DE102008022919A1

DE102008022919A1 - Vorrichtung und Verfahren zur optimierten Pulsmessung

Info

Publication number: DE102008022919A1
Application number: DE200810022919
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Tschirk
Original assignee: Siemens AG Oesterreich
Current assignee: Atos IT Solutions and Services GmbH Austria
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (PM) sowie ein Verfahren zur optimierten Pulsmessung. Dabei umfasst die Vorrichtung (PM) zumindest einen optischen Sensor (S1, S2, S3), welcher aus einem Emitter (E1, E2, E3) zum Aussenden von Licht und einem Detektor (D1, D2, D3) zum Empfangen von Licht besteht sowie aus einer Auswerteeinheit (AW). Vom Emitter (E1, E2, E3) wird dabei Licht mit einer beliebigen Wellenlänge aus einem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm auf einen Ausschnitt eines Hautgewebes (HG), beispielsweise auf das Hautgewebe (HG) auf der Innenseite des Handgelenks, ausgesendet (2). Das vom Hautgewebe (HG) remittierte Licht wird vom Detektor (D1, D2, D3) empfangen (3) und dann auf Basis des empfangenen, remittierten Lichts von der Auswerteeinheit (AW) ein Wert für eine Pulsfrequenz ermittelt (4). Durch eine Verwendung einer Wellenlänge aus dem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm - also aus dem Bereich grünen bis gelben Lichts - wird auf einfache und vorteilhafte Weise eine um ein Vielfaches größere Messgröße für eine Pulsmessung erreicht als beim Einsatz von Licht aus dem Infrarot- oder Nah-Infrarotbereich. Durch entsprechende Anordnung der optischen Sensoren (S1, S2, S3) auf beispielsweise einer Innenseite eines Armbandes (AB) wird eine weitere Verbesserung der Messgröße erzielt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft generell das technische Feld der Signalverarbeitung. Im speziellen bezieht sich die gegenständliche Erfindung auf eine Vorrichtung zur optimierten Pulsmessung sowie ein zugehöriges Verfahren. Die Vorrichtung umfasst dabei zumindest einen optischen Sensor bestehend aus einem Emitter zum Aussenden von Licht auf einen Ausschnitt eines Hautgewebes und einen Detektor zum Empfangen des von diesem Hautgewebe remittierten Lichts sowie eine Auswerteeinheit. Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur optimierten Pulsmessung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Stand der Technik
Zur medizinischen Diagnostik oder auch in der Sportdiagnostik ist es notwendig, die Herzaktivitäten einer Person teilweise über längere Zeit kontrollieren und interpretieren zu können.
Herzaktivitäten wie beispielsweise der Herzschlag werden im so genannten Puls sichtbar – einer Blutwelle durch das Gefäßsystem, welche durch eine Kontraktion des Herzmuskels bedingt wird. Die Puls- oder Herzschlagsfrequenz wird in Impulsen pro Minute angegeben. Die Pulsmessung gibt neben der Häufigkeit des Herzschlags auch Aufschluss über eine Regelmäßigkeit des Herzschlags, über eine Druckanstiegsgeschwindigkeit, über den absoluten Druck sowie über ein Füllvolumen der Gefäße.
Eine Messung des Pulses kann z. B. auf unterschiedliche Weise erfolgen. Die einfachste Methode ist beispielsweise eine manuelle Messung, bei welcher der Puls z. B. am Handgelenk daumenseitig (Radialispuls) oder am Hals (Carotispuls) ertastet und dann die Impuls mitgezählt werden. Abgesehen davon, dass diese Methode sehr ungenau ist und üblicherweise nur bei Notfällen zum Feststellen, ob überhaupt ein Puls vorhanden ist, eingesetzt wird, ist sie für eine längerfristige Kontrolle und Überwachung des Pulses nicht geeignet.
Im Spitalsbereich oder in Arztpraxen wird die Messung des Pulses z. B. meist im Rahmen des so genannten Elektrokardiogramms (EKG) durchgeführt, aus dessen Signal nicht nur die Pulsfrequenz, sondern ein Verlauf eines Herzschlages gelesen werden kann. Zur Messung eines EKG werden zumindest zwei Elektroden eingesetzt, welche üblicherweise an den Armen oder im Brustbereich angebracht werden und je auf gegenüberliegenden Seiten des Herzens liegen müssen. Allerdings kann bei einer Untersuchung im Spital oder bei einem Arzt das Herz bzw. der Puls einer Person weder unter Alltagsbedingungen noch genügend lange kontrolliert und überwacht werden.
Um jedoch Messungen und Langzeitkontrollen außerhalb eines Spitals oder einer Arztpraxis durchführen zu können, sind tragbare und leicht bedienbare Instrumente zur Pulsdetektion – so genannte Pulsmessgeräte oder Pulsmesser – notwendig. Allerdings beruhen üblicherweise verfügbare Geräte zur Langzeitüberwachung des Pulses auf dem Prinzip des EKGs und sind daher beispielsweise nicht nur groß und unhandlich, sondern auch komplex und kostenintensiv in der Nutzung.
Andererseits werden im Sportbereich Pulsmessgeräte – wie beispielsweise die Pulsmesser des finnischen Hightech-Unternehmens Polar Elektro Oy (http://www.polar.fi) oder der finnischen Firma Suunto Oy (http://www.suunto.com) – eingesetzt, die wesentlich bedienerfreundlicher, kleiner und kostengünstiger sind. Da diese Pulsmessgeräte, die vor allem für den Einsatz bei Sportlern und im Fitness- und Ausdauertrainingsbereich konzipiert sind, ebenfalls auf dem Prinzip des EKGs beruhen, sind sie auf einen Sensor (z. B. Brustgurt) außerhalb des eigentlichen Instruments zur Pulsmessung angewiesen. So bestehen z. B. die Pulsmessgeräte der Firma Polar aus zwei Komponenten – einem Sender in Form eines Brustgurts und einem Empfänger, der uhrähnlich ausgeführt ist und am Handgelenk getragen wird.
Bei dieser Art der Pulsmessung wird vom Brustgurt z. B. über zwei integrierte Hautelektroden der Herzschlag durch eine Spannungsmessung ermittelt. Information über Herzschlagzeitpunkte wird als Funksignal mit geringer Reichweite zu einer Auswerteeinheit als Empfänger gesendet, welcher z. B. in Form einer Armbanduhr ausgeführt oder z. B. direkt in ein Ausdauersportgerät (z. B. Ergometer, Laufband, etc.) integriert ist. Für die Pulsmessung ist allerdings ein Feuchtigkeitsfilm zwischen Haut und Elektroden bzw. Brustgurt notwendig, welcher bei sportlichen Aktivitäten rasch z. B. von Körperschweiß unter dem Brustgurt gebildet wird. Bei einem Einsatz zur längerfristigen Pulskontrolle z. B. im Alltagsbereich wäre daher laufend ein Anfeuchten des Brustgurts für eine Pulsmessung notwendig. Aus diesem Grund und wegen des Einsatzes von zwei Komponenten (z. B. Brustgurt und Empfänger) sind diese Pulsmessgeräte für einen Einsatz bei einer längerfristigen Pulsüberwachung im Alltagsbereich eher ungeeignet und wenig nutzerfreundlich.
Eine weitere Möglichkeit zum Messen des Pulses stellt die Pulsmessung mit Hilfe von Licht dar, bei welcher für eine nutzerfreundliche Messung nicht zwei Komponenten (z. B. Brustgurt und Empfänger) notwendig sind und ein Messen an nur einer Körperstelle (z. B. Handgelenk) möglich ist. Diese Art der Pulsmessung basiert – wie beispielsweise in Gerber, M.; Schrag, D.: Wearable Heartbeat Logger, Institut für Elektronik; Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, 2001 beschrieben – auf der so genannten photoelektrischen Plethysmographie, welche in der medizinischen Diagnostik als Messverfahren verwendet wird, um Volumenschwankungen mittels Remission, d. h. anhand von Reflexion und/oder Rückwärtsstreuung von Licht in Gefäßen zu messen. Bei der photoelektrischen Plethysmographie wird davon ausgegangen, dass durchblutetes Gewebe infrarotes Licht oder Licht im Infrarot-Nahbereich stärker absorbiert als schlecht durchblutetes oder undurchblutetes Gewebe und daher einen geringeren Anteil des Lichtes remittiert.
Durch die Herzaktionen wird auch die Durchblutung des Gewebes (z. B. der Kapillargefässe der Haut) verändert. D. h. von jedem Herzschlag wird eine Pulswelle produziert, durch welche die Blutmenge beispielsweise in den Kapillargefäßen der Haut verändert wird. Daher kann aus der Remission eines auf eine Hautstelle gestrahlten Lichts die Pulsfrequenz abgeleitet werden, wobei in Schriften wie z. B. in Gerber, M.; Schrag, D.: Wearable Heartbeat Logger oder in der WO 2006/044677 üblicherweise Licht im Infrarot-Bereich oder Infrarot-Nahbereich eingesetzt wird.
In der Schrift Gerber, M.; Schrag, D.: Wearable Heartbeat Logger wird eine Vorrichtung und Methode zur Pulsmessung beschrieben, bei der für ein Messen des Pulses mehrere Sensoren eingesetzt werden. Diese Sensoren bestehen aus Infrarot-Sendedioden, von welchen Infrarotlicht auf eine Hautstelle abgestrahlt wird, und Infrarot-Photodetektoren zum Detektieren der Remission. Die Sensoren sind dabei als so genanntes Sensorarray mit jeweils zumindest einer Reihe von Sendedioden und einer Reihe von Photodetektoren angeordnet. Ein Ergebnis der Sensoren wird mit einer Prozessorkarte zur Signalverarbeitung ausgewertet. Die beschriebene Vorrichtung weist allerdings den Nachteil auf, dass Störeinflüsse (z. B. Signalschwankungen, Artefakte, etc.) aufgrund von mechanischen Einflüssen, wie beispielsweise Bewegungen, nicht oder nur mittels aufwendiger Filterschaltungen oder Nachbearbeitung durch einen Algorithmus beseitigt werden können. Die Pulsmessung wird daher stark beeinflusst, da derartige Störungen im gleichen Frequenzbereich wie das relativ kleine Pulssignal gelegen sind.
In der WO 2006/044677 wird ebenfalls ein Pulsmessgerät offenbart, von welchem eine Reflexion von Licht im Infrarot- bzw. Infrarot-Nahbereich durch Hautgewebe z. B. am Handgelenk für eine Pulsmessung auswertet wird. Bei der in der WO 2006/044677 offenbarten Pulsmessung wird ein weiterer Sensor (z. B. Beschleunigungssensor) zur Feststellung von periodischen Bewegungen eingesetzt, um die durch diese Bewegungen verursachten Störungen mittels eines Algorithmus zu kompensieren. Es hat sich allerdings als nachteilig erwiesen, dass durch einen Einsatz von Licht im Infrarot- bzw. Infrarot-Nahbereich, insbesondere bei Pulsmessungen am Handgelenk ein relativ kleines Messsignal für die Pulsmessung erzielt wird. Dieses Messsignal wird nicht nur stark von Störsignalen (z. B. Streulicht, Bewegungen, etc.) beeinflusst, sondern ist auch von Sensorposition und bestrahltem Hautbereich abhängig (z. B. Sensorposition über einer Arterie, Hautbereich mit vielen oder wenigen Kapillargefäßen, etc.). Daher wird aufgrund des relativ kleinen Messsignals eine eher unzuverlässige und ungenaue Pulsmessung erzielt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Pulsmessung zu schaffen, mit welcher auf einfache Weise eine zuverlässige und genaue Pulsmessung mit Licht ohne aufwendige Nachbearbeitung durchgeführt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, wobei von einem Emitter des optischen Sensors Licht mit einer beliebigen Wellenlänge aus einem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm ausgesendet wird.
Der Hauptaspekt der Erfindung liegt darin, dass bei einem Einsatz einer beliebigen Wellenlänge aus dem Bereich von 520 nm bis 600 nm – also aus dem Bereich von grünem bis gelbem Licht – auf einfache und vorteilhafte Weise eine um ein Vielfaches größere Messgröße für die Pulsmessung erreicht wird als beim Einsatz von Licht aus dem Infrarot- oder Nah- Infrarotbereich. Die Messgröße ist dabei die Änderung eines Remissionsgrades (d. h. die Änderung eines Anteils des remittierten Licht am einfallenden Licht). Mittels Berechung und im Versuch wurde festgestellt, dass bei einer gegebenen pulsbedingten Schwankung des Blutanteils in der Dermis die Änderung des Remissionsgrades bei Verwendung des Bereichs von 520 nm bis 600 nm etwa 10 mal so groß ist wie bei bereits bekannten Ansätzen mit Infrarotlicht. Damit kann auf einfache Weise auch an Körperstellen (z. B. Handgelenk) gemessen werden, an welchen die Dermis sehr schwach und/oder von Hautstelle zu Hautstelle sehr unterschiedlich durchblutet ist.
Ein mathematischer Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des Lichts und einer Änderung des Remissionsgrades bei Änderung des Blutanteils in der Dermis sind aus Literatur wie z. B. Kubelka, P.; Munk, F.: Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche, Zeitschrift für Technische Physik 1931, und Rahman, A. A.; Chen, M.: Spectral Volume Rendering based an the Kubelka-Munk Theory, EUROGRAPHICS 2005, bekannt, von denen ein Remissionsverhalten von mehrschichtigen Medien wie z. B. Hautgewebe untersucht worden ist. Mit optischen Eigenschaften von Haut haben sich weiters beschäftigt: Jacques, S. L.: Skin Optics, Oregon Medical Laser Center News 1998, und Osterholz, J.: Frequency-Domain-Spektroskopie und dynamische Streulicht-Spektroskopie an biologischen Geweben, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2002.
Biologische Parameter, von welchen ein Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des Lichtes und der Änderung des Remissionsgrades bei Änderung des Blutanteils der Dermis abhängig ist, sind beispielsweise die Dicken von Epidermis, Dermis und Muskelgewebe, der Melaningehalt der Epidermis, der Sauerstoffgehalt des Blutes, der Blutanteil der Dermis, die reduzierten Streukoeffizienten von Blut und Muskelgewebe sowie der Absorptionskoeffizient des Muskelgewebes. Werte für diese Parameter sind beispielsweise in Cheong, W. F.; Prahl, S. A.; Welch, A. J.: A Review of the Optical Properties of Biological Tissue, IEEE Journal an Quantum Electronics 1990 und 1993, oder in Prahl, S. A.: Tabulated Molar Extinction Coefficient for Hemoglobin in Water, Oregon Medical Laser Center, 1999, angeführt.
Werden die Erkenntnisse aller dieser angeführten Quellen in einer Berechnung zusammengefasst, so ergibt sich, dass jene Wellenlänge, bei welcher vom Absolutwert der Änderung des Remissionsgrades bei Änderung des Blutanteils in der Dermis ein Maximum angenommen wird, 577 nm beträgt, und dass der vorgegebene Bereich zwischen 520 nm bis 600 nm als für die Pulsmessung günstig anzusehen ist. Die Ergebnisse dieser Berechnung wurden durch Experimente bestätigt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind bei einer Verwendung von mehreren optischen Sensoren die Sensoren nach einem Kriterium höchster Wahrscheinlichkeit für optimale Messwerte angeordnet. Beispielsweise werden von Sensoren, welche über Venen angebracht sind, keine besonders guten und wenig zuverlässige Messwerte geliefert. Durch diese Optimierung wird auf einfache Weise eine Sensoranordnung erzielt, bei der für eventuell ungünstig platzierte Sensoren andere Sensoren mit hoher Wahrscheinlichkeit eine günstige Platzierung für die Pulsmessung aufweisen.
Ausgangspunkt für eine Ermittlung einer optimalen Sensoranordnung ist, dass:

• von jedem Sensor aufgrund seiner Platzierung mit einer Wahrscheinlichkeit p gute Messwerte geliefert werden und
• dass in jedem Paar von Sensoren von einem zweiten Sensor mit einer Wahrscheinlichkeit q gute Messwerte geliefert werden, wobei vorausgesetzt wird, dass auch die Messwerte eines ersten Sensors des Paars gut sind, und
• in jedem Paar von Sensoren vom zweiten Sensor mit einer Wahrscheinlichkeit r gute Messwerte geliefert werden, wobei allerdings vom ersten Sensor des Paars schlechte Messwerte geliefert werden.

Dann ist eine Wahrscheinlichkeit p_kN, dass mindestens von k Sensoren von insgesamt N Sensoren gute Messwerte geliefert werden, gegeben durch
wobei i eine laufende Variable ist, von der ganzzahlige Werte von k bis N angenommen werden.
Auf Basis dieses Ansatzes kann dann eine optimale Anordnung für die Sensoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Pulsmessung auf einfache Weise ermittelt werden, da bei gegebener Sensoranzahl N mit sinkendem Wert von p, steigender Anzahl k und einer steigenden Korrelation zwischen den Messergebnissen der Sensoren die ermittelte Wahrscheinlichkeit p_kN für zumindest k Sensoren mit guten Messwerten stark sinkt.
Aufgrund der Ermittlung der Wahrscheinlichkeit für optimale Messwerte hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass eine Anzahl von optischen Sensoren verwendet wird, welche durch vier teilbar ist. Idealerweise sollten die Sensoren derart angeordnet sein, dass von jeweils vier Sensoren ein gegen eine Längsachse des Unterarms um zirka 30° geneigtes Quadrat gebildet wird. Das weist den Vorteil auf, dass insbesondere eine derartige Platzierung unempfindlich gegen ein Verschieben der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Pulsmessung ist. Es muss auf diese Weise vom Nutzer nicht auf eine bestimmte Positionierung geachtet werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zusätzlich ein Beschleunigungssensor zum Messen von Körperbewegungen vorgesehen. Damit können auf einfache Weise Fehlmessungen aufgrund von Körperbewegungen vermieden werden, da so der Puls nur in Ruhe gemessen wird. Der Beschleunigungssensor ist dabei idealerweise als drei dimensionaler Beschleunigungssensor ausgeführt, um Bewegungen in allen drei Richtungen feststellen zu können.
Zweckmäßigerweise sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Emitter als Leuchtdiode, auch als LED bezeichnet, für eine beliebige dominante Wellenlänge aus dem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm und der Detektor als Photodetektor, insbesondere als Photodiode oder Phototransistor, ausgeführt.
Es ist auch vorteilhaft, wenn für die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Integration in ein Armband, insbesondere Band einer Armbanduhr, vorzüglich auf einer Innenseite, vorgesehen ist, da ein Anlegen und Abnehmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Pulsmessung auf einfache Weise erfolgen kann und der Nutzer durch eine längerfristige Überwachung des Pulses, auch im Alltag, nicht gestört wird.
Es ist günstig, wenn ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Pulsmessen in ein Notfallsystem vorgesehen ist. Durch eine derartige Integration in ein Notfallsystem können beispielsweise bei gemessenen, kritischen Pulswerten (z. B. kein Puls, schwacher Puls, unregelmäßiger Puls, etc.) Notfälle erkannt und z. B. ein Notruf abgesetzt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt weiters durch ein Verfahren zur optimierten Pulsmessung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei von einem Emitter Licht mit einer beliebigen Wellenlänge aus einem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm auf einen Ausschnitt eines Hautgewebes ausgesendet wird. Von einem Detektor wird das vom Hautgewebe remittierte Licht empfangen und dann auf Basis des empfangenen, remittierten Lichts von einer Auswerteeinheit ein Wert der Pulsfrequenz ermittelt.
Der Hauptaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im Einsatz von Licht mit einer beliebigen Wellenlänge aus dem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm. In diesem Bereich wird auf einfache und vorteilhafte Weise eine um ein Vielfaches größere Messgröße für eine Pulsmessung erreicht als beim Einsatz von Licht aus dem Infrarot- oder Nah-Infrarotbereich. Damit kann eine genauere und zuverlässigere Pulsmessung mit Licht durchgeführt werden, insbesondere z. B. bei einer Wellenlänge von zirka 577 nm, bei welcher die Remission von Licht durch Hautgewebe ein Optimum aufweist.
Idealerweise wird eine Messung der Pulsfrequenz nur durchgeführt, wenn vom Beschleunigungssensor keine Körperbewegung festgestellt wird, da auf diese Weise Störungen, Verfälschungen und Fehlmessungen ausgeschlossen und vermieden werden können.
Eine weitere, zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass auf Basis der ermittelten Pulsfrequenz – beispielsweise bei fehlendem, unregelmäßigem oder überhöhtem Puls – ein Notsignal versendet wird. Damit können auf einfache Weise Notfallsituationen – insbesondere bei älteren oder herzkranken Personen – erkannt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand beigefügter Figuren erläutert. Es zeigen:
1 schematisch und beispielhaft einen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optimierten Pulsmessung sowie einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
2 eine beispielhafte Variante für eine optimale Anordnung von optischen Sensoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ausführung der Erfindung
In 1 wird in schematischer und beispielhafter Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung gezeigt. Die Vorrichtung PM umfasst beispielhafte, optische Sensoren S1, S2, S3, wobei für die optimierte Pulsmessung eine größere Anzahl z. B. acht oder mehr optische Sensoren S1, S2, S3 für eine Messung verwendet werden können.
Die optischen Sensoren S1, S2, S3 umfassen jeweils einen Emitter E1, E2, E3, von welchem auf einen Ausschnitt eines Hautgewebes HG Licht mit einer beliebigen Wellenlänge aus einem vorgegebenen Bereich 520 nm bis 600 nm – also aus einem Bereich grünen bis gelben Lichtes – ausgesendet wird. Als Emitter E1, E2, E3 werden beispielsweise Leuchtdioden, welche auch als LED bezeichnet werden, eingesetzt. Von den als Emitter E1, E2, E3 verwendeten Leuchtdioden wird mit einer beliebigen, dominanten Wellenlänge aus dem Bereich von 520 nm bis 600 nm gestrahlt. Ideal als Emitter einsetzbar sind daher z. B. grüne oder gelbe Leuchtdioden.
Weiters umfassen die optischen Sensoren S1, S2, S3 jeweils einen Detektor D1, D2, D3, von dem das vom Hautgewebe HG remittierte Licht empfangen wird. Als Detektor D1, D2, D3 kann beispielsweise ein Photodetektor (z. B. Photodiode, Phototransistor) eingesetzt werden.
Weiters weist die erfindungsgemäße Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung eine Auswerteinheit AW auf, von welcher auf Basis von Messwerten der optischen Sensoren S1, S2, S3 eine Pulsfrequenz ermittelt wird, und einen Beschleunigungssensor BS, welcher beispielsweise als zwei- oder dreidimensionaler Beschleunigungssensor BS ausgeführt ist und von welchem Körperbewegungen festgestellt werden können. Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung geeignet, bei entsprechenden Pulswerten (z. B. kein Puls, überhöhter Puls, unregelmäßiger Puls, etc.) ein Notrufsignal NS abzusetzen.
Die Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung kann beispielweise auf einer Innenseite eines Bandes angeordnet werden. Durch dieses Band wird die Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung auf dem Hautgewebe HG positioniert.
Das Band kann z. B. ein Armband oder Uhrband sein, wodurch die Pulsmessung auf einfache Weise am Handgelenk durchgeführt werden kann. Das Band hat weiters den Zweck die Sensoren S1, S2, S3 bzw. insbesondere die Detektoren D1, D2, D3 möglichst vor Störeffekten durch Streulicht zu schützen.
1 zeigt weiters in beispielhafter Weise den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur optimierten Pulsmessung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung. In einem ersten Verfahrensschritt 1 wird mit Hilfe des Beschleunigungssensors BS festgestellt, ob Körperbewegungen vorliegen oder sich der Nutzer in Ruhe befindet. Der Verfahrensschritt 1 wird eingesetzt, um Fehlmessungen bei Körperbewegungen zu vermeiden, von welchen die Messsignale für die Pulsmessung überlagert werden. Allerdings kann der erste Verfahrenschritt 1 beim Verfahren zur optimierten Pulsmessung auch weggelassen werden, wenn z. B. in der Vorrichtung PM kein Beschleunigungssensor BS vorgesehen ist.
Wird im ersten Verfahrensschritt 1 festgestellt, dass keine Körperbewegung vorliegt, so wird die eigentliche Pulsmessung gestartet. In einem zweiten Verfahrensschritt 2 wird dann von den Emittern E1, E2, E3 (z. B. Leuchtdioden) der Sensoren S1, S2, S3, welche auf dem Hautgewebe HG – beispielsweise mit Hilfe eines Bandes, auf welchem die Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung angeordnet ist, angebracht sind, Licht mit einer beliebigen Wellenlänge aus einem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm ausgesendet und dabei das Hautgewebe HG beleuchtet. Dabei wird in Abhängigkeit von der Kapillardurchblutung der Dermis – der zweitobersten Schicht des Hautgewebes HG – das eingestrahlte Licht reflektiert und rückwärts gestreut, also remittiert. Die Kapillardurchblutung der Dermis ist pulsbedingten Schwankungen unterworfen. Durch diese Schwankungen ist auch die Remission des eingestrahlten Lichts Änderungen unterworfen. Diese Änderungen sind, bei gegebener Schwankung des Blutanteils in der Dermis, am größten und damit am besten messbar bei Lichtwellenlängen zwischen 520 nm und 600 nm.
In einem dritten Verfahrensschritt 3 wird daher von den Detektoren D1, D2, D3 (z. B. Photodiode, Phototransistor) der Sensoren S1, S2, S3 das reflektierte und rückwärts gestreute Licht empfangen. Von jedem Detektor D1, D2, D3 wird dann eine Spannung geliefert, welche einer Intensität des reflektierten und rückwärts gestreuten Lichts ungefähr proportional ist. Für die Pulsmessung sind die jeweiligen Detektoren D1, D2, D3 knapp neben den jeweiligen Emittern E1, E2, E3 angebracht.
In einem vierten Verfahrensschritt 4 werden dann die Spannungswerte, welche beispielsweise in digitale Signale umgewandelt worden sind, von den Detektoren D1, D2, D3 bzw. den jeweiligen Sensoren S1, S2, S3 an die Auswerteeinheit AW weitergeleitet. Von der Auswerteeinheit wird dann auf Basis dieser Spannungswerte oder digitalen Signale – und damit auf Basis des empfangenen, remittierten Lichtes – ein Wert für eine Pulsfrequenz ermittelt.
In einem fünften Verfahrensschritt 5 kann – bei Integration der Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung – vorgesehen sein, dass je nach Auswertung des Wertes der Pulsfrequenz ein Notrufsignal NS abgesetzt wird. Ein Notrufsignal kann beispielsweise bei fehlendem, erhöhtem oder unregelmäßigem Puls versendet werden. Insbesondere bei Integration der Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung in einem Armband oder Uhrband kann zuverlässig und belästigungsarm bei gefährdeten Personen (z. B. älteren Menschen, Menschen mit Herzproblemen) der Puls überwacht werden.
2 zeigt beispielhaft eine mögliche Anordnung für acht Sensoren S1 bis S8 einer Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung. Die Sensoren S1 bis S8 sind auf der Innenseite eines Armbandes AB angeordnet, um eine Pulsmessung bei einem Hautgewebe HG eines Unterarms, welcher schematisch in 2 dargestellt ist, durchzuführen. Die Pulsmessung erfolgt dabei beispielsweise handflächenseitig – also an einer Innenseite des Unterarms in Nähe des Handgelenks, da an Hautstellen mit schwacher Pigmentierung wie z. B. der Innenseite des Unterarms die Remission von Licht besser messbar ist als stark pigmentierten Hautstellen.
Wird nun die Innenseite des Unterarms in Nähe des Handgelenks betrachtet, so ist ein mittlerer Bereich MB in y-Richtung von Sehnen dominiert, über welchen der Puls nicht messbar ist. Es ergeben sich damit ein Bereich B1 und ein Bereich B2 als für die Pulsmessung interessant. Die Sensoren S1 bis S8 werden daher – wie in 2 dargestellt – derart auf dem Armband AB angeordnet, dass die Sensoren S1 bis S4 im Bereich B1 und die Sensoren S5 bis S8 im Bereich B2 positioniert sind.
Die Wahrscheinlichkeit p_kN dafür, dass von mindestens k Sensoren von N Sensoren gute Messwerte geliefert werden, kann beispielweise anhand der folgenden Formel errechnet werden:
Dabei bedeuten die Größen p, q und r:

– p eine Wahrscheinlichkeit dafür, dass von einem Sensor aufgrund seiner Platzierung gute Messwerte geliefert werden,
– q eine Wahrscheinlichkeit dafür, dass in einem Paar von Sensoren von einem zweiten Sensor des Paars gute Messwerte geliefert werden, vorausgesetzt, dass auch ein erste Sensor des Paars gute Messwerte ergibt, und
– r eine Wahrscheinlichkeit dafür, dass in einem Paar von Sensoren vom zweiten Sensor des Paars gute Messwerte geliefert werden, vorausgesetzt, dass vom ersten Sensor des Paars schlechte Messwerte geliefert werden.

Die Variable i ist dabei eine laufende Variable, von welcher ganzzahlige Werte von k bis N angenommen werden. N ist die Anzahl der verwendeten Sensoren S1 bis S8 und k eine Mindestanzahl an Sensoren S1 bis S8 mit guten Messwerten.
Aufgrund eines Kriteriums höchster Wahrscheinlichkeit für optimale Messwerte wurde als eine optimale Anordnung eine Platzierung von jeweils vier Sensoren S1 bis S4 und S5 bis S8 in Form eines Quadrats ermittelt. Dabei sind jeweils vier Sensoren S1 bis S8 an Koordinaten x_j und y_j, wobei von j die Werte von 1 bis 4 angenommen werden, angeordnet. x und y geben dabei die horizontale bzw. vertikale Dimension an.
Damit, wenn ein Sensor S1 bis S8 schlecht platziert ist, die anderen Sensoren S1 bis S8 mit hoher Wahrscheinlichkeit gut platziert sind, werden jeweils vier Sensoren S1 bis S4 und S5 bis S8 in einem Quadrat angeordnet und dabei folgende Anforderungen an die Anordnung für alle Paare (Si, Sj), wobei i und j Werte von 1 bis 4 durchlaufen) von Sensoren S1 bis S4 und S5 bis S8 in diesem Quadrat gestellt:

– min{|x_i – x_j|} ist zu maximieren, damit Korrelationen der Messwerte aufgrund vertikaler Strukturen (z. B. Muskeln, Sehnen, Blutgefäße) gering sind,
– min{|y_i – y_j|} ist zu maximieren, damit Korrelationen der Messwerte aufgrund horizontaler Strukturen (z. B. quer verlaufende Hautfalten) gering sind,
– und das Minimum der euklidischen Distanz ist zu maximieren, damit Korrelationen aufgrund räumlicher Nähe minimiert werden.

Aus diesen Anforderungen wird für eine Positionierung der Sensoren S1 bis S8 ein in 2 schematisch dargestelltes Gitterliniennetz abgeleitet, wobei Gitterlinien in x-Richtung einen Abstand Δx und Gitterlinien in y-Richtung einen Abstand Δy aufweisen. Für Δx und Δy ergibt sich vorteilhaft eine Länge von jeweils 5 mm. Die Anordnung der Sensoren S1 bis S8 bzw. der jeweiligen Quadrate innerhalb des Gitterliniennetzes wird aus der Anforderung, die Korrelationen zwischen den Messwerten aufgrund der Sensorplatzierung zu minimieren, abgeleitet.
Damit eine Platzierung der Sensoren S1 bis S8 z. B. beim Anlegen der Armbandes AB in den für eine Pulsmessung interessanten Bereichen B1 und B2 des Unterarms erfolgt, werden die beiden Sensorquadrate symmetrisch zur y-Achse angeordnet. Auf diese Weise kann die Vorrichtung PM zur optimierten Pulsmessung sowohl von Linkshändern aus auch Rechtshändern getragen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/044677 [0010, 0012, 0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://www.polar.fi [0007]
- http://www.suunto.com [0007]
- Gerber, M.; Schrag, D.: Wearable Heartbeat Logger, Institut für Elektronik; Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, 2001 [0009]
- Gerber, M.; Schrag, D.: Wearable Heartbeat Logger [0010]
- Gerber, M.; Schrag, D.: Wearable Heartbeat Logger [0011]
- Kubelka, P.; Munk, F.: Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche, Zeitschrift für Technische Physik 1931 [0016]
- Rahman, A. A.; Chen, M.: Spectral Volume Rendering based an the Kubelka-Munk Theory, EUROGRAPHICS 2005 [0016]
- Jacques, S. L.: Skin Optics, Oregon Medical Laser Center News 1998 [0016]
- Osterholz, J.: Frequency-Domain-Spektroskopie und dynamische Streulicht-Spektroskopie an biologischen Geweben, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2002 [0016]
- Cheong, W. F.; Prahl, S. A.; Welch, A. J.: A Review of the Optical Properties of Biological Tissue, IEEE Journal an Quantum Electronics 1990 und 1993 [0017]
- Prahl, S. A.: Tabulated Molar Extinction Coefficient for Hemoglobin in Water, Oregon Medical Laser Center, 1999 [0017]

Claims

Vorrichtung zur optimierten Pulsmessung, welche zumindest einen optischen Sensor (S1, S2, S3) bestehend aus einem Emitter (E1, E2, E3) zum Aussenden von Licht auf ein Hautgewebe (HG) und einen Detektor (D1, D2, D3) zum Empfangen des vom Hautgewebe (HG) remittierten Lichts sowie eine Auswerteeinheit (AW) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass vom Emitter (E1, E2, E3) des jeweiligen optischen Sensors (S1, S2, S3) Licht mit einer beliebigen Wellenlänge aus einem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm ausgesendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von mehreren optischen Sensoren (S1, S2, S3) diese Sensoren (S1, S2, S3) nach einem Kriterium höchster Wahrscheinlichkeit für optimale Messwerte angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der verwendeten optischen Sensoren (S1, S2, S3) durch vier teilbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils vier optische Sensoren (S1, S2, S3) in Form eines Quadrates angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Beschleunigungssensor (BS) zum Messen von Körperbewegungen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (BS) als dreidimensionaler Beschleunigungssensor ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (E1, E2, E3) als Leuchtdiode für eine beliebige, dominante Wellenlänge aus dem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (D1, D2, D3) als Photodetektor, insbesondere als Photodiode oder Phototransistor, ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Integration in ein Armband (AB), insbesondere Band einer Armbanduhr, vorzüglich auf einer Innenseite, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einsatz in einem Notrufsystem vorgesehen ist.
Verfahren zur optimierten Pulsmessung unter Verwendung einer Vorrichtung (PM) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – von einem Emitter (E1, E2, E3) Licht mit einer beliebigen Wellenlänge aus dem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm auf einen Ausschnitt eines Hautgewebes (HG) ausgesendet wird (2), – dass von einem Detektor (D1, D2, D3) das vom Hautgewebe (HG) remittierte Licht empfangen wird (3), – und dass dann von einer Auswerteeinheit (AW) ein Wert der Pulsfrequenz auf Basis des empfangenen, remittierten Lichts ermittelt wird (4).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung der Pulsfrequenz nur durchgeführt wird, wenn von einem Beschleunigungssensor (BS) keine Körperbewegung festgestellt wird (1).
Verfahren nach einem Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der ermittelten Pulsfrequenz ein Notsignal (NS) versendet wird (5).