WO2023194499A1 - Method and device for measuring a process in an object - Google Patents

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WO2023194499A1
WO2023194499A1 PCT/EP2023/059051 EP2023059051W WO2023194499A1 WO 2023194499 A1 WO2023194499 A1 WO 2023194499A1 EP 2023059051 W EP2023059051 W EP 2023059051W WO 2023194499 A1 WO2023194499 A1 WO 2023194499A1
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WO
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data
time
generated
alternating
equal
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/059051
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jan Ringkamp
Jens Langejürgen
Philipp RADLER
Philipp LEBHARDT
Moritz BEDNORZ
Julia Chen
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/0816Measuring devices for examining respiratory frequency
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/091Measuring volume of inspired or expired gases, e.g. to determine lung capacity
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    • A61B5/7235Details of waveform analysis
    • A61B5/7264Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems
    • A61B5/7267Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems involving training the classification device

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring at least one process in an object.
  • An alternating field is irradiated into the object and received after it has passed through the object.
  • a statistical model is then used to generate at least one feature of the process and/or a time representation of the process depending on time.
  • Atelectasis Collapse of pulmonary alveoli due to ventilation pressures that are too low or insufficient ventilation volume
  • the collection of vital data such as heart and respiratory rate, respiratory volume, breathing depth, duration and time of inspiration or expiration is useful in a variety of applications.
  • vital data such as heart and respiratory rate, respiratory volume, breathing depth, duration and time of inspiration or expiration
  • the sensor system should be as fast, unobstructive and robust as possible against disruptive influences.
  • a technology that is suitable here is the chest monitor (WO 2019/243444 Al).
  • the obtained multidimensional and time-dependent data provide information about underlying dynamic changes in the test system. However, interpretation is prone to artifacts.
  • ECG electrocardiogram
  • a large number of established procedures combine an ECG with impedance cardiography (ICG) to additionally measure respiratory activity. These methods estimate the cardiac component and subtract it from the impedance signal to obtain the respiratory component from the resulting signal. Since the recording of the respiratory parameters is indirectly derived from the estimation of the cardiac component, this necessarily depends on the quality of the cardiac model. Furthermore, the breathing frequency is mainly determined here. A direct statement about tidal volume and spontaneous breathing is not possible.
  • ICG impedance cardiography
  • Another method for assessing respiratory activity is to measure chest and abdominal distension using respiratory inductive plethymography (RIP).
  • RIP respiratory inductive plethymography
  • two elastic bands are placed around the patient's thorax and abdomen. Coils are incorporated into the bands, which change their inductance when the bands are stretched. This method can have an uncomfortable and restrictive effect on the patient due to the elastic bands.
  • strain gauges Although there are no further advantages to the method.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for measuring a process in an object that is non-invasive, non-obstructive and scalable.
  • the object is achieved by the method for measuring at least one process in an object according to claim 1 and the device for measuring at least one process in an object according to claim 21.
  • the respective dependent claims specify advantageous developments of the method according to the invention and the device according to the invention.
  • a method for measuring at least one process in an object is specified.
  • the method can be applied to all types of objects, especially those into which an alternating electromagnetic field can penetrate.
  • the object can be a body of a living being, e.g. B. a body of a human or an animal.
  • an alternating electromagnetic field is irradiated into the object.
  • the alternating field is received after it passes through the object.
  • the fact that the alternating field has passed through the object preferably means that it entered the object after being irradiated and exited the object before being received.
  • the alternating field has entered the object at least 1 cm, particularly preferably at least 5 cm, particularly preferably at least 10 cm, particularly preferably at least 20 cm.
  • the alternating field is modulated by the process in the object that is to be measured. This can mean in particular that the process in the object leads to a phase shift, frequency shift and/or amplitude change of the received alternating field compared to the irradiated alternating field.
  • Modulation here can advantageously be understood as a process in which useful data is applied to a carrier signal, here the radiated alternating field. Changes in the object that form the process to be measured can be viewed as useful data. In this understanding, these changes are modulated onto the irradiated alternating field as a carrier.
  • the minimum penetration depth of the alternating field into the object can be dimensioned such that the received alternating field at the given penetration depth still experiences a modulation that exceeds the measurement accuracy of the method.
  • the alternating field should therefore preferably only be viewed as reaching the minimum penetration depth mentioned, i.e. as having penetrated into the object, if the modulation at this penetration depth still leads to a distinguishable difference in the measurement of the at least one process.
  • the received alternating field is demodulated in a step called a demodulation step to generate multi-dimensional demodulation data.
  • a demodulation step to generate multi-dimensional demodulation data.
  • several receiving structures can receive the same or different alternating fields.
  • Multidimensional demodulation data can then be demodulated from the received alternating fields of each reception structure in a separate demodulation step and fed together into a statistical model.
  • asymmetries of the object can be particularly advantageously incorporated into the model (e.g. right and left lung).
  • Demodulation can then be understood to mean that the useful data is separated from the carrier signal.
  • the received alternating field can be separated into the irradiated alternating field on the one hand and the changes caused by the process to be measured on the other.
  • the changes in the process can then be viewed as multi-dimensional demodulation data.
  • the fact that the demodulation data is multidimensional can mean that it has at least two independent components, particularly advantageously at least two linearly independent components.
  • the multidimensional demodulation data and/or data derived from these multidimensional demodulation data are fed to a statistical model.
  • the statistical model then generates, in a step referred to as a generation step, at least one feature of the process and/or a temporal representation of the process from the supplied multidimensional demodulation data and/or from the data derived therefrom in a time-dependent manner.
  • time-dependent generation can mean in particular that it occurs at least at two different points in time.
  • time-dependent generation advantageously means regular generation, in particular quasi-continuous generation or, where possible, advantageously also continuous generation.
  • Continuous generation should be viewed as continuous in the sense in which this term is usually understood in the area of digital data processing, i.e. discretized in time, for example with a clock frequency. With analog processing, the term can be understood continuously but also in an analog sense. The data can have a continuous or quasi-continuous course.
  • a temporal representation of the process can be generated.
  • This representation can therefore, for example, contain at least an electrocardiogram, at least one impedance cardiogram, at least one ballistocardiogram, at least one seismocardiogram, the movement and/or the expansion of the chest and/or the abdomen, at least a blood pressure curve over time, a respiratory volume curve, at least one respiratory pressure curve, at least one respiratory flow as a function of time, at least one course of oxygen saturation over time, temporal data obtained through imaging, and/or a plethysmogram.
  • Temporal processes that are obtained from the image data are, for example, ventilation of the left and/or right lung over time, which is determined from an ultrasound, electrical Roimpedance tomography or computer tomography.
  • one or more features of a process can also be determined, such as exceeding a threshold value and the like.
  • respiratory features For example, one or more of the following can be identified as respiratory features:
  • Tidal volume refers to the tidal volume that is inhaled into the lungs and exhaled again during normal inhalation and exhalation. Measuring tidal volume can provide information about the efficiency of breathing and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
  • Respiratory cycle The respiratory cycle measures the total time required for one breath, from the start of inhalation to the end of exhalation. Measurement of the respiratory cycle can be used to monitor respiratory rate and efficiency and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
  • Inspiration time describes the length of time during which a breath is inhaled. Measuring the inspiratory time can provide information about the respiratory rate and efficiency and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
  • Expiratory time describes the length of time during which a breath is exhaled. Measuring expiratory time can provide information about respiratory rate and efficiency and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
  • the ratio of inhalation to exhalation respiration refers to the ratio of the time during which a breath is inhaled to the time during which a breath is exhaled. Measuring the ratio of inhalation to exhalation can provide information about respiratory rate and efficiency and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
  • Peak inspiratory flow The peak inspiratory flow measures the maximum volume flow during inspiration and provides information about the performance of the airways. Peak inspiratory flow measurement can be used to monitor respiratory function and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
  • Peak expiratory flow The peak expiratory flow measures the maximum volume flow during exhalation and provides information about the performance of the airways. Peak expiratory flow measurement can be used to monitor respiratory function and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
  • Position type determination ECG parameters that measure the electrical activity of the heart in different directions to assess the heart rhythm and electrical activity of the heart.
  • ST segment changes ECG abnormalities that may indicate possible heart disease, particularly damage to the heart muscle.
  • T-wave changes Changes in the shape, amplitude, or direction of T waves on the ECG, which may indicate possible heart disease or electrolyte imbalances.
  • QT interval prolongation Prolongation of the time interval between the beginning of the QRS complex and the end of the T wave on the ECG, which may indicate possible cardiac arrhythmias.
  • P-wave change Changes in the shape or amplitude of the P-waves in the ECG, which may indicate possible atrial disease.
  • QRS complex change Changes in the shape or duration of the QRS complex on the ECG, which can indicate possible diseases of the heart muscle.
  • Bundle branch block Disturbance in electrical conduction in the heart, which can indicate possible heart disease.
  • Holter, exercise ECG ECG recordings over a longer period of time or during physical exertion to diagnose heart disease or monitor patients at risk.
  • Heart Rate Number of heart beats per minute, an important indicator of heart function.
  • Heart rate variability Fluctuations in heart rate that are an important indicator of possible heart disease.
  • Arrhythmias Abnormalities in the heart rhythm that can indicate possible heart disease.
  • Ejection fraction is a percentage that indicates how much blood is ejected from the left ventricle with each heartbeat. Decreased EF may indicate heart failure or other cardiac problems.
  • the temporal representation of the process can also be referred to as a simulation of the process. It is not absolutely necessary that the timing is output as a diagram. It may also be sufficient if it is identified and/or stored in such a way that it is suitable for the intended use.
  • the electromagnetic see alternating field that is irradiated into the object contains at least two components of different frequencies.
  • sine oscillations with the corresponding frequencies could be viewed as components.
  • the advantage here is that different frequencies have different sensitivities to disturbance variables.
  • the alternating fields of different frequencies can in turn be demodulated and the data derived from them can be fed into the statistical model.
  • the demodulation data can advantageously be processed separately for the different frequencies.
  • the use of several different frequencies enables the suppression of disturbances by increasing the dimensionality and through different proportionality to the disturbance, and advantageously also improves the signal quality, robustness and reproducibility.
  • the received alternating field can be demodulated in the demodulation step in an in-phase & quadrature method for generating I data and Q data as the multidimensional demodulation data.
  • the I and Q data can all be demodulation data or further demodulation data can be generated in the demodulation step.
  • the I data and the Q data, as well as any other demodulation data can be fed to the statistical model.
  • data derived from the I data and the Q data and optionally, if necessary, further demodulation data can also be fed to the statistical model.
  • the statistical model can advantageously be viewed as a unit that has at least one input and at least one output. Data that is fed to the statistical model can therefore be entered into at least one input of this unit.
  • the statistical model can use this to generate at least one feature of the process or the representation of the process and output this via its at least one output.
  • data derived from the multidimensional demodulation data and/or the I data and/or the Q data can be one or more selected from a group that contains the following data: A derivative from Q to I, a Derivation from I to Q, a derivative of I with time, a derivative of Q with respect to time, an amplitude of the received alternating field, a phase of the received alternating field, an amplitude from the derivative of Q with respect to time and the derivative of I with respect to time, a phase from the derivative of Q to time and the derivative of I with respect to time, derivatives of the amplitude with respect to time, derivatives of the phases with respect to present, a phasor of the derivative of Q with respect to I, second or higher derivatives of the derived data with respect to time and/or to another derived size and/or Q data and/or I data, binarizations of the derived data, binarizations of Q data, binarizations of the I data, moving averages of the generated data, moving averages of the Q
  • a derivative from Q to I can help determine the phase shift between I and Q signals.
  • a time derivative of I can help identify changes in the amplitude of the signal over time. It correlates directly with flow.
  • a time derivative of Q can help identify changes in the phase of the signal over time.
  • the value correlates directly with the flow.
  • An amplitude of the received alternating field can be a direct measurement of the strength of the received signal.
  • a phase of the received alternating field can help to determine the time shift of the received signal compared to a reference signal.
  • An amplitude from the derivative of Q with respect to time and the derivative of I by time can help determine the rate of change of the signal over time. It correlates directly with flow.
  • a phase from the derivative of Q with respect to time and the derivative of I with respect to time can help determine the rate of change of the signal's phase over time.
  • Derivative of amplitude versus time can help identify changes in the amplitude of the signal over time. It correlates directly with flow.
  • Derivatives of phases with respect to time can help identify changes in the phase of the signal over time. They correlate directly with flow.
  • a phasor of the derivative from Q to I can provide an alternative representation of the signal as a vector in phase space.
  • Second or higher derivatives of the derived data in time and/or to another derived quantity and/or Q data and/or I data may help to capture higher orders of changes in the signal.
  • Binarizations of the derived data can help translate the signal into simpler, binary formats. This leads to a reduction in complexity.
  • Binarizations of Q data can help translate the signal into simpler, binary formats. This leads to a reduction in complexity.
  • Binarizations of the I data can help translate the signal into simpler, binary formats. This leads to a reduction in complexity.
  • Moving averages of the generated data, moving averages of the Q data, and/or moving averages of the I data can help smooth the signal and reduce noise.
  • Q data filtered by frequency filters, I data filtered by frequency filters and/or generated data filtered through frequency filters can help reduce unwanted frequency components in the signal.
  • Derived data from past time points, Q data from past time points, and/or I data from past time points can help track and predict changes in the signal over time.
  • At least one input feature can be extracted from the demodulation data and/or from data derived therefrom, which is fed to the statistical model.
  • the at least one input feature can advantageously be a linear combination and/or a non-linear combination of the multi-dimensional demodulation data and/or the data derived therefrom.
  • Such input features can also themselves be viewed as data derived from the demodulation data.
  • the statistical model can contain or be one or more selected from the following group: an artificial neural network, an artificial neural feed-forward network, an artificial neural recurrent network, an artificial convolutional network or a combination of the aforementioned artificial neural networks, a decision tree, a decision forest, a naive Bayes model, a nearest neighbor model, a support vector machine, a linear regression model, a non-linear regression model, an adaptive filter, a Kalman filter, a gamma filter , a Markov model, a model from a linear discriminant analysis, a model from a non-linear discriminant analysis, a model from an independent component analysis, a model from a principal component analysis and/or an ensemble -Model from one or more of the aforementioned models.
  • an artificial neural network an artificial neural feed-forward network, an artificial neural recurrent network, an artificial convolutional network or a combination of the aforementioned artificial neural networks
  • a decision tree a decision forest, a naive Bayes model,
  • Artificial neural network Can create complex non-linear relationships model the data and thus provide high prediction accuracy for time series-based forecasts.
  • Artificial feed-forward neural network A neural network in which signals only flow in one direction, without feedback. Good for creating simple non-linear relationships such as forecasting simple time series.
  • Artificial neural recurrent network A neural network in which the output of the network also serves as an input for later points in time to draw on past states and is therefore suitable for time series prediction.
  • Artificial convolutional network A model designed to process signals by extracting local features and merging them. This means that feature extraction is implicit and is therefore well suited for complex time series.
  • Decision Tree Allows you to identify important variables and interaction patterns in the data, which is particularly useful when the relationship between the variables is non-linear.
  • Decision Forest Similar to a decision tree, but using multiple decision trees, ensemble methods can be used to achieve better prediction accuracy.
  • Naive Bayes Model Is particularly good for problems with a large number of variables because it makes a simple assumption about the independence of the variables.
  • Support Vector Machine Can also be useful in cases with high-dimensional data, especially if the data is nonlinear.
  • Linear regression model Particularly suitable for problems with linear dependence between variables and can be trained quickly.
  • Non-linear regression model Can also be useful in cases with non-linear dependence between variables to capture complex patterns and relationships
  • Adaptive filter A model capable of adapting to changing environmental conditions and used for signal processing and prediction.
  • Kalman filter A stochastic model used to estimate states of a dynamical system and suitable for time series prediction.
  • Gamma filter Can reduce noise in the data while providing an effective trade-off between prediction accuracy and response time.
  • Markov model A model based on the assumption that the future state depends only on the present state and is suitable for time series prediction.
  • a model from a linear discriminant analysis Can be useful for improving the prediction of categories in time series-based data.
  • a model from a non-linear discriminant analysis This can provide higher predictive accuracy than linear discriminant analysis models and is particularly useful when the relationships between the variables are non-linear.
  • An independent component analysis model Can help identify hidden variables and patterns in the data by transforming the variables to make them statistically independent.
  • a model from a principal components analysis Can help reduce complex relationships between variables in the data and identify key trends or patterns in the data, which can be particularly beneficial when modeling time series.
  • PCA can also help reduce the amount of noise in the data and thus improve the accuracy of predictions.
  • NN neural networks
  • Some of these approaches can also be used in combination and/or consecutively.
  • an encoder-decoder network can be built to be Bayesian and promoted.
  • Bayesian Neural Networks An NN based on Bayesian probability to quantify and reduce the uncertainty in the predictions by using a distribution of weights rather than a single weight number. It is a good choice for time series modeling when uncertainty needs to be taken into account in predictions. It is therefore very suitable in a medical context.
  • Promoted Trained Neural Networks A group of NNs trained decentrally on multiple devices to address privacy and security concerns when using sensitive data. Suitable for processing large amounts of data collected in distributed environments. Good for later use when there are several decentralized chest monitors that record all the data and train an NN. A good step towards generalization.
  • Encoder-decoder networks A type of NNs that encode and decode input data to perform a specific task such as prediction or translation. They are suitable for time series modeling because they are able to capture complex patterns in the data and generate predictions based on these patterns.
  • Attention-Based Networks An NN that optimizes the weight of the input variables through an attention function to provide important information identify and focus while suppressing irrelevant information. They are suitable for processing long time series with many variables as it can draw selective attention to certain variables or patterns.
  • Generative Models (Adversarial Networks (GANs) and Variational Autoencoder (VAE)): NNs capable of generating new data following the statistics of the input data. They are suitable for generating simulated time series that correspond to the properties of real time series. Good for data augmentation and therefore a step towards generalization. The data generated can then be added back to another NN.
  • GANs Advanced Networks
  • VAE Variational Autoencoder
  • Reinforcement Learning Networks An NN that interacts with an environment and through trial and error learns how to perform a task by receiving positive and negative rewards. Suitable for processing time-dependent data as it is able to make decisions based on history and current state.
  • LSTMs (Special form of RNNs): An RNN with a special architecture capable of capturing and storing long dependencies in the data. Suitable for time series modeling because it is able to effectively store and process past states.
  • an LSTM can also occur multiple times in combination in the encoder-decoder architecture.
  • An LSTM can also optionally follow a CNN (e.g. for feature extraction) consecutively.
  • Deep Belief Networks A type of NN that has multiple layers of connected neurons used for feature extraction and output data prediction. Suitable for time series modeling as it is able to capture and exploit complex dependencies between the data.
  • RNN Type A special type of RNNs that have a random, fixed connection between neurons in the internal layer. They are suitable for time series modeling because it is able to effectively store and process past states, which is useful for forecasting future conditions is crucial.
  • RNN Type A special type of RNNs that allows controlling the forgetting of information from previous points in time by using a gating mechanism in the architecture. They are suitable for time series modeling because it is able to retain important information from the past while shedding irrelevant information.
  • Transformer Networks An architecture based on the use of multi-head attention mechanisms to model relationships between different parts of the input variables. Are suitable for processing long time series because it is able to focus selective attention on important parts of the input variables and suppress irrelevant information.
  • ARIMA Autoregressive Integrated Moving Average
  • SARIMA Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average
  • Exponential Smoothing A statistical model based on the estimation of trends and seasonal effects, capable of modeling both short-term and long-term trends in a time series. This is suitable for predicting short- and long-term trends in time series.
  • VAR Vector autoregression
  • VAR A statistical model that can model multiple variables in a time series by taking into account the dependencies between the variables. Suitable for modeling time series with multiple variables and predicting relationships between variables. In this case the dependency is Q/l ⁇
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the at least one feature of the process and/or the temporal representation of the process is generated in real time.
  • “Real time” is understood in particular to mean that the time required for processing in the generation step and advantageously also in the demodulation step is shorter than a predetermined threshold.
  • the threshold is chosen to be suitable for the given application. In particular, it can be chosen so that it is smaller than the smallest time scale of the application in question.
  • rapid generation or processing in the generation step can be achieved by the following measures, which can be advantageous for real-time evaluation, but also for other purposes:
  • a statistical model for example a deep neural network, with an inference latency of less or equal to 200ms, preferably less or equal to 150ms, preferably less or equal to 100ms, preferably less or equal to 50ms, preferably less or equal to 30ms, preferably less or equal to 20ms, preferably less or equal to 10ms, preferably less or equal to 5ms, preferably less or equal to 1ms can be used.
  • 0ms can be considered the lower limit, since a minimum inference latency is usually not required.
  • a deep neural network with a depth of less than or equal to 150, preferably less or equal to 50 layers, preferably less or equal to 20 layers, preferably less or equal to 10 layers, preferably less or equal to 3 layers can advantageously be used.
  • the network should have sufficient complexity to be able to effect the relevant generation with sufficient precision.
  • the model has preferential wise two or more layers. In general, for fast or real-time processing, the latency of the inference is the more important parameter for characterizing the network.
  • Quantization The accuracy of weights and activations in the network can be reduced, which can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
  • Pruning can be used in an advantageous embodiment. In doing so, unimportant connections or neurons can be removed from the network, thereby reducing the size of the network, which can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
  • knowledge distillation transfer learning
  • a smaller network can be trained to imitate the behavior of a larger, more complex network. This can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
  • compression algorithms can be used.
  • Huffman coding can be used advantageously. This is a lossless compression technique that encodes commonly used characters, in this case weights of neurons, into a data set with shorter bit strings to reduce the overall size of the network, which can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy can stay.
  • Lempel-Ziv compression can be used. This is a lossless compression technique that detects redundant data in a data set, in this case weights of neurons, and replaced with references to previously occurring data to reduce the overall size of the network, which can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
  • Learning-based compression can also be used advantageously.
  • This is a data compression method that uses reinforcement learning to generate a compression policy that determines which parts of the model can be reduced. This can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
  • NAS Neurological Architecture Search
  • NAS directly searches for an optimal architecture that meets the user's needs, in this case the inference latency and accuracy.
  • the generation step can also be accelerated by parallelizing the model. It is possible, among other things, to run the calculations on multiple processors or GPUs in order to increase the prediction speed.
  • the inference can run in parallel with several smaller models with lower latency and subsequent majority decision or averaging of the inferences.
  • sampling rate and/or the dimension of the values of the device according to the invention or the method according to the invention could be adaptively changed in order to adaptively change the complexity of the input data. this and thereby adapt the inference latency of the statistical model depending on the situation.
  • a device according to the invention also called a “torax monitor”
  • two devices can generate 4 signals
  • 3 devices can generate 6 signals.
  • the alternating electromagnetic field can be irradiated into the object via at least one transmission structure by generating an alternating voltage by a signal generator, which is applied to the at least one transmission structure.
  • the alternating field can be received by at least one receiving structure after it has passed through the object.
  • the alternating voltage and/or the radiated alternating field has a frequency of greater than or equal to 10 MHz, preferably greater than or equal to 30 MHz, preferably greater than or equal to 100 MHz and/or less than or equal to 1,000 MHz, preferably less than or equal to 500 MHz, preferably smaller or equal to 300 MHz.
  • the at least one transmitting structure and the at least one receiving structure are arranged on the same side of the object.
  • the transmitting structure and the receiving structure can be arranged in a backrest, at least one siderest and/or at least one armrest of a seat or in a lying surface. In this way, a measurement is possible, for example, when a person is sitting on a seat or lying on a lounger.
  • the at least one transmitting structure and the at least one receiving structure can be arranged in textiles that are worn on the body and/or close to the body.
  • This could be, for example, jackets or blankets.
  • the object can be a human body.
  • the at least one transmission structure can be used For example, be arranged in the immediate vicinity and/or on a thorax and/or an abdomen of the body.
  • the at least one receiving structure can also be arranged in the immediate vicinity and/or on the thorax and/or the abdomen.
  • the arrangement on the corresponding body part should preferably be considered a constellation in which the transmitting structure or the receiving structure is arranged in sufficient proximity to the corresponding body part so that the measurement is possible with the desired accuracy.
  • devices can also be provided which hold the transmitting structure or the receiving structure on the corresponding part of the body.
  • the transmitting structure or the receiving structure can also be arranged in a stationary manner and the person can move their body into a corresponding position near the transmitting structure or the receiving structure.
  • This embodiment should also optionally be viewed as an arrangement of the transmitting structure or the receiving structure on the corresponding part of the body.
  • the object to be measured is located in the near field of the at least one transmitting and/or receiving structure.
  • the near field can be understood here as the area around the transmitting and/or receiving structure in which the alternating electromagnetic field has not yet completely separated from the transmitting and/or receiving structure and is not yet radiated into the free space as a plane wave.
  • the alternating electromagnetic field is still coupled to the transmitting and/or receiving structure in the near field.
  • the IEEE definition of the near field can also optionally be used as a basis.
  • the outer limit is defined as the distance X/(2n) from the antenna surface, where X is the wavelength in free space (see IEEE Standard for Definitions of Terms for Antennas, IEEE Std 145-2013). Consequently, the distance between the transmitting and/or receiving structure and the object to be measured is advantageously less than or equal to X/(2n).
  • the at least one transmitting structure and/or the at least one receiving structure is arranged laterally, dorsally or ventrally to the abdomen and/or laterally, dorsally or ventrally to the thorax of the body.
  • the alternating electromagnetic field can be irradiated via at least two transmit-receive pairs are received.
  • Each of the send-receive pairs can contain a send structure and a receive structure.
  • the alternating field which is emitted by a transmitter of one of the transmit-receive pairs and received by the receiver of this pair, can be viewed as a single alternating field and which can be viewed by the transmitter and receiver of other transmit-receive pairs as separate alternating fields.
  • Each transmit-receive pair can therefore carry out the process of irradiation and reception with its own alternating field.
  • the at least one transmitting structure can radiate the alternating field into the object and the at least two receiving structures can receive the alternating field after it has passed through the object.
  • the at least two receiving structures can be arranged at a different position around the object or on the object.
  • the method can be carried out in such a way that it continuously monitors the process and continuously generates at least one feature of the process and/or a temporal representation of the process. Any regular repetition of the process should be considered continuous here, i.e. execution of the process at discrete times, at quasi-continuous times or continuously in the sense of digital data processing.
  • the characteristic determined in this way or the representation of the process determined in this way can be compared with previous values of the feature or previous representations of the process.
  • an event can be triggered if the last determined feature deviates from an earlier value of the feature by more than a predetermined threshold value and/or if a characteristic of the representation of the process deviates significantly from a previous embodiment of this characteristic of the process.
  • an alarm can be issued as an event.
  • Possible applications for such a procedure include, for example, those for monitoring vital functions in which a change can mean a critical condition.
  • the method is preferably carried out regularly and a value of the at least one process is regularly compared with at least one previous value of the feature. An alert event can then be triggered if the value of the feature deviates from the previous value of the feature by more than a predetermined threshold.
  • parameters of the statistical model and/or the statistical model can be adjusted based on a difference between the value of the generated feature and the corresponding previous value of the feature if the value of the generated feature is less than the threshold value from the previous value differs.
  • the model can adapt to the current state of the person, for example, so that, for example, a cue event is only triggered if the deviation between the last value of the feature and the corresponding previous values is greater than the threshold value.
  • the at least one feature of the process can be a trigger event and/or exceeding or falling below a predetermined threshold value. If the process is, for example, a respiratory volume curve or respiratory flow curve, and the method is intended to support the breathing process, for example, the trigger event can be viewed as, for example, exceeding a certain respiratory volume or respiratory flow when inhaling. This trigger event can then, for example, trigger an inhalation support process.
  • the at least one feature of the process and/or the temporal representation of the process can describe the process continuously, quasi-continuously or at a plurality of, preferably equidistant, times.
  • the at least one feature and/or the time representation can describe the process at regularly recurring points in time.
  • the statistical model is trained before the actual measurement of the process begins.
  • the training would therefore preferably take place before the alternating electromagnetic field is irradiated.
  • the statistical model can be trained in a training process in which an alternating electromagnetic training field is irradiated into at least one training object.
  • the training alternating field can share one or more properties with the alternating electromagnetic field that is later irradiated for measurement or, particularly preferably, can be identical.
  • the training object can advantageously be an object that shares one or more properties of interest with the object in which the process is to be measured.
  • the training object can be a living being of the same species as the object to be measured.
  • the training object can also be the object itself in which the process is to be measured. If the object is a living being, for example a human or an animal, an object can be used as the training object that is representative, for example, of a cohort into which the living being to be measured later falls.
  • Model fusion A method of merging multiple models into a single model to achieve better predictions. This makes sense because different models have different strengths and weaknesses, and combining these models can result in a more powerful model.
  • Transfer learning A method in which a pre-trained model is used as a starting point for training a new model to reduce the amount of training data required. This makes sense because it can reduce the effort required to train models and improve the accuracy of models.
  • Ensemble methods A method in which multiple models are grouped together and decisions are made by majority vote to achieve better predictions. This makes sense because combining multiple models can result in better prediction accuracy than any single model.
  • Knowledge Distillation A method in which a pre-trained model is used as a teacher model to train a smaller model as a student model. This can be useful because it can help a smaller model perform similarly to the larger model but require fewer computing resources.
  • the alternating electromagnetic training field is irradiated into at least one training object and the alternating training field is then received after it has passed through the at least one training object.
  • the received training alternating field can then be demodulated to produce multi-dimensional demodulation data.
  • the multidimensional demodulation data and/or training data derived from them can then be fed to the statistical model.
  • the statistical model can then be used to generate at least one training feature of the process in a time-dependent manner from the multidimensional demodulation data supplied and/or the training data derived therefrom.
  • the at least one training feature can then be compared, depending on time, with a measured feature of the process.
  • the measured feature can be generated, for example, by a direct measurement with a suitable measuring device or sensor.
  • the statistical model and/or parameters of the statistical model can then be adjusted based on a result of this comparison.
  • the adaptation can preferably be directed in such a way that the difference between the training feature and the measured characteristic is reduced.
  • Generative models are neural networks capable of generating new data that follow the statistics of the input data. These can be suitable for generating simulated time series that correspond to the properties of real time series. This is good for data augmentation and therefore a step towards generalization. The data generated can then be added back to another NN.
  • GANs Advanced Networks
  • VAE Variational Autoencoder
  • Data augmentation is a technique to increase the amount and variety of training data by creating artificial variations:
  • LSTM and GRU are special types of recurrent neural networks (RNNs) that are particularly suitable for modeling sequential data such as time series. You can recognize patterns in the data and generate new data accordingly.
  • RNNs recurrent neural networks
  • MCMC Markov Chain Monte Carlo
  • the time series is cyclically shifted along the time axis to create new variations in the data. This can help train the model for different phase shifts within the time series data.
  • Add noise o Random noise (e.g. Gaussian noise) can be added to the time series data to increase the robustness of the model to noise in the input data.
  • Gaussian noise e.g. Gaussian noise
  • Time Warping o This allows the speed at which the time series runs to be changed by stretching or compressing data points along the time axis.
  • Mirroring o Mirroring the time series along the time or amplitude axis to produce variations in the order or direction of the time series data.
  • Frequency domain manipulation o Transformations in the frequency domain, e.g. B. by using the Fourier transform.
  • the frequency spectrum can also be manipulated by boosting, weakening or shifting certain frequency bands. This can help train the model for different frequency characteristics.
  • Random Permutations There can be random permutations of time series sections be executed. This can help train the model for different orders of events within the time series.
  • the training object Regarding the alternating training field, the training object, the received alternating training field, the demodulation data and the training data derived therefrom, what has been said about the alternating electromagnetic field used for the measurement, object, demodulation data, derived data and features applies analogously.
  • the training process is carried out identically to the measurement process, since this achieves the best possible match between the result of the measurement and the values of the feature or process that would be generated by direct measurement with a suitable measuring device.
  • the training process can be carried out for a plurality of training objects that are representative of the object.
  • the training process can be carried out for a large number of living beings in a cohort, which also includes the living being in which the process is to be measured.
  • a large number of training objects makes the model more robust and a generalized statistical model can be created.
  • the method according to the invention is particularly suitable for controlling a ventilation process.
  • a breathing process can be measured as the process to be measured.
  • the onset of a spontaneous breathing process for example, can then be determined as the at least one feature of the process.
  • the ventilation process can then be controlled so that no ventilation takes place against spontaneous breathing.
  • a device for measuring at least one process in an object is also specified. What was said about the process applies analogously to the object.
  • the device has at least one transmission structure with which an alternating electromagnetic field can be irradiated into the object by generating an alternating voltage by a signal generator with which the at least one transmission structure is applied.
  • the alternating voltage can be sinusoidal or contain a superposition of several frequencies.
  • the device also has at least one receiving structure with which the alternating field can be received after it has passed through the object. What was said above regarding penetration depth applies analogously.
  • the device according to the invention also has a demodulation unit with which the received alternating field can be demodulated to generate multi-dimensional demodulation data.
  • the device has a modeling unit to which the demodulation data and/or data derived therefrom can be supplied, and with which at least one feature of a process and/or process is time-dependently determined by a statistical model from the multidimensional demodulation data supplied and/or the data derived therefrom. or a temporal representation or replica of the process can be generated.
  • the device can be used to carry out a method as described above.
  • the device can advantageously have an I/Q demodulator, into which, on the one hand, the alternating voltage is fed, with which the transmission structure is applied, and into which, on the other hand, a reception signal generated by the reception structure from the received alternating field can be introduced.
  • the I/Q demodulator can then be set up to carry out I/Q demodulation of the received signal.
  • the at least one transmitting structure and the at least one receiving structure can be arranged in a contact surface, preferably a backrest or a lying surface, next to one another and/or one below the other and/or diagonally to one another.
  • the transmitting structure and/or the receiving structure can be designed, for example, as flat coils.
  • the device according to the invention or a device for carrying out the method according to the invention can have one or more transmitting and/or receiving antennas as transmitting or receiving structures.
  • the number of I/Q signal pairs can then be determined from the number of Transmission signals emitted by one or more antennas (e.g. separated into several frequency bands or through different signal modulation) multiplied by the number of receiving antennas result.
  • the different transmission signals can be sent in the same way on all transmission antennas or, for example, each transmission antenna can send its own transmission signal that is different from the other transmission antennas. Any combinations of these are also possible.
  • the device can have N transmitting antennas and IVI receiving antennas, where N is a natural number greater than or equal to 1 and IVI is a natural number greater than or equal to 2, the N transmitting antennas being supplied with alternating voltages L of different frequencies, where L is a natural number greater or is equal to 1.
  • L can also be less than or equal to N. If L is equal to N, each transmitting antenna can be supplied with an alternating voltage of different frequency. If L is smaller than N, at least one of the transmitting antennas can be supplied with alternating voltages of several different frequencies.
  • no transmitting antenna is subjected to several of the alternating voltages of different frequencies, so each transmitting antenna is subjected to an alternating voltage of exactly one frequency.
  • each of the receiving antennas can be set up to receive exactly one of the L frequencies or to receive several of the L frequencies. If each receiving antenna is set up to receive exactly one frequency, the number IVI of the receiving antennas is preferably equal to the number L of different frequencies of the radiated alternating voltages. If one or more of the receiving antennas are set up to receive multiple frequencies, the number of receiving antennas can be smaller than L.
  • the number L of transmission signals of different transmission frequencies multiplied by the number IVI of reception antennas can result in the maximum number of I/Q signal pairs for the evaluation/algorithm. But there can also be fewer I/Q signals if, for example, not all receiving antennas are available all transmission frequencies are sensitive.
  • a very broadband receiving antenna can also optionally be used, which does not have a specific frequency selectivity.
  • Two transmitting antennas both of which are preferably supplied with the same transmitting signal, i.e. the same alternating voltage, and five receiving antennas. This results in five I/Q data pairs.
  • Two transmitting antennas preferably with different transmitting signals on, for example, different transmitting frequencies
  • three receiving antennas This results in six I/Q signal pairs.
  • the advantages of these multiple transmit/receive antennas lie in data redundancy if the signal quality is better or worse due to different positioning of the antennas for respective antenna pairs (the best transmit signal/receive signal combination can be selected by the algorithm).
  • the algorithm can use all or any combination of the I/Q signal pairs to more specifically calculate out interference effects (e.g. movement artifacts) or to separate the actual useful information (breathing) from the interference effects and thus filter them out.
  • the selection of the I/Q signal pairs used can also be preceded by a signal quality estimate upstream of the evaluation algorithm, on the basis of which the most suitable signal pairs are selected for further processing.
  • the at least one transmission structure and/or the at least one reception structure has or is a broadband antenna.
  • a bandwidth of the antenna can preferably be greater than or equal to one eighth of the carrier frequency, preferably greater than or equal to a quarter of the carrier frequency, preferably greater than or equal to half the carrier frequency and/or the bandwidth can be less than or equal to the carrier frequency.
  • the device according to the invention can have an adaptation device with which a transmission frequency band or a transmission frequency of the transmission structure and/or a reception frequency band or a reception frequency of the reception structure can be adapted.
  • Such an adaptation device can advantageously have or be at least one capacitance diode. In this way, the at least one transmission structure and/or at least one reception structure can be adapted so that it is best suited for the intended measurement.
  • the transmitting structure and/or the receiving structure can each be connected via a cable to the signal generator, the demodulation unit or another component of the device.
  • these cables can be forcibly balanced, for example by means of a termination resistor together with an impedance converter and/or by means of at least one current-compensated choke and/or at least one ferrite.
  • the at least one transmitting structure and/or the at least one receiving structure can be supplied with the alternating voltage at a first connection and can be supplied with an alternating voltage shifted by 180° compared to the alternating voltage at a second connection.
  • the device can preferably have at least one balun, which generates two alternating voltages from the first alternating voltage, which have a phase offset of 180° to one another.
  • the input alternating voltage can be that generated by the signal generator.
  • the measuring device has a plurality of transmission structures, i.e. two, three, four or more than four transmission structures and/or a plurality of reception structures, i.e. two, three, four or more than four reception structures having. This allows a more precise measurement result to be achieved.
  • the signal generator can advantageously be set up to superimpose a plurality of sinusoidal alternating voltages as the alternating voltage. to generate voltages that can advantageously also have time-varying frequencies.
  • the method and device presented here enable a timely derivation of dynamic states of the target system.
  • the data of a non-invasive, non-obstructive and scalable (simultaneous or serial use of several sensor sub-elements at a local distance) and surface and volume-sensitive measurement technology (alternating field penetrates at least partially into the target structure) based on the time-dependent complex folding at least two electromagnetic fields (sent and received) are processed at runtime, interpreted and converted, for example, into cardiothoracic vital data or other physidynamic data of a target structure.
  • the system can at least initially be trained to map the changes in the data of the measurement system resulting from the physiodynamic changes in the target structure or a generic model of the target structure with reference system data (e.g. cardiothoracic vital data).
  • reference system data e.g. cardiothoracic vital data
  • the invention can also be used for one or more of the following applications:
  • stress management for example to monitor stress levels in people, but also, for example, in mice.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for carrying out a method according to the invention
  • 5 shows an example of preprocessing of I and Q data
  • 6 shows an exemplary sequence of training a statistical model
  • FIG. 7 shows an exemplary configuration for obtaining data for training in FIG. 6,
  • FIG. 10 shows an example of using a neural network as a statistical model for estimating a respiratory flow
  • FIG. 13 shows an exemplary connection of a transmitting antenna with a tunable matching network
  • Fig. 15 shows a detailed example of a method according to the invention.
  • the device has a transmission structure 4 with which an alternating electromagnetic field can be irradiated into the object 5 by generating an alternating voltage by a signal generator 2, here a frequency generator 2, with which the transmission structure 4 is applied.
  • the device also has a receiving structure 6 with which the alternating field can be received after it has passed through the object 5.
  • the device according to the invention also has a demodulation unit 8, with which the received alternating field can be demodulated to generate multi-dimensional demodulation data.
  • the device has a control unit 1, which functions in particular as a modeling unit.
  • the demodulation data and/or data generated from these are supplied to this modeling unit 1.
  • this modeling unit 1 At least one feature of a process and/or a temporal representation of the process can then be generated in a time-dependent manner using a statistical model from the supplied multidimensional demodulation data and/or the data generated from them.
  • the device also has an optional transmission amplifier 3, to which the signal generated by the signal generator is supplied and which amplifies it and then outputs it to the transmission structure 4.
  • the device has an optional reception amplifier 7, into which the signal received by the reception structure is introduced and which amplifies it and supplies the amplified signal to the demodulation device 8.
  • the alternating voltage generated by the frequency generator 2 can also be fed to the demodulation unit 8, which can thereby carry out I/Q demodulation of the received signal.
  • the control unit 1 can take over the configuration of the entire system. For example, you can set the transmission frequency and transmission power.
  • the signal or frequency generator 2 can generate an alternating voltage with the configured frequency and optionally power. It also has two synchronous outputs. The first output is connected to the optional transmit amplifier 3 or connected directly to the transmit structure. The second output serves as a reference path for the I/Q demodulator 8, which acts as a receiver.
  • the alternating voltage present at the transmitting structure 4 is emitted by it as an electromagnetic wave or electromagnetic field.
  • the wave or field is transmitted through the object 5, for example a patient, and after transmission is converted back into an alternating voltage by the receiving structure 6.
  • the electromagnetic wave or the electromagnetic field modulated by processes inside the patient, such as cardio-respiratory activity.
  • the signal received by the reception structure 6 is forwarded to the optional reception amplifier 7 or directly to the I/Q demodulator 8. This can mix the received signal into the baseband with the help of the reference signal from the frequency generator 2.
  • the I/Q demodulator can generate a complex output signal with an in-phase channel (I for short) and a quadrature channel (Q for short). These signals correspond to the modulation of the real and imaginary parts of the wave transmitted through the object 5. I and Q are then digitized by a data sink 1, which is here part of the control unit 1.
  • transmitting structures 4 and receiving structures 6 it may also be possible to increase the number of transmitting structures 4 and receiving structures 6. This can be done symmetrically or asymmetrically. The same number of transmitting structures 4 as receiving structures 6 can be provided, or different numbers can be provided. The use of several receiving structures 6 per transmitting structure 4 can be advantageous. It can be particularly advantageous to attach the transmitting and receiving structures 4, 6 in a coplanar arrangement, e.g. B. be in a backrest or a mattress.
  • both the transmitting structures 4 and the receiving structures 6 can be attached very close to the body when used on people, the transmitting structures 4 and the receiving structures 6 can experience a detuning of their resonance frequency. In order to counteract this detuning and still achieve good transmission and reception performance, the following configurations of the transmission and reception structures can be advantageous:
  • a very broadband antenna or generally an antenna with a high level of robustness against detuning can advantageously be used.
  • a tunable matching network can advantageously be used in front of the actual transmission and reception structure.
  • a possible embodiment can use capacitance diodes.
  • Fig. 13 shows an example of such a tunable matching network for transmission.
  • the detuning of the transmitting or receiving structure can be compensated for using control voltages.
  • the quality of the compensation e.g. B. the size of the received signal can be used.
  • the circuit shown in Fig. 13 is a matching network. This allows the impedance of the antenna to be transformed to a different impedance on port TX.
  • the ideal case here is power matching in which the impedance of the circuit parts coming from TX is equal to the impedance of the matching network with antenna. This allows mismatches in the antenna to be compensated for, which can lead to power losses and reflections in the signal generator or IQ demodulator.
  • the matching network shown in Fig. 13 corresponds to an n-circuit. With this circuit topology, any antenna impedance can theoretically be mapped to any impedance on the TX.
  • the basic impedance adjustment is carried out by the inductance L_antenna and the two capacitances Cpl and Cp2.
  • the matching network consisting of L_antenna, Cpl and Cp2 is no longer correct. For this reason, additional capacitance diodes Dl, D2 and D3 are introduced.
  • the capacitance of the varactor diodes Dl and D2 can be increased and the effective parallel capacitances of the matching network can be increased or can also be increased by increasing the control voltages.
  • the capacitance of D3 can be varied using the control voltage Vtune3, thereby allowing the inductance of L_antenna to be varied for a specific working frequency.
  • the high-frequency part of the circuit is separated from the control voltages by the inductors L_dc; these should preferably be chosen to be significantly larger than L_antenna in order not to have a significant influence on the matching network.
  • the capacitances C_dc In order to prevent the control voltages from having an impact on other circuit parts, they are separated from them by the capacitances C_dc.
  • the capacitances C_dc must be chosen to be much larger than the capacitances Cpl and Cp2 in order not to have a significant effect. to have access to the matching network.
  • An adaptable matching network is advantageously used in both transmitting and receiving structures.
  • the detuning of the transmit/receive structure can lead to a mismatch between the transmit/receive gain or the frequency generator/IQ demodulator.
  • standing waves can arise due to the mismatch. This is especially the case when using cables. These standing waves can create artifacts, but also unwanted sensitive areas along the cable.
  • the matching network described above and/or the following embodiments may be advantageous.
  • Forced symmetrization can be carried out between the leading and returning conductors of the cable to at least one transmitting structure and/or to at least one receiving structure, e.g. B. via current-compensated chokes, by means of a termination resistor together with an impedance converter, by means of at least one current-compensated choke and/or by means of ferrites.
  • Fig. 14 matching resistors are shown together with impedance converters as a buffer circuit.
  • a termination resistor Rt2 or Rt4 to ground at the non-inverting inputs of the operational amplifiers Ul and U2. Since the inputs of the operational amplifiers usually have a much higher impedance than the termination resistors, only the termination resistor is relevant when considering the total impedance of the termination resistor and operational amplifier input. That's how he can Termination resistor must be chosen so that it corresponds exactly to the wave impedance of the previous circuit part in order to prevent mismatches caused by impedance jumps.
  • the termination resistor Rt2 in Fig. 14 has the same impedance as the coaxial cable in front of it with 50 ohm characteristic impedance.
  • the series resistors Rtl and Rt3 can also be used to adjust the output resistances of the operational amplifiers Ul and U2 so that they correspond to the wave impedance of the downstream circuit parts. Since the impedance of the operational amplifier outputs is significantly lower impedance than the resistors Rtl and Rt3, the total resistance from the operational amplifier output and series resistance is formed primarily by the series resistance.
  • the series resistor Rt3 in Fig. 14 has the same impedance as the subsequent coaxial cable with 50 ohm characteristic impedance.
  • the values of the termination resistors and the series resistors can differ from each other, for example to connect two circuit parts with different impedances without mismatch.
  • the at least one transmitting structure 4 and/or the at least one receiving structure 6 can be supplied with a first alternating voltage at a first connection and can be supplied with a second alternating voltage shifted by 180° compared to the first alternating voltage at a second connection become.
  • a balun it can generate two alternating voltages from an input alternating voltage, which have a phase offset of 180° to one another.
  • Fig. 2 shows an exemplary process of a method according to the invention for measuring at least one process in an object.
  • the process can be carried out, for example, in the device shown in FIG.
  • An alternating field is received by the receiving structure 6, which in the example shown is e.g. B. can be an RF signal.
  • This is fed to the I/Q demodulation 21, which in the example shown generates I data and Q data per antenna.
  • I/Q demodulation 21 which in the example shown generates I data and Q data per antenna.
  • These are fed to an optional pre-processing step 22, which z. B. may contain filtering and/or transformation.
  • data generated from the multidimensional demodulation data here the I and Q data per antenna, can be generated, which can also be referred to as guided variables can be referred to.
  • the data generated by the preprocessing can now be fed to a statistical model 24.
  • a feature extraction in the generated variables, with which features of the multidimensional demodulation data and/or the data generated therefrom are determined. These features can then be supplied to model 24.
  • Such a feature generation is particularly useful if the multidimensional demodulation data is unsuitable or poorly suited for direct use in the model 24.
  • the model generates from the supplied multi-dimensional modulation data, here I and Q, and/or from the data generated from these, depending on time, at least one feature of the process and/or a temporal representation of the process, e.g. B. as predicted values, for example a respiratory flow curve.
  • This result can optionally be fed to a curve interpretation 25.
  • a real-time carrier, volumes and/or a comparison to a reference can be generated.
  • Fig. 3 shows an example of the course of I and Q in the left part of the image and of the derivatives of dQ/dl in the right part of the image.
  • the course shown is characteristic of a breath.
  • the lower left section of the curve corresponds to inhalation and the upper right section corresponds to exhalation. So during a breathing cycle, Q and I move counterclockwise along the curve shown.
  • the gradient dQ/dl is shown as arrows on the curve shown in the left part of the picture.
  • the change in direction of the gradient can be seen when changing from inspiration to expiration.
  • it can be recognized in real time, for example, whether there is an inhalation or an exhalation.
  • Fig. 4 shows examples of preprocessing of data that can be obtained in the demodulation step. This preprocessing can take place, for example, in step 22 in FIG. 2.
  • a 3 x 3 pair plot of the data in the raw state is shown on the left.
  • the non- Diagonal plots show the dependence of the raw data on other raw data, for example to show the correlation. Histograms of the raw data are shown in the diagonal plots.
  • the pair plots of the corresponding data are shown at corresponding positions after preprocessing.
  • the preprocessing can e.g. B. include filtering and/or a transformation.
  • the preprocessing can also e.g. B. include an inspection of data, including the investigation of statistical relationships between the input variables, e.g. B. via a Generalized Scatterplot Matrix (GSPLOM), as shown in Fig. 4.
  • the preprocessing can then be carried out e.g. B. have smoothing, exemption from the mean and/or scaling.
  • Such preprocessing can be used both when measuring the process and when training the statistical model.
  • FIG. 5 shows an example of a preprocessing step 22.
  • I and Q are supplied to the preprocessing step 22 as multidimensional demodulation data. This can then generate one or more of the variables shown on the right in FIG. 5 from this data.
  • the sizes shown on the right are just examples and some of these sizes, all of these sizes and also other sizes can be created.
  • FIG. 6 shows an example of a process with which the statistical model 24 can be trained in a training process.
  • the statistical model 24 is trained based on data. Model 24 can then be applied to new data during operation.
  • a distinction can be made in particular between two supervised learning tasks, namely classification and regression.
  • the model 24 receives, in addition to the demodulation data generated from a received alternating field, additional measured values from at least one reference sensor (ground truth).
  • the at least one reference sensor can measure the quantity that is to be measured or predicted using the statistical model.
  • an error value can be calculated, for example by means of an optimization algorithm, in order to train the model 24 accordingly.
  • the training can e.g. B. can be carried out in a generalized manner with an entire representative population or it can take place individually, for example on a patient-specific basis.
  • the reference sensor system can initially be connected to the patient in order to train the mathematical model individually. After training, the reference sensors can be removed.
  • the model 24 for training is supplied with the demodulation data or data generated from these that are to be used to measure the process in the object during operation.
  • these are, for example, I, Q, an amplitude, a phase and gradients of the received alternating field.
  • the model 24 generates an estimated value from these, which is fed to the quality metric 62.
  • the quality metric 62 compares the estimated value with the value measured by the reference sensors and produces an error value. This is fed to an optimization algorithm 61, which then trains the model 24 so that the agreement between the measured value and the value estimated by the model 24 is improved.
  • FIG. 7 shows an example of an arrangement for teaching or training the model 24 in FIG. 6.
  • device 72 via the transmitting structure 4 with an alternating field, which is received by the receiving structure 6 after it has passed through the patient 71.
  • a feature of an affirmative process and/or a time representation of the process can be generated from the received alternating field, as described in FIG. 2.
  • the process to be measured is a cardiorespiratory activity of the patient.
  • An electrocardiogram 73 and a flow meter 74 for directly measuring a respiratory flow are provided as reference sensors.
  • the sensors 73 and 74 generate the measured values that are fed to the quality metric 62. This compares the values of the process features of interest with those predicted by the model and generates the said error value.
  • the model 24 no longer receives reference data, but rather estimates the characteristics of the process and/or the temporal data of the process based on the various input data.
  • the system can act as a soft sensor here, since the target variable to be determined is not measured directly, but is estimated using correlated variables and a trained model.
  • Two types of estimation can be distinguished, both of which are advantageous.
  • a classification of the demodulation data and/or the data generated from them can take place.
  • variables with a discrete range of values mostly binary, sometimes also ternary, can be distinguished.
  • the data could be classified as inhalation, exhalation, or optionally a pause in breathing. It can e.g. B.
  • a distinction can be made as to whether inhalation, exhalation or a breathing pause is currently taking place. For example, it can also be determined whether an R wave occurred in the previous time slice.
  • the model 8 shows such a classification again schematically.
  • the said demodulation data and/or data generated from these serve as input data for the model 24.
  • the model classifies the specific constellation of this data into classification results such as inhalation, exhalation, presence of an R wave, etc.
  • the second type of estimation is regression.
  • the model In regression, the model generates quasi-time-continuous target variables with a continuous or quasi-continuous range of values.
  • a target size can e.g. B. the current respiratory flow or an excitation curve of an ECG.
  • Fig. 9 shows schematically the model as a regression.
  • the demodulation data or data generated from these are again entered and the model uses them to generate, for example, the respiratory flow, an ECG or a similar curve.
  • the 10 shows an example of an embodiment of the model 24 as a trained neural network, in this case a multi-layer perceptron based on the Input variables I and Q and the derived features from I and Q estimate the respiratory flow.
  • the left partial image shows an example of a course of I and Q over time, which is supplied as a model to the neural network 24, and the right partial image shows a comparison of a predicted flow with an actual flow, as determined using a reference sensor. It can be seen that the trained neural network 24 predicts the respiratory flow very well.
  • the neural network has an input layer, four hidden layers with 200, 50, 60 and another 60 neurons and an output layer.
  • FIG. 11 shows an example of respiratory flow estimation in which the statistical model 24 is a trained adaptive FIR filter.
  • the input variables here are the I data and the Q data, as shown in the left part of the image.
  • the result is again the respiratory flow, as shown in the right part of the image in comparison to the measured respiratory flow.
  • Fig. 12 shows another example of a soft sensor system.
  • the method shown in FIG. 12 begins with an electromagnetic transmission measurement, for example using the arrangement shown in FIG. 1.
  • the data is in turn fed to preprocessing 22, which is also optional here.
  • the data generated in this way is then fed to the model 24, which was previously trained with a reference system 124.
  • the data can be fed to a post-processing step 122 and ultimately output as an estimated value in the output step 123.
  • This soft sensor system in turn does not measure the output variable directly, but rather estimates the output variable via the mathematical model 24 using several input variables correlated with the output variable.
  • Fig. 15 shows a more detailed example of a method according to the invention.
  • flow data is imported, which is subjected to linear interpolation in a step 152.
  • the data generated by the linear interpolation is subjected to an exemplary Butterworth bandpass filter in a step 153, the lower limit of which in the example shown is 0.11 Hz and the upper limit of which is 1.1 Hz.
  • the data filtered in this way is then subjected to a Yeo-Johnson performance transformation 154 which generates the reference flow as ground truth 165.
  • This reference flow is used as reference sensor data for training the statistical model 24, which here is a multi-layer perceptron regressor.
  • the reference data determined in steps 151, 152, 153, 154 and 165 is used for training only. In operation as a process for measuring the process, these steps are omitted.
  • demodulation data for example Q and I
  • demodulation data for example Q and I
  • a step 155 are subjected to linear interpolation in a step 156.
  • a step 157 for example, an amplitude is calculated from the interpolated data.
  • the result of step 157 is fed here to a Butterworth bandpass filter 158 and the filtered signal is in turn fed to a Yeo-Johnson power transformation 159. Numerous characteristics of the course to be measured can now be determined from the data transformed in the Yeo-Johnson performance transformation 159.
  • the data generated in 159 can be fed to a shift operator 164, whereby shifted data can be determined, for example Q, I, amplitude, dQ/dt, dl/dt, dAmplitude/dt, binary dQ/dt, binary dl/dt and/or or binary dAmplitude/dt, as shown in 167.
  • the data generated by transformation 159 can also be used directly as features Q, I, amplitude as in 171.
  • gradients can be generated in step 160, which in turn can be subjected to a Yeo-Johnson power transformation 161 and can thereby generate the time-dependent change in Q, I and the amplitude. This is shown in 170.
  • the data generated by transformation 161 may also be subjected to gradient binarization 162, thereby producing the binary dQ/dt, dl/dt, dAmplitude/dt shown in 169.
  • the data generated in step 162 may also be fed to a moving average method along with the data generated in transformation 161. This allows the data shown in Figure 168 to be generated.
  • the features 166 can then be fed to the statistical model 24. This creates the process as a regression.
  • the invention is also suitable for patients who have easily irritable, burned or inflamed skin.
  • the probability of poor measurement results due to user errors is low.
  • ECGs for example, the electrodes can be placed incorrectly or poorly.
  • leaks can occur, which can distort both the flow and pressure measurements. Leaks in face masks often occur among people with beards.
  • the electromagnetic transmission measurement is imperceptible to patients and can, for example, be easily integrated into the back of a chair or mattress so that they can adopt a comfortable position. Tightness that may occur with procedures such as RIP wristbands or ECG chest straps is completely eliminated. Since the invention can also measure through thick textiles, patients do not have to undress.
  • the invention can virtually emulate conventional sensors such as ECG or flowmeters. This allows the invention to be seamlessly integrated into existing sensor chains in which a conventional sensor is normally used.
  • the data can be used in a non-invasive, non-obstructive and scalable (simultaneous or serial use of multiple more sensor sub-elements at a local distance) and surface and volume sensitive measurement technology (fields penetrate at least partially into the target structure) based on the time-dependent complex folding of at least two electromagnetic fields (sent and received) processed at runtime, interpreted and converted into cardiothoracic vital data or other physiodynamics - technical data of a target structure are converted.
  • the system can at least initially be trained to map the changes in the data of the measurement system resulting from the physiodynamic changes in the target structure or a generic model of the target structure with reference system data (e.g. cardiothoracic vital data).
  • the invention is particularly suitable for the following applications:
  • Sensor in artificial ventilation monitoring for sudden infant death, monitoring the progress of cardiac and respiratory diseases (comparable to a long-term ECG), tracking the current state of a person (awake, sleeping, pathological), contactless patient monitoring in intensive care units, contactless recording of an ECG, contactless Tracking of pacemakers, contactless determination of the breathing rate, installation in wearables, mattresses, car seats -> stress display etc., sleep evaluation, measuring training parameters e.g.
  • VOZmax monitoring of sleep apnea, use for biofeedback, input data for artifact or failure compensation Vital data sensors, signal generators for dead man's switches, determination of performance data, use of the "procedure” for evaluating the data from the chest monitor, measurement methods beyond the derivation of pure cardiothoracic vital data (e.g. technical time-varying conditions such as fill levels, proximity, compression of bulk material or porous structures or biological such as the tension of muscle tissue, peristalsis, movement in general of humans as well as animals).
  • pure cardiothoracic vital data e.g. technical time-varying conditions such as fill levels, proximity, compression of bulk material or porous structures or biological such as the tension of muscle tissue, peristalsis, movement in general of humans as well as animals.

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Abstract

The invention relates to a method and to a device for measuring at least one process in an object. An alternating field is irradiated into the object and received once it has passed through the object. At least one feature of the process and/or a temporal representation of the process is then generated time-dependently using a statistical model.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung eines Ablaufs in einem Objekt Method and device for measuring a process in an object
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung zumindest eines Ablaufs in einem Objekt. Dabei wird ein Wechselfeld in das Ob- jekt eingestrahlt und empfangen, nachdem es das Objekt durchlaufen hat. Mit einem statistischen Modell wird dann zeitabhängig zumindest ein Merkmal des Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung des Ablaufs erzeugt. The invention relates to a method and a device for measuring at least one process in an object. An alternating field is irradiated into the object and received after it has passed through the object. A statistical model is then used to generate at least one feature of the process and/or a time representation of the process depending on time.
Bei der Behandlung von maschinell beatmeten Patientinnen liegt eine techni- sehe Fragestellung in dem Erkennen der selbstständigen Atmung (Spontanatmung) des/der Patient*in. Während einer künstlichen Beatmung wird Patientinnen unter teilweise hohen Drücken Luft in die Lungen gepresst. Wird hierbei die Beatmung entgegen der Spontanatmung durchgeführt, kann dies in besonderem Maße zu irreversiblen Schäden in der Lunge und den oberen Atemwegen führen. Insbesondere sind folgenden Schädigungen bekannt: When treating mechanically ventilated patients, there is a technical I see the question in recognizing the patient's independent breathing (spontaneous breathing). During artificial ventilation, air is forced into the lungs of patients at sometimes high pressures. If ventilation is carried out contrary to spontaneous breathing, this can lead to particularly irreversible damage to the lungs and the upper respiratory tract. In particular, the following damages are known:
Barotrauma: Schäden an den Lungenbläschen aufgrund von hohen Beatmungsdrücken, Barotrauma: damage to the alveoli due to high ventilation pressures,
Volutrauma: Überdehnung der Lungenbläschen aufgrund von zu hohen Beatmungsvolumina, Volutrauma: overexpansion of the alveoli due to excessive ventilation volumes,
Atelektasen: Kollaps von Lungenbläschen aufgrund von zu niedrigen Beatmungsdrücken oder unzureichendem Beatmungsvolumen Atelectasis: Collapse of pulmonary alveoli due to ventilation pressures that are too low or insufficient ventilation volume
Aber auch eine richtig synchronisierte Beatmung über einen längeren Zeitraum kann das Gewebe von Patientinnen schädigen, darum ist es erstrebenswert die Dauer der Beatmung auf ein Minimum zu reduzieren. Hierfür muss eine eindeutige Bewertung des Vitalzustands des/der Patientin erfolgen, was die Aufnahme weiterer Vitalparameter unerlässlich macht. Hieraus ergeben sich als weitere technische Fragestellungen, wie neben respiratorischen Parametern (z.B. exspiratorische Phase, inspiratorische Phase) auch kardiologisch relevante Parameter (z.B. EKG-Daten, QRS-Komplexe, Herzraten, Herzratenvariabilität, Arrythmien) gewonnen werden können. Hier besteht die Herausforderung, dies in einem kontaktlosen Verfahren zu ermöglichen, um eine Beeinträchtigung von Patientinnen zu minimieren und dadurch die Akzeptanz für das Messverfahren zu erhöhen. But even properly synchronized ventilation over a longer period of time can damage the tissue of patients, which is why it is desirable to reduce the duration of ventilation to a minimum. For this purpose, a clear assessment of the patient's vital status must be carried out, which makes the recording of further vital parameters essential. This leads to further technical questions as to how, in addition to respiratory parameters (e.g. expiratory phase, inspiratory phase), cardiologically relevant parameters (e.g. ECG data, QRS complexes, heart rates, heart rate variability, arrhythmias) can also be obtained. The challenge here is to make this possible in a contactless procedure in order to minimize interference with patients and thereby increase acceptance of the measurement procedure.
Die Erhebung von Vitaldaten wie z.B. Herz- und Atemfrequenz, Atemvolumen, Atemtiefe, Dauer und Zeitpunkt der Inspiration oder Exspiration ist in einer Vielzahl von Anwendungen sinnvoll. Beispielsweise bei der Steuerung von Beatmungsgeräten, bei der Erkennung von Schlafapnoe oder respiratorischen Erkrankungen, bei der Überwachung des Belastungszustandes von Einsatzkräften oder bei der Biometrie in Fahrzeugen. Dabei soll die Sensorik möglichst schnell, unobstrusiv und robust gegen Störungseinflüsse sein. Eine Technologie die sich hier eignet, stellt der Thoraxmonitor (WO 2019/243444 Al) dar. Die hier ge- wonnenen mehrdimensionalen und zeitabhängigen Daten geben einen Aufschluss über zugrundeliegende dynamische Änderungen im Testsystem. Jedoch ist eine Interpretation artefaktanfällig. The collection of vital data such as heart and respiratory rate, respiratory volume, breathing depth, duration and time of inspiration or expiration is useful in a variety of applications. For example, in the control of ventilators, in the detection of sleep apnea or respiratory diseases, in monitoring the stress status of emergency services or in biometrics in vehicles. The sensor system should be as fast, unobstructive and robust as possible against disruptive influences. A technology that is suitable here is the chest monitor (WO 2019/243444 Al). The obtained multidimensional and time-dependent data provide information about underlying dynamic changes in the test system. However, interpretation is prone to artifacts.
Bei der Ableitung von kardiorespiratorischen Daten oder generell bei der Ableitung von Vitalparametern verwendet der Großteil der Verfahren kontaktierende Modalitäten oder Modalitäten, die eng am Körper der/des Patient*in anliegen. Dies kann von Patientinnen, gerade bei Messungen über längere Zeiträume oder in alltäglichen Situation, in denen die Messung der Vitalparameter nicht im Vordergrund steht (z.B. beim Autofahren oder Schlafen), sehr belastend sein. When deriving cardiorespiratory data or generally when deriving vital parameters, the majority of procedures use contacting modalities or modalities that are close to the patient's body. This can be very stressful for patients, especially when taking measurements over longer periods of time or in everyday situations in which measuring vital parameters is not the focus (e.g. when driving or sleeping).
Das am besten etablierte Verfahren zur Messung der kardialen Aktivität ist sicherlich das Elektrokardiogramm (EKG). Hierbei wird die elektrische Aktivität des Herzens über auf den Körper aufgeklebte Elektroden erfasst. The best established method for measuring cardiac activity is certainly the electrocardiogram (ECG). The electrical activity of the heart is recorded using electrodes stuck to the body.
Ein großer Teil der etablierten Verfahren kombinieren ein EKG mit der Impedanzkardiographie (IKG) um zusätzlich die respiratorische Aktivität zu messen. Diese Verfahren schätzen die kardiale Komponente, und ziehen diese vom Impedanzsignal ab, um aus dem resultierenden Signal die respiratorische Komponente zu gewinnen. Da die Erfassung der respiratorischen Parameter hierbei indirekt durch die Schätzung der kardialen Komponente abgeleitet wird, hängt diese zwingend von der Qualität des kardialen Modells ab. Weiterhin wird hierbei hauptsächlich die Atemfrequenz bestimmt. Eine Aussage über Tidalvolu- men und Spontanatmung ist nicht direkt möglich. A large number of established procedures combine an ECG with impedance cardiography (ICG) to additionally measure respiratory activity. These methods estimate the cardiac component and subtract it from the impedance signal to obtain the respiratory component from the resulting signal. Since the recording of the respiratory parameters is indirectly derived from the estimation of the cardiac component, this necessarily depends on the quality of the cardiac model. Furthermore, the breathing frequency is mainly determined here. A direct statement about tidal volume and spontaneous breathing is not possible.
Ein anderes Verfahren zum Erfassen der respiratorischen Aktivität ist die Messung der Dehnung des Brustkorbs und des Abdomens mit Hilfe der respiratorischen induktiven Plethymographie (RIP). Hierbei werden dem/der Patient*in zwei elastische Bänder um Thorax und Abdomen gelegt, in die Bänder sind Spulen eingearbeitet, die bei einer Dehnung der Bänder ihre Induktivität ändern. Diese Methode kann aufgrund der elastischen Bänder unangenehm und einen- gend auf die/den Patient*in wirken. Ein vergleichbares Verfahren ist auch über Dehnungsmessstreifen vorstellbar, wobei sich keine weiteren Vorteile des Verfahrens ergeben. Es gibt auch eine Reihe von Verfahren, welche kontaktlos die Vitalparameter messen. Die meisten Verfahren basieren hierbei auf einer radarbasierten Messung. Meistens wird mit Hilfe dieser radarbasierten Verfahren jedoch nur eine Aussage über die Atemrate oder die Herzrate über Reflexionen am Brustkorb getroffen. Another method for assessing respiratory activity is to measure chest and abdominal distension using respiratory inductive plethymography (RIP). Here, two elastic bands are placed around the patient's thorax and abdomen. Coils are incorporated into the bands, which change their inductance when the bands are stretched. This method can have an uncomfortable and restrictive effect on the patient due to the elastic bands. A comparable method is also conceivable using strain gauges, although there are no further advantages to the method. There are also a number of methods that measure vital parameters without contact. Most methods are based on radar-based measurement. However, these radar-based methods usually only provide information about the breathing rate or heart rate via reflections on the chest.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, ein Verfahren zur Messung eines Ablaufs in einem Objekt anzugeben, das nicht-invasiv ist, nicht obstruierend und skalierbar. The object of the present invention is therefore to provide a method for measuring a process in an object that is non-invasive, non-obstructive and scalable.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Messung zumindest eines Ablaufs in einem Objekt nach Anspruch 1 sowie die Vorrichtung zur Vermessung zumindest eines Ablaufs in einem Objekt nach Anspruch 21. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung an. The object is achieved by the method for measuring at least one process in an object according to claim 1 and the device for measuring at least one process in an object according to claim 21. The respective dependent claims specify advantageous developments of the method according to the invention and the device according to the invention.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Messung zumindest eines Ablaufs in einem Objekt angegeben. Grundsätzlich ist das Verfahren auf alle Arten von Objekten anwendbar, insbesondere solche, in die ein elektromagnetisches Wechselfeld eindringen kann. Bevorzugterweise kann das Objekt ein Körper eines Lebewesens sein, z. B. ein Körper eines Menschen oder eines Tieres. According to the invention, a method for measuring at least one process in an object is specified. In principle, the method can be applied to all types of objects, especially those into which an alternating electromagnetic field can penetrate. Preferably the object can be a body of a living being, e.g. B. a body of a human or an animal.
Sofern hier von einer Vermessung des Ablaufs in dem Objekt die Rede ist, ist hiermit die Ableitung der interessierenden Merkmale des Ablaufs aus den Demodulationsdaten gemeint. Synonym zu „Vermessung" kann hier „Vorhersagen" oder „Prädizieren" oder „Schätzen" verwendet werden. If we are talking about measuring the process in the object, this means deriving the interesting features of the process from the demodulation data. Synonymous with “measurement” “predictions” or “predictions” or “estimates” can be used here.
Erfindungsgemäß wird ein elektromagnetisches Wechselfeld in das Objekt eingestrahlt. Das Wechselfeld wird empfangen, nachdem es das Objekt durchlaufen hat. Dass das Wechselfeld das Objekt durchlaufen hat, bedeutet vorzugsweise, dass es nach dem Einstrahlen in das Objekt eingetreten ist und vor dem Empfangen aus dem Objekt ausgetreten ist. Vorzugsweise ist das Wechselfeld dabei zumindest 1 cm, besonders bevorzugt zumindest 5 cm, besonders bevorzugt zumindest 10 cm, besonders bevorzugt zumindest 20 cm in das Objekt eingetreten. Das Wechselfeld wird durch den Ablauf in dem Objekt, das vermessen werden soll, moduliert. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der Ablauf in dem Objekt zu einer Phasenverschiebung, Frequenzverschiebung und/oder Amplitudenänderung des empfangenen Wechselfelds gegenüber dem eingestrahlten Wechselfeld führt. Unter einer Modulation kann hier vorteilhafterweise ein Vorgang verstanden werden, bei dem auf ein Trägersignal, hier das eingestrahlte Wechselfeld, Nutzdaten aufgebracht werden. Als Nutzdaten können hier Veränderungen in dem Objekt angesehen werden, die den zu vermessenden Ablauf bilden. Diese Veränderungen werden in diesem Verständnis also auf das eingestrahlte Wechselfeld als Träger aufmoduliert. According to the invention, an alternating electromagnetic field is irradiated into the object. The alternating field is received after it passes through the object. The fact that the alternating field has passed through the object preferably means that it entered the object after being irradiated and exited the object before being received. Preferably, the alternating field has entered the object at least 1 cm, particularly preferably at least 5 cm, particularly preferably at least 10 cm, particularly preferably at least 20 cm. The alternating field is modulated by the process in the object that is to be measured. This can mean in particular that the process in the object leads to a phase shift, frequency shift and/or amplitude change of the received alternating field compared to the irradiated alternating field. Modulation here can advantageously be understood as a process in which useful data is applied to a carrier signal, here the radiated alternating field. Changes in the object that form the process to be measured can be viewed as useful data. In this understanding, these changes are modulated onto the irradiated alternating field as a carrier.
Die Mindesteindringtiefe des Wechselfelds in das Objekt kann dabei so bemessen sein, dass das empfangene Wechselfeld in der gegebenen Eindringtiefe noch eine Modulation erfahren hat, die die Messgenauigkeit des Verfahrens überschreitet. Das Wechselfeld soll also vorzugsweise nur dann als die genannte Mindesteindringtiefe erreichend, also als in das Objekt eingedrungen, angesehen werden, wenn die Modulation bei dieser Eindringtiefe noch zu einem unterscheidbaren Unterschied in der Vermessung des zumindest einen Ablaufs führt. The minimum penetration depth of the alternating field into the object can be dimensioned such that the received alternating field at the given penetration depth still experiences a modulation that exceeds the measurement accuracy of the method. The alternating field should therefore preferably only be viewed as reaching the minimum penetration depth mentioned, i.e. as having penetrated into the object, if the modulation at this penetration depth still leads to a distinguishable difference in the measurement of the at least one process.
Das empfangene Wechselfeld wird in einem als Demodulationsschritt bezeichneten Schritt zur Erzeugung mehrdimensionaler Demodulationsdaten demodu- liert. Vorteilhaft können mehrere Empfangstrukturen dasselbe oder unterschiedliche Wechselfelder empfangen. Aus den empfangenen Wechselfeldern jeder Empfangsstuktur können dann in einem separaten Demodulationschritt mehrdimensionaler Demodulationsdaten demoduliert und zusammen einem statistischen Modell zugeführt werden. Besonders vorteilhaft können so zum Beispiel Asymmetrien des Objekts in das Modell einfließen (z.B. rechter und linker Lungenflügel). The received alternating field is demodulated in a step called a demodulation step to generate multi-dimensional demodulation data. Advantageously, several receiving structures can receive the same or different alternating fields. Multidimensional demodulation data can then be demodulated from the received alternating fields of each reception structure in a separate demodulation step and fed together into a statistical model. For example, asymmetries of the object can be particularly advantageously incorporated into the model (e.g. right and left lung).
Unter dem Demodulieren kann dann verstanden werden, dass die Nutzdaten vom Trägersignal getrennt werden. Es kann in diesem Schritt also das empfangene Wechselfeld getrennt werden in das eingestrahlte Wechselfeld einerseits und die durch den zu vermessenden Ablauf verursachten Veränderungen andererseits. In diesem Verständnis können dann die Veränderungen des Ablaufs als mehrdimensionale Demodulationsdaten angesehen werden. Dass die Demodulationsdaten mehrdimensional sind, kann dabei bedeuten, dass diese zumindest zwei unabhängige Anteile aufweisen, insbesondere vorteilhaft zumindest zwei linear unabhängige Anteile. Demodulation can then be understood to mean that the useful data is separated from the carrier signal. In this step, the received alternating field can be separated into the irradiated alternating field on the one hand and the changes caused by the process to be measured on the other. In this understanding, the changes in the process can then be viewed as multi-dimensional demodulation data. The fact that the demodulation data is multidimensional can mean that it has at least two independent components, particularly advantageously at least two linearly independent components.
Erfindungsgemäß werden die mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder aus diesen mehrdimensionalen Demodulationsdaten abgeleiteten Daten einem statistischen Modell zugeführt. Das statistische Modell erzeugt dann in einem als Erzeugungsschritt bezeichneten Schritt aus den zugeführten mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder aus den aus diesen abgeleiteten Daten zeitabhängig zumindest ein Merkmal des Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung des Ablaufs. According to the invention, the multidimensional demodulation data and/or data derived from these multidimensional demodulation data are fed to a statistical model. The statistical model then generates, in a step referred to as a generation step, at least one feature of the process and/or a temporal representation of the process from the supplied multidimensional demodulation data and/or from the data derived therefrom in a time-dependent manner.
Dass die Erzeugung zeitabhängig erfolgt, kann dabei insbesondere bedeuten, dass sie zumindest zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt. Vorteilhafterweise bedeutet zeitabhängige Erzeugung aber regelmäßige Erzeugung, insbesondere quasi kontinuierliche Erzeugung oder, soweit möglich, vorteilhaft auch kontinuierliche Erzeugung. Dabei soll kontinuierliche Erzeugung als kontinuierlich in dem Sinne angesehen werden, indem dieser Begriff im Bereich digitaler Datenverarbeitung üblicherweise verstanden wird, also zeitlich diskretisiert, beispielsweise mit einer Taktfrequenz. Bei analoger Verarbeitung kann der Begriff kontinuierlich aber auch im analogen Sinne verstanden werden. Die Daten können einen stetigen oder quasi-stetigen Verlauf haben. The fact that generation is time-dependent can mean in particular that it occurs at least at two different points in time. However, time-dependent generation advantageously means regular generation, in particular quasi-continuous generation or, where possible, advantageously also continuous generation. Continuous generation should be viewed as continuous in the sense in which this term is usually understood in the area of digital data processing, i.e. discretized in time, for example with a clock frequency. With analog processing, the term can be understood continuously but also in an analog sense. The data can have a continuous or quasi-continuous course.
Erfindungsgemäß kann eine zeitliche Darstellung des Ablaufs erzeugt werden. Diese Darstellung kann also beispielsweise zumindest ein Elektrokardiogramm, zumindest ein Impedanzkardiogramm, zumindest ein Ballistokardiogramm, zumindest ein Seismokardiogram, die Bewegung und/oder die Ausdehnung des Brustkorbs und/oder des Abdomens, zumindest ein Blutdruckverlauf über die Zeit, eine Atemvolumenkurve, zumindest eine Atemdruckkurve, zumindest ein respiratorischer Fluss in Abhängigkeit von der Zeit, zumindest ein Verlauf einer Sauerstoffsättigung über die Zeit, zeitliche Ablaufdaten, die durch eine Bildge- bung gewonnen werden, und/oder ein Plethysmogramm sein. Zeitliche Abläufe, die aus den Bilddaten gewonnen werden, sind z.B. Belüftung des linken und/oder rechten Lungenflügels über der Zeit, die aus einem Ultraschall, Elekt- roimpedanztomographie oder einer Computer-Tomographie stammen können. According to the invention, a temporal representation of the process can be generated. This representation can therefore, for example, contain at least an electrocardiogram, at least one impedance cardiogram, at least one ballistocardiogram, at least one seismocardiogram, the movement and/or the expansion of the chest and/or the abdomen, at least a blood pressure curve over time, a respiratory volume curve, at least one respiratory pressure curve, at least one respiratory flow as a function of time, at least one course of oxygen saturation over time, temporal data obtained through imaging, and/or a plethysmogram. Temporal processes that are obtained from the image data are, for example, ventilation of the left and/or right lung over time, which is determined from an ultrasound, electrical Roimpedance tomography or computer tomography.
Erfindungsgemäß können auch ein oder mehrere Merkmale eines Ablaufs bestimmt werden, wie beispielsweise ein Überschreiten eines Schwellenwerts und dergleichen. According to the invention, one or more features of a process can also be determined, such as exceeding a threshold value and the like.
Insbesondere können vorteilhaft folgende Merkmale bestimmt werden: In particular, the following features can advantageously be determined:
Als respiratorische Merkmale können zum Beispiel ein oder mehrere der folgenden bestimmt werden: For example, one or more of the following can be identified as respiratory features:
Tidalvolumen: Das Tidalvolumen bezeichnet das Atemzugvolumen, das bei einer normalen Ein- und Ausatmung in die Lunge eingeatmet und wieder ausgeatmet wird. Eine Messung des Tidalvolumens kann Aufschluss über die Effizienz der Atmung geben und ist relevant bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen. Tidal volume: The tidal volume refers to the tidal volume that is inhaled into the lungs and exhaled again during normal inhalation and exhalation. Measuring tidal volume can provide information about the efficiency of breathing and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
Atmungszyklus: Der Atmungszyklus misst die Gesamtzeit, die für einen Atemzug benötigt wird, vom Beginn der Einatmung bis zum Ende der Ausatmung. Eine Messung des Atmungszyklus kann zur Überwachung der Atmungsfrequenz und -effizienz verwendet werden und ist relevant bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen. Respiratory cycle: The respiratory cycle measures the total time required for one breath, from the start of inhalation to the end of exhalation. Measurement of the respiratory cycle can be used to monitor respiratory rate and efficiency and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
Inspirationszeit: Die Inspirationszeit beschreibt die Zeitdauer, während der ein Atemzug eingeatmet wird. Eine Messung der Inspirationszeit kann Aufschluss über die Atmungsfrequenz und -effizienz geben und ist relevant bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen. Inspiration time: Inspiration time describes the length of time during which a breath is inhaled. Measuring the inspiratory time can provide information about the respiratory rate and efficiency and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
Exspirationszeit: Die Exspirationszeit beschreibt die Zeitdauer, während der ein Atemzug ausgeatmet wird. Eine Messung der Exspirationszeit kann Aufschluss über die Atmungsfrequenz und -effizienz geben und ist relevant bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen. Expiratory time: Expiratory time describes the length of time during which a breath is exhaled. Measuring expiratory time can provide information about respiratory rate and efficiency and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
Verhältnis von Einatmung zu Ausatmung: Das Verhältnis von Einatmung zu Aus- atmung bezeichnet das Verhältnis der Zeitdauer, während der ein Atemzug eingeatmet wird, zur Zeitdauer, während der ein Atemzug ausgeatmet wird. Eine Messung des Verhältnisses von Einatmung zu Ausatmung kann Aufschluss über die Atmungsfrequenz und -effizienz geben und ist relevant bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen. Inhalation to Exhalation Ratio: The ratio of inhalation to exhalation respiration refers to the ratio of the time during which a breath is inhaled to the time during which a breath is exhaled. Measuring the ratio of inhalation to exhalation can provide information about respiratory rate and efficiency and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
Inspiratorischer Spitzenfluss: Der inspiratorische Spitzenfluss misst den maximalen Volumenstrom während der Einatmung und gibt Aufschluss über die Leistungsfähigkeit der Atemwege. Eine Messung des inspiratorischen Spitzenflusses kann zur Überwachung der Atmungsfunktion verwendet werden und ist relevant bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen. Peak inspiratory flow: The peak inspiratory flow measures the maximum volume flow during inspiration and provides information about the performance of the airways. Peak inspiratory flow measurement can be used to monitor respiratory function and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
Expiratorischer Spitzenfluss: Der expiratorische Spitzenfluss misst den maximalen Volumenstrom während der Ausatmung und gibt Aufschluss über die Leistungsfähigkeit der Atemwege. Eine Messung des expiratorischen Spitzenflusses kann zur Überwachung der Atmungsfunktion verwendet werden und ist relevant bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen. Peak expiratory flow: The peak expiratory flow measures the maximum volume flow during exhalation and provides information about the performance of the airways. Peak expiratory flow measurement can be used to monitor respiratory function and is relevant in the treatment of respiratory diseases.
Als kardiologische Parameter können vorteilhaft zum Beispiel einer oder mehrere der folgenden bestimmt werden: One or more of the following can advantageously be determined as cardiological parameters:
Bestimmung des Lagetyps: EKG-Parameter, die die elektrische Aktivität des Herzens in verschiedenen Richtungen messen, um den Herzrhythmus und die elektrische Aktivität des Herzens zu beurteilen. Position type determination: ECG parameters that measure the electrical activity of the heart in different directions to assess the heart rhythm and electrical activity of the heart.
ST-Segment-Veränderungen: Abweichungen im EKG, die auf mögliche Herzerkrankungen hinweisen können, insbesondere auf Schäden am Herzmuskel. ST segment changes: ECG abnormalities that may indicate possible heart disease, particularly damage to the heart muscle.
T-Wellen-Veränderungen: Veränderungen in der Form, Amplitude oder Richtung der T-Wellen im EKG, die auf mögliche Herzerkrankungen oder Elektrolytstörungen hinweisen können. T-wave changes: Changes in the shape, amplitude, or direction of T waves on the ECG, which may indicate possible heart disease or electrolyte imbalances.
QT-Intervall-Verlängerung: Verlängerung des Zeitintervalls zwischen dem Beginn des QRS-Komplexes und dem Ende der T-Welle im EKG, was auf mögliche Herzrhythmusstörungen hinweisen kann. P-Wellen-Veränderung: Veränderungen in der Form oder Amplitude der P-Wel- len im EKG, die auf mögliche Erkrankungen des Vorhofs hinweisen können. QT interval prolongation: Prolongation of the time interval between the beginning of the QRS complex and the end of the T wave on the ECG, which may indicate possible cardiac arrhythmias. P-wave change: Changes in the shape or amplitude of the P-waves in the ECG, which may indicate possible atrial disease.
QRS-Komplex-Veränderung: Veränderungen in der Form oder Dauer des QRS- Komplexes im EKG, die auf mögliche Erkrankungen des Herzmuskels hinweisen können. QRS complex change: Changes in the shape or duration of the QRS complex on the ECG, which can indicate possible diseases of the heart muscle.
Schenkelblock: Störung in der elektrischen Leitung im Herzen, die auf mögliche Herzerkrankungen hinweisen kann. Bundle branch block: Disturbance in electrical conduction in the heart, which can indicate possible heart disease.
Langzeit-, Belastungs-EKG: EKG-Aufzeichnungen über einen längeren Zeitraum oder während körperlicher Belastung, um Herzerkrankungen zu diagnostizieren oder Risikopatienten zu überwachen. Holter, exercise ECG: ECG recordings over a longer period of time or during physical exertion to diagnose heart disease or monitor patients at risk.
Herzraten: Anzahl der Herzschläge pro Minute, ein wichtiger Indikator für die Herzfunktion. Heart Rate: Number of heart beats per minute, an important indicator of heart function.
Herzratenvariabilität: Schwankungen in der Herzfrequenz, die ein wichtiger Indikator für mögliche Herzerkrankungen sind. Heart rate variability: Fluctuations in heart rate that are an important indicator of possible heart disease.
Arrhythmien: Abweichungen im Herzrhythmus, die auf mögliche Herzerkrankungen hinweisen können. Arrhythmias: Abnormalities in the heart rhythm that can indicate possible heart disease.
Ejektionsfraktion (EF): Die Ejektionsfraktion ist ein Prozentsatz, der angibt, wie viel Blut bei jedem Herzschlag aus der linken Herzkammer ausgeworfen wird. Eine verminderte EF kann auf Herzinsuffizienz oder andere kardiale Probleme hindeuten. Ejection fraction (EF): Ejection fraction is a percentage that indicates how much blood is ejected from the left ventricle with each heartbeat. Decreased EF may indicate heart failure or other cardiac problems.
Die zeitliche Darstellung des Ablaufs kann auch als Nachbildung des Ablaufs bezeichnet werden. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass der zeitliche Ablauf als Diagramm ausgegeben wird. Es kann auch ausreichen, wenn er in einer solchen Weise ermittelt und/oder gespeichert wird, dass er für die intendierte Verwendung geeignet ist. The temporal representation of the process can also be referred to as a simulation of the process. It is not absolutely necessary that the timing is output as a diagram. It may also be sufficient if it is identified and/or stored in such a way that it is suitable for the intended use.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das elektromagneti- sehe Wechselfeld, das in das Objekt eingestrahlt wird, zumindest zwei Komponenten unterschiedlicher Frequenz enthalten. Als Komponenten könnten hierbei insbesondere Sinusschwingungen mit den entsprechenden Frequenzen angesehen werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass unterschiedliche Frequenzen unterschiedliche Sensitivitäten auf Störgrößen aufweisen. Es können die Wechselfelder unterschiedlicher Frequenzen wiederum demoduliert werden und die daraus abgeleiteten Daten dem statistischen Modell zugeführt werden. Vorteilhaft können die Demodulationsdaten dabei für die unterschiedlichen Frequenzen separat verarbeitet werden. Generell ermöglicht die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Frequenzen die Unterdrückung von Störgrößen durch Erhöhung der Dimensionalität und durch unterschiedliche Proportionalität zur Störgröße sowie vorteilhaft auch eine Verbesserung der Signalqualität, Robustheit und Reproduzierbarkeit. In an advantageous embodiment of the invention, the electromagnetic see alternating field that is irradiated into the object contains at least two components of different frequencies. In particular, sine oscillations with the corresponding frequencies could be viewed as components. The advantage here is that different frequencies have different sensitivities to disturbance variables. The alternating fields of different frequencies can in turn be demodulated and the data derived from them can be fed into the statistical model. The demodulation data can advantageously be processed separately for the different frequencies. In general, the use of several different frequencies enables the suppression of disturbances by increasing the dimensionality and through different proportionality to the disturbance, and advantageously also improves the signal quality, robustness and reproducibility.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann das empfangene Wechselfeld im Demodulationsschritt in einem In-Phase- & Quadratur-Verfahren zur Erzeugung von I-Daten und Q-Daten als die mehrdimensionalen Demodulationsdaten demoduliert werden. Die I- und Q-Daten können dabei alle Demodulationsdaten sein öderes können weitere Demodulationsdaten im Demodulationsschritt erzeugt werden. Die I-Daten und die Q-Daten, sowie gegebenenfalls die weiteren Demodulationsdaten, können dem statistischen Modell zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch aus den I-Daten und den Q- Daten sowie optional gegebenenfalls weiteren Demodulationsdaten abgeleitete Daten dem statistischen Modell zugeführt werden. In a particularly advantageous embodiment, the received alternating field can be demodulated in the demodulation step in an in-phase & quadrature method for generating I data and Q data as the multidimensional demodulation data. The I and Q data can all be demodulation data or further demodulation data can be generated in the demodulation step. The I data and the Q data, as well as any other demodulation data, can be fed to the statistical model. Alternatively or additionally, data derived from the I data and the Q data and optionally, if necessary, further demodulation data can also be fed to the statistical model.
Das statistische Modell kann vorteilhaft als Einheit angesehen werden, die zumindest einen Eingang und zumindest einen Ausgang hat. Daten, die dem statistischen Modell zugeführt werden, können also in den zumindest einen Eingang dieser Einheit eingegeben werden. Das statistische Modell kann daraus das zumindest eine Merkmal des Ablaufs bzw. die Darstellung des Ablaufs erzeugen und diese über seinen zumindest einen Ausgang ausgeben. The statistical model can advantageously be viewed as a unit that has at least one input and at least one output. Data that is fed to the statistical model can therefore be entered into at least one input of this unit. The statistical model can use this to generate at least one feature of the process or the representation of the process and output this via its at least one output.
Werden aus den mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder den I-Da- ten und/oder den Q-Daten abgeleitete Daten verwendet, so können diese ein oder mehrere ausgewählt aus einer Gruppe sein, die folgende Daten enthält: Eine Ableitung von Q nach I, eine Ableitung von I nach Q, eine Ableitung von I nach der Zeit, eine Ableitung von Q nach der Zeit, eine Amplitude des empfangenen Wechselfelds, eine Phase des empfangenen Wechselfelds, eine Amplitude aus der Ableitung von Q nach der Zeit und der Ableitung von I nach der Zeit, eine Phase aus der Ableitung von Q nach der Zeit und der Ableitung von I nach der Zeit, Ableitungen der Amplitude nach der Zeit, Ableitungen der Phasen nach derzeit, ein Phasor der Ableitung von Q nach I, zweite oder höhere Ableitungen der abgeleiteten Daten nach der Zeit und/oder zu einer anderen abgeleiteten Größe und/oder Q-Daten und/oder I-Daten, Binarisierungen der abgeleiteten Daten, Binarisierungen von Q-Daten, Binarisierungen der I-Daten, gleitende Mittelwerte der erzeugten Daten, gleitende Mittelwerte der Q-Da- ten, gleitende Mittelwerte der I-Daten, durch Frequenzfilter gefilterte Q-Daten, durch Frequenzfilter gefilterte I-Daten, durch Frequenzfilter gefilterte erzeugte Daten, abgeleitete Daten aus vergangenen Zeitpunkten, Q-Daten aus vergangenen Zeitpunkten und/oder I-Daten von vergangenen Zeitpunkten. If data derived from the multidimensional demodulation data and/or the I data and/or the Q data are used, these can be one or more selected from a group that contains the following data: A derivative from Q to I, a Derivation from I to Q, a derivative of I with time, a derivative of Q with respect to time, an amplitude of the received alternating field, a phase of the received alternating field, an amplitude from the derivative of Q with respect to time and the derivative of I with respect to time, a phase from the derivative of Q to time and the derivative of I with respect to time, derivatives of the amplitude with respect to time, derivatives of the phases with respect to present, a phasor of the derivative of Q with respect to I, second or higher derivatives of the derived data with respect to time and/or to another derived size and/or Q data and/or I data, binarizations of the derived data, binarizations of Q data, binarizations of the I data, moving averages of the generated data, moving averages of the Q data, moving averages of the I data, Q data filtered by frequency filters, I data filtered by frequency filters, generated data filtered by frequency filters, derived data from past points in time, Q data from past points in time and/or I data from past points in time.
Ein oder mehrere der folgenden Daten können besonders vorteilhaft zum Einsatz kommen und haben unter anderem die folgenden Vorteile: One or more of the following data can be used particularly advantageously and have, among others, the following advantages:
Eine Ableitung von Q nach I kann helfen, die Phasenverschiebung zwischen I- und Q-Signalen zu bestimmen. A derivative from Q to I can help determine the phase shift between I and Q signals.
Eine Ableitung von I nach der Zeit kann helfen, Änderungen der Amplitude des Signals im Zeitverlauf zu identifizieren. Sie korreliert direkt mit dem Flow. A time derivative of I can help identify changes in the amplitude of the signal over time. It correlates directly with flow.
Eine Ableitung von Q nach der Zeit kann helfen, Änderungen der Phase des Signals im Zeitverlauf zu identifizieren. Der Wert korreliert direkt mit dem Flow. A time derivative of Q can help identify changes in the phase of the signal over time. The value correlates directly with the flow.
Eine Amplitude des empfangenen Wechselfelds kann eine direkte Messung der Stärke des empfangenen Signals sein. An amplitude of the received alternating field can be a direct measurement of the strength of the received signal.
Eine Phase des empfangenen Wechselfelds kann helfen, die zeitliche Verschiebung des empfangenen Signals im Vergleich zu einem Referenzsignal zu bestimmen. A phase of the received alternating field can help to determine the time shift of the received signal compared to a reference signal.
Eine Amplitude aus der Ableitung von Q nach der Zeit und der Ableitung von I nach der Zeit kann helfen, die Änderungsrate des Signals im Zeitverlauf zu bestimmen. Sie korreliert direkt mit dem Flow. An amplitude from the derivative of Q with respect to time and the derivative of I by time can help determine the rate of change of the signal over time. It correlates directly with flow.
Eine Phase aus der Ableitung von Q nach der Zeit und der Ableitung von I nach der Zeit kann helfen, die Änderungsrate der Phase des Signals im Zeitverlauf zu bestimmen. A phase from the derivative of Q with respect to time and the derivative of I with respect to time can help determine the rate of change of the signal's phase over time.
Die Ableitung der Amplitude nach der Zeit kann helfen, Veränderungen in der Amplitude des Signals im Zeitverlauf zu identifizieren. Sie korreliert direkt mit dem Flow. Derivative of amplitude versus time can help identify changes in the amplitude of the signal over time. It correlates directly with flow.
Die Ableitungen der Phasen nach der zeit kann helfen, Veränderungen in der Phase des Signals im Zeitverlauf zu identifizieren. Sie korrelieren direkt mit dem Flow. Derivatives of phases with respect to time can help identify changes in the phase of the signal over time. They correlate directly with flow.
Ein Phasor der Ableitung von Q nach I kann eine alternative Darstellung des Signals als Vektor im Phasenraum bieten. A phasor of the derivative from Q to I can provide an alternative representation of the signal as a vector in phase space.
Zweite oder höhere Ableitungen der abgeleiteten Daten nach der Zeit und/oder zu einer anderen abgeleiteten Größe und/oder Q-Daten und/oder I-Daten können helfen, höhere Ordnungen der Veränderungen im Signal zu erfassen. Second or higher derivatives of the derived data in time and/or to another derived quantity and/or Q data and/or I data may help to capture higher orders of changes in the signal.
Binarisierungen der abgeleiteten Daten können helfen, das Signal in einfachere, binäre Formate zu übersetzen. Dies führt zu Reduktion der Komplexität. Binarizations of the derived data can help translate the signal into simpler, binary formats. This leads to a reduction in complexity.
Binarisierungen von Q-Daten können helfen, das Signal in einfachere, binäre Formate zu übersetzen. Dies führt zu Reduktion der Komplexität. Binarizations of Q data can help translate the signal into simpler, binary formats. This leads to a reduction in complexity.
Binarisierungen der I-Daten können helfen, das Signal in einfachere, binäre Formate zu übersetzen. Dies führt zu Reduktion der Komplexität. Binarizations of the I data can help translate the signal into simpler, binary formats. This leads to a reduction in complexity.
Gleitende Mittelwerte der erzeugten Daten, gleitende Mittelwerte der Q-Daten und/oder gleitende Mittelwerte der I-Daten können helfen, das Signal zu glätten und Rauschen zu reduzieren. Moving averages of the generated data, moving averages of the Q data, and/or moving averages of the I data can help smooth the signal and reduce noise.
Durch Frequenzfilter gefilterte Q-Daten, durch Frequenzfilter gefilterte I-Daten und/oder durch Frequenzfilter gefilterte erzeugte Daten können helfen, unerwünschte Frequenzkomponenten im Signal zu reduzieren. Q data filtered by frequency filters, I data filtered by frequency filters and/or generated data filtered through frequency filters can help reduce unwanted frequency components in the signal.
Abgeleitete Daten aus vergangenen Zeitpunkten, Q-Daten aus vergangenen Zeitpunkten und/oder I-Daten von vergangenen Zeitpunkten können helfen, Änderungen im Signal im Zeitverlauf zu verfolgen und zu prognostizieren. Derived data from past time points, Q data from past time points, and/or I data from past time points can help track and predict changes in the signal over time.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann aus den Demodulationsdaten und/oder aus von diesen abgeleiteten Daten zumindest ein Eingangsmerkmal extrahiert werden, das dem statistischen Modell zugeführt wird. Das zumindest eine Eingangsmerkmal kann dabei vorteilhafterweise eine Linearkombination und/oder eine nicht-lineare Kombination der mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder der aus diesen abgeleiteten Daten sein. Solche Eingangsmerkmale können auch selbst als aus den Demodulationsdaten abgeleitete Daten angesehen werden. In an advantageous embodiment of the invention, at least one input feature can be extracted from the demodulation data and/or from data derived therefrom, which is fed to the statistical model. The at least one input feature can advantageously be a linear combination and/or a non-linear combination of the multi-dimensional demodulation data and/or the data derived therefrom. Such input features can also themselves be viewed as data derived from the demodulation data.
Vorteilhafterweise kann das statistische Modell eines oder mehrere ausgewählt aus der folgenden Gruppe enthalten oder sein: Ein künstliches neuronales Netz, ein künstliches neuronales Feed-Forward-Netz, ein künstliches neuronales rekurrentes Netz, ein künstliches Faltungsnetz oder eine Kombination aus den vorgenannten künstlichen neuronalen Netzen, ein Entscheidungsbaum, ein Entscheidungswald, ein Naive-Bayes-Modell, ein Nearest-Neighbour-Modell, eine Support-Vector-Machine, ein lineares Regressionsmodell, ein nicht-lineares Regressionsmodell, ein adaptives Filter, ein Kalman-Filter, ein Gamma-Filter, ein Markov-Modell, ein Modell aus einer linearen Diskriminanz-Analyse, ein Modell aus einer nicht-linearen Diskriminanz-Analyse, ein Modell aus einer Un- abhängige-Komponenten-Analyse, ein Modell aus einer Hauptkomponenten- Analyse und/oder ein Ensemble-Modell aus einem oder mehreren der vorgenannten Modelle. Es sei darauf hingewiesen, dass in der vorgenannten Liste jene mit englischen Namen benannten Modelle fachüblich mit diesem englischen Namen bezeichnet werden. Advantageously, the statistical model can contain or be one or more selected from the following group: an artificial neural network, an artificial neural feed-forward network, an artificial neural recurrent network, an artificial convolutional network or a combination of the aforementioned artificial neural networks, a decision tree, a decision forest, a naive Bayes model, a nearest neighbor model, a support vector machine, a linear regression model, a non-linear regression model, an adaptive filter, a Kalman filter, a gamma filter , a Markov model, a model from a linear discriminant analysis, a model from a non-linear discriminant analysis, a model from an independent component analysis, a model from a principal component analysis and/or an ensemble -Model from one or more of the aforementioned models. It should be noted that in the above list, those models named with English names are commonly referred to with this English name.
Die folgenden statistischen Modelle können beispielsweise mit folgenden Vorteilen zum Einsatz kommen: For example, the following statistical models can be used with the following advantages:
Künstliches neuronales Netz: Kann komplexe nicht-lineare Zusammenhänge in den Daten modellieren und somit eine hohe Vorhersagegenauigkeit für zeitreihenbasierte Vorhersagen liefern. Artificial neural network: Can create complex non-linear relationships model the data and thus provide high prediction accuracy for time series-based forecasts.
Künstliches neuronales Feed-Forward-Netz: Ein neuronales Netz, bei dem die Signale nur in eine Richtung fließen, ohne Rückkopplungen. Gut um einfache nicht-lineare Zusammenhänge wie z.B. die Vorhersage von einfachen Zeitreihen zu erstellen. Artificial feed-forward neural network: A neural network in which signals only flow in one direction, without feedback. Good for creating simple non-linear relationships such as forecasting simple time series.
Künstliches neuronales rekurrentes Netz: Ein neuronales Netz, bei dem die Ausgabe des Netzwerks auch als Eingabe für spätere Zeitpunkte dient, um auf vergangene Zustände zurückzugreifen und somit für die Vorhersage von Zeitreihen geeignet ist. Artificial neural recurrent network: A neural network in which the output of the network also serves as an input for later points in time to draw on past states and is therefore suitable for time series prediction.
Künstliches Faltungsnetz: Ein Modell, das für die Verarbeitung von Signalen entwickelt wurde, indem es lokale Merkmale extrahiert und diese zusammenführt. Dadurch erfolgt die Merkmalextraktion implizit und ist somit gut für komplexe Zeitreihen geeignet. Artificial convolutional network: A model designed to process signals by extracting local features and merging them. This means that feature extraction is implicit and is therefore well suited for complex time series.
Entscheidungsbaum: Ermöglicht die Identifikation wichtiger Variablen und Interaktionsmuster in den Daten, was besonders hilfreich ist, wenn die Beziehung zwischen den Variablen nicht linear ist. Decision Tree: Allows you to identify important variables and interaction patterns in the data, which is particularly useful when the relationship between the variables is non-linear.
Entscheidungswald: Ähnlich wie ein Entscheidungsbaum, jedoch durch den Einsatz von mehreren Entscheidungsbäumen können Ensemble-Methoden verwendet werden, um eine bessere Vorhersagegenauigkeit zu erzielen. Decision Forest: Similar to a decision tree, but using multiple decision trees, ensemble methods can be used to achieve better prediction accuracy.
Naive-Bayes-Modell: Eignet sich besonders gut für Probleme mit einer großen Anzahl von Variablen, da es eine einfache Annahme über die Unabhängigkeit der Variablen macht. Naive Bayes Model: Is particularly good for problems with a large number of variables because it makes a simple assumption about the independence of the variables.
Nearest-Neighbor-Modell: Kann in der Lage sein, die Muster und Zusammenhänge in den Daten gut zu erkennen, insbesondere wenn die Daten hochdimensional sind. Nearest Neighbor Model: Can be able to recognize the patterns and relationships in the data well, especially when the data is high dimensional.
Support-Vector-Machine: Kann auch in Fällen mit hochdimensionalen Daten nützlich sein, insbesondere wenn die Daten nichtlinear sind. Lineares Regressionsmodell: Eignet sich besonders gut für Probleme mit linearer Abhängigkeit zwischen den Variablen und kann schnell trainiert werden. Support Vector Machine: Can also be useful in cases with high-dimensional data, especially if the data is nonlinear. Linear regression model: Particularly suitable for problems with linear dependence between variables and can be trained quickly.
Nicht-lineares Regressionsmodell: Kann auch in Fällen mit nicht-linearer Abhängigkeit zwischen den Variablen nützlich sein, um komplexe Muster und Zusammenhänge zu erfassen Non-linear regression model: Can also be useful in cases with non-linear dependence between variables to capture complex patterns and relationships
Adaptives Filter: Ein Modell, das in der Lage ist, sich an veränderliche Umgebungsbedingungen anzupassen und für die Signalverarbeitung und Vorhersage eingesetzt wird. Adaptive filter: A model capable of adapting to changing environmental conditions and used for signal processing and prediction.
Kalman-Filter: Ein stochastisches Modell, das zur Schätzung von Zuständen eines dynamischen Systems verwendet wird und für die Vorhersage von Zeitreihen geeignet ist. Kalman filter: A stochastic model used to estimate states of a dynamical system and suitable for time series prediction.
Gamma-Filter: Kann Rauschen in den Daten reduzieren und gleichzeitig einen effektiven Trade-off zwischen Vorhersagegenauigkeit und Reaktionszeit bieten. Gamma filter: Can reduce noise in the data while providing an effective trade-off between prediction accuracy and response time.
Markov-Modell: Ein Modell, das auf der Annahme basiert, dass der zukünftige Zustand nur vom gegenwärtigen Zustand abhängig ist und für die Vorhersage von Zeitreihen geeignet ist. Markov model: A model based on the assumption that the future state depends only on the present state and is suitable for time series prediction.
Ein Modell aus einer linearen Diskriminanz-Analyse: Kann hilfreich sein, um die Vorhersage von Kategorien in zeitreihenbasierten Daten zu verbessern. A model from a linear discriminant analysis: Can be useful for improving the prediction of categories in time series-based data.
Ein Modell aus einer nicht-linearen Diskriminanz-Analyse: Dies kann eine höhere Vorhersagegenauigkeit als lineare Diskriminanz-Analyse-Modelle liefern und ist besonders nützlich, wenn die Beziehungen zwischen den Variablen nichtlinear sind. A model from a non-linear discriminant analysis: This can provide higher predictive accuracy than linear discriminant analysis models and is particularly useful when the relationships between the variables are non-linear.
Ein Modell aus einer Unabhängige-Komponenten-Analyse: Kann helfen, versteckte Variablen und Muster in den Daten zu identifizieren, indem es die Variablen so umwandelt, dass sie statistisch unabhängig werden. Ein Modell aus einer Hauptkomponenten-Analyse: Kann helfen, komplexe Zusammenhänge zwischen den Variablen in den Daten zu reduzieren und die wichtigsten Trends oder Muster in den Daten zu identifizieren, was insbesondere bei der Modellierung von Zeitreihen von Vorteil sein kann. Darüber hinaus kann PCA auch dazu beitragen, den Rauschanteil in den Daten zu reduzieren und somit die Genauigkeit der Vorhersagen zu verbessern. An independent component analysis model: Can help identify hidden variables and patterns in the data by transforming the variables to make them statistically independent. A model from a principal components analysis: Can help reduce complex relationships between variables in the data and identify key trends or patterns in the data, which can be particularly beneficial when modeling time series. In addition, PCA can also help reduce the amount of noise in the data and thus improve the accuracy of predictions.
Für neuronale Netze (abgekürzt NN) kommen unter anderem die folgenden infrage, mit den jeweils genannten Vorteilen. Dabei können einige dieser Ansätze können auch in Kombination und/oder konsekutiv verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Encoder-Decoder Netzwerk so aufgebaut werden, dass es bayesian und förderiert ist. The following, among others, are possible for neural networks (abbreviated NN), with the advantages mentioned in each case. Some of these approaches can also be used in combination and/or consecutively. For example, an encoder-decoder network can be built to be Bayesian and promoted.
Bayesian Neural Networks: Ein NN, das auf Bayes'scher Wahrscheinlichkeit basiert, um die Unsicherheit in den Vorhersagen zu quantifizieren und zu reduzieren, indem es eine Verteilung der Gewichte anstatt einer einzelnen Gewichtszahl verwendet. Es ist eine gute Wahl für die Modellierung von Zeitreihen, wenn Unsicherheit bei Vorhersagen berücksichtigt werden muss. Es eignet sich somit sehr gut im medizinischen Kontext. Bayesian Neural Networks: An NN based on Bayesian probability to quantify and reduce the uncertainty in the predictions by using a distribution of weights rather than a single weight number. It is a good choice for time series modeling when uncertainty needs to be taken into account in predictions. It is therefore very suitable in a medical context.
Förderiert trainierte neuronale Netze: Eine Gruppe von NNs, die dezentral auf mehreren Geräten trainiert werden, um die Datenschutz- und Sicherheitsbedenken bei der Verwendung von sensiblen Daten zu lösen. Geeignet für die Verarbeitung von großen Datenmengen, die in verteilten Umgebungen erfasst werden. Gut für die spätere Anwendung, wenn es dezentral mehrere Thora- xmonitore gibt, welche alle Daten erfassen und ein NN trainieren. Ein guter Schritt in Richtung Generalisierung. Promoted Trained Neural Networks: A group of NNs trained decentrally on multiple devices to address privacy and security concerns when using sensitive data. Suitable for processing large amounts of data collected in distributed environments. Good for later use when there are several decentralized chest monitors that record all the data and train an NN. A good step towards generalization.
Encoder-Decoder-Netzwerke: Eine Art von NNs, die Eingangsdaten kodieren und dekodieren, um eine bestimmte Aufgabe wie Vorhersage oder Übersetzung durchzuführen. Sie sind geeignet für die Modellierung von Zeitreihen, da sie in der Lage sind, komplexe Muster in den Daten zu erfassen und Vorhersagen aufgrund dieser Muster zu generieren. Encoder-decoder networks: A type of NNs that encode and decode input data to perform a specific task such as prediction or translation. They are suitable for time series modeling because they are able to capture complex patterns in the data and generate predictions based on these patterns.
Attention-Based Networks: Ein NN, das die Gewichtung der Eingabevariablen durch eine Aufmerksamkeitsfunktion optimiert, um wichtige Informationen zu identifizieren und zu fokussieren, während irrelevante Informationen unterdrückt werden. Sie sind geeignet für die Verarbeitung von langen Zeitreihen mit vielen Variablen, da es selektive Aufmerksamkeit auf bestimmte Variablen oder Muster lenken kann. Attention-Based Networks: An NN that optimizes the weight of the input variables through an attention function to provide important information identify and focus while suppressing irrelevant information. They are suitable for processing long time series with many variables as it can draw selective attention to certain variables or patterns.
Generative Modelle (Adversarial Networks (GANs) und Variational Autoencoder (VAE)): NNs, die in der Lage sind, neue Daten zu generieren, die den Statistiken der Eingangsdaten folgen. Sie sind geeignet für die Erzeugung von simulierten Zeitreihen, die den Eigenschaften von echten Zeitreihen entsprechen. Gut zur Dataaugmentation und somit ein Schritt zur Generalisierung. Die erzeugten Daten können dann einem anderen NN wieder zugefügt werden. Generative Models (Adversarial Networks (GANs) and Variational Autoencoder (VAE)): NNs capable of generating new data following the statistics of the input data. They are suitable for generating simulated time series that correspond to the properties of real time series. Good for data augmentation and therefore a step towards generalization. The data generated can then be added back to another NN.
Reinforcement Learning Netzwerke: Ein NN, das mit einer Umgebung interagiert und durch Versuche und Fehler lernt, wie man eine Aufgabe ausführt, indem es positive und negative Belohnungen erhält. Geeignet für die Verarbeitung von zeitabhängigen Daten, da es in der Lage ist, Entscheidungen auf der Grundlage von Historie und aktuellem Zustand zu treffen. Reinforcement Learning Networks: An NN that interacts with an environment and through trial and error learns how to perform a task by receiving positive and negative rewards. Suitable for processing time-dependent data as it is able to make decisions based on history and current state.
LSTMs (Spezielle Form von RNNs): Ein RNN mit einer speziellen Architektur, die in der Lage ist, lange Abhängigkeiten in den Daten zu erfassen und zu speichern. Geeignet für die Modellierung von Zeitreihen, da es in der Lage ist, vergangene Zustände effektiv zu speichern und zu verarbeiten. Optional kann beispielsweise auch ein LSTM mehrfach in der Encoder-Decoder Architektur in Kombination vorkommen. Auch kann optional ein LSTM nach einem CNN (z.B. für die Feature Extraktion) konsekutiv folgen. LSTMs (Special form of RNNs): An RNN with a special architecture capable of capturing and storing long dependencies in the data. Suitable for time series modeling because it is able to effectively store and process past states. Optionally, for example, an LSTM can also occur multiple times in combination in the encoder-decoder architecture. An LSTM can also optionally follow a CNN (e.g. for feature extraction) consecutively.
Deep Belief Networks: Eine Art von NN, das mehrere Schichten von verbundenen Neuronen hat, die für die Extraktion von Merkmalen und die Vorhersage von Ausgabedaten verwendet werden. Geeignet für die Modellierung von Zeitreihen, da es in der Lage ist, komplexe Abhängigkeiten zwischen den Daten zu erfassen und auszunutzen. Deep Belief Networks: A type of NN that has multiple layers of connected neurons used for feature extraction and output data prediction. Suitable for time series modeling as it is able to capture and exploit complex dependencies between the data.
Echo State Networks (RNN Typ): Eine spezielle Art von RNNs, die eine zufällige, feste Verbindung zwischen Neuronen in der internen Schicht haben. Sie sind geeignet für die Modellierung von Zeitreihen, da es in der Lage ist, vergangene Zustände effektiv zu speichern und zu verarbeiten, was für die Vorhersage von zukünftigen Zuständen entscheidend ist. Echo State Networks (RNN Type): A special type of RNNs that have a random, fixed connection between neurons in the internal layer. They are suitable for time series modeling because it is able to effectively store and process past states, which is useful for forecasting future conditions is crucial.
Gated Recurrent Unit (RNN Typ): Eine spezielle Art von RNNs, die es ermöglicht, das Vergessen von Informationen aus früheren Zeitpunkten zu kontrollieren, indem ein Gating-Mechanismus in der Architektur verwendet wird. Sie sind geeignet für die Modellierung von Zeitreihen, da es in der Lage ist, wichtige Informationen aus der Vergangenheit beizubehalten, während es irrelevante Informationen abwirft. Gated Recurrent Unit (RNN Type): A special type of RNNs that allows controlling the forgetting of information from previous points in time by using a gating mechanism in the architecture. They are suitable for time series modeling because it is able to retain important information from the past while shedding irrelevant information.
Transformer Networks: Eine Architektur, die auf der Verwendung von Multi- Head-Attention-Mechanismen basiert, um Beziehungen zwischen verschiedenen Teilen der Eingabevariablen zu modellieren. Sind sind geeignet für die Verarbeitung von langen Zeitreihen, da es in der Lage ist, selektive Aufmerksamkeit auf wichtige Teile der Eingabevariablen zu lenken und irrelevante Informationen zu unterdrücken. Transformer Networks: An architecture based on the use of multi-head attention mechanisms to model relationships between different parts of the input variables. Are suitable for processing long time series because it is able to focus selective attention on important parts of the input variables and suppress irrelevant information.
Auch ein oder mehrere der folgenden Modelle kann optional zum Einsatz kommen: One or more of the following models can also be used as an option:
Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA): Ein statistisches Modell, das auf der Kombination von autoregressiven und gleitenden Durchschnittsprozessen basiert und in der Lage ist, nichtlineare Zusammenhänge in einer Zeitreihe zu modellieren. Sie sind geeignet zum Beispiel für die Vorhersage von kurzfristigen Trends in Zeitreihen, wie z.B. Arrythmien. Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA): A statistical model based on the combination of autoregressive and moving average processes and capable of modeling non-linear relationships in a time series. They are suitable, for example, for predicting short-term trends in time series, such as arrhythmias.
Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average (SARIMA): Eine Erweiterung von ARIMA, die die saisonale Komponente in einerZeitreihe berücksichtigt und in der Lage ist, saisonale Muster in der Datenreihe zu erfassen. Sie sind geeignet für die Vorhersage von saisonalen Trends in Zeitreihen, wie z.B. chronische Krankheiten. Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average (SARIMA): An extension of ARIMA that takes into account the seasonal component in a time series and is capable of capturing seasonal patterns in the data series. They are suitable for predicting seasonal trends in time series, such as chronic diseases.
Exponential Smoothing (ETS): Ein statistisches Modell, das auf der Schätzung von Trends und saisonalen Effekten basiert und in der Lage ist, sowohl kurzfristige als auch langfristige Trends in einer Zeitreihe zu modellieren. Ein solches ist geeignet für die Vorhersage von kurz- und langfristigen Trends in Zeitreihen. Anwendung zum Beispiel wie oben beschrieben. Vector Autoregression (VAR): Ein statistisches Modell, das mehrere Variablen in einer Zeitreihe modellieren kann, indem es die Abhängigkeiten zwischen den Variablen berücksichtigt. Geeignet für die Modellierung von Zeitreihen mit mehreren Variablen und zur Vorhersage von Zusammenhängen zwischen den Variablen. Die Abhängigkeit ist im hier vorliegenden Fall Q/l ■ Exponential Smoothing (ETS): A statistical model based on the estimation of trends and seasonal effects, capable of modeling both short-term and long-term trends in a time series. This is suitable for predicting short- and long-term trends in time series. Application, for example, as described above. Vector autoregression (VAR): A statistical model that can model multiple variables in a time series by taking into account the dependencies between the variables. Suitable for modeling time series with multiple variables and predicting relationships between variables. In this case the dependency is Q/l ■
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine Merkmal des Ablaufs und/oder die zeitliche Darstellung des Ablaufs in Echtzeit erzeugt wird. Unter „Echtzeit" wird dabei insbesondere verstanden, dass die zur Verarbeitung im Erzeugungsschritt und vorteilhaft auch im Demodulationsschritt benötigte Zeit kürzer ist, als eine vorgegeben Schwelle. Die Schwelle wird dabei für die gegebene Anwendung geeignet gewählt. Sie kann insbesondere so gewählt werden, dass sie kleiner ist, als die kleinste Zeitskala der fraglichen Anwendung. Vorteilhafterweise kann eine schnelle Erzeugung bzw. Verarbeitung im Erzeugungsschritt durch folgende Maßnahmen erreicht werden, die für die Echtzeit-Auswertung, aber auch für andere Zwecke vorteilhaft sein können: A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the at least one feature of the process and/or the temporal representation of the process is generated in real time. “Real time” is understood in particular to mean that the time required for processing in the generation step and advantageously also in the demodulation step is shorter than a predetermined threshold. The threshold is chosen to be suitable for the given application. In particular, it can be chosen so that it is smaller than the smallest time scale of the application in question. Advantageously, rapid generation or processing in the generation step can be achieved by the following measures, which can be advantageous for real-time evaluation, but also for other purposes:
In vorteilhafter Ausgestaltung kann ein statistisches Modell, z.B. ein tiefes neuronales Netz, mit einer Inferenzlatenz von weniger oder gleich 200ms, vorzugsweise weniger oder gleich 150ms, vorzugsweise weniger oder gleich 100ms, vorzugsweise weniger oder gleich 50ms, vorzugsweise weniger oder gleich 30ms, vorzugsweise weniger oder gleich 20ms, vorzugsweise weniger oder gleich 10ms, vorzugsweise weniger oder gleich 5ms, vorzugsweise weniger cider gleich 1ms verwendet werden. Als untere Grenze kann selbstverständlich 0ms angesehen werden, da normalerweise eine Mindestinferenzlatenz nicht erforderlich ist. In an advantageous embodiment, a statistical model, for example a deep neural network, with an inference latency of less or equal to 200ms, preferably less or equal to 150ms, preferably less or equal to 100ms, preferably less or equal to 50ms, preferably less or equal to 30ms, preferably less or equal to 20ms, preferably less or equal to 10ms, preferably less or equal to 5ms, preferably less or equal to 1ms can be used. Of course, 0ms can be considered the lower limit, since a minimum inference latency is usually not required.
Vorteilhaft kann ein tiefes neuronales Netz mit eine Tiefe von weniger oder gleich 150, vorzugsweise weniger oder gleich 50 Schichten, vorzugsweise weniger oder gleich 20 Schichten, vorzugsweise weniger oder gleich 10 Schichten, vorzugsweise weniger oder gleich 3 Schichten, verwendet werden. Gleichzeitig sollte das Netzt aber eine hinreichende Komplexität haben, um die betreffende Erzeugung hinreichend genau bewirken zu können. Das Modell hat Vorzugs- weise zwei oder mehr Schichten. Generell ist für schnelle bzw. Echtzeitverarbeitung die Latenz der Inferenz die wichtigere Größe zur Charakterisierung des Netzes. A deep neural network with a depth of less than or equal to 150, preferably less or equal to 50 layers, preferably less or equal to 20 layers, preferably less or equal to 10 layers, preferably less or equal to 3 layers can advantageously be used. At the same time, however, the network should have sufficient complexity to be able to effect the relevant generation with sufficient precision. The model has preferential wise two or more layers. In general, for fast or real-time processing, the latency of the inference is the more important parameter for characterizing the network.
Für eine schnelle Erzeugung, insbesondere für Echtzeiterzeugung im Erzeugungsschritt können vorteilhafterweise ein oder mehrere der folgenden Optimierungstechniken eingesetzt werden: For rapid generation, in particular for real-time generation in the generation step, one or more of the following optimization techniques can advantageously be used:
Quantisierung: Es kann die Genauigkeit der Gewichte und Aktivierungen im Netz reduziert werden, wodurch der Speicherbedarf und die Inferenzzeit erheblich verringert werden können, während die Genauigkeit erhalten werden kann. Quantization: The accuracy of weights and activations in the network can be reduced, which can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann Pruning eingesetzt werden. Dabei können unwichtige Verbindungen oder Neuronen aus dem Netz entfernt werden, wodurch die Größe des Netzes verringert wird, wodurch der Speicherbedarf und die Inferenzzeit erheblich verringert werden können, während die Genauigkeit erhalten bleiben kann. Pruning can be used in an advantageous embodiment. In doing so, unimportant connections or neurons can be removed from the network, thereby reducing the size of the network, which can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann Knowledge Distillation (Transfer Learning) eingesetzt werden. Dabei kann ein kleineres Netz trainiert werden, um das Verhalten eines größeren, komplexeren Netzes zu imitieren. Dadurch kann der Speicherbedarf und die Inferenzzeit erheblich verringert werden, während die Genauigkeit erhalten bleiben kann. In an advantageous embodiment, knowledge distillation (transfer learning) can be used. A smaller network can be trained to imitate the behavior of a larger, more complex network. This can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können Kompressionsalgorithmen eingesetzt werden. Vorteilhaft kann zum Beispiel Huffman-Kodierung eingesetzt werden. Dies ist eine verlustfreie Komprimierungstechnik, die häufig verwendete Zeichen, in hier vorliegenden Fall Gewichte der Neuronen, in einem Datensatz mit kürzeren Bitfolgen kodiert, um die Gesamtgröße des Netzes zu reduzieren, wodurch der Speicherbedarf und die Inferenzzeit erheblich verringert werden können, während die Genauigkeit erhalten bleiben kann. In an advantageous embodiment, compression algorithms can be used. For example, Huffman coding can be used advantageously. This is a lossless compression technique that encodes commonly used characters, in this case weights of neurons, into a data set with shorter bit strings to reduce the overall size of the network, which can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy can stay.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann Lempel-Ziv-Komprimierung eingesetzt werden. Dies ist eine verlustfreie Komprimierungstechnik, die redundante Daten in einem Datensatz erkennt, in hiervorliegenden Fall Gewichte der Neuronen, und durch Referenzen auf zuvor auftretende Daten ersetzt, um die Gesamtgröße des Netzes zu reduzieren, wodurch der Speicherbedarf und die Inferenzzeit erheblich verringert werden können, während die Genauigkeit erhalten bleiben kann. In a further advantageous embodiment, Lempel-Ziv compression can be used. This is a lossless compression technique that detects redundant data in a data set, in this case weights of neurons, and replaced with references to previously occurring data to reduce the overall size of the network, which can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
Auch learning-based Kompression (siehe z.B. https : / /ar- xiv . org/pdf / 1802 . 034 94 . pdf) kann vorteilhaft zum Einsatz kommen. Dies ist eine Methode zur Datenkompression, bei der Reinforcement Learning genutzt wird, um eine Kompressionspolitik zu generieren, die bestimmt, welche Teile des Modells reduziert werden können. Hierdurch kann der Speicherbedarf und die Inferenzzeit erheblich verringert werden, während die Genauigkeit erhalten bleiben kann. Learning-based compression (see e.g. https : / /ar-xiv . org/pdf / 1802 . 034 94 . pdf) can also be used advantageously. This is a data compression method that uses reinforcement learning to generate a compression policy that determines which parts of the model can be reduced. This can significantly reduce memory requirements and inference time while maintaining accuracy.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann NAS (Neural Architecture Search) zur Erzeugung eingesetzt werden. Dabei wird mithilfe automatisierter Techniken nach optimalen Netzarchitekturen gesucht, die ein Gleichgewicht zwischen Größe, das heißt Inferenzlatenz, und Genauigkeit herstellen. Im Vergleich zu den anderen erwähnten Kompressionstechniken, welche ein vortrainiertes statistisches Modell versuchen zu optimieren, wird mit NAS direkt nach einer optimalen Architektur gesucht, welche die Bedürfnisse des Nutzers, im hier vorliegenden Fall die Inferenzlatenz und Genauigkeit, erfüllen. In an advantageous embodiment, NAS (Neural Architecture Search) can be used for generation. This involves using automated techniques to search for optimal network architectures that strike a balance between size, i.e. inference latency, and accuracy. In comparison to the other compression techniques mentioned, which attempt to optimize a pre-trained statistical model, NAS directly searches for an optimal architecture that meets the user's needs, in this case the inference latency and accuracy.
Eine Beschleunigung des Erzeugungsschritts kann auch durch Parallelisierung des Modells erreicht werden. Möglich ist dabei unter anderem, die Berechnungen auf mehrere Prozessoren oder GPUs auszuführen, um die Vorhersagegeschwindigkeit zu erhöhen. The generation step can also be accelerated by parallelizing the model. It is possible, among other things, to run the calculations on multiple processors or GPUs in order to increase the prediction speed.
Ebenfalls möglich ist es, mehrere Modelle parallel im Ensemble zu verwenden. Dabei kann die Inferenz parallel laufen mit mehreren kleineren Modellen mit geringerer Latenz und anschließendem Mehrheitsentscheid beziehungsweise Mittelung der Inferenzen. It is also possible to use several models in parallel in the ensemble. The inference can run in parallel with several smaller models with lower latency and subsequent majority decision or averaging of the inferences.
Darüber hinaus könnte die Abtastrate und/oder die Dimension der Werte der erfindungsgenäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens adaptiv geändert werden, um die Komplexität der Eingabedaten adaptiv zu än- dem und dadurch die Inferenzlatenz des statistischen Modells situationsabhängig anzupassen. So kann zum Beispiel eine erfindungsgemäße Vorrichtung (auch „Toraxmonitor" genannt) 2 Signale erzeugen, zwei Vorrichtungen können 4 Signale erzeugen oder 3 Vorrichtungen können 6 Signale erzeugen. In addition, the sampling rate and/or the dimension of the values of the device according to the invention or the method according to the invention could be adaptively changed in order to adaptively change the complexity of the input data. this and thereby adapt the inference latency of the statistical model depending on the situation. For example, a device according to the invention (also called a “torax monitor”) can generate 2 signals, two devices can generate 4 signals or 3 devices can generate 6 signals.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das elektromagnetische Wechselfeld über zumindest eine Sendestruktur in das Objekt eingestrahlt werden, indem durch einen Signalgenerator eine Wechselspannung erzeugt wird, mit der die zumindest eine Sendestruktur beaufschlagt wird. Darüber hinaus kann das Wechselfeld durch zumindest eine Empfangsstruktur empfangen werden, nachdem es das Objekt durchlaufen hat. In an advantageous embodiment of the invention, the alternating electromagnetic field can be irradiated into the object via at least one transmission structure by generating an alternating voltage by a signal generator, which is applied to the at least one transmission structure. In addition, the alternating field can be received by at least one receiving structure after it has passed through the object.
Vorteilhafterweise wird die Wechselspannung und/oder das eingestrahlte Wechselfeld mit einer Frequenz von größer oder gleich 10 MHz, vorzugsweise größer oder gleich 30 MHz, vorzugsweise größer oder gleich 100 MHz und/oder kleiner gleich 1.000 MHz, vorzugsweise kleiner oder gleich 500 MHz, vorzugsweise kleiner oder gleich 300 MHz erzeugt. Advantageously, the alternating voltage and/or the radiated alternating field has a frequency of greater than or equal to 10 MHz, preferably greater than or equal to 30 MHz, preferably greater than or equal to 100 MHz and/or less than or equal to 1,000 MHz, preferably less than or equal to 500 MHz, preferably smaller or equal to 300 MHz.
Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die zumindest eine Sendestruktur und die zumindest eine Empfangsstruktur auf der gleichen Seite des Objekts angeordnet sind. Beispielsweise können die Sendestruktur und die Empfangsstruktur in einer Rückenlehne, zumindest einer Seitenlehne und/oder zumindest einer Armlehne eines Sitzes oder in einer Liegefläche angeordnet sein. Auf diese Weise ist eine Messung beispielsweise möglich, wenn eine Person auf einem Sitz sitzt oder auf der Liege liegt. It is particularly advantageous if the at least one transmitting structure and the at least one receiving structure are arranged on the same side of the object. For example, the transmitting structure and the receiving structure can be arranged in a backrest, at least one siderest and/or at least one armrest of a seat or in a lying surface. In this way, a measurement is possible, for example, when a person is sitting on a seat or lying on a lounger.
Vorteilhaft kann die zumindest eine Sendestruktur und die zumindest eine Empfangsstruktur in Textilien, die am Körper getragen werden und/oder körpernah angeordnet sein. Das können z.B. Jacken oder Decken sein. Auch eine Anordnung in einer Sportausrüstung, in medizinischen Geräten wie z.B. einem Rollstuhl, eine Anordnung in Haushaltsgeräten wie z.B. einem Herd zur Überwachung des Wasserstands, eine Anordnung in Industrieanlagen, zum Beispiel zur Überwachung des Zustands von Maschinen und Anlagen, ist möglich. Advantageously, the at least one transmitting structure and the at least one receiving structure can be arranged in textiles that are worn on the body and/or close to the body. This could be, for example, jackets or blankets. An arrangement in sports equipment, in medical devices such as a wheelchair, an arrangement in household appliances such as a stove to monitor the water level, an arrangement in industrial plants, for example to monitor the condition of machines and systems, is also possible.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Objekt ein menschlicher Körper sein. In diesem Fall kann die zumindest eine Sendestruktur zum Beispiel in unmittelbarer Nähe und/oder auf einem Thorax und/oder einem Abdomen des Körpers angeordnet sein. Die zumindest eine Empfangsstruktur kann ebenfalls in unmittelbarer Nähe und/oder auf dem Thorax und/oder dem Abdomen angeordnet sein. Dabei soll als Anordnung auf dem entsprechenden Körperteil vorzugsweise eine Konstellation angesehen werden, bei der die Sendestruktur bzw. die Empfangsstruktur in hinreichender Nähe zu dem entsprechenden Körperteil angeordnet ist, so dass die Messung mit der gewünschten Genauigkeit möglich ist. Es können selbstverständlich auch Vorrichtungen vorgesehen sein, die die Sendestruktur bzw. die Empfangsstruktur auf dem entsprechenden Körperteil halten. Alternativ können die Sendestruktur bzw. die Empfangsstruktur auch ortsfest angeordnet sein und die Person kann sich mit ihrem Körper in eine entsprechende Position in der Nähe der Sendestruktur bzw. der Empfangsstruktur begeben. Auch diese Ausgestaltung soll optional als Anordnung der Sendestruktur bzw. der Empfangsstruktur auf dem entsprechenden Körperteil angesehen werden. In an advantageous embodiment of the invention, the object can be a human body. In this case, the at least one transmission structure can be used For example, be arranged in the immediate vicinity and/or on a thorax and/or an abdomen of the body. The at least one receiving structure can also be arranged in the immediate vicinity and/or on the thorax and/or the abdomen. The arrangement on the corresponding body part should preferably be considered a constellation in which the transmitting structure or the receiving structure is arranged in sufficient proximity to the corresponding body part so that the measurement is possible with the desired accuracy. Of course, devices can also be provided which hold the transmitting structure or the receiving structure on the corresponding part of the body. Alternatively, the transmitting structure or the receiving structure can also be arranged in a stationary manner and the person can move their body into a corresponding position near the transmitting structure or the receiving structure. This embodiment should also optionally be viewed as an arrangement of the transmitting structure or the receiving structure on the corresponding part of the body.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich das zu messende Objekt im Nahfeld der zumindest einen Sende- und/oder Empfangsstruktur. Das Nahfeld kann hierbei als der Bereich um die Sende- und/oder Empfangsstruktur verstanden werden, in dem sich das elektromagnetische Wechselfeld noch nicht vollständig von der Sende- und/oder Empfangsstruktur gelöst hat und noch nicht als ebene Welle in den Freiraum abgestrahlt wird. Das elektromagnetische Wechselfeld ist im Nahfeld noch mit der Sende- und/oder Empfangsstrukturgekoppelt. Auch die Definition des Nahfeldes der IEEE kann optional zugrundegelegt werden. Hier ist die äußere Grenze definiert als der Abstand X/(2n) von der Antennenoberfläche, wobei Xdie Wellenlänge im Freiraum ist (Vgl. IEEE Standard for Definitions of Terms for Antennas, IEEE Std 145-2013). Folglich ist vorteilhaft der Abstand der Sende- und/oder Empfangsstruktur zu dem zu messenden Objekt kleiner oder gleich X/(2n) . In an advantageous embodiment, the object to be measured is located in the near field of the at least one transmitting and/or receiving structure. The near field can be understood here as the area around the transmitting and/or receiving structure in which the alternating electromagnetic field has not yet completely separated from the transmitting and/or receiving structure and is not yet radiated into the free space as a plane wave. The alternating electromagnetic field is still coupled to the transmitting and/or receiving structure in the near field. The IEEE definition of the near field can also optionally be used as a basis. Here the outer limit is defined as the distance X/(2n) from the antenna surface, where X is the wavelength in free space (see IEEE Standard for Definitions of Terms for Antennas, IEEE Std 145-2013). Consequently, the distance between the transmitting and/or receiving structure and the object to be measured is advantageously less than or equal to X/(2n).
Besonders bevorzugt ist die zumindest eine Sendestruktur und/oder die zumindest eine Empfangsstruktur lateral, dorsal oder ventral zum Abdomen und/oder lateral, dorsal oder ventral zum Thorax des Körpers angeordnet. Particularly preferably, the at least one transmitting structure and/or the at least one receiving structure is arranged laterally, dorsally or ventrally to the abdomen and/or laterally, dorsally or ventrally to the thorax of the body.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das elektromagnetische Wechselfeld über zumindest zwei Sende-Empfangspaare eingestrahlt und empfangen werden. Jedes der Sende-Empfangspaare kann dabei eine Sendestruktur und eine Empfangsstruktur enthalten. Dabei kann das Wechselfeld, was von einem Sender eines der Sende-Empfangspaare eingestrahlt wird und durch den Empfänger dieses Paares empfangen wird, als ein Einzelwechselfeld angesehen werden und das durch Sender und Empfänger weiterer Sende-Empfangspaare jeweils als eigene Wechselfelder angesehen werden. Jedes Sende- Empfangspaar kann also mit einem eigenen Wechselfeld den Vorgang des Einstrahlens und Empfangens ausführen. Da andererseits auch die Gesamtheit aller derart erzeugten Wechselfelder als ein gemeinsames Wechselfeld mit einer bestimmten räumlichen Verteilung angesehen werden kann, kann dies auch so formuliert werden, dass das elektromagnetische Wechselfeld über die zumindest zwei Sende-Empfangspaare in das Objekt eingestrahlt wird und empfangen wird, nachdem es das Objekt durchlaufen hat. Diese Ausgestaltung erlaubt eine Unterdrückung von Störgrößen bzw. eine Verbesserung der Schätzung cider Bestimmung des Merkmals des Ablaufs unterhalb der zeitlichen Darstellung des Ablaufs durch die Erhöhung der Dimensionalität der Demodulationsdaten bzw. des Modells. Auch die Signalqualität, Robustheit und Reproduzierbarkeit kann auf diese Weise verbessert werden. Auch ist die Verwendung einer ungleichen Anzahl von Empfangs- und Sendestrukturen möglich. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Verwendung von mehr Empfangs- als Senderstrukturen. Beispielsweise kann die zumindest eine Sendestruktur das Wechselfeld in das Objekt einstrahlen und die zumindest zwei Empfangsstrukturen das Wechselfeld empfangen nach dem es das Objekt durchlaufen hat. Vorteilhafterweiser können die zumindest zwei Empfangstrukturen an anderen Position um das Objekt oder an dem Objekt angeordnet sein. In an advantageous development of the invention, the alternating electromagnetic field can be irradiated via at least two transmit-receive pairs are received. Each of the send-receive pairs can contain a send structure and a receive structure. The alternating field, which is emitted by a transmitter of one of the transmit-receive pairs and received by the receiver of this pair, can be viewed as a single alternating field and which can be viewed by the transmitter and receiver of other transmit-receive pairs as separate alternating fields. Each transmit-receive pair can therefore carry out the process of irradiation and reception with its own alternating field. On the other hand, since the entirety of all alternating fields generated in this way can be viewed as a common alternating field with a specific spatial distribution, this can also be formulated in such a way that the alternating electromagnetic field is irradiated into the object via the at least two transmit-receive pairs and is received after it passed through the object. This configuration allows suppression of disturbance variables or an improvement in the estimation of the determination of the characteristic of the process below the temporal representation of the process by increasing the dimensionality of the demodulation data or the model. The signal quality, robustness and reproducibility can also be improved in this way. It is also possible to use an unequal number of receiving and sending structures. The use of more receiving structures than transmitting structures is particularly advantageous. For example, the at least one transmitting structure can radiate the alternating field into the object and the at least two receiving structures can receive the alternating field after it has passed through the object. Advantageously, the at least two receiving structures can be arranged at a different position around the object or on the object.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Verfahren so geführt werden, dass es den Ablauf kontinuierlich überwacht und kontinuierlich zumindest ein Merkmal des Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung des Ablaufs erzeugt. Als kontinuierlich soll hier jede regelmäßige Wiederholung des Verfahrens angesehen werden, also eine Ausführung des Verfahrens zu diskreten Zeitpunkten, zu quasi kontinuierlichen Zeitpunkten oder stetig im Verständnis digitaler Datenverarbeitung. In an advantageous embodiment of the invention, the method can be carried out in such a way that it continuously monitors the process and continuously generates at least one feature of the process and/or a temporal representation of the process. Any regular repetition of the process should be considered continuous here, i.e. execution of the process at discrete times, at quasi-continuous times or continuously in the sense of digital data processing.
Das so ermittelte Merkmal oder die so ermittelte Darstellung des Ablaufs kann mit vorhergehenden Werten des Merkmals oder vorhergehenden Darstellungen des Ablaufs verglichen werden. Insbesondere kann dann ein Ereignis ausgelöst werden, wenn das zuletzt bestimmte Merkmal von einem früheren Wert des Merkmals um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert abweicht und/oder wenn eine Charakteristik der Darstellung des Ablaufs von einer früheren Ausgestaltung dieser Charakteristik des Ablaufs signifikant abweicht. Als Ereignis kann beispielsweise ein Alarm ausgegeben werden. Mögliche Anwendungen für eine solche Verfahrensführung sind beispielsweise solche zur Überwachung von Vitalfunktionen, bei denen eine Veränderung einen kritischen Zustand bedeuten kann. The characteristic determined in this way or the representation of the process determined in this way can can be compared with previous values of the feature or previous representations of the process. In particular, an event can be triggered if the last determined feature deviates from an earlier value of the feature by more than a predetermined threshold value and/or if a characteristic of the representation of the process deviates significantly from a previous embodiment of this characteristic of the process. For example, an alarm can be issued as an event. Possible applications for such a procedure include, for example, those for monitoring vital functions in which a change can mean a critical condition.
Es wird hierzu vorzugsweise das Verfahren regelmäßig wiederholt ausgeführt und ein Wert des zumindest einen Ablaufs regelmäßig wiederholt mit zumindest einem früheren Wert des Merkmals verglichen. Es kann dann ein Hinweisereignis ausgelöst werden, wenn der Wert des Merkmals um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von dem früheren Wert des Merkmals abweicht. For this purpose, the method is preferably carried out regularly and a value of the at least one process is regularly compared with at least one previous value of the feature. An alert event can then be triggered if the value of the feature deviates from the previous value of the feature by more than a predetermined threshold.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung können Parameter des statistischen Modells und/oder das statistische Modell basierend auf einer Differenz zwischen dem Wert des erzeugten Merkmals und dem entsprechenden früheren Wert des Merkmals angepasst werden, wenn der Wert des erzeugten Merkmals um weniger als den Schwellenwert vom früheren Wert abweicht. Auf diese Weise kann sich das Modell an die aktuelle Verfasstheit beispielsweise der Person anpassen, so dass beispielsweise ein Hinweisereignis nur ausgelöst wird, wenn die Abweichung zwischen dem letzten Wert des Merkmals und den entsprechenden früheren Werten größer ist als der Schwellenwert. In a particularly advantageous embodiment, parameters of the statistical model and/or the statistical model can be adjusted based on a difference between the value of the generated feature and the corresponding previous value of the feature if the value of the generated feature is less than the threshold value from the previous value differs. In this way, the model can adapt to the current state of the person, for example, so that, for example, a cue event is only triggered if the deviation between the last value of the feature and the corresponding previous values is greater than the threshold value.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das zumindest eine Merkmal des Ablaufs ein Trigger-Ereignis und/oder ein Überschreiten oder Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwertes sein. Ist der Ablauf beispielsweise eine Atemvolumenkurve oder Atemflusskurve, und soll das Verfahren zum Beispiel einer Unterstützung des Atemvorgangs dienen, so kann als Trigger-Ereignis beispielsweise das Überschreiten eines bestimmten Atemvolumens oder Atemflusses beim Einatmen angesehen werden. Dieses Trigger-Ereignis kann dann beispielsweise einen Unterstützungsvorgang des Einatmens auslösen. Vorteilhafterweise kann das zumindest eine Merkmal des Ablaufs und/oder die zeitliche Darstellung des Ablaufs den Ablauf kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder zu einer Vielzahl an, vorzugsweise äquidistanten, Zeitpunkten beschreiben. Insbesondere kann das zumindest eine Merkmal und/oder die zeitliche Darstellung den Ablauf zu regelmäßig wiederkehrenden Zeitpunkten beschreiben. In an advantageous embodiment of the invention, the at least one feature of the process can be a trigger event and/or exceeding or falling below a predetermined threshold value. If the process is, for example, a respiratory volume curve or respiratory flow curve, and the method is intended to support the breathing process, for example, the trigger event can be viewed as, for example, exceeding a certain respiratory volume or respiratory flow when inhaling. This trigger event can then, for example, trigger an inhalation support process. Advantageously, the at least one feature of the process and/or the temporal representation of the process can describe the process continuously, quasi-continuously or at a plurality of, preferably equidistant, times. In particular, the at least one feature and/or the time representation can describe the process at regularly recurring points in time.
In vielen Ausgestaltungen der Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn das statistische Modell vor Beginn der eigentlichen Vermessung des Ablaufs trainiert wird. Das Training würde hier also vorzugsweise vor dem Einstrahlen des elektromagnetischen Wechselfeldes stattfinden. Das Trainieren des statistischen Modells kann dabei in einem Trainingsvorgang erfolgen, in dem ein elektromagnetisches Trainings-Wechselfeld in zumindest ein Trainings-Objekt eingestrahlt wird. Vorteilhafterweise kann das Trainings-Wechselfeld mit dem später zur Vermessung eingestrahlten elektromagnetischen Wechselfeld ein oder mehrere Eigenschaften teilen oder besonders bevorzugt identisch sein. Das Trainings-Objekt kann vorteilhafterweise ein Objekt sein, das ein oder mehrere interessierende Eigenschaften mit dem Objekt teilt, in dem der Ablauf vermessen werden soll. Beispielsweise kann das Trainings-Objekt ein Lebewesen der gleichen Art sein wie das zu vermessende Objekt. Für eine individualisierte Verfahrensführung kann das Trainings-Objekt auch das Objekt selbst sein, in dem der Ablauf vermessen werden soll. Ist das Objekt ein Lebewesen, beispielsweise ein Mensch oder ein Tier, so kann als Trainings-Objekt ein Objekt verwendet werden, das repräsentativ beispielsweise für eine Kohorte ist, in die das später zu vermessende Lebewesen fällt. In many embodiments of the invention, it can be advantageous if the statistical model is trained before the actual measurement of the process begins. The training would therefore preferably take place before the alternating electromagnetic field is irradiated. The statistical model can be trained in a training process in which an alternating electromagnetic training field is irradiated into at least one training object. Advantageously, the training alternating field can share one or more properties with the alternating electromagnetic field that is later irradiated for measurement or, particularly preferably, can be identical. The training object can advantageously be an object that shares one or more properties of interest with the object in which the process is to be measured. For example, the training object can be a living being of the same species as the object to be measured. For an individualized procedure, the training object can also be the object itself in which the process is to be measured. If the object is a living being, for example a human or an animal, an object can be used as the training object that is representative, for example, of a cohort into which the living being to be measured later falls.
Wie oben schon beschrieben, ist ein förderierter Ansatz hier vorteilhaft. Es gibt unter anderem folgende Möglichkeiten, ein förderiert trainiertes Modell aus mehreren Einzelmodellen zu erstellen: As described above, a subsidized approach is advantageous here. There are, among others, the following options for creating a trained model from several individual models:
Modellfusion: Eine Methode, bei der mehrere Modelle zu einem einzelnen Modell zusammengeführt werden, um bessere Vorhersagen zu erzielen. Dies ist sinnvoll, da verschiedene Modelle unterschiedliche Stärken und Schwächen haben und die Kombination dieser Modelle zu einem leistungsstärkeren Modell führen kann. Transferlernen: Eine Methode, bei der ein vortrainiertes Modell als Ausgangspunkt für das Training eines neuen Modells verwendet wird, um die Anzahl an benötigten Trainingsdaten zu reduzieren. Dies ist sinnvoll, da es den Aufwand für das Training von Modellen reduzieren und die Genauigkeit von Modellen verbessern kann. Model fusion: A method of merging multiple models into a single model to achieve better predictions. This makes sense because different models have different strengths and weaknesses, and combining these models can result in a more powerful model. Transfer learning: A method in which a pre-trained model is used as a starting point for training a new model to reduce the amount of training data required. This makes sense because it can reduce the effort required to train models and improve the accuracy of models.
Ensemble-Methoden: Eine Methode, bei der mehrere Modelle zu einer Gruppe zusammengefasst werden und Entscheidungen durch Mehrheitsentscheid getroffen werden, um bessere Vorhersagen zu erzielen. Dies ist sinnvoll, da die Kombination von mehreren Modellen zu einer besseren Vorhersagegenauigkeit führen kann als jedes einzelne Modell. Ensemble methods: A method in which multiple models are grouped together and decisions are made by majority vote to achieve better predictions. This makes sense because combining multiple models can result in better prediction accuracy than any single model.
Knowledge Distillation: Eine Methode, bei der ein vortrainiertes Modell als Lehrermodell verwendet wird, um ein kleineres Modell als Schülermodell zu trainieren. Dies kann sinnvoll sein, da es dazu beitragen kann, dass ein kleineres Modell ähnliche Leistungen wie das größere Modell erbringt, aber weniger Rechenressourcen benötigt. Knowledge Distillation: A method in which a pre-trained model is used as a teacher model to train a smaller model as a student model. This can be useful because it can help a smaller model perform similarly to the larger model but require fewer computing resources.
Zum Trainingsvorgang wird das elektromagnetische Trainings-Wechselfeld in zumindest ein Trainings-Objekt eingestrahlt und es wird dann das Trainings- Wechselfeld empfangen, nachdem es das zumindest eine Trainings-Objekt durchlaufen hat. Das empfangene Trainings-Wechselfeld kann dann zur Erzeugung mehrdimensionaler Demodulationsdaten demoduliert werden. Die mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder aus diesen abgeleitete Trainings-Daten können dann dem statistischen Modell zugeführt werden. Durch das statistische Modell kann dann aus den zugeführten mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder den aus diesen abgeleiteten Trainings-Daten zeitabhängig zumindest ein Trainings-Merkmal des Ablaufs erzeugt werden. Das zumindest eine Trainings-Merkmal kann dann zeitabhängig mit einem gemessenen Merkmal des Ablaufs verglichen werden. Das gemessene Merkmal kann beispielsweise durch eine direkte Messung mit einem geeigneten Messgerät oder Sensor erzeugt werden. Es kann dann das statistische Modell und/oder Parameter des statistischen Modells auf Grundlage eines Ergebnisses dieses Vergleichs angepasst werden. Die Anpassung kann dabei vorzugsweise gerichtet so erfolgen, dass die Differenz zwischen dem Trainings-Merkmal und dem gemessenen Merkmal verringert wird. For the training process, the alternating electromagnetic training field is irradiated into at least one training object and the alternating training field is then received after it has passed through the at least one training object. The received training alternating field can then be demodulated to produce multi-dimensional demodulation data. The multidimensional demodulation data and/or training data derived from them can then be fed to the statistical model. The statistical model can then be used to generate at least one training feature of the process in a time-dependent manner from the multidimensional demodulation data supplied and/or the training data derived therefrom. The at least one training feature can then be compared, depending on time, with a measured feature of the process. The measured feature can be generated, for example, by a direct measurement with a suitable measuring device or sensor. The statistical model and/or parameters of the statistical model can then be adjusted based on a result of this comparison. The adaptation can preferably be directed in such a way that the difference between the training feature and the measured characteristic is reduced.
In einer optionalen Ausgestaltung kann es auch möglich sein, anstelle durch den Thoraxmonitor selbst erzeugter Daten das folgende zu nutzen: In an optional embodiment, it may also be possible to use the following instead of data generated by the chest monitor itself:
Generative Modelle (Adversarial Networks (GANs) und Variational Autoencoder (VAE)) sind Neuronale Netze, die in der Lage sind, neue Daten zu generieren, die den Statistiken der Eingangsdaten folgen. Diese können geeignet sein für die Erzeugung von simulierten Zeitreihen, die den Eigenschaften von echten Zeitreihen entsprechen. Dies ist gut zur Data Augmentation und somit ein Schritt zur Generalisierung. Die erzeugten Daten können dann einem anderen NN wieder zugefügt werden. Generative models (Adversarial Networks (GANs) and Variational Autoencoder (VAE)) are neural networks capable of generating new data that follow the statistics of the input data. These can be suitable for generating simulated time series that correspond to the properties of real time series. This is good for data augmentation and therefore a step towards generalization. The data generated can then be added back to another NN.
Data-Augmentation (Daten-Ergänzung oder Daten-Vermehrung) ist eine Technik, um die Menge und Vielfalt der Trainingsdaten zu erhöhen, indem künstliche Variationen erzeugt werden: Data augmentation is a technique to increase the amount and variety of training data by creating artificial variations:
Wie auch oben schon aufgeführt, können folgende Netze auch zur Data-Aug- mentation genutzt werden: As already mentioned above, the following networks can also be used for data augmentation:
Long Short-Term Memory (LSTM) und Gated Recurrent Units (GRU): LSTM und GRU sind spezielle Typen von rekurrenten neuronalen Netzen (RNNs), die sich besonders gut für die Modellierung von sequentiellen Daten wie Zeitreihen eignen. Sie können Muster in den Daten erkennen und entsprechend neue Daten generieren. Long Short-Term Memory (LSTM) and Gated Recurrent Units (GRU): LSTM and GRU are special types of recurrent neural networks (RNNs) that are particularly suitable for modeling sequential data such as time series. You can recognize patterns in the data and generate new data accordingly.
Weitere Varianten aus der Stochastik, die optional zum Einsatz kommen können, sind: Further variants from stochastics that can be used optionally are:
Markov Chain Monte Carlo (MCMC) Verfahren: MCMC ist eine stochastische Methode zur Generierung von Daten aus einer unbekannten Verteilung, indem sie eine Markov-Kette verwendet, die gegen die Zielverteilung konvergiert. MCMC-Verfahren wie Metropolis-Hastings und Gibbs Sampling können zur Erzeugung von Zeitreihen verwendet werden, die einer bestimmten Verteilung folgen. Manuelle oder automatische Data-Augmentation: Markov Chain Monte Carlo (MCMC) Method: MCMC is a stochastic method for generating data from an unknown distribution by using a Markov chain that converges to the target distribution. MCMC methods such as Metropolis-Hastings and Gibbs Sampling can be used to produce time series that follow a specific distribution. Manual or automatic data augmentation:
Phase Shift (Phasenverschiebung) (Rotation): o Die Zeitreihe wird dabei zyklisch entlang der Zeitachse verschoben, um neue Variationen der Daten zu erzeugen. Dies kann dazu beitragen, das Modell auf unterschiedliche Phasenverschiebungen innerhalb der Zeitreihendaten zu trainieren. Phase Shift (Rotation): o The time series is cyclically shifted along the time axis to create new variations in the data. This can help train the model for different phase shifts within the time series data.
Gleichmäßige oder dynamische Verschiebung: o Daten können hier mit einem Faktor multipliziert werden, um die Amplitude der Signale zu ändern. Dies kann helfen, das Modell auf verschiedene Amplitudenverhältnisse zu trainieren. Smooth or Dynamic Shift: o Here data can be multiplied by a factor to change the amplitude of the signals. This can help train the model for different amplitude ratios.
Rauschen hinzufügen: o zufälliges Rauschen (z. B. Gaußsches Rauschen) kann zu den Zeitreihendaten hinzugefügt werden, um die Robustheit des Modells gegenüber Rauschen in den Eingangsdaten zu erhöhen. Add noise: o Random noise (e.g. Gaussian noise) can be added to the time series data to increase the robustness of the model to noise in the input data.
Time Warping (Zeit-Verzerrung): o Hierbei kann die Geschwindigkeit, mit der die Zeitreihe abläuft, verändert werden, indem Datenpunkte entlang der Zeitachse gedehnt oder gestaucht werden. Time Warping: o This allows the speed at which the time series runs to be changed by stretching or compressing data points along the time axis.
Spiegelung: o Spiegeln der Zeitreihe entlang der Zeit- oder Amplitudenachse, um Variationen in der Reihenfolge oder Richtung der Zeitreihendaten zu erzeugen. Mirroring: o Mirroring the time series along the time or amplitude axis to produce variations in the order or direction of the time series data.
Frequenzbereichsmanipulation: o Transformationen im Frequenzbereich, z. B. durch die Verwendung der Fourier-Transformation. Das Frequenzspektrum kann auch manipuliert werden, indem bestimmte Frequenzbänder verstärkt, abgeschwächt oder verschoben werden. Dies kann helfen, das Modell auf unterschiedliche Frequenzcharakteristika zu trainieren. Frequency domain manipulation: o Transformations in the frequency domain, e.g. B. by using the Fourier transform. The frequency spectrum can also be manipulated by boosting, weakening or shifting certain frequency bands. This can help train the model for different frequency characteristics.
Random Permutations (zufällige Permutationen): o Es können zufällige Permutationen von Zeitreihenabschnitten ausgeführt werden. Dies kann helfen, das Modell auf unterschiedliche Reihenfolgen von Ereignissen innerhalb der Zeitreihe zu trainieren. Random Permutations: o There can be random permutations of time series sections be executed. This can help train the model for different orders of events within the time series.
Betreffend das Trainings-Wechselfeld, das Trainings-Objekt, das empfangene Trainings-Wechselfeld, die Demodulationsdaten und die daraus abgeleiteten Trainings-Daten gilt das zu zur Vermessung verwendeten elektromagnetischem Wechselfeld, Objekt, Demodulationsdaten, abgeleiteten Daten und Merkmalen Gesagte analog. In der Tat ist es vorteilhaft, wenn der Trainings-Vorgang identisch zu dem Vermessungsvorgang ausgeführt wird, da hierdurch die bestmögliche Übereinstimmung des Ergebnisses der Vermessung mit Werten des Merkmals bzw. Ablaufs erreicht wird, die durch direkte Messung mit einem geeigneten Messgerät erzeugt würden. Regarding the alternating training field, the training object, the received alternating training field, the demodulation data and the training data derived therefrom, what has been said about the alternating electromagnetic field used for the measurement, object, demodulation data, derived data and features applies analogously. In fact, it is advantageous if the training process is carried out identically to the measurement process, since this achieves the best possible match between the result of the measurement and the values of the feature or process that would be generated by direct measurement with a suitable measuring device.
Vorteilhafterweise kann derTrainingsvorgang für eine Vielzahl an Trainings-Objekten durchgeführt werden, die repräsentativ sind für das Objekt. Beispielsweise kann derTrainingsvorgang für eine Vielzahl von Lebewesen einer Kohorte durchgeführt werden, zu der auch jenes Lebewesen zählt, in dem der Ablauf vermessen werden soll. Durch eine große Trainings-Objekt -Anzahl wird das Modell robuster und es kann ein generalisiertes statistisches Modell erstellt werden. Es ist jedoch auch vorteilhaft möglich, das Objekt, an dem die Vermessung ausgeführt werden soll, selbst als das Trainings-Objekt zu verwenden. Es wird dann der Trainingsvorgang an diesem Objekt ausgeführt. Advantageously, the training process can be carried out for a plurality of training objects that are representative of the object. For example, the training process can be carried out for a large number of living beings in a cohort, which also includes the living being in which the process is to be measured. A large number of training objects makes the model more robust and a generalized statistical model can be created. However, it is also advantageously possible to use the object on which the measurement is to be carried out itself as the training object. The training process is then carried out on this object.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Steuerung eines Beatmungsvorgangs. Es kann hierzu als der zu vermessende Ablauf ein Atemvorgang vermessen werden. Es kann dann als das zumindest eine Merkmal des Ablaufs beispielsweise ein Einsetzen eines Spontanatmungsvorgangs bestimmt werden. Der Beatmungsvorgang kann dann so gesteuert werden, dass keine Beatmung gegen die Spontanatmung stattfindet. The method according to the invention is particularly suitable for controlling a ventilation process. For this purpose, a breathing process can be measured as the process to be measured. The onset of a spontaneous breathing process, for example, can then be determined as the at least one feature of the process. The ventilation process can then be controlled so that no ventilation takes place against spontaneous breathing.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zur Vermessung zumindest eines Ablaufs in einem Objekt angegeben. Für das Objekt gilt dabei das zum Verfahren Gesagte analog. Die Vorrichtung weist zumindest eine Sendestruktur auf, mit der ein elektromagnetisches Wechselfeld in das Objekt einstrahlbar ist, indem durch einen Signalgenerator eine Wechselspannung erzeugt wird, mit der die zumindest eine Sendestruktur beaufschlagt wird. Die Wechselspannung kann hierbei sinusförmig sein oder eine Überlagerung mehrerer Frequenzen enthalten. Die Vorrichtung weist außerdem zumindest eine Empfangsstruktur auf, mit der das Wechselfeld empfangbar ist, nachdem es das Objekt durchlaufen hat. Es gilt dabei das zur Eindringtiefe oben Gesagte analog. According to the invention, a device for measuring at least one process in an object is also specified. What was said about the process applies analogously to the object. The device has at least one transmission structure with which an alternating electromagnetic field can be irradiated into the object by generating an alternating voltage by a signal generator with which the at least one transmission structure is applied. The alternating voltage can be sinusoidal or contain a superposition of several frequencies. The device also has at least one receiving structure with which the alternating field can be received after it has passed through the object. What was said above regarding penetration depth applies analogously.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem eine Demodulationseinheit auf, mit der das empfangene Wechselfeld zur Erzeugung mehrdimensionaler Demodulationsdaten demodulierbar ist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Modellierungseinheit auf, der die Demodulationsdaten und/oder aus diesen abgeleitete Daten zuführbar sind, und mit der durch ein statistisches Modell aus den zugeführten mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder den aus diesen abgeleiteten Daten zeitabhängig zumindest ein Merkmal eines Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung bzw. Nachbildung des Ablaufs erzeugbar ist. The device according to the invention also has a demodulation unit with which the received alternating field can be demodulated to generate multi-dimensional demodulation data. In addition, the device has a modeling unit to which the demodulation data and/or data derived therefrom can be supplied, and with which at least one feature of a process and/or process is time-dependently determined by a statistical model from the multidimensional demodulation data supplied and/or the data derived therefrom. or a temporal representation or replica of the process can be generated.
Vorzugsweise ist mit der Vorrichtung ein Verfahren ausführbar, wie es oben beschrieben wurde. Preferably, the device can be used to carry out a method as described above.
Die Vorrichtung kann vorteilhafterweise einen I/Q-Demodulator aufweisen, in den die Wechselspannung einerseits eingespeist wird, mit der die Sendestruktur beaufschlagt wird, und in die andererseits ein von der Empfangsstruktur aus dem empfangenen Wechselfeld erzeugtes Empfangssignal einleitbar ist. Der I/Q-Demodulator kann dann eingerichtet sein, eine I/Q-Demodulation des Empfangssignals auszuführen. The device can advantageously have an I/Q demodulator, into which, on the one hand, the alternating voltage is fed, with which the transmission structure is applied, and into which, on the other hand, a reception signal generated by the reception structure from the received alternating field can be introduced. The I/Q demodulator can then be set up to carry out I/Q demodulation of the received signal.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die zumindest eine Sendestruktur und die zumindest eine Empfangsstruktur in einer Kontaktfläche, vorzugsweise einer Rückenlehne oder einer Liegefläche, nebeneinander und/oder untereinander und/oder diagonal zueinander angeordnet sein. Hierzu können die Sendestruktur und/oder die Empfangsstruktur beispielsweise als flächige Spulen ausgestaltet sein. In an advantageous embodiment, the at least one transmitting structure and the at least one receiving structure can be arranged in a contact surface, preferably a backrest or a lying surface, next to one another and/or one below the other and/or diagonally to one another. For this purpose, the transmitting structure and/or the receiving structure can be designed, for example, as flat coils.
Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung oder eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein oder mehrere Sende- und/oder Empfangsantennen als Sende- bzw. Empfangsstrukturen aufweisen. Es kann sich dann die Anzahl der I/Q-Signa Ipaare aus der Anzahl der Sendesignale abgestrahlt von einer oder mehreren Antennen (z.B. aufgetrennt auf mehrere Frequenzbänder oder durch unterschiedliche Signalmodulierungen) multipliziert mit der Anzahl der Empfangsantennen ergeben. Das Senden der unterschiedlichen Sendesignale kann auf allen Sendeantennen gleich erfolgen oder es kann z.B. jede Sendeantenne je ein eigenes, von den anderen Sendeantennen unterschiedliches Sendesignal senden. Auch beliebige Kombinationen hiervon sind möglich. Advantageously, the device according to the invention or a device for carrying out the method according to the invention can have one or more transmitting and/or receiving antennas as transmitting or receiving structures. The number of I/Q signal pairs can then be determined from the number of Transmission signals emitted by one or more antennas (e.g. separated into several frequency bands or through different signal modulation) multiplied by the number of receiving antennas result. The different transmission signals can be sent in the same way on all transmission antennas or, for example, each transmission antenna can send its own transmission signal that is different from the other transmission antennas. Any combinations of these are also possible.
Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung N Sendeantennen und IVI Empfangsantennen aufweisen, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist und IVI eine natürliche Zahl größer oder gleich 2 ist, wobei die N Sendeantennen mit Wechselspannungen L unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt werden, wobei L eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist. Vorzugsweise kann L außerdem kleiner oder gleich N sein. Ist L gleich N, kann jede Sendeantenne mit einer Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt werden. Ist L kleiner als N, so kann zumindest eine der Sendeantennen mit Wechselspannungen mehrerer unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt werden. Advantageously, the device can have N transmitting antennas and IVI receiving antennas, where N is a natural number greater than or equal to 1 and IVI is a natural number greater than or equal to 2, the N transmitting antennas being supplied with alternating voltages L of different frequencies, where L is a natural number greater or is equal to 1. Preferably, L can also be less than or equal to N. If L is equal to N, each transmitting antenna can be supplied with an alternating voltage of different frequency. If L is smaller than N, at least one of the transmitting antennas can be supplied with alternating voltages of several different frequencies.
In einer vorteilhaften Variante wird keine Sendeantenne mit mehreren der Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt, es wird also jede Sendeantenne mit einer Wechselspannung genau einer Frequenz beaufschlagt. In an advantageous variant, no transmitting antenna is subjected to several of the alternating voltages of different frequencies, so each transmitting antenna is subjected to an alternating voltage of exactly one frequency.
In einer weiteren vorteilhaften Variante kann jede der Empfangsantennen zum Empfang genau einer der L Frequenzen oder zum Empfang mehrerer der L Frequenzen eingerichtet sein. Ist jede Empfangsantenne zum Empfang genau einer Frequenz eingerichtet, ist vorzugsweise die Anzahl IVI der Empfangsantennen gleich der Anzahl L der unterschiedlichen Frequenzen der eingestrahlten Wechselspannungen. Sind eine oder mehrere der Empfangsantennen zum Empfang mehrerer Frequenzen eingerichtet, so kann die Zahl der Empfangsantennen kleiner als L sein. In a further advantageous variant, each of the receiving antennas can be set up to receive exactly one of the L frequencies or to receive several of the L frequencies. If each receiving antenna is set up to receive exactly one frequency, the number IVI of the receiving antennas is preferably equal to the number L of different frequencies of the radiated alternating voltages. If one or more of the receiving antennas are set up to receive multiple frequencies, the number of receiving antennas can be smaller than L.
Optional kann die Anzahl L der Sendesignale unterschiedlicher Sendefrequenz multipliziert mit der Anzahl IVI von Empfangsantennen die maximale Anzahl von I/Q-Signalpaare für die Auswertung/Algorithmus ergeben. Es können aber auch weniger I/Q-Signale sein, wenn zum Beispiel nicht alle Empfangsantennen für alle Sendefrequenzen sensitiv sind. Auch kann optional eine sehr breitbandige Empfangsantenne eingesetzt werden, die keine bestimmte Frequenzselektivität aufweist. Optionally, the number L of transmission signals of different transmission frequencies multiplied by the number IVI of reception antennas can result in the maximum number of I/Q signal pairs for the evaluation/algorithm. But there can also be fewer I/Q signals if, for example, not all receiving antennas are available all transmission frequencies are sensitive. A very broadband receiving antenna can also optionally be used, which does not have a specific frequency selectivity.
Insbesondere sind folgende Kombinationen von Antennen der Sende- und Empfangsstruktur vorteilhaft: The following combinations of antennas of the transmitting and receiving structure are particularly advantageous:
Eine Sendeantenne und drei Empfangsantennen. Hieraus ergeben sich drei l/Q- Signalpaare. One transmitting antenna and three receiving antennas. This results in three l/Q signal pairs.
Zwei Sendeantennen, wobei vorzugsweise beide mit dem gleichen Sendesignal, also der gleichen Wechselspannung beaufschlagt werden, sowie fünf Empfangsantennen. Hierdurch ergeben sich fünf I/Q-Datenpaare. Two transmitting antennas, both of which are preferably supplied with the same transmitting signal, i.e. the same alternating voltage, and five receiving antennas. This results in five I/Q data pairs.
Zwei Sendeantennen (vorzugsweise mit unterschiedlichem Sendesignal auf z.B. unterschiedlicher Sendefrequenz) und drei Empfangsantennen. Hierbei ergeben sich sechs I/Q-Signalpaare. Two transmitting antennas (preferably with different transmitting signals on, for example, different transmitting frequencies) and three receiving antennas. This results in six I/Q signal pairs.
Vorteile dieser multiplen Sende/Empfangsantennen liegen einmal in der Datenredundanz, falls die Signalqualität durch eine unterschiedliche Positionierung der Antennen bei jeweiligen Antennenpaaren besser oder schlechter ist (es kann vom Algorithmus die beste Sendesignal/Empfangssignalkombination gewählt werden). Alternativ kann der Algorithmus alle oder eine beliebige Kombination der I/Q-Signalpaare heranziehen, um Störeffekte gezielter herauszurechnen (z.B. Bewegungsartefakte) bzw. die eigentliche Nutzinformation (Atmung) von den Störeffekten trennen und damit herausfiltern. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann auch die Auswahl der verwendeten I/Q-Signalpaare durch eine dem Auswertealgorithmus vorgelagerte Signalqualitätsschätzung vorausgehen, auf deren Grundlage die geeignetsten Signalpaare zur Weiterverarbeitung ausgewählt werden. The advantages of these multiple transmit/receive antennas lie in data redundancy if the signal quality is better or worse due to different positioning of the antennas for respective antenna pairs (the best transmit signal/receive signal combination can be selected by the algorithm). Alternatively, the algorithm can use all or any combination of the I/Q signal pairs to more specifically calculate out interference effects (e.g. movement artifacts) or to separate the actual useful information (breathing) from the interference effects and thus filter them out. In an advantageous embodiment, the selection of the I/Q signal pairs used can also be preceded by a signal quality estimate upstream of the evaluation algorithm, on the basis of which the most suitable signal pairs are selected for further processing.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die zumindest eine Sendestruktur und/oder die zumindest eine Empfangsstruktur eine breitbandige Antenne aufweist oder ist. Dabei kann vorzugsweise eine Bandbreite der Antenne größer oder gleich einem Achtel der Trägerfrequenz, vorzugsweise größer oder gleich einem Viertel der Trägerfrequenz, vorzugsweise größer oder gleich der Hälfte der Trägerfrequenz sein und/oder es kann die Bandbreite kleiner oder gleich der Trägerfrequenz sein. In particular, it can be advantageous if the at least one transmission structure and/or the at least one reception structure has or is a broadband antenna. In this case, a bandwidth of the antenna can preferably be greater than or equal to one eighth of the carrier frequency, preferably greater than or equal to a quarter of the carrier frequency, preferably greater than or equal to half the carrier frequency and/or the bandwidth can be less than or equal to the carrier frequency.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Anpassungsvorrichtung aufweisen, mit der ein Sendefrequenzband oder eine Sendefrequenz der Sendestruktur und/oder ein Empfangsfrequenzband cider eine Empfangsfrequenz der Empfangsstruktur anpassbar ist. Eine solche Anpassungsvorrichtung kann vorteilhafterweise zumindest eine Kapazitätsdiode aufweisen oder sein. Auf diese Weise kann die zumindest eine Sendestruktur und/oder zumindest eine Empfangsstruktur so angepasst werden, dass es für die vorgesehene Vermessung bestmöglich geeignet ist. In an advantageous embodiment, the device according to the invention can have an adaptation device with which a transmission frequency band or a transmission frequency of the transmission structure and/or a reception frequency band or a reception frequency of the reception structure can be adapted. Such an adaptation device can advantageously have or be at least one capacitance diode. In this way, the at least one transmission structure and/or at least one reception structure can be adapted so that it is best suited for the intended measurement.
Die Sendestruktur und/oder die Empfangsstruktur können jeweils über ein Kabel an den Signalgenerator, die Demodulationseinheit oder eine andere Komponente der Vorrichtung angeschlossen sein. Vorteilhafterweise können diese Kabel zwangssymmetrisiert sein, beispielsweise mittels eines Terminierungswiderstandes zusammen mit einem Impedanzwandler und/oder mittels zumindest einer stromkompensierten Drossel und/oder zumindest eines Ferrits. The transmitting structure and/or the receiving structure can each be connected via a cable to the signal generator, the demodulation unit or another component of the device. Advantageously, these cables can be forcibly balanced, for example by means of a termination resistor together with an impedance converter and/or by means of at least one current-compensated choke and/or at least one ferrite.
Vorteilhafterweise kann die zumindest eine Sendestruktur und/oder die zumindest eine Empfangsstruktur an einem ersten Anschluss mit der Wechselspannung beaufschlagt werden und an einem zweiten Anschluss mit einer gegenüber der Wechselspannung um 180° verschobenen Wechselspannung beaufschlagt werden. Vorzugsweise kann dafür die Vorrichtung zumindest einen Balun aufweisen, der aus der ersten Wechselspannung zwei Wechselspannungen erzeugt, die zueinander einen Phasenversatz von 180° haben. Dabei kann die Eingangswechselspannung jene durch den Signalgenerator erzeugte sein. Wie zum Verfahren bereits beschrieben, kann es vorteilhaft sein, wenn die Messvorrichtung eine Vielzahl von Sendestrukturen, also zwei, drei, vier oder mehr als vier Sendestrukturen aufweist und/oder eine Mehrzahl an Empfangsstrukturen, also zwei, drei, vier oder mehr als vier Empfangsstrukturen aufweist. Hierdurch lässt sich ein genaueres Messergebnis erzielen. Advantageously, the at least one transmitting structure and/or the at least one receiving structure can be supplied with the alternating voltage at a first connection and can be supplied with an alternating voltage shifted by 180° compared to the alternating voltage at a second connection. For this purpose, the device can preferably have at least one balun, which generates two alternating voltages from the first alternating voltage, which have a phase offset of 180° to one another. The input alternating voltage can be that generated by the signal generator. As already described for the method, it can be advantageous if the measuring device has a plurality of transmission structures, i.e. two, three, four or more than four transmission structures and/or a plurality of reception structures, i.e. two, three, four or more than four reception structures having. This allows a more precise measurement result to be achieved.
Vorteilhafterweise kann der Signalgenerator eingerichtet sein, als Wechselspannung eine Überlagerung einer Mehrzahl von sinusförmigen Wechselspan- nungen zu erzeugen, die vorteilhafterweise auch zeitlich variierende Frequenzen haben können. The signal generator can advantageously be set up to superimpose a plurality of sinusoidal alternating voltages as the alternating voltage. to generate voltages that can advantageously also have time-varying frequencies.
Das hier vorgestellte Verfahren und die vorgestellte Vorrichtung ermöglichen eine zeitnahe Ableitung von dynamischen Zuständen des Zielsystems. Mit dem vorliegenden Algorithmus werden die Daten einer nicht-invasiven, nicht obstruierenden und skalierbaren (simultane oder serielle Nutzung mehrerer Sensorteilelemente in örtlichem Abstand) und oberflächen- und volumensensitiven Messtechnik (Wechselfeld dringt wenigstens teilweise in die Zielstruktur ein) basierend auf der zeitabhängigen komplexen Faltung wenigstens zweier elektromagnetischer Felder (gesendet und empfangen) zur Laufzeit verarbeitet, interpretiert und z.B. in kardiothorakale Vitaldaten bzw. andere physiody- namische Daten einer Zielstruktur umgewandelt. Hierfür kann das System zumindest initial trainiert werden, die durch die physiodynamischen Veränderungen der Zielstruktur oder eines generischen Modells der Zielstruktur entstehenden Veränderungen der Daten des Maßsystems mit Referenzsystemen Daten (z.B. kardiothorakale Vitaldaten) abzubilden. Folgendes kann z.B. möglich sein: The method and device presented here enable a timely derivation of dynamic states of the target system. With the present algorithm, the data of a non-invasive, non-obstructive and scalable (simultaneous or serial use of several sensor sub-elements at a local distance) and surface and volume-sensitive measurement technology (alternating field penetrates at least partially into the target structure) based on the time-dependent complex folding at least two electromagnetic fields (sent and received) are processed at runtime, interpreted and converted, for example, into cardiothoracic vital data or other physidynamic data of a target structure. For this purpose, the system can at least initially be trained to map the changes in the data of the measurement system resulting from the physiodynamic changes in the target structure or a generic model of the target structure with reference system data (e.g. cardiothoracic vital data). The following may be possible, for example:
Erkennung der Spontanatmung von maschinell beatmeten Patientinnen Detection of spontaneous breathing in mechanically ventilated patients
Ableiten der exspiratorischen und inspiratorischen Phase Verlaufskontrolle von Patientinnen Determination of the expiratory and inspiratory phases and follow-up of patients
Alarm bei Aussetzen von spezifischen Vitalparametern Kontaktlose Ableitung von EKG-Kurven Alarm if specific vital parameters are interrupted. Contactless recording of ECG curves
Bestimmung von Herzratenvariabilität und/oder Atemvolumina Volumenflüsse und/oder -änderungen Determination of heart rate variability and/or respiratory volumes, volume flows and/or changes
Vorhersage von Komplikationen während einer Operation durch Messung von Vitalparametern und Überwachung von Datenströmen, Analyse von Herz-Kreislauf-Daten zur Vorhersage von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Predicting complications during surgery by measuring vital signs and monitoring data streams, analyzing cardiovascular data to predict cardiovascular disease,
Verfolgung des Fortschritts von Patientinnen in der Rehabilitation. Tracking patients' progress in rehabilitation.
Auch für eine oder mehrere der folgenden Anwendungen kann die Erfindung zum Einsatz kommen: The invention can also be used for one or more of the following applications:
Fitness-Tracking: Überwachung von körperlichen Aktivitäten und zur Analyse von Fitness- oder Trainingsfortschritten. Fitness tracking: monitoring physical activities and analysis of fitness or training progress.
In der Sportmedizin zum Beispiel zur Leistungsanalyse und Trainingsplanung. In sports medicine, for example for performance analysis and training planning.
In der Gesundheitsüberwachung zum Beispiel zur Überwachung von chronischen Erkrankungen z.B. Langzeit-EKG. In health monitoring, for example for monitoring chronic diseases, e.g. long-term ECG.
Zum Atemgating bei Strahlentherapie von Patientinnen. For respiratory gating during radiotherapy of patients.
Beim Stressmanagement, zum Beispiel zur Überwachung von Stresspegeln von Menschen, aber auch z.B. Mäusen. In stress management, for example to monitor stress levels in people, but also, for example, in mice.
In der Telemedizin zum Beispiel zur Fernüberwachung von Älteren oder chronisch kranken Patientinnen. In telemedicine, for example, for remote monitoring of elderly or chronically ill patients.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können auch zwischen den Beispielen kombiniert werden und unabhängig vom jeweiligen Beispiel realisiert werden. The invention will be explained below by way of example using a few figures. The same reference numbers indicate the same or corresponding features. The features described in the examples can also be combined between the examples and implemented independently of the respective example.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 shows a schematic representation of a device for carrying out a method according to the invention,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 2 is a schematic representation of an exemplary sequence of a method according to the invention,
Fig. 3 beispielhafte Verläufe von I-Daten und Q-Daten sowie von Ableitungen dQ/dl bei einem Atemvorgang, 3 shows exemplary curves of I data and Q data as well as of derivatives dQ/dl during a breathing process,
Fig. 4 beispielhafte Demodulationsdaten und aus diesen erzeugte Daten, 4 exemplary demodulation data and data generated from them,
Fig. 5 ein Beispiel einer Vorverarbeitung von I- und Q-Daten, Fig. 6 einen beispielhaften Ablauf eines Trainings eines statistischen Modells, 5 shows an example of preprocessing of I and Q data, 6 shows an exemplary sequence of training a statistical model,
Fig. 7 eine beispielhafte Konfiguration zur Beschaffung von Daten für das Training in Fig. 6, 7 shows an exemplary configuration for obtaining data for training in FIG. 6,
Fig. 8 ein beispielhaftes Modell, das zu einer Klassifizierung verwendet wird, 8 shows an exemplary model used for classification,
Fig. 9 ein beispielhaftes Modell, das für eine Regression verwendet wird, 9 shows an exemplary model used for regression,
Fig. 10 ein Beispiel einer Verwendung eines neuronalen Netzes als statistisches Modell zur Schätzung eines Atemflusses, 10 shows an example of using a neural network as a statistical model for estimating a respiratory flow,
Fig. 11 eine Verwendung eines FIR-Filters als statistisches Modell zur Schätzung des Atemflusses, 11 shows the use of an FIR filter as a statistical model for estimating respiratory flow,
Fig. 12 Kombinationen einer elektromagnetischen Transmissionsmessung zu einem Soft-Sensor-System, 12 combinations of an electromagnetic transmission measurement to form a soft sensor system,
Fig. 13 eine beispielhafte Verschaltung einer Sendeantenne mit verstimmbarem Anpassnetzwerk, 13 shows an exemplary connection of a transmitting antenna with a tunable matching network,
Fig. 14 ein Beispiel einer Verwendung von Buffer-Schaltungen mit Terminierung zum Überbrücken eines Kabels ohne Fehlanpassung, und 14 shows an example of using buffer circuits with termination to bridge a cable without mismatch, and
Fig. 15 ein detailliertes Beispiel einer erfindungsgemäßen Verfahrensführung. Fig. 15 shows a detailed example of a method according to the invention.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermessung eines Ablaufs in einem Objekt 5, mit der auch das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermessung eines Ablaufs in einem Objekt ausführbar ist. Die Vorrichtung weist eine Sendestruktur 4 auf, mit der ein elektromagnetisches Wechselfeld in das Objekt 5 einstrahlbar ist, indem durch einen Signalgenerator 2, hier ein Frequenzgenerator 2, eine Wechselspannung erzeugt wird, mit der die Sendestruktur 4 beaufschlagt wird. Die Vorrichtung weist außerdem eine Empfangsstruktur 6 auf, mit der das Wechselfeld empfangbar ist, nachdem es das Objekt 5 durchlaufen hat. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem eine Demodulationseinheit 8 auf, mit der das empfangene Wechselfeld zur Erzeugung mehrdimensionaler Demodulationsdaten demodulierbar ist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Steuereinheit 1 auf, die insbesondere als Modellierungseinheit fungiert. Dieser Modellierungseinheit 1 werden die Demodulationsdaten und/oder aus diesen erzeugte Daten zugeführt. Mit der Modellierungseinheit 1 ist dann durch ein statistisches Modell aus den zugeführten mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder den aus diesen erzeugten Daten zeitabhängig zumindest ein Merkmal eines Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung des Ablaufs erzeugbar. 1 shows schematically a device according to the invention for measuring a process in an object 5, with which the method according to the invention for measuring a process in an object can also be carried out. The device has a transmission structure 4 with which an alternating electromagnetic field can be irradiated into the object 5 by generating an alternating voltage by a signal generator 2, here a frequency generator 2, with which the transmission structure 4 is applied. The device also has a receiving structure 6 with which the alternating field can be received after it has passed through the object 5. The device according to the invention also has a demodulation unit 8, with which the received alternating field can be demodulated to generate multi-dimensional demodulation data. In addition, the device has a control unit 1, which functions in particular as a modeling unit. The demodulation data and/or data generated from these are supplied to this modeling unit 1. With the modeling unit 1, at least one feature of a process and/or a temporal representation of the process can then be generated in a time-dependent manner using a statistical model from the supplied multidimensional demodulation data and/or the data generated from them.
Im in Fig. 1 gezeigten Beispiel weist die Vorrichtung außerdem einen optionalen Sendeverstärker 3 auf, dem das vom Signalgenerator erzeugte Signal zugeführt wird und der dieses verstärkt und dann an die Sendestruktur 4 ausgibt. Darüber hinaus weist die Vorrichtung im gezeigten Beispiel einen optionalen Empfangsverstärker 7 auf, in den das von der Empfangsstruktur empfangene Signal eingeleitet wird und der dieses verstärkt und das verstärkte Signal der Demodulationsvorrichtung 8 zuführt. In the example shown in FIG. 1, the device also has an optional transmission amplifier 3, to which the signal generated by the signal generator is supplied and which amplifies it and then outputs it to the transmission structure 4. In addition, in the example shown, the device has an optional reception amplifier 7, into which the signal received by the reception structure is introduced and which amplifies it and supplies the amplified signal to the demodulation device 8.
In der gezeigten Vorrichtung ist außerdem die durch den Frequenzgenerator 2 erzeugte Wechselspannung der Demodulationseinheit 8 zuführbar, die dadurch eine I/Q-Demodulation des Empfangssignals ausführen kann. In the device shown, the alternating voltage generated by the frequency generator 2 can also be fed to the demodulation unit 8, which can thereby carry out I/Q demodulation of the received signal.
Die Steuereinheit 1 kann die Konfiguration des Gesamtsystems übernehmen. Sie kann hierzu beispielsweise Sendefrequenz und Sendeleistung einstellen. Der Signal- bzw. Frequenzgenerator 2 kann eine Wechselspannung mit der konfigurierten Frequenz und optional Leistung erzeugen. Dazu besitzt er zwei synchrone Ausgänge. Der erste Ausgang ist mit dem optionalen Sendeverstärker 3 verbunden oder direkt mit der Sendestruktur verbunden. Der zweite Ausgang dient als Referenzpfad für den als Empfänger fungierenden I/Q-Demodulator 8. Die an der Sendestruktur 4 anliegende Wechselspannung wird von dieser als elektromagnetische Welle bzw. elektromagnetisches Feld abgestrahlt. Die Welle bzw. das Feld transmittiert durch das Objekt 5, beispielsweise einen Patienten oder eine Patientin, und wird nach derTransmission von der Empfangsstruktur 6 wieder in eine Wechselspannung gewandelt. Während derTransmission wird die elektromagnetische Welle bzw. das elektromagnetische Feld durch Vorgänge im Inneren des/der Patient*in, wie beispielsweise eine kardio- respiratorische Aktivität, moduliert. The control unit 1 can take over the configuration of the entire system. For example, you can set the transmission frequency and transmission power. The signal or frequency generator 2 can generate an alternating voltage with the configured frequency and optionally power. It also has two synchronous outputs. The first output is connected to the optional transmit amplifier 3 or connected directly to the transmit structure. The second output serves as a reference path for the I/Q demodulator 8, which acts as a receiver. The alternating voltage present at the transmitting structure 4 is emitted by it as an electromagnetic wave or electromagnetic field. The wave or field is transmitted through the object 5, for example a patient, and after transmission is converted back into an alternating voltage by the receiving structure 6. During transmission, the electromagnetic wave or the electromagnetic field modulated by processes inside the patient, such as cardio-respiratory activity.
Das von der Empfangsstruktur 6 empfangene Signal wird an den optionalen Empfangsverstärker 7 oder direkt an den I/Q-Demodulator 8 weitergeleitet. Dieser kann mit Hilfe des Referenzsignals des Frequenzgenerators 2 das Empfangssignal in das Basisband mischen. Der I/Q-Demodulator kann ein komplexes Ausgangssignal mit einem In-Phase-Kanal (kurz: I) und einem Quadratur- Kanal (kurz: Q) erzeugen. Diese Signale korrespondieren mit der Modulation des Real- und Imaginär-Teils der durch das Objekt 5 transmittierten Welle. I und Q werden dann von einer Datensenke 1, die hier Teil der Steuereinheit 1 ist, digitalisiert. The signal received by the reception structure 6 is forwarded to the optional reception amplifier 7 or directly to the I/Q demodulator 8. This can mix the received signal into the baseband with the help of the reference signal from the frequency generator 2. The I/Q demodulator can generate a complex output signal with an in-phase channel (I for short) and a quadrature channel (Q for short). These signals correspond to the modulation of the real and imaginary parts of the wave transmitted through the object 5. I and Q are then digitized by a data sink 1, which is here part of the control unit 1.
In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann es auch möglich sein, die Zahl der Sendestrukturen 4 und der Empfangsstrukturen 6 zu erhöhen. Dies kann symmetrisch und auch asymmetrisch erfolgen. Es können also gleich viele Sendestrukturen 4 wie Empfangsstrukturen 6 vorgesehen sein oder unterschiedlich viele. Vorteilhaft kann die Verwendung mehrerer Empfangsstrukturen 6 pro Sendestruktur 4 sein. Besonders vorteilhaft kann die Anbringung der Sende- und Empfangsstrukturen 4, 6 in einer koplanaren Anordnung, z. B. in einer Rückenlehne oder einer Matratze sein. In other embodiments of the invention, it may also be possible to increase the number of transmitting structures 4 and receiving structures 6. This can be done symmetrically or asymmetrically. The same number of transmitting structures 4 as receiving structures 6 can be provided, or different numbers can be provided. The use of several receiving structures 6 per transmitting structure 4 can be advantageous. It can be particularly advantageous to attach the transmitting and receiving structures 4, 6 in a coplanar arrangement, e.g. B. be in a backrest or a mattress.
Da sowohl die Sendestrukturen 4 als auch die Empfangsstrukturen 6 bei Verwendung an Personen sehr körpernah angebracht sein können, können die Sendestrukturen 4 und die Empfangsstrukturen 6 eine Verstimmung ihrer Resonanzfrequenz erfahren. Um dieser Verstimmung entgegenzuwirken und dennoch eine gute Sende- und Empfangsleistung zu erzielen, können folgende Ausgestaltungen der Sende- und Empfangsstrukturen von Vorteil sein: Since both the transmitting structures 4 and the receiving structures 6 can be attached very close to the body when used on people, the transmitting structures 4 and the receiving structures 6 can experience a detuning of their resonance frequency. In order to counteract this detuning and still achieve good transmission and reception performance, the following configurations of the transmission and reception structures can be advantageous:
Vorteilhaft kann eine sehr breitbandige Antenne oder generell eine Antenne mit einer hohen Robustheit gegen Verstimmungen verwendet werden. A very broadband antenna or generally an antenna with a high level of robustness against detuning can advantageously be used.
Vorteilhaft kann ein abstimmbares Anpassnetzwerk vor der eigentlichen Sende- und Empfangsstruktur eingesetzt werden. Eine mögliche Ausgestaltung kann hierbei Kapazitätsdioden einsetzen. Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines solchen verstimmbaren Anpassnetzwerks für den Sendefall. Sobald das Objekt in das Nahfeld der Sende- und Empfangsstruktur kommt, kann über Steuerspannungen die Verstimmung der Sende- oder Empfangsstruktur kompensiert werden. Als Metrik für die Güte der Kompensation kann z. B. die Größe des Empfangssignals verwendet werden. A tunable matching network can advantageously be used in front of the actual transmission and reception structure. A possible embodiment can use capacitance diodes. Fig. 13 shows an example of such a tunable matching network for transmission. As soon as the object is in the When the near field of the transmitting and receiving structure comes, the detuning of the transmitting or receiving structure can be compensated for using control voltages. As a metric for the quality of the compensation, e.g. B. the size of the received signal can be used.
Die in Fig. 13 dargestellte Schaltung ist ein Anpassnetzwerk. Damit lässt die Impedanz der Antenne zu einer anderen Impedanz an Port TX transformieren. Der Idealfall ist hierbei die Leistungsanpassung bei der die Impedanz der von TX kommenden Schaltungsteile gleich der Impedanz des Anpassnetzwerks mit Antenne ist. Hierdurch lassen sich Fehlanpassungen der Antenne ausgleichen, die zu Leistungsverlusten und Reflexionen im Signalgenerator oder IQ-Demodula- tor führen können. The circuit shown in Fig. 13 is a matching network. This allows the impedance of the antenna to be transformed to a different impedance on port TX. The ideal case here is power matching in which the impedance of the circuit parts coming from TX is equal to the impedance of the matching network with antenna. This allows mismatches in the antenna to be compensated for, which can lead to power losses and reflections in the signal generator or IQ demodulator.
Das in Fig. 13 dargestellte Anpassnetzwerk entspricht einer n-Schaltung. Mit dieser Schaltungstopologie lässt sich theoretisch jede Antennenimpedanz auf jede beliebige Impedanz an TX abbilden. Die grundlegende Impedanzanpassung erfolgt hierbei durch die Induktivität L_antenna und die beiden Kapazitäten Cpl und Cp2. Sobald sich die Antennenimpedanz, z.B. durch ein Objekt im Nahfeld der Antenne, verändert, stimmt das Anpassnetzwerk aus L_antenna, Cpl und Cp2 jedoch nicht mehr. Deswegen werden zusätzliche Kapazitätsdioden Dl, D2 und D3 eingebracht. Durch Reduktion der Steuerspannungen Vtunel und Vtune2 lässt sich die Kapazität der Kapazitätsdioden Dl und D2 vergrößern und so die effektiven Parallelkapazitäten des Anpassnetzwerks vergrößern bzw. durch Erhöhung der Steuerspannungen auch vergrößern. Durch die Steuerspannung Vtune3 lässt sich die Kapazität von D3 variieren, dadurch kann die Induktivität von L_antenna für eine spezifische Arbeitsfrequenz variiert werden. The matching network shown in Fig. 13 corresponds to an n-circuit. With this circuit topology, any antenna impedance can theoretically be mapped to any impedance on the TX. The basic impedance adjustment is carried out by the inductance L_antenna and the two capacitances Cpl and Cp2. However, as soon as the antenna impedance changes, for example due to an object in the antenna's near field, the matching network consisting of L_antenna, Cpl and Cp2 is no longer correct. For this reason, additional capacitance diodes Dl, D2 and D3 are introduced. By reducing the control voltages Vtunel and Vtune2, the capacitance of the varactor diodes Dl and D2 can be increased and the effective parallel capacitances of the matching network can be increased or can also be increased by increasing the control voltages. The capacitance of D3 can be varied using the control voltage Vtune3, thereby allowing the inductance of L_antenna to be varied for a specific working frequency.
Der hochfrequente Teil der Schaltung wird von den Steuerspannungen durch die Induktiviäten L_dc getrennt, diese sollten vorzugsweise deutlich größer gewählt werden als L_antenna um keinen signifkanten Einfluss auf das Anpassnetzwerk zu haben. Um zu verhindern, dass die Steuerspannungen Auswirkungen auf andere Schaltungsteile haben werden diese durch die Kapazitäten C_dc von diesen getrennt. Hierbei müssen die Kapazitäten C_dc sehr viel größer gewählt werden als die Kapazitäten Cpl und Cp2 um keine signifikante Auswir- kung auf das Anpassnetzwerk zu haben. Vorteilhaft wird so ein anpassbares Anpassnetzwerk sowohl bei Sende- als auch Empfangsstrukturen verwendet. The high-frequency part of the circuit is separated from the control voltages by the inductors L_dc; these should preferably be chosen to be significantly larger than L_antenna in order not to have a significant influence on the matching network. In order to prevent the control voltages from having an impact on other circuit parts, they are separated from them by the capacitances C_dc. The capacitances C_dc must be chosen to be much larger than the capacitances Cpl and Cp2 in order not to have a significant effect. to have access to the matching network. An adaptable matching network is advantageously used in both transmitting and receiving structures.
Die Verstimmung der Sende-/Empfangsstruktur kann zu einer Fehlanpassung zwischen Sende-/Empfangsverstärkung oder Frequenzgenerator/IQ-Demodu- lator führen. Bei großen Leitungslängen zwischen Sende-/Empfangs-struktur und der eigentlichen Signalquelle bzw. -senke können durch die Fehlanpassung stehende Wellen entstehen. Dies ist vor allem bei Verwendung von Kabeln der Fall. Diese stehenden Wellen können Artefakte, aber auch ungewollte sensitive Bereiche entlang des Kabels erzeugen. Um diesen Artefakten entgegenzuwirken, können das oben beschriebene Anpassnetzwerk und/oder folgende Ausgestaltungen vorteilhaft sein. The detuning of the transmit/receive structure can lead to a mismatch between the transmit/receive gain or the frequency generator/IQ demodulator. With long cable lengths between the transmit/receive structure and the actual signal source or sink, standing waves can arise due to the mismatch. This is especially the case when using cables. These standing waves can create artifacts, but also unwanted sensitive areas along the cable. In order to counteract these artifacts, the matching network described above and/or the following embodiments may be advantageous.
Es kann eine Zwangssymmetrisierung zwischen hin- und rückführenden Leitern des Kabels zur zumindest einen Sendestruktur und/oder zur zumindest einen Empfangsstruktur vorgenommen werden, z. B. über stromkompensierte Drosseln, mittels eines Terminierungswiderstandes zusammen mit einem Impedanzwandler, mittels zumindest einer stromkompensierten Drossel und/oder mittels Ferriten. Forced symmetrization can be carried out between the leading and returning conductors of the cable to at least one transmitting structure and/or to at least one receiving structure, e.g. B. via current-compensated chokes, by means of a termination resistor together with an impedance converter, by means of at least one current-compensated choke and/or by means of ferrites.
Auch möglich ist die Verwendung differentieller Sende- und Empfangsstrukturen und/oder die Verwendung von Baluns. It is also possible to use differential transmission and reception structures and/or the use of baluns.
Auch möglich ist die Terminierung der Kabel mit der Wellenimpedanz des Kabels (typischerweise 'Q) und der Verwendung von Buffer-Schaltungen, um die Spannung an der Terminierung hochimpedant abzugreifen und niederimpe- dant an das nächste Segment in der Signalkette weiterzugeben. Dies ist in Fig. 14 beispielhaft gezeigt. It is also possible to terminate the cables with the wave impedance of the cable (typically 'Q) and to use buffer circuits to pick up the voltage at the termination with high impedance and pass it on to the next segment in the signal chain with low impedance. This is shown as an example in FIG. 14.
In Fig. 14 sind Anpasswiderstände zusammen mit Impedanzwandlern als Buffer-Schaltung dargestellt. An den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker Ul und U2 befindet sich jeweils ein Terminierungswiderstand Rt2 bzw. Rt4 gegen Masse. Da die Eingänge der Operationsverstärker in der Regel viel höherimpedanter sind als die Terminierungswiderstände, ist für die Betrachtung der Gesamtimpedanz aus Terminierungswiderstands und Operationsverstärkereingang nur der Terminierungswiderstand relevant. So kann der Terminierungswiderstand so gewählt werden, dass dieser exakt der Wellenimpedanz des vorangegangenen Schaltungsteils entspricht um Fehlanpassungen durch Impedanzsprünge zu verhindern. So besitzt der Terminierungswiderstand Rt2 in Fig. 14 die gleiche Impedanz wie das davor kommende Koaxialkabel mit 50 Ohm Wellenwiderstand. Ebenso lässt sich durch die Serienwiderstände Rtl und Rt3 der Ausgangswiderstände der Operationsverstärker Ul und U2 so anpassen, dass diese der Wellenimpedanz der nachgelagerten Schaltungsteile entspricht. Da die Impedanz der Operationsverstärkerausgänge deutlich nie- derimpedanter sind als die Widerstände Rtl und Rt3, bildet sich der Gesamtwiderstand aus Operationsverstärkerausgang und Serienwiderstand hauptsächlich durch den Serienwiderstand. So besitzt der Serienwiderstand Rt3 in Fig. 14 die gleiche Impedanz wie das darauffolgende Koaxialkabel mit 50 Ohm Wellenwiderstand. Die Werte der Terminierungswiderstände und der Serienwiderstände können voneinander abweichen, um zum Beispiel zwei Schaltungsteile mit unterschiedlichen Impedanzen ohne Fehlanpassung zu verbinden. In Fig. 14, matching resistors are shown together with impedance converters as a buffer circuit. There is a termination resistor Rt2 or Rt4 to ground at the non-inverting inputs of the operational amplifiers Ul and U2. Since the inputs of the operational amplifiers usually have a much higher impedance than the termination resistors, only the termination resistor is relevant when considering the total impedance of the termination resistor and operational amplifier input. That's how he can Termination resistor must be chosen so that it corresponds exactly to the wave impedance of the previous circuit part in order to prevent mismatches caused by impedance jumps. The termination resistor Rt2 in Fig. 14 has the same impedance as the coaxial cable in front of it with 50 ohm characteristic impedance. The series resistors Rtl and Rt3 can also be used to adjust the output resistances of the operational amplifiers Ul and U2 so that they correspond to the wave impedance of the downstream circuit parts. Since the impedance of the operational amplifier outputs is significantly lower impedance than the resistors Rtl and Rt3, the total resistance from the operational amplifier output and series resistance is formed primarily by the series resistance. The series resistor Rt3 in Fig. 14 has the same impedance as the subsequent coaxial cable with 50 ohm characteristic impedance. The values of the termination resistors and the series resistors can differ from each other, for example to connect two circuit parts with different impedances without mismatch.
Für die beschriebene differentielle Sende- und Empfangsstruktur kann die zumindest eine Sendestruktur 4 und/oder die zumindest eine Empfangsstruktur 6 an einem ersten Anschluss mit einer ersten Wechselspannung beaufschlagt werden und an einem zweiten Anschluss mit einer gegenüber der ersten Wechselspannung um 180° verschobenen zweiten Wechselspannung beaufschlagt werden. Bei Verwendung eines Baluns kann dieser aus einer Eingangswechselspannung die zwei Wechselspannungen erzeugen, die zueinander einen Phasenversatz von 180° haben. For the differential transmitting and receiving structure described, the at least one transmitting structure 4 and/or the at least one receiving structure 6 can be supplied with a first alternating voltage at a first connection and can be supplied with a second alternating voltage shifted by 180° compared to the first alternating voltage at a second connection become. When using a balun, it can generate two alternating voltages from an input alternating voltage, which have a phase offset of 180° to one another.
Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung zumindest eines Ablaufs in einem Objekt. Der Ablauf kann beispielsweise in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ausgeführt werden. Es wird dabei durch die Empfangsstruktur 6 ein Wechselfeld empfangen, das im gezeigten Beispiel z. B. ein RF-Signal sein kann. Dieses wird der I/Q-Demodulation 21 zugeführt, die im gezeigten Beispiel I-Daten und Q-Daten pro Antenne erzeugt. Diese werden einem optionalen Vorverarbeitungsschritt 22 zugeführt, der z. B. eine Filterung und/oder Transformation enthalten kann. Im Vorverarbeitungsschritt 22 können aus den mehrdimensionalen Demodulationsdaten, hier den I- und Q-Daten pro Antenne, erzeugte Daten erzeugt werden, die auch als ab- geleitete Größen bezeichnet werden können. Die von der Vorverarbeitung erzeugten Daten können nun einem statistischen Modell 24 zugeführt werden. Es ist darüber hinaus oder alternativ möglich, in den erzeugten Größen zunächst eine Merkmalsextraktion auszuführen, mit der Merkmale der mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder der daraus erzeugten Daten ermittelt werden. Es können dann diese Merkmale dem Modell 24 zugeführt werden. Eine solche Merkmalserzeugung ist vor allem dann sinnvoll, wenn sich die mehrdimensionalen Demodulationsdaten nicht oder schlecht zur direkten Verwendung im Modell 24 eignen. Fig. 2 shows an exemplary process of a method according to the invention for measuring at least one process in an object. The process can be carried out, for example, in the device shown in FIG. An alternating field is received by the receiving structure 6, which in the example shown is e.g. B. can be an RF signal. This is fed to the I/Q demodulation 21, which in the example shown generates I data and Q data per antenna. These are fed to an optional pre-processing step 22, which z. B. may contain filtering and/or transformation. In the preprocessing step 22, data generated from the multidimensional demodulation data, here the I and Q data per antenna, can be generated, which can also be referred to as guided variables can be referred to. The data generated by the preprocessing can now be fed to a statistical model 24. In addition or alternatively, it is possible to first carry out a feature extraction in the generated variables, with which features of the multidimensional demodulation data and/or the data generated therefrom are determined. These features can then be supplied to model 24. Such a feature generation is particularly useful if the multidimensional demodulation data is unsuitable or poorly suited for direct use in the model 24.
Das Modell erzeugt aus den zugeführten mehrdimensionalen Modulationsdaten, hier I und Q, und/oder aus den aus diesen erzeugten Daten zeitabhängig zumindest ein Merkmal des Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung des Ablaufs, z. B. als prädizierte Werte, beispielsweise eine Atemflusskurve. Dieses Ergebnis kann optional noch einer Kurveninterpretation 25 zugeführt werden. Es kann auf diese Weise beispielsweise ein Echtzeit-Träger, Volumina und/oder ein Abgleich zu einer Referenz erzeugt werden. The model generates from the supplied multi-dimensional modulation data, here I and Q, and/or from the data generated from these, depending on time, at least one feature of the process and/or a temporal representation of the process, e.g. B. as predicted values, for example a respiratory flow curve. This result can optionally be fed to a curve interpretation 25. In this way, for example, a real-time carrier, volumes and/or a comparison to a reference can be generated.
Fig. 3 zeigt beispielhaft den Verlauf von I und Q im linken Teilbild sowie von den Ableitungen von dQ/dl im rechten Teilbild. Der gezeigte Verlauf ist charakteristisch für einen Atemzug. Im linken Teilbild entspricht der linke untere Abschnitt der Kurve der Einatmung und der rechte obere Abschnitt der Ausatmung. Während eines Atemzyklus verlaufen Q und I also entlang der gezeigten Kurve entgegen dem Uhrzeigersinn. Fig. 3 shows an example of the course of I and Q in the left part of the image and of the derivatives of dQ/dl in the right part of the image. The course shown is characteristic of a breath. In the left part of the image, the lower left section of the curve corresponds to inhalation and the upper right section corresponds to exhalation. So during a breathing cycle, Q and I move counterclockwise along the curve shown.
Im rechten Teilbild ist der Gradient dQ/dl als Pfeile auf der im linken Teilbild gezeigten Kurve eingezeichnet. Erkennbar ist der Richtungswechsel des Gradienten bei Wechsel von Inspiration zu Exspiration. Anhand des Gradienten kann also beispielsweise in Echtzeit erkannt werden, ob eine Einatmung oder eine Ausatmung vorliegt. In the right part of the picture, the gradient dQ/dl is shown as arrows on the curve shown in the left part of the picture. The change in direction of the gradient can be seen when changing from inspiration to expiration. Using the gradient, it can be recognized in real time, for example, whether there is an inhalation or an exhalation.
Fig. 4 zeigt Beispiele für eine Vorverarbeitung von Daten, die im Demodulationsschritt erhalten werden können. Diese Vorverarbeitung kann beispielsweise im Schritt 22 in Fig. 2 erfolgen. In den Teilbildern der Fig. 4 ist links ein 3 x 3 Paarplot der Daten im Rohzustand gezeigt. Bei den Paarplots wird in den nicht- diagonalen Plots die Abhängigkeit der Rohdaten von anderen Rohdaten gezeigt, um z.B. die Korrelation darzustellen. In den diagonalen Plots werden Histogramme der Rohdaten dargestellt. Im rechten Teilbild werden die Paarplots der entsprechenden Daten an entsprechenden Positionen nach der Vorverarbeitung gezeigt. Die Vorverarbeitung kann z. B. eine Filterung und/oder eine Transformation umfassen. Fig. 4 shows examples of preprocessing of data that can be obtained in the demodulation step. This preprocessing can take place, for example, in step 22 in FIG. 2. In the partial images of Fig. 4, a 3 x 3 pair plot of the data in the raw state is shown on the left. In the pair plots, the non- Diagonal plots show the dependence of the raw data on other raw data, for example to show the correlation. Histograms of the raw data are shown in the diagonal plots. In the right panel, the pair plots of the corresponding data are shown at corresponding positions after preprocessing. The preprocessing can e.g. B. include filtering and/or a transformation.
Die Vorverarbeitung kann auch z. B. eine Inspektion von Daten enthalten, inclusive der Untersuchung von statistischen Zusammenhängen der Eingangsgrößen, z. B. über eine Generalized Scatterplot-Matrix (GSPLOM), wie in Fig. 4 gezeigt. Danach kann die Vorverarbeitung z. B. eine Glättung, eine Befreiung vom Mittelwert und/oder eine Skalierung aufweisen. The preprocessing can also e.g. B. include an inspection of data, including the investigation of statistical relationships between the input variables, e.g. B. via a Generalized Scatterplot Matrix (GSPLOM), as shown in Fig. 4. The preprocessing can then be carried out e.g. B. have smoothing, exemption from the mean and/or scaling.
Eine derartige Vorverarbeitung kann sowohl bei der Vermessung des Ablaufs wie aber auch beim Training des statistischen Modells zum Einsatz kommen. Such preprocessing can be used both when measuring the process and when training the statistical model.
Fig. 5 zeigt beispielhaft einen Vorverarbeitungsschritt 22. Es werden hier beispielhaft I und Q als mehrdimensionale Demodulationsdaten dem Vorverarbeitungsschritt 22 zugeführt. Dieser kann dann einen oder mehrere der rechts in Fig. 5 gezeigten Größen aus diesen Daten erzeugen. Die rechts gezeigten Größen sind dabei lediglich beispielhaft und es können einige dieser Größen, alle dieser Größen und auch weitere Größen erzeugt werden. 5 shows an example of a preprocessing step 22. Here, for example, I and Q are supplied to the preprocessing step 22 as multidimensional demodulation data. This can then generate one or more of the variables shown on the right in FIG. 5 from this data. The sizes shown on the right are just examples and some of these sizes, all of these sizes and also other sizes can be created.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines Ablaufs, mit dem das statistische Modell 24 in einem Trainingsvorgang trainiert werden kann. Im Trainingsvorgang wird das statistische Modell 24 datenbasiert trainiert. Im Betrieb kann dann das Modell 24 auf neue Daten angewendet werden. Unterschieden werden kann insbesondere zwischen zwei überwachten Lernaufgaben, nämlich zum einen Klassifikation und zum anderen Regression. 6 shows an example of a process with which the statistical model 24 can be trained in a training process. In the training process, the statistical model 24 is trained based on data. Model 24 can then be applied to new data during operation. A distinction can be made in particular between two supervised learning tasks, namely classification and regression.
Im Trainingsvorgang erhält das Modell 24 neben den Demodulationsdaten, die aus einem empfangenen Wechselfeld erzeugt wurden, zusätzliche Messwerte aus zumindest einem Referenzsensor (Ground Truth). Der zumindest eine Referenzsensor kann dabei jene Größe messen, die mit dem statistischen Modell vermessen bzw. vorhergesagt werden soll. Durch Vergleich der Messwerte der Referenzsensoren mit den durch das Modell vorhergesagten Werten des Merkmals des Ablaufs, und/oder der zeitlichen Darstellung des Ablaufs, kann ein Fehlerwert errechnet werden, beispielsweise mittels eines Optimierungsalgorithmus, um das Modell 24 entsprechend zu trainieren. Das Training kann z. B. generalisiert mit einer ganzen repräsentativen Population erfolgen oder es kann individuell, beispielsweise patientenindividuell stattfinden. Beim patientenindividuellen Training kann an den Patientinnen anfangs die Referenzsensorik angeschlossen werden, um das mathematische Modell individuell zu trainieren. Nach dem Training kann die Referenzsensorik entfernt werden. During the training process, the model 24 receives, in addition to the demodulation data generated from a received alternating field, additional measured values from at least one reference sensor (ground truth). The at least one reference sensor can measure the quantity that is to be measured or predicted using the statistical model. By comparing the measured values of the Reference sensors with the values of the feature of the process predicted by the model, and/or the temporal representation of the process, an error value can be calculated, for example by means of an optimization algorithm, in order to train the model 24 accordingly. The training can e.g. B. can be carried out in a generalized manner with an entire representative population or it can take place individually, for example on a patient-specific basis. During patient-specific training, the reference sensor system can initially be connected to the patient in order to train the mathematical model individually. After training, the reference sensors can be removed.
Wie in Fig. 6 gezeigt, werden dem Modell 24 für das Training jene Demodulationsdaten oder aus diesen erzeugte Daten zugeführt, die zur Vermessung des Ablaufs im Objekt im Betrieb verwendet werden sollen. In Fig. 6 sind dies beispielhaft I, Q, eine Amplitude, eine Phase und Gradienten des empfangenen Wechselfelds. Das Modell 24 erzeugt aus diesen einen geschätzten Wert, der der Qualitätsmetrik 62 zugeführt wird. Die Qualitätsmetrik 62 vergleicht den Schätzwert mit dem durch die Referenzsensoren gemessenen Wert und erzeugt einen Fehlerwert. Dieser wird einem Optimierungsalgorithmus 61 zugeführt, der dann das Modell 24 so trainiert, dass die Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Wert und dem von dem Modell 24 geschätzten Wert verbessert wird. As shown in Fig. 6, the model 24 for training is supplied with the demodulation data or data generated from these that are to be used to measure the process in the object during operation. In FIG. 6, these are, for example, I, Q, an amplitude, a phase and gradients of the received alternating field. The model 24 generates an estimated value from these, which is fed to the quality metric 62. The quality metric 62 compares the estimated value with the value measured by the reference sensors and produces an error value. This is fed to an optimization algorithm 61, which then trains the model 24 so that the agreement between the measured value and the value estimated by the model 24 is improved.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Anordnung zum Anlernen bzw. Trainieren des Modells 24 in Fig. 6. Im in Fig. 7 gezeigten Beispiel erfolgt ein patientenindividuelles Training an einem/einer Patient*in 71. Dieser wird, beispielsweise mittels der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 72, über die Sendestruktur 4 mit einem Wechselfeld beaufschlagt, das durch die Empfangsstruktur 6 empfangen wird, nachdem es den/die Patient*in 71 durchlaufen hat. Es kann aus dem empfangenen Wechselfeld, wie zu Fig. 2 beschrieben, ein Merkmal eines zustimmenden Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung des Ablaufs erzeugt werden. Im gezeigten Beispiel ist der zu vermessende Ablauf eine kardiorespiratorische Aktivität des/der Patient*in. Als Referenzsensoren sind zum einen ein Elektrokardiogramm 73 sowie ein Flow-Meter 74 zur direkten Messung eines Atemflusses vorgesehen. Die Sensoren 73 und 74 erzeugen die gemessenen Werte, die der Qualitätsmetrik 62 zugeführt werden. Diese vergleicht die Werte der interessierenden Merkmale des Ablaufs mit den durch das Modell vorhergesagten und erzeugt so besagten Fehlerwert. 7 shows an example of an arrangement for teaching or training the model 24 in FIG. 6. In the example shown in FIG. 1 shown device 72, via the transmitting structure 4 with an alternating field, which is received by the receiving structure 6 after it has passed through the patient 71. A feature of an affirmative process and/or a time representation of the process can be generated from the received alternating field, as described in FIG. 2. In the example shown, the process to be measured is a cardiorespiratory activity of the patient. An electrocardiogram 73 and a flow meter 74 for directly measuring a respiratory flow are provided as reference sensors. The sensors 73 and 74 generate the measured values that are fed to the quality metric 62. This compares the values of the process features of interest with those predicted by the model and generates the said error value.
Im Betrieb erhält das Modell 24 keine Referenzdaten mehr, sondern schätzt auf Basis der verschiedenen Eingangsdaten die Merkmale des Ablaufs und/oder die zeitlichen Daten des Ablaufs. Das System kann hier als Soft-Sensor agieren, da die zu bestimmende Zielgröße nicht direkt gemessen wird, sondern durch damit korrelierte Größen und einem trainierten Modell geschätzt wird. During operation, the model 24 no longer receives reference data, but rather estimates the characteristics of the process and/or the temporal data of the process based on the various input data. The system can act as a soft sensor here, since the target variable to be determined is not measured directly, but is estimated using correlated variables and a trained model.
Man kann hierbei zwei Arten der Schätzung unterscheiden, die beide vorteilhaft sind. Im einen Fall kann eine Klassifikation der Demodulationsdaten und/oder der aus diesen erzeugten Daten erfolgen. In diesem Fall können Größen mit diskretem Wertebereich, meistens binär, teilweise auch ternär, unterschieden werden. Zum Beispiel könnten die Daten als Einatmen, Ausatmen oder optional auch als Atempause klassifiziert werden. Es kann z. B. anhand der aktuellen Demodulationsdaten unterschieden werden, ob aktuell Einatmen, Ausatmen oder eine Atempause stattfindet. Auch kann beispielsweise bestimmt werden, ob im vorangegangenen Zeitschnitt eine R-Zacke auftrat. Two types of estimation can be distinguished, both of which are advantageous. In one case, a classification of the demodulation data and/or the data generated from them can take place. In this case, variables with a discrete range of values, mostly binary, sometimes also ternary, can be distinguished. For example, the data could be classified as inhalation, exhalation, or optionally a pause in breathing. It can e.g. B. based on the current demodulation data, a distinction can be made as to whether inhalation, exhalation or a breathing pause is currently taking place. For example, it can also be determined whether an R wave occurred in the previous time slice.
Fig. 8 zeigt eine solche Klassifizierung nochmals schematisch. Als Eingangsdaten für das Modell 24 dienen hier die besagten Demodulationsdaten und/oder aus diesen erzeugte Daten. Das Modell klassifiziert die konkrete Konstellation dieser Daten in Klassifikationsergebnisse wie beispielsweise Einatmen, Ausatmen, Vorhandensein einer R-Zacke usw. 8 shows such a classification again schematically. The said demodulation data and/or data generated from these serve as input data for the model 24. The model classifies the specific constellation of this data into classification results such as inhalation, exhalation, presence of an R wave, etc.
Die zweite Art der Schätzung ist die Regression. Bei der Regression erzeugt das Modell quasi-zeitkontinuierliche Zielgrößen mit einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Wertebereich. Eine solche Zielgröße kann z. B. der aktuelle Atemfluss oder eine Erregungskurve eines EKGs sein. The second type of estimation is regression. In regression, the model generates quasi-time-continuous target variables with a continuous or quasi-continuous range of values. Such a target size can e.g. B. the current respiratory flow or an excitation curve of an ECG.
Fig. 9 zeigt schematisch das Modell als Regression. Es werden wiederum die Demodulationsdaten oder aus diesen erzeugte Daten eingegeben und das Modell erzeugt daraus beispielsweise den Atemfluss, ein EKG oder eine ähnliche Kurve. Fig. 9 shows schematically the model as a regression. The demodulation data or data generated from these are again entered and the model uses them to generate, for example, the respiratory flow, an ECG or a similar curve.
Fig. 10 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung des Modells 24 als trainiertes neuronales Netz, in diesem Fall ein Mehrschichtiges Perzeptron, das auf Basis der Eingangsgrößen I und Q und den abgeleiteten Merkmalen aus I und Q den Atemfluss schätzt. Das linke Teilbild zeigt beispielhaft einen Verlauf von I und Q über die Zeit, der dem neuronalen Netz 24 als Modell zugeführt wird, und das rechte Teilbild zeigt einen Vergleich eines vorhergesagten Flusses mit einem tatsächlichen Fluss, wie er mittels Referenzsensor bestimmt wurde. Es ist zu erkennen, dass das trainierte neuronale netz 24 den Atemfluss sehr gut vorhersagt. Das neuronale Netz weist eine Eingangsschicht, vier verborgene Schichten mit 200, 50, 60 und noch mal 60 Neuronen und eine Ausgangsschicht auf. 10 shows an example of an embodiment of the model 24 as a trained neural network, in this case a multi-layer perceptron based on the Input variables I and Q and the derived features from I and Q estimate the respiratory flow. The left partial image shows an example of a course of I and Q over time, which is supplied as a model to the neural network 24, and the right partial image shows a comparison of a predicted flow with an actual flow, as determined using a reference sensor. It can be seen that the trained neural network 24 predicts the respiratory flow very well. The neural network has an input layer, four hidden layers with 200, 50, 60 and another 60 neurons and an output layer.
Fig. 11 zeigt ein Beispiel zur Schätzung des Atemflusses, bei dem das statistische Modell 24 ein trainierter adaptiver FIR-Filter ist. Als Eingangsgröße dient hierbei die I-Daten und die Q-Daten, wie sie im linken Teilbild eingezeichnet ist. Das Ergebnis ist wiederum der Atemfluss, wie im rechten Teilbild gezeigt im Vergleich zum gemessenen Atemfluss. 11 shows an example of respiratory flow estimation in which the statistical model 24 is a trained adaptive FIR filter. The input variables here are the I data and the Q data, as shown in the left part of the image. The result is again the respiratory flow, as shown in the right part of the image in comparison to the measured respiratory flow.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Soft-Sensor-System. Das in Fig. 12 gezeigte Verfahren beginnt mit einer elektromagnetischen Transmissionsmessung, beispielsweise mittels der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Die Daten werden wiederum der Vorverarbeitung 22 zugeführt, die auch hier optional ist. Die so erzeugten Daten werden dann dem Modell 24 zugeführt, das zuvor mit einem Referenzsystem 124 trainiert wurde. Optional können die Daten einem Nachbearbeitungsschritt 122 zugeführt werden und am Ende als Schätzwert im Ausgabeschritt 123 ausgegeben werden. Dieses Soft-Sensor-System misst wiederum nicht direkt die Ausgangsgröße, sondern schätzt über das mathematische Modell 24 die Ausgangsgröße über mehrere mit der Ausgangsgröße korrelierte Eingangsgrößen. Fig. 12 shows another example of a soft sensor system. The method shown in FIG. 12 begins with an electromagnetic transmission measurement, for example using the arrangement shown in FIG. 1. The data is in turn fed to preprocessing 22, which is also optional here. The data generated in this way is then fed to the model 24, which was previously trained with a reference system 124. Optionally, the data can be fed to a post-processing step 122 and ultimately output as an estimated value in the output step 123. This soft sensor system in turn does not measure the output variable directly, but rather estimates the output variable via the mathematical model 24 using several input variables correlated with the output variable.
Fig. 15 zeigt ein detaillierteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Verfahrensführung. Es werden dabei in einem Schritt 151 Flussdaten importiert, die in einem Schritt 152 einer linearen Interpolation unterzogen werden. Die durch die lineare Interpolation erzeugten Daten werden in einem Schritt 153 einem beispielhaften Butterworth-Bandpassfilter unterzogen, dessen untere Grenze im gezeigten Beispiel 0,11 Hz ist, und dessen obere Grenze 1,1 Hz ist. Die so gefilterten Daten werden dann einer Yeo-Johnson Leistungs-Transformation 154 zugeführt, die den Referenzfluss als Ground Truth 165 erzeugt. Dieser Referenzfluss wird als Referenzsensordaten für das Training des statistischen Modells 24, das hier ein Mehrschichtiger Perzeptron-Regressor ist, verwendet. Fig. 15 shows a more detailed example of a method according to the invention. In a step 151, flow data is imported, which is subjected to linear interpolation in a step 152. The data generated by the linear interpolation is subjected to an exemplary Butterworth bandpass filter in a step 153, the lower limit of which in the example shown is 0.11 Hz and the upper limit of which is 1.1 Hz. The data filtered in this way is then subjected to a Yeo-Johnson performance transformation 154 which generates the reference flow as ground truth 165. This reference flow is used as reference sensor data for training the statistical model 24, which here is a multi-layer perceptron regressor.
Die in den Schritten 151, 152, 153, 154 und 165 bestimmten Referenzdaten werden nur zum Training verwendet. Im Betrieb als Verfahren zur Vermessung des Ablaufs werden diese Schritte weggelassen. The reference data determined in steps 151, 152, 153, 154 and 165 is used for training only. In operation as a process for measuring the process, these steps are omitted.
Im Betrieb sowie zur Schätzung beim Training werden in einem Schritt 155 Demodulationsdaten, beispielsweise Q und I, erzeugt. Diese werden in einem Schritt 156 einer linearen Interpolation unterzogen. Aus den interpolierten Daten wird in einem Schritt 157 beispielsweise eine Amplitude berechnet. Das Ergebnis des Schritts 157 wird hier einem Butterworth-Bandpassfilter 158 zugeführt und das gefilterte Signal wiederum einer Yeo-Johnson Leistungs-Transformation 159 zugeführt. Aus den in der Yeo-Johnson Leistungs-Transformation 159 transformierten Daten können nun zahlreiche Merkmale des zu vermessenden Verlaufs bestimmt werden. Die in 159 erzeugten Daten können beispielsweise einem Schiebeoperator 164 zugeführt werden, wodurch verschobene Daten bestimmt werden können, beispielsweise Q, I, Amplitude, dQ/dt, dl/dt, dAmplitude/dt, binäres dQ/dt, binäres dl/dt und/oder binäre dAmplitude/dt, wie in 167 gezeigt. Die durch die Transformation 159 erzeugten Daten können auch direkt als Merkmale Q, I, Amplitude wie in 171 verwendet werden. During operation and for estimation during training, demodulation data, for example Q and I, are generated in a step 155. These are subjected to linear interpolation in a step 156. In a step 157, for example, an amplitude is calculated from the interpolated data. The result of step 157 is fed here to a Butterworth bandpass filter 158 and the filtered signal is in turn fed to a Yeo-Johnson power transformation 159. Numerous characteristics of the course to be measured can now be determined from the data transformed in the Yeo-Johnson performance transformation 159. For example, the data generated in 159 can be fed to a shift operator 164, whereby shifted data can be determined, for example Q, I, amplitude, dQ/dt, dl/dt, dAmplitude/dt, binary dQ/dt, binary dl/dt and/or or binary dAmplitude/dt, as shown in 167. The data generated by transformation 159 can also be used directly as features Q, I, amplitude as in 171.
Es können darüber hinaus im Schritt 160 Gradienten erzeugt werden, die wiederum einer Yeo-Johnson Leistungs-Transformation 161 unterzogen werden können und dadurch die zeitabhängige Veränderung von Q, I und der Amplitude erzeugen können. Dies ist in 170 gezeigt. Die durch die Transformation 161 erzeugten Daten können auch einer Gradienten-Binarisierung 162 unterzogen werden und auf diese Weise die in 169 gezeigten binären dQ/dt, dl/dt, dAmplitude/dt erzeugen. In addition, gradients can be generated in step 160, which in turn can be subjected to a Yeo-Johnson power transformation 161 and can thereby generate the time-dependent change in Q, I and the amplitude. This is shown in 170. The data generated by transformation 161 may also be subjected to gradient binarization 162, thereby producing the binary dQ/dt, dl/dt, dAmplitude/dt shown in 169.
Die im Schritt 162 erzeugten Daten können zusammen mit den in der Transformation 161 erzeugten Daten auch einem Verfahren des gleitenden Mittelwerts zugeführt werden. Es können hierdurch die in 168 gezeigten Daten erzeugt werden. Die Merkmale 166 können dann dem statistischen Modell 24 zugeführt werden. Dieses erzeugt daraus den Ablauf als Regression. The data generated in step 162 may also be fed to a moving average method along with the data generated in transformation 161. This allows the data shown in Figure 168 to be generated. The features 166 can then be fed to the statistical model 24. This creates the process as a regression.
Die Erfindung ist aufgrund der Kontaktlosigkeit auch geeignet für Patientinnen, die leicht reizbare, verbrannte oder entzündete Haut haben. Due to the non-contact nature, the invention is also suitable for patients who have easily irritable, burned or inflamed skin.
Es ist auch für sehr kleine Patientinnen geeignet, die nicht viel Platz bieten um Sensorik anzubringen, z.B. Früh- oder Neugeborene. It is also suitable for very small patients who do not have much space to attach sensors, e.g. premature babies or newborns.
Bei der Erfindung ist wegen der Kontaktlosigkeit die Wahrscheinlichkeit von schlechten Messergebnissen aufgrund von Anwenderfehlern gering. Bei EKGs können beispielsweise die Elektroden falsch oder schlecht platziert werden. Bei Messungen der Atmung mit Fluss- oder Drucksensoren können Leckagen auftreten, die sowohl die Messung des Flusses als auch des Drucks verfälschen können. So treten bei Barttragenden häufig Leckagen bei Gesichtsmasken auf. With the invention, due to the non-contact nature, the probability of poor measurement results due to user errors is low. With ECGs, for example, the electrodes can be placed incorrectly or poorly. When measuring respiration with flow or pressure sensors, leaks can occur, which can distort both the flow and pressure measurements. Leaks in face masks often occur among people with beards.
Für die Verwendung der Erfindung ist nur eine geringe Patienten*innencompli- ance nötig. Für Patientinnen ist die elektromagnetische Transmissionsmessung nicht wahrnehmbar und kann z.B. einfach in eine Stuhllehne oder Matratze integriert werden, so dass sie eine bequeme Haltung einnehmen können. Engegefühl, das womöglich bei Verfahren wie RIP-Bändchen oder EKG-Brust- gurten auftritt, entfällt komplett. Da die Erfindung auch durch dicke Textilien messen kann, müssen sich Patientinnen auch nicht entkleiden. Only a low level of patient compliance is required for the use of the invention. The electromagnetic transmission measurement is imperceptible to patients and can, for example, be easily integrated into the back of a chair or mattress so that they can adopt a comfortable position. Tightness that may occur with procedures such as RIP wristbands or ECG chest straps is completely eliminated. Since the invention can also measure through thick textiles, patients do not have to undress.
Aufgrund der Kontaktlosigkeit ist die Kontaminationsgefahr und der Verschleiß der Sende- und Empfangsstrukturen auch deutlich reduziert. Due to the lack of contact, the risk of contamination and wear on the transmitting and receiving structures is also significantly reduced.
Durch die Realisierung eines Softsensors kann die Erfindung konventionelle Sensoren wie EKG oder Flowmeter quasi emulieren. Dadurch kann die Erfindung nahtlos in bestehende Sensor-Ketten integriert werden, in denen normalerweise ein konventioneller Sensor zum Einsatz kommt. By implementing a soft sensor, the invention can virtually emulate conventional sensors such as ECG or flowmeters. This allows the invention to be seamlessly integrated into existing sensor chains in which a conventional sensor is normally used.
Mit dem vorliegenden Algorithmus können die Daten einer nicht-invasiven, nicht obstruierenden und skalierbaren (simultane oder serielle Nutzung meh- rerer Sensorteilelemente in örtlichem Abstand) und oberflächen- und volumensensitiven Messtechnik (Felder dringen wenigstens teilweise in die Zielstruktur ein) basierend auf der zeitabhängigen komplexen Faltung wenigstens zweier elektromagnetischer Felder (gesendet und empfangen) zur Laufzeit verarbeitet, interpretiert und in kardiothorakale Vitaldaten bzw. andere physiodynami- sche Daten einer Zielstruktur umgewandelt werden. Hierfür kann das System wenigstens initial trainiert werden, die durch die physiodynamischen Veränderungen der Zielstruktur oder eines generischen Modells der Zielstruktur entstehenden Veränderungen der Daten des Maßsystems mit Referenzsystemen Daten (z.B. kardiothorakale Vitaldaten) abzubilden. With the present algorithm, the data can be used in a non-invasive, non-obstructive and scalable (simultaneous or serial use of multiple more sensor sub-elements at a local distance) and surface and volume sensitive measurement technology (fields penetrate at least partially into the target structure) based on the time-dependent complex folding of at least two electromagnetic fields (sent and received) processed at runtime, interpreted and converted into cardiothoracic vital data or other physiodynamics - technical data of a target structure are converted. For this purpose, the system can at least initially be trained to map the changes in the data of the measurement system resulting from the physiodynamic changes in the target structure or a generic model of the target structure with reference system data (e.g. cardiothoracic vital data).
Für folgende Anwendungen eignet sich die Erfindung insbesondere: The invention is particularly suitable for the following applications:
Sensor bei der künstlichen Beatmung, Überwachung auf plötzlichen Kindstod Verlaufskontrolle bei Herz- und Atemwegserkrankungen (Vergleichbar einem Langezeit EKG), Tracking des aktuellen Zustands einer Person (wach, schlafend, pathologisch), kontaktlose Patient*innenüberwachung auf Intensivstationen, kontaktloses Ableiten eines EKGs, kontaktloses Tracken von Herzschrittmachern, kontaktlose Bestimmung der Atemrate, Einbau in Wearables, Matratzen, Autositze -> Stressanzeige o.ä., Schlafbewertung, Trainingsparameter messen z.B. VOZmax, Überwachung von Schlaf-Apnoe, Verwendung für BioFeed- back, Eingangsdaten zur Artefakt- oder Ausfallkompensation von Vitaldatensensoren, Signalerzeuger für Totmannschalter, Ermittlung von Performanceda- ten, Verwendung des „Verfahrens" für die Auswertung der Daten des Thoraxmonitors, Messverfahren über die Ableitung der reinen kardiothorakalen Vitaldaten hinaus (z.B. technische zeitveränderliche Zustände wie Füllstände, Annäherung, Kompression von Schüttgut oder porösen Strukturen oder biologisch wie die Anspannung von Muskelgewebe, Peristaltik, Bewegung im Allgemeinen von Menschen als auch Tieren). Sensor in artificial ventilation, monitoring for sudden infant death, monitoring the progress of cardiac and respiratory diseases (comparable to a long-term ECG), tracking the current state of a person (awake, sleeping, pathological), contactless patient monitoring in intensive care units, contactless recording of an ECG, contactless Tracking of pacemakers, contactless determination of the breathing rate, installation in wearables, mattresses, car seats -> stress display etc., sleep evaluation, measuring training parameters e.g. VOZmax, monitoring of sleep apnea, use for biofeedback, input data for artifact or failure compensation Vital data sensors, signal generators for dead man's switches, determination of performance data, use of the "procedure" for evaluating the data from the chest monitor, measurement methods beyond the derivation of pure cardiothoracic vital data (e.g. technical time-varying conditions such as fill levels, proximity, compression of bulk material or porous structures or biological such as the tension of muscle tissue, peristalsis, movement in general of humans as well as animals).

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zur Vermessung zumindest eines Ablaufes in einem Objekt, wobei ein elektromagnetisches Wechselfeld in das Objekt eingestrahlt wird, das Wechselfeld empfangen wird, nachdem es das Objekt durchlaufen hat und durch den Ablauf in dem Objekt moduliert wurde, in einem Demodulationsschritt das empfangene Wechselfeld zur Erzeugung mehrdimensionaler Demodulationsdaten demoduliert wird, die mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder aus diesen erzeugte Daten zumindest einem statistischen Modell zugeführt werden, und in einem Erzeugungsschritt durch das zumindest eine statistische Modell aus den zugeführten mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder den aus diesen erzeugten Daten zeitabhängig zumindest ein Merkmal des Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung des Ablaufs erzeugt wird. 1. Method for measuring at least one process in an object, wherein an alternating electromagnetic field is irradiated into the object, the alternating field is received after it has passed through the object and has been modulated by the process in the object, in a demodulation step the received alternating field is used Generation of multi-dimensional demodulation data is demodulated, the multi-dimensional demodulation data and / or data generated from them are fed to at least one statistical model, and in a generation step by the at least one statistical model from the supplied multi-dimensional demodulation data and / or the data generated from them, time-dependent at least one feature of the process and/or a temporal representation of the process is generated.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das elektromagnetische Wechselfeld zumindest zwei Komponenten unterschiedlicher Frequenz enthält. 2. Method according to the preceding claim, wherein the alternating electromagnetic field contains at least two components of different frequencies.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das empfangene Wechselfeld im Demodulationsschritt in einem ln-Phase-&- Quadratur-Verfahren zur Erzeugung von I-Daten, I, und Q-Daten, Q, als die mehrdimensionalen Demodulationsdaten demoduliert wird, und die I-Daten und die Q-Daten und/oder aus diesen erzeugten Daten dem statistischen Modell zugeführt werden. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the received alternating field is demodulated in the demodulation step in an ln phase & quadrature method for generating I data, I, and Q data, Q, as the multidimensional demodulation data, and the I data and the Q data and/or data generated from these are fed to the statistical model.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aus den mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder den I-Daten, I, und den Q-Daten, Q, erzeugten Daten zumindest eines enthalten aus der Gruppe umfassend: eine Ableitung von Q nach I, eine Ableitung von I nach der Zeit, eine Ableitung von Q nach der Zeit, eine Amplitude des empfangenen Wechselfeldes, eine Phase des empfangenen Wechselfeldes, eine Amplitude aus der Ableitung von Q nach der Zeit und der Ableitung von I nach der Zeit, eine Phase aus der Ableitung von Q nach der Zeit und der Ableitung von I nach der Zeit, Ableitungen der Amplitude nach der Zeit, Ableitungen der Phase nach der Zeit, einen Phasor der Ableitung von Q nach I, die erste Ableitung der erzeugten Daten nach der Zeit, einer anderen erzeugten Größe, der Q-Daten und/oder der I-Daten, die zweite oder höhere Ableitung der erzeugten Daten nach der Zeit, einer anderen erzeugten Größe, der Q-Daten und/oder der I-Daten, das erste oder ein höheres Integral der erzeugten Daten, der Q-Daten und/oder der I-Da- ten nach der Zeit, einer anderen erzeugten Größe, der Q-Daten und/oder der I-Daten, Binarisierungen der erzeugten Daten, Binarisierungen von Q-Daten, Binarisierungen von I-Daten, gleitende Mittelwerte der erzeugten Daten, gleitende Mittelwerte der Q-Daten, gleitende Mittelwerte der I-Daten, durch Frequenzfilter gefilterte Q-Daten, durch Frequenzfilter gefilterte I-Daten, durch Frequenzfilter gefilterte erzeugte Daten, erzeugte Daten aus vergangenen Zeitpunkten, Q-Daten aus vergangen Zeitpunkten und/oder von I-Daten aus vergangen Zeitpunkten. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the data generated from the multidimensional demodulation data and/or the I data, I, and the Q data, Q, contains at least one from the group comprising: a derivative from Q to I, a derivative of I with respect to time, a Derivation of Q with respect to time, an amplitude of the received alternating field, a phase of the received alternating field, an amplitude from the derivative of Q with respect to time and the derivative of I with respect to time, a phase from the derivative of Q with respect to time and the Derivative of I with respect to time, derivatives of amplitude with respect to time, derivatives of phase with respect to time, a phasor of the derivative of Q with respect to I, the first derivative of the generated data with respect to time, another generated quantity, the Q data and /or the I data, the second or higher derivative of the generated data with respect to time, another generated quantity, the Q data and/or the I data, the first or a higher integral of the generated data, the Q data and/or the I data according to time, another generated quantity, the Q data and/or the I data, binarizations of the generated data, binarizations of Q data, binarizations of I data, moving averages of the generated data, moving averages of Q data, moving averages of I data, Q data filtered by frequency filters, I data filtered by frequency filters, generated data filtered by frequency filters, generated data from past points in time, Q data from past points in time and /or from I-data from past points in time.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus den Demodulationsdaten und/oder aus von diesen erzeugten Daten zumindest ein Eingangsmerkmal extrahiert wird, das dem statistischen Modell zugeführt wird, wobei das zumindest eine Eingangsmerkmal vorzugsweise eine Linearkombination und/oder eine nicht-lineare Kombination der mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder der aus diesen erzeugten Daten ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein at least one input feature is extracted from the demodulation data and / or from data generated by them and is fed to the statistical model, the at least one input feature preferably being a linear combination and / or a non-linear combination the multidimensional demodulation data and/or the data generated from it.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objekt ein Körper ist, vorzugsweise ein menschlicher oder tierischer Körper. 6. Method according to one of the preceding claims, wherein the object is a body, preferably a human or animal body.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ablauf ein physiologscher Ablauf in einem menschlichen oder tierischen Körper ist. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das statistische Modell ein künstliches neuronales Netz, ein künstliches neuronales Feedfoward Netz, ein künstliches neuronales rekurrentes Netz, ein künstliches Faltungsnetz oder eine Kombination aus vorhergenannten künstlichen neuronalen Netzen, ein Entscheidungsbaum, ein Entscheidungswald, ein Naive-Bayes Modell, ein Nearest-Neighbour Modell, eine Support Vector Machine, ein Lineares Regressionsmodell, ein nicht-lineares Regressionsmodell, ein adaptives Filter, ein Kalman-Filter, ein Gamma-Filter, ein Markov-Modell, ein Modell aus einer Linearen Diskriminanzanalyse, ein Modell aus einer Nicht-Linearen Diskriminanzanalyse, ein Modell aus einer Unabhängige-Komponenten-Analyse, ein Modell aus einer Hauptkomponentenanalyse und/oder ein Ensemble Modell aus einem oder mehreren der vorhergenannten Modelle aufweist oder ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the process is a physiological process in a human or animal body. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the statistical model is an artificial neural network, an artificial neural feedfoward network, an artificial neural recurrent network, an artificial convolutional network or a combination of the aforementioned artificial neural networks, a decision tree, a decision forest, a naive -Bayes model, a nearest neighbor model, a support vector machine, a linear regression model, a non-linear regression model, an adaptive filter, a Kalman filter, a gamma filter, a Markov model, a model from a linear discriminant analysis , a model from a non-linear discriminant analysis, a model from an independent component analysis, a model from a principal component analysis and / or an ensemble model from one or more of the aforementioned models.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektromagnetische Wechselfeld über zumindest eine Sendestruktur in das Objekt eingestrahlt wird, indem durch einen Signalgenerator eine Wechselspannung erzeugt wird, mit der die zumindest eine Sendestruktur beaufschlagt wird, und das Wechselfeld durch zumindest eine Empfangsstruktur empfangen wird, nachdem es das Objekt durchlaufen hat. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the alternating electromagnetic field is irradiated into the object via at least one transmission structure, in that an alternating voltage is generated by a signal generator, with which the at least one transmission structure is applied, and the alternating field is received by at least one reception structure after it has traversed the object.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Sendestruktur und die zumindest eine Empfangsstruktur auf einer gleichen Seite des Objektes angeordnet sind. 10. The method according to the preceding claim, wherein the at least one transmitting structure and the at least one receiving structure are arranged on the same side of the object.
11. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objekt ein menschlicher Körper ist und die zumindest eine Sendestruktur in unmittelbarer Nähe, vorzugsweise im Abstand von gleich oder weniger als 20 cm, vorzugweise im Abstand von gleich oder weniger als 10 cm, und/oder auf einem Thorax und/oder einem Abdomen des Körpers angeordnet ist, und die zumindest eine Empfangsstruktur in unmittelbarer Nähe, vorzugsweise im Abstand von gleich oder weniger als 20 cm, vorzugweise im Abstand von gleich oder weniger als 10 cm, und/oder auf dem Thorax und/oder dem Abdomen angeordnet ist, wobei vorzugsweise die zumindest eine Sendestruktur und/oder die zumindest eine Empfangsstruktur lateral, dorsal oder ventral zum Abdomen und/oder lateral, dorsal oder ventral zum Thorax angeordnet ist. 11. The method according to one of the two preceding claims, wherein the object is a human body and the at least one transmitting structure in the immediate vicinity, preferably at a distance of equal to or less than 20 cm, preferably at a distance of equal or less than 10 cm, and / or is arranged on a thorax and/or an abdomen of the body, and the at least one receiving structure is in the immediate vicinity, preferably at a distance of equal to or less than 20 cm, preferably at a distance of equal to or less than 10 cm, and/or on the thorax and/or the abdomen is arranged, wherein preferably the at least one transmitting structure and/or the at least one receiving structure is arranged laterally, dorsally or ventrally to the abdomen and/or laterally, dorsally or ventrally to the thorax.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektromagnetische Wechselfeld über zumindest zwei Sende- Empfangs-Paare, enthaltend jeweils eine Sendestruktur und eine Empfangsstruktur, in das Objekt eingestrahlt wird und empfangen wird, nachdem es das Objekt durchlaufen hat, wobei vorteilhaft zumindest eine der zumindest einen Sendestrukturen auch Teil mehrerer der Sende-Empfangs-Paare, und/oder zumindest eine der zumindest einen Empfangsstrukturen auch Teil mehrerer Sende-Empfangs-Paare sein kann, wobei besonders vorteilhaft in einem Demodulationsschritt für jede der Empfangsstrukturen eigene Demodulationsdaten erzeugt werden, wobei die Gesamtheit der Demodulationdaten aller Empfangsstrukturen dann als die mehrdimensionalen Demodulationsdaten gemäß der vorhergehenden Ansprüche verstanden werden. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the alternating electromagnetic field is irradiated into the object via at least two transmit-receive pairs, each containing a transmitting structure and a receiving structure, and is received after it has passed through the object, advantageously at least one the at least one transmission structures can also be part of several of the transmission-reception pairs, and / or at least one of the at least one reception structures can also be part of several transmission-reception pairs, with particular advantage of generating separate demodulation data for each of the reception structures in a demodulation step, wherein the entirety of the demodulation data of all receiving structures can then be understood as the multi-dimensional demodulation data according to the preceding claims.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren regelmäßig wiederholt ausgeführt wird, wobei ein Wert des zumindest einen Merkmals des Ablaufs regelmäßig wiederholt mit zumindest einem früheren Wert des Merkmals verglichen wird, und ein Hinweisereignis ausgelöst wird, wenn der Wert des Merkmals um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert von dem früheren Wert des Merkmals abweicht, wobei vorzugsweise Parameter des statistischen Modells und/oder das statistische Modell basierend auf einer Differenz zwischen dem Wert des erzeugten Merkmals und dem entsprechenden früheren Wert des Merkmals angepasst wird, wenn der Wert des erzeugten Merkmals um weniger als den Schwellenwert vom früheren Wert abweicht. 13. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method is carried out regularly and repeatedly, a value of the at least one feature of the process being regularly repeatedly compared with at least one previous value of the feature, and an indication event is triggered when the value of the feature increases deviates more than a predetermined threshold value from the previous value of the feature, preferably adjusting parameters of the statistical model and / or the statistical model based on a difference between the value of the generated feature and the corresponding previous value of the feature when the value of the generated characteristic deviates from the previous value by less than the threshold value.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Ablauf zumindest ein Elektrokardiogramm, zumindest ein Impedanzkardiogramm, zumindest ein Ballistokardiogramm, zumindest ein Seismokar- diogram, eine Bewegung und/oder eine Ausdehnung eines Brustkorbs und/oder eines Abdomens, zumindest ein Blutdruck über der Zeit, zumindest eine Atemvolumenkurve, zumindest eine Atemdruckkurve, zumindest ein respiratorischer Fluss, zumindest ein Verlauf der Sauerstoffsättigung über der Zeit, zeitliche Ablaufdaten, die durch eine Bild- gebung gewonnen werden, und/oder ein Plethysmogram ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Merkmal des Ablaufs ein Trigger-Ereignis oder ein Überschreiten oder Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellenwertes ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Merkmal des Ablaufs und/oder die zeitliche Darstellung des Ablaufs den Ablauf kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder zu einer Vielzahl an, vorzugsweise äquidistanten, Zeitpunkten beschreibt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das statistische Modell vor Einstrahlung des elektromagnetischen Wechselfeldes in einem Trainingsvorgang trainiert wird, indem ein elektromagnetisches Trainings-Wechselfeld in zumindest ein Trainingsobjekt eingestrahlt wird, das Trainings-Wechselfeld empfangen wird, nachdem es das Trainingsobjekt durchlaufen hat und durch einen Ablauf in dem Trainings-Objekt moduliert wurde, das empfangene Trainings-Wechselfeld zur Erzeugung mehrdimensionaler Demodulationsdaten demoduliert wird, die mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder aus diesen erzeugte Trainings-Daten dem statistischen Modell zugeführt werden, durch das statistische Modell aus den zugeführten mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder den aus diesen erzeugten Daten zeitabhängig zumindest ein Trainings-Merkmal des Ablaufs erzeugt wird, das zumindest eine Trainings-Merkmal zeitabhängig mit einem gemessenen Merkmal des Ablaufs verglichen wird und Parameter des statistischen Modells und/oder das statistische Modell auf Grundlage eines Ergebnisses dieses Vergleichs angepasst wird. 18. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Trainingsvorgang für eine Vielzahl an Trainingsobjekten durchgeführt wird, die repräsentativ sind für das Objekt oder wobei der Trainingsvorgang für das Objekt als das Trainingsobjekt ausgeführt wird. 14. The method according to any one of the preceding claims, wherein the sequence includes at least one electrocardiogram, at least one impedance cardiogram, at least one ballistocardiogram, at least one seismocardiogram, a movement and/or an expansion of a chest and/or an abdomen, at least one blood pressure over time, at least one respiratory volume curve, at least one respiratory pressure curve, at least one respiratory flow, at least one course of oxygen saturation over time, temporal data obtained through imaging, and/or is a plethysmogram. Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one feature of the process is a trigger event or an exceeding or falling below a predetermined threshold value. Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one feature of the process and/or the temporal representation of the process describes the process continuously, quasi-continuously or at a plurality of, preferably equidistant, times. Method according to one of the preceding claims, wherein the statistical model is trained before irradiation of the alternating electromagnetic field in a training process by irradiating an alternating electromagnetic training field into at least one training object, receiving the alternating training field after it has passed through the training object and through a sequence was modulated in the training object, the received alternating training field is demodulated to generate multi-dimensional demodulation data, the multi-dimensional demodulation data and/or training data generated from them are supplied to the statistical model, by the statistical model from the supplied multi-dimensional demodulation data and / or at least one training feature of the process is generated in a time-dependent manner from the data generated from these, the at least one training feature is compared in a time-dependent manner with a measured feature of the process and parameters of the statistical model and / or the statistical model based on a result of this comparison is adjusted. 18. The method according to the preceding claim, wherein the training process is carried out for a plurality of training objects that are representative of the object or wherein the training process is carried out for the object as the training object.
19. Verfahren Steuerung eines Beatmungsvorganges, wobei in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche als der Ablauf ein Atemvorgang vermessen wird und als das zumindest eine Merkmal des Ablaufs ein Einsetzen eines Spontanatmungsvorgangs bestimmt wird, wobei der Beatmungsvorgang so gesteuert wird, dass keine Beatmung gegen die Spontanatmung stattfindet. 19. Method for controlling a ventilation process, wherein in a method according to one of the preceding claims a breathing process is measured as the process and the onset of a spontaneous breathing process is determined as the at least one feature of the process, the ventilation process being controlled in such a way that no ventilation against the Spontaneous breathing takes place.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das statistische Modell ein neuronales Netz mit einer Inferenzlatenz von weniger oder gleich 200ms, vorzugsweise weniger oder gleich 150ms, vorzugsweise weniger oder gleich 100ms, vorzugsweise weniger oder gleich 50ms, vorzugsweise weniger oder gleich 30ms, vorzugsweise weniger oder gleich 20ms, vorzugsweise weniger oder gleich 10ms, vorzugsweise weniger oder gleich 5ms, vorzugsweise weniger oder gleich 1ms ist. 20. The method according to any one of the preceding claims, wherein the statistical model is a neural network with an inference latency of less or equal to 200ms, preferably less or equal to 150ms, preferably less or equal to 100ms, preferably less or equal to 50ms, preferably less or equal to 30ms, preferably is less or equal to 20ms, preferably less or equal to 10ms, preferably less or equal to 5ms, preferably less or equal to 1ms.
21. Vorrichtung zur Vermessung zumindest eines Ablaufes in einem Objekt, aufweisend zumindest eine Sendestruktur, mit der ein elektromagnetisches Wechselfeld in das Objekt einstrahlbar ist, indem durch einen Signalgenerator eine Wechselspannung erzeugt wird, mit der die zumindest eine Sendestruktur beaufschlagt wird, zumindest eine Empfangsstruktur, mit der das Wechselfeld empfangbar ist, nachdem es das Objekt durchlaufen hat, weiter aufweisend eine Demodulationseinheit, mit der das empfangene Wechselfeld zur Erzeugung mehrdimensionaler Demodulationsdaten demodulierbar ist, weiter aufweisend eine Modellierungseinheit, der die Demodulationsdaten und/oder aus diesen erzeugten Daten zuführbar sind, und mit der durch ein statistisches Modell aus den zugeführten mehrdimensionalen Demodulationsdaten und/oder den aus diesen erzeugten Daten zeitabhängig zumindest ein Merkmal des Ablaufs und/oder eine zeitliche Darstellung des Ablaufs erzeugbar ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vorrichtung einen I/Q-Demodulator aufweist, in den die Wechselspannung einerseits und ein von der Empfangsstruktur aus dem empfangenen Wechselfeld erzeugtes Empfangssignal einleitbar ist, und der eingerichtet ist, eine I/Q-Demodulation des Empfangssignals auszuführen. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Sendestruktur und die zumindest eine Empfangsstruktur in einer Kontaktfläche, vorzugsweise in einer Rückenlehne, zumindest einer Seitenlehne, zumindest einer Armlehne, und/oder einer Liegefläche, nebeneinander und/oder untereinander und/oder diagonal zueinander angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die zumindest eine Sendestruktur und/oder die zumindest eine Empfangsstruktur eine breitbandige Antenne aufweist, wobei vorzugweise eine Bandbreite der Antenne größer oder gleich einem Achtel der Trägerfrequenz, vorzugweise größer odergleich einem Viertel derTrägerfrequenz, vorzugweise größer oder gleich der Hälfte der Trägerfrequenz ist und/oder die Bandbreite kleiner oder gleich der Trägerfrequenz ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, aufweisend eine Anpassungsvorrichtung, mit der ein Sendefrequenzband der Sendestruktur und/oder ein Empfangsfrequenzband der Empfangsstruktur anpassbar ist, wobei die Anpassungsvorrichtung vorteilhafterweise zumindest eine Kapazitätsdiode aufweist oder ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei zumindest ein Kabel, an das die Sendestruktur und/oder die Empfangsstruktur angeschlossen ist, zwangssymmetrisiert ist, vorzugsweise mittels eines Terminierungswiderstandes zusammen mit einem Impedanzwandler und/oder zumindest einer stromkompensierten Drossel und/oder Ferriten. 21. Device for measuring at least one process in an object, having at least one transmitting structure with which an alternating electromagnetic field can be irradiated into the object by generating an alternating voltage by a signal generator with which the at least one transmitting structure is applied, at least one receiving structure, with which the alternating field can be received after it has passed through the object, further comprising a demodulation unit with which the received alternating field can be demodulated to generate multi-dimensional demodulation data, further comprising a modeling unit to which the demodulation data and / or data generated from them can be fed, and with the multidimensional data supplied by a statistical model Demodulation data and / or the data generated from them, at least one feature of the process and / or a time representation of the process can be generated depending on time. Device according to the preceding claim, wherein the device has an I/Q demodulator into which the alternating voltage and a received signal generated by the receiving structure from the received alternating field can be introduced, and which is set up to carry out an I/Q demodulation of the received signal . Device according to one of the two preceding claims, wherein the at least one transmitting structure and the at least one receiving structure in a contact surface, preferably in a backrest, at least one siderest, at least one armrest, and / or a lying surface, next to each other and / or among each other and / or diagonally are arranged to each other. Device according to one of claims 21 to 23, wherein the at least one transmitting structure and / or the at least one receiving structure has a broadband antenna, preferably a bandwidth of the antenna greater than or equal to an eighth of the carrier frequency, preferably greater than or equal to a quarter of the carrier frequency, preferably greater or is equal to half of the carrier frequency and/or the bandwidth is less than or equal to the carrier frequency. Device according to one of claims 21 to 24, comprising an adaptation device with which a transmission frequency band of the transmission structure and / or a reception frequency band of the reception structure can be adapted, the adaptation device advantageously having or being at least one varactor diode. Device according to one of claims 21 to 25, wherein at least one cable to which the transmitting structure and/or the receiving structure is connected is forcibly balanced, preferably by means of a termination resistor together with an impedance converter and/or at least one current-compensated choke and/or ferrites.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei die zumindest eine Sendestruktur und/oder die zumindest eine Empfangsstruktur an einem ersten Anschluss mit der Wechselspannung als einer ersten Wechselspannung beaufschlagt werden und an einem zweiten Anschluss mit einer gegenüber der ersten Wechselspannung um 180° verschobenen zweiten Wechselspannung beaufschlagt werden, wobei vorzugsweise die Vorrichtung zumindest einen Balun aufweist, der aus einer Eingangswechselspannung zwei Wechselspannungen erzeugt, die zueinander einen Phasenversatz von 180° haben. 27. Device according to one of claims 21 to 26, wherein the at least one transmitting structure and / or the at least one receiving structure are supplied with the alternating voltage as a first alternating voltage at a first connection and with an alternating voltage 180° relative to the first alternating voltage at a second connection shifted second alternating voltage are applied, the device preferably having at least one balun which generates two alternating voltages from an input alternating voltage, which have a phase offset of 180 ° to one another.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei die Vorrichtung zwei, drei, vier oder mehr als vier der Sendestrukturen aufweist und/oder zwei, drei, vier oder mehr als vier der Empfangsstrukturen aufweist. 28. Device according to one of claims 21 to 27, wherein the device has two, three, four or more than four of the transmitting structures and / or has two, three, four or more than four of the receiving structures.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei die Vorrichtung N Sendeantennen und IVI Empfangsantennen aufweist, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist und IVI eine natürliche Zahl größer oder gleich 2 ist, wobei die N Sendeantennen mit Wechselspannungen L unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt werden, wobei L eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 und vorzugsweise kleiner oder gleich N ist, wobei vorzugsweise keine Sendeantenne mit mehreren der Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen beaufschlagt wird und/oder wobei jede der Empfangsantennen zum Empfang genau einer der L Frequenzen oder zum Empfang mehrerer der L Frequenzen eingerichtet ist. 29. Device according to one of claims 21 to 28, wherein the device has N transmitting antennas and IVI receiving antennas, where N is a natural number greater than or equal to 1 and IVI is a natural number greater than or equal to 2, the N transmitting antennas having alternating voltages L different Frequencies are applied, where L is a natural number greater than or equal to 1 and preferably less than or equal to N, preferably no transmitting antenna being applied to several of the alternating voltages of different frequencies and / or each of the receiving antennas for receiving exactly one of the L frequencies or for receiving several of the L frequencies is set up.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, wobei der Signalgenerator eingerichtet ist, die Wechselspannung mit unterschiedlichen und/oder zeitlich variierenden Frequenzen zu erzeugen. 30. Device according to one of claims 21 to 29, wherein the signal generator is set up to generate the alternating voltage with different and / or time-varying frequencies.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, wobei mit der Vorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 ausführbar ist. 31. Device according to one of claims 21 to 30, wherein a method according to one of claims 1 to 20 can be carried out with the device.
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