-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung eines physiologischen Parameters, umfassend einen an einem Lebewesen, insbesondere an einem Menschen, oder an der Körperhülle des Lebewesens befestigten Beacon, der einen Sensor zur Erfassung eines physiologischen Parameters und eine Sendeeinrichtung aufweist und eine Empfangsstation mit einer Empfangseinrichtung, wobei die Sende- und Empfangseinrichtung dazu ausgebildet sind, Daten auszutauschen.
-
Der Stand der Technik wird durch folgende Veröffentlichungen gebildet:
- R. M. Rangayyan, Biomedical signal analysis: a case-study approach, 1st ed. New York, NY: IEEE Press, 2002.
- V. Von Tscharner and W. Herzog, „EMG," in Biomechanics of the musculo-skeletal system, B. M. Nigg and W. Herzog Eds., 3rd ed. New Jersey, NJ: John Wiley & Sons, 2007, ch. 3.8, pp. 349-375.
- HJ Hermens, B Freriks, R Merletti, D Stegeman, J Blok, G Rau, C Disselhorst-Klug, G Hägg European Recommendations for Surface ElectroMyoGraphy, results of the SENIAM project, a publication of the SENIAM project, published by Roessingh Research and Development b.v. ISBN 90- 75452-15-2, 1999, available at http://www.seniam.org/pdf/contents8. PDF.
- HJ Hermens, B Freriks, C Disselhorst-Klug, G Rau, Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. J Electromyogr Kinesiol. 2000 Oct;10(5):361-74. doi: 10.1016/s1050-6411(00)00027-4. PMID: 11018445.
- DE 10 2019 110 512 A1 „Ortungsverfahren zur Lokalisierung wenigstens eines Objektes unter Verwendung wellenbasierter Signale sowie Ortungssystem“.
- S. S. Ahmed, „Microwave Imaging in Security - Two Decades of Innovation," in IEEE Journal of Microwaves, vol. 1, no. 1, pp. 191-201, Jan. 2021.
-
Aus dem Stand der Technik sind zur Messung physiologischer Daten zahlreiche invasive und nicht invasive Sensoren, welche jeweils einzelne physiologische Parameter, wie das Elektromyogramm erfassen können, bekannt. Insbesondere bekannt sind nicht invasive Sensoren, welche auf der Hautoberfläche eines Körpers, insbesondere eines Menschen angebracht werden können und die gemessenen Daten über eine Funkschnittstelle an einen Empfänger senden können, um Daten in Echtzeit und ohne einschränkende Kabelverbindungen übertragen zu können.
-
Um Bewegungen des Körpers, beziehungsweise einzelner Körperteile zu erfassen, werden häufig optische Ortungssysteme eingesetzt, welche auf optischen Markern basieren, die über der Kleidung getragen werden müssen, um eine Sichtverbindung zu mehreren Infrarotkameras zu gewährleisten. Alternativ kann Inertialsensorik verwendet werden, welche die Orientierung einzelner Körperteile in einem Skelettmodell auswertet. Inhärenter Nachteil dieses Messprinzips ist die begrenzte Genauigkeit und die fehlende absolute Positionsmessung im Raum.
-
Physiologische Untersuchungen, beispielsweise zu diagnostischen Zwecken oder der Überwachung eines Genesungsfortschrittes, aber auch zur Trainingsoptimierung und Rehabilitation erfordern sowohl die Erfassung der Bewegungen ganzer Körperteile oder der Bewegungen einzelner Muskeln oder Muskelpartien, als auch die Messung weiterer physiologischer Parameter, wie insbesondere dem EMG. Aktuell werden diese Informationen jedoch durch separate Sensorik unabhängig voneinander erhoben, was eine nachträgliche Zusammenführung der Daten erfordert.
-
Ein konkretes Beispiel für die Notwendigkeit einer Ortung von physiologischen Sensoren stellt das Elektromyogramm (EMG) dar. Dieses macht Muskelaktivitäten elektrisch messbar, und wird in einer Vielzahl von Anwendungen, wie in der Biomechanik, den Sportwissenschaften und der Medizintechnik eingesetzt. Die Messung erfolgt durch Elektroden, die zwar prinzipiell invasiv direkt im Muskel platziert werden können, in der Praxis jedoch in der Vielzahl der Fälle an der Hautoberfläche über dem zu messenden Muskel platziert werden. Dies ist aus Rangayyan, 2002 bekannt.
-
Dabei ist die Platzierung der Elektroden an der Hautoberfläche entscheidend für eine sinnvolle Messung, wie aus Tscharner & Herzog, 2007 bekannt. Dies liegt darin begründet, dass die Skelettmuskeln sogenannte Innervationszentren bzw. neuromuskuläre Verbindung besitzen, in denen das für die jeweilige motorische Einheit des Muskels zuständige, im Rückenmark sitzende Motorneuron über ein Axon, also eine Nervenfaser die Aktivierung ansteuert und damit sämtliche einzelne Muskelfasern der motorischen Einheit aktiviert. Ein großer Skelettmuskel besteht aus mehreren dieser motorischen Einheiten mit jeweils vielen einzelnen Muskelfasern. Beispielsweise weist der Nackenmuskel etwa 1000 motorische Einheiten und insgesamt etwa 27000 Muskelfasern auf. Wird eine einzelne motorische Einheit am Innervationszentrum aktiviert, setzt sich die Aktivierung entlang der Länge des Muskels und ggf. in beide Richtungen vom Innervationszentrum weg fort, ähnlich eines Dominoeffekts, bei dem die vorherige Muskelzelle die folgende Muskelzelle in der Muskelfaser aktiviert. Die Summe dieser Einzelaktivierungen, auch Aktionspotentiale genannt, erzeugt das EMG. Wird es wie oben beschrieben an der Körperoberfläche gemessen, wird also das Summensignal der Einzelaktivierungen abhängig von der Platzierung der Elektrode relativ zu den Innervationszentren erfasst. Aus diesem Grund würde eine andere Platzierung der Messelektrode zu einem veränderten Messresultat führen. Es existieren dementsprechend Vorschriften für die Platzierung der Elektroden für Messungen, beispielsweise durch das Europäische SENIAM (Surface EMG for Non-Invasive Assessment of Muscles)-Projekt. Siehe dazu Hermens et al., 1999 und Hermens et al., 2000. Dies ist für den statischen Fall, d.h. das zu messende Körperteil bewegt sich nicht, ausreichend. Auch bei kleineren Bewegungen, wie etwa beim Arm anspannen ist die Relativbewegung der Elektroden auf der Hautoberfläche, welche sich als weiches Gewebe natürlich über dem Muskel bewegt, zu vernachlässigen. Bei dynamischen Messszenarien, in denen Menschen beispielsweise in Gangstudien gemessen werden, ist diese Relativbewegung nicht mehr zu vernachlässigen, wie aus Mercer et al., 2006 bekannt.
-
In einer großen Zahl von entsprechenden Studien wäre daher ein jederzeit in seiner Bewegung und Lage zu ortender bzw. lokalisierbarer EMG-Sensor von großem Vorteil. Zusätzlich dazu sind in vielen dynamischen Messszenarien die Bewegungen der Gliedmaßen, an denen der EMG-Sensor angebracht ist, von großem Interesse, was ein lokalisierbarer Sensor als Zusatzinformation direkt bereitstellt.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ermittlung eines physiologischen Parameters mit einem derartigen System zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das System ferner eine, vorzugsweise funk- und/oder wellenbasierte, Sensorik umfasst, wobei das System ferner Mittel aufweist, die dazu ausgebildet sind, die Sensorik derart anzusteuern, dass die Sensorik durch einen mit der Erfassung des physiologischen Parameters zeitlich koordinierten Messvorgang eine Position und/oder Bewegung des Beacon erfassen kann.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das System Mittel aufweist, die dazu ausgebildet sind die Sensorik derart anzusteuern, dass die Sensorik eine Position und/oder Bewegung des Beacon erfassen kann und/oder dass das System Mittel aufweist, die dazu ausgebildet sind die Sensorik derart anzusteuern, dass die Sensorik Bewegungen des Lebewesens oder eines Teils des Lebewesens ermitteln kann.
-
Denkbar ist, dass der Beacon eine Inertialsensorik aufweist, die dazu ausgebildet ist die Orientierung des Beacon im Raum zu bestimmen.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das System Mittel aufweist, die derart ausgebildet sind, dass mit der Sensorik die Position des Beacon bezogen auf das Lebewesen oder die Körperhülle bestimmt werden und der durch das Beacon erfasste physiologische Parameter der Position bezogen auf das Lebewesen oder die Körperhülle zugeordnet werden kann.
-
In vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass das System Mittel aufweist, die dazu ausgebildet sind mittels der Position des Beacon eine Messung der Muskelaktivität bei einer EMG-Messung dadurch zu verbessern, dass Störungen der Muskelaktivitätsmessung, die durch Verschiebungen des auf der Hautoberfläche angebrachten Sensors relativ zu den Muskeln hervorgerufen werden, reduziert werden.
-
Denkbar ist, dass das System ferner eine bildgebende Messanordnung, die Mittel aufweist, die dazu ausgebildet sind, ein Abbild des Lebewesens oder der Körperhülle zu erzeugen, Funksignale des Beacons zu empfangen und die Position des Beacons örtlich korrekt in dem Abbild des Lebewesens oder der Körperhülle anzuzeigen, umfasst.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das System Bestandteil eines Sport-, Trainings- , oder Fitness-Mess- oder Fitness-Informations-System ist oder zu einem diagnostischen oder therapeutischen Zweck in der Medizin, der Psychologie oder im Gesundheitsbereich genutzt wird.
-
Denkbar ist, dass das System genau einen oder mehr als einen Beacon umfasst.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren mit einem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen des Beacon;
- b) Erfassen des physiologischen Parameters durch den Beacon;
- c) Erfassen der Position und/oder Bewegung des Beacon, wobei
die Schritte b) und c) zeitlich koordiniert werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner den Schritt oder die Schritte umfasst:
- d) Erfassen einer Position und/oder Bewegung des Beacon; und/oder
- e) Ermitteln der Bewegung des Lebewesens oder eines Teils des Lebewesens.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verfahren ferner den Schritt umfasst:
- f) Bestimmung der Orientierung des Beacon im Raum.
-
Denkbar ist, dass das Verfahren ferner die Schritte umfasst:
- g) Bestimmen der Position des Beacon bezogen auf das Lebewesen oder die Körperhülle;
- h) Zuordnen des erfassten physiologischen Parameters zu der Position des Beacon bezogen auf das Lebewesen oder die Körperhülle.
-
Denkbar ist ferner, dass das Verfahren ferner den Schritt umfasst:
- i) Verbessern einer Messung der Muskelaktivität bei einer EMG-Messung dadurch, dass Störungen der Muskelaktivitätsmessung, die durch Verschiebungen des auf der Hautoberfläche angebrachten Sensors relativ zu den Muskeln hervorgerufen werden, reduziert werden.
-
Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner die Schritte umfasst:
- j) Erzeugen eines Abbilds des Lebewesens oder der Körperhülle;
- k) Empfangen von Funksignalen des Beacon;
- l) Anzeigen der Position des Beacons örtlich korrekt in dem Abbild des Lebewesens oder der Körperhülle.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verfahren in einem Sport-, Trainings-, oder Fitness-Mess- oder Fitness-Informations-System oder zu einem diagnostischen oder therapeutischen Zweck in der Medizin, der Psychologie oder im Gesundheitsbereich genutzt wird.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das erfindungsgemäße System die Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt.
-
Die Erfindung betrifft auch ein computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
-
Denkbar ist eine Anordnung für einen am menschlichen Körper tragbaren physiologischen Sensor, der vorzugsweise per Funk seine Messdaten an eine Empfangsstation überträgt, wobei eine zusätzliche Funkortungssensorik oder wellenbasierte Sensorik vorgesehen ist, mit der in einem zu der physiologischen Messungen zeitlich koordinierten weiteren Messvorgang die Position und Bewegung des physiologischen Sensors, insbesondere die Position des physiologischen Sensors, auf der Körperhülle eines sich bewegenden Menschen, bestimmt wird.
-
Unter dem Begriff Körperhülle sei vorzugsweise, die Grenzfläche verstanden, die bei einem Körper eines Lebewesens, die Grenze zwischen innen und außen schafft. Bei dem Außen handelt es sich in der Regel um Luft bzw. um die das Lebewesen umgebende Atmosphäre, und bei dem Innen um den Körper bzw. um die materiellen Strukturen des Körpers. Bei vielen Tieren und beim Menschen kann die Körperhülle durch die Hautoberfläche definiert werden.
-
Ein Beacon bezeichnet vorzugsweise eine Einheit aus Sensor, Prozessierungseinheit und Abstrahlvorrichtung mit integrierter Energiequelle. Die Energiequelle kann zum Beispiel ein Akku oder Kondensator sein oder durch Gewinnung von Energie aus der Umwelt, beispielsweise durch Energy Harvesting gebildet oder versorgt werden. Aufgabe des Beacons ist vorzugsweise die lokale Erfassung physiologischer Parameter und einer entsprechenden Verarbeitung der Daten, sodass diese über eine Abstrahlvorrichtung an Basisstationen weitergegeben werden können.
-
Als Funktechnik wird vorzugsweise ein System verstanden, welches Signale unter Verwendung von Abstrahl- und Empfangsvorrichtungen, insbesondere Antennen, aussenden und empfangen kann. Die Abstrahlung des Signals kann optisch, akustisch oder insbesondere elektromagnetisch erfolgen. Der Zweck der Signalübertragung kann in der Übermittlung von Informationen in Form von Daten, die von Sender zu Empfänger übertragen werden sollen und/oder der Erhebung von Ortungsinformationen liegen.
-
Unter Ortung kann die Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objekts, beispielsweise eines Beacons, im Raum, insbesondere dem dreidimensionalen Raum, verstanden werden.
-
Eine Basisstation ist vorzugsweise eine typischerweise ortsfeste Einheit, deren primäre Aufgabe der Empfang von durch Beacons ausgesendete Signale darstellt. Weiterhin können auch Signale zur Steuerung von Beacons ausgesendet werden. Die Basisstation enthält mindestens eine Empfangsvorrichtung und typischerweise eine Prozessierungseinheit zur Verarbeitung der Daten. Es kann von Vorteil sein, mehrere Basisstationen miteinander zu verbinden, insbesondere, wenn diese für Ortungszwecke eingesetzt werden.
-
Physiologische Parameter stellen vorzugsweise objektiv messbare Größen dar, die Informationen über den Zustand des Körpers von Lebewesen wie Menschen oder Tieren enthalten. Zu den physiologischen Parametern zählen unter anderem elektrophysiologische Größen wie das Elektrokardiogramm (EKG), das Elektroenzephalogramm (EEG) und das Elektroneurogramm (ENG) oder die Elektromyografie (EMG) aber auch Hautleitwert, Temperatur, Sauerstoffsättigung des Blutes und die Beschleunigung am Ort der Messung. Die Elektromyografie (EMG) stellt eine elektrophysiologische Methode dar, bei der die elektrische Muskelaktivität anhand von Aktionsströmen der Muskeln gemessen wird.
-
Unter dem Begriff physiologischer Sensor sei vorzugsweise jegliche Sensorik verstanden, die dazu geeignet ist, physiologische Parameter zu erfassen.
-
Denkbar ist eine Anordnung zur Erfassung physiologischer Parameter, umfassend zumindest einen am menschlichen Körper getragenen Beacon, der sensorische Funktionalitäten umfasst, und dieser Beacon insbesondere physiologische Daten erfasst und der Beacon diese Daten an eine oder mehrere Empfangsstationen überträgt, wobei eine Funk- und/oder eine wellenbasierte Sensorik vorgesehen ist, mit der in einem zu der physiologischen Messung zeitlich koordinierten zusätzlichen Messvorgang die Position und die Bewegung des physiologischen Sensors bestimmt wird.
-
Denkbar ist ferner, dass die Funk- und/oder die wellenbasierte Sensorik so ausgestaltet ist, dass mit Hilfe eines auf der Körperoberfläche befestigten Beacons, der als physiologischen Sensor ausgestaltet ist, Bewegungen des Körpers erfasst werden.
-
Denkbar ist ebenso, dass der ein Beacon eine Inertialsensorik umfasst, mit der die Orientierung des Beacons bestimmt wird.
-
Auch ist denkbar, dass die Funk- und/oder die wellenbasierte Sensorik so ausgestaltet ist, dass mit ihr die Position des physiologischen Sensors auf der Körperhülle des Menschen bestimmt wird und diese Messdaten dazu genutzt werden, die physiologischen Messungen jedes Beacons bestimmten Körperpositionen bzw. bestimmten biochemischen oder biophysikalischen Funktionen bestimmter Körperregionen exakt zuordnen zu können.
-
Ebenso können die Positionsmessdaten dazu genutzt werden, die Messung der Muskelaktivität bei einer EMG-Messung dadurch zu verbessern, dass Störungen der Muskelaktivitätsmessung, die durch Verschiebungen des auf der Hautoberfläche montierten physiologischen Sensors relativ zu den Muskeln hervorgerufen werden, reduziert werden.
-
Vorzugsweise ist eine bildgebende Messanordnung vorgesehen, die dazu geeignet ist, sowohl ein Abbild der Körperhülle zu erzeugen als auch die Funksignale der Beacons zu empfangen und die Positionen der Beacons örtlich korrekt in dem Abbild der Körperhülle anzuzeigen.
-
Denkbar ist, dass das System, das Verfahren oder die Anordnung zu einem diagnostischen oder therapeutischen Zweck in der Medizin, der Psychologie oder im Gesundheitsbereich genutzt wird.
-
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente. Weiterhin können alle hierin beschriebenen Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombiniert oder voneinander isoliert beansprucht werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren, in welchen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigen:
- 1: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
- 2: ein Blockschaltbild von Elementen des erfindungsgemäßen Systems.
- 3: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
- 4: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
-
In 1 wird der Aufbau des erfindungsgemäßen Systems gezeigt.
-
Das System weist ein oder mehrere Beacons 200 zur Erfassung physiologischer Signale, die an einer Körperhülle eines Menschen 10 angebracht sind. Typischerweise werden zwölf über den gesamten Körper verteilte Beacons 200 verwendet. Zur Erhöhung des Detailgrades können auch deutlich mehr Beacons 200 angebracht werden. Bei einer Beschränkung des Messbereiches auf bestimmte Regionen des Körpers kann die Anzahl der Beacons 200 auch deutlich reduziert werden.
-
Die Beacons 200 verarbeiten die Daten in einer Art und Weise, damit diese über Funktechnik abgestrahlt werden können. Eine oder mehrere Basisstationen 100 empfangen die Signale und verarbeiten diese, sodass sowohl die physiologischen Signale extrahiert werden, als auch auf die Position und oder Lage der Beacons 200 zurückgeschlossen werden kann. Vorteilhaft ist, dass dadurch erstmalig die gleichzeitige Ortung und Übertragung der Sensordaten über einen gemeinsamen Funkübertragungskanal ermöglicht.
-
Ein Beacon 200 wird, beispielsweise durch eine haftende Schicht oder ein elastisches Band auf der Körperhülle angebracht und erfasst physiologische Parameter, wie beispielsweise EMG oder Beschleunigungsdaten. Die Erfassung kann zum Beispiel bei elektrophysiologischen Parametern durch Elektroden erfolgen, die auf der Körperhülle angebracht werden. Weitere Parameter wie beispielsweise Beschleunigung und Orientierung können durch im Beacon 200 enthaltene Sensoren erfasst werden.
-
In 2 sind einzelne Elemente des Beacons als Blockschaltbild dargestellt. Der Sensor S erfasst die Messgröße M an der Körperhülle, wobei der Sensor S einen Umwandler U umfasst, durch den die Messgröße M in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das resultierende elektrische Signal wird in einer Prozessierungseinheit P derart verarbeitet, dass dieses über eine nachfolgende Abstrahlungsvorrichtung A abgestrahlt werden kann. Der Sensor S, die Prozessierungseinheit P und die Abstrahlungsvorrichtung A werden über die Energieversorgung E mit Energie versorgt.
-
Als vorteilhaft erweist sich der Einsatz elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich von 3 MHz bis 3 THz. Darunter fallen beispielsweise die Frequenzbänder moderner Kommunikationssysteme wie dem WLAN oder des 5G bzw. 6G Mobilfunkstandards. Insbesondere geeignet ist beispielweise auch das international standardisierte IMS-Frequenzband von 61 bis 61,5 GHz. Dieses Frequenzband stellt eine ausreichende Bandbreite zur Verfügung, welche den Einsatz einer Vielzahl von Beacons 200 ermöglicht, indem diese beispielsweise durch individuelle Sendefrequenzen durch die Basisstation 100 unterschieden werden können. Der Einsatz von elektromagnetischen Wellen im genannten Frequenzband erweist sich als günstig, insbesondere, wenn phasenbasierte Ortungsmethoden wie in der
DE 10 2019 110 512 eingesetzt werden. Der Offenbarungsgehalt der
DE 10 2019 110 512 A1 wird hiermit vollständig in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. Zudem können elektromagnetische Wellen im genannten Frequenzbereich eine Vielzahl von Materialien, wie beispielsweise Kleidung, mit geringen Verlusten durchdringen.
-
Wird das Verfahren aus der
DE 10 2019 110 512 A1 verwendet ist es vorteilhaft, dass jeder Beacon 200 seine Messignale in einem separaten Frequenzband, d.h. mit einer individuellen Sendefrequenz, aussendet. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, dass alle Beacons 200 ungestört voneinander gleichzeitig senden. Dies ist für die Ortung und Verfolgung hochdynamischer Bewegungen von großem Vorteil, da durch das gleichzeitige Senden aller Beacons 200 auch die Positionen und vektoriellen Geschwindigkeiten aller Beacons 200 gleichzeitig in einer Basisstation erfasst werden können, und hierdurch auf komplexe und fehleranfällige Zeit- und Bewegungs-Korrekturrechnungsverfahren zum Ausgleich unterschiedlicher Messzeitpunkte verzichtet werden kann. Das vorgeschlagene bevorzugte Konzept ermöglicht also einerseits eine optimale Genauigkeit der erfassten Körperteil-Positionen, -Bewegungen und der gesamten Körperposen und Körperbewegungen bei andererseits vergleichsweise geringem Rechenaufwand.
-
Die Funk-Übertragung der physiologischen Parameter kann beispielsweise durch eine Modulation des Sendesignals erfolgen, beispielsweise durch eine Amplitudenmodulation, da diese die Ortungsfähigkeit nicht beeinträchtigt. Abstrahlungsvorrichtung A und Prozessierungseinheit P können auch dazu genutzt werden, Signale, die zum Beacon 200 gesendet werden, zu empfangen. Dies können beispielsweise Steuersignale zur Konfiguration des Beacons 200 sein. Die Versorgung des Beacons 200 mit elektrischer Energie kann beispielsweise durch einen im Beacon 200 integrierten Energiespeicher E, zum Beispiel einem Akku oder durch Gewinnung von Energie aus der Umwelt, beispielsweise durch Energy Harvesting, erfolgen.
-
Zum Empfang der durch das Beacon 200 ausgesendeten Signale werden eine oder mehrere Basisstationen 100 eingesetzt. Vorteilhaft für eine dreidimensionale Ortung im Raum sind mehrere Basisstationen 100. Insbesondere dann, wenn sich die Orientierung der Beacons 200 durch Bewegungen der Körperhülle ändert und eine direkte Verbindung zu allen Basisstationen 200 nicht jederzeit garantiert ist.
-
Eine Basisstation 100 umfasst eine oder mehrere Empfangsvorrichtungen EV, die an eine gemeinsame Prozessierungseinheit P angeschlossen sind, wie dies aus 3 hervorgeht. Vorteilhaft ist die Verwendung mehrerer räumlich verteilter Empfangsvorrichtungen EV, um Rückschlüsse auf die Position des Beacons 200 zu erhalten, insbesondere durch die Verwendung von phasenbasierten Ortungsmethoden. Die Prozessierungseinheit P, die entweder in die Basisstation 100 integriert ist, oder bei der Verwendung mehrere vernetzter Basisstationen 100 auch zentral realisiert sein kann, trennt die empfangenen Signale in die Positionsinformation des Beacons 200 und die übertragenen physiologischen Parameter auf, wie dies aus den beiden aus den Prozessierungseinheiten P hinausführenden Pfeile in 3 illustriert wird und gibt diese beispielsweise an eine Speicher- oder Anzeigeeinheit weiter. Insbesondere für die Ortung, aber auch zur Sicherstellung einer lückenlosen Datenübertragung, kann es sinnvoll sein, mehrere Basisstationen 100 an verteilten Orten aufzubauen und deren individuell empfangene Daten zusammenzuführen und in einer zentralen Prozessierungseinheit ZP gemeinsam zu verarbeiten.
-
Die strichliert umrandeten Blöcke im Blockschaltbild in 3 sind vorzugsweise optionale Elemente einer Basisstation 100 und die durchgehend umrandeten Blöcke sind vorzugsweise notwendige Elemente einer Basisstation 100.
-
Zur Ortung der Position des Beacons 200 können prinzipiell alle bekannten Ortungsverfahren verwendete werden, beispielsweise die Auswertung der Empfangsleistung oder die Signallaufzeit. Besonders vorteilhaft ist jedoch der Einsatz von phasenbasierten Methoden, die den Phasenwinkel des Empfangssignals auswerten und damit unabhängig von eingesetzten Signalmodulationen verwendet werden können.
-
Eine robuste Methode stellt insbesondere die Auswertung der Differenz der Empfangsphase zwischen verschiedenen Empfangsvorrichtungen dar. Ein besonders vorteilhaftes Auswerteverfahren stellt das in der Patentschrift
DE 10 2019 110 512 A1 bzw. in der
US 2021/0389411 A1 vorgestellte Verfahren mit Kalman-Filter dar, da dieses im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren nicht den Winkel des Empfangssignals als Zwischenschritt auswertet. Auf die zuvor genannte Patentschrift und alle darin enthalten Ausführungsformen und Verfahren wird in dieser Schrift vollumfänglich Bezug genommen.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zuvor beschriebene Anordnung mit einem bildgebenden Sensorsystem auf Basis von Kamera, Tiefenkamera, Laserscanner oder Ultraschall, insbesondere jedoch mit einem bildgebenden Radarsystem kombiniert wird. Als bildgebendes Radarsystem kommen Radare wie sie etwa bei Sicherheits-Personenenscannern, wie z.B. aus Ahmed 2021 bekannt, verwendet werden. Insbesondere kommen auch multimodale Sensoranordnungen in Betracht. Der Vorteil dieser Kombination ergibt daraus, dass die absolute Position der Beacons 200 auf der Körperhülle von großer Bedeutung ist, um die physiologischen Signale exakten Positionen auf dem Körpersm also z.B. die EMG-Daten spezifischen Muskeln, zuordnen zu können. Das verwendete bildgebende Sensorsystem sollte daher in der Lage sein, sowohl die Körperhülle als auch die Beacons 200 auf der Körperhülle abzubilden. Besonders vorteilhaft geeignet sind hierfür Radarsysteme, da die Beacons 200 mit einer Radarsensorik auch dann lokalisiert und abgebildet werden können, wenn sie von Kleidung verdeckt werden.
-
Eine weitergehende außerordentlich vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dann, wenn die Antennen und/oder die elektronischen Signal-Empfangsvorrichtungen des bildgebenden Radarsystems auch zum Empfang der Beacon-Signale verwendet werden. In diesem Fall sollten das bildgebende Radarsystem und die Beacons 200 vorzugsweise in einem gemeinsamen Frequenzband arbeiten. Der Vorteil, der sich aus dieser Ausführungsvariante ergibt besteht darin, dass das Bild der Körperhülle und die Position der Beacons 200 in einem identischen Bezugskoordinatensystem erfasst werden. Als weitere Vorteil kann ausgeführt werden, dass die gemeinsame Nutzung der Hardware für unterschiedliche Aufgaben zu einer Kostenreduktion des Gesamtsystems führt.
-
In 4 ist ein beispielhaftes System bzw. eine Anordnung mit einer multimodalen Sensoranordnung zur Erfassung der Beacons 200 zu sehen. Dargestellt sind ein bildgebendes MIMO-FSK-Radar als der primären Modalität 20 mit einer Tiefenkamera als der assistierenden Modalität 30, die übereinander versetzt orientiert sind, dargestellt. Das MIMO-FSK-Radar bzw. die primäre Modalität 20 weist dabei vorzugsweise Empfangsantennen 21 und Sendeantennen 22 auf. Zur Erfassung eines Beacon 200 können die primäre Modalität 20 und/oder die assistierende Modalität 30 genutzt werden.
-
Das Objekt 10 in 4 ist beispielsweise ein sich bewegender Mensch bzw. ein Körperteil und mit Beacons 200 versehen. Einzelne Punkte des Menschen bzw. des Körperteils bewegen sich in 4 mit jeweils einem Geschwindigkeitsvektor V mit dem Bezugszeichen 11, der sich in die kartesischen Bestandteile V1 und V2 zerlegen lässt.
-
Die Tiefenkamera bzw. die assistierende Modalität 30 ist durch eine Verbindung 35, über die von der Tiefenkamera bzw. der assistierenden Modalität 30 erfassten Entfernungsmerkmale des Objekts 10 übermittelt werden, mit einem Computer 40 verbunden.
-
Das MIMO-FSK-Radar bzw. die primäre Modalität 20 ist durch eine Verbindung 25, über die von dem MIMO-FSK-Radar bzw. der primären Modalität 20 erfassten Geschwindigkeits- und Entfernungsmerkmale des Objekts 10 und die Beacon-Signale übermittelt werden, mit dem Computer 40 verbunden.
-
Der Computer 40 kann mit einem Monitor 41 verbunden sein, auf dem die Ergebnisse der auf dem Computer 40 ausgeführten Algorithmen zur Abbildungs- und Bewegungsbestimmung des Objekts 10 und zur Bestimmung der Position der Beacons 200 auf der Körperhülle und der Bewegung der Beacons 200 angezeigt werden können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102019110512 A1 [0002, 0050, 0051, 0057]
- DE 102019110512 [0050]
- US 2021/0389411 A1 [0057]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- V. Von Tscharner and W. Herzog, „EMG,“ in Biomechanics of the musculo-skeletal system, B. M. Nigg and W. Herzog Eds., 3rd ed. New Jersey, NJ: John Wiley & Sons, 2007, ch. 3.8, pp. 349-375 [0002]
- HJ Hermens, B Freriks, C Disselhorst-Klug, G Rau, Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. J Electromyogr Kinesiol. 2000 Oct;10(5):361-74 [0002]
- S. S. Ahmed, „Microwave Imaging in Security - Two Decades of Innovation,“ in IEEE Journal of Microwaves, vol. 1, no. 1, pp. 191-201 [0002]
