WO2008128709A1 - Vorrichtung zur erfassung und analyse von vitalparametern des körpers, wie insbesondere puls und atmung - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung und analyse von vitalparametern des körpers, wie insbesondere puls und atmung Download PDF

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metal plate
respiration
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Robert JÄGER
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Corscience Gmbh & Co. Kg
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    • A61B5/7264—Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems
    • A61B5/7267—Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems involving training the classification device

Definitions

  • Device for detecting and analyzing vital parameters of the body in particular pulse and respiration
  • the present invention relates to a device with which vital parameters of the human body such as pulse and respiration can be detected and analyzed.
  • Patent No. 4,958,638 “Non-contact Vital Signs Monitor” (Sharpe et al., 1990) describes a system that can simultaneously measure pulse and respiration without physical contact of the electrodes or sensors to the body GHz is radiated onto the body surface, and the transit time differences between the incoming and outgoing waves are measured and / or calculated in order to obtain information about respiration and pulse as well as all other movements on the body surface.
  • Patent US 3,993,995 "Respiration Monitor” (Kaplan et al., 1976) describes a system for detecting respiration without making direct physical contact of the sensor, a portion of the chest area is illuminated by light, the reflected light is detected the transmitted and the reflected light is determined in a quadrature detector, which indirectly contains respiratory movements.
  • US Pat. No. 5,727,549 (Suda et al., 1998) proposes the following method: Pressure on a "carbon fiber feit” changes its DC resistance, causing a constant current flow through the material to have a different level of resistance glued, it undergoes pressure changes due to the body movements caused by respiration and pulse.
  • US Pat. No. 6,491,647 (Bridger et al., 2002) describes a method with which non-invasive and punctiform physiological parameters, such as, inter alia, can be obtained. Pulse and respiration, can be measured. The system is based on mechanical changes of a transducer, which converts these changes into electrical signals. The measurement setup must be applied to the body, e.g. be pressed by means of chest straps so that the movements on the skin surface are transferred to the sensor.
  • the device according to the invention is based on the idea of detecting the smallest changes in the uppermost body layers and of recognizing the vital parameters, in particular pulse and respiration.
  • the raising and lowering of the chest or abdomen while breathing as well as the pulsating blood in the veins lead to periodic mechanical changes on the body surface.
  • an LC resonant circuit is used, to which a metallic sensor element is coupled.
  • the sensor element is brought into close proximity to the body surface without touching it.
  • the sensor element is an electromagnetic wave near-field antenna or, to a first approximation, can be considered a plate of a plate capacitor, with the adjacent body layers representing the other plate.
  • the arrangement is more like a ball capacitor with the metallic sensor element in the middle and the adjacent body layers as a dielectric. Even the smallest changes in the uppermost body layers or the smallest changes in the distance between the sensor element and the body surface thus cause a change in the capacitance, whereby the resonance frequency of the LC resonant circuit is increased or decreased slightly.
  • the detuning of the resonant circuit leads to a drop in the oscillation amplitude.
  • This voltage drop can be as DC voltage supply amplitude.
  • This voltage drop can be measured very easily as DC voltage.
  • the amplitude voltage measured on the LC resonant circuit thus represents a measure of the mechanical changes in the uppermost layers of the skin.
  • the breathing and pulse of a person can be detected most easily on the neck, preferably in the area above the clavicle.
  • the sensor element does not necessarily have to be applied over the carotid artery, because due to the propagation of the pulse wave in the surrounding tissue, the changes in the uppermost skin layers are still sufficiently large in some distance to be detected by the sensor element. Breathing movements can be registered well into the area of the shoulder.
  • a great advantage of the invention is that the vital parameters pulse and respiration are detected together at one point of the body.
  • Another great advantage is that the system works automatically by automatically analyzing the signal obtained from the changes in the upper body layers and determining the vital parameters.
  • the user does not have to have experience in feeling the pulse nor be trained in the observation of breathing.
  • the most important question a first responder asks, namely whether the patient must be revived, is answered quickly and clearly by the device.
  • self-learning methods and algorithms are now available with which the detected signals can be analyzed and evaluated.
  • the evaluation unit can provide unambiguous information, such as "pulse and respiration present" or "immediate resuscitation! output.
  • LC Resonant circuit which has a non-linear characteristic with a very steep resonance curve.
  • LC Resonant circuit which has a non-linear characteristic with a very steep resonance curve.
  • a linear resonant circuit lead in a nonlinear resonant circuit with very steep or even overhanging resonance curve even small or smallest change in inductance or capacitance to a disproportionately large change in the oscillation amplitude. Even the smallest changes in the uppermost layers of the skin can be reliably detected.
  • Another advantage of using a nonlinear LC resonant circuit is the very low power consumption of the high sensitivity measuring system. The entire device can be very small and inexpensive to build, which is important for mobile use in rescue.
  • Figure 1 shows a device for determining the vital parameters, greatly simplified
  • FIG. 2 is a block diagram of the apparatus of Figure 1;
  • Figure 3a shows the resonance curve of a linear LC resonant circuit
  • FIG. 3b shows the resonance curve of a nonlinear LC resonant circuit
  • FIGS. 4a, 4b, 4c are block diagrams of the nonlinear LC resonant circuit with and without load
  • Figure 5 shows the resonance curve of the non-linear LC resonant circuit with and without ohmic loss resistance
  • FIG. 6 shows the schematic diagram of the non-linear LC resonant circuit with connected sensor element
  • FIG. 7 shows a capacitor block diagram of the sensor element brought to the body surface
  • FIG. 8 shows the eddy current effects in the region of the sensor element
  • FIG. 9 is a flow chart for the signal processing
  • Figure 10 is a flow chart for the whole device
  • FIG. 11 shows an amplitude-time diagram for the measured raw signal and the signals extracted therefrom for pulse and respiration.
  • FIG. 1 shows a device 1 provided specifically for first aid use. All electronic components are housed in a small round housing 2. At the bottom there is a sensor element in the form of a thin metal plate 3, which is well electrically conductive. At its front side (in the figure below), the metal plate 3 is provided with a self-adhesive layer 4 which simultaneously has an electrical insulating layer and the function of a spacer. By means of the self-adhesive layer 4, the device 1 is fixed on the skin of the patient, in the vicinity of the carotid artery 5. The thickness of the insulating layer is about 0.1 mm and thus defines the distance between the metal plate 3 and body surface. On the back (in the figure above), the metal plate 3 carries a plug-in connection 6, which functions in principle like a push-button and serves the mechanical and electrical connection with the components of the device installed in the housing 2.
  • a plug-in connection 6 which functions in principle like a push-button and serves the mechanical and electrical connection with the components of the device installed in the housing
  • the result of the diagnosis is output as an optical signal on a display 9, which is externally mounted on the housing 2.
  • the block diagram of Figure 2 reveals the basic structure of the electronic circuit 7. It comprises a signal detection unit 10 with a non-linear LC resonant circuit (NLS) 1 1, which is excited by a frequency generator 12. A frequency control 13 keeps the set oscillation frequency constant.
  • the consequent change in the oscillation amplitude of the LC Schw ⁇ ngkre ⁇ ses 11 is measured and is available as an analog voltage signal at the output of the signal detection unit 10 at your disposal
  • An analog-to-digital converter 16 converts the analog amplitude signal into a corresponding digital signal.
  • the digitized amplitude signal is fed to an evaluation unit 17, which consists of a microprocessor 18 with CPU 19, non-volatile ROM 20 and RAM 21 the amplitude signal and determines, based on stored criteria, whether the patient is breathing adequately and / or has a sufficiently powerful pulse
  • the result of the analysis is output as optical and / or acoustic signal
  • the display 9 on top of the housing 2 see Figure 1
  • the LC Schw ⁇ ngkre ⁇ s used here except for an inductance (L) comprises a non-linear capacitance diode, that is a voltage-controlled capacitance (C) with directional effect
  • L inductance
  • C voltage-controlled capacitance
  • FIG. 3 a shows the resonant curve of a LC oscillation circuit with linear characteristics.
  • the oscillation amplitude U is plotted against the frequency f Changes in the inductance or capacitance lead to a shift of the resonant frequency to higher or lower frequencies
  • the resonance curve shifted to the right in this example is shown in dashed lines
  • a shift of the resonant frequency by ⁇ f leads to an approximately proportional decrease of the oscillation amplitude ⁇ U
  • FIG. 3b shows the resonant curve of a nonlinear LC oscillation circuit.
  • the very steep, almost vertical course of the right branch of the resonator is striking. nanzkurve. If the excitation frequency Fe is set in such a way that it lies in the region of this steep curve branch, a small shift in the resonance frequency ⁇ f already leads to a disproportionate drop in the oscillation amplitude ⁇ U.
  • a nonlinear LC resonant circuit without great circuitry complexity extremely high amplitude changes can be generated. Even with the smallest changes in the resonant frequency, it is possible to realize almost any large changes in the amplitude. In extreme cases, even a resonance curve with a vertical flank or even an overhanging resonance curve can be generated, so that the system tilts slightly in a certain frequency range.
  • FIG. 4a the schematic diagram of the non-linear LC resonant circuit 1 1 from the circuit of Figure 2 is shown.
  • the resonant circuit contains, in addition to the inductance L, a varactor diode with the capacitance C.
  • the resonant frequency is calculated according to the formula
  • real resistors R can also be added in addition to purely inductive or capacitive components. However, their ohmic losses do not affect the resonant frequency of the resonant circuit, but only the height and width of the resonant curve.
  • FIG. 5 shows the typical resonance curve of a nonlinear LC resonant circuit once without and (dashed) with additional ohmic loss resistance. If the excitation frequency Fe1 lies at a less steep position of the resonance curve, ohmic losses cause a relatively large drop in the oscillation amplitude. If the excitation frequency Fe2 lies in a very steep region of the resonance curve, the same ohmic loss is less significant than the much larger amplitude drop due to a change in capacitance and / or Inductance. Nevertheless, care must be taken that the resonance curve does not flatten completely due to excessive ohmic losses.
  • FIG. 6 shows the circuit diagram of the nonlinear LC oscillation circuit with the metal plate 3 (see FIG. 1 and FIG.
  • the metal plate 3 acts as an antenna for electromagnetic waves in the vicinity and represents, greatly simplified, at the same time represents a plate of a plate capacitor whose other plate is the body tissue 22.
  • directed field lines 23 form. A change in the distance between the metal plate 3 and body tissue 22 leads to a change in capacitance, as well as changes in the body tissue 22 itself.
  • the electrical parameters of the body tissue can not be clearly described. This is due to the fact that the body surface is made up of different layers of tissue. Since these tissue layers are only relatively weakly electrically conductive, the electromagnetic waves emitted by the metal plate 3 penetrate at least into the uppermost layers and even strike arteries in which blood flows.
  • the uppermost skin layers and the gap between the insulated metal plate 3 and the body surface can also be represented as a capacitor with a plurality of layers with different dielectric constants connected one behind the other.
  • FIG. 7 shows a corresponding block diagram, comprising the metal plate 3 serving as sensor element, the gap 24 between metal plate 3 and skin surface 25, and the skin layers 26 located immediately below the skin surface 25. Each of these layers has a different dielectric constant which is included in the total capacitance Ck. Changes, in particular expansions of the individual skin layers 26 and a change in the distance between metal plate 3 and skin surface 25 lead to a change in the capacitance Ck and thus also to a change in the total capacitance in the resonant circuit, which leads to an increase or decrease in the resonant frequency.
  • FIG. 8 illustrates how eddy current effects in the body tissue 22 influence the ohmic losses in the LC resonant circuit. These affect the height and width of the resonance curve. Inductive effects, on the other hand, can be neglected.
  • the amplitude signal provided by the signal detection unit 10 must be further processed in the evaluation unit 17 in such a way that a result understandable to the lay helper is displayed.
  • the rough sequence is sketched in FIG.
  • the digital input signal is fed to a self-regulating filter. This is followed by an extraction of typical features in the time and frequency domain and an evaluation by a self-learning neuro-fuzzy system. Finally, all parameters are combined in a decision unit and the decision generated there is transmitted to a display. All partial results of the individual calculation steps as well as the final result are saved with time stamp. Decision making is based on physician recommended criteria. By using a neural fuzzy logic network, it is also possible to allow differentiated results such as "eventual respiratory arrest" or "very weak pulse”.
  • the excitation frequency for the LC resonant circuit is set to an optimum value, that is to the steepest point of the resonance curve. Once the optimum setting has been found, it only has to be monitored in the following to determine if the actual frequency deviates from the target frequency over a longer period of time. If necessary, the actual frequency is readjusted or adapted to changed conditions. This ensures consistent high sensitivity and measurement accuracy.
  • Figure 11 illustrates how the signals for pulse and respiration (bottom) are extracted from the measured raw signal (above) by the computer.
  • the pulse signal here has a much higher frequency than the respiratory signal, which is an indication that the patient is breathing and has normal pulse.
  • the separate further processing of the extracted signals takes place by means of specific algorithms.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Vital parametern, insbesondere Puls und Atmung. Als Sensorelement dient eine Metallplatte (3), die in unmittelbare Nähe der Körperoberfläche (14) fixiert wird. Die Metallplatte (3) ist an einen nichtlinearen LC-Schwingkreis (11 ) angekoppelt. Veränderungen in den obersten Körperschichten (15), die durch Atmung und/oder Puls hervorgerufen werden, führen zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises (11), was wiederum eine Änderung der Schwingungsamplitude bewirkt. Die Schwingungsamplitude wird gemessen, digitalisiert, durch einen Mikroprozessor (18) analysiert und bewertet. Das Ergebnis wird in einer auch für Laienhelfer verständlichen Form angezeigt. Das Gerät arbeitet automatisch und bestimmt die Vitalparameter selbsttätig. Alle Bauelemente einschließlich Stromversorgung sind in ein kleines Gehäuse (2) integriert.

Description

Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Vitalparametern des Körpers, wie insbesondere Puls und Atmung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der Vitalparameter des menschlichen Körpers wie Puls und Atmung detektiert und analysiert werden können.
In den Industrieländern sind Erkrankungen im kardiovaskulären System die mit Abstand häufigste Todesursache. Allein in Deutschland sterben daran ca. 44% der Menschen. Einen plötzlichen Herzstillstand, also ein akutes Versagen der Herz- Kreislauffunktion, erleiden ca. zehn Prozent der Bevölkerung. Dabei gibt es verschiedenste Gründe, die zu solch einem kritischen Zustand führen. Ein Herzinfarkt, schwere Verletzungen bei einem Unfall oder ein Stromschlag können zu einer Be- wusstlosigkeit führen, die einen Atem- und Herzstillstand verursacht. In solchen Situationen ist es für den Patienten lebenswichtig, dass sein lebensbedrohlicher Zustand möglichst sofort erkannt und er ohne Verzug adäquat reanimiert wird. Mit jeder Minute ohne kardiopulmonale Reanimation (CPR) sinkt die Überlebenswahrscheinlichkeit um zehn Prozent. Zehn Minuten nach einem Kreislaufstillstand gibt es normalerweise keine Überlebenschance mehr. Um auf solch alltägliche Situationen vorbereitet zu sein, ist es besonders wichtig, dass jeder mit den grundlegenden Maßnahmen in Notfallsituationen mit bewusstlo- sen Patienten vorbereitet und trainiert ist. Dabei ist es neben der Herz-Lungen- Wiederbelebung besonders wichtig zu wissen, wie das Bewusstsein und die Vitalparameter überprüft werden.
Da es außer beim PKW-Führerschein keine Pflichtveranstaltungen für Erste-Hilfe- Maßnahmen gibt und häufig wesentliches Wissen verloren ist, trauen sich Unfallzeugen nur in seltenen Fällen zu helfen.
Ein weiteres Problem stellen die sich in gewissen Intervallen ändernden Rettungsleitlinien dar. Die letzte Änderung der Leitlinien der "European Resuscitation Council" erfolgte im Jahr 2005. Danach müssen Ersthelfer lediglich das Bewusstsein und die Atmung überprüfen. Vor 2005 musste zusätzlich der Puls durch Tasten an der Halsschlagader überprüft werden. Die Gründe dafür, dass das Überprüfen des Pulses als nicht mehr sinnvoll angesehen wird, sind die fehlende Kompetenz sowie der fehlende Mut der Ersthelfer.
Es gibt bereits einige Vorschläge zur Lösung dieser Problematik.
Das Patent US 4,958,638 „Non-contact vital signs monitor" (Sharpe et al., 1990) beschreibt ein System, mit dem gleichzeitig Puls und Atmung gemessen werden können, ohne einen körperlichen Kontakt der Elektroden oder Sensoren zum Körper. Hochfrequenzwellen im Bereich von 10 GHz werden auf die Körperoberfläche gestrahlt und die Laufzeitunterschiede zwischen hin- und rücklaufender Welle gemessen bzw. berechnet. Auf diese Weise lassen sich Informationen über Atem und Puls sowie sämtliche weitere Bewegungen an der Körperoberfläche gewinnen.
Das Patent US 3,993,995 „Respiration Monitor" (Kaplan et al., 1976) beschreibt ein System zur Detektion von Atmung, ohne einen direkten Körperkontakt des Sensors herzustellen. Ein Teil des Brustbereichs wird von Licht bestrahlt. Das reflektierte Licht wird detektiert. Der Phasenunterschied zwischen dem gesendeten und dem reflektierten Licht wird in einem Quadraturdetektor bestimmt, welches indirekt Atembewegungen enthält. Das Patent US 5,727,549 (Suda et al., 1998) schlägt folgende Methode vor: Durch einen Druck auf ein „Carbon fiber feit" ändert sich dessen Gleichstromwiderstand. Dadurch erfährt ein Konstantstrom durch das Material einen unterschiedlich hohen Widerstand. Wird das System auf die Körperoberfläche geklebt, so erfährt es Druckänderungen durch die von Atmung und Puls hervorgerufenen Körperbewegungen.
Im Patent US 5,273,036 (Kronberg et al., 1993) wird ein Verfahren beschrieben, das als Grundlage die Reflexions-Pulsoxymetrie nutzt. Leuchtdioden senden Licht ins Gewebe. Photodetektoren messen das reflektierte und von Arterien gedämpfte Licht. Dies ändert sich durch die fluktuierenden Pulswellen. Wird der Sensor im Brustbereich adaptiert, so ist die unterschiedliche Intensität auch von der Atembewegung und der hierdurch ausgelösten Kompression des Gewebes und der Blutgefäße abhängig.
Das Patent US 6,823,739 (Ueno et al., 2004) beschreibt ein System, das mittels dünnem Piezomaterial punktuelle Bewegungsdetektion, wie Atmung oder Puls, erkennen kann.
In der Patentschrift US 6,491 ,647 (Bridger et al., 2002) wird ein Verfahren beschrieben, mit dem nicht-invasiv und punktuell physiologische Parameter, wie u.a. Puls und Atmung, gemessen werden können. Das System basiert auf mechanischen Veränderungen eines Messaufnehmers, der diese Änderungen in elektrische Signale umwandelt. Der Messaufbau muss dazu auf den Körper, z.B. mittels Brustgurten angepresst werden, damit die Bewegungen an der Hautoberfläche auf den Messaufnehmer übertragen werden.
Im Patent US 6,875,176 (Mourad et al., 2005) wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels Ultraschall Bewegungen an der Körperoberfläche detektiert werden. Neben dem inneren Schädeldruck können so auch Atmung und Puls erfasst werden.
Das System nach Patent US 6,758,816 (Tsuhata et al., 2004) nutzt den Doppier- Effekt für die Feststellung des Pulses. Ein Sender schickt eine Ultraschallwelle in die Arterie, ein Empfänger empfängt das reflektierte Signal. Alle vorbekannten Systeme zur Erfassung von Puls und/oder Atmung haben sich in der Praxis nicht durchgesetzt, da sie auf einem mehr oder weniger aufwändigen und relativ teuren Verfahren basieren. Bei einigen der beschriebenen Verfahren wird ein Gegendruck benötigt, der durch Gurte hergestellt wird. Solche Systeme sind aufwändig in der Bedienung, weder klein noch laientauglich und daher für den mobilen Erste-Hilfe-Einsatz kaum geeignet. Die bekannten Vorrichtungen benötigen zudem alle relativ viel elektrische Energie, was vor allem für den mobilen Erste-Hilfe-Einsatz nicht akzeptabel ist.
Angesichts der aufgezeigten Nachteile im Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Diagnose von Vitalparametern wie Atmung und Puls bereitzustellen, welches schnell und zuverlässig arbeitet und auch von unerfahrenen Ersthelfern am Unfallort eingesetzt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht auf der Idee, kleinste Änderungen in den obersten Körperschichten zu detektieren und daran die Vitalparameter, insbesondere Puls und Atmung, zu erkennen. Das Heben und Senken des Brustkorbs bzw. Bauchs beim Atmen ebenso wie das in den Adern pulsierende Blut führen zu periodischen mechanischen Veränderungen an der Körperoberfläche. Um diese Veränderungen in den obersten Körperschichten zu detektieren, wird ein LC- Schwingkreis benutzt, an den ein metallisches Sensorelement angekoppelt ist. Das Sensorelement wird in unmittelbare Nähe der Körperoberfläche gebracht, ohne dass es diese berührt. Das Sensorelement stellt eine Antenne für elektromagnetische Wellen im Nahbereich dar oder kann in erster Näherung als eine Platte eines Plattenkondensators aufgefasst werden, wobei die benachbarten Körperschichten die andere Platte darstellen. Etwas genauer betrachtet, entspricht die Anordnung allerdings eher einem Kugelkondensator mit dem metallischen Sensorelement in der Mitte und den benachbarten Körperschichten als Dielektrikum. Selbst kleinste Veränderungen in den obersten Körperschichten oder geringste Änderungen des Abstands zwischen Sensorelement und Körperoberfläche bewirken so eine Änderung der Kapazität, wodurch sich die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises etwas erhöht oder erniedrigt. Die Verstimmung des Resonanzkreises führt zu einem Abfall der Schwingungsamplitude. Dieser Spannungsabfall kann als Gleichspannung gungsamplitude. Dieser Spannungsabfall kann als Gleichspannung sehr einfach gemessen werden. Die am LC-Schwingkreis gemessene Amplitudenspannung stellt somit ein Maß für die mechanischen Veränderungen in den obersten Hautschichten dar. Durch Analyse des Amplitudensignals mithilfe eines Mikroprozessors können die Vitalparameter bestimmt und insbesondere erkannt werden, ob Atmung und/oder Puls vorhanden ist.
Atmung und Puls eines Menschen können am einfachsten am Hals, vorzugsweise im Bereich oberhalb des Schlüsselbeins, erkannt werden. Dabei muss das Sensorelement nicht zwingend über der Arteria Carotis aufgebracht werden, denn aufgrund der Ausbreitung der Pulswelle im umliegenden Gewebe sind die Veränderungen in den obersten Hautschichten auch noch in einiger Entfernung hinreichend groß, um von dem Sensorelement erfasst zu werden. Atembewegungen können bis in den Bereich der Schulter hinein gut registriert werden.
Ein großer Vorteil der Erfindung ist, dass die Vitalparameter Puls und Atmung gemeinsam an einer Stelle des Körpers erfasst werden. Die Anbringung eines einzigen Sensorelements, dass klein und leicht ausgeführt sein kann, an einer gut zugänglichen Stelle des Körpers, wie insbesondere im Bereich des Halses oder Schlüsselbeins, macht das System besonders notfalltauglich und selbst für Laien leicht handhabbar. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass das System automatisch arbeitet, indem es das aus den Veränderungen in den obersten Körperschichten gewonnene Signal selbsttätig analysiert und daraus die Vitalparameter bestimmt. Der Anwender muss also weder Erfahrung im Fühlen des Pulses haben noch in der Beobachtung der Atmung geschult sein. Die wichtigste Frage, die sich ein Ersthelfer stellt, nämlich, ob der Patient wiederbelebt werden muss, wird vom Gerät schnell und klar beantwortet. Hierzu stehen heute selbstlernende Verfahren und Algorithmen zur Verfügung, mit denen die detektierten Signale analysiert und ausgewertet werden können. Im einfachsten Fall kann die Auswerteinheit eine unmissverständli- che Information, wie zum Beispiel "Puls und Atmung vorhanden" oder "Sofort reanimieren!" ausgeben.
Das System arbeitet umso genauer und zuverlässiger, je empfindlicher der LC- Schwingkreis auf eine Beeinflussung seiner Resonanzfrequenz infolge kapazitiver, induktiver oder auch dämpfender Effekte reagiert. Bevorzugt wird deshalb ein LC- Schwingkreis eingesetzt, der eine nichtlineare Charakteristik mit sehr steiler Resonanzkurve aufweist. Im Gegensatz zu einem linearen Schwingkreis führen bei einem nichtlinearen Schwingkreis mit sehr steiler oder gar überhängender Resonanzkurve schon kleine oder kleinste Veränderung der Induktivität oder Kapazität zu einer überproportional großen Änderung der Schwingungsamplitude. Selbst kleinste Veränderungen in den obersten Hautschichten lassen sich so zuverlässig detektieren. Ein weiterer Vorteil bei Verwendung eines nichtlinearen LC- Schwingkreises ist der sehr geringe Energieverbrauch des hochempfindlichen Messsystems. Die gesamte Vorrichtung lässt sich dadurch sehr klein und auch kostengünstig bauen, was für einen mobilen Einsatz im Rettungswesen wichtig ist.
Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Gerät zur Bestimmung der Vitalparameter, stark vereinfacht;
Figur 2 ein Blockschaltbild des Geräts von Fig. 1;
Figur 3a die Resonanzkurve eines linearen LC-Schwingkreises;
Figur 3b die Resonanzkurve eines nichtlinearen LC-Schwingkreises;
Figuren 4a, 4b, 4c Prinzipschaltbilder des nichtlinearen LC-Schwingkreises mit und ohne Last;
Figur 5 die Resonanzkurve des nichtlinearen LC-Schwingkreises mit und ohne ohmschen Verlustwiderstand;
Figur 6 das Prinzipschaltbild des nichtlinearen LC-Schwingkreises mit angeschlossenem Sensorelement; Figur 7 ein Kondensator-Prinzipschaltbild des an die Körperoberfläche gebrachten Sensorelements; Figur 8 die Wirbelstrom-Effekte im Bereich des Sensorelements;
Figur 9 ein Ablaufdiagramm für die Signalverarbeitung;
Figur 10 ein Flussdiagramm für das ganz Gerät;
Figur 11 ein Amplituden-Zeit-Diagramm für das gemessene Rohsignal und die daraus extrahierten Signale für Puls und Atmung.
In der Figur 1 ist ein speziell für den Erste-Hilfe-Einsatz vorgesehenes Gerät 1 zu sehen. Alle elektronischen Komponenten sind in einem kleinen runden Gehäuse 2 untergebracht. An der Unterseite befindet sich ein Sensorelement in Form einer dünnen Metallplatte 3, die elektrisch gut leitfähig ist. An seiner Vorderseite (in der Abbildung unten) ist die Metallplatte 3 mit einer selbstklebenden Schicht 4 versehen, die gleichzeitig eine elektrische Isolierschicht und die Funktion eines Abstandshalters hat. Mittels der Selbstklebeschicht 4 wird das Gerät 1 auf der Haut des Patienten fixiert, und zwar in der Nähe der Arteria Carotis 5. Die Dicke der isolierenden Schicht beträgt ca. 0,1 mm und definiert damit den Abstand zwischen Metallplatte 3 und Körperoberfläche. Auf der Rückseite (in der Abbildung oben) trägt die Metallplatte 3 einen Steckanschluss 6, der im Prinzip wie ein Druckknopf funktioniert und der mechanischen und elektrischen Verbindung mit den im Gehäuse 2 eingebauten Komponenten des Geräts dient.
Im Inneren des Gehäuses 2 befinden sich eine hoch integrierte elektronische Schaltung 7 und eine Energieversorgung in Form einer Batterie 8. Das Ergebnis der Diagnose wird als optisches Signal auf einer Anzeige 9 ausgegeben, die außen auf dem Gehäuse 2 angebracht ist.
Das Blockschaltbild von Figur 2 lässt den grundsätzlichen Aufbau der elektronischen Schaltung 7 erkennen. Sie umfasst eine Signalerfassungseinheit 10 mit einem nichtlinearen LC-Schwingkreis (NLS) 1 1 , der von einem Frequenzgenerator 12 erregt wird. Eine Frequenzregelung 13 hält die eingestellte Schwingungsfrequenz konstant. Die in geringem Abstand (ca 0,1 mm) über der Korperoberflache 14 fixierte Metallplatte 3 ist derart an den LC-Schwιngkreιs 11 angekoppelt, dass kleine und kleinste Bewegungen bzw mechanische Veränderungen in den obersten Korperschichten 15 eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des LC-Schwιngkreιses 11 bewirken Die dadurch bedingte Änderung der Schwingungsamplitude des LC-Schwιngkreιses 11 (bei unveränderter Erregung) wird gemessen und steht als analoges Spannungssignal am Ausgang der Signalerfassungseinheit 10 zur Verfugung
Em Analog/Digital-Wandler 16 formt das analoge Amplitudensignal in ein entsprechendes Digitalsignal um Das digitalisierte Amplitudensignal wird einer Auswerteinheit 17 zugeführt, welche aus einem Mikroprozessor 18 mit CPU 19, nicht fluchtigem ROM-Speicher 20 und RAM-Arbeitsspeicher 21 besteht Der Mikroprozessor 18 analysiert das Amplitudensignal und bestimmt anhand abgespeicherter Kriterien, ob der Patient genügend atmet und/oder einen ausreichend kraftigen Puls hat Das Ergebnis der Analyse wird als optisches und/oder akustisches Signal ausgeben Hierzu dient die Anzeige 9 oben auf dem Gehäuse 2 (vgl Figur 1)
Der hier verwendete LC-Schwιngkreιs umfasst außer einer Induktivität (L) eine nicht- lineare Kapazitatsdiode, also eine spannungsgesteuerte Kapazität (C) mit Richtungswirkung Mit einem solchen nichthnearen Schwingkreis lassen sich sehr steile Resonanzkurven einstellen In der Patentanmeldung DE 10 2005 010 498 desselben Anmelders sind die Funktionsweise und Eigenschaften eines nichthnearen Schwingkreises naher beschrieben
Figur 3a veranschaulicht die Resonanzkurve eines LC-Schwιngkreιses mit linearer Charakteristik Aufgetragen ist die Schwingungsamplitude U über der Frequenz f Veränderungen der Induktivität oder der Kapazität fuhren zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz zu höheren oder niedrigeren Frequenzen hin Die bei diesem Beispiel nach rechts verschobene Resonanzkurve ist gestrichelt dargestellt Wird der Schwingkreis mit einer Frequenz Fe erregt, fuhrt eine Verschiebung der Resonanzfrequenz um Δf zu einem ungefähr proportionalen Abfall der Schwingungsamplitude ΔU
Figur 3b zeigt dagegen die Resonaπzkurve eines nichtlinearen LC-Schwιngkreιses Auffällig ist der sehr steile, fast schon vertikale Verlauf des rechten Astes der Reso- nanzkurve. Stellt man die Erregerfrequenz Fe so ein, dass sie im Bereich dieses steilen Kurvenastes liegt, so führt bereits eine kleine Verschiebung der Resonanzfrequenz Δf zu einem überproportionalen Abfall der Schwingungsamplitude ΔU. Somit können mit einem nichtlinearen LC-Schwingkreis ohne großen schaltungstechnischen Aufwand extrem hohe Amplitudenänderungen erzeugt werden. Selbst mit kleinsten Änderungen der Resonanzfrequenz lassen sich nahezu beliebig große Änderungen in der Amplitude realisieren. Im Extremfall lässt sich sogar eine Resonanzkurve mit senkrechter Flanke oder gar eine überhängende Resonanzkurve erzeugen, sodass das System in einem bestimmten Frequenzbereich leicht kippt.
In Figur 4a ist das Prinzipschaltbild des nichtlinearen LC-Schwingkreises 1 1 aus der Schaltung nach Figur 2 dargestellt. Der Schwingkreis enthält neben der Induktivität L eine Varaktordiode mit der Kapazität C. Die Resonanzfrequenz berechnet sich nach der Formel
Figure imgf000011_0001
In Figur 4b sind parallel zur Induktivität L des Schwingkreises eine weitere Induktivität L1 und eine zusätzliche Kapazität C1 geschaltet. Hierdurch ändert sich die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises.
Gemäß Figur 4c können neben rein induktiven oder kapazitiven Bauteilen auch reelle Widerstände R hinzugefügt werden. Deren ohmsche Verluste beeinflussen allerdings nicht die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, sondern nur die Höhe und Breite der Resonanzkurve.
In Figur 5 ist die typische Resonanzkurve eines nichtlinearen LC-Schwingkreises einmal ohne und (gestrichelt) mit zusätzlichem ohmschen Verlustwiderstand dargestellt. Liegt die Erregerfrequenz Fe1 an einer weniger steilen Stellen der Resonanzkurve, bewirken ohmsche Verluste einen relativ großen Abfall der Schwingungsamplitude. Liegt die Erregerfrequenz Fe2 in einem sehr steilen Bereich der Resonanzkurve, fällt der gleiche ohmsche Verlust weniger stark ins Gewicht gegenüber dem viel größeren Einbruch der Amplitude infolge einer Änderung der Kapazität und/oder Induktivität. Trotzdem ist darauf zu achten, dass die Resonanzkurve durch zu große ohmsche Verluste nicht völlig abflacht.
Figur 6 zeigt das Prinzipschaltbild des nichtlinearen LC-Schwingkreises mit der zwischen Induktivität L und Kapazität C als Sensorelement angeschlossenen Metallplatte 3 (vgl. Fig. 1 und Fig. 2), die auf Veränderungen des Körpergewebes 22 anspricht. Bei genügend hoher Frequenz wirkt die Metallplatte 3 als Antenne für elektromagnetische Wellen im Nahbereich und stellt, stark vereinfacht, gleichzeitig die eine Platte eines Plattenkondensators dar, dessen andere Platte das Körpergewebe 22 ist. Bei genügender Annäherung an das Körpergewebe 22 bilden sich gerichtete Feldlinien 23 aus. Eine Änderung des Abstands zwischen Metallplatte 3 und Körpergewebe 22 führt zu einer Kapazitätsänderung, ebenso Veränderungen im Körpergewebe 22 selbst.
Im Gegensatz zu einem Kondensator sind die elektrischen Parameter des Körpergewebes allerdings nicht eindeutig zu beschreiben. Dies hängt damit zusammen, dass die Körperoberfläche aus unterschiedlichen Gewebeschichten aufgebaut ist. Da diese Gewebeschichten nur relativ schwach elektrisch leitend sind, dringen die von der Metallplatte 3 ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen zumindest in die obersten Schichten ein und treffen dabei sogar auf Adern, in denen Blut fließt.
Die obersten Hautschichten und der Zwischenraum zwischen der isolierten Metallplatte 3 und der Körperoberfläche lassen sich auch als Kondensator mit mehreren hintereinander geschalteten Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten darstellen. Figur 7 zeigt ein entsprechendes Prinzipschaltbild, umfassend die als Sensorelement dienende Metallplatte 3, den Zwischenraum 24 zwischen Metallplatte 3 und Hautoberfläche 25 sowie die unmittelbar unterhalb der Hautoberfläche 25 liegenden Hautschichten 26. Jede dieser Schichten hat eine andere Dielektrizitätskonstante, die in die Gesamtkapazität Ck eingehen. Veränderungen, insbesondere Ausdehnungen der einzelnen Hautschichten 26 sowie eine Veränderung des Abstands zwischen Metallplatte 3 und Hautoberfläche 25 führen zu einer Änderung der Kapazität Ck und damit auch zu einer Änderung der Gesamtkapazität im Schwingkreis, die zu einer Erhöhung oder Erniedrigung dessen Resonanzfrequenz führt. Figur 8 veranschaulicht, wie durch Wirbelstrom-Effekte im Körpergewebe 22 die ohmschen Verluste im LC-Schwingkreis beeinflusst werden. Diese wirken sich auf Höhe und Breite der Resonanzkurve aus. Induktive Effekte können dagegen vernachlässigt werden.
Das von der Signalerfassungseinheit 10 (vgl. Figur 2) bereitgestellte Amplitudensignal muss in der Auswerteinheit 17 so weiterverarbeitet werden, dass ein auch dem Laienhelfer verständliches Ergebnis angezeigt wird. Der grobe Ablauf ist in Figur 9 skizziert.
Das digitale Eingangssignal wird einem selbstregulierenden Filter zugeführt. Anschließend erfolgen eine Extraktion typischer Merkmale im Zeit- und Frequenzbereich und eine Auswertung durch ein selbstlernendes Neuro-Fuzzy-System. Schließlich werden sämtliche Parameter in einer Entscheidungseinheit zusammengeführt und die dort generierte Entscheidung an ein Display übermittelt. Alle Teilergebnisse der einzelnen Rechenschritte sowie das Endergebnis werden mit Zeitstempel gespeichert. Die Entscheidungsfindung erfolgt anhand von Ärzten empfohlenen Kriterien. Durch die Verwendung eines neuronalen Fuzzy-Logik-Netzwerks ist es möglich, auch differenzierte Ergebnisse zuzulassen wie zum Beispiel "Eventuell Atemstillstand" oder " Sehr schwacher Puls".
Das Flussdiagramm von Figur 10 gibt den gesamten Ablauf beim Einsatz des Geräts wieder.
Lediglich die Anbringung des Geräts durch Aufkleben des Sensorelements auf die Körperoberfläche muss noch manuell geschehen. Ab diesem Moment laufen dann alle Schritte, also die Erfassung und Analyse der Vitalparameter bis hin zur Ausgabe eines Ergebnissignals automatisch ab. Der Helfer sollte nur darauf achten, dass sich der Patient nicht zuviel bewegt.
Sofort nach dem Aufkleben des Sensorelements werden zuerst die Kapazitäten, Induktiven und ohmschen Verluste im System festgestellt und basierend auf diesen Werten die Erregerfrequenz für den LC-Schwingkreis auf einen optimalen Wert eingestellt, das heißt auf die steilste Stelle der Resonanzkurve. Ist die optimale Einstellung gefunden, muss im Folgenden nur noch überwacht werden, ob die Ist-Frequenz über einen längeren Zeitraum von der Soll-Frequenz abweicht. Gegebenenfalls wird die Ist-Frequenz nachgeregelt bzw. an veränderte Bedingungen angepasst. Damit ist eine gleich bleibende hohe Empfindlichkeit und Messgenauigkeit gewährleistet.
Die durch Atmung und/oder Puls hervorgerufenen Veränderungen in den obersten Hautschichten führen zur Verstimmung des Schwingkreises, die wiederum eine Änderung der Schwingungsamplitude bewirkt. Diese Spannungsänderungen werden mittels A/D-Wandler digitalisiert und an den Mikroprozessor übergeben. Dort wird das Rohsignal, das alle erfassten Körperparameter umfasst, in die Bereiche "Atmung" und "Puls" aufgeteilt. Mit speziellen Algorithmen werden die Parameter und die Qualität des Pulses und der Atmung getrennt bestimmt. Alle Informationen wie z.B. "Atmung oder Puls vorhanden" bzw. "nicht vorhanden" werden schließlich in einer selbstlernenden Fuzzy-Logik miteinander verknüpft und bewertet. Das daraus gewonnene Gesamturteil wird auf einem Display im Klartext und/oder als akustisches Signal ausgegeben.
Figur 11 veranschaulicht, wie aus dem gemessenen Rohsignal (oben) durch den Computer die Signale für Puls und Atmung (unten) extrahiert werden. Das Pulssignal hat hier eine viel höhere Frequenz als das Atemsignal, was ein Indiz dafür ist, dass der Patient atmet und normalen Puls hat. Die getrennte Weiterverarbeitung der extrahierten Signale erfolgt mittels spezifischer Algorithmen.
Bezugszeichen
1 Gerät
2 Gehäuse
3 Metall platte
4 Selbstklebende Schicht
5 Arteria carotis
6 Steckanschluss
7 Elektronische Schaltung
8 Batterie
9 Anzeige
10 Signalerfassungseinheit
11 LC-Schwingkreis
12 Frequenzgenerator
13 Frequenzregelung
14 Körperoberfläche
15 Körperschichten
16 A/D-Wandler
17 Auswerteinheit
18 Mikroprozessor
19 CPU 0 ROM-Speicher 1 RAM-Speicher 2 Körpergewebe 3 Feldlinien 4 Zwischenraum 5 Hautoberfläche 6 Hautschichten

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Vitalparametern des Körpers, wie insbesondere Puls und Atmung, mit
- einem LC-Schwingkreis (11), der zu Schwingungen im Bereich seiner Resonanzfrequenz angeregt wird;
- einem metallischen Sensorelement, das in geringem Abstand zur Körperoberfläche fixierbar ist und an den LC-Schwingkreis (11) derart angekoppelt ist, dass kleine Veränderungen in den obersten Körperschichten (15) eine Verschiebung der Resonanzfrequenz bewirken, wodurch es zu einer Änderung der Schwingungsamplitude kommt;
- einer Signalerfassungseinheit (10), welche die Schwingungsamplitude des LC-Schwingkreises (11) mißt und als Amplitudensignal zur Verfügung stellt;
- einer Auswerteinheit (17) mit Mikroprozessor (18), der das Amplitudensignal analysiert und bewertet, um die Vitalparameter zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der LC- Schwingkreis (11) eine nichtlineare Charakteristik mit sehr steiler Resonanzkurve aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der LC- Schwingkreis (11) eine nichtlineare Kapazitätsdiode umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der LC-Schwingkreis (11) durch einen Frequenzgenerator (12) mit regelbarer Frequenz erregt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement eine dünne Metallplatte (3) ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (3) eine Isolierschicht aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite der Metallplatte (3) ein Abstandshalter aus isolierendem Material angebracht ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (3) auf seiner Rückseite einen Steckanschluss (6) trägt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement eine selbstklebende Schicht (4) aufweist, die zur Fixierung auf der Haut vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Signalerfassungseinheit (10) und der Auswerteinheit (17) ein Analog/Digital-Wandler (16) angeordnet ist, der das analoge Amplitudensignal in ein digitales Signal umwandelt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Anzeige (9) zur optischen und/oder akustischen Ausgabe des von der Auswerteinheit ermittelten Ergebnisses.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement mit LC-Schwingkreis (11), die Signalerfassungseinheit (10), die Auswerteinheit (17) und die Anzeige (9) in einem gemeinsamen Gehäuse (2) integriert sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine im Wesentlichen ebene Unterseite aufweist, in deren Bereich das Sensorelement angeordnet ist.
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