassen sich somit Schlafverhalten, Druckstellen und insbesondere Dekubitusrisiken erkennen. Auch lässt sich erkennen, ob ein Patient das Bett verlassen hat.
Ein Ziel der Datenerhebung ist jedoch eine Früherkennung, ob ein dementer Patient das Bett in nächster Zeit verlassen wird und/oder ob ein Patient Gefahr läuft, aus dem Bett zu fallen. Dies wird erreicht, indem Daten gesammelt werden und aus früheren Verhalten und Messwerten von Patienten allgemein und/oder eines überwachten Patienten im Speziellen Rückschlüsse auf sein Verhalten beim Verlassen bzw. beim Herausfallen des Bettes gezogen werden. Dadurch lässt sich frühzeitig erkennen, ob ein Patient Gefahr läuft, unbeobachtet das Bett zu verlassen bzw. herauszufallen. Dieses Früherkennungssystem kann somit Pflegepersonal warnen und einen Alarm auslösen, damit möglichst frühzeitig eingegriffen werden kann. Möglichst frühzeitig bedeutet, möglichst bevor das nicht erwünschte Ereignis eintritt.
Auch andere unerwünschte Ereignisse, bei denen sich ein Patient im Bett vorgängig nach einem bestimmten Schema verhält, können auf diese Weise frühzeitig erkannt werden, beispielsweise das Verhalten bei zunehmender Atemnot, bei Epilespieanfällen, bei delirienten Patienten, oder in Notfällen, bei denen das Pflegepersonal oder sogar ein Notfallteam möglichst schnell vor Ort sein müssen, können dank diesen Messungen und einem selbstlernenden Datentauswertung möglichst frühzeitig erkannt werden.
In Figur 10 ist ferner ein Sensor 8, beispielsweise ein Temperatursensor, ein Feuchtigkeitssensor oder eine andere Art Sensor, dem der zweiten Schaltereinheit 72 verbunden. Das Kabel bzw. die Leitung ist mit dem Bezugszeichen 80 versehen. Die Leitung 80 ist vorzugsweise aufgenäht, angeklebt oder eingewoben. Das Ausleseverfahren dieses Sensors unterscheidet sich nicht vom Ausleseverfahren der ersten und zweiten Leiterbahnen. Vorzugsweise wird dieselbe elektrische Spannung angelegt. In anderen Ausführungsformen wird eine andere elektrische Spannung angelegt, um die Sensorwerte zu bestimmen. Das Verfahren ist im Abschnitt "Darstellung der Erfindung" genauer erläutert. Beim Durchtakten der Zeilen und Spalten, wie im Flussdiagramm gemäss Figur 12 dargestellt, ist eine Zeile dem Sensor zugeordnet und bei Durchlaufen der Spalten zu dieser Zeile werden die Sensorwerte ausgelesen. Sind mehrere Sensoren vorhanden, so ist jedem Sensor eine Zeile zugeordnet. Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Drucksensoreinheit ermöglichen eine Patientenüberwachung, die das Pflegepersonal entlastet.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Matratze 4 Steuerungsvorrichtung
40 Steuereinheit
2 Bettlaken 41 Gleichspannungsquelle
42 Kabel
3 Drucksensorlaken 43 Stecker
Drucksensormatrix
30 Kreuzungsbereich 5 Cloud
31 erste Gewebelage
310 erste Leiterbahn 6 Aktive Bahn der
311 erster nichtleitender Bereich Messwerterhebung
32 zweite Gewebelage
320 zweite Leiterbahn 71 erste Schaltereinheit
321 zweiter nichtleitender Bereich 72 zweite Schaltereinheit
33 Mittelschicht
34 untere Lage 8 Sensor
35 obere Lage 80 Leitung
36 Anschluss
37 Kabel P Patient
380 erster Flexprint ADC Analog-Digital-Wandler
381 zweiter Flexprint Z Zählereinheit

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Abfrage von Sensorwerten eines Drucksensorlakens (3), wobei das Drucksensorlaken (3) aufweist
- eine erste Lage (31) mit parallel zu einander verlaufenden ersten Leiterbahnen (310),
- eine zweite Lage (32) mit parallel zueinander verlaufenden zweiten Leiterbahnen (320) und
- eine zwischen der ersten und zweiten Lage (31 , 32) angeordneten Mittelschicht (33), wobei die erste und zweite Lage (31 , 32) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die ersten Leiterbahnen (310) senkrecht zu den zweiten Leiterbahnen (320) verlaufen, und die erste und zweite Lage (31 ,32) eine gemeinsame Matrix bildet, mit Zeilen, gebildet durch die ersten Leiterbahnen (310), und mit Spalten, gebildet durch die zweiten Leiterbahnen (320), wobei die Zeilen und die Spalten der Matrix Kreuzungspunkte (30) bilden, in denen sich die ersten und zweiten Leiterbahnen (310, 320) durch die Mittelschicht (33) beabstandet zueinander kreuzen und die als Sensorpunkte dienen, wobei eine äussere Druckeinwirkung den Abstand zwischen den ersten und zweiten Leiterbahnen (310, 320) in mindestens einem der Kreuzungspunkte (30) ändert und wobei diese Änderung mittels einer elektronischen Schaltung detektiert wird und als ein Wert ausgelesen wird, wobei zwecks Auslesung des Werts eine elektrische Spannung an die ersten Leiterbahnen (310) angelegt wird und die Änderung an den zweiten Leiterbahnen (320) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Zählereinheit die Zeilen mit den ersten Leiterbahnen (310) und die Spalten mit den zweiten Leiterbahnen (320) durchgetaktet werden, um einzeln nacheinander die Werte an allen Kreuzungspunkten (30) zu bestimmen, dass a) nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit eine erste Schaltereinheit betätigt wird und die elektrische Spannung an eine einzige der ersten Leiterbahnen (310) angelegt wird, dass b) nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit eine zweite Schaltereinheit mehrfach betätigt wird und die Änderungen in den zweiten Leiterbahnen (320) einzeln nacheinander bestimmt werden, wobei alle an den zweiten Leiterbahnen (320) bestimmten Änderungen von einem einzigen Analog-Digital-Wandler (ADC) umgewandelt werden und dass die Schritte a) und b) wiederholt werden, indem in Schritt a) nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit die erste Schaltereinheit betätigt wird, um die elektrische Spannung an eine einzige andere der ersten Leiterbahnen (310) anzulegen, wobei die Schritte a) und b) solange wiederholt werden, bis alle Zeilen und alle Spalten der Matrix durchgetaktet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei benachbarte Spalten zeitlich nacheinander durchgetaktet werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei benachbarte Zeilen zeitlich nacheinander durchgetaktet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Zeilen und/oder die Spalten in einer vorgegebenen Reihenfolge durchgetaktet werden, die von der Reihenfolge der Anordnung der Zeilen und/oder der Zeilen abweicht.
5. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei vor einem erneuten Durchtakten aller Zeilen und aller Spalten der Matrix die erste und zweite Schaltereinheit derart betätigt werden, dass an keiner der Zeilen eine elektrische Spannung anliegt und dass keine der Spalten mit dem Analog-Digital-Wandler (ADC) verbunden ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Gleichspannung angelegt wird, vorzugsweise von circa 3.3 V oder 5 V.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zeilen und/oder die Spalten mit einer Frequenz von mindestens 16 MHz durchgetaktet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ausgelesenen Werte aller Kreuzungspunkte (30) als ein gemeinsames Wertepaket gespeichert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Wertepaket an eine Datenverarbeitungseinheit übermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die gespeicherten Werte in einem selbstlernenden Algorithmus für Prognosen einer Patientenüberwachung verarbeitet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste Schaltereinheit mehrere Switch-Arrays aufweist und wobei die zweite Schaltereinheit mehrere Switch-Arrays aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei mindestens ein Sensor, vorzugsweise ein Temperatursensor oder ein Feuchtigkeitssensor, vorhanden ist, dessen Sensorwerte mittels der zweiten Schaltereinheit nach Massgabe der ersten und zweiten Zählereinheit bestimmt werden, wobei die Sensorwerte beim Durchtakten der Zeilen und Spalten als Werte einer Zeile und Spalte analog zu den Werten der Kreuzungspunkte bestimmt werden.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 12, wobei die Sensorwerte in das gemeinsame Wertepaket gespeichert werden.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 9 und 13, wobei das Wertepaket an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt wird.
15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für eine Überwachung eines in einem Bett liegenden Patienten, wobei das Drucksensorlaken auf dem Bett angeordnet ist und wobei die Werte an eine zentrale oder mobile Patientenüberwachung übermittelt werden.
16. Drucksensoreinheit zur Abfrage von Sensorwerten eines Drucksensorlakens (3), wobei das Drucksensorlaken (3) aufweist
- eine erste Lage (31) mit parallel zu einander verlaufenden ersten Leiterbahnen (310),
- eine zweite Lage (32) mit parallel zueinander verlaufenden zweiten Leiterbahnen (320) und
- eine zwischen der ersten und zweiten Lage (31 , 32) angeordneten Mittelschicht (33), wobei die erste und zweite Lage (31 , 32) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die ersten Leiterbahnen (310) senkrecht zu den zweiten Leiterbahnen (320) verlaufen, und die erste und zweite Lage (31 ,32) eine gemeinsame Matrix bildet, mit Zeilen, gebildet durch die ersten Leiterbahnen (310), und Spalten, gebildet durch die zweiten Leiterbahnen (320), wobei die Zeilen und Spalten der Matrix Kreuzungspunkte (30) bilden, in denen sich die ersten und zweiten Leiterbahnen (310, 320) durch die Mittelschicht (33) beabstandet zueinander kreuzen und die als Sensorpunkte dienen, wobei eine äussere Druckeinwirkung den Abstand zwischen den ersten und zweiten Leiterbahnen (310, 320) in mindestens einem der Kreuzungspunkte (30) ändert und wobei diese Änderung mittels einer elektronischen Schaltung detektierbar und als ein Wert auslesbar ist, wobei zwecks Auslesung des Werts eine elektrische Spannung an die ersten Leiterbahnen (310) anlegbar ist und die Änderung an den zweiten Leiterbahnen (320) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoreinheit mindestens eine Zählereinheit zum Durchtakten der Zeilen mit den ersten Leiterbahnen (310) und zum Durchtakten der Spalten mit den zweiten Leiterbahnen (320) aufweist zur Auslesung der Werte an allen Kreuzungspunkten (30), dass die Drucksensoreinheit mindestens eine erste Schaltereinheit zum Anlegen der elektrischen Spannung an die ersten Leiterbahnen (310) aufweist, dass die Drucksensoreinheit mindestens eine zweite Schaltereinheit zum Bestimmen der Änderung an den zweiten Leiterbahnen (320) aufweist, dass die Drucksensoreinheit einen einzigen Analog-Digital-Wandler (ADC) aufweist zur Umwandlung der an den zweiten Leiterbahnen (320) bestimmten Änderungen in die Werte, dass mittels der mindestens einen ersten Schaltereinheit und nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit die elektrische Spannung nacheinander an die ersten Leiterbahnen (310) anlegbar ist, wobei die elektrische Spannung jeweils nur an einer einzigen der ersten Leiterbahnen (310) anliegt, dass mittels der mindestens einen zweiten Schaltereinheit und nach Massgabe der mindestens einen Zählereinheit bei Anliegen der elektrischen Spannung an einer der ersten Leiterbahnen (310) jeweils die Änderungen der zweiten Leiterbahnen (320) einzeln nacheinander bestimmbar sind und wobei die bestimmten Änderungen aller zweiter Leiterbahnen (320) im einzigen Analog-Digital-Wandler (ADC) umwandelbar sind.
17. Drucksensoreinheit nach Anspruch 16, wobei die mindestens eine Zählereinheit softwaregesteuert ist.
18. Drucksensoreinheit nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei die mindestens eine Zählereinheit und die mindestens eine erste und/oder zweite Schaltereinheit auf einem Flexprint oder einer Reihe von miteinander verbundenen Flexprints angeordnet sind.
19. Drucksensoreinheit nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei vorzugsweise zwei Zählereinheiten vorhanden sind, wobei eine erste Zählereinheit dieser Zählereinheiten die Zeilen durchtaktet und eine zweite Zählereinheit dieser Zählereinheiten die Spalten durchtaktet.
20. Drucksensoreinheit nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Drucksensorlaken mindestens einen Sensor aufweist, vorzugsweise ein Temperatursensor oder ein Feuchtigkeitssensor, und wobei die Drucksensoreinheit Sensordaten des mindestens einen Sensors bestimmt.
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