WO1999017658A1 - Verfahren zum messen zumindest der atemfrequenz eines lebewesens - Google Patents

Abstract

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Messen zumindest der Atemfrequenz (A1) und/oder der Herzfrequenz (H1) eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, erfordert, dass das Lebewesen zumindest teilweise auf eine Tragvorrichtung (3) plaziert wird, dass die von der Tragvorrichtung (3) auf die Umgebung bewirkte Kraft (F; F1, F2, F3, F4) gemessen und daraus ein Kraftsignal (K; K1, K2, K3, K4) erzeugt wird, und dass mit einer Signalauswertevorrichtung (4) aus dem Kraftsignal (K; K1, K2, K3, K4) die Atemfrequenz (A1) und/oder die Herzfrequenz (H1) ermittelt wird.

Description

Verfahren zum Messen zumindest der Atemfrequenz eines Lebewesens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen zumindest der Atemfrequenz und/oder der Herzfrequenz eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Betrieb des erfindungsgemässen Verfahrens gemäss Anspruch 10.

Zur Untersuchung des Schlafverhaltens von Menschen, oder zur Überwachung von Patienten in beispielsweise Spitälern, ist öfters eine längerfriεtige Überwachung der Herz- oder Atemtätigkeit erforderlich. Es ist bekannt, die Herzfrequenz mittels eines Elektrokardiogramms (EKG) zu messen. Es ist zudem bekannt, die Atemtätigkeit mittels weiterer, am Menschen anlegbarer Sonden zu messen.

Diese bekannten Methoden weisen den Nachteil auf, dass zur Messung der Herz- oder Atemtätigkeit jeweils eine Mehrzahl von Sonden erforderlich ist, welche am Menschen angebracht werden müssen. Die Anwendung solcher Methoden ist relativ teuer, da zum Anbringen der Sonden hochqualifizierte Fachleute, und zum Messen der elektrischen Signale teure Apparaturen erforderlich sind. Zudem ist die Bewegungsfreiheit der Menschen stark eingeschränkt. Dieser Aspekt ist insbesondere bei der Untersuchung des Schlafverhaltens von gesunden Menschen störend, weil die Einengung der Bewegungsfreiheit das Schlafverhalten beeinflusεt. Ein weiterer Nachteil der bekannten Methoden ist darin zu sehen, dass üblicherweise ein speziell gegen elektromagnetische Strahlung abgeschirmter Raum erforderlich ist, so dass die Untersuchungen nur in wenigen, speziell ausgerüsteten Labors möglich sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verfahren zum Messen zumindest der Atemfrequenz und/oder der Herzfrequenz eines Lebewesens vorzuschlagen, welches wirtschaftlich vorteilhafter und ortεunabhängig anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einer Messvorrichtung aufweisend die Merkmale gemäss Anspruch 10.

Die Unteransprüche 2 bis 8 beziehen sich auf weitere, vorteilhafte Verfahrensschritte . Die Unteransprüche llbiε 14 beziehen sich auf weitere, vorteilhaft ausgestaltete Mesεvorrichtungen .

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Verfahren zum Messen zumindest der Atemfrequenz und/oder der Herzfrequenz eines Lebewesens, inεbeεondere eineε Menεchen, bei welchem Verfahren das Lebeweεen zumindeεt teilweise auf eine Tragvorrichtung plaziert wird, die von der Tragvorrichtung auf die Umgebung bewirkte Kraft gemessen und daraus ein Kraftsignal erzeugt wird, und mit einer Signalauswertevorrichtung aus dem Kraftsignal die Atemfrequenz und/oder die Herzfrequenz ermittelt wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist geeignet zur Messung der Herz- beziehungsweiεe Atemtätigkeit von Lebewesen, insbeεondere von Menεchen.

Ein Kraftεenεor misst nebst dem εtatischen Gewicht eineε Menschen auch die beiεpielεweise durch eine Bewegung des Körpers verursachten dynamischen Kraftanteile. Der Kraftsensor uss zudem in der Lage sein auch sehr kleine dynamische Kräfte zu messen, welche durch innerhalb des Körpers ablaufende Vorgänge wie der Atem- oder Herztätigkeit entstehen. Das vom Kraftsensor erzeugte Kraftsignal wird einer Signalauswertevorrichtung zugeleitet, welche aus dem gemessenen Kraftsignal zumindest die Atem- oder Herzfrequenz berechnet. Die Signalauswertevorrichtung weiεt Verstärker und vorzugsweise elektrische Filter, um die durch die Atemtätigkeit verursachten Kräfte, welche im Bereich von etwa 0 bis 1 Hz liegen, sowie die durch die Herztätigkeit verursachten Kräfte, welche im Bereich von etwa 1 bis 10 Hz liegen, optimal für eine nachfolgende Signalverarbeitung zu verstärken. Die nachfolgende Signalverarbeitung wird vorzugsweise digital mit einem entsprechend programmierten Computer durchgeführt. Die Auswerteprogramme sind derart ausgelegt, daεε die Atemfrequenz und/oder die Herzfrequenz eindeutig berechenbar ist.

Ein Vorteil des erfindungεgemäεεen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Atemfrequenz beziehungsweiεe die Herzfrequenz eines Menεchen berührungεlos, das heisst ohne direkt am Körper angeordneten Sensoren möglich ist. Zudem kann sich der Menεch, welcher εich beiεpielsweiεe auf einem Stuhl oder einem Bett befindet, ohne jegliche Einschränkung bewegen.

In einer besonders vorteilhaf en Auεgestaltung des Verfahrens wird als Tragvorrichtung ein Stuhl oder ein Bett aufweisend vier Beine verwendet, wobei zwischen jedem Bein und dem darunter liegenden Boden ein

Kraftsensor angeordnet ist, so dass alle von den Beinen auf den Boden bewirkten Kräfte gemessen werden. Diese Anordnung der Kraftsensoren erlaubt den Ort des Schwerpunkteε εowie dessen zeitliche Ortsveränderung zu messen.

Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt nebst der Atemfrequenz und der Herzfrequenz auch die Varianz der Atemfrequenz, die Atemstärke, das Atemvolumen den

"Respiratory-effort" , die Varianz der Herzfrequenz, die Herzschlagstärke oder das Schlagvolumen des Herzenε zu meεsen. Weiter sind aktimetriεche Daten wie Bewegungen, Erschütterungen, Vibrationen, Gewichtsverlagerungen, Schwerpunktεverlagerungen, Ausweichverhalten,

Verschiebungen, Entlastungen oder Belastungen eines Menschen mesεbar. Zudem kann die Aktivität, die Lage des Schwerpunktes sowie das Körpergewicht gemessen werden.

Das erfindungsgemäsεe Verfahren ist geeignet für ein klinisches Monitoring, zum Beispiel zur Überwachung von Patienten in Einrichtungen des Gesundheitswesens oder im privaten Bereich als Alternative zu koninuierlichen EKG- Messungen. Zudem ist das Verfahren geeignet zur Untersuchung des SchlafVerhaltens von Probanden in einem Labor oder in deren Privatbereich. Zudem ist die erfindungsgemässe Vorrichtung als günstiges Heimgerät geeignet die Herztätigkeit, die Atemtätigkeit oder beispielsweise den Schlaf kontinuierlich zu überwachen. In einer vorteilhaften Auεgestaltung weist die Vorrichtung zudem eine Alarmvorrichtung auf, welche beim Unterschreiten oder Überschreiten eines vorgebbaren Wertes der Atem- oder Herzfrequenz einen Alarm auslöst.

Zur Auswertung eines gemesεenen Kraftsignalε wird dieses beispielεweiεe auf zwei unterschiedliche Arten elektronisch verarbeitet. Das unverstärkte Kraftsignal wird beispielεweiεe verwendet um aktimetrische Daten, daε heisst Beschleunigungswerte des Körpers zu erhalten, wie dies auε der klaεεischen Aktimetrie bekannt ist. Die Stärke des Kraftsignalε korreliert dabei mit der Stärke der Bewegungen. Dasselbe gemessene Kraftsignal wird zudem verstärkt, beispielsweise um einen Faktor 10, wobei zur Messung der Herzfrequenz das Kraftsignal im Frequenzbereich um 1 Hertz maximal verstärkt wird. Diese Verstärkung ist erforderlich, um eine zuverläsεige Auεwertung der durch daε Herz bewirkten Kräfteschwankungen zu ermöglichen. Zudem wird dieseε verεtärkte Signal ständig elektronisch auf einen bestimmten Mittelwert kalibriert, mit einer Verzögerung von beispielsweiεe drei Sekunden, um ein von der aktuellen Lage des Körperε deε Menεchen unabhängigeε Signal zu erhalten. Daε unverεtärkte Signal dient auch zum Festεtellen einer Ruhephaεe und einer Bewegungεphaεe deε Menschen. Vorzugsweise werden die Atem- und/oder

Herzfrequenz nur in der Ruhephaεe ermittelt, da während dieεer Phaεe ungestörte oder wenig geεtörte Signale vorliegen. Daε erfindungsgemäεεe Verfahren ist in der Lage während einer zeitlich sehr kurzen Ruhephase die Atem- und/oder Herzfrequenz zu ermitteln, so dass auch sich häufig bewegende Menεchen überwacht werden können, da selbεt bei erhöhter Aktivität εtändig zumindeεt kurzfristige Ruhephaεen auftreten.

Die Erfindung wird im weiteren an Hand von mehreren Ausführungεbeiεpielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein hängender Stuhl mit einer Mesεvorrichtung;

Fig. 2 ein nur andeutungsweise dargestelltes Bett mit einer Messvorrichtung;

Fig. 3a eine Seitenansicht eineε Meεεwertaufnehmerε ;

Fig. 3b,3c,3d Distanzmessvorrichtungen für den Meεεwertaufnehmer gemäεε Fig. 3a; Fig. 4a ein zeitlicher Verlauf eineε gemessenen Kraftsignals;

Fig. 4b ein zeitlicher Verlauf eines verstärkten und gefilteren Kraftsignalε;

Fig. 4c ein zeitlicher Verlauf eineε durch die Atembewegung erzeugten Signals;

Fig. 4d ein zeitlicher Verlauf eines zum Bestimmen der Herzfrequenz erforderlichen Signals;

Fig. 4e ein zeitlicher Verlauf eineε durch die Herzbewegung erzeugten Signals;

Fig. 4f ein zeitlicher Verlauf unterschiedlicher Aktivitatε-Phasen;

Fig. 4g ein zeitlicher Verlauf der Mittelwerte der Herzrate;

Fig. 4h ein zeitlicher Verlauf der Atemstärke;

Fig. 4i ein zeitlicher Verlauf der Mittelwerte der Atemfrequenz;

Fig. 4k ein zeitlicher Verlauf der Varianz der Herzrate .

Fig. l zeigt einen Stuhl 3, welcher über vier, in einem Punkt zusammenlaufende Seile mit einem Kraftsenεor 1 verbunden ist, wobei der Kraftεenεor 1 feεt an der Decke 2 befestigt ist. Die am Kraftsensor 1 anliegende Kraft F sowie deren zeitliche Veränderung wird im Kraftsenεor 1 in ein elektrisches Kraftsignal K gewandelt, welches über eine elektrische Leitung einer Speichervorrichtung 4 beziehungεweise einer Signalauεwertevorrichtung 4 zugeführt ist, um das gemessene Kraftsignal K über eine bestimmte Zeitperiode zumindest zu erfasεen und gegebenenfalls auch auszuwerten. Die Signalauswertevorrichtung 4 weist vorzugsweiεe einen Computer auf, welcher, ausgestattet mit einer Signalverarbeitungsεoftware, eine Analyse des gemessenen Kraftsignals K erlaubt, um aus dem gemessen Signal Werte wie zum Beispiel die Atemfrequenz AI oder die Herzfrequenz Hl eines auf der Tragvorrichtung 3 sitzenden Menεchen zu berechnen.

Fig. 2 zeigt eine als Bett 5 ausgeεtaltete Tragvorrichtung 3 umfaεεend eine Liegefläche 5a εowie vier Beine 5b,5c,5d,5e. Zwischen jedem der Beine 5b,5c,5d,5e und einem nur andeutungεweise dargestellten, feεten Boden 2 iεt je ein Kraftεenεor la,lb,lc,ld angeordnet, εo dasε jede vom jeweiligen Bein 5b,5c,5d,5e auf den Boden 2 übertragene Kraft F1,F2,F3,F4 gemessen und als elektrisches Kraftsignal K1,K2,K3,K4 der Signalauεwertevorrichtung 4 zugeführt wird. Die

Liegefläche 5a legt ein orthogonales Koordinatensystem fest, das eine X-, eine Y-Richtung sov/ie eine in Richtung der Schwerkraft G verlaufende Z-Richtung aufweist. Die vier örtlich verteilt angeordneten Kraf sensoren la,lb,lc,ld erlauben die Lage des Schwerpunktes S in X- und Y-Richtung ständig zu überwachen. So kann beispielεweiεe die Bewegung eines im Bett 5 εchlafenden Menεchen εtändig überwacht werden, in dem die Lage deε Schwerpunkteε S εtändig gemeεsen wird. Zudem kann über die Kraftsensoren la,lb,lc,ld auch das Gewicht G deε

Menεchen gemessen werden. Das Bett 5 iεt nur εchematiεch dargeεtellt und kann natürlich auch eine Matratze oder eine Bettdecke umfaεsen. In einer vorteilhaf en Ausgestaltung εind die Kraftεensoren la,lb,lc,ld derart als separate Einheiten ausgeεtaltet, dass sie unter die Beine einer beliebigen Tragvorrichtung 3 wie eines Bettes 5 oder Stuhls angeordnet werden können. Die Mesεvorrichtung iεt dabei leicht zu tranεportieren und an beliebigen Orten, inεbesondere auch in einem Privathaushalt einsetzbar. Die Kraftsensoren la,lb,lc,ld können jedoch auch in den Beinen 5b,5c,5d,5e integriert sein, zum Beiεpiel bei Spitalbetten, und derart einen Beεtandteil der Tragvorrichtungen bilden.

Die Anordnungen gemäεε den Figuren 1 und 2 erlauben inεbeεondere die Atemfrequenz AI und/oder die Herzfrequenz Hl eines sich zumindest teilweise auf der Tragvorrichtung 3 befindlichen Lebeweεenε, inεbesondere eines Menschen zu messen.

Die von einem auf einem Bett 5 gemäsε Fig. 2 εchlafenden Menschen erzeugten Kraftsignale sind in den Figuren 4a bis 4e in Funktion der Zeit t dargestellt.

Fig. 4a zeigt ein von den Kraf sensoren (la, lb, lc, ld) in Millivolt gemessenes Summensignal, wobei die Kraftsensoren (la, lb, lc, ld) derart gegenseitig verεchaltet sind, dass sich im dargestellten Signal die Amplitude proportional zur Lage des Schwerpunktes S in Y- Richtung verändert. Der schlafende Mensch befindet sich während einem Zeitabschnitt Ll in einer Rückenlage, wobei ein derartiger, äuεεerlich bewegungsloser Zeitabschnitt Ll auch als eine Ruhephase R bezeichnet wird .• Daraufhin bewegt sich der Menεch in eine neue Lage und verbringt während einem Zeitabschnitt L2 eine Ruhephase R in einer Seitenlage, worauf während einem nachfolgenden Zeitabschnitt L3 eine Bauchlage und während einem nachfolgenden Zeitabschnitt L4 eine weitere Seitenlage eingenommen wird. Zwischen den einzelnen, eine Ruhephase R darstellenden Zeitabschnitten L1,L2,L3,L4 führt der Mensch Körperbewegungen auε, wobei während dieεen Bewegungsphasen B stark schwankende Signale an den Kraftsensoren la,lb,lc,ld auftreten. Die Veränderung der Lage des Schwerpunktes S in Y-Richtung iεt aus den unterschiedlichen Amplituden deε Signalε während der einzelnen Ruhephaεen R eindeutig erεichtlich.

Fig. 4b zeigt in einer gegenüber der Darεtellung gemäεε Fig. 4a zeitlich höheren Auflöεung einen Teilauεεchnitt . des im Zeitabschnitt Ll anliegenden Signalε SI, wobei das Signal Sl gegenüber dem Signal S gemäsε Fig. 4a keinen Gleichεpannungsanteil aufweist und zudem um einen Faktor 10 verstärkt iεt. Das Signal Sl ist ein digitales, in einem Speicher eines Computers abgelegtes Signal . Aus dem Signal Sl wird durch ein- oder mehrfache Berechnung eines gleitenden Mittelwertes das geglättete Signal S2 berechnet, desεen Verlauf in Fig. 4c nochmalε mit erhöhter Auflöεung dargeεtellt iεt. Auε diesem die Atemtätigkeit des Menschen darstellenden Signal S2 kann die Atemfrequenz AI berechnet v/erden, zum Beispiel durch Bestimmen der Intervallänge zwischen zwei Atemzügen, in dem die Zeiten sämtliche Tiefpunkte des Signalε S2 geεpeichert werden. Im dargestellten Ausführungεbeispiel wurde das Signal Sl drei mal hintereinander gemittelt, wobei in einem ersten Schritt auε je zwölf zeitlich nacheinander folgenden Werten ein gleitender Mittelwert gebildet wurde, und in einem zweiten Schritt auε dieεen Mittelwerten erneut auε je zwölf Werten ein weiterer gleitender Mittelwert gebildet wird, um in einem dritten Schritt aus diesen Mittelwerten nochmals ein aus je vierzehn Werten berechneten Mittelwert zu bilden, welche ge ittelte Wertfolge das Signal S2 darstellt. Fig. 4d zeigt in einer gegenüber der Darεtellung gemäss Fig. 4b zeitlich höheren Auflösung das Signal Sl, welches zur Berechnung der Herzfrequenz zweimal hintereinander durch die Bildung eines geleitenden Mittelwertes mit jeweils fünf Werten geglättet wurde, woraus das Signal S3 entεtand. Das in Fig. 4e dargestellte Signal S4, aus welchem die Herzfrequenz berechnet wird, ergibt sich auε der Differenz des Signalε Sl minuε deε Signals S3. Auε den Maximalwerten zwiεchen zwei Herzschlägen ist die Intervallänge und darauε die Herzfrequenz berechenbar. Die Amplitude ergibt zudem einen Hinweiε auf die Stärke deε Herzεchlageε . Artefakte können mit unterεchiedlichen Methoden ausgeschlossen werden. So können zum Beispiel unrealiεtische Herzfrequenzen von unter 35 oder über 190 Schlägen pro Minute von einer weiteren Verarbeitung ausgeschlossen v/erden .

Weitere Artefakte werden dadurch ausgeεchloεεen, daεε die Berechnung der Atemfrequenz AI und/oder der Herzfrequenz Hl nur während der Ruhephaεen R durchgeführt wird, wogegen während der mit Hilfe deε Signalε S feεtgestellten Bewegungsphaεen B keine Berechnung der Atemfrequenz AI bzw. der Herzfrequenz Hl erfolgt. Bei einem sitzenden oder schlafenden Menεchen werden die Ruhephaεen R mehr oder weniger häufig von Bewegungεphaεen B unterbrochen, wobei die Ruhephaεen R genügend eindeutig detektierbar und von genügender Zeitdauer sind um innerhalb der Ruhephasen R die Atemfrequenz AI beziehungsweise die Herzfrequenz Hl zu bestimmen. Nebεt der Atemfrequenz AI kann auch die Varianz A2 der Atemfrequenz AI, die Atemεtärke A3 oder daε Atemvolumen A4 beεtimmt werden. Nebεt der Herzfrequenz Hl kann auch deren Varianz H2 oder über die Amplitude auch die Herzschlagstärke H3 beziehungsweiεe das Schlagvolumen H4 bestimmt werden. Mit den Signalen K1,K2,K3,K4 können auch aktimetrische Daten wie Bewegungen, Erschütterungen, Vibrationen, Gewichtsverlagerungen, SchwerpunktsVerlagerungen, Ausweichverhalten, Verschiebungen, Entlaεtungen oder Belaεtungen gemeεsen werden.

Das erfindungsgemäεse Verfahren ist zudem geeignet unterschiedliche Schlafphaεen eineε Menschen festzuεtellen. Aus der Schlafforschung sind international feεtgelegte Kriterien zum Unterεcheiden, Feststellen und Meεεen von Schlafphaεen bekannt, beispielsweiεe auε dem Referenzwerk "Rechtεchaffen, A., Kaleε, A. , eds . A anual of standardized terminology, techniques and εcoring εyεtem for εleep εtages of human εubjects. Washington, DC : Public Health Service, U.S. Government Printing Office, 1968". Dieses Referenzwerk definiert die in der Schlafforschung verwendeten Bezeichungen für Schlafphasen wie eine "Wachphaεe", eine "Schlafphaεe 1" oder eine "REM-Schlafphaεe" . Die im Referenzwerk festgehaltenen Methoden verwenden die Meεεwerte eines EEG (Elektro- Encephalo-Gramm) , eineε EOG (Elektro-Okulo-Gramm) sowie eineε EMG (Elektro-Myo-Gramm) zur Bestimmung der unterschiedlichen Schlafphasen . Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht eine Wachphase zu bestimmen, welche bezüglich qualitativer Aussage der mit EEG gemesεenen Wachphase ebenbürtig iεt, wobei die Wachphasen auf Grund der gemesεenen Beεchleunigungswerte ermittelt werden. Das erfindungεgemäεεe Verfahren weiεt unter anderem den Vorteil auf, daεε auf eine Verwendung von Elektroden, wie dieε bei EEG-Meεsungen zwingend erforderlich iεt, verzichtet werden kann.

Figur 4f zeigt die Aktivität eines Menεchen über einem beεtimmten Beobachtungszeitraum, wobei der Aktivitätεwert in Funktion der Zeit dargeεtellt iεt. Der jeweilige Aktivitätεwert wird in einer beispielhaften Auεführungεform deε erfindungεgemäεsen Verfahrenε wie folgt ermittelt:

Die von einem sich auf einer Tragvorrichtung 3 befindlichen Menschen erzeugte Beεchleunigung beziehungεweise Kraft wird mit Kraftεenεoren 1, la, lb, lc, ld gemessen. Die Amplitude der Beschleunigungεwerte, welche bei einem regungεloεen Menεchen auftreten, εind bekannt. Ein Beεchleunigungεεchwellenwert wird definiert, welcher drei bis fünf mal dem bei regungsloεer Lage auftretenden Beεchleunigungεwert entspricht. Die gemesεenen Beεchleunigungεwerte werden mit Hilfe eineε Komparators mit diesem Beschleunigungsschwellenwert verglichen, wobei der Komparator ein binäres Beschleunigungεεignal erzeugt, welcheε bei überεchrittenem Beεchleunigungεεchwellenwert alε Auεgangεzuεtand eine logiεche "1" aufweist. Die in Fig. 4f auf der Ordinatenachse dargeεtellten Aktivitäts- Werte werden wie folgt berechnet. Das binäre Beεchleunigungεεignal wird jeweils während einer Zeitdauer von 20 Sekunden mit einer Frequenz von 20 Hz abgetastet und, εofern das Beschleunigungssignal den logischen Wert "1" aufweist, durch Addition ein Summenwert gebildet, wobei der nach jeweils 20 Sekunden anliegende Summenwert alε ein Aktivitätε-Wert bezeichnet wird. Der Aktivitätε-Wert kann somit den maximalen

Summenwert von 400 erreichen, da die Zählvorrichtung nach jeweils 20 Sekunden wieder auf Null gesetzt wird. Eine Schlafphaεe wird alε Wachphaεe bezeichnet, wenn die folgenden Kriterien erfüllt sind: - Jeweilε drei aufeinanderfolgende Aktivitäts-Werte werden zu einem weiteren Summenwert addiert, so dass ein maximaler Summenwert von 1200 erzielbar ist. Drei aufeinanderfolgende Aktivitätε-Werte entsprechen dabei einem Beobachtungszeitraum von einer Minute. Falls der weitere Summenwerte gröεεer alε ein erster Schwellenwert von 28 % des maximalen Summenwerte von 1200 ist, wird der Beobachtungszeitraum als Wachzustand bezeichnet. - Um länger dauernde Wachphasen eindeutig festzustellen wird eine weitere Bedingung eingeführt: Wenn über eine Zeitdauer von 10 Minuten zwei oder mehr Aktivitäts-Werte einen zweiten Schwellenwert von 56% des maximalen Aktivitäts-Wertes (von 400) überschreiten, wird diese gesamte Zeitdauer alε eine Wachphaεe definiert. Daε hiermit beεchriebene Verfahren verwendet εomit drei Schwellenwerte zum Feεtεtellen einer Wachphase, nämlich den ersten Schwellenwert von 28%, den zweiten Schwellenwert von 56% sowie die Beobachtungszeitdauer von 10 Minuten. Diese drei Schwellenwerte sind sogenannte Kalibrierwerte und sind je nach Erfordernis einstellbar veränderlich, um die Wachphasen eindeutig zu erfassen.

Ergeben sich zum Beispiel grössere Abweichungen zwischen einem vom Menschen manuell ausgefüllten Schlafprotokoll mit eingetragenen Wachphaεen und den gemeεεenen Wachphasen, so werden die Kalibrierwerte vorteilhafterweiεe derart manuell verändert, daεs die manuell festgestellten mit den gemeεεenen Wachphaεen übereinstimmen. Nach einem derartigen Kalibrieren, das unter Umständen für jeden zu untersuchenden Menεchen einmal individuellen vorzunehmen iεt, kann die Wachphaεe daraufhin automatiεch gemeεεen werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt auch eine der international festgelegten "Schlafphaεe 1" entεprechenden Gröεεe, ohne die Verwendung eines EEGs zu ermitteln. Dieεes Verfahren macht sich die Gesetzmäsεigkeit zu Nutze, dass anεchlieεεend an eine mittelεtarke Bewegung häufig eine Schlafphaεe 1 folgt. Daε verwendete Kriterium zum Festεtellen einer derartigen Schlafphaεe 1 lautet: - Ist der dem Beobachtungszeitraum vom 20 Sekunden vorhergehende Aktivitätε-Wert gröεser als 5% und kleiner als 75% des maximal möglichen Aktivitäts-Wertes (von 400) , dann wird der aktuelle Beobachtungszeitraum als Schlafphase l gewertet, sofern der Beobachtungszeitraum nicht bereits der Wachphase zugeordnet ist. In Fig. 4f sind die über einen Beobachtungszeitraum von 7 Stunden ermittelten Wachphasen und Schlafphasen 1 eingetragen.

Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt auch eine der international festgelegten "REM-Schlafphase" entεprechende Grosse ohne die Verwendung eines EEGs zu ermitteln. Die Bestimmung einer REM-Schlafphaεe iεt relativ anεpruchεvoll , weεhalb mehrere, im folgenden beεchriebene Geεetzmässigkeiten zum Feεtεtellen einer REM-Schlafphaεe verwendet werden:

- In einem erεten Verfahrenεchritt wird von den Daten der Herzrate auεgegangen . Fig. 4g zeigt den zeitlichen Verlauf der Mittelwerte der Herzrate, wobei dieεe

Herzraten über jeweilε 20 Sekunden gemittelte Werte darεtellen. Alε Ordinatenachεe iεt ein dem gemeεεenen Signal entεprechender Wert in mV dargeεtellt. Durch die Multiplikation dieεer Werte mit einem Korrekturwert könnte auch die effektive Herzrate dargestellt werden. Die im oberen Bereich der Figur dargestellten schwarzen Balken 30 stellen ermittelte REM-Schlafphasen dar. Weist die Herzrate innerhalb einem Beobachtungszeitraum vom zwei biε drei Minuten einen εtarken Anstieg auf und bleiben die nachfolgenden Werte deutlich erhöht oder v/eisen eine hohe Variabilität bzw. eine starke Schwankung auf, so wird der Bereich biε zur Abεenkung der Herzrate auf ein tieferes Niveau der REM-Schlafphase zugeordnet. Da die Bestimmung der REM-Schlafphase einzig auf Grund der Daten der Herzrate eine zu geringe Verlässlichkeit aufweist werden v/eitere Daten verwendet um Quervergleiche anzustellen.

- Es wird überprüft, ob die unter Verwendung der Daten der Herzrate bestimmten REM-Schlafphasen mit einer erhöhten Amplitude der Atemεtärke korrelieren. Fig. 4h zeigt die Atemεtärke in Funktion der Beobachtungszeit, wobei die Amplitude als Spannungwert in mV dargestellt iεt, und wobei negativere Werte eine höhere Atemstärke darstellen. Als Anfang und Ende der REM-Schlafphase können die Schnittpunkte der Atemstärke-Kurve mit der ebenfallε in Fig. 4h eingetragenen Regreεεionsgeraden der Atemεtärke-Kurve verwendet werden. Sollte εich ergeben, daεε die über die Atemεtärke ermittelte REM-Schlafphaεe zeitlich früher auftritt alε die über die Herzrate ermittelte REM-Schlafphaεe, so εollte alε Zeitpunkt deε Beginnε der REM-Schlafphase der durch die Atemstärke ermittelte Beginn der REM-Schlafphase verwendet werden.

- Je nach untersuchten Menεchen können die Daten der Atemεtärke Artefakte aufweiεen, εo daεε vorzugsweise weitere Daten zur Ermittlung der REM-Schlafphaεe verwendet werden. Dazu eignet sich, wie in Fig. 4i dargestellt, die Atemfrequenz. Während der REM- Schlafphase weist die Atemfrequenz eine erhöhte Frequenz auf. Weiter iεt zur genaueren Ermittlung der REM- Schlafphaεe die Verwendung der Varianz der Herzrate geeignet, wie dies in Fig. 4k dargeεtellt iεt. Eine REM- Schlafphaεe zeichnet εich durch eine erhöhte Varianz der Herzrate aus . Die folgenden weiteren Vorgehensschritte sind zur korrekten Bestimmung von REM-Schlafphasen zu beachten:

- In der ersten Hälfte deε Schlafes sind Schwankungen der Herzrate, der Atemstärke und Atemfrequenz geringer alε in der zweiten Hälfte, inεbeεondere die Schwankungen während der REM-Schlafphaεen

- Ein normaler, nicht künεtlich abgebrochener Schlaf enthält im Normalfall vier Schlafzyklen mit vier REM- Schlafphaεen. Die erste REM-Schlafphaεe iεt meistens kurz und wenig ausgeprägt . - Im Verlauf einer Nacht werden die REM-Schlafphasen länger und deutlicher. - In den dem Erwachen vorangehenden Minuten iεt meiεtenε eine REM-Schlafphase vorhanden.

- Bei gleichzeitiger Erhöhung der Herzrate εowie der Atemstärke ist eine REM-Schlafphase sehr wahrscheinlich. - Ist ein Beobachtungszeitraum auf Grund der

Aktimetriewerte einer Wachphase zuzuordnen, εo wird dieεe Phase immer der Wachphase zugeordnet, gleichgültig ob auf Grund der Auεwertung der Beobachtungεzeitraum auch einer REM-Schlafphaεe zugeordnet werden könnte.

Fig. 3a zeigt in einer Seitenanεicht ein

Auεführungεbeiεpiel eineε Kraftεenεorε la, um die vom Bein 5b auf die feεte Unterlage 2 übertragene Kraft Fl zu meεsen. Der Kraftsenεor la weist einen u-förmig auεgeεtalteten Körper 20 umfaεεend zwei Schenkel 20a, 20b auf. Der Schenkel 20b liegt auf der feεten Unterlage 2 auf, wogegen der Schenkel 20a derart auεgeεtaltet iεt, daεs das Bein 5a auf der Oberfläche gut und εicher gelagert Platz findet. Im Bereich der Schenkelenden iεt zwiεchen den Schenkeln 20a, 20b eine Diεtanzmeεεvorrichtung 21 angeordnet, v/elche in Fig. 3b im Detail dargeεtellt iεt. Die Diεtanzmessvorrichtung 21 umfasεt eine alε Leuchtdiode auεgeεtaltete Lichtquelle 22 εowie einen gegenüberliegend angeordneten Senεor 23 mit zwei lichtempfindlichen Senεorflachen 23a, 23b, wobei die Lichtquelle 22 und der Senεor 23 feεt mit dem unteren

Schenkel 20b verbunden εind. Ein Strahlunterbrechungεteil 25, welcheε εich in Abhängigkeit der einwirkenden Kraft Fl in Richtung W hin- und herbewegt, iεt zwiεchen der Lichtquelle 22 und dem Senεor 23 angeordnet und mit dem oberen Schenkel 20a feεt verbunden.

Fig. 3c zeigt eine Aufεicht auf den

Strahlunterbrechungεteil 25 in einer zum Sensor 23 hin auεgerichteten Blickrichtung. Der Strahlunterbrechungεteil 25 weiεt ein Fenεter 24 auf, welcher das von der Lichtquelle 21 emittierte Licht in Abhängigkeit der Lage in Bewegungsrichtung W auf den Senεorflachen 23a, 23b moduliert, was, durch eine entsprechende Verεchaltung der beiden lichtempfindlichen Senεorflachen 23a, 23b, ein in Funktion der Auεlenkung lineareε Signal bewirkt. Dieεeε Signal iεt proportional zu der einwirkenden Kraft Fl .

Fig. 3d zeigt ein weitereε Auεführungεbeiεpiel eineε Meεεwertaufnehmerε, welcher alε eine Diεtanzmeεεvorrichtung 21 auεgebildet ist. Am unteren Schenkel 20b ist ein Lichtwellenleiter 26 angeordnet, welcher zum gegenüberliegend angeordeten Schenkel 20a hin Licht emittiert, welches von einer reflektierenden Oberfläche 27 des oberen Schenkelε 20a reflektiert wird und wieder in den Lichtwellenleiter 26 gelangt. Ein nicht dargestellter Sensor erlaubt daε vom Lichtwellenleiter 26 übertragene Messεignal zu detektieren und einer elektroniεchen Schaltvorrichtung zuzuführen.

Alε weitere Senεoren für den Kraftεensor la wären beispielεweiεe auch ein ultraschall-Senεor, ein Piezo- Kriεtall, ein pneumatiεcher Druckεenεor, ein hydraulischer Druckεenεor oder "Smart Metal"- Verformungεεenεor geeignet.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Messen zumindest der Atemfrequenz (AI) und/oder der Herzfrequenz (Hl) eines Lebewesens, insbeεondere eineε Menεchen, dadurch gekennzeichnet, ^' dasε daε Lebeweεen zumindest teilweiεe auf eine

Tragvorrichtung (3) plaziert wird, daεε die von der Tragvorrichtung (3) auf die Umgebung bewirkte Kraft (F;F1, F2 , F3 , F4) gemeεεen und darauε ein Kraftεignal (K;K1, K2 , K3 , K4) erzeugt wird, und daεs mit einer Signalauswertevorrichtung (4) auε dem Kraftsignal (K;K1,K2, K3 , K4) die Atemfrequenz (AI) und/oder die Herzfrequenz (Hl) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daεε die Kraft (Fl, F2 , F3 , F4) an unterεchiedlichen Stellen gemeεεen wird, und auε den gemeεsenen

Kraftεignalen (Kl , K2 , K3 , K4) der Ort deε Schwerpunkteε des Lebewesens ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dasε die Tragvorrichtung (3) alε ein Stuhl oder Bett (5) ausgeεtaltet iεt und insbesondere vier Beine (5b, 5c, 5d, 5e) aufweist, und daεε die von jedem Bein (5b, 5c, 5d, 5e) auf einen feststehenden Untergrund (2) übertragene Kraft (Fl, F2, F3, F4) gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daεs auf Grund der gemesεenen Werte deε Kraftεignalε (Kl, K2 , K3 , K4) die Aktivität des Lebeweεenε in eine Bewegungεphaεe (B) und eine Ruhephaεe (R) unterteilt wird, und daεs die Atemfrequenz (AI) und/oder die Herzfrequenz (Hl) auε dem während der Ruhephaεe (R) gemessenen Kraftsignal (K1,K2,K3,K4) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daεε aus dem Kraftsignal

(K;K1, K2,K3 , K4) auch die Varianz der Atemfrequenz (A2) und/oder die Varianz der Herzfrequenz (H2) und/oder das Gewicht des Lebewesens und/oder ein Aktivitätε-Wert ermittelt werden.

6. Verfahren nach Anεpruch 5, dadurch gekennzeichnet, daεε auε dem Aktivitäts-Wert die auε der

Schlafforschung bekannten Zustände "Wachphase" oder "Schlafphaεe 1" ermittelt werden, indem Zeitperioden, innerhalb welchen der Aktivitätε-Wert vorgebbare Schwellenwerte überεchreitet , der Wachphaεe beziehungsweise der Schlafphase 1 zugeordnet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dasε der auε der Schlafforεchung bekannte Zuεtand

"REM-Schlafphaεe" ermittelt wird, indem Zeitperioden, innerhalb welchen ein Mittelwert der Herzrate und/oder eine Atemεtärke und/oder ein Mittelwert der Atemfrequenz und/oder eine Varianz der Herzrate einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet, der REM- Schlafphaεe zugeordnet werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daεε beim Über- oder Unterεchreiten eineε vorgebbaren Sollwerteε, inεbeεondere ein Sollwert betreffend die Atemfrequenz (AI) oder die Herzfrequenz (Hl) , ein Alarmεignal (AI) erzeugt wird.

9. Verwendung eines Verfahrens gemäsε einem der Ansprüche 1 biε 8 zum berührungsfreien und insbesondere kontinuierlichen Überwachen der

Atemfrequenz (AI) und/oder der Herzfrequenz (Hl) als auch der Aktivität und/oder der Lage des Schwerpunkteε und/oder deε Gewichtes von insbeεondere auf einem Bett liegenden Menschen.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäεε einem der Anεprüche 1 biε 8, umfaεεend zumindest einen Kraftsenεor (1 ; la, lb, lc, ld) eine

Verεtärkervorrichtung zur Verstärkung der gemesεenen Kraftεignale (K, Kl, K2 , K3 , K4) sowie eine Signalauswertevorrichtung (4) zum Beεtimmen einer Bewegungεphaεe (B) und einer Ruhephaεe (R) εowie zum Ermitteln der Atemfrequenz (AI) und/oder der Herzfrequenz (Hl) während der Ruhephase (R) .

11. Vorrichtung nach Anεpruch 10 umfaεεend vier einzelne Kraftεenεoren (la, lb, lc, ld) , wobei jeder Kraftεenεor (la, lb, lc, ld) derart auεgeεtaltet iεt, daεε er unter dem Bein (5b, 5c, 5d, 5e) eines Stuhls oder eineε Betteε (5) positionierbar iεt.

12. Vorrichtung nach Anεpruch 11 mit einem Kraftεenεor

(la, lb, lc, ld) welcher alε ein u-förmiger Körper (20) umfaεεend zwei Schenkel (20a, 20b) auεgeεtaltet iεt, wobei der eine Schenkel (20a; 20b) auf einen feεten

Untergrund zu liegen kommend auεgeεtaltet iεt und der andere Schenkel eine Auflagefläche für daε Bein aufweist, und wobei im Bereich der Schenkelende zwischen den Schenkeln eine Distanzmeεεvorrichtung (21) oder eine Kraftmeεεvorrichtung (28) angeordnet iεt .

13. Vorrichtung nach Anεpruch 12, dadurch gekennzeichnet, daεε die Diεtanzmeεεvorrichtung (21) eine Lichtquelle

(22) , inεbeεondere eine Leuchtdiode (22) , εowie zwei dieser gegenüberliegend angeordnete, lichtempfindliche Sensoren (23a, 23b) aufweist, wobei die Lichtquelle (22) εowie die Senεoren (23a, 23b) mit einem der Schenkel (20a; 20b) verbunden sind, und wobei zwischen der Lichtquelle (22) und den Sensoren (23a, 23b) -eine mit dem gegenübeliegeden Schenkel (20b;20a) verbundenes, ein Fenster (24) aufweisendeε Strahlunterbrechungεteil (25) derart angeordnet und daε Fenεter (24) derart dimenεioniert iεt, dass die von der Lichtquelle (22) auf die Sensoren (23a, 23b) einfallende Lichtmenge vom gegenseitigen Abstand der beiden Schenkelenden (20a, 20b) abhängt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dasε die Diεtanzmessvorrichtung (21) einen Lichtwellenleiter (26) umfasst, welcher mit einem der Schenkel (20a; 20b) verbunden und zur Strahlenabgabe zum gegenübeliegeden Schenkel (20b; 20a) hin ausgerichtet iεt, wobei der gegenüberliegende

Schenkel (20b; 20a) eine die Strahlen reflektierende Oberfläche (27) aufweiεt, und wobei mit derεelben oder einem weiteren Lichtwellenleiter (26) daε reflektierte Signal empfangen wird, wobei die empfangene Lichtmenge vom gegenεeitigen Abεtand der beiden Schenkelenden (20a, 20b) abhängt.