WO2014072461A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von vitalparametern - Google Patents

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Holger Redtel
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining vital parameters of a human body by means of a device, in particular a smart device. Furthermore, the invention relates to a device for determining vital parameters of a human body, a method for authenticating a person, and a method for detecting a reaction of a person.
  • vital parameters such as pulse, blood pressure, respiratory rate, oxygen saturation, pulse wave variability and blood sugar
  • these were only used for a so-called patient curve, for example in a hospital or in competitive sports. This served to monitor the patient before or after treatment to accurately document their health status and record improvement or deterioration.
  • vital signs are used to document the athlete's performance and determine the success of the workout. Vital signs are used to determine if the athlete's training or diet needs to be changed.
  • vital signs have become interesting and important for home diagnosis and recreational sports. For example, patients are no longer necessarily hospitalized in a hospital, but often only treated on an outpatient basis, with home-based aftercare.
  • a patient must record his own pulse after treatment.
  • a device which has a chest strap with sensors and a recording device.
  • the chest belt sensors pick up the beats directly on the patient's chest.
  • the data is then transmitted to the recording device.
  • the recorder may store the data for a long-term cardiogram over several hours to days.
  • the data is then read out and evaluated, for example, by medical personnel.
  • the device is, however, uncomfortable for the patient to wear, since the chest belt, for example, for the long-term cardiogram must be worn without interruption. This limits the mobility of the patient and is also a hindrance to the daily laundry. Furthermore, the patient must also constantly carry the recording device with him.
  • a blood pressure cuff e.g. must be worn by a patient for 24 hours
  • the blood pressure cuff e.g. is pressurized every 15 minutes.
  • a vital parameter commonly measured at home is blood sugar.
  • Diabetics often rely on their blood sugar before and after each meal.
  • the patient can decide whether self-medication with insulin is necessary.
  • a device which comprises a needle, measuring strips and an evaluation unit.
  • the patient pricks the needle into a fingertip to remove a drop of blood.
  • the blood is then transferred by means of the measuring strip to the evaluation unit and the blood sugar is determined.
  • This is on the one hand awkward and on the other hand also painful for the patient.
  • chest straps are often used with sensors that transmit the signals, for example, to a sports watch or an audio device for evaluation.
  • the chest strap is, in particular in order not to slip during training, attached with a high pressure on the chest of the athlete.
  • the chest strap restricts the freedom of movement of the athlete and is uncomfortable due to the high contact pressure.
  • the pulse wave transit time is a cardiovascular reading. This describes the time it takes for a pulse wave to travel a certain distance in the vascular system of the body.
  • the most common embodiment is the measurement of the pulse wave transit time from the heart to a finger. In particular, a measurement at at least two measuring points is always necessary.
  • the beginning of the pulse wave ie the time of cardiac contraction, can be determined by means of an electrocardiogram (ECG).
  • ECG electrocardiogram
  • R-wave the so-called R-wave or R-wave
  • the signal can be detected photoplethysmographically by means of a pulse oximeter. Studies have shown that, at least over short periods, the pulse wave transit time can be used for blood pressure determination. However, a reference measurement may still be necessary for this.
  • the determination of the pulse wave transit time and vital parameters thereof is known, for example, from the publications DE 96 02 010, EP 0 859 569, DE 10 2008 042 1 15 and DE 2007/000406.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device which enable a simple and cost-effective determination of vital parameters.
  • the invention achieves the object by a method according to claim 1, an apparatus according to claim 18 and further by methods according to claim 27 and claim 28.
  • the invention relates to a method comprising the following steps:
  • Evaluation of the image data comprising a determination of a pulse wave transit time
  • the recording of the sequence of image data by means of a device in particular a smart device, with at least one optical recording unit and a computing unit (also referred to as a data processing unit) is performed.
  • the device may be, for example, a mobile telephone, also called a smartphone.
  • Smartphones are known to be compact computers with common architecture consisting of CPU, RAM, ROM and data bus, with integrated video capture hardware (digital camera), video and I / O and communication interfaces.
  • Other exemplary devices include clocks, glasses, or the like provided with a computing unit other clothing, also called smart clothing. These devices or devices are usually carried by a user for other purposes, for example, to make phone calls or retrieve information on the Internet.
  • the method can be advantageously carried out with an already existing device.
  • a further advantage results from the fact that, in contrast to the prior art, only one measuring location, namely a single, limited area of the skin of the human body, is necessary. In principle, any part of the skin can be used. However, it is advantageous to use a well-perfused site, since the image data thus have more informative value and a more favorable signal-to-noise ratio.
  • the sequence of individual image data can be a video sequence or pure individual images in a temporal sequence.
  • a video sequence contains more information that can be evaluated, thereby improving the result of the determination of the vital parameters, in particular, the accuracy is increased.
  • Single images are easier to store, which is particularly advantageous in the case of a limited storage space, for example in a main memory of the arithmetic unit.
  • individual images also increase the speed for determining the vital parameters since less information must be evaluated.
  • the pulse wave transit time is determined from the image data by evaluating it. This can be done, for example, by recognizing the pulse wave passing through the area of the skin and an associated temporal measurement of the pulse wave velocity. In this case, for example, in an interval from an R-wave to a next R-wave, also called RR interval, can be measured.
  • the vital parameters can then be determined from the pulse wave transit time thus determined.
  • the pulse wave transit time and the pulse wave velocity provide information about the vessel situation. Rigid vessels with impaired vasomotor function lead to different transit times and speeds of the pulse wave. About the duration and the speed of the pulse wave can thus draw conclusions about the condition the vessel wall are hit.
  • the image data of the area of the skin of the human body need not necessarily be detected directly by the optical pickup unit. It is also possible to record a pictorial representation, for example a television picture, of the area of the skin in order to carry out the vital parameter determination according to the invention.
  • a pictorial representation for example a television picture
  • vital parameters of a person reproduced on a television monitor can be determined.
  • the method are the blood pressure measurement in the monitoring of persons, the blood pressure measurement on the skin, the blood pressure measurement and monitoring in the sleep laboratory, the blood pressure measurement in the performance diagnostics, the blood pressure measurement as a continuous measurement, for example, over several hours or days, controlling blood delivery speeds or uptake, blood purification such as dialysis, platelets, plasma.
  • Blood pressure is considered one of the medical standards in the assessment of the cardiovascular situation at rest and under physical stress. The physiological limits at rest and under stress are extensively described and laid down in guidelines. However, a continuous determination of the blood pressure is currently not possible under stress, because the blood pressure can only be determined at certain times by means of a blood pressure cuff. Only through the invention, a continuous measurement is possible.
  • the blood pressure is determined according to the invention from the speed of the pulse wave / the pulse wave transit time, a low transit time from the heart to the finger stands for a high blood pressure, since the vessels are set close.
  • a calibration is carried out at rest and under load. Thereafter, the blood pressure can be measured continuously.
  • the method according to the invention can be used in all groups of people; by non-invasive measurement, anyone can carry out the measurement without risk. Blood pressure determination over a long period of time will not only be beneficial in healthy athletes, but also in healthy athletes Risk groups eg heart patients and pregnant women possible. Users are given the opportunity to detect blood pressure peaks and situations that lead to an increase. As a result, users can avoid situations and learn to better control their blood pressure through lifestyle changes.
  • the determination of the pulse wave transit time comprises the following steps:
  • the subdivision of the image data in tiles can be done with variable accuracy. This depends, for example, on the size of the area of the skin from which the image data is taken. For a large area, tile splitting may be less detailed. A small area uses a variety of tiles. For example, the image data per frame are subdivided into 100 by 100 tiles, allowing distances on the skin to be determined precisely to determine the pulse wave transit time. For each tile of a frame, the color, brightness, and / or volume are determined. This gives the sequence of image data the sequence of color, brightness, and / or volume of each tile. The individual images are compared with one another in a next step in order to be able to determine a change in color, brightness and / or volume.
  • a change profile ie a temporal sequence of changes is created.
  • the pulse wave and its passage through the area of the skin can be determined.
  • the pulse travel time is determined.
  • assumptions may be made about the size of the area of the skin and about the pulse wave velocity.
  • each tile is e.g. Covering 100-10,000 or more pixels causes an averaging of the color and brightness values and thus a reduction of the image noise.
  • the tiles may also partially overlap each other.
  • a rectangular grid of tiles has been found to be particularly practical, other arrangements of the tiles (e.g., concentric circular or spiral) are conceivable in principle.
  • the tiles may be square, rectangular, circular, polygonal or otherwise geometrically shaped.
  • At least one biometric feature is recognized in the image data, with the positions of the tiles being equal in relation to the at least one biometric feature in the sequence of image data.
  • biometric Features eg, the detection of the position of eyes / mouth / nose / ears
  • the detection of biometric Features is common practice. Reliable algorithms which are well suited for the use according to the invention exist for this purpose. Also suitable is the detection of brighter and darker zones in the tissue, which appear in the sequence of images at the recurring same coordinates.
  • the lighter and darker zones change their brightness and color during the incoming pulse wave. Relative to each other, however, these zones are firmly placed in the fabric and can thus serve as a reference for the alignment of the tiles. In this way, according to the invention, an area of the skin determined for the evaluation is tracked during a movement of the body part relative to the receiving shaft.
  • Tiling is also important in order to achieve the required temporal resolution in the analysis of the pulse wave.
  • Common video hardware eg in smartphones, provides a frame rate of 20-50 frames per second, which corresponds to a time resolution of 50-20 ms. This is usually not enough for the purpose of determining vital parameters.
  • the effective temporal resolution can be increased beyond the resolution dictated by the video hardware, since the pulse wave will be at different times (ie, with different phase ) goes through the positions of the different tiles.
  • the changes in the color, brightness and / or volume values recorded at the different tiling positions can be combined according to the invention in order to determine the change profile and thus the pulse wave with a temporal resolution which is considerably higher than the frame rate of the video hardware. For example, if the area passing through the pulse wave in 100 ms in the direction of the pulse wave is divided into 100 tiles, an effective temporal resolution of up to 1 ms results. This is sufficient for a temporally very precise analysis of the pulse wave transit time and associated vital parameters (RR interval, pulse variability, etc.).
  • a combined temporal / spatial evaluation of image values takes place, one for diagnostic purposes to enable sufficiently temporally resolved analysis of the pulse wave with the simplest video hardware (eg a smartphone).
  • the recording unit records stereo image data. This can be done for example by the use of a second lens of a camera. These stereo image data then enable a three-dimensional modeling of the area of the skin and a determination of the volume of, for example, the tiles. The accuracy in determining the R-wave of the continuous pulse wave can thus be significantly increased.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that, to record the sequence of the individual image data, the area of the skin is exposed by means of a lighting unit, in particular in a specific spectral range. Thus, the illumination of the area of the skin can be improved if, for example, the ambient light is insufficient to record image data of sufficiently high quality.
  • the skin can be exposed to light in a specific spectral range, such as infrared or ultraviolet, to better absorb changes in the color or brightness of the skin.
  • the spectral range can be adapted to the vital parameters to be determined. For example, to determine blood glucose, light in the active spectral range of glucose may be used, thereby increasing the accuracy of the measurement.
  • the sequence of the individual image data is recorded at a distance from the area of the skin by means of the recording unit.
  • the determination of the vital parameters can also be performed from a distance.
  • the vital parameter can also be determined without the person being in direct contact with the device.
  • the sequence of the individual image data is in direct contact with the area of the skin by means of the recording unit added. This ensures that the sequence of image data is always captured exactly by the same area.
  • the sequence of the individual image data is taken into contact with the area of the skin via a pressure medium medium by means of the recording unit.
  • the pressure medium medium can ensure a fixed distance between the skin and the receiving unit, on the other hand, the pressure fluid medium can exert pressure on the skin.
  • the pressure on the skin influences the blood flow and thus an improvement in the accuracy of the measurement can be brought about.
  • the printing medium medium can be designed to be transparent, in particular, so as not to influence the recording of the image data.
  • the pressure medium medium can be arranged in an annular manner around the receiving unit, in particular around a lens of the receiving unit. In this embodiment, the pressure medium medium can exert pressure on the skin and does not hinder the recording of the image data.
  • movement data of the human body are recorded by means of at least one acceleration sensor.
  • the movement data allow, for example, a reconstruction of the physical stress of the person, which is taken into account in the evaluation of the image data and in the determination of the pulse wave transit time.
  • the acceleration sensor can also be provided in the device.
  • sound data is recorded by means of a microphone and assigned to the sequence of the individual image data. From the sound data, additional information for determining the vital parameters can be obtained. Thus, the sound of the passing pulse wave can be taken into account to determine the pulse.
  • the recorded image data, acceleration data and sound data are provided with a time stamp and stored on a memory unit of the device for a long-term evaluation together with the time stamp. So that can a long-term evaluation of vital signs can be performed.
  • the stored image data, acceleration data and sound data can then be read and evaluated by medical personnel, for example after several hours or days.
  • the information can be transmitted, for example, via a data connection of the device to a central location.
  • the blood pressure and / or the pulse can be determined.
  • the pulse i. the heart rate indicates how often the heart contracts in one minute.
  • heart rate is the most common factor for assessing performance.
  • the heart rate limit values are described in the different age groups. However, the individual differences are very strong, as the heart rate is influenced by many factors. In addition to age, this includes the state of training, the current state of health and the influence of numerous medications. A continuous heart rate measurement therefore brings with it the opportunity to investigate numerous health issues closer. Heart rate is a key parameter in exercise control and performance diagnostics.
  • oxygen saturation of the blood of the human body can be determined.
  • Oxygen saturation indicates what percentage of total hemoglobin in the blood is oxygenated. Among other things, it allows statements about the effectiveness of oxygen transport, that is primarily about respiration.
  • the oxygen saturation is determined photometrically according to the invention on the basis of the recorded image data in a manner known per se.
  • cardiac output HMV or cardiac output (CO) is the volume of blood that is pumped from the heart to the aorta ascendens into the bloodstream in one minute The cardiac output is therefore a measure of the pumping function of the heart and thus a parameter that is very meaningful especially in the cardiac area.
  • cardiac output abbreviated to CO
  • the pulse wave variability can be determined. Pulse wave variability results in heart rate variability.
  • the distances are defined by the chamber contraction of the heart.
  • the chamber contraction In the ECG, the chamber contraction is called the R-wave, so this is also called the RR interval.
  • This RR interval also changes spontaneously in rest, ie the intervals between the heart contractions differ.
  • the heart action is started via a clock.
  • the center of excitation in the heart is called sinus node. This is controlled by the autonomic nervous system and is therefore not subject to the voluntary influence, but the activity of the sympathetic. Physical as well as psychological stress is associated with an increase in sympathetic activity, which leads to an increase in the heart rate.
  • the parasympathetic nervous system the antagonist of the sympathetic nervous system, reduces the heart rate.
  • Heart rate variability has its origin in the vegetative nerve center, the measured values allow to draw conclusions about diseases of the organ system. Heart rate variability is probably even more meaningful than heart rate to detect physiological or pathological changes in the cardiovascular system at an early stage. Changes at rest and after exercise can be observed and evaluated. The following parameters may be of interest:
  • rMSSD the root of the mean of the squared differences continuous RR interval.
  • the optical recording unit can be fixedly mounted in the motor vehicle or at the workplace, for example, to generate a warning signal as soon as the driver or the machine operator recognizes tiredness or otherwise endangering the safety of the driver or the machine operator on the basis of the specific vital parameter (s).
  • a warning signal is generated when one or more of the determined vital parameters exceeds or falls below a predetermined limit.
  • the blood sugar can also be determined.
  • an ear or a finger is recorded for the blood sugar measurement.
  • the following can be used for the measurement: absorption, ie the absorption of energy by the glucose molecules in and under the skin from irradiated infrared light, which leads to characteristic signals in the absorption spectrum.
  • scattering can be measured. Inhaled light is scattered, and the type of scattering can be used to determine the glucose content.
  • polarization can be used become. Polarized light has a plane of vibration that is rotated by glucose (optical activity), resulting in the change in the angle of glucose content.
  • Another method is the percutaneous measurement with the aid of a broadband laser in the mid-infrared range.
  • the absorption of the laser light is measured by the glucose molecules in the blood, in particular the absorption maximum of glucose in the wavelength range of 925 nm or above can be used for this purpose.
  • Other approaches include the measurement of blood sugar levels by fluorescent nanoparticles and the determination of the sugar content in the tear fluid.
  • the determination of vital parameters includes the determination of a respiratory rate.
  • the detected pulse wave according to the invention is superimposed by an oscillation with respect to the pulse of lower frequency, namely the respiratory rate. This superimposed oscillation can be evaluated according to the invention to determine the respiratory rate. If further parameters are included, an analysis of the respiratory volume based on the recorded image data is possible in principle.
  • the invention makes it possible to implement application programs (eg so-called "apps" for smartphones, the integrated video hardware of the smartphone being used as an optical recording unit) for so-called biofeedback, whereby at least one of the continuously measured vital parameters is visualized in a suitable manner in real time and the
  • the user preferably receives an optical or audible feedback indicating whether and to what extent the vital sign (s) in question are within a setpoint range or are brought into the setpoint range by the user control, for example Biofeedback
  • the user control for example Biofeedback
  • a control of both parameters is made possible by the biofeedback training, the user the context of Atm and heart rate recognize and learn to regulate heart rate via breathing.
  • biofeedback can be used to regulate heart rate variability.
  • the healthy heart is characterized in the relaxed state by a high heart rate variability. That is, the higher the state of relaxation, the higher the variability of the heart rate.
  • the visual representation of the currently measured heart rate variability makes the user's own degree of relaxation visible. When carrying out relaxation processes, the user therefore has direct feedback about the effectiveness of his relaxation technique.
  • the recording of the image data can be carried out in particular in the area of the face, the forehead, a hand, a finger, a palm, an ankle or the groin of the human body.
  • the invention further relates to a device, in particular a smart device, for determining vital parameters of a human body comprising at least:
  • an optical pickup unit adapted to receive a sequence of individual image data of a single restricted area of the skin of the human body; and - a computing unit, adapted for evaluating the image data, comprising a determination of a pulse wave transit time and arranged for determining vital parameters of the human body from the image data.
  • the invention further relates to a method for authenticating a person by means of a device, in particular a smart device, with at least one optical recording unit, a computing unit and a memory unit, comprising the following steps: - recording a sequence of individual image data of a region of the skin of the human body, in particular a face, by means of the optical recording unit;
  • profiles can be used which reflect the characteristic blood flow for each person. This can be done, for example, for a face.
  • measurements of the vital parameters are carried out in advance by a group of persons and corresponding profiles are created. If a person of this group approaches the device for authentication, this can be positively identified. For a person who does not belong to this group, no authentication is issued accordingly.
  • the authentication according to the invention is carried out by brighter and darker zones in the tissue, which appear brighter or darker at the recurring same coordinates due to the passing pulse wave. These differences in color or brightness result from the pulse waves in the arterial blood vessels.
  • the evaluation can provide data on the vital condition of the person to be checked. Lifeless bodies, such as prints or copies intended to manipulate the inspection, are recognized.
  • the evaluation itself can be made with each pixel in the image. Light and dark zones change their brightness and color during the incoming pulse wave. Relative to each other, these zones are firmly placed in the tissue. Only changes in blood oxygen levels will cause brightness and color changes during the RR interval in the tissue. After an interval, the brightness and color differences return to the initial state. This remains until the next pulse wave like that.
  • An area of the skin determined for the evaluation is tracked during a movement of the body part. With each image obtained, from the video and or the individual image, the evaluation is then carried out based on the maximum brightness values compared to the predecessor images.
  • the invention thus also relates to the authentication (or identification) of humans, e.g. for securing movable and immovable goods.
  • Differentiated access controls are made possible by the evaluation of the images according to the invention.
  • a complex authentication with smart cards or transponders is therefore superfluous. Only images of areas of the body, such as the face or hand, are required for authentication. For example, with a 60 fps ("frames per second") camera in a smartphone, the measurement takes about 2 to 3 seconds to manipulate, and it can not be manipulated with inanimate objects by checking a pulse wave.
  • the invention also relates to a method for detecting a reaction of a person by means of a device, in particular a smart device, comprising at least one optical recording unit, a computing unit and a memory unit comprising the following steps: recording a sequence of individual image data of a region of the skin of the human body, in particular a face, by means of the optical recording unit;
  • the reaction patterns describe in particular reactions of the blood flow to external influences.
  • the reaction to a false statement of the person can be recognized.
  • the reaction patterns are stored in advance, for example, as a significant increase in the pulse on a false statement of the person.
  • a determination of the vital parameters can be determined in a comparison of the reaction patterns, if the person has made a false statement, for example.
  • the invention thus makes it possible overall, simply and cost-effectively, to determine vital parameters for different applications.
  • This makes the vital signs easily accessible and can be used as the basis for a variety of applications.
  • the invention may provide personal vital signs for the field of telemedicine and medical applications, games, sports and leisure facilities, online games, control of equipment, machinery, equipment, and vehicles.
  • Fig. 1 is a schematic representation
  • Fig. 2 is a schematic representation
  • FIG. 3 is a schematic representation of a
  • Fig. 1 shows a schematic representation of method steps comprising a recording of a sequence of individual image data 20 of a single limited area of the skin 30 of the human body by means of an optical pickup unit 1 1; evaluating the image data including determining a pulse travel time; and the determination of vital parameters of the human body from the image data by means of a computing unit 12.
  • the image data is thereby recorded only by a region of the skin 30.
  • This may be, for example, the face, parts of the face, such as the forehead, a hand, parts of a hand, such as fingers, fingertip, palm, an ankle, or the groin of a human body.
  • every area of the skin can be used, but with a high blood flow, the measuring accuracy of the vital parameter is increased.
  • the image data is subsequently evaluated and a pulse transit time is determined. This can be done only a few days after the recording, for example, in a long-term measurement of a vital parameter.
  • the image data is temporarily stored in a memory unit 13 until the evaluation of the image data is carried out.
  • the pulse wave transit time is taken as a basis and evaluated according to known methods.
  • Fig. 2 shows a preferred embodiment for determining the pulse transit time.
  • each individual image 20 is divided into a multiplicity of tiles 21, ie, a grid of tiles 21 results.
  • the color, the brightness and / or the volume are determined.
  • the volume is preferably determined from stereo image data.
  • a 3D camera with two camera lenses preferably in the smartphone, can capture images at a clearly defined distance at the same time.
  • the evaluation of the 3D camera follows the same principle as with only one camera. However, the accuracy is many times higher, as more images are available for evaluation. Also, the defined distance from each other for an image analysis of advantage. Smartphones with two separate cameras allow the extraction of more accurate data from the pulse wave from the image data.
  • a sequence of the color, brightness, or volume of each tile 21 is then compared with each other to detect a change in color, brightness and / or volume in the sequence of image data.
  • a change profile that is to say a temporal sequence of the changes, is then created.
  • the image analysis can be used to determine the distance traveled by the pulse wave within a certain time. From this change profile then the pulse travel time is determined. This can be based on assumptions about the size of the area of the skin.
  • all captured images are divided into tiles 21 as previously described.
  • the recorded pictures contain noise, among other things due to movement during recording.
  • 10 images per second, with a pulse of 60 beats per minute results in a tiling of 100 x 100 tiles 21 10,000 tiles per original image.
  • the source image shows a time excerpt of about 100 ms (10 frames per second).
  • the tiling of 100 x 100 divides the entire image, which shows a 100 ms section, into 100 linear parts. This corresponds to an effective (at a pulse of 60) temporal resolution of 1 ms.
  • a meaningful evaluation of the profile of the pulse wave in the determination of the pulse wave transit time is possible.
  • the pulse wave transit time and the RR interval are determined.
  • the provided images of the smartphone are tiled, as explained above, and then defined as images with values for color, brightness and / or volume.
  • the changes in these values, generated by the pulsating waves of the oxygen-rich blood, can now be determined from the image.
  • the color change produces differences in the values in the images of the recorded sequence, which can be evaluated in the further calculation as differences, for example in percent, in length, in width, in height, or in color and brightness definitions. From the pulse wave transit time, e.g. the blood pressure can be calculated.
  • FIG. 3 shows a device 10 comprising a recording unit 11 for recording a sequence of individual image data of a single, restricted area of the skin 30 of a human body and a computer 12 for evaluating the image data comprising a determination of a pulse wave transit time and for determining vital parameters of the human body from the image data.
  • the device 10 also has a memory unit 13, which can store image data for later evaluation.
  • a lighting unit 14 for exposing the area of the skin 30 is provided.
  • Light 34 of illumination unit 14 may in particular have a specific spectral range.
  • the device also has a microphone 15 for recording audio data in the illustrated embodiment.
  • the area of the skin 30 is further provided with an acceleration eosensor 16 for receiving motion data.
  • the data may also provide relevant evidence in the detection of criminal offenses. Also one more efficient help and detection during rescue operations of injured persons is possible. High resolution surveillance cameras detect and authenticate individuals.
  • Movement and vital data also provide information about the person's energy consumption in real time.
  • a search mode (e.g., in a visualized fractal) is useful throughout the medical field.
  • an evaluation of a personal energy balance as well as their calculation on an upcoming and possible performance request, be performed.
  • the blood pressure and the pulse measurement, breathing and oxygen saturation, with the help of pulse wave transit time measurement and the RR interval, especially in the outdoor area an improvement.
  • the measurement takes place, for example, with a smartphone or an external camera. If there are any problems and special system presetting, the smartphone can automatically request help or offer suggestions for training control.
  • the data recording in the water due to size and low energy consumption is possible.
  • the non-contact measurement also creates in the movement of the user, the measurement of vital data in the water, using video and or individual image analysis.
  • An evaluation of the user's level of performance becomes visible through the evaluation of the vital data from the image analysis, through the pulse wave variability. Pulse wave variability decreases with age. At the same time, the pulse wave variability decreases or stagnates even in the case of severe physical or mental stress on the organism.
  • anaerobic threshold For training control, the individual anaerobic threshold (IAS) is often used today as the basis for defining training areas. A threshold determination via the heart rate variability is made possible by the invention in a simple manner.
  • the performance in the anaerobic area is subject to a complex control process in the holistic view of humans. However, it is also a sign of exhaustion and can be detected in stored lactate.
  • the heart rate variability threshold described by Berbalk and Neumann is approximately 2.4mmol lactate and 10% below the IAS performance.
  • Control of household appliances and energy management in the home so for example, a coffee after waking up or stand up the user can turn on.
  • Control of the heating, ventilation or electronic systems in the house are based on the vital data and the pre-set processes.
  • Control of firearms for example.
  • This can be used, for example, by biathletes who shoot between the pulse waves within 200 - 300 ms.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Vitalparametern eines menschlichen Körpers mittels einer Vorrichtung (10) mit zumindest einer optischen Aufnahmeeinheit (11) und einer Recheneinheit (12), umfassend folgende Schritte: eine Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines einzigen beschränkten Bereichs der Haut (30) des menschlichen Körpers mittels der optischen Aufnahmeeinheit (1 ); ein Auswerten der Bilddaten umfassend eine Bestimmung einer Pulswellenlaufzeit; und ein Bestimmen von Vitalparametern des menschlichen Körpers aus den Bilddaten mittels der Recheneinheit (12). Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung von Vitalparametern. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Authentifizierung einer Person und ein Verfahren zur Erkennung einer Reaktion einer Person.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Vitalparametern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Vitalparametern eines menschlichen Körpers mittels einer Vorrichtung, insbesondere eines Smartgerätes. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung von Vitalparametern eines menschlichen Körpers, ein Verfahren zur Authentifizierung einer Person, sowie ein Verfahren zur Erkennung einer Reaktion einer Person.
Die Bestimmung von Vitalparametern, wie beispielsweise Puls, Blutdruck, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung, Pulswellenvariabilität und Blutzucker, findet immer größere Verbreitung im alltäglichen Leben und wird nicht mehr rein für medizinische Zwecke verwendet. Früher wurden diese lediglich für eine sogenannte Patientenkurve beispielsweise in einem Krankenhaus oder im Leistungssport verwendet. Diese diente der Überwachung des Patienten vor oder nach einer Behandlung, um dessen gesundheitlichen Zustand genau zu dokumentieren und eine Verbesserung oder Verschlechterung desselben aufzuzeichnen. Im Leistungssport werden Vitalparameter dazu verwendet, die Leistungsfähigkeit eines Athleten zu dokumentieren und den Erfolg des Trainings festzustellen. Dabei werden Vitalparamter verwendet, um festzustellen, ob das Training oder die Diät des Athleten umgestellt werden muss. In jüngster Zeit sind Vitalparameter auch für die Heimdiagnose und den Freizeitsport interessant und wichtig geworden. So werden beispielsweise Patienten nicht mehr unbedingt in einem Krankenhaus stationär, sondern häufig nur noch ambulant behandelt, wobei eine Nachsorge zu Hause stattfindet. Beispielsweise muss ein Patient nach einer Behandlung seinen eigenen Puls aufzeichnen. Dabei wird häufig eine Vorrichtung verwendet, welche einen Brustgurt mit Sensoren und ein Aufnahmegerät aufweist. Die Sensoren des Brustgurts nehmen die Pulsschläge direkt an der Brust des Patienten auf. Die Daten werden dann an das Aufnahmegerät übermittelt. Das Aufnahmegerät kann die Daten beispielsweise für ein Langzeit-Kardiogramm über mehrere Stunden bis Tage speichern. Die Daten werden dann ausgelesen und beispielsweise von medizinischem Personal ausgewertet.
Die Vorrichtung ist dabei allerdings für den Patienten unangenehm zu tragen, da der Brustgurt beispielsweise für das Langzeit-Kardiogramm ohne Unterbrechung getragen werden muss. Dies schränkt die Beweglichkeit des Patienten ein und ist darüber hinaus bei der täglichen Wäsche hinderlich. Weiterhin muss der Patient zusätzlich das Aufnahmegerät ständig mit sich führen.
Ähnliches gilt bei Langzeitblutdruckmessungen, bei denen eine Blutdruckmanschette z.B. über 24 Stunden von einem Patienten getragen werden muss, wobei die Blutdruckmanschette z.B. alle 15 Minuten mit Druck beaufschlagt wird.
Ein weiteres Beispiel für einen häufig zu Hause gemessenen Vitalparameter ist der Blutzucker. Diabetiker sind häufig darauf angewiesen, vor und nach jeder Mahlzeit ihren Blutzucker zu bestimmen. Damit kann beispielweise der Patient entscheiden, ob eine Selbstmedikation mit Insulin notwendig ist. Dabei wird meist eine Vorrichtung verwendet, welche eine Nadel, Messtreifen und eine Auswerteeinheit umfasst. Der Patient sticht mit der Nadel beispielsweise in eine Fingerkuppe, um einen Tropfen Blut abzunehmen. Das Blut wird dann mit Hilfe des Messstreifens an die Auswerteeinheit überführt und der Blutzucker bestimmt. Dies ist zum einen umständlich und zum anderen auch schmerzhaft für den Patienten. Im Freizeitsport ist es üblich, den Puls während des Trainings zu überwachen und das Training über den Puls zu steuern. Ein Läufer kann über seinen Puls die Intensität seines Trainings objektiv überwachen. Dabei werden häufig ähnlich wie im medizinischen Bereich Brustgurte mit Sensoren verwendet, welche die Signale beispielsweise an eine Sportuhr oder ein Audiogerät zur Auswertung übermitteln. Der Brustgurt ist dabei, insbesondere um während des Trainings nicht zu verrutschen, mit einem hohen Anpressdruck an der Brust des Sportlers befestigt. Der Brustgurt schränkt dabei die Bewegungsfreiheit des Sportlers deutlich ein und ist auf Grund des hohen Anpressdrucks unangenehm zu tragen.
Aus dem Stand der Technik ist es des Weiteren bekannt, Vitalparameter aus der Pulswellenlaufzeit ggf. in Kombination mit der Pulsfrequenz (RR-Intervall) zu bestimmen. Die Pulswellenlaufzeit ist ein kardiovaskulärer Messwert. Diese beschreibt die Zeit, die eine Pulswelle benötigt, um eine gewisse Strecke im Gefäßsystem des Körpers zurückzulegen. Durch die Messung der Pulswellenlaufzeit können Rückschlüsse auf wichtige Vitalparameter wie Blutdruck sowie Elastizität der Gefäße gezogen werden. Die häufigste Ausführungsform ist die Messung der Pulswellenlaufzeit vom Herz bis zu einem Finger. Dabei ist insbesondere stets eine Messung an mindestens zwei Messpunkten notwendig. Der Beginn der Pulswelle, also der Zeitpunkt der Herzkontraktion, kann mittels Elektrokardiogramm (EKG) bestimmt werden. Hierzu wird das EKG-Maximum, die sogenannte R-Zacke oder R-Welle, verwendet. Am Finger kann das Signal photoplethysmographisch mittels Pulsoximeter detektiert werden. Studien haben gezeigt, dass zumindest über kurze Zeiträume die Pulswellenlaufzeit zur Blutdruckbestimmung verwendet werden kann. Hierzu kann allerdings noch eine Referenzmessung notwendig sein.
Die Bestimmung der Pulswellenlaufzeit und von Vitalparametern daraus ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 96 02 010, EP 0 859 569, DE 10 2008 042 1 15 und DE 2007/000406 bekannt.
Der Stand der Technik weist dabei stets den Nachteil auf, dass die Vorrichtungen und Verfahren nicht oder nicht praktisch im alltäglichen Leben verwendet werden können, da sie medizinisches Fachwissen voraussetzen oder technisch kompliziert zu handhaben sind. Darüber hinaus wird meist, wie bereits erwähnt, eine Referenzmessung der Pulswellenlaufzeit benötigt, welche auch die praktische Anwendung im medizinischen Bereich beispielsweise in einem Krankenhaus und im Leistungssport erschwert.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine einfache und kostengünstige Bestimmung von Vitalparametern ermöglicht.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , eine Vorrichtung nach Anspruch 18 und weiter durch Verfahren nach Anspruch 27 und Anspruch 28.
Die Erfindung betrifft dabei insbesondere ein Verfahren umfassend die folgenden Schritte:
Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines beschränkten Bereichs der Haut des menschlichen Körpers mittels der optischen
Aufnahmeeinheit;
Auswertung der Bilddaten umfassend eine Bestimmung einer Pulswellenlaufzeit; und
Bestimmung von Vitalparametern des menschlichen Körpers aus den Bilddaten mittels der Recheneinheit.
Besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik wird die Aufnahme der Abfolge von Bilddaten mittels einer Vorrichtung, insbesondere eines Smartgerätes, mit zumindest einer optischen Aufnahmeeinheit und einer Recheneinheit (auch als Datenverarbeitungseinheit zu bezeichnen) durchgeführt. Dabei kann die Vorrichtung beispielweise ein Mobiltelefon, auch Smartphone genannt, sein. Smartphones sind bekanntlich kompakte Computer mit üblicher Architektur bestehend aus CPU, RAM, ROM und Datenbus, mit integrierter Videoaufnahmehardware (Digitalkamera), Bildschirm und Ein- /Ausgabe- und Kommunikationsschnittstellen. Weitere beispielhafte Vorrichtungen sind mit einer Recheneinheit versehene Uhren, Brillen, oder andere Bekleidung, auch intelligente Kleidung genannt. Diese Vorrichtungen oder Geräte werden meist von einem Anwender bereits für andere Zwecke mitgeführt, beispielsweise um damit zu telefonieren oder im Internet Informationen abzurufen. Somit kann das Verfahren in vorteilhafter Weise mit einer bereits vorhandenen Vorrichtung durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass im Gegensatz zum Stand der Technik nur ein Messort, und zwar ein einziger beschränkter, zusammenhängender Bereich der Haut des menschlichen Körpers notwendig ist. Dabei kann prinzipiell eine beliebige Stelle der Haut verwendet werden. Allerdings ist es vorteilhaft, eine gut durchblutete Stelle zu verwenden, da die Bilddaten so mehr Aussagekraft und ein günstigeres Signal-zu-Rausch- Verhältnis aufweisen.
Die Abfolge von einzelnen Bilddaten kann dabei eine Videosequenz sein oder reine Einzelbilder in einer zeitlichen Abfolge. Eine Videosequenz enthält dabei mehr Informationen, die ausgewertet werden können, und verbessert damit das Ergebnis der Bestimmung der Vitalparameter, insbesondere wird die Genauigkeit erhöht. Einzelbilder sind dabei einfacher zu speichern, was insbesondere bei einem begrenzten Speicherplatz beispielsweise in einem Arbeitsspeicher der Recheneinheit von Vorteil ist. Einzelbilder erhöhen darüber hinaus auch die Geschwindigkeit zur Bestimmung der Vitalparameter, da weniger Information ausgewertet werden muss.
Die Pulswellenlaufzeit wird aus den Bilddaten bestimmt, und zwar indem diese ausgewertet werden. Dies kann beispielsweise durch das Erkennen der durch den Bereich der Haut durchlaufenden Pulswelle und einer damit verbundenen zeitlichen Messung der Pulswellengeschwindigkeit erfolgen. Dabei kann beispielsweise in einem Intervall von einer R-Welle bis zu einer nächsten R- Welle, auch RR-Intervall genannt, gemessen werden. Aus der so bestimmten Pulswellenlaufzeit lassen sich dann die Vitalparameter bestimmen. Die Pulswellenlaufzeit und die Pulswellengeschwindigkeit geben eine Auskunft über die Gefäßsituation. Starre Gefäße mit eingeschränkter Vasomotorik führen zu anderen Laufzeiten und Geschwindigkeiten der Pulswelle. Über die Laufzeit und die Geschwindigkeit der Pulswelle können also Rückschlüsse auf den Zustand der Gefäßwand getroffen werden. Es ist möglich anhand der Parameter eine arteriosklerotische Veränderung der Gefäße sehr früh zu diagnostizieren und mit der entsprechenden Lebensstiländerung (z. B. fett- und natriumarme Ernährung, sportliche Aktivität) ein Fortschreiten der Arteriosklerose zu verhindern. Es ist zu erwähnen, dass die Bildaten des Bereichs der Haut des menschlichen Körpers nicht zwingend direkt mittels der optischen Aufnahmeeinheit erfasst werden müssen. Es besteht auch die Möglichkeit, eine bildliche Wiedergabe, beispielsweise ein Fernsehbild, des Bereiches der Haut aufzunehmen, um die Vitalparameterbestimmung gemäß der Erfindung durchzuführen. So können gemäß der Erfindung z.B. Vitalparameter einer auf einem Fernsehmonitor wiedergegebenen Person bestimmt werden.
Anwendungsbeispiele des Verfahrens sind die Blutdruckmessung in der Überwachung von Personen, die Blutdruckmessung auf der Haut, die Blutdruckmessung und Überwachung im Schlaflabor, die Blutdruckmessung in der Leistungsdiagnostik, die Blutdruckmessung als Dauermessung, beispielsweise über mehrere Stunden oder Tage, Steuerung von Geschwindigkeiten für die Blutabgabe oder die Aufnahme, Blutreinigung wie beispielsweise Dialyse, Thrombozyten, Plasma. Der Blutdruck gilt als einer der medizinischen Standards in der Beurteilung der kardiovaskulären Situation in Ruhe und unter körperlicher Belastung. Die physiologischen Grenzwerte in Ruhe und unter Belastung sind umfangreich beschrieben und in Leitlinien festgelegt. Eine kontinuierliche Bestimmung des Blutdruckes ist unter Belastung aktuell jedoch nicht möglich, da mittels Blutdruckmanschette nur zu festgelegten Zeitpunkten der Blutdruck bestimmt werden kann. Erst durch die Erfindung wird eine kontinuierliche Messung möglich. Der Blutdruck wird erfindungsgemäß aus der Geschwindigkeit der Pulswelle / der Pulswellenlaufzeit bestimmt, eine geringe Laufzeit vom Herzen zum Finger steht für einen hohen Blutdruck, da die Gefäße eng gestellt sind. Bevorzugt erfolgt bei Anwendung der Erfindung zur Blutdruckmessung eine Eichung in Ruhe und unter Belastung. Danach kann der Blutdruck kontinuierlich gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in allen Personengruppen einsetzbar, durch die nichtinvasive Messung kann jeder ohne Risiko die Messung durchführen. Eine Blutdruckbestimmung über längere Zeit wird nicht nur bei gesunden Sportlern, sondern auch bei Risikogruppen z.B. Herzpatienten und Schwangeren möglich. Die Nutzer erhalten die Möglichkeit, Blutdruckspitzen und Situationen, die zu einem Anstieg führen, zu erkennen. Daraus ergibt sich in der Folge, dass die Nutzer entsprechende Situationen vermeiden können und lernen, ihren Blutdruck durch Änderungen im Lebensstil besser zu kontrollieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Bestimmung der Pulswellenlaufzeit folgende Schritte:
Unterteilen des in den einzelnen Bilddaten wiedergegebenen Bereichs der Haut in Kacheln; - Bestimmen einer Farbe, einer Helligkeit und/oder eines Volumens in jeder der Kacheln der einzelnen Bilddaten;
Vergleichen der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens der Kacheln in den aufeinanderfolgenden Bilddaten der Abfolge;
Bestimmen eines Änderungsprofils der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens einer jeden Kachel gemäß der Abfolge von Bilddaten, wobei das Änderungsprofil eine durch den Bereich der Haut durchlaufende Pulswelle wiedergibt; und
Berechnen der Pulswellenlaufzeit aus dem Änderungsprofil.
Die Unterteilung der Bilddaten in Kacheln, auch Raster genannt, kann in variabler Genauigkeit erfolgen. Dies hängt beispielsweise von der Größe des Bereichs der Haut, von dem die Bilddaten aufgenommen werden, ab. Bei einem großen Bereich kann die Unterteilung in Kacheln weniger detailliert erfolgen. Bei einem kleinen Bereich werden eine Vielzahl von Kacheln verwendet. Beispielsweise werden die Bilddaten pro Einzelbild in 100 mal 100 Kacheln unterteilt, womit sich Abstände auf der Haut zur Ermittlung der Pulswellenlaufzeit entsprechend genau bestimmen lassen. Für jede Kachel eines Einzelbilds wird die Farbe, die Helligkeit und/oder das Volumen bestimmt. Damit erhält man mit der Abfolge der Bilddaten die Abfolge der Farbe, Helligkeit, und/oder Volumen einer jeden Kachel. Die Einzelbilder werden in einem nächsten Schritt miteinander verglichen, um eine Veränderung der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens feststellen zu können. Aus den Änderungen der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens der Kacheln wird dann ein Änderungsprofil, also eine zeitliche Abfolge der Änderungen erstellt. Damit kann die Pulswelle und deren Durchlauf durch den Bereich der Haut bestimmt werden. Aus diesem Änderungsprofil wird dann die Pulswellenlaufzeit bestimmt. Hierfür können insbesondere Annahmen über die Größe des Bereichs der Haut und über die Pulswellengeschwindigkeit eingehen. Bei der Auswertung der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens können relative Änderungen von weniger als 5% oder sogar weniger als 1 % beispielsweise anhand der mittels in Smartphones üblichen digitalen Videohardware aufgenommenen Bilddaten berücksichtigt werden, um die durchlaufende Pulswelle zu analysieren. Signalschwankungen z.B. aufgrund von wechselndem Umgebungslicht oder wechselnder Temperatur bleiben ohne Einfluss oder können durch geeignete Algorithmen herausgefiltert werden.
Die Unterteilung in Kacheln, wobei jede Kachel z.B. 100-10.000 oder mehr Bildpunkte abdeckt, bewirkt eine Mittelung der Färb- und Helligkeitswerte und damit eine Reduzierung des Bildrauschens. Die Kacheln können ggf. auch teilweise einander überlappen. Als besonders praktikabel hat sich ein rechtwinkliges Raster von Kacheln erwiesen, andere Anordnungen der Kacheln (z.B. konzentrisch kreisförmig oder spiralförmig) sind prinzipiell denkbar. Die Kacheln können quadratisch, rechteckig, kreisförmig, polygonal oder anders geometrisch geformt sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird wenigstens ein biometrisches Merkmal in den Bilddaten erkannt, wobei die Positionen der Kacheln in Relation zu dem wenigstens einen biometrischen Merkmal in der Abfolge von Bilddaten gleich sind. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass immer derselbe Bildbereich ausgewertet wird, so dass das erfasste Änderungsprofil der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens tatsächlich die durchlaufende Pulswelle wiedergibt und nicht durch Relativbewegungen von optischer Aufnahmeeinheit und menschlichem Körper verfälscht ist. Die Erkennung von biometrischen Merkmalen (z.B. die Erkennung der Position von Augen/Mund/Nase/Ohren) in digitalen Bilddaten ist übliche Praxis. Hierzu existieren zuverlässig arbeitende Algorithmen, die für den erfindungsgemäßen Einsatz gut geeignet sind. Ebenso geeignet ist die Erkennung von im Gewebe befindlichen helleren und dunkleren Zonen, die in der Bildfolge an den immer wiederkehrenden gleichen Koordinaten erscheinen. Die helleren und dunkleren Zonen verändern ihre Helligkeiten und Farbe während der einfließenden Pulswelle. Relativ zueinander sind diese Zonen aber fest im Gewebe platziert und können somit als Referenz zur Ausrichtung der Kacheln dienen. Auf diese Weise wird gemäß der Erfindung ein für die Auswertung festgelegter Bereich der Haut bei einer Bewegung des Körperteils relativ zur Aufnahmeinhiet verfolgt.
Die Kachelung ist des Weiteren von Bedeutung, um die erforderlliche zeitliche Auflösung bei der Analyse der Pulswelle zu erzielen. Übliche Videohardware, z.B. in Smartphones, liefert eine Bildrate von 20-50 Bildern pro Sekunde, was einer Zeitauflösung von 50-20 ms entspricht. Dies reicht für den Zweck der Bestimmung von Vitalparamertern in der Regel nicht aus. Durch die Bestimmung des Änderungsprofils der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens mehrerer an unterschiedlichen Positionen im Bild befindlichen Kacheln kann die effektive zeitliche Auflösung über die von der Videohardware vorgegebene Auflösung hinaus gesteigert werden, da die Pulswelle zu verschiedenen Zeitpunkten (d.h. quasi mit unterschiedlicher Phase) die Positionen der verschiedenen Kacheln durchläuft. Die an den unterschiedlichen Kachelpositionen erfassten Änderungen der Färb-, Helligkeits- und/oder Volumenwerte können gemäß der Erfindung miteinander kombiniert werden, um das Änderungsprofil und damit die Pulswelle mit einer gegenüber der Bildrate der Videohardware erheblich höheren zeitlichen Auflösung zu bestimmen. Wenn beispielsweise der von der Pulswelle in 100 ms durchlaufende Bereich in Laufrichtung der Pulswelle in 100 Kacheln unterteilt ist, ergibt sich eine effektive zeitliche Auflösung von bis zu 1 ms. Dies reicht für eine zeitlich sehr präzise Analyse der Pulswellenlaufzeit und damit zusammenhängender Vitalparameter (RR-Intervall, Pulsvariabilität etc.) aus. Anders ausgedrückt erfolgt gemäß der Erfindung eine kombinierte zeitlich/räumliche Auswertung von Bildwerten (Helligkeit, Farbe und/oder Volumen), um eine für diagnostische Zwecke ausreichend zeitlich aufgelöste Analyse der Pulswelle mit einfachster Videohardware (z.B. eines Smartphones) zu ermöglichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Aufnahmeeinheit Stereo-Bilddaten auf. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung einer zweiten Linse einer Kamera erfolgen. Diese Stereo-Bilddaten ermöglichen dann eine dreidimensionale Modellierung des Bereichs der Haut und eine Bestimmung des Volumens beispielsweise der Kacheln. Die Genauigkeit bei der Bestimmung der R-Welle der durchlaufenden Pulswelle kann damit wesentlich erhöht werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zur Aufnahme der Abfolge der einzelnen Bilddaten der Bereich der Haut mittels einer Beleuchtungseinheit, insbesondere in einem bestimmten Spektralbereich, belichtet wird. Damit kann die Ausleuchtung des Bereichs der Haut verbessert werden, falls beispielsweise das Umgebungslicht nicht ausreicht, um Bilddaten von genügend hoher Qualität aufzunehmen. Darüber hinaus kann die Haut mit Licht in einem bestimmten Spektralbereich, beispielswiese Infrarot oder Ultraviolett, belichtet werden, um Veränderungen der Farbe oder Helligkeit der Haut besser aufnehmen zu können. Weiterhin kann der Spektralbereich an den zu bestimmenden Vitalparameter angepasst werden. So kann beispielsweise zur Bestimmung des Blutzuckers Licht im aktiven Spektralbereich von Glukose verwendet werden, wodurch die Genauigkeit der Messung erhöht wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels der Aufnahmeeinheit die Abfolge der einzelnen Bilddaten beabstandet von dem Bereich der Haut aufgenommen. Damit kann die Bestimmung der Vitalparameter auch aus der Entfernung durchgeführt werden. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen sich die Person in Bewegung befindet, wie beispielsweise beim Sport, kann der Vitalparameter auch bestimmt werden, ohne dass die Person in direktem Kontakt mit der Vorrichtung steht.
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels der Aufnahmeeinheit die Abfolge der einzelnen Bilddaten in direktem Kontakt mit dem Bereich der Haut aufgenommen. Damit wird gewährleistet, dass die Abfolge der Bilddaten immer genau von demselben Bereich aufgenommen wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels der Aufnahmeeinheit die Abfolge der einzelnen Bilddaten über ein Druckmittelmedium in Kontakt mit dem Bereich der Haut aufgenommen. Das Druckmittelmedium kann dabei einen festen Abstand zwischen Haut und Aufnahmeeinheit sicherstellen, zum anderen kann das Druckmittelmedium Druck auf die Haut ausüben. Durch den Druck auf die Haut wird der Blutfluss beeinflusst und damit kann eine Verbesserung der Genauigkeit der Messung herbeigeführt werden. Das Druckmittelmedium kann dabei insbesondere transparent ausgebildet sein, um die Aufnahme der Bilddaten nicht zu beeinflussen. Des Weiteren kann das Druckmittelmedium ringförmig um die Aufnahmeeinheit, insbesondere um eine Linse der Aufnahmeeinheit, angeordnet sein. In dieser Ausführungsform kann das Druckmittelmedium Druck auf die Haut ausüben und behindert dabei die Aufnahme der Bilddaten nicht.
In einer weiteren Ausführungsform werden Bewegungsdaten des menschlichen Körpers mittels zumindest eines Beschleunigungssensors aufgenommen. Die Bewegungsdaten erlauben dabei beispielsweise eine Rekonstruktion der körperlichen Belastung der Person, was bei der Auswertung der Bilddaten und bei der Bestimmung der Pulswellenlaufzeit berücksichtigt wird. Der Beschleunigungssensor kann dabei auch in der Vorrichtung vorgesehen sein.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform werden Tondaten mittels eines Mikrofons aufgenommen und der Abfolge der einzelnen Bilddaten zugeordnet. Aus den Tondaten können zusätzliche Informationen zur Bestimmung der Vitalparameter gewonnen werden. So kann der Klang der durchlaufenden Pulswelle berücksichtigt werden, um den Puls zu bestimmen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die aufgenommenen Bilddaten, Beschleunigungsdaten und Tondaten mit einem Zeitstempel versehen und auf einer Speichereinheit der Vorrichtung für eine Langzeitauswertung zusammen mit dem Zeitstempel gespeichert. Damit kann eine Langzeitauswertung der Vitalparameter durchgeführt werden. Die gespeicherten Bilddaten, Beschleunigungsdaten und Tondaten können dann beispielsweise nach mehreren Stunden oder Tagen von medizinischem Personal ausgelesen und ausgewertet werden. Dabei können die Informationen beispielsweise über eine Datenverbindung der Vorrichtung an eine zentrale Stelle übermittelt werden.
Insbesondere können gemäss dem Verfahren der Blutdruck und/oder der Puls bestimmt werden. Der Puls, d.h. die Herzfrequenz gibt an, wie häufig das Herz in einer Minute kontrahiert. Die Herzfrequenz in Ruhe und unter Belastung ist die gängigste Größe zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit. Für die Herzfrequenz sind Grenzwerte in den unterschiedlichen Altersklassen beschrieben. Die individuellen Unterschiede sind jedoch sehr stark, da die Herzfrequenz von vielen Faktoren beeinflusst wird. Dazu gehören neben dem Lebensalter auch der Trainingszustand, der aktuelle Gesundheitszustand und der Einfluss zahlreicher Medikamente. Eine kontinuierliche Herzfrequenzmessung bringt demnach die Möglichkeit mit sich, zahlreiche gesundheitliche Fragestellungen näher zu untersuchen. Die Herzfrequenz ist ein zentraler Parameter in der Trainingssteuerung und Leistungsdiagnostik.
Weiterhin kann eine Sauerstoffsättigung des Blutes des menschlichen Körpers bestimmt werden. Die Sauerstoffsättigung gibt an, wie viel Prozent des gesamten Hämoglobins im Blut mit Sauerstoff beladen ist. Sie erlaubt unter anderem Aussagen über die Effektivität des Sauerstofftransportes, also in erster Linie über die Atmung. Die Sauerstoffsättigung wird gemäß der Erfindung anhand der aufgenommenen Bilddaten in an sich bekannter Art und Weise photometrisch bestimmt.
Aus der Sauerstoffsättigung kann in Kombination mit einer Analyse des erfindungsgemäß erfassten Pulswellenverlaufs auf das sogenannte Herzminutenvolumen zurückgeschlossen werden. Ein geeigneter Algorithmus ist z.B. unter der Bezeichnung PiCCO („Pulse Contour Continuous Cardiac Output") bekannt. Das Herzminutenvolumen (HMV) oder Herzzeitvolumen (HZV) ist das Volumen des Blutes, welches in einer Minute vom Herz über die Aorta ascendens in den Blutkreislauf gepumpt wird. Das Herzminutenvolumen ist also ein Maß für die Pumpfunktion des Herzens und damit ein insbesondere im kardiologischen Bereich sehr aussagekräftiger Parameter. Im Englischen und als Fachausdruck auch im Deutschen wird dafür auch der Begriff Cardiac Output (abgekürzt CO) benutzt. Darüber hinaus kann die Pulswellenvariabilität bestimmt werden. Aus der Pulswellenvariabilität ergibt sich die Herzfrequenzvariabilität. Damit bezeichnet man die Möglichkeit des menschlichen Körpers, die Abstände zwischen zwei Herzschlägen zu verändern. Die Abstände werden über die Kammerkontraktion des Herzens definiert. Im EKG wird die Kammerkontraktion als R-Zacke bezeichnet, deshalb spricht man hier auch vom RR-Intervall. Dieses RR-Intervall verändert sich auch in Ruhe spontan, d.h. die Abstände zwischen den Herzkontraktionen unterscheiden sich. Bei gesunden Personen wird die Herzaktion über einen Taktgeber gestartet. Das Erregungszentrum im Herzen heißt Sinusknoten. Dieser wird vom vegetativen Nervensystem gesteuert und unterliegt somit nicht dem willentlichen Einfluss, sondern der Aktivität des Sympathikus. Körperliche aber auch psychische Belastungen gehen mit einer Erhöhung der Sympathikusaktivität einher, dies führt zu einem Anstieg der Herzfrequenz. Der Parasympathikus, der Gegenspieler des Sympathikus im vegetativen Nervensystem, reduziert dagegen die Herzfrequenz. Es wird deutlich, dass äußere Einflüsse (Bewegung, Gedanken) aber auch mechanische Abläufe (z.B. Atmung) die Herzfrequenz beeinflussen können. Da die Herzfrequenzvariabilität ihren Ursprung im vegetativen Nervenzentrum hat, lassen die gemessenen Werte Rückschlüsse auf Erkrankungen des Organsystems zu. Wahrscheinlich ist die Herzfrequenzvariabilität sogar aussagekräftiger als die Herzfrequenz, um physiologische oder pathologische Veränderung im Herzkreislaufsystem frühzeitig zu erkennen. Es können Veränderungen in Ruhe und nach sportlicher Belastung beobachtet und ausgewertet werden. Folgende Parameter können von Interesse sein:
NN50 = Anzahl der fortlaufenden RR-Intervalle > 50ms; SDNN = Standardabweichung aller gemessenen RR-Intervalle bei
Sinusrhythmus;
rMSSD = die Wurzel des Mittelwertes der quadrierten Differenzen fortlaufender RR-Intervall. e Mit der Herzfrequenzvariabilität können im Sport die Beanspruchung des Sportlers und eventuelle Übertrainingssituationen bestimmt werden. Eine gezielte Trainingssteuerung wird mit der Herzfrequenzvariabilität möglich. Aber auch im medizinischen Bereich findet die Herzfrequenzvariabilität ihren Einsatz. Die Parameter der Herzfrequenzvariabilität verändern sich nicht nur durch sportliche Aktivität, sondern auch durch das Vorliegen von Risikofaktoren und eine Reduktion dieser Risikofaktoren. So sind zum Beispiel bei Diabetikern mit vorliegender Neuropathie die zeitbezogenen Variablen wie SDNN, NN50 und rMSSD reduziert. Des Weiteren kann anhand der Herzfrequenzvariabilität der Konsum von Rauschmitteln (Drogen), Alkohol erkannt werden. Verschiedene Krankheiten wirken sich charakteristisch auf die Herzfrequenzvariabilität aus. Schließlich kann anhand der Herzfrequenzvariabilität Müdigkeit einer Person erkannt werden. Somit ergibt sich ein vorteilhafter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung von Fahrern von Kraftfahrzeugen oder von Bedienern von Maschinen. Die optische Aufnahmeeinheit kann fest im Kraftfahrzeug oder am Arbeitsplatz angebracht sein, um z.B. eine Warnsignal zu erzeugen, sobald anhand des oder der bestimmten Vitalparameter Müdigkeit oder ein sonstwie die Sicherheit gefährdender Zustand des Fahrers bzw. des Maschinenbedieners erkannt wird. Typischerweise wird ein Warnsignal erzeugt, wenn einer oder mehrere der bestimmten Vitalparameter einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreiten.
Schließlich kann gemäß der Erfindung auch der Blutzucker bestimmt werden. Vorzugsweise wird für die Blutzuckermessung ein Ohr oder ein Finger aufgenommen. Dabei kann zur Messung Folgendes genutzt werden: Absorption, also die Aufnahme von Energie durch die Glukosemoleküle in und unter der Haut aus eingestrahltem infrarotem Licht, was zu charakteristischen Signalen im Absorptionsspektrum führt. Des Weiteren kann Streuung gemessen werden. Eingestrahltes Licht wird gestreut, und aus der Art der Streuung kann der Glukosegehalt bestimmt werden. Weiterhin kann Polarisation genutzt werden. Polarisiertes Licht weist eine Schwingungsebene auf, die durch Glukose gedreht wird (optische Aktivität), dabei ergibt sich aus der Winkeländerung der Glukosegehalt.
Ein weiteres Verfahren ist die perkutane Messung mit Hilfe eines breitbandigen Lasers im mittleren Infrarot-Bereich. Dabei wird die Absorption des Laserlichts durch die im Blut befindlichen Glukosemoleküle gemessen, insbesondere kann hierzu das Absorptionsmaximum von Glukose im Wellenlängenbereich von 925nm oder darüber verwendet werden. Weitere Ansätze sind die Messung des Blutzuckerspiegels durch fluoreszierende Nanopartikel und die Bestimmung des Zuckergehalts in der Tränenflüssigkeit.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bestimmung von Vitalparametern die Bestimmung einer Atemfrequenz. Die gemäß der Erfindung erfasste Pulswelle ist überlagert von einer Oszillation mit gegenüber dem Puls geringerer Frequenz, nämlich der Atemfrequenz. Diese überlagerte Oszillation kann gemäß der Erfindung ausgewertet werden, um die Atemfrequenz zu bestimmen. Bei Einbeziehung weiterer Parameter ist auch eine Analyse des Atemvolumens anhand der aufgenommenen Bilddaten prinzipiell möglich.
Die Erfindung ermöglicht die Realisierung von Anwendungsprogrammen (z.B. sog. „Apps" für Smartphones, wobei die integrierte Videohardware des Smartphones erfindungsgemäß als optische Aufnahmeeinheit genutzt wird) für sogenanntes Biofeedback. Dabei wird wenigstens einer der kontinuierlich gemessenen Vitalparameter in geeignetet Weise in Echtzeit visualisiert und der Benutzer trainiert die aktive Kontrolle des oder der betreffenden Vitalparameter. Bevorzugt erhält der Benutzer eine optische oder akustische Rückmeldung, die anzeigt, ob und inwieweit der oder die betreffenden Vitalparamter innerhalb eines Sollwertebereiches liegen oder durch die Benutzerkontrolle in den Sollwertebereich gebracht werden. So kann z.B. Biofeedback zur Atemregulation genutzt werden. Mit der visuellen Darstellung der Kurvenverläufe von Pulswelle und Atmung auf dem Display des Smartphones wird eine Kontrolle beider Parameter möglich. Durch das Biofeedbacktraining kann der Benutzer den Zusammenhang von Atmung und Herzfrequenz erkennen und lernen, die Herzfrequenz über die Atmung zu regulieren. Daraus entsteht ein Ansatz, das zentrale Nervensystem positiv zu beeinflussen. Es wird die sogenannte Herzkohärenz trainiert. Ebenso kann Biofeedback zur Regulation der Herzfrequenzvariabilität genutzt werden. Das gesunde Herz zeichnet sich im entspannten Zustand durch eine hohe Herzfrequenzvariabilität aus. D.h. je höher der Entspannungszustand umso höher ist die Variabilität der Herzfrequenz. Durch die visuelle Darstellung der aktuell gemessenen Herzfrequenzvariabilität wird für den Benutzer der eigene Entspannungsgrad sichtbar. Bei der Durchführung von Entspannungsverfahren hat der Nutzer also eine direkte Rückinformation über die Wirksamkeit seiner Entspannungstechnik.
Die Aufnahme der Bilddaten kann insbesondere im Bereich des Gesichts, der Stirn, einer Hand, eines Fingers, einer Handfläche, eines Fussgelenks oder der Leiste des menschlichen Körpers durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere ein Smartgerät, zur Bestimmung von Vitalparametern eines menschlichen Körpers umfassend zumindest:
- eine optische Aufnahmeeinheit, geeignet zur Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines einzigen beschränkten Bereichs der Haut des menschlichen Körpers; und - eine Recheneinheit, eingerichtet geeignet zur Auswertung der Bilddaten umfassend eine Bestimmung einer Pulswellenlaufzeit und eingerichtet zur Bestimmung von Vitalparametern des menschlichen Körpers aus den Bilddaten.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Authentifizierung einer Person mittels einer Vorrichtung, insbesondere eines Smartgerätes, mit zumindest einer optischen Aufnahmeeinheit, einer Recheneinheit und einer Speichereinheit, umfassend folgende Schritte: - Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines Bereichs der Haut des menschlichen Körpers, insbesondere eines Gesichts, mittels der optischen Aufnahmeeinheit;
- Auswerten der Bilddaten umfassend eine Erkennung einer Pulswellenlaufzeit mittels der Recheneinheit;
- Vergleichen der Bilddaten mit auf der Speichereinheit gespeicherten Profilen; und
- Ausgeben einer Authentifizierung bei übereinstimmenden Bilddaten mit einem gespeicherten Profil. Dabei können beispielsweise Profile verwendet werden, welche den für jede Person charakteristischen Blutfluss wiedergeben. Dies kann beispielsweise für ein Gesicht erfolgen. Dazu werden vorab von einer Gruppe von Personen Messungen der Vitalparameter durchgeführt und entsprechende Profile erstellt. Tritt eine Person dieser Gruppe zur Authentifizierung an die Vorrichtung heran, kann diese positiv identifiziert werden. Für eine Person, die nicht zu dieser Gruppe gehört, wird entsprechend keine Authentifizierung ausgegeben.
In anderen Worten erfolgt die Authentifizierung gemäß der Erfindung durch im Gewebe befindliche hellere und dunklere Zonen, die an den immer wiederkehrenden gleichen Koordinaten aufgrund der durcheilenden Pulswelle heller oder dunkler erscheinen. Diese Färb- bzw. Helligkeitsunterschiede entstehen durch die Pulswellen in den arteriellen Blutgefäßen. Die Auswertung kann über den Vitalzustand der zu überprüfenden Person Daten liefern. Leblose Körper, wie Abdrücke oder Kopien, welche zur Manipulierung der Überprüfung gedacht sind, werden erkannt. Die Auswertung selbst kann mit jedem Pixel im Bild vorgenommen werden. Helle und dunkle Zonen verändern ihre Helligkeiten und Farbe während der einfließenden Pulswelle. Relativ zueinander sind diese Zonen fest im Gewebe platziert. Nur durch geänderte Blut-Sauerstoffanteile werden die Helligkeits- und Farbänderungen während des RR-Intervalls im Gewebe, erzeugt. Nach Ablauf eines Intervalls gehen die Helligkeits- und Farbunterschiede wieder in den Anfangszustand zurück. Dies bleibt bis zur nächsten Pulswelle so. Ein für die Auswertung festgelegter Bereich der Haut wird bei einer Bewegung des Körperteils verfolgt. Mit jedem erhaltenen Bild, aus dem Video und oder dem Einzelbild, wird anschließend dann anhand der maximalen Helligkeitswerte gegenüber den Vorgängerbildern die Auswertung vorgenommen.
Die Erfindung bezieht sich also auch auf die Authentifizierung (oder Identifizierung) von Menschen, z.B. zur Sicherung von beweglichen- und unbeweglichen Gütern. Differenzierte Zugangskontrollen werden durch die erfindungsgemäße Auswertung der Bilder ermöglicht. Ein aufwendiges Authentifizieren mit Chipkarten oder Transponder ist damit überflüssig. Benötigt werden zur Authentifizierung nur Bildaufnahmen von Bereichen des Körpers, wie des Gesichts oder der Hand. Die Messung benötigt beispielsweise mit einer 60 fps („frames per second") Kamera in einem Smartphone etwa 2 bis 3 Sekunden. Eine Manipulierung ist mit leblosen Gegenständen nicht möglich, da die Überprüfung einer Pulswelle erfolgt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Erkennung einer Reaktion einer Person mittels einer Vorrichtung, insbesondere eines Smartgerätes, umfassend zumindest eine optische Aufnahmeeinheit, eine Recheneinheit und eine Speichereinheit umfassend folgende Schritte: - Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines Bereichs der Haut des menschlichen Körpers, insbesondere eines Gesichts, mittels der optischen Aufnahmeeinheit;
- Auswerten der Bilddaten umfassend eine Erkennung einer Pulswellenlaufzeit mittels der Recheneinheit; - Vergleichen der Bilddaten mit auf der Speichereinheit gespeicherten Reaktionsmustern; und
Ausgeben einer Reaktion bei übereinstimmenden Bilddaten mit einem gespeicherten Reaktionsmuster. Die Reaktionsmuster beschreiben dabei insbesondere Reaktionen des Blutflusses auf äussere Einflüsse. Dabei kann insbesondere die Reaktion auf eine falsche Aussage der Person erkannt werden. Die Reaktionsmuster werden hierzu vorab gespeichert, beispielsweise als eine signifikante Erhöhung des Pulses auf eine falsche Aussage der Person. Bei einer Bestimmung der Vitalparameter kann bei einem Vergleich der Reaktionsmuster festgestellt werden, ob die Person beispielsweise eine falsche Aussage gemacht hat.
Die Erfindung ermöglicht damit insgesamt einfach und kostengünstig, Vitalparameter für unterschiedliche Anwendungen zu bestimmen. Damit werden die Vitalparameter einfach zugänglich und können als Grundlage für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden.
Die Erfindung kann für den Bereich der telemedizinischen und medizinischen Anwendungen, der Spiele, Sport- und Freizeitmöglichkeiten, Online-Spiele, der Steuerung von Leistungsmerkmalen an Geräten, Maschinen, Anlagen und Fahrzeugen die persönlichen Vitaldaten bereitstellen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Patentansprüche sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten anhand des nachfolgenden Textes mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung
Verfahrensschritten zur Bestimmung Vitalparametern;
Fig. 2 eine schematische Darstellung
Kachelung eines Einzelbildes; und Fig. 3 eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zur Bestimmung von Vitalparametern.
Die Bezugszeichen und deren Bedeutung sind zusammengefasst in der Bezugszeichenliste. Im Allgemeinen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Teile.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten umfassend eine Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten 20 eines einzigen beschränkten Bereichs der Haut 30 des menschlichen Körpers mittels einer optischen Aufnahmeeinheit 1 1 ; das Auswerten der Bilddaten umfassend eine Bestimmung einer Pulswellenlaufzeit; und die Bestimmung von Vitalparametern des menschlichen Körpers aus den Bilddaten mittels einer Recheneinheit 12.
Die Bilddaten werden dabei nur von einem Bereich der Haut 30 aufgenommen. Dies kann beispielsweise das Gesicht, Teile des Gesichts, wie die Stirn, eine Hand, Teile einer Hand, wie Finger, Fingerkuppe, Handfläche, ein Fussgelenk oder die Leiste eines menschlichen Körpers sein. Prinzipiell kann jeder Bereich der Haut verwendet werden, allerdings ist bei einem hohen Blutfluss die Messgenauigkeit des Vitalparameters erhöht.
Die Bilddaten werden im Anschluss ausgewertet, und eine Pulswellenlaufzeit wird bestimmt. Dies kann dabei erst einige Tage nach der Aufnahme erfolgen, beispielsweise bei einer Langzeitmessung eines Vitalparameters. Dabei werden die Bilddaten in einer Speichereinheit 13 zwischengespeichert bis die Auswertung der Bilddaten durchgeführt wird.
Bei der Bestimmung von Vitalparametern, wie Blutdruck, Puls, Sauerstoffsättigung von Blut, Pulswellenvariabilität, oder Blutzucker, wird die Pulswellenlaufzeit zugrunde gelegt und nach bekannten Verfahren ausgewertet.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform zur Bestimmung der Pulswellenlaufzeit. Dabei wird jedes Einzelbild 20 in eind Vielzahl von Kacheln 21 , d.h. unterteilt, wobei sich ein Raster aus Kacheln 21 ergibt. Für jede Kachel 21 des Einzelbilds 20 werden die Farbe, die Helligkeit und/oder das Volumen bestimmt.
Das Volumen wird dabei vorzugsweise aus Stereo-Bilddaten bestimmt. Anders ausgedrückt, eine 3D Kamera mit zwei Kameralinsen, vorzugsweise im Smartphone, kann Bilder mit klar definiertem Abstand zur gleichen Zeit aufnehmen. Die Auswertung der 3D Kamera erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie mit nur einer Kamera. Die Genauigkeit ist jedoch um ein vielfaches höher, da mehr Bilder zur Auswertung zur Verfügung stehen. Auch ist der definierte Abstand voneinander für eine Bildauswertung von Vorteil. Smartphones mit zwei separaten Kameras ermöglichen die Extraktion von genaueren Daten der Pulswelle aus den Bilddaten.
Damit erhält man mit der Abfolge der Bilddaten eine Abfolge der Farbe, Helligkeit, oder Volumen einer jeden Kachel 21 . Die Einzelbilder 20 der Abfolge werden anschließend miteinander verglichen, um eine Veränderung der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens in der Abfolge der Bilddaten festzustellen. Aus den Änderungen der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens der Kacheln 21 wird dann ein Änderungsprofil, also eine zeitliche Abfolge der Änderungen erstellt. Damit kann die Pulswelle und deren Durchlauf durch den Bereich der Haut festgestellt werden. Die Bildauswertung kann genutzt werden, um die vond er Pulswelle innerhalb einer bestimmten Zeit zurückgelegte Strecke zu bestimmen. Aus diesem Änderungsprofil wird dann die Pulswellenlaufzeit bestimmt. Hierbei können Annahmen über die Größe des Bereichs der Haut zugrunde gelegt werden.
Beispielsweise werden alle aufgenommenen Bilder in Kacheln 21 unterteilt, wie zuvor beschreiben. Die aufgenommenen Bilder enthalten Rauschen, unter anderem aufgrund von Bewegung während der Aufnahme. Aus beispielsweise 10 erhaltenden Bildern pro Sekunde, bei einem Puls von 60 Schlägen pro Minute, ergeben sich bei einer Kachelung von 100 x 100 Kacheln 21 10.000 Kacheln pro Ursprungsbild. Das Ursprungsbild zeigt einen Zeitausschnitt Ausschnitt von ca. 100 ms (10 Bilder pro Sekunde). Durch die Kachelung von 100 x 100 teilt sich das Gesamtbild, das einen Ausschnitt von 100 ms zeigt, in 100 Längenteile auf. Dies entspricht (bei einem Puls von 60) einer effektiven zeitlichen Auflösung von 1 ms. Damit ist eine aussagekräftige Auswertung des Profils der Pulswelle bei der Bestimmung der Pulswellenlaufzeit möglich.
Als Ergebnis der Bildanalyse werden die Pulswellenlaufzeit und das RR-Intervall ermittelt. Um die zurückgelegte Wegstrecke der Pulswelle in einer gemessenen Zeit zu ermitteln, werden die zur Verfügung gestellten Bilder des Smartphones gekachelt, wie oben erläutert, und anschließend als Bilder mit Werteangaben zu Farbe, Helligkeit und/oder Volumen definiert. Die Änderungen dieser Werte, erzeugt durch die pulsierenden Wellen des sauerstoffreichen Blutes, können nun aus dem Bild ermittelt werden. Durch die Farbveränderung entstehen Unterschiede der Werte in den Bildern der aufgenommenen Sequenz, die in der weiteren Berechnung als Unterschiede, beispielsweise in Prozent, in Länge, in Breite, in Höhe, oder auch in Färb- und Helligkeitsdefinierungen ausgewertet werden können. Aus der Pulswellenlaufzeit kann z.B. der Blutdruck berechnet werden. Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 10 umfassend eine Aufnahmeeinheit 1 1 zur Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines einzigen beschränkten Bereichs der Haut 30 eines menschlichen Körpers und eine Recheneinheit 12 zur Auswertung der Bilddaten umfassend eine Bestimmung einer Pulswellenlaufzeit und zur Bestimmung von Vitalparametern des menschlichen Körpers aus den Bilddaten. Die Vorrichtung 10 weist weiterhin eine Speichereinheit 13 auf, welche Bilddaten für eine spätere Auswertung speichern kann. Des Weiteren ist eine Beleuchtungseinheit 14 zur Belichtung des Bereichs der Haut 30 vorgesehen. Licht 34 der Beleuchtungseinheit 14 kann dabei insbesondere einen bestimmten Spektralbereich aufweisen. Die Vorrichtung weist in der dargestellten Ausführungsform ebenfalls ein Mikrofon 15 zur Aufnahme von Tondaten auf. Der Bereich der Haut 30 ist weiter mit einem Beschleunigungsseonsor 16 zur Aufnahme von Bewegungsdaten versehen.
Weitere Anwendungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden in anderen Worten genauer erläutert. Für behördliche und hoheitliche Aufgaben, können die Daten auch maßgeblichen Nachweis bei der Erkennung von Straftaten geben. Auch eine effizientere Hilfe und Erkennung bei Rettungseinsätzen von Verletzten ist möglich. Überwachungskameras mit hoher Auflösung erkennen und authentifizieren Personen.
Bewegungs- und Vitaldaten geben auch Aufschluss über den Energieverbrauch der Person in Echtzeit. Die Berechnung des Energieverbrauchs der Person, in einer zeitlich überschaubaren Handlung, unter Zuhilfenahme von Situationen in Vergangenheit und Gegenwart sowie den Umfelddaten, werden zur Verfügung gestellt.
Um die ganzheitlichen Daten von Nutzern, wie bspw. die Patientenakte, oder die Daten aus den medizinischen Einrichtungen, dem medizinischen Alltag und auf kleinstem Bildschirm nutzbar darzustellen, ist ein Suchmodus (z.B. in einem visualisierten Fraktal) im gesamten medizinischen Bereich zweckmäßig.
Weiterhin kann eine Bewertung eines persönlichen Energiehaushaltes, sowie deren Kalkulation auf eine kommende und mögliche Leistungsabforderung, durchgeführt werden. Für eine Grenzwertsicherung im Sport mit Patienten mit definierten Indikationen, ist die Blutdruck und die Pulsmessung, Atmung und Sauerstoffsättigung, mit Hilfe der Pulswellenlaufzeitmessung und des RR- Intervalls, insbesondere auch im Outdoorbereich, eine Verbesserung. Die Messung erfolgt beispielsweise mit einem Smartphone oder einer externen Kamera. Bei auffallenden Schwierigkeiten und spezieller Voreinstellung des Systems kann das Smartphone automatisch Hilfe anfordern oder kann direkt Vorschläge zur Trainingsteuerung anbieten.
Auch ist die Datenaufzeichnung im Wasser, aufgrund von Baugröße und geringem Energieaufwand möglich. Die benötigten Komponenten wasserdicht auf der Haut zu platzieren und den Blutdruck und Puls mittels Pulswellenlaufzeit im Wasser durchzuführen, ist nicht nur aus Sicht der therapeutischen- und sporttherapeutischen Arbeit sinnvoll. Die berührungsfreie Messung schafft auch in der Bewegung des Anwenders die Messung der Vitaldaten im Wasser, mittels Video und oder Einzelbildauswertung. In der Freizeitbranche, wie zum Beispiel bei Online-Spielen, oder auch bei Spielekonsolen, führen kontinuierliche Vitaldaten zu realeren Spielen. Eine Bewertung des Leistungsstandes des Nutzers wird durch die Auswertung der Vitaldaten aus der Bildanalyse, durch die Pulswellenvariabilität, sichtbar. Die Pulswellenvariabilität nimmt im Alter ab. Gleichzeitig sinkt, bzw. stagniert die Pulswellenvariabilität auch bei starker physischer oder psychischer Belastung des Organismus. Dieser Punkt sollte auch mit dem Übergang zur anaeroben Schwelle korrelieren. Zur Trainingssteuerung wird heute häufig die individuelle anaerobe Schwelle (IAS) als Grundlage für die Festlegung von Trainingsbereichen verwendet. Eine Schwellenbestimmung über die Herzfrequenzvariabilität wird durch die Erfindung auf einfache Weise möglich.
Die Leistungsfähigkeit im anaeroben Bereich unterliegt einem komplexen Steuerungsprozess in der ganzheitlichen Betrachtung des Menschen. Sie ist jedoch auch ein Zeichen für die Erschöpfung und lässt sich in eingelagerten Laktat nachweisen. Die von Berbalk und Neumann beschrieben Schwelle der Herzfrequenzvariabilität liegt bei ca. 2,4mmol Laktat und 10% unter der Leistung an der IAS.
Durch eine Steuerung von Systemen mittels der persönlichen Vitaldaten, wie Blutdruck und Puls, ist es möglich, Freizeitgeräte, wie zum Beispiel e- Bikes, nicht nur mit einem intelligenten Energiemanagement auszurüsten. Die Zuschaltung des Motors, oder Aktors, erfolgt über Blutdruck- und/oder Pulswerte. Über die Eingabe von beispielsweise 60 Watt eigener Dauerleistung wird je nach Bedarf, wie Gegenwind oder erhöhte Steigung des Geländes, die Motorleistung an die fehlende Eigenleistung des Nutzers durch Zuschaltung des Motors angepasst. Der Fehlbedarf an Energie wird ausgeglichen. Der Nutzer des Fahrrades senkt somit seine Leistungsspitzen. Sein Erschöpfungsgrad wird durch die kontinuierliche Abgabe begrenzt und sein eigener Aktionsradius wird mit dem e- Bike größer. Ein gleiches Ergebnis wird durch rechtzeitiges Schalten bei der Nutzung eines Fahrrades erzielt. Realitätsnahe Bewegungsspiele, oder auch Onlinetraining mit mehreren Personen, an unterschiedlichen Orten, werden mit eigenen Vitaldaten für Wettbewerbsspiele und sportliche Aktivitäten genutzt. Eine Steuerung auf Basis der Bestimmung der Vitalparameter ist denkbar, beispielsweise durch Erkennung einer schnelleren Atmung. Dies umfasst beispielsweise
Steuerung von Notsignalen für Personen und motorbetriebene Fahrzeuge zu Land, Wasser und Luft;
Steuerung von Leistungsmerkmalen an motorbetrieben Fahrzeugen zu Land, Wasser und Luft;
Steuerung der Luftkonditionierung in gekapselten Geräten, Bauten und Objekten, in denen sich Personen aufhalten, wie im Schiffsbau beispielsweise in U-Booten, Spezialbauten, wie Druckbehälter, sowie auch in der Flugzeug- und Raumfahrttechnik,
Steuerung von Haushaltsgeräten und Energiemanagement auch im Heimbereich, so kann zum Beispiel eine Kaffeemaschine nach dem Aufwachen oder Aufstehen des Nutzers sich anschalten. - Steuerung der Heizung, Lüftungen oder der elektronischen Anlagen im Haus richten sich nach den Vitaldaten und den vorab eingestellten Abläufen.
Steuerung von Schusswaffen, bspw. zum Verhindern des Auslösens des Projektils aufgrund der Pulswelle bzw. auf die auflaufende Pulswelle. Dies ist zum Beispiel bei Biathleten anzuwenden, welche zwischen den Pulswellen innerhalb von 200 - 300 ms schießen.
Bezuaszeichenliste
Vorrichtung
Aufnahmeeinheit
Recheneinheit
Speichereinheit
Beleuchtungseinheit
Mikrofon
Beschleunigungssensor
Einzelbild
Kachel
Haut
Licht
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung von Vitalparametern eines menschlichen Körpers mittels einer Vorrichtung (10), insbesondere eines Smartgerätes, mit zumindest einer optischen Aufnahmeeinheit (1 1 ) und einer Recheneinheit (12), umfassend folgende Schritte:
Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines beschränkten Bereichs der Haut (30) des menschlichen Körpers mittels der optischen Aufnahmeeinheit (1 1 );
Auswertung der Bilddaten, umfassend eine Bestimmung einer Pulswellenlaufzeit; und
Bestimmung von einem oder mehreren Vitalparametern des menschlichen Körpers aus den Bilddaten mittels der Recheneinheit (12).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Pulswellenlaufzeit in den folgenden Schritten bestimmt wird:
Unterteilen des in den einzelnen Bilddaten (20) wiedergegebenen Bereichs der Haut (30) in Kacheln (21 );
Bestimmen einer Farbe, einer Helligkeit und/oder eines Volumens in jeder der Kacheln (21 ) der einzelnen Bilddaten (20); Vergleichen der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens der Kacheln (21 ) in den aufeinanderfolgenden Bilddaten (20) der Abfolge;
Bestimmen eines Änderungsprofils der Farbe, Helligkeit und/oder des Volumens einer jeden Kachel (21 ) gemäss der Abfolge von
Bilddaten (20), wobei das Änderungsprofil eine durch den Bereich der Haut (30) durchlaufende Pulswelle wiedergibt; und
Berechnen der Pulswellenlaufzeit aus dem Änderungsprofil.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein biometrisches Merkmal in den Bilddaten (20) erkannt wird, wobei die Positionen der Kacheln (21 ) in Relation zu dem wenigstens einen biometrischen Merkmal in der Abfolge von Bilddaten gleich sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Stereo- Bilddaten mittels der Aufnahmeeinheit (1 1 ) aufgenommen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur Aufnahme der Abfolge der einzelnen Bilddaten (20) der Bereich der Haut (30) mittels einer Beleuchtungseinheit (14), insbesondere in einem bestimmten Spektralbereich, belichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mittels der Aufnahmeeinheit (1 1 ) die Abfolge der einzelnen Bilddaten (20) beabstandet von dem Bereich der Haut (30) aufgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mittels der Aufnahmeeinheit (1 1 ) die Abfolge der einzelnen Bilddaten (20) in direktem Kontakt mit dem Bereich der Haut (30) aufgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mittels der
Aufnahmeeinheit (1 1 ) die Abfolge der einzelnen Bilddaten (20) über ein Druckmittelmedium (17) in Kontakt mit dem Bereich der Haut aufgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Bewegungsdaten des menschlichen Körpers mittels zumindest eines Beschleunigungssensors (16) aufgenommen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Tondaten mittels eines Mikrofons (15) aufgenommen und der Abfolge der einzelnen Bilddaten (20) zugeordnet werden.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die aufgenommenen Bilddaten, Beschleunigungsdaten und Tondaten mit einem
Zeitstempel versehen und auf einer Speichereinheit (13) der Vorrichtung für eine Langzeitauswertung zusammen mit dem Zeitstempel gespeichert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei die Bestimmung von Vitalparametern die Bestimmung von Blutdruck und/oder Puls des menschlichen Körpers umfasst.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Bestimmung von Vitalparametern die Bestimmung einer Sauerstoffsättigung des Bluts des menschlichen Körpers umfasst.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Bestimmung von Vitalparametern die Bestimmung einer Pulswellenvariabilität umfasst.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Bestimmung von Vitalparametern die Bestimmung eines Blutzuckerwertes umfasst.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die
Bestimmung von Vitalparametern die Bestimmung einer Atemfrequenz umfasst.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei sich der beschränkte Bereich der Haut (30) zur Aufnahme der Bilddaten im Bereich des Gesichts, der Stirn, einer Hand, eines Fingers, einer Handfläche, eines Fussgelenks oder der Leiste des menschlichen Körpers befindet.
18. Vorrichtung (10), insbesondere Smartgerät, zur Bestimmung von Vitalparametern eines menschlichen Körpers umfassend zumindest: eine optische Aufnahmeeinheit (1 1 ), geeignet zur Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten (20) eines beschränkten Bereichs der Haut (30) des menschlichen Körpers; und eine Recheneinheit (12), eingerichtet zur Auswertung der Bilddaten umfassend eine Bestimmung einer Pulswellenlaufzeit und eingerichtet zur Bestimmung von einem oder mehreren Vitalparametern des menschlichen Körpers aus den Bilddaten.
19. Vorrichtung (10) nach Anspruch 18, wobei die Aufnahmeeinheit (1 1 ) als dreidimensionale Aufnahmeeinheit zur Aufnahme von Stereo-Bilddaten ausgebildet ist.
20. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Vorrichtung (10) eine Beleuchtungseinheit (14) zur Belichtung des Bereichs der Haut (30), insbesondere mit einem bestimmten Spektralbereich aufweist.
21 . Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18, 19 oder 20, wobei die Aufnahmeeinheit (1 1 ) ein Druckmittelmedium (17) zum Kontaktieren des Bereichs der Haut (30) aufweist.
22. Vorrichtung (10) nach Anspruch 21 , wobei das Druckmittelmedium (17) transparent ausgebildet ist.
23. Vorrichtung (10) nach Anspruch 21 , wobei das Druckmittelmedium (17) ringförmig mit einer zentralen Öffnung ausgebildet ist.
24. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei ein Mikrofon (15) zur Aufnahme von Tondaten vorgesehen ist.
25. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei ein Bewegungssensor (16) zur Aufnahme von Bewegungsdaten vorgesehen ist.
26. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei eine
Speichereinheit (13) zur Speicherung der Bilddaten, Tondaten, und/oder Bewegungsdaten vorgesehen ist.
27. Verfahren zur Authentifizierung einer Person mittels einer Vorrichtung (10), insbesondere eines Smartgerätes, umfassend zumindest eine optische Aufnahmeeinheit (1 1 ), eine Recheneinheit (12) und eine Speichereinheit (13) umfassend folgende Schritte:
Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines Bereichs der Haut (30) des menschlichen Körpers, insbesondere eines Gesichts, mittels der optischen Aufnahmeeinheit (1 1 ); - Auswerten der Bilddaten umfassend eine Erkennung einer
Pulswellenlaufzeit mittels der Recheneinheit (12);
Vergleichen der Bilddaten mit auf der Speichereinheit (13) gespeicherten Profilen; und
Ausgeben einer Authentifizierung bei übereinstimmenden Bilddaten mit einem gespeicherten Profil.
28. Verfahren zur Erkennung einer Reaktion einer Person mittels einer Vorrichtung, insbesondere eines Smartgerätes, umfassend zumindest eine optische Aufnahmeeinheit (1 1 ), eine Recheneinheit (12) und eine Speichereinheit (13) umfassend folgende Schritte: Aufnahme einer Abfolge von einzelnen Bilddaten eines Bereichs der Haut (30) des menschlichen Körpers, insbesondere eines Gesichts, mittels der optischen Aufnahmeeinheit (1 1 );
Auswerten der Bilddaten umfassend eine Erkennung einer Pulswellenlaufzeit mittels der Recheneinheit (12);
Vergleichen der Bilddaten mit auf der Speichereinheit (13) gespeicherten Reaktionsmustern; und
Ausgeben einer Reaktion bei übereinstimmenden Bilddaten mit einem gespeicherten Reaktionsmuster.
- Zusammenfassung -
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