Zustandserfassungseinrichtung zur Befestigung an einem Lebewesen
Die Erfindung betrifft eine Zustandserfassungseinrichtung zur Befestigung an einem Lebewesen, insbesondere an einem Menschen, um den Lagezustand des Körpers des Lebewesens zu erfassen, nach Oberbegriff des Anspruchs 1 . Ferner wird ein entsprechendes Verfahren vorgeschlagen.
Stand der Technik
Der Bewegungserfassung von Lebewesen, insbesondere von Menschen, kommt seit Jahren im Rahmen von Sport, Wellness, Fitness und auch insbesondere in der Medizin, beispielsweise bei Diagnose, Therapie und Rehabilitation, zuneh- mende Bedeutung zu. Es sind hierbei beispielsweise Systeme bekannt, die im
Bereich Sport und Fitness Bewegungszeiten und Schrittzahlen beziehungsweise Schrittfolgen messen, wie etwa in der WO 1998058236 vorgeschlagen. Insbesondere im medizinischen Bereich interessieren weiterhin Gangparameter wie etwa Trittzeiten, Gangsymmetrie linksseitig/rechtsseitig und Auftrittkraft, wobei heute Bewegungsmonitore mit Software erhältlich sind, die die Ermittlung solcher
Parameter ermöglichen. Hierzu werden mittels am Körper befestigter Beschleunigungssensoren die Beschleunigungswerte des Körpers in Längs-, Quer- und/oder Hochrichtung erfasst. Die Auswertung solcher Signale erfolgt typischerweise mit Schrittzähleralgorithmen. Insbesondere für spezifische medizini- sehe Untersuchungen, insbesondere in der Gerontologie oder beim Therapiemanagement chronischer Erkrankungen ist darüber hinaus eine differenzierte Klassifizierung von erfassten Bewegungen nach „gehen", „sitzen", „stehen" und „liegen" wünschenswert, wobei eine solche Klassifizierung in einer Alltagsumgebung ohne großen apparativen Aufwand möglich sein soll, um den betroffenen Men- sehen nicht durch eine mitzuführende Apparatur und vielfache Verkabelung einzuschränken. Da der entsprechende Personenkreis derartige Geräte möglichst
ständig bei sich tragen soll, gleichzeitig aber oft in seiner Beweglichkeit und Motorik eingeschränkt ist, sind aus dem Stand der Technik bekannte Anordnungen ungeeignet. Die mit aus dem Stand der Technik bekannten Erfassungseinrichtungen ermittelten Daten ermöglichen weiter im Allgemeinen keine sichere Un- terscheidung zwischen den Zuständen „sitzen" und „stehen" beziehungsweise keine sichere Erkennung eines Übergangs vom Sitzen in das Stehen oder umgekehrt. Weiter ist aus der JP-2004096457 eine Überwachungseinrichtung für Klinikbetten bekannt, die mittels eines dreidimensionalen Sensors das Liegen eines Patienten in einem Klinikbett überwacht. Hieran ist nachteilig, dass die Anord- nung nur einen sehr begrenzten Einsatzbereich hat.
Offenbarung der Erfindung
In sehr vorteilhafter Weise werden die aus dem Stand der Technik bekannten Einschränkungen durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Zustandserfas- sungseinrichtung beseitigt, die eine sehr universelle Verwendung im Bereich des Sports, der Fitness/Wellness und der Medizin beziehungsweise Therapie und Rehabilitation ermöglicht. Hierzu wird eine Zustandserfassungseinrichtung zur Befestigung an einem Lebewesen, insbesondere an einem Menschen, vorge- schlagen, um den Lagezustand des Körpers des Lebewesens zu erfassen, mit einem ersten Sensor, der als Beschleunigungssensor und/oder Gyroskopsensor ausgebildet ist. Hierbei ist ein weiterer, zweiter Sensor vorgesehen, der als Hö- henmesssensor ausgebildet ist. Mit Hilfe des Höhenmesssensors ist es möglich, Änderungen des Lagezustands des Körpers, die von dem ersten Sensor erfasst wurden, zu verifizieren. Beispielsweise lässt sich der Übergang vom Sitzen zum
Stehen, der von einem ersten Sensor, wie beschrieben, erfasst wurde, mittels des Höhenmesssensors so verifizieren, dass beim Aufstehen eine Höhendifferenz in etwa der Oberschenkellänge erfasst wird. Zwar ist es prinzipiell möglich, solche Übergänge vom Sitzen in das Stehen oder umgekehrt auch aus reinen Beschleunigungswerten, wie sie vom ersten Sensor erfasst werden, zu ermitteln.
Es besteht allerdings hierbei eine erhöhte Unsicherheit, ob tatsächlich eine solche Lagezustandsänderung vorliegt. Zur reinen Verifikation einer solchen Lage- zustandsänderung kann beispielsweise ein einfacher und kostengünstiger, monolithischer Höhenmesser zur Verifikation der Lagezustandsänderung des Kör- pers herangezogen werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Höhenmesssensor ein Luftdruckerfassungssensor ist. Luftdruckerfassungssensoren sind im Stand der Technik als Höhenmesssensoren bekannt. Eine Höhe wird hierbei indirekt über eine Änderung des herrschenden Luftdrucks ermittelt. Bevorzugt werden hierbei mikromechanisch hergestellte, sehr genaue Höhenmesssenso- ren/Luftdruckerfassungssensoren verwendet, um auch geringe Luftdruckunterschiede, wie sie beispielsweise bei Höhenlageänderungen im Bereich einer O- berschenkellänge eines Menschen entsprechen, sicher erfassen zu können.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Kompensationseinrichtung des Luftdruckerfassungssensors zur Kompensation nicht lageänderungsbedingter Luftdruckschwankungen vorgesehen. Bei der indirekten Ermittlung der Höhe beziehungsweise von Höhenänderungen im Lagezustand über den Luftdruck können Fehlerquellen auftreten, die durch solche Luftdruckschwankungen verursacht werden, die nicht auf eine Lageänderung zurückzuführen sind, sondern auf andere Einflüsse in der Umgebung, beispielsweise auf das Öffnen von Fenstern oder Türen in klimatisierten Räumen, die regelmäßig eine Änderung des Umgebungsdrucks innerhalb einer kurzen Zeit zur Folge haben. Durch die Kompensationseinrichtung werden derartige Luftdruckschwankungen erfasst und in Hinblick auf die Erfassung einer Lagezustandsänderung kompensiert. Dadurch wird eine fehlerhafte Annahme einer Lagezustandsänderung vermieden.
Eine bevorzugte Ausführungsform weist eine Plausibilitätseinrichtung auf, die eine vom ersten Sensor sensorisierte Änderung des Lagezustands des Körpers des Lebewesens mit vom Höhenmesssensor kommenden Daten vergleicht.
Hierbei findet ein Abgleich statt zwischen Daten, die der erste Sensor, der, wie beschrieben, als Beschleunigungssensor und/oder Gyroskopsensor ausgebildet ist, liefert, mit solchen Daten, die der Höhenmesssensor liefert. Der Vergleich der Daten vom ersten und vom zweiten Sensor erlaubt zuverlässige Aussagen über die Lagezustandsänderung des Körpers. Es wird hierbei nämlich eine Lagezustandsänderung, wie sie vom ersten Sensor erfasst wird, mit einer Datenerfassung des zweiten Sensors verglichen, oder umgekehrt, so dass nur dann tatsächlich eine Lagezustandsänderung angenommen wird, wenn die Daten beider Sensoren einer solche ausweisen. Gleichzeitig kann so eine genaue Quantifizie- rung der Lagezustandsänderung erfolgen.
Bevorzugt ist die Zustandserfassungseinrichtung als Baueinheit ausgebildet. Dies bedeutet, dass in einer einzelnen Baueinheit die ersten und beiden Sensoren zusammengefasst sind, bevorzugt mit weiteren Einrichtungen wie etwa der Plausibilitätseinrichtung und der Kompensationseinrichtung, so dass nur diese eine Baueinheit die gesamten Funktionen der Zustandserfassungseinrichtung, insbesondere auch eine Speicherung und/oder Auswertung und/oder die Bereitstellung von Schnittstellen oder auch Signalisierungen (Warntöne, Warnanzeigen) übernimmt. Hierdurch ist, beispielsweise als oberhalb eines Hüftgelenks am Körper des Lebewesens befestigte Baueinheit, eine komfortable, im alltäglichen Gebrauch nicht behindernde und/oder einschränkende Bauform möglich. Insbesondere Verletzten, Kranken oder alternden Patienten ist es hierbei einfach möglich, die Zustandserfassungseinrichtung in vorteilhafter weise bequem mit sich zu tragen. Durch die sehr zuverlässige Erkennung von Lagezustandsänderun- gen, insbesondere Höhenänderungen, kann beispielsweise auch sehr vorteilhaft eine Warneinrichtung verwirklicht werden, die beispielsweise einen Sturz des Patienten, der die Zustandserfassungseinrichtung trägt, erkennt und beispielsweise über eine Notrufeinrichtung (Mobiltelefon, Funk) das Herbeirufen eines Notarztes oder Rettungsdienstes veranlasst. Eine solche Sturzerkennung kann beispielsweise sehr vorteilhaft dadurch erfolgen, dass die Lagezustandsänderung des Körpers (insbesondere als Höhenänderung) mit einer Zeitbasis verglichen wird, wie sie in sehr einfacher Weise durch digitale Zeitmesseinrichtungen in der Zustandserfassungseinrichtung integriert werden kann. Ein Sturz erfolgt nämlich, im Gegensatz zu einem bewussten, gewollten Aufstehen oder Setzen, mit einem anderen Bewegungs-/Zeitprofil, so dass über die für die Höhenänderung ermittel- te Zeitdauer eine sehr sichere Unterscheidung zwischen einem beabsichtigten
Setzen, Hinlegen oder Aufstehen und einem Sturz möglich ist. Besonders bevorzugt ist hierbei möglich, nach einer solchen Sturzerfassung auf eine Quittierung, beispielsweise durch Knopfdruck, des Patienten zu warten. Erfolgt eine solche Quittierung nicht innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne, so wird ein Notruf ver- anlasst, weil davon ausgegangen werden muss, dass der Patient nicht mehr in der Lage ist, sich selbst zu helfen. Quittiert der Patient jedoch nach Aufforderung der Zustandserfassungseinrichtung innerhalb der Zeitspanne, wird kein Notruf abgesetzt, da, aufgrund der Quittierung, davon ausgegangen wird, dass der Patient in der Lage ist, sich selbst zu behelfen. Auf diese Weise kann ein fehlalarm- sicheres Notfall-Alarmsystem in günstiger Weise bereitgestellt werden.
Weiter wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Erfassung eines Lagezustands eines Körpers eines Lebewesens, wobei mittels eines ersten, am Körper befestigten Sensors, eine Beschleunigung und/oder eine Winkellage des Körpers erfasst wird. Dabei ist vorgesehen, dass mittels eines weiteren Sensors eine Höhenlage des Körpers bestimmt wird. In vorteilhafter weise werden zusätzlich zu den La- gezustandsdaten, die der erste, am Körper befestigte Sensor in Hinblick auf eine Beschleunigung und/oder eine Winkellage eben dieses Körpers liefert, Daten eines weiteren Sensors hinsichtlich einer Höhenlage des Körpers bestimmt. Lage- zustandsänderungen des Körpers lassen sich demzufolge durch Abgleich und Vergleich der Daten des ersten Sensors mit denen des weiteren, zweiten Sensors ermitteln, plausibilisieren und verifizieren. Beschleunigungen, Winkeländerungen und Änderungen in der Höhenlage des Körpers können hierbei zu einem Bewegungsprofil und zu einer Bewegungsauswertung in sehr vorteilhafter weise herangezogen werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläu- tert, ohne aber hierauf beschränkt zu sein.
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zustandser- fassungseinrichtung und
Figur 2 eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise der Zustandserfassungsein- richtung.
Figur 1 zeigt eine Zustandserfassungseinrichtung 1 zur Befestigung an einem nicht dargestellten Lebewesen mittels Befestigungsmitteln 2, beispielsweise Riemenbändern 3. Die Zustandserfassungseinrichtung 1 ist als Baueinheit 4 ausgebildet, die in einem kompakten Gehäuse 5 einen ersten Sensor 6 aufweist, der vorliegend von einem Beschleunigungssensor 7, nämlich einem mehrachsigen Beschleunigungssensor 8, und einem Gyroskopsensor 9 gebildet ist, und einem weiteren Sensor 10, nämlich einem zweiten Sensor 1 1 , der ein Luftdruckerfas-
sungssensor 12 ist, der als Höhenmesssensor 13 durch indirekte Höhenmessung über einen Umgebungsluftdruck P wirkt. Der Beschleunigungssensor 7 als meh- rachsiger Beschleunigungssensor 8 erfasst hierbei auf ihn einwirkende Beschleunigungen in seinen (hier nicht dargestellten) Achsen, insbesondere näm- lieh in den drei Achsen des Raumes. Der Gyroskopsensor 9 erfasst Änderungen einer Winkellage, die durch Bewegung der Baueinheit 4 beziehungsweise des nicht dargestellten Lebewesens, das die Baueinheit 4 trägt, verursacht sind. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen möglich, die als ersten Sensor 6 nur den Beschleunigungssensor 8 (ohne den Gyroskopsensor 9) aufweisen.
Die Daten des ersten Sensors 6 werden einer Auswerteeinrichtung 14 mittels geeigneter elektrischer Verbindungen 15, beispielsweise Leiterbahnen 16, zugeleitet, die die Lageänderungen der Baueinheit 4 anhand der Daten vom ersten Sensor 6 auswertet, aufzeichnet und über eine Schnittstelle 17 für außerhalb der Zustandserfassungseinrichtung 1 erfolgende Auswertungen, beispielsweise über ein nicht dargestelltes Computersystem, verfügbar macht. Gleichzeitig ist über geeignete elektrische Verbindungen 15 ein Display 17 zur Anzeige von Zu- stands- oder Alarmmeldungen angeschlossen. Daten, die vom ersten Sensor 6 kommen und von der Auswerteeinrichtung 14 als Bewegungsdaten ausgewertet werden, sind nicht unter allen Umständen zuverlässig. Der zweite Sensor 1 1 als
Höhenmesssensor 13 liefert deswegen weitere Daten, nämlich Höhendaten hinsichtlich der Höhenlage der Zustandserfassungseinrichtung 1 (der Baueinheit 4) an die Auswerteeinrichtung 14, die mit den vom ersten Sensor 6 stammenden Daten verglichen werden. Zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Höhendaten des Höhenmesssensors 13 ist der Auswerteeinrichtung 14 eine Kompensationseinrichtung 18 zugeordnet, die nicht lageänderungsbedingte Luftschwankungen des Umgebungsluftdrucks P der Auswerteeinrichtung 14 signalisiert und dadurch kompensiert (beispielsweise über ein Druckverlaufsprofil und/oder einen weiteren Luftdrucksensor). Somit wird vermieden, dass bei Änderungen im Umgebungs- luftdruck P fälschlich eine Änderung der Höhenlage durch den Luftdruckerfassungssensor 12 erkannt wird.
Wird vom ersten Sensor, insbesondere vom Beschleunigungssensor 7, eine Beschleunigung der Baueinheit 4 erkannt, kann dies in der Auswerteeinrichtung 14 als Lagezustandsänderung interpretiert werden. Wird gleichzeitig vom zweiten
Sensor 1 1 keine Änderung der Höhenlage erkannt (insbesondere nach Kompen-
sation durch die Kompensationseinrichtung 18), so ist nicht von einer Höhenänderung auszugehen. Wird vom ersten Sensor 6, insbesondere vom Gyroskopsensor 9, eine Änderung der Winkellage erkannt, so ist, wenn nicht der zweite Sensor 1 1 eine Höhenänderung mitteilt, ebenfalls nicht von einer Höhenände- rung auszugehen. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Gesamtsystems in
Hinblick auf Änderungen der Höhenlage als Zustand des Körpers (nicht dargestellt), an dem die Zustandserfassungseinrichtung 1 beispielsweise zu Diagnosezwecken angeordnet ist, deutlich erhöht. Liefert der Höhenmesssensor 13 Daten an die Auswerteeinrichtung 14, die eine Änderung der Höhenlage bedeuten, wird dies (gegebenenfalls auch ohne Kompensationseinrichtung 18) auf Luftdruckänderungen zurückgeführt, sofern nicht gleichzeitig (mindestens) eine Änderung der Winkellage über den Gyroskopsensor 9 des ersten Sensors 6 und/oder eine Beschleunigung über den Beschleunigungssensor 7 des ersten Sensors 6 an die Auswerteeinrichtung 14 berichtet wird. Der Auswerteeinrichtung 14 ist ferner eine genaue Zeiterfassungseinrichtung 19, beispielsweise als digitale Uhr 20, zugeordnet, die Aussagen über die zeitliche Abfolge der Zustandsänderun- gen/Änderungen von Höhen- und Winkellage und/oder Beschleunigung, zulässt. Beispielsweise ist es hierdurch leicht möglich, einen Sturz von einem bewussten Hinsetzen zu unterscheiden, da der Sturz üblicherweise innerhalb einer sehr viel kürzeren Zeit abläuft. Eine hier nicht dargestellte Alarmierungseinrichtung kann in
Fällen erkannter Stürze beispielsweise zur Alarmierung/Absetzung eines Notrufes dienen. Dieser ist bevorzugt in die Zustandserfassungseinrichtung, nämlich die Baueinheit 4, integriert.
Figur 2 zeigt einen Menschen 21 als Lebewesen 22, der an einem Hüftgurt in komfortabler Lage und Befestigungsweise die schematisch gezeigte Zustandserfassungseinrichtung 1 mit sich trägt. Der Mensch 21 ist einmal in stehender und einmal in sitzender Position gezeigt, wobei die Differenz in der Höhenerstreckung Δh ungefähr einer Oberschenkellänge H des Menschen 21 entspricht. Den Über- gang zwischen stehendem und sitzendem Zustand als jeweiligem Lagezustand des Körpers 23 des Menschen 21 im Raum erfasst die Zustandserfassungseinrichtung 1 über die zu Figur 1 beschriebenen ersten Sensor 6 und zweiten Sensor 1 1 , wo insbesondere dem zweiten Sensor 1 1 die Aufgabe zukommt, die Differenz der Höhenerstreckung Δh zu ermitteln. Zur Verifikation dieses Übergangs vom sitzenden in den stehenden Lagezustand beziehungsweise umgekehrt wird die Oberschenkellänge H herangezogen, die der Zustanderfassungseinrichtung 1
vorgebbar ist, beispielsweise in einem Speicherbereich der Auswerteeinrichtung 14 der Zustandserfassungseinrichtung 1 . Gerade diese Zustandsübergänge zwischen sitzender und stehender Position können auf diese Weise sehr genau er- fasst werden. Beim Aufstehen, dem sogenannten Sitzen-Stehen-Transfer, detek- tiert der zweite Sensor 1 1 (sämtliche nicht in Figur 2 gezeigten Bezugszeichen sind aus Figur 1 entnehmbar) eine positive Differenz der Höhenerstreckung Δh, die ungefähr der Oberschenkellänge H des Menschen 21 entspricht, der die jeweilige Zustandserfassungseinrichtung 1 trägt. Die Zustandserfassungseinrichtung 1 ist deswegen mit der jeweiligen, individuellen Oberschenkellänge H des jeweiligen, individuellen Menschen 21 kalibrierbar, beispielsweise kann diese
Oberschenkellänge H einprogrammiert oder in anderer Weise eingegeben werden, oder mittels eines einmalig durchgeführten oder mehrfach wiederholten Aufstehens und Setzens in einem Kalibriermodus der Zustandserfassungseinrichtung 1 über die so ermittelte Differenz in der Höhenerstreckung Δh ermittelt wer- den. Für derartige Kalibrierungen und andere Interaktionen weist die Zustandserfassungseinrichtung 1 hier nicht dargestellte Bedienelemente, beispielsweise Tasten, auf. Beim Hinsetzen aus einem stehenden Lagezustand (dem sogenannten Stehen-Sitzen-Transfer) wird eine entsprechende, negative Differenz in der Höhenerstreckung Δh ermittelt. Zusätzlich zu dieser Differenz in der Höhen- erstreckung Δh werden Beschleunigungen vom Beschleunigungssensor 7 und/oder Winkellageänderungen vom Gyroskopsensor 9 ermittelt, die zur Verifikation und Plausibilitätsprüfung herangezogen werden. Mit der vorgeschlagenen Zustandserfassungseinrichtung 1 mit den beschriebenen, erfindungsgemäßen Merkmalen ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Bewegungsdaten und/oder Lagedaten des Körpers 23 des die Zustanderfassungseinrichtung jeweils tragenden Menschen 21 erfassbar, so dass die Zustandserfassungseinrichtung 1 sehr universell einsetzbar ist und neben der Versorgung älterer oder gebrechlicher Menschen insbesondere in den Bereichen Fitness und Wellness sowie im Sport einsetzbar ist. In bevorzugter Ausführungsform weist die Zustandserfassungsein- richtung hier nicht dargestellte, langzeiterfassungstaugliche Speicherelemente auf, die der Auswerteeinrichtung 14 zugeordnet sind und die eine Online- Auswertung am Gerät selbst in Echtzeit oder auf Abfrage zulassen und ebenso die Offline-Auswertung auf einem hier nicht dargestellten Computersystem gestatten, so dass insbesondere Trainigungserfolge, Abweichungen in der Moto- rik und in Bewegungsabläufen sowie motorische Verhaltensmuster erfasst und ausgewertet werden können. Weiter ist eine sehr gute Überwachung von ge-
brechlichen oder hilfslosen Personen möglich, dass beispielsweise Stürze sehr viel zuverlässiger erkannt werden können als mit aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen. Insbesondere in der vorgeschlagenen Variante, in der ein (hier nicht dargestelltes) Alarmierungssystem, beispielsweise über Funk oder Mobiltelefon, der Zustandserfassungseinrichtung 1 zugeordnet oder in dieser integriert ist, kann für den jeweiligen Träger eine sehr hohe Sicherheit erreicht werden. Beispielsweise kann ein solches System auch vor Alarmgabe innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne zur Quittierung auffordern, wenn es sich um eine bewusste Bewegung gehandelt haben sollte. Erfolgt eine Quittierung, wird kein Alarm gegeben, erfolgt die Quittierung nicht, geht die Zustandserfassungseinrichtung 1 von einem Sturz des Trägers aus und alarmiert die eingespeicherten Ziele. Auf diese Weise lässt sich eine sehr gute Überwachung bei sehr hoher Fehlalarmsicherheit bewirken.