DE102006057709B4

DE102006057709B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Atemfrequenz

Info

Publication number: DE102006057709B4
Application number: DE102006057709.4A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ullrich Hansmann; von Blumenthal Tilmann; Dr. Tschuncky Peter; Dr. Hengstenberg Andreas; Frank Mett; Uwe Kühn; Frank Franz; Kai Kück; Steffen Schmidt
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2026-12-08
Also published as: US8696588B2; DE102006057709A1; US20080139955A1

Abstract

Vorrichtung (1) a) zum Bestimmen der Atemfrequenz FAtmung, b) wobei die Vorrichtung (1) wenigstens zwei unterschiedliche Sensoren (5, 7, 9, 13, 15) zum Bestimmen der Atemfrequenz FEKG, FBesch, FTemp, FPlesmo auf wenigstens zwei unterschiedliche Weisen aufweist, c) wobei die Vorrichtung (1) eine Einrichtung aufweist, die zum Festlegen oder Ermitteln wenigstens eines Qualitätswertes Q1, Q2, Q3, Q4 für wenigstens eine, mittels eines der Sensoren bestimmten Atemfrequenz FEKG, FBesch, FTemp, FPlesmo eingerichtet ist, und d) wobei die Vorrichtung (1) eine Steuereinheit aufweist, die zum Berechnen der einzelnen Qualitätswerte Q1, Q2, Q3, Q4 und zum Zusammensetzen der Werte für die sensorisch bestimmten Atemfrequenzen FEKG, FBesch, FTemp, FPlesmo entsprechend ihrer gewichteten Qualitätswerte zu der Atemfrequenz FAtmung eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass e) die Vorrichtung (1) derart eingerichtet ist, dass, wenn die einzelnen, sensorisch bestimmten Atemfrequenzen FEKG, FBesch, FTemp, FPlesmo um mehr als 20 Prozent voneinander abweichen, in der Zusammensetzung der sensorisch bestimmten Atemfrequenzen FEKG, FBesch, FTemp, FPlesmo zu der Atemfrequenz FAtmung diejenige sensorisch bestimmten Atemfrequenzen FEKG, FBesch, FTemp, FPlesmo weiterverarbeitet wird, welche den größten Qualitätswert Q1, Q2, Q3, Q4 zugeordnet bekommen hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Atemfrequenz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer Atemfrequenz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 sowie einen Monitor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Die Atemfrequenz ist ein wichtiges Indiz für das Befinden und den Gesundheitszustand eines Menschen. Eine Erkrankung oder ein Stresszustand spiegelt sich oftmals in Veränderungen der Atemfrequenz wider. Die Überwachung der Atemfrequenz liefert daher regelmäßig einen wichtigen Beitrag zur Überwachung des Belastungs- und Gesundheitszustandes des Überwachten.
Zur Überwachung der Atemfrequenz sind heute im medizinischen Bereich eine Reihe von Atemfrequenzmonitoren für einen Einsatz im klinischen Bereich als auch im außerklinischen Bereich bekannt. Ein Beispiel eines solchen Monitors bzw. einer solchen Vorrichtung zur Atmungsüberwachung ist aus der DE 40 11 065 A1 bekannt.
Insbesondere für die nicht-invasive Atemüberwachung erfüllen die bekannten Vorrichtungen jedoch nicht die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich klinischer Handhabung, Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Dies beruht insbesondere darauf, dass die zur Atemüberwachung und zur Messung der Atemfrequenz derzeit verfügbaren Vorrichtungen entweder technisch und baulich aufwendig sind und vom Anwender oder Überwachten als störend empfunden werden – wobei dies besonders für Vorrichtungen für den außerklinischen Einsatz und für die Verwendung durch mobile, d. h. nicht bettlägrige Patienten gilt –, oder dass die Empfindlichkeit dieser Vorrichtungen gegenüber Artefakten groß ist.
In der DE 10 2004 042 797 A1 ist ein Erfassungsgerät sowie ein Verfahren zur Observation schlafbezogener Atemstörungen beschrieben.
Die WO 2005/087097 A1 offenbart ein System zur Überwachung von Werten physiologischer Parameter.
Aus der DE 41 27 014 A1 ist eine Anordnung zur medizinischen Datenaufnahme für Krankenhaus-Kommunikationsnetze bekannt.
Die US 2005/0 027 205 A1 betrifft kombinierte Messungen unterschiedlicher Atemfrequenzsensoren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine zuverlässige Messung der Atemfrequenz einer Person zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dass diese Person während der Messung der Atemfrequenz in möglichst geringem Maße beeinträchtigt ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Sie wird ferner gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie durch einen Monitor mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zum Bestimmen der Atemfrequenz vorgeschlagen, wobei wenigstens zwei unterschiedliche Sensoren bei der Bestimmung der Atemfrequenz zum Einsatz kommen, und wobei diese Sensoren auf wenigstens zwei unterschiedliche Weisen die Atemfrequenz ermitteln.
Erfindungsgemäß kann somit die Überwachung oder Messung der Atemfrequenz auch dann sichergestellt werden, wenn ein Sensor und ein Messverfahren aufgrund von Artefakten und/oder äußeren Umständen keine ausreichend genaue oder sichere Angabe über die Atemfrequenz machen kann. Ein solcher Fall liegt bei herkömmlichen Vorrichtungen bspw. dann vor, wenn ein bewegungsabhängiger Sensor auf Brustkorbbewegungen reagiert, welche nicht durch die Atmung hervorgerufen wurden. Eine ungenaue Angabe kann aber auch bei flacher Atmung vorliegen, welche vom bewegungsabhängigen Sensor nicht als Atmung erkennt wird. Eine vergleichbare Situation kann vorliegen, wenn ein geräuschabhängiger Sensor aufgrund von Umgebungsgeräuschen vermeintliche Atemzüge unzulässiger Weise mitzählt. Dies kann bei einem joggenden Benutzer der Vorrichtung bspw. dann der Fall sein, wenn sich der Träger der Vorrichtung beim Laufen unterhält.
Wenn ein Sensor aufgrund eines wie oben beschriebenen oder anders ausgestalteten Artefakts für eine gewisse Zeitdauer keine Atemfrequenzzählung- oder Atemfrequenzermittlung allgemein – erlaubt, kann erfindungsgemäß durch ein Zurückgreifen auf wenigstens einen weiteren Sensor vorteilhaft dennoch eine Bestimmung der Atemfrequenz erfolgen. Es ist erfindungsgemäß somit anders als bei Vorrichtungen des Standes der Technik möglich, bei Ausfall eines Sensors dennoch ein Messergebnis für die Atemfrequenz zu erhalten.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt durch die Verwendung von mehr als einem Sensor eine Kontrolle der Zuverlässigkeit der Messung insgesamt. So kann ein Alarm oder auch die Ausgabe überhaupt keines Wertes für die Atemfrequenz vorgesehen sein, wenn bspw. ein Sensor einen fehlerhaften Wert ermittelt, welcher im Widerspruch zu Werten eines oder mehrerer anderer Sensoren steht. Der Benutzer der erfindungsgemäßen Vorrichtung (wobei unter Benutzer erfindungsgemäß sowohl der Träger der Vorrichtung als auch dessen Betreuer, bzw. ein Arzt, gemeint sein kann) weiß daher, dass er sich auf die Messung der Atemfrequenz zu einem solchen Augenblick nicht verlassen darf, weil zumindest ein Sensor ein fehlerhaftes Ergebnis liefert.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass bei übereinstimmenden oder im Wesentlichen übereinstimmenden Werten für die Atemfrequenz bei Bestimmung durch bspw. zwei oder drei Sensoren und einem hiermit nicht übereinstimmenden Wert eines weiteren Sensors der nicht übereinstimmende Wert verworfen wird und damit nicht bei der Bestimmung der Atemfrequenz berücksichtigt wird. Die Atemfrequenz wird somit als ein aufgrund verschiedener Beobachtungen abgesicherter Wert angegeben, was zu erhöhter Sicherheit bei der Bestimmung der Atemfrequenz führt.
Diese Sensoren können erfindungsgemäß ausgestaltet sein als:

1. Sensoren, welche die Dehnung eines Brustbandes über Widerstandsänderung, wie in der EP 0 178 197 B1 beschrieben, messen, wobei hiermit die Atembewegung der Brust und/oder mittels eines Bauchbandes des Bauchraums gemessen werden kann;
2. Sensoren, welche die Impedanzänderung einer Spule durch den veränderten Thorax- und/oder Abdomendurchmesser messen. Hierbei weist das Brustband eine geeignete Spule auf. Ein Vorverstärker (Schwingkreis) kann zu einer höheren Signalrobustheit vorgesehen sein;
3. Sensoren, welche die Brustraumimpedanz durch einen Spannungsabfall eines durch den Brustraum geleiteten Wechselstroms unter Einsatz von Elektroden ermitteln, wobei hierzu eventuell bereits vorhandene EKG-Elektroden mitbenutzt werden können;
4. Sensoren, welche auch zur EKG-Ableitung genutzt werden, um die durch die atembedingte Lageänderung der Herzachse erzeugte Schwebung in der Frequenz der Brustraumbewegung – wie in der CA 2 506 394 A1 beschrieben – zu ermitteln. Hierzu wird im Wesentlichen die mechanische Bewegung des Brustkorbs bei der Atembewegung und nicht der erfolgte Gasaustausch gemessen;
5. Sensoren, welche den Druckwechsel im Thorax während der Atmung aufgrund deren Übertragung auf das Gefäßsystem mittels Plethysmographie messen. Anhand der Gefäßdehnung ist die Atemfrequenz als langsame Schwingung zu erkennen. Dieses Verfahren eignet sich vor allem an herznahen Gefäßen;
6. Sensoren, welche die Atemgeräusche messen. Ein Mikrophonsensor kann in der Nähe von Atemwegszugängen – wie in der US 5,143,078 beschrieben – das Atemgeräusch aufnehmen;
7. Sensoren, welche den Körperschall (Beschleunigung) am Körper – bspw. am Ohr oder am Hals wie in der CA 2 505 008 A1 beschrieben – messen;
8. Sensoren, welche die Atembewegung mittels Beschleunigungsaufnehmer an Brust, Hals oder Ohr messen;
9. Sensoren, welche mittels beheiztem Widerstandstemperaturfühler in der Nähe der Atemwegszugänge eine periodische Abkühlung als Atemsignal erfassen (Anemometrie);
10. Sensoren, welche mittels nicht beheiztem Widerstandstemperaturfühler in der Nähe der Atemwegszugänge einen periodischen Temperaturwechsel als Atemsignal erfassen;
11. Sensoren, welche als CO₂-Sensor in der Nähe der Atemwegszugänge (ggf. mittels eines absaugenden Systems) den erfolgten Gasaustausch mit CO₂ als Stoffwechselprodukt messen;
12. Sensoren, welche als O₂-Sensoren in der Nähe der Atemwegszugänge (ggf. mittels eines absaugenden Systems) den reduzierten O₂-Gehalt als Zeichen eines stattfindenden Stoffwechsels messen; oder
13. Sensoren, welche ein Feuchtigkeitsmaß (z. B. einen Taupunktwechsel) in der Nähe der Atemwegszugänge messen.

Je nach Ziel der Atemfrequenzüberwachung (die erfindungsgemäße Vorrichtung kann – ebenso wie das erfindungsgemäße Verfahren – zur Feststellung und Überwachung der Atemfrequenz bei Patienten als auch bei Gesunden bspw. beim Sport oder zum Bio-Feed-Back eingesetzt werden) und der erforderlichen Mobilität können unterschiedliche Sensorkombinationen und die zugehörigen Kombinationen von Messverfahren sinnvoll sein. Sie sind daher von der Erfindung mitumfasst.
So können vorzugsweise verschiedene Sensoren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemeinsam zum Einsatz kommen, deren Vorteile und Nachteile sich ergänzen. Der hiermit verbundene Vorteil besteht darin, dass etwa bei Störung der Messung der Atemfrequenz durch einen geräuschempfindlichen Sensor aufgrund von Umgebungslärm noch immer eine Messung der Atemfrequenz durch einen Bewegungssensor möglich sein kann.
Ferner können Sensoren ausgewählt werden, deren Messorte bspw. einen gemeinsamen Zugang (z. B. nur am Ohr, oder nur am Oberkörper, usw.) ermöglichen. Letzteres stellt für den Träger eine Erleichterung und Vereinfachung beim Anlegen, Tragen und Ablegen der Vorrichtung und damit einen erfindungsgemäßen Vorteil dar.
Erfindungsgemäß können dabei zwei, drei oder mehr verschiedene Verfahren zum Bestimmen und/oder Messen der Atemfrequenz und entsprechend viele Sensoren zum Einsatz kommen. Die Erfindung ist somit nicht auf bestimmte Kombinationen oder eine bestimmte Anzahl von Sensoren und Messweisen beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist auch nicht auf die oben genannten Sensoren beschränkt. Vielmehr kann die Atemfrequenz-Messung auch auf jede weitere dem Fachmann bekannte Weise zur Bestimmung der Atemfrequenz und auch mit nicht genannten Sensoren erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann neben weiteren Sensoren anderer Bauart auch mehr als nur einen Sensor einer bestimmten Bauart aufweisen. Dies kann bspw. dann von Vorteil sein, wenn ein Sensor dieser bestimmten Bauart ausfallgefährdet ist. In einem solchen Fall besteht erhöhte Funktionssicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei Ausfall eines Sensors.
Die Atemfrequenz des Benutzers der Vorrichtung wird erfindungsgemäß somit unter Berücksichtigung der durch verschiedene Sensoren gemessenen verschiedenen Atemfrequenzen ermittelt. Die Berücksichtigung von mehr als nur einer Atemfrequenz erlaubt, insbesondere aufgrund der verschiedenen, zur Messung verwendeten Verfahren, eine genauere Bestimmung der tatsächlichen Atemfrequenz, da die Wirkung von fehlerhaft gemessenen Atemfrequenzen mittels einzelner Sensoren wirkungsvoll abgemildert wird. Hierbei sind gleitende oder dynamische Mittelwerte aller gemessenen bzw. bestimmten Atemfrequenzen, aber auch weitere statistische Mittelungsverfahren wie die Gauß-Verteilung, die Minimierung der Summe der quadratischen Abweichungen, ein Verwerfen der Größenabweichungen und die gleitende Mittelwertbildung für zurückliegende Qualitätswerte von der Erfindung umfasst. Diese statistische Bereinigung bzw. Mittelung kann über die Sensoren zu einem Zeitpunkt erfolgen. Sie kann jedoch auch über den Zeitverlauf einzelner und/oder aller gemessenen Signale erfolgen.
Erfindungsgemäß wird unter dem „Bestimmen der Atemfrequenz” nicht nur ein Messvorgang verstanden. Auch eine Messung samt einer Weiterverarbeitung, Filterung, einem Vergleich oder dergleichen von Signalen, was erst dann zu einem verwendbaren Atemfrequenzwert führt, ist von der Erfindung umfasst.
Wie oben bereits angemerkt, betrifft die vorliegende Erfindung sowohl die Bestimmung und/oder Überwachung der Atemfrequenz eines Patienten im herkömmlichen Sinne eines erkrankten Menschen als auch bei Gesunden zur Überwachung eines Trainingsplans beim Sport oder dergleichen. Die vorliegende Erfindung ist natürlich auch nicht auf eine Anwendung bei Menschen beschränkt: Auch die Atemfrequenz von Tieren kann mittels der vorliegenden Erfindung überwacht werden. Die vorliegende Erfindung kann ferner mit der Bestimmung oder Messung weiterer Parameter verbunden werden. So kann zugleich eine EKG-Ableitung erfolgen, das Atemvolumen ermittelt werden, der Herzpuls bestimmt werden und dergleichen mehr. Vorteilhafter Weise werden hierzu Sensoren verwendet, die zur Bestimmung der Atemfrequenz ohnehin bereits vorgesehen sind.
So weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung zum Festlegen oder Ermitteln wenigstens eines Qualitätswertes für wenigstens eine – mittels eines der Sensoren bestimmte – Atemfrequenz auf. Es ist in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform daher vorgesehen, zu einer von einem Sensor ermittelten Atemfrequenz ein Maß für die Zuverlässigkeit dieses Signals bzw. dieser Atemfrequenz zu ermitteln. Dieses Maß für die Zuverlässigkeit bzw. Belastbarkeit des Signals bzw. der bestimmten Atemfrequenz wird erfindungsgemäß als „Qualitätswert” bezeichnet. Dieser Qualitätswert kann bspw. durch einen Abgleich der ermittelten Atemfrequenz mit vorab definierten Qualitätsbereichen oder gespeicherten Normdaten oder dergleichen oder durch jede andere Plausibilitätsprüfung erzielt werden. Der Qualitätswert kann aber auch in Abhängigkeit von oder im Verhältnis zu weiteren ebenfalls erhobenen Signalen desselben Trägers bestimmt werden. Der Qualitätswert eines Signals oder der hieraus bestimmten Atemfrequenz gibt somit an, ob die vom Sensor bestimmte Atemfrequenz mit ausreichender Sicherheit der tatsächlichen Atemfrequenz entspricht oder dieser zumindest mit einer überschaubaren Unschärfe nahe kommt. Dieser Qualitätswert dient der Qualitätskontrolle und kann auf verschiedene Art vorteilhaft genutzt werden.
Der Qualitätswert kann spezielle weitere, auf dem Fachmann als geeignet erscheinende Weise ermittelt werden. Im Fall eines Plethysmographen kann bspw. aufgrund der Wellenform, Amplitude des Frequenzspektrums und des Rauschabstandes ein Qualitätswert der bei der Plethysmographie gemessenen Atemfrequenz abgeleitet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Für den Fachmann ist ferner erkennbar, dass der Qualitätswert nicht für jede mittels eines Sensors ermittelte Atemfrequenz auf gleiche Weise bestimmt werden muss. Hier können unterschiedliche Vorgehensweisen vorgesehen sein.
In einer wiederum weiter bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen der Atemfrequenz unter Berücksichtigung von mindestens zwei mittels mindestens zwei verschiedener Sensoren bestimmter Atemfrequenzen auf. Mittels dieser Einrichtung werden in dieser Ausführungsform zudem die Qualitätswerte der mit einem oder mehreren Sensoren ermittelten Atemfrequenzen berücksichtigt.
Bei dieser Ausführungsform wird somit eine Atemfrequenz des Trägers unter Berücksichtigung der durch verschiedene Sensoren gemessenen verschiedenen Atemfrequenzen und deren Qualitätswerte (bzw. mindestens einem solchen Qualitätswert) ermittelt. Die Berücksichtigung der Qualitätswerte für jede „Einzel”-Atemfrequenz eines jeden Sensors führt zu einer vorteilhaften Erhöhung der qualitativen Aussage der bestimmten „Gesamt”-Atemfrequenz über die berücksichtigten Sensoren hinweg. Hierbei kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte mathematische Vorgehensweisen der Qualitätswert jeweils derart berücksichtigt werden, dass die Atemfrequenz eines Sensors, dem ein niedriger bzw. schlechter Qualitätswert zugeordnet wurde, einen geringeren bzw. schwächeren Eingang in die Gesamtatemfrequenz hat als Atemfrequenzen anderer Sensoren mit höheren bzw. besseren Qualitätswerten.
Der Qualitätswert kann als ein Faktor zwischen (einschließlich) 0 und (einschließlich) 1 angegeben werden, wobei er bei Faktor 0 bewirkt, dass der zugehörige Atemfrequenzwert bei Bestimmung der „Gesamt-”Atemfrequenz des Trägers überhaupt nicht berücksichtigt wird. Bei Faktor 1 geht die zugehörige Atemfrequenz hingegen in vollem Umfang in die weitere Bestimmung ein. Bei Faktoren zwischen 0 und 1 gehen die entsprechenden Atemfrequenzen anteilig oder ebenfalls nicht in die Bestimmung mit ein. Ein Beispiel wird weiter unten ausführlich erläutert.
Qualitätswerte aus Messungen mit unterschiedlichen Sensoren können auch mit unterschiedlicher Gewichtung weiter berücksichtigt werden. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass ein Sensor durchaus stets zuverlässigere Ergebnisse bringen kann als ein anderer Sensor und eine mit ihm ermittelte Atemfrequenz daher stets auch verstärkt in die Berechnung oder Bestimmung der Atemfrequenz eingehen soll.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zum Anzeigen wenigstens eines solchen Qualitätswertes auf. Die Güte bzw. Zuverlässigkeit der mit einem bestimmten Qualitätswert bedachten Atemfrequenz ist in dieser Ausführungsform vorteilhaft leicht ersichtlich, und der Träger oder der betreuende Arzt kann selbst Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit der Richtigkeit der Höhe der gemessenen Atemfrequenz ziehen. Er kann infolge dessen auch die Arbeitsweise der Sensoren und insbesondere ihre Anordnung am oder zum Körper überprüfen. So kann ein geräuschempfindlicher Sensor nur deswegen eine Falschzählung liefern, weil er derart verrutscht ist, dass er beispielsweise am Hemdkragen scheuert und die hierbei erzeugten Geräusche als Atemzüge fehlinterpretiert.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung auch wenigstens einen Evaluierungssensor auf, der vornehmlich Informationen über die Qualität bzw. Sicherheit der Richtigkeit der Höhe der mittels dieses Sensors gemessenen Atemfrequenz angeben soll.
So kann ein Qualitätswert bspw. einer mittels Dehnungssensoren eines Brustbandes ermittelten Atemfrequenz unter anderem durch Abgleich von Signalen eines Bewegungssensors erhalten werden. Die vom Bewegungssensor abgegebenen Signale können z. B. andeuten, dass die mittels des Dehnungssensors gemessene Atemfrequenz aufgrund erhöhter körperlicher Aktivität (wie bei sportlicher Betätigung) verfälscht ist. Entsprechend wird für einen solchen Sensor ein geeignet schlechter Qualitätswert ausgegeben.
Durch Einsatz wenigstens eines solchen Evaluierungssensors kann ferner vorteilhaft bspw. ein Rückschluss auf die Notwendigkeit, einen Alarm auszulösen, geschlossen werden. So kann ein Hustenanfall des Trägers oder dessen körperliche Betätigung die gemessene Atemfrequenz derart verändern, dass im Normalfall eine fälschlich hohe Atemfrequenz angezeigt wird oder gar ein Alarm auszulösen wäre. Die gleichzeitige Ermittlung der körperlichen Tätigkeit oder das Feststellen eines Hustenanfalls durch einen oder mehrere weitere, allein hierzu dienende Sensoren wie einen Bewegungssensor kann der Ermittlung des Qualitätswertes dienen und somit zur korrekten Bewertung der Wertigkeit und Verlässlichkeit einer während des Hustenanfalls gemessenen Atemfrequenz genutzt werden. Ein solcher Evaluierungssensor kann erfindungsgemäß bspw. als Bewegungssensor zur Erkennung und möglicher Artefaktunterdrückung von Bewegung des Trägers die Beschleunigung messen und somit einen Rückschluss auf körperliche Tätigkeit des Trägers zulassen.
Die vorliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie durch einen Monitor mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Da die hiermit erzielbaren Vorteile ungeschmälert den oben beschriebenen entsprechen, wird an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auf die oben diskutierten Vorteile verwiesen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, gilt:
1 zeigt einen Satelliten eines erfindungsgemäßen Monitors;
2 zeigt eine Detaildarstellung des Satelliten der 1; und
3 zeigt eine Kommunikationseinheit des Monitors der 1 und 2.
1 zeigt einen Satelliten 1, welcher mit dem Ohr und den Schultern sowie einem Bereich unterhalb der Nase eines Trägers T in Kommunikation steht. Der Satellit 1 ist ähnlich einem Mobilfunk-Headset aufgebaut. Er umfasst eine eigene (jeweils nicht dargestellte) Energieversorgung, eine Steuereinheit, eine Kommunikationseinheit, sowie die in dieser Ausführungsform exemplarisch vorgesehenen Sensoren zum Bestimmen der Atemfrequenz des Trägers T.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform des Satelliten 1 der 1 weist dieser zwei Kabel-gebundene Elektroden 5 auf, welche an beiden Schultern/Schlüsselbeinen des Trägers T angeordnet sind. Der Satellit 1 kann ferner einen EKG-Verstärker für die Elektroden 5 umfassen. Der Satellit 1 weist ferner einen Beschleunigungsaufnehmer 7 auf, welcher in der vorliegenden Ausführungsform als dreidimensionaler Bewegungsaufnehmer ausgestaltet ist. Ferner ist ein Wärmeleitfähigkeitssensor 9 an einem Bügel 11 zwischen Mund und Nase des Trägers T vorgesehen. Ein Infrarot-Empfänger 13 ist im Ohr des Trägers T zur Messung der Trommelfelltemperatur angeordnet. Ferner ist ein Sensor 15 vorgesehen, welcher in dieser Ausführungsform als transflektorischer Sensor zur Zweikanal (R und IR) Photoplethysmographie geeignet ist. Die Sensoren 5, 7 und 9 erfassen Informationen über den Träger T, aus denen die Atemfrequenz ermittelt werden kann. Auch der Sensor 15 ist in der Lage, Informationen über die Atemfrequenz zu übermitteln. Aus energetischen Gründen kann jedoch vorgesehen sein, dass der Sensor 15 nicht kontinuierlich betrieben wird, sondern nur während einer Einschaltdauer von bspw. weniger als 10 Prozent der Zeit. Er liefert somit vorzugsweise alle x Minuten nur einige wenige Pulszyklen. Auf diese Weise kann der Leistungsbedarf derart reduziert werden, dass selbst mit kosmetisch unauffälligen Batterien, welche im Satelliten untergebracht sind und daher am Ohr getragen werden, eine ausreichend lange Betriebszeit erzielbar ist. Batterien dieser Art können vom Knopfzellentyp Zink–Luft (IEC PR48, Hörgerät-Größe 13) sein. Auch vergleichbare Akkus können hierzu eingesetzt werden.
Bei diesem punktuellen, kurzzeitigen Einsatz des Photoplethysmographie-Sensors 15 ist dies ausreichend, um eine stabile und artefakt-arme Kalkulation der Sauerstoffsättigung zu ermöglichen. Sollte die mittels der Sensoren 5, 7 und 9 gemessene Atemfrequenz – insbesondere angesichts deren jeweiliger Qualitätswerte – nicht aussagekräftig genug sein, so kann der Sensor 15 auch kontinuierlich über mehrere Minuten (bspw. bei 200 Hertz unter einer Einschaltdauer von einer Millisekunde) eingeschaltet bleiben und somit auf Kosten eines erhöhten Leistungsbedarfs einen Beitrag zur Ermittlung der Atemfrequenz liefern.
Der Sensor 5 verstärkt die elektrischen Potenziale der beiden EKG-Elektroden 5, die vorzugsweise an den Schultern oder Schlüsselbeinbereichen positioniert werden. Das von diesen Elektroden erhaltene Signal wird gefiltert, wobei ein Highpass-Filter von 0,05 Hertz und ein Lowpass-Filter von 10 Hertz eingestellt werden können. Das empfangene Signal beinhaltet zum einen die Herzfrequenz (Puls) im Bereich von ca. 1 Hertz bis 3 Hertz (als Zyklusfrequenz, das Signal enthält weit höhere Frequenzanteile) mit einer Amplitude von ca. 0,2 mV_ss (vor der Verstärkung). Das Signal enthält zudem die Atmungsfrequenzen mit ca. 0,1 Hertz bis 0,5 Hertz bei einer Amplitude von 0,04 mV. Durch eine Trennung der Signalinhalte mittels eines Fast-Fourier-Transfomationsverfahrens, einer Autokorrelation oder eines adaptiven, durchstimmbaren Filters kann eine Erkennung beider Signalanteile erfolgen. Für jedes mögliche Trennungsverfahren gilt die Annahme, dass sich beide Frequenzen nicht beliebig schnell ändern können. Sind beide Frequenzen identifiziert, so kann auch ein Amplitudenabstand zu den benachbarten oder anderen betrachteten Frequenzen berechnet werden.
Aus dem Verhältnis von Nutzsignalamplitude (Spannung U) zu den anderen Amplituden wird ein Signal-/Rauschmaß S/N gebildet mit S/N_Atmung = 10 log (U_Atmung/U_{Nachbarfrequenz}) und S/N_Herz = 10 lag (U_Herz/U_{Nachbarfrequenz}).
Der Mittelwert aus S/N_Atmung und S/N_Herz für S/N gilt als Qualitätswert für den Sensor 5.
Der Sensor 7 ist in der vorliegenden Ausführungsform der 1 ein mikrostrukturierter Beschleunigungsaufnehmer, dessen Auslenkung der Massen kapazitiv gemessen wird. Der Sensor enthält drei solcher Anordnungen, um eine unabhängige dreidimensionale Messung zu ermöglichen. Der Sensor 7 wird direkt im Ohrkanal positioniert und kann der Bewegung des Knochens bzw. des ihn umgebenden Gewebes folgen. Dazu kann der Beschleunigungsaufnehmer 7 vom Gehäuse entkoppelt sein. Eine weitere technische Lösung hierfür besteht darin, den Aufbau des gesamten Satelliten 1 derart massenarm zu gestalten, dass eine Entkoppelung nicht nötig ist, um den höheren Frequenzen (bis zu 10 Hertz) zu folgen.
Die Auswertung und die Bildung des Qualitätswertes des Beschleunigungsaufnehmers 7 erfolgt analog zu den beschriebenen Verfahren zum Sensor 5. Dieser Sensor bzw. Beschleunigungsaufnehmer 7 liefert aber auch Informationen, aus denen auf eine Aktivität des Trägers geschlossen werden kann. Dies ist insbesondere bei Trägern von Vorteil, die sich frei bewegen, um Informationen über deren körperliche Belastung im Sinne von Arbeit und Bewegung zu erhalten. Das Maß an körperlicher Aktivität des Trägers kann auch zu einer Verschiebung des oberen Grenzwertes für eine Alarmauslösung dienen und eine erhöhte Toleranz darstellen.
Der Wärmeleitfähigkeitssensor 9 ist in der vorliegenden Ausführungsform der 1 als ein sehr kleiner temperaturabhängiger Platin-Widerstand (PT100) ausgestaltet. Dieser Wärmeleitfähigkeitssensor 9 befindet sich an der Spitze eines Bügels 11, welcher sich bis in den Bereich der Oberkante der Mundöffnung vorstreckt. Der Wärmeleitfähigkeitssensor 9 sollte sich idealerweise 3 cm vor der Oberlippe befinden. Der Widerstand kann durch einen kleinen Messstrom beheizt und auf eine Temperatur von ca. 10 K oberhalb der Umgebungstemperatur geregelt werden. Um eine Gefährdung des Trägers aufgrund der Temperatur des Wärmeleitfähigkeitssensors 9 zu vermeiden, hat dieser eine sehr kleine thermische Kapazität. Dies ist auch für die gewünschte, kurze Einschwingzeit von Vorteil. Aufgrund des Atemvolumenstroms, der zum Teil auch über den Wärmeleitfähigkeitssensor 9 streicht, wird die Wärmeabfuhr während des Atemzugs vergrößert. Die Temperatur und der Widerstandswert sinken daraufhin ab. Der Strom, welcher erforderlich ist, um den Wärmeleitfähigkeitssensor 9 auf der zu regelnden Temperatur zu halten, steigt hingegen entsprechend der erhöhten Wämeabfuhr messbar an. Die Wärmeabfuhr des Wärmeleitfähigkeitssensors 9 liegt ohne nennenswerte Strömungsgeschwindigkeit bei ca. 10 mW. Wird mit dieser Übertemperatur ein Signal erzeugt, welches einen ausreichenden Signalabstand zu Rauschsignalen enthält, so kann die Übertemperatur im Sinne einer Reduktion des Leistungsbedarfs verringert werden, bis das S/N-Verhältnis zu schlecht wird. Bei anderen Signalen geringerer Qualität kann auch die Übertemperatur vergleichbar erhöht werden, sofern keine anderen, ebenfalls eingesetzten Sensoren eine ausreichende Qualität liefern können.
Der Bügel 11 kann einklappbar ausgestaltet sein, um eine Beeinträchtigung des Trägers bei bestimmten Tätigkeiten oder Umgebungszuständen zu vermeiden. Der Wärmeleitfähigkeitssensor 9 des Bügels 11 kann derart ausgestaltet sein, dass er beim Überführen des Bügels 11 in einer „Ruhestellung” zur Vermeidung von Beeinträchtigung oder Gefährdung des Trägers T sowie von fehlerhaften Atemfrequenzmessungen automatisch abgeschaltet wird.
Der Sensor 13 ist in der hier vorliegenden Ausführungsform als Empfänger für Infrarotstrahlung ausgestaltet. Er weist eine Empfängerfläche und eine Einrichtung für eine Temperaturdifferenzmessung dieser Fläche gegenüber dem Gehäuse mittels Thermoelementen (Ketten) auf. Für eine Temperaturbestimmung der abstrahlenden Fläche (in diesem Fall: des Trommelfells) werden ein Emissionsfaktor und die Gehäusetemperatur benötigt. Der Emissionsfaktor kann als konstant angenommen werden. Die Gehäusetemperatur wird mittels herkömmlicher Temperatursensoren bestimmt. Das Gehäuse kann eine gute thermische Ankopplung an die äußeren Bauelemente des Satelliten und eine vergleichsweise schlechte Ankopplung an den Gehörgang haben. Dadurch entsteht eine möglichst große Temperaturdifferenz zwischen abstrahlender Fläche und empfangender Fläche, wodurch sich eine größere Strahlenleistung ergibt.
Die Steuereinheit des Satelliten 1 berechnet die einzelnen Qualitätswerte Q1, Q2, Q3 und Q4 und setzt den Wert für die Atemfrequenz F_EKG, F_Besch, F_Temp und F_Plesmo entsprechend der Qualitätswerte gewichtet in einem Beispiel wie folgt zusammen: F_Atmung = (Q1·F_EKG + Q2·F_Besch1 + Q3·F_Temp + Q4·F_Plesmo)/(Q1 + Q2 + Q3 + Q4)
Weichen die einzelnen Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp und F_Plesmo mehr als 20 Prozent voneinander ab, so wird in einer besonderen Ausgestaltung der obigen Zusammenfassung der einzelnen Atemfrequenzen zu F_Atmung diejenige Frequenz weiterverarbeitet, welche den größten Qualitätswert zugeordnet bekommen hat.
2 ist eine Detaildarstellung des Satelliten 1 der 1 und zeigt einen Frontalschnitt durch den Gehörgang.
3 zeigt eine Kommunikationseinheit des Monitors der 1 und 2. Diese Kommunikationseinheit kann eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen von Qualitätswerten und/oder Atemfrequenzen ausweisen. Sie kann mittels Funk mit dem Monitor verbunden sein. Sie kann jedoch auch verkabelt angebunden sein.
Die vorliegende Erfindung schlägt somit erstmals eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben und ein entsprechendes Verfahren zum Bestimmen und/oder Überwachen der Atemfrequenz basierend auf der Messung mit mehr als einem Sensor vor. Sie gibt zudem einen Monitor zum Bestimmen und/oder Überwachen der Atemfrequenz an.

Claims

Vorrichtung (1) a) zum Bestimmen der Atemfrequenz F_Atmung, b) wobei die Vorrichtung (1) wenigstens zwei unterschiedliche Sensoren (5, 7, 9, 13, 15) zum Bestimmen der Atemfrequenz F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo auf wenigstens zwei unterschiedliche Weisen aufweist, c) wobei die Vorrichtung (1) eine Einrichtung aufweist, die zum Festlegen oder Ermitteln wenigstens eines Qualitätswertes Q1, Q2, Q3, Q4 für wenigstens eine, mittels eines der Sensoren bestimmten Atemfrequenz F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo eingerichtet ist, und d) wobei die Vorrichtung (1) eine Steuereinheit aufweist, die zum Berechnen der einzelnen Qualitätswerte Q1, Q2, Q3, Q4 und zum Zusammensetzen der Werte für die sensorisch bestimmten Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo entsprechend ihrer gewichteten Qualitätswerte zu der Atemfrequenz F_Atmung eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass e) die Vorrichtung (1) derart eingerichtet ist, dass, wenn die einzelnen, sensorisch bestimmten Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo um mehr als 20 Prozent voneinander abweichen, in der Zusammensetzung der sensorisch bestimmten Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo zu der Atemfrequenz F_Atmung diejenige sensorisch bestimmten Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo weiterverarbeitet wird, welche den größten Qualitätswert Q1, Q2, Q3, Q4 zugeordnet bekommen hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anzeigen wenigstens eines festgelegten Qualitätswertes Q1, Q2, Q3, Q4.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen Evaluationssensor zum Evaluieren wenigstens einer der mittels der Sensoren (5, 7, 9, 13, 15) gemessenen Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo.
Verfahren zum Bestimmen der Atemfrequenz F_Atmung, aufweisend die Schritte: a) Bestimmen der Atemfrequenz F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo auf wenigstens zwei verschiedene Weisen mittels unterschiedlicher Sensoren (5, 7, 9, 13, 15) mittels einer dazu eingerichteten Vorrichtung (1), b) Festlegen oder Ermitteln wenigstens eines Qualitätswertes Q1, Q2, Q3, Q4 für wenigsten eine, mittels eines der Sensoren bestimmten Atemfrequenz F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo mittels der dazu eingerichteten Vorrichtung (1), c) Berechnen der einzelnen Qualitätswerte Q1, Q2, Q3, Q4 mittels einer Steuereinheit der Vorrichtung (1), d) Zusammensetzen der Werte für die sensorisch bestimmten Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo entsprechend ihrer gewichteten Qualitätswerte zu der Atemfrequenz F_Atmung mittels der Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass e) wenn die einzelnen, sensorisch bestimmten Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo um mehr als 20 Prozent voneinander abweichen, in der Zusammensetzung der sensorisch bestimmten Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo zu der Atemfrequenz F_Atmung diejenige sensorisch bestimmten Atemfrequenzen F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo weiterverarbeitet wird, welche den größten Qualitätswert Q1, Q2, Q3, Q4 zugeordnet bekommen hat.
Verfahren nach Anspruch 4, welches den Schritt umfasst: Anzeigen wenigstens eines festgelegten Qualitätswertes Q1, Q2, Q3, Q4.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, welches den Schritt umfasst: Evaluieren von wenigstens einer mittels Sensor (5, 7, 9, 13, 15) bestimmten Atemfrequenz F_EKG, F_Besch, F_Temp, F_Plesmo mittels wenigstens eines Evaluierungssensors.
Monitor gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) zum Überwachen der Atemfrequenz F_Atmung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.