DE102015014725A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Ermittlung der Herz- und /oder Atemrate mit Rückmeldung von Atemempfehlungen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Ermittlung der Herz- und /oder Atemrate mit Rückmeldung von Atemempfehlungen Download PDF

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Abstract

Im Folgenden wird eine rechnergestützte Vorrichtung in Kombination mit einem geeigneten Messverfahren vorgestellt, die dem Anwender, basierend auf der endogenen Herzrate, Instruktionen zur aktiven Beeinflussung der eigenen Atmung liefert und somit der Entspannungsförderung dient. Dazu wird mit vergleichsweise geringen Einschränkungen für den Anwender durch ein oder mehrere voneinander unabhängigen, räumlich getrennten optischen, elektromagnetischen und/oder mechanischen Sensoren kontinuierlich die Herz- und Atemrate bestimmt. Diese Sensoren befinden sich vorzugsweise vor Feuchtigkeit/Wasser geschützt im Kontakt mit dem Benutzer und sind im Umfeld des Benutzers integriert. Aus den ermittelten Vitalparametern werden durch mathematische Beziehungen eine optimale Atemrate und deren Abweichung zur aktuellen Atemrate berechnet. Die daraus resultierende Atemempfehlung wird dem Benutzer durch die zyklische Änderung von Helligkeit und dem Farbspektrum einer Umgebungsbeleuchtung und/oder durch zyklische Verformung der Kontaktfläche zum Benutzer zurückgemeldet.

Description

  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren hat die Hauptanwendung, dem Benutzer ein entspannungsförderndes, automatisches Biofeedback zu geben. Mit dem Begriff Biofeedback ist eine Methode bezeichnet, die Zustandsgrößen biologischer Vorgänge, die sich der unmittelbaren Sinneswahrnehmung entziehen, dem Benutzer über technische Hilfsmittel beobachtbar macht. Dies erlaubt dem Benutzer, bewusst Einfluss auf diese Zustandsgrößen zu nehmen.
  • Es ist bekannt, dass die Vitalparameter von Herz und Lunge nicht unabhängig voneinander sind, da diese Organe in einem komplexen Systemverbund miteinander arbeiten, dem kardiovaskulären System. Eine der bekannten Abhängigkeiten zwischen Herzrate und Atmung ist die respiratorische Sinusarrhythmie. Die respiratorische Sinusarrhythmie bezeichnet eine physiologische Frequenzschwankung der Herzaktion (Herzratenvariabilität), die durch die Atmung bedingt ist. Die Herzratenvariabilität beschreibt dabei die spontane Veränderung des Abstandes von zwei Herzschlägen. Bei dem bekannten (Herzratenvariabilität) HRV-Biofeedback wird dem Benutzer seine eigene Herzratenvariabilität mit technischen Hilfsmitteln sichtbar gemacht. Der Benutzer soll somit durch bewusste Atmung seinen Atemzyklus mit der periodischen Änderung der Herzrate synchron halten.
  • Für die Messung der Herzratenvariabilität ist eine sehr zuverlässige Messmethode für die Erfassung der einzelnen Herzschläge erforderlich. Aus diesem Grund werden bei gewöhnlichen Vorrichtungen für das HRV-Biofeedback die Herzschläge vorzugsweise mittels Photoplethysmographie (PPG) an Finger oder Ohr, als auch mittels Elektrokardiographie (EKG) bestimmt. Somit erfordern HRV-Biofeedback Vorrichtungen nach dem Stand der Technik das Anbringen von Elektroden, Klemmen oder Positionieren von Gliedmaßen (z. B. einem Finger) auf einem Sensor. Die HRV wird bei den bekannten Systemen mittels Graphen oder animierter Grafiken auf Displays dem Benutzer zugänglich gemacht. Zudem existieren Darstellungsformen mittels Audio bzw. Musik und Vorrichtungen, die dem Benutzer eine Atemempfehlung zu Synchronisation der Atmung und HRV anzeigen. Die bekannten Biofeedback Vorrichtungen sind nur mit fremder Hilfe oder im geübten Umgang nutzbar.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Ermittlung der Herz- und/oder Atemrate und Rückmeldung von Atemempfehlungen bereitzustellen, welche eine vergleichsweise gering einschränkende, robuste Messung von Vitalparametern, einen intuitiveren Umgang und eine Verwendung in Nassbereichen oder im Wasser ermöglicht. Zudem ist ein alternatives, robustes Verfahren zur Ermittlung einer Atemempfehlung zusätzlicher Bestandteil der Erfindung. Zudem ist eines der größten Probleme die Bereitstellung eines Biofeedbacks im außerklinischen, feuchten Wellnessbereich ist die Abwägung zwischen der Zuverlässigkeit der Messung, der Grad der Beeinträchtigung des Benutzers und Robustheit der gesamten Vorrichtung. Insbesondere, wenn die Entspannungsförderung einer Person im Vordergrund steht, sollte die Beeinträchtigung so gering wie möglich gehalten werden und die Herzrate dennoch zuverlässig erfasst werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und dem Verfahren gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 5 gelöst.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rückmeldung einer Atemempfehlung für den Benutzer wird die Herzrate und/oder Atmung mit mindestens einem optischen, elektromagnetischen oder mechanischen Sensor gemessen:
    Eine bevorzugte Ausführung des optischen Sensors ist die Messung mit dem der reflektiven Photoplethysmographie (rPPG). Hierbei wird Licht in die Haut eingestrahlt und dessen Reflexion gemessen. Der Reflexionsfaktor ist abhängig von dessen Wellenlänge, dem Abstand zum Körper, den Gewebeeigenschaften und dem Zustand der Blutgefäße. Mit jedem Herzzyklus werden die arteriellen Blutgefäße durch die kurzzeitige Blutdruckerhöhung ausgedehnt. Dies hat Auswirkung auf den gesamten Reflexionsfaktor des Gewebes, sodass der Puls eine charakteristische Welle im Sensorsignal erzeugt. Bei geeigneter Positionierung des Sensors kommt es bei der Atmung zu einer relativen Bewegung zwischen Messhardware und Oberkörper. Somit kann ebenfalls die Atmung mit dem rPPG erfasst werden.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführung des elektromagnetischen Sensors ist die Messung über ein elektromagnetisches Feld möglich. Bei dieser Variante wird entweder ein magnetisches oder elektrisches Feld erzeugt und die Interaktion mit dem Körper des Benutzers gemessen. Eine bevorzugte Variante bietet die Verwendung eines elektromagnetischen Schwingkreises, bei dem der menschliche Körper induktiv oder kapazitiv eingekoppelt wurde. Durch die Änderung der Schwingfrequenz ist somit abhängig von dem gekoppelten Feld, sodass die Frequenzänderung mit Herzschlag und Atmung korreliert.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführung des mechanischen Sensors ist die Messung mit einem Ballistokardiographie-(BKG) bzw. Seismokardiographiesensor (SKG). Bei dieser Messung wird der Sensor mechanisch mit der Körperoberfläche gekoppelt. Somit kann mit einem Kraftsensor bei der BKG oder einem Beschleunigungssensor bei der SKG der Herzschlag, sowie die Atmung detektiert werden.
  • Um die Robustheit der Herzschlag- und Atemdetektion zu erhöhen, können zwei oder mehr der Sensoren desselben oder unterschiedlichen Typs in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kombiniert werden. Somit können alle Sensorsignale mit einer Steuereinheit qualitätsabhängig fusioniert werden.
  • Für die Schätzung der Herzrate werden kontinuierlich Sensordaten aufgenommen und mit einem Bandpass gefiltert. Dieses Messsignal wird fortlaufend so gefenstert, dass sich mindestens zwei Herzschläge in einem Signalausschnitt befinden.
  • Zur robusten Detektion der Herzschläge aus dem Signal des gefensterten Signalausschnitts wird ausgenutzt, dass das Muster eines Herzschlags periodisch auftritt. Um dieses periodisch auftretende Muster detektieren zu können, wird die Autokorrelation des Signalausschnitts berechnet. In dieser zeigen sich die verschobenen Herzschläge als Nebenmaxima und werden im Verfahren detektiert. Diese sind um den durchschnittlichen Abstand zwischen den Herzschlägen von den Hauptmaxima entfernt. Daher wird die Herzrate in Abhängigkeit des Abstands der beiden Maxima (nmax,2 – nmax,1) und der Abtastrate fs bestimmt.
  • Das zuvor beschriebene Verfahren zur Detektion der Herzrate aus Sensordaten wird somit für einen oder mehrere Sensoren angewendet. Im Falle der Verwendung von mehrerer Sensoren, ist es vorteilhaft die Daten zu fusionieren. Für die Fusionierung der Sensordaten werden somit alle Sensorsignale einzeln mit der gefensterten Autokorrelation analysiert, um von jedem Sensor einen Schätzwert für die Herzrate zu erhalten. Zusätzlich wird für jeden Sensor ein zusätzlicher „trust”-Wert ermittelt, der die Qualität des Signalausschnittes repräsentiert. Dieser wird aus den Maxima und Nebenmaxima der Autokorrelation bestimmt. Der kleinste „trust”-Wert wir bei keinem Nebenmaximum erreicht und die größten Werte bei einem eindeutigen Nebenmaximum.
  • Eine Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, den Benutzer durch die Wahl der Sensorpositionierung nicht einzuschränken. Im Sinne der Erfindung wird der Benutzer für die Messung der Vitalparameter nicht mit Elektroden oder Klemmen zu versehen. Zudem ist kein zwingender Kontakt der Arme, Hände oder Beine zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlich. Vorwiegend werden Positionen nahe am Kopf, Hals, Rücken, Schultern und/oder Gesäß für die Sensoren gewählt. Um auch eine sichere Messung auch mit einem oder wenigen Sensor(-en) zu gewährleisten, ist ein verformbarer, ergonomisch angepasster Formkörper als Liege- oder Stützfläche für den Benutzer Bestandteil des Erfindungsgedankens. Dieser Formkörper soll zudem die Beibehaltung einer Soll-Liegeposition unterstützen und somit zusätzlich entspannungsfördernd wirken.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gibt dem Benutzer eine Atemempfehlung. Zudem kann die Abweichung von Soll- und Ist-Wert der Atmung und/oder der geschätzte Entspannungszustand dem Benutzer rückgemeldet werden. Die Rückmeldung wird vorzugsweise durch Änderung der Helligkeit bzw. Farbe Umgebungsbeleuchtung und/oder zyklischer Verformung der Kontaktfläche zum Benutzer rückgemeldet wird.
  • Eine vorteilhafte Weiterentwicklung sieht vor, dass die Beleuchtung zur Visualisierung der Atemvorgabe innerhalb eines kompakten Gerätes mit der Sensorik zusammen integriert wird und/oder außerhalb des Gerätes mit der Messhardware angebracht werden kann. Externe Lichtquellen werden entweder über ein Kabel oder eine Funkverbindung von der Steuereinheit im Modul mit der Sensorik gesteuert. Diese Beleuchtung kann die Atemempfehlung sowohl durch Variation der Helligkeit als auch der Lichtfarbe visualisieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch den Einsatz von indirekter Beleuchtung für das Biofeedback aus, sodass auch ohne direkten Blickkontakt zur Leuchtquelle die Atemempfehlung wahrgenommen werden kann. Durch diese Eigenschaft unterscheidet sich diese Leuchtquelle von herkömmlichen HRV-Biofeedback-Geräten mit Display- oder LED-Anzeigen, da durch die Atemvorgabe über indirekte Beleuchtung im Blickfeld des Benutzers keine ständige Fokussierung des Blicks auf eine Anzeige nötig ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Atemempfehlung durch zyklische Verformung der Kontaktfläche zum Benutzer. Dies wird ermöglicht durch einen pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Aktor, der eine definierte Kraft auf die elastische, zum Benutzer angrenzende Geräteoberfläche ausübt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Sensoren der Vorrichtung in einem wasserdichten Material eingefügt. Vorzugsweise wird hierfür ein mechanisch verformbares Material verwendet, um die Kopplung des menschlichen Körpers an ggf. verwendete mechanische Sensoren zu erleichtern. Um die Funktionalität der optischen Sensoren zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, ein lichtdurchlässiges Gießmaterial zu verwenden oder die optoelektronischen Bauelemente durch Lichtleiter mit dem Probanden zu verbinden. Für die wasserdichte Modifikation von elektromagnetischen Sensoren ist die Verwendung eines dielektrischen Materials nötig. Durch diese Modifikation können die Sensoren in jede beliebige Oberflächenform integriert werden, sodass sogar die Verwendung der Sensoren in gewölbten Oberflächen von Kopfstützen, sowie Liege- oder Sitzflächen ohne Verlust der Funktionalität ermöglicht wird. Die Einschließung der Sensoren in ein wasserdichtes Material ermöglicht eine Messung der Herz- und/oder Atemrate in Nassbereichen, sowie ganz oder teilweise unter Wasser. Zudem wird dadurch die Reinigung und Desinfektion der Vorrichtung vereinfacht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Sensoren an einem verformbaren Grundkörper befestigt, welcher von einem weiteren elastischen und wasserfesten Material ummantelt ist. Diese Form ist mit einem komprimierbaren Material gefüllt. Durch diese Anordnung kann trotz integrierter Sensoren, eine Polsterung von Kopfstützen sowie Liege- oder Sitzflächen realisiert werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Rückmeldung von Atemempfehlungen durch kontinuierliche Ermittlung der Herz- und/oder Atemrate sieht für die Visualisierung der Atemempfehlung für den Benutzer eine in Helligkeit und Farbspektrum änderbare Lichtquelle vor. Dadurch wird in Abhängigkeit von der zuvor ermittelten Sollatemrate die Helligkeit in entsprechender Periodendauer verändert. Beispielsweise können die Inspirationsphase durch ein schrittweises Erhöhen der Leuchtstärke und die Exspirationsphase durch iteratives Reduzieren der Leuchtstärke visualisiert werden.
  • Durch die integrierte Sensorik und der Steuereinheit wird die Abweichung zwischen dem Soll- und Istwert der Atemempfehlung ermittelt. Diese ermittelte Abweichung wird abhängig von der Abweichungsart einer Kategorie zugeordnet und durch Verschiebung des durch die RGB-Leuchtdioden erzeugten Lichtspektrums visualisiert. Ein erfindungsgemäßes Verfahren visualisiert somit beispielsweise eine zu langsame Atemrate durch Verschiebung des Lichtspektrums zu blauem Licht. Eine zu hohe Atemfrequenz kennzeichnet sich in einem solchen Verfahren durch die Verschiebung des Farbspektrums zu rotem Licht. Die Einhaltung der Atemvorgabe unter zuvor definierten Toleranzen könnte somit durch grünes Licht visualisiert werden.
  • Es ist besonders vorteilhaft, dass sich die Atemrate bei entspannten bzw. ruhenden Personen in einem festen Verhältnis zur Herzrate befindet (z. B. 1:4). Während die Atemrate bewusst wahrnehmbar und kontrollierbar ist, entzieht sich die Herzrate in der Regel sowohl der bewussten Kontrolle als auch der unmittelbaren Sinneswahrnehmung.
  • Neben der bekannten Atemempfehlung zur Synchronisierung der HRV mit der Atmung ist ein alternatives Verfahren zur Ermittlung einer Atemempfehlung Bestandteil der Erfindung. Dieses Verfahren zur Bestimmung des Sollwerts der Atemvorgabe, basierend auf der skalaren Abhängigkeit zu der Herzrate. Dieser Faktor ist von der Physiologie abhängig, sodass es vorteilhaft ist, wenn die Herzrate etwa dem vierfachen der empfohlenen Atemrate entspricht. Aus dem voreingestellten Verhältnis wird mit einem Digitalrechner kontinuierlich eine Atemempfehlung geschätzt, welche einer ruhenden bzw. entspannten Person entspricht.
  • Gemäß eines Verfahrens, kann mit dem Signal der optischen Sensoren der Entspannungszustand des Benutzers geschätzt werden. Das PPG-Signal enthält einen langsamen Rhythmus im Bereich von ca. 0.15 Hz, wenn sich der Benutzer im entspannten Zustand befindet. Für die Quantifizierung des Entspannungsgrads wird die Signalenergie im Bereich von 0.15 Hz des PPG mit einem Digitalrechner ermittelt. Hierfür kann beispielsweise eine Fast Fourier Transformation eingesetzt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Lösung sieht eine gemeinsame Leuchtquelle zur Visualisierung der Atemvorgabe und der Abweichung von dieser Vorgabe entsprechend der zuvor beschriebenen Verfahren vor. Ein erstes Signal (z. B. Atemempfehlung) wird dabei über die Helligkeitsänderung und ein zweites unabhängiges Signal (die Differenz zwischen Soll- und Istwert der Atemrate) über die Farbänderung der Lichtquelle visualisiert.
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen (1, 2, 3, 4 und 5) exemplarisch beschrieben, auf die im Übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.
  • Von den Zeichnungen zeigt:
  • 1 Technische Zeichnung einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Sensoren und externer Steuerung
  • 2 Technische Zeichnung einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mindestens einem Sensor und interner Steuerung
  • 3 Querschnittszeichnung einer beispielhaften Anordnung der möglichen Sensoren innerhalb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • 4 Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer Atemempfehlung
  • 5 Flussdiagramm zur Erläuterung einer möglichen Implementierung der Herzratenschätzung
  • Ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungs-gedankens wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme der Zeichnung (1) eine mögliche Anwendung der Vorrichtung exemplarisch beschrieben. Ein Benutzer (10) befindet sich (beispielhaft mit Kopf, Schulter und Nacken) in Kontakt mit einer Kopfstütze (11), welche sich in Kontakt mit einer Wand von einem Pool oder einer Badewanne (12) befindet. Die Kopfstütze (11) und der Benutzer (10) befinden sich dabei teilweise unterhalb der Wasseroberfläche (13). In der Kopfstütze sind mehrere Sensoren integriert, beispielsweise sind im Bereich des Hinterkopfes ein mechanischer Sensor (20), im Nackenbereich ein elektromagnetischer Sensor (21) und im Schulterbereich ein weiterer mechanischer Sensor (23) sowie ein weiterer optischer Sensor (22) angebracht, welche sich in Kontakt mit dem Benutzer (10) befinden. Die Sensoren sind an ein mehradriges elektrisches Kabel (30) angeschlossen, welches die einzelnen Sensoren mit der Vorverarbeitungs- und Energieversorgungseinheit (31) verbindet. Diese sorgt für die Energieversorgung der Sensoren, eine Verstärkung und Bandpassfilterung sowie Analog-Digital-Wandlung der Sensorsignale. Diese werden über digitale Signalleitungen oder per Funk (31) an eine Steuereinheit (33) übertragen. Diese ermittelt nach einer Auswertungsvorschrift die aktuelle Herzrate und Atemrate des Benutzers (10). Des Weiteren berechnet sie nach einer Vorschrift die Soll-Atemrate und vergleicht diese mit der ermittelten Ist-Atemrate. Über ein digitales Signal (34) werden Soll-Atemrate und Differenz zur Ist-Atemrate zu einer Ausgabeeinheit (35) übertragen. Diese zeigt dem Benutzer (10) die Soll-Atemrate und die Differenz zur Ist-Atemrate über die Änderung von Helligkeit und Farbe eines integrierten Leuchtmittels an.
  • Zeichnung 2 (2) ist eine weitere mögliche Ausführungsform, die exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine mögliche Sensoranordnung skizziert. Wie zuvor befindet sich der Benutzer (10) im Kontakt mit der Kopfstütze (13), welche auf einer Liegefläche (14) positioniert wird. Innerhalb der Kopfstütze sind ein oder optional mehrere Sensoren integriert. Einer dieser Sensoren (41) befindet sich somit innerhalb der Kopfstütze, im Bereich des Rückens und optional noch ein zusätzlicher Sensor im Nackenbereich (42). Diese sind über eine elektrische Verbindung (50) mit der Recheneinheit (51) verbunden, welche sich innerhalb oder außerhalb der Kopfstütze befinden kann. Im oberen Bereich der Kopfstütze befindet sich eine Leuchtquelle (53), welche von einer Steuereinheit (51) gesteuert wird und zur Erzeugung des Umgebungslichts verwendet wird. Zusätzlich kann durch eine Kommunikationsschnittstelle (54) Kontakt zu einer weiteren Leuchtquelle (55) hergestellt werden. Diese kann somit das Biofeedback durch ortsunabhängige Umgebungsbeleuchtung dem Benutzer visualisieren.
  • Ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungs-gedankens wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme der Zeichnung (3) exemplarisch beschrieben, wie die Verformbarkeit und die Unterbringung der Sensoren innerhalb der Vorrichtung umgesetzt werden können. Die Zeichnung illustriert den Querschnitt durch die Vorrichtung. Im Inneren der Vorrichtung befindet sich ein elastisches und verformbares Material (60). Die Elastizität des inneren Materials (60) wird hierbei so bestimmt, dass ein Optimum aus Funktionalität und Komfort für den Benutzer erreicht wird. Durch die Formgebung der Aufliegefläche wird die Beibehaltung einer Soll-Liegeposition unterstützt. Nahe am Benutzer (10) und dem inneren Material (60) werden die optischen Sensoren (71), Kraftsensoren (72) und/oder elektromagnetische Sensoren (73) angebracht. Optional lassen sich innerhalb des Mantelmaterials elektromagnetische Aktoren (74) für ein mechanisches Feedback integrieren. Zum Schutz vor Feuchtigkeit wird die Vorrichtung mit einem elastischen und wasserundurchlässigen Material (61) ummantelt. Zusätzlich ist es vorteilhaft das Mantelmaterial (61) entweder lichtdurchlässig zu wählen oder die Optoelektronik des optischen Sensors über Lichtleiter (62) mit der Außenseite zu verbinden, um die Funktionalität der optischen Sensoren zu gewährleisten.
  • Die vierte Skizze (4) dient ausschließlich dem besseren Verständnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung einer Atemempfehlung. Und beschränkt somit nicht die allgemeine Erfindungsidee. Es wird angenommen, dass zwei oder mehrere Sensoren für die Ermittlung der Herzrate eingesetzt werden, welche exemplarisch als Signal 1 (80a) und Signal 2 (80b) dargestellt sind. Im ersten Schritt wird aus jedem Sensorsignal (80a, 80b) jeweils eine Herzrate (82a, 82b), sowie in Abhängigkeit der Signalqualität ein „Trust”-Wert (83a, 83b) ermittelt (81a, 81b). Somit entstehen der Anzahl der Sensoren entsprechend viele Herzraten und „Trust”-Werte. Die ermittelten Herzraten werden in Abhängigkeit der zugeordneten „Trust”-Werte fusioniert (84), sodass eine globale Herzrate (85) geschätzt werden kann. Die einfachste Form der Fusionierung ist beispielsweise eine gewichtete Mittelung. Die Herzrate (85) wird dazu verwendet, dem Benutzer eine Atemempfehlung (88) bereitzustellen. Hierzu kann beispielsweise die respiratorische Sinusarrhythmie (HRV-Biofeedback) oder eine skalare Abhängigkeit zur Herzrate visualisiert werden. Beide Varianten können durch ein Funktionsfitting (86) in Verbindung mit einem vordefinierten Atemvorgabe-Template (87) ermöglicht werden.
  • Die fünfte Skizze (5) dient ausschließlich dem besseren Verständnis des zur Herzratendetektion (81a und 81b) aus den Sensordaten (80a und 80b). Und beschränkt somit nicht die allgemeine Erfindungsidee. Die Skizze erläutert die Herzratendetektion (81a) beispielhaft an der Auswertung des ersten Sensorsignals (80a). Für die Schätzung der Herzrate wird das Sensorsignal (80a) mit einem Bandpass (90) gefiltert. Danach wird das gefilterte Messsignal fortlaufend gefenstert (91). Die Fensterbreite muss so gewählt sein, dass sich mindestens zwei Herzschläge darin befinden. Von diesem Signalausschnitt wird die Autokorrelation (92) gebildet. Die Autokorrelation beschreibt die Korrelation eines Signals mit sich selbst zu einem früheren Zeitpunkt. Da das Muster des Herzschlags in dem Signalausschnitt periodisch auftritt, führen die verschobenen Herzschläge zu einem Nebenmaximum in der Autokorrelation. Das Nebenmaximum wird mittels einer Hochpunktdetektion (93) ermittelt. Dieses Nebenmaximum ist dabei um den durchschnittlichen Abstand zwischen den Herzschlägen von dem Hauptmaximum entfernt. Somit kann die Herzrate (82a) in Abhängigkeit des Abstands der beiden Maxima (nmax,2 – nmax,1) und der Abtastrate (fs) bestimmt werden:
    Figure DE102015014725A1_0002
    Abhängig von der Ausprägung des Nebenmaximums wird bei der Klassifizierung (94) ein „trust”-Wert (83a) extrahiert, der die Qualität und somit die Eindeutigkeit des betrachteten Signalabschnitts beschreibt. Hierzu werden die Anzahl der Nebenmaxima und die relative Höhe der Nebenmaxima zum Hauptmaximum verwendet.

Claims (8)

  1. Eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Ermittlung einer Herzrate und/oder Atemrate eines Benutzers mit Rückmeldung von Soll- und/oder Ist-Wert der Atemrate, dadurch gekennzeichnet, – dass die Herzrate und/oder der Ist-Wert der Atemrate vollautomatisch, kontinuierlich mit wenigstens einem Sensor ermittelbar ist, – dass der Sensor in einem verformbaren, ergonomisch angepassten Formkörper angeordnet ist, – dass eine Aufliegefläche des Formkörper so ausgebildet ist, dass eine Beibehaltung einer Soll-Liegeposition des Benutzers unterstützt werden kann – und dass ein Mittel zur Rückmeldung einer Atemempfehlung an den Benutzer durch Änderung einer Helligkeit und/oder einer Farbe einer Umgebungsbeleuchtung und/oder einer Verformung einer Aufliegefläche für den Benutzer vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Rückmeldung der Atemempfehlung in den Formkörper integriert ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Visualisierung der Atemempfehlung durch die Umgebungsbeleuchtung mittels einer oder mehrerer Lichtquellen mit jeweils variabler Helligkeit und Lichtfarbe erfolgen kann.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in einem verformbaren, wasserdichten Material eingebettet ist, welches eine wasserdichte Umhüllung der Sensoren aufweist, sodass diese auch in ergonomisch geformte, gewölbte Oberflächen von Kopfstützen, sowie Liege- oder Sitzflächen ohne Verlust der Funktionalität integriert werden können und zudem eine Messung in Nassbereichen, sowie ganz oder teilweise unter Wasser ermöglicht wird.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor an einem verformbaren Grundkörper angebracht sind, welcher von einem weiteren elastischen und wasserdichten Material ummantelt ist, welche zusammen den Formkörper bilden.
  6. Verfahren zur kontinuierlichen Ermittlung einer Herz- und/oder Atemrate mit Rückmeldung von Soll- und Istwert der Atemrate durch kontinuierlichen Ermittlung der Herz- und/oder Atemrate, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Atemrate durch eine skalare Abhängigkeit zum Ist-Wert der Herzrate kontinuierlich geschätzt und dem Benutzer zurückgemeldet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entspannungszustand des Benutzers aus der Signalenergie in einem niederfrequenten Bereich aus dem Signal eines optischen Sensors geschätzt und dem Benutzer zurückgemeldet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemempfehlung, die Abweichung zur Atemempfehlung und/oder der geschätzte Entspannungszustand dem Benutzer über zwei oder mehr kontinuierliche Signale gleichzeitig zurückgemeldet werden.
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