DE102005019924B4

DE102005019924B4 - Aktivitätsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE102005019924B4
Application number: DE102005019924.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Daumer Martin; Michael Scholz
Original assignee: TRIUM ANALYSIS ONLINE GmbH
Current assignee: TRIUM ANALYSIS ONLINE GmbH
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2025-08-07
Anticipated expiration: 2025-04-28
Also published as: DE102005019924A1; US7640804B2; US20060288781A1; US20100064807A1

Abstract

Aktivitätsmeßvorrichtung zum Erfassen der Aktivität eines Probanden, wobei die Vorrichtung am Körper des Probanden tragbar anbringbar ist, und die Vorrichtung wenigstens einen Beschleunigungssensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivitätsmeßvorrichtung in einer Gürtelschnalle (2) eines am Körper des Probanden anbringbaren Gürtels (3) angeordnet ist und Beschleunigungssensoren (10, 10') zur Beschleunigungsdetektion in allen drei orthogonal zueinander verlaufenden Raumrichtungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktivitätsmeßvorrichtung zum Erfassen der Aktivität eines Probanden und ferner ein Verfahren zum Erfassen der Aktivität eines Probanden.
Stand der Technik: WO 2003 / 055 389 A1 , DE 31 09 026 C2 , DE 297 21 632 U1 , DE 35 13 400 A1 , US 6 506 152 B1 , US 5 263 491 A , US 7 062 225 B2
Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise als sog. Schrittzähler bekannt, die am Körper eines Probanden befestigbar sind; während der Lauf- oder Gehbewegung des Probanden werden am Körper auftretende Beschleunigungskräfte über einen Beschleunigungssensor des am Körper befestigten Schrittzählers erfaßt und die Zahl der absolvierten Schritte gezählt. Die dabei ermittelte Schrittzahl stellt dabei ein Maß für die körperliche Aktivität des Probanden dar. Solche Schrittzähler werden als Sport- oder Fungerät verwendet und weisen lediglich einen eindimensionalen Beschleunigungssensor zur Erfassung von Beschleunigungen in Richtung der Vertikalen auf.

Eine derartige Vorrichtung ist jedoch im medizinischklinischen Bereich zur Bestimmung des körperlichen Behinderungsgrads von Patienten, insbesondere von an multipler Sklerose leidenden Patienten (nachfolgend als MS-Patienten abgekürzt), nur begrenzt einsetzbar, da mit diesem Stand der Technik lediglich dynamische Bewegungsarten wie Gehen und Joggen undifferenziert erfaßbar sind, während bei MS-Patienten mit einem stärkeren Behinderungsgrad ein kontinuierliches Gehen oder gar Joggen lediglich eingeschränkt bis gar nicht möglich ist und die Bewegungsarten auf eher statische Zustände wie Liegen, Sitzen und Stehen beschränkt sind, wie anhand der nachstehenden Tabelle 1, die den sog. „Hauser Ambulation Index“ zur medizinischen Einstufung von Multiple Sklerose Patienten zeigt, ersichtlich ist, wobei die Skala dieses Index von Stufe 0 bis 9 reicht. Niedrige Werte entsprechen keiner oder nur geringer Behinderung, während hohe Werte einem starken Behinderungsgrad entsprechen. Tabelle 1

0	Keine Symptome, voll aktiv
1	Normales Gehverhalten, der Patient berichtet aber von Behinderungen bei sportlichen und anderen anspruchsvollen Aktivitäten
2	Ungewöhnlicher Gang oder zeitweise gestörtes Gleichgewicht; die ungewöhnliche Gangart wird von Verwandten und Freunden bemerkt, braucht für 8 m höchstens 10 s
3	Kann ohne Hilfe gehen, braucht für 8 m höchstens 20 s
4	Bedarf einseitig der Unterstützung (Krücke oder Stock), braucht für 8 m höchstens 20 s
5	Bedarf beidseitig der Unterstützung (Krücken, Stöcke oder Gehhilfe) und braucht aber mehr als 20 s für 8 m
6	Bedarf beidseitig der Unterstützung und braucht mehr als 20 s für 8m, kann gelegentlich einen Rollstuhl benutzen
7	Gehen ist auf wenige Schritte mit beidseitiger Unterstützung beschränkt, kann keine 8 m mehr laufen, kann den Rollstuhl für die meisten Aktivitäten benutzen
8	An den Rollstuhl gebunden, kann ihn noch selber bewegen
9	An den Rollstuhl gebunden, kann ihn nicht mehr selber bewegen

Neben dem in Tabelle 1 zusammengefassten „Hauser Ambulation Index“ gibt es auch weitere Messsysteme zur Einordnung bzw. Klassifizierung des Behinderungsgrads von MS-Patienten. Lediglich beispielhaft sei hier auf die EDSS (Expanded Disability Status Scale) hingewiesen. Die Existenz mehrerer derartiger unabhängiger Klassifikationssysteme zeigt bereits die durch Subjektivität verursachten Schwächen einer derartigen Klassifikation.
Derzeit ist zur laufenden Kontrolle, ob und inwieweit eine verordnete Therapie bei einem MS-Patienten zu einer Verbesserung oder Verschlechterung des Gesundheitszustands führt, ein stationärer Klinikaufenthalt beim behandelnden Arzt erforderlich. Bei diesen turnusmäßig stattfindenden stationären Aufenthalten wird jeweils eine ärztliche Untersuchung durchgeführt und auf dieser Basis dem Patienten ein Behinderungsgrad zugeordnet, wobei naturgemäß das Untersuchungsergebnis von der momentanen Tagesverfassung des Patienten als auch des untersuchenden Arztes (insbesondere auch beeinflusst durch den sogenannten „Weißkittel“-Effekt) und somit von nicht objektivierbaren Kriterien abhängig ist. Mithin unterliegt auch die Beurteilung der Wirksamkeit einer bei der MS-Therapie eingesetzten Medikamentierung nicht objektivierbaren Kriterien mit der Folge, daß eine rechtzeitige Korrektur der eingeschlagenen Therapierichtung nicht frühzeitig genug erfolgen kann.
Eine besondere Rolle spielt die Untersuchung und Klassifizierung des Behinderungsgrads bzw. der Aktivität von Patienten bei der Medikamentenentwicklung bzw. klinischen Studien zur Überprüfung von deren Wirksamkeit. Naturgemäß wird im Laufe der Medikation eines zu testenden Arzneimittels der Grad der körperlichen Behinderung in bestimmten Zeitabständen überprüft. Aufgrund der oben dargestellten Schwankungsbreite der dabei erzielten Meßergebnisse ist eine vernünftige Beurteilung der Wirksamkeit derzeit nahezu unmöglich.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Aktivitätsmeßvorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit welchen insbesondere zur Bestimmung des Behinderungsgrads von MS-Patienten neben den dynamischen Bewegungsformen wie Gehen und Joggen bzw. Laufen auch eher statische Zustände wie Liegen, Sitzen und Stehen nach objektivierbaren Kriterien erfaßbar sind und entsprechende Aktivitätsmaße des zu untersuchenden Patienten bestimmbar sind.
Die Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht dadurch gelöst, daß die Aktivitätsmeßvorrichtung an und/oder in einer Gürtelschnalle eines am Körper des Probanden anbringbaren Gürtels angeordnet ist und Beschleunigungssensoren zur Beschleunigungsdetektion in allen drei orthogonal zueinander verlaufenden Raumrichtungen aufweist. In Abhängigkeit von der Ausbildung der Gürtelschnalle kann die Aktivitätsmeßvorrichtung an der Schnalle (vorne, hinten, oben, unten oder seitlich) angeordnet bzw. ausgebildet sein. Die Aktivitätsmeßvorrichtung kann auch vorzugsweise bei entsprechender Miniaturisierung der Schaltungselemente (z.B. als ASIC) in der Schnalle angeordnet sein. Dabei ist eine Ausbildung bzw. Integration der Aktivitätsmeßvorrichtung in der Schnalle bevorzugt.
Durch die Ausbildung der Aktivitätsmeßvorrichtung in der Gürtelschnalle ergibt sich zunächst eine praktikable Möglichkeit einer einfachen Anbringbarkeit der Vorrichtung an einen Probanden. Im Fall von Reparaturen kann der Gürtel einfach abgenommen werden bzw. auch lediglich die Gürtelschnalle entfernt und zu Reparatur- oder Wartungszwecken eingeschickt werden. Ferner ist dabei auch vorteilhaft, dass regelmäßig kein Waschen der als Gürtel ausgebildeten Telemetrievorrichtung erforderlich ist. Darüber hinaus ist die Anordnung an bzw. in der Gürtelschnalle auch dahingehend vorteilhaft, dass die sehr häufig auftretenden Bewegungen der Extremitäten (wie z.B. Arme, Beine oder Kopf), welche für eine objektive Erfassung eines Behinderungsgrads eines MS-Patienten gerade nicht charakteristisch sind, durch diese Anordnung möglichst wenig meßtechnisch erfasst bzw. unterdrückt werden bzw. die Messung nur gering beeinträchtigen. Ebenfalls ist dabei vorteilhaft, daß die Gürtelschnalle im bestimmungsgemäßen Tragezustand des Gürtels nahe am Schwerpunkt des Patienten angeordnet ist. Durch die im bestimmungsgemäßen Tragezustand vorgegebene Orientierung der Gürtelschnalle (nach vorne und zentriert) wird es ebenfalls möglich, die durch die Beschleunigungssensoren erfaßten Beschleunigungen rechentechnisch einfach zu erfassen und zu verarbeiten. Dabei ist das Dreibein der von den Beschleunigungssensoren abgefühlten Raumrichtungen vorzugsweise derart, daß eine der Raumrichtungen senkrecht zu der Schnalle, d.h. in Vorwärtsrichtung beim (geradeaus) Gehen oder Joggen bzw. Laufen, ausgerichtet ist. Eine weitere Raumrichtung verläuft vorzugsweise parallel zur Vertikalen.
Besonders vorteilhaft können mit der erfindungsgemäßen Aktivitätsmeßvorrichtung durch die dreidimensionale Erfassung von am Körper auftretenden Beschleunigungskräften unterschiedliche Bewegungsformen identifiziert werden, die sich naturgemäß durch charakteristische Bewegungsabläufe mit entsprechend wirkenden Beschleunigungskräften voneinander unterscheiden. Da die verschiedenen Bewegungsformen einen jeweils unterschiedlichen Energiebedarf und somit unterschiedliche Aktivitätsmaße aufweisen, ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine differenzierte Bewertung der körperlichen Aktivität des Patienten möglich und gibt somit dem mit der Therapie befaßten Arzt ein Mittel an die Hand, den Fortgang und Erfolg der Therapie unabhängig von einer möglicherweise schwankenden Tagesform des Patienten anhand objektivierbarer Kriterien zu beurteilen. Ein eventuell negativer Therapieverlauf bei MS-Patienten beispielsweise durch Gabe ungeeigneter Medikamente ist dadurch bereits in einem frühzeitigen Stadium anhand entsprechender Meßergebnisse erkennbar, so daß ein Einsatz eines negativ wirkenden Medikament zeitnah wieder absetzbar ist, wobei Risiken für den Patienten reduzierbar und Kosten infolge teurer, jedoch ungeeigneter Medikamentierung eindämmbar sind.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktivitätsmeßvorrichtung zur optimalen Erfassung der bei den verschiedenen Bewegungsformen auftretenden Beschleunigungskräfte besteht darin, daß die in der Gürtelschnalle angeordnete Aktivitätsmeßvorrichtung derart ausgebildet ist, daß sie in der Nähe des Körperschwerpunktes des Probanden anbringbar ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung telemetriert die Aktivitätsmeßvorrichtung die erfaßten Meßdaten über eine Funkverbindung an einen zentralen Server, der vorzugsweise in einem externen datengeschützten Dienstleistungszentrum oder dem ärztlichen Behandlungszentrum steht, so daß die telemetrierten Daten dort unmittelbar vom ärztlichen Personal einsehbar und bewertbar sind. Dadurch ist der behandelnde Arzt bei der Beurteilung der körperlichen Verfassung des Patienten nicht mehr ausschließlich auf die Untersuchungen angewiesen, die bei den stationären Klinikaufenthalten vorgenommen werden, sofern die erfindungsgemäße Vorrichtung auch im Alltag des Patienten zum bestimmungsgemäßen Einsatz kommt.
Dazu ist die Aktivitätsmeßvorrichtung mit einem ebenfalls am Gürtel tragbar befestigbaren Mobiltelefon, welches nach einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung als PDA ausgebildet ist, derart elektrisch koppelbar, daß eine Datenübertragung zwischen der Aktivitätsmeßvorrichtung und dem Mobiltelefon etablierbar ist, wobei die Aktivitätsmeßvorrichtung ein elektrisches Verbindungskabel aufweist, welches mit einer Geräteschnittstelle des Mobiltelefons elektrisch verbindbar ist. Das Verbindungskabel kann dann sowohl für die Datenübertragung zwischen der Vorrichtung und dem Mobiltelefon als auch über die Anzapfung der im Mobiltelefon vorgesehenen Akkuzellen für die Stromversorgung der Vorrichtung sorgen. Die von der Aktivitätsmeßvorrichtung erfaßten Meßdaten sind über die Geräteschnittstelle des Mobiltelefons an das Mobiltelefon übertragbar und sind von dort beispielsweise über eine GPRS- oder UMTS-Funkverbindung an den externen Server übermittelbar.
Eine meßtechnisch günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aktivitätsmeßvorrichtung sieht vor, daß als Beschleunigungssensoren der Aktivitätsmeßvorrichtung ein eindimensional operierender Beschleunigungssensor zur Erfassung von entlang der vertikalen Raumrichtung wirkenden Beschleunigungskräften und ein zweidimensional operierender Beschleunigungssensor zur Erfassung von dazu orthogonal wirkenden Beschleunigungskräften vorgesehen sind.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß ein an die Gürtelschnalle kabelseitig angrenzender Gürtelabschnitt einen Klettverschluß zur Aufnahme des Verbindungskabels aufweist, wodurch ein unbeabsichtigtes Losreißen oder Lockern des Verbindungskabels weitgehend vermieden werden kann und somit die Sicherheit der Datenübertragung erhöht wird. Ferner ist sowohl zur Steuerung der Meßdatenerfassung als auch zur Datenübertragung ein Mikroprozessor in der Aktivitätsmeßvorrichtung vorgesehen. Durch ein im Mikroprozessor implementiertes Steuerungsprogramm erfaßt und überträgt die Aktivitätsmeßvorrichtung die Meßdaten mit einer Abtastfrequenz in einer Größenordnung von 100 Hz. Diese Abtastfrequenz hat sich als besonders geeignet erwiesen, um auch schnelle Bewegungsabläufe im Größenordnungsbereich einer hundertstel Sekunde aufzulösen. Das erfindungsgemäße System umfaßt die Aktivitätsmeßvorrichtung, den Gürtel, das Mobiltelefon und vorzugsweise auch den Server.
Die Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht dadurch gelöst, daß in allen drei zueinander orthogonal verlaufenden Raumrichtungen der momentanen Körperaktivität des zu untersuchenden Probanden zugrundeliegende Körperbeschleunigungen laufend gemessen werden und daraus ein aktueller Bewegungszustand ermittelt wird.
Dazu wird zunächst zur Ermittlung des aktuellen Bewegungszustands des Probanden zwischen statischen und dynamischen Bewegungszuständen unterschieden, wobei bei den statischen Bewegungszuständen zwischen Sitzen, Stehen und Liegen und bei den dynamischen Bewegungszuständen zwischen Gehen und Joggen unterschieden wird. Zur Unterscheidung zwischen statischen und dynamischen Bewegungszuständen werden das Maximum und das Minimum einer Meßreihe von in einer Raumachsenrichtung ermit-, telten aufeinanderfolgenden Beschleunigungsmeßwerten berechnet und die Differenz zwischen dem Maximum und Minimum mit einem Schwellenwert verglichen. Unter Maximum und Minimum wird dabei ein geeigneter Maximalwert bzw. Minimalwert der Meßreihe verstanden. Um beispielsweise eine Verfälschung durch Ausreißer zu vermeiden kann als Maximum ein Mittelwert aus einer vorbestimmten Anzahl (z.B. zehn) von Maxima der Meßreihe verwendet werden. Treten dann weniger Maxima als die vorbestimmte Anzahl auf, werden entsprechend weniger Maxima zur Mittelung verwendet. Entsprechend kann als Minimum ein Mittelwert aus einer vorbestimmten Anzahl (z.B. zehn) von Minima der Meßreihe verwendet werden. Treten dann weniger Minima als die vorbestimmte Anzahl auf, werden entsprechend weniger Minima zur Mittelung verwendet. Dabei wird dann eine Bewegung des Patienten detektiert, wenn die Ungleichung max - min > δ in wenigstens einer Raumachsenrichtung erfüllt ist, ) wobei max bzw. min aus einer Meßreihe von in dieser Raumachsenrichtung ermittelten aufeinanderfolgenden Beschleunigungsmeßwerten der Maximalwert bzw. Minimalwert ist und δ ein Schwellenwert ist.
Im Falle einer Bewegungsdetektion wird zur Unterscheidung der Bewegungszustände des Gehens und Joggens die mittlere Differenz zum Mittelwert von zu einer Meßreihe gehörenden Meßwerten für jede Raumachsenrichtung ermittelt und die dadurch ermittelte Differenz zum Mittelwert in der entsprechenden Raumachsenrichtung mit einem jeweils zugeordneten Schwellenwert verglichen. Demgegenüber wird zur Unterscheidung der Bewegungszustände des Liegens, Stehens und Sitzens für jede Raumachsenrichtung der Mittelwert der zugehörigen Meßreihe ermittelt und werden die jeweils ermittelten Mittelwerte mit zugeordneten Schwellenwerten verglichen. Indem für jede identifizierte Bewegungsform die jeweilige Zeitdauer und eventuelle Schrittfrequenz bestimmt wird, läßt sich ein entsprechendes Aktivitätsmaß ermitteln.
Die Erfindung, sowie weitere Merkmale, Ziele, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten derselben, wird bzw. werden nachfolgend anhand einer Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben oder ähnliche Bezugszeichen dieselben bzw. entsprechende Elemente. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, und zwar unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Schutzansprüchen oder deren Rückbeziehung. In den Zeichnungen zeigen in stark schematischer Darstellung:

1 einen Gürtel zur Befestigung am Körper eines Patienten in einer Draufsicht, wobei der Gürtel um die Taille des Patienten anordnenbar ist und eine Gürtelschnalle mit darin aufgenommener Aktivitätsmeßvorrichtung aufweist, welche mit einem an dem Gürtel befestigbaren Mobiltelefon in Signalverbindung steht;
2 eine Teilansicht des Gürtels von hinten im Bereich der Gürtelschnalle, wobei in der Gürtelschnalle die erfindungsgemäße Aktivitätsmeßvorrichtung als Box integriert ist;
3 ein Blockschaltbild eines in der Box der erfindungsgemäßen Aktivitätsmeßvorrichtung aufgenommenen Schaltkreises, der einen Mikroprozessor, einen Schwingquarz zum Generieren der Prozessortaktfrequenz des Mikroprozessors, einen eindimensionalen und einen zweidimensionalen Beschleunigungssensor zum Erfassen von Beschleunigungskräften aufweist; und
4 ein Flußdiagramm, welches die wesentlichen in dem externen Server oder der Aktivitätsmeßvorrichtung ablaufenden Verfahrensschritte zur Bestimmung eines aktuellen Bewegungszustandes des Patienten zeigt.

In 1 ist die erfindungsgemäße Aktivitätsmeßvorrichtung 1 in einer Gürtelschnalle 2 eines vorzugsweise um die Körpertaille des Patienten anlegbaren Gürtels 3 angeordnet. In der Nähe der Gürtelschnalle 2 mit der darin aufgenommenen Aktivitätsmeßvorrichtung 1 ist ein Gürtelbereich mit einem Futteral zur Aufnahme eines Mobiltelefons 4, das auch als PDA („personal digital assistant“) ausgebildet sein kann, angeordnet. Von der Aktivitätsmeßvorrichtung 1 erfaßte Meßdaten sind über ein Verbindungskabel 5, das mit einem Ende mit der Aktivitätsmeßvorrichtung 1 und mit dem anderen Ende mit einer Geräteschnittstelle des Mobiltelefons bzw. PDA 4 elektrisch verbunden ist, an das Mobiltelefon 4 übertragbar. Dabei ist das mehradrige Verbindungskabel 5 auch mit der internen Spannungsversorgungseinrichtung des PDA 4 elektrisch gekoppelt und dient somit zusätzlich der Stromversorgung der Aktivitätsmeßvorrichtung 1. Zwischen der Gürtelschnalle 2 und dem Gürtelbereich, an dem das Mobiltelefon 4 befestigt ist, verläuft das Verbindungskabel 5 und weist der Gürtel 3 auf seiner Oberfläche einen Klettverschluß 6 auf, der zur Führung bzw. zum Haltern des Verbindungskabels 5 dient und dazu eine in Gürtellängserstreckungsrichtung verlaufende Verschlußnaht aufweist, so daß das Verbindungskabel bei geöffneter Verschlußnaht in den Klettverschluß einlegbar ist und bei dann geschlossener Verschlußnaht in dem Klettverschluß hüllenförmig aufgenommen ist.
Die von der Vorrichtung erfaßten Beschleunigungsmeßdaten werden über das Verbindungskabel 5 an das Mobiltelefon bzw. den PDA 4 übertragen und werden von dem Mobiltelefon 4 über ein Mobilfunknetz zu einem externen Server 7 zur Auswertung übermittelt. Dieser Server 7 kann in einem ärztlichen Dienstleistungszentrum vorgesehen sein, so daß die von der Aktivitätsmeßvorrichtung 1 übermittelten Daten jederzeit von dem ärztlichen Personal über ein im Server 7 implementiertes Auswerteprogramm abrufbar sind.
In 2 ist die in der Gürtelschnalle 2 aufgenommene Aktivitätsmeßvorrichtung 1 dargestellt. Die Gürtelschnalle 2 ist ein im wesentlichen planares bzw. flächiges, im Ausführungsbeispiel rechteckiges Flächenelement aus Metall oder Kunststoff. Die Aktivitätsmeßvorrichtung 1 ist dabei als Box bzw. Kästchen bzw. Gehäuse 14 an der Rückseite bzw. Innenseite der Gürtelschnalle 2 angeordnet. Das Verbindungskabel 5 zum PDA 4 ist aus der Box 14 herausgeführt und erstreckt sich entlang der äußeren Oberfläche (1) des angrenzenden Gürtelbereichs 3. An dem dazu gegenüberliegenden Ende der Gürtelschnalle 2 ist ein Dorn 12 vorgesehen, an dem das freie Ende des Gürtels 3 mittels eines oder mehrerer (zur Einstellung des Gürtelumfangs) dort vorgesehenen Lochs 13 zum Schließen des Gürtels 3 einhakbar ist.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer in der Box 14 der erfindungsgemäßen Aktivitätsmeßvorrichtung 1 vorgesehenen Schaltung 15, wobei im Ausführungsbeispiel ein Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller 8, dessen Prozessortaktfrequenz von einem Schwingquarz 9 generiert wird, mit einem eindimensional und einem zweidimensional operierenden Beschleunigungssensor 10, 10' elektrisch wirkverbunden ist und die von diesen Beschleunigungssensoren 10, 10' am Körper des zu untersuchenden Patienten laufend gemessenen Beschleunigungskräfte in allen drei Raumdimensionen aufnimmt und verarbeitet. Um die Kalibrierung der Beschleunigungssensoren 10, 10' zu erleichtern, wird der Gürtel so an den Körper des Patienten angelegt, daß die Gürtelschnalle mit der darin aufgenommenen Vorrichtung 1 am Körper anliegt, so daß eine Meßachse des zweidimensional operierenden Beschleunigungssensors 10' mit der Vorwärtsbewegungsrichtung des Körpers nahezu übereinstimmt. Die Beschleunigungssensoren 10, 10' sind derart angeordnet und geschaltet, daß der eindimensional operierende Sensor 10 entlang der Vertikalen wirkende Beschleunigungskräfte mißt und der zweidimensional operierende Sensor 10' die dazu orthogonal wirkenden Beschleunigungskräfte entlang der beiden übrigen Raumachsen eines kartesischen Koordinatensystems mißt. Dabei werden die von den Beschleunigungssensoren 10, 10' analog erfaßten Beschleunigungsmeßwerte x über nicht dargestellte AD-Wandler digitalisiert und in ein Intervall 0 ≤ x ≤ 255 umgesetzt bzw. umgewandelt, wobei dieses Intervall beispielsweise einem Meßbereich von (-2g) bis (+2g) entspricht und g die Erdbeschleunigung ist, so daß ein digitalisierter Meßwert x aus dem Intervall 0 ≤ x ≤ 255 gemäß (4/256)*x*g-2g in Einheiten der Erdbeschleunigung g umrechenbar ist. Ein in einem Speicherbereich des Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers 8 implementiertes Programm steuert einerseits die Meßwerterfassung und damit das Zusammenwirken zwischen Beschleunigungssensoren 10, 10', den AD-Wandlern und dem Mikroprozessor 8, wobei ein von der Prozessortaktfrequenz abhängiger Timer bzw. Zeitgeber des Mikroprozessors 8 den Einsatz und die Länge der Meßzyklen steuert, und andererseits die Verarbeitung der Meßdaten im Mikroprozessor 8 sowie deren Übertragung über eine Schnittstelle des Mikroprozessors 8 an den PDA 4. Die erfassten Messwerte werden mit einem Zeitstempel für die aktuelle Zeit und Datum versehen, und somit kann die Aktivität des Patienten über den gesamten Tagesablauf erfaßt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit seinen wesentlichen Prozeßschritten in einem im ganzen mit 100 bezeichneten Ablaufschema in 4 veranschaulicht. Nach dem Programmstart 101 wird zunächst in einem Schritt 102 geprüft, ob die Kriterien für keine Bewegung des zu untersuchenden Patienten erfüllt sind. Dazu werden anhand der ermittelten Messdaten die Maxima und Minima der Beschleunigungen für jede Raumrichtung pro Sekunde berechnet. Die Differenz zwischen den Maxima und den Minima wird jeweils in Richtung der y-Achse und in Richtung der z-Achse mit einem spezifischen Schwellenwert δ verglichen: $Max_y - Min_y \leq δ$ $Max_z - Min_z \leq δ$ wobei Max_y, Max_z die Maxima bzw. Maximamittelwerte der gemessenen Beschleunigungswerte in der y-Achsenrichtung und Min_y, Min_z die Minima bzw. Minimamittelwerte in der z-Achsenrichtung sind und δ ein empirisch bestimmter Schwellenwert ist, dessen Wert gleich 20 entspricht, wobei der digitale Wert δ=20 gemäß (4/256)*δ*g-2g in einen entsprechenden g-Wert umrechenbar ist. Ist eine der beiden obigen Ungleichungen erfüllt, so wird als Aktivitätsmaß des Patienten das Vorliegen keiner Bewegung klassifiziert und das Programm prüft in weiteren Prozeßschritten, ob diese Unbeweglichkeit nach Liegen, Stehen oder Sitzen unterschieden werden kann.
Ergibt die Prüfung in Schritt 102, daß die Kriterien für keine Bewegung nicht erfüllt sind, so wird in einem daran anschließenden Verfahrensschritt 103 geprüft, ob anhand der nachfolgenden Kriterien eine Bewegung des Patienten detektierbar ist: $Max_y - Min_y > δ$ $Max_z - Min_z > δ$ Überschreitet also die jeweilige Differenz von Maximum und Minimum in der y-Achsenrichtung oder der z-Achsenrichtung den Schwellenwert δ = 20, so sind die Kriterien erfüllt und es wird eine Bewegung detektiert.
In diesem Fall gelangt das Programm zu dem Programmschritt 104 und überprüft, ob die Person joggt, indem die nachfolgenden Kriterien für Joggen auf die ermittelten Messdaten angewandt werden: $MW_Diff_MWx < γ_{1}$ $MW_Diff_MWy < γ_{2}$ $MW_Diff_MWz < γ_{3}$ wobei MW_Diff_MWx, MW_Diff_MWy, MW-Diff_MWz jeweils die mittleren Differenzen zum Mittelwert der Beschleunigungen in der jeweiligen Achsenrichtung x, y, z sind und die jeweils damit zu vergleichenden Werte γ₁ = 20, γ₂ = 28, γ₃ = 21 die jeweiligen Schwellenwerte sind, die als digitale Werte gemäß (4/256)*δ*g-2g jeweils in einen entsprechenden g-Wert umrechenbar sind. Dabei werden die mittleren Differenzen der Meßwerte a_i zum Mittelwert gemäß der folgenden Gleichung $\frac{1}{100} \sum_{ι = 1}^{100} | a_{ι} - M i t t e l w e r t |$ für 100 Meßwerte bestimmt. Ist jede der obigen Ungleichungen (3a) bis (3c) erfüllt, so wird als Aktivitätsmaß der Bewegungszustand 105 des Joggens detektiert. Sind jedoch die in den Verfahrensschritten 103 und 104 jeweils geprüften Kriterien nicht erfüllt, klassifiziert das Programm den Bewegungszustand 106, 107 des Gehens und berechnet aus den Meßdaten in entsprechenden Rechenschritten 108, 109 eine Schrittfrequenz.
Im Anschluß an den Verfahrensschritt 102 gelangt das Programm, falls die in Gl. (1a) oder (1b) zugrundegelegten Kriterien erfüllt sind, zu dem Verfahrensschritt 110 und prüft, ob es sich bei der Unbeweglichkeit um einen Liegezustand handelt, indem die entsprechenden Kriterien geprüft werden: $MW_z > α_{11} und MW_y < α_{12}$ $MW_z > α_{21} und MW_y < α_{22}$ $MW_x > α_{31} und MW_y < α_{32}$ $MW_x > α_{41} und MW_y < α_{42}$ wobei MW_x, MW_y, MW_z die jeweiligen Mittelwerte der Messdaten in x-Achsenrichtung, y-Achsenrichtung und z-Achsenrichtung sind und mit den jeweils zugeordneten Schwellenwerten α₁₁ =47, α₁₂ = 42, α₂₁ = -47, α₂₂ = 12, α₃₁ = -43, α₃₂ = 12, α₄₁ = 43, α₄₂ = 12 verglichen werden. Ist dabei Ungleichung (4a) erfüllt, so liegt die untersuchte Person in einer Rückenlage, ist Ungleichung (4b) erfüllt, befindet sie sich in einer Bauchlage, ist Ungleichung (4c) erfüllt, so liegt sie auf der linken Seite und ist Ungleichung (4d) erfüllt, so liegt sie auf der rechten Seite. In diesen vier Fällen (4a) bis (4d) detektiert das Programm den statischen Bewegungszustand bzw. Ruhezustand 111 des Liegens.
Führt die Prüfung in dem Verfahrensschritt jedoch zu einem negativen Ergebnis, so gelangt das Programm zu dem Verfahrensschritt 112, wobei geprüft wird, ob die Person steht. Dazu wird die folgende Ungleichungskombination $MW_z < β_{1} und MW_y - MW_z \geq β_{2}$ überprüft. Ist diese Ungleichungskombination für die Schwellenwerte β₁ = 2 und β₂ = -68 aus dem Intervall 0 ≤ x ≤ 255 erfüllt, so befindet sich die Person im statischen Bewegungszustand 113 des Stehens. Bei negativem Resultat des Verfahrensschritts 112 klassifiziert das Programm den statischen Bewegungszustand 114 des Sitzens.
Das Programm berechnet für jede identifizierte Bewegungsform auf der Basis der ermittelten Schrittfrequenz und Zeitdauer der identifizierten Bewegungsform ein Aktivitätsmaß, das von physischen Parametern, nämlich der Größe und dem Gewicht des Patienten und von dem für die Bewegungsform charakteristischen Energiebedarf abhängt. Ferner wird für die gesamte Dauer der Messung ein Gesamtaktivitätsmaß berechnet, das dem mit den jeweiligen Bewegungsdauern gewichteten Mittelwert aus den einzelnen Aktivitätsmaßen entspricht.
Zusätzlich ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund der dreidimensionalen Erfassung der Beschleunigungskräfte im Falle der Bewegungsform des Gehens möglich, ein Hinken bzw. Stolpern zu detektieren, indem die jeweiligen Schrittdauern für die links- und rechtseitigen Bewegungskomponenten des Gehens miteinander verglichen und daraus ein Asymmetriefaktor bestimmt wird, der bei Überschreiten eines spezifischen Schwellenwerts das Vorliegen von Hinken bzw. Stolpern indiziert.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen derselben näher erläutert. Für einen Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass unterschiedliche Abwandlungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken abzuweichen.

Claims

Aktivitätsmeßvorrichtung zum Erfassen der Aktivität eines Probanden, wobei die Vorrichtung am Körper des Probanden tragbar anbringbar ist, und die Vorrichtung wenigstens einen Beschleunigungssensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivitätsmeßvorrichtung in einer Gürtelschnalle (2) eines am Körper des Probanden anbringbaren Gürtels (3) angeordnet ist und Beschleunigungssensoren (10, 10') zur Beschleunigungsdetektion in allen drei orthogonal zueinander verlaufenden Raumrichtungen aufweist.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Gürtelschnalle (2) angeordnete Aktivitätsmeßvorrichtung (1) derart ausgebildet ist, daß sie in der Nähe des Körperschwerpunktes des Probanden anbringbar ist.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivitätsmeßvorrichtung (1) die erfaßten Meßdaten über eine Funkverbindung an einen zentralen Server (7) telemetriert.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivitätsmeßvorrichtung mit einem ebenfalls am Gürtel (3) tragbar befestigbaren Mobiltelefon (4) derart elektrisch koppelbar ist, daß eine Datenübertragung zwischen der Aktivitätsmeßvorrichtung (1) und dem Mobiltelefon (4) etablierbar ist.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivitätsmeßvorrichtung (1) ein elektrisches Verbindungskabel (5) aufweist, welches mit einer Geräteschnittstelle des Mobiltelefons (4) elektrisch verbindbar ist.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Aktivitätsmeßvorrichtung (1) erfaßten Meßdaten über eine Geräteschnittstelle des Mobiltelefons (4) an das Mobiltelefon (4) übertragbar sind und von dort über eine Funkverbindung an den externen Server (7) übermittelbar sind.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschleunigungssensoren (10, 10') der Aktivitätsmeßvorrichtung (1) ein eindimensional operierender Beschleunigungssensor (10) zur Erfassung von entlang der vertikalen Raumrichtung wirkenden Beschleunigungskräften und ein zweidimensional operierender Beschleunigungssensor (10') zur Erfassung von dazu orthogonal wirkenden Beschleunigungskräften vorgesehen sind.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein an die Gürtelschnalle (2) kabelseitig angrenzender Gürtelabschnitt einen Klettverschluß (6) zur Aufnahme des Verbindungskabels (5) aufweist.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zur Steuerung der Meßdatenerfassung als auch zur Datenübertragung ein Mikroprozessor (8) in der Aktivitätsmeßvorrichtung (1) vorgesehen ist.
Aktivitätsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivitätsmeßvorrichtung (1) die Meßdaten mit einer Abtastfrequenz in einer Größenordnung von 100 Hz erfaßt und überträgt.
Verfahren zum Erfassen der Aktivität eines Probanden mit einer Aktivitätsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in allen drei zueinander orthogonal verlaufenden Raumrichtungen der momentanen Körperaktivität des zu untersuchenden Probanden zugrundeliegende Körperbeschleunigungen laufend gemessen werden und daraus ein aktueller Bewegungszustand ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des aktuellen Bewegungszustands des Probanden zwischen statischen und dynamischen Bewegungszuständen unterschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei den statischen Bewegungszuständen zwischen Sitzen, Stehen und Liegen und bei den dynamischen Bewegungszuständen zwischen Gehen und Joggen unterschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung zwischen statischen und dynamischen Bewegungszuständen das Maximum und das Minimum einer Meßreihe von in einer Raumachsenrichtung ermittelten aufeinanderfolgenden Beschleunigungsmeßwerten berechnet werden und die Differenz zwischen dem Maximum und Minimum mit einem Schwellenwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegung des Probanden detektiert wird, wenn die Ungleichung max - min > δ in wenigstens einer Raumachsenrichtung erfüllt ist, wobei max bzw. min aus einer Meßreihe von in dieser Raumachsenrichtung ermittelten aufeinanderfolgenden Beschleunigungsmeßwerten der Maximalwert bzw. Minimalwert ist und δ ein Schwellenwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung der Bewegungszustände des Gehens und Joggens die mittlere Differenz zum Mittelwert von zu einer Meßreihe gehörenden Meßwerten für jede Raumachsenrichtung ermittelt wird und die dadurch ermittelte Differenz zum Mittelwert in der entsprechenden Raumachsenrichtung mit einem jeweils zugeordneten Schwellenwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung der Bewegungszustände des Liegens, Stehens und Sitzens für jede Raumachsenrichtung der Mittelwert der zugehörigen Meßreihe ermittelt wird und die jeweils ermittelten Mittelwerte mit zugeordneten Schwellenwerten verglichen werden.
System aus Aktivitätsmeßvorrichtung, Gürtel, Mobiltelefon und vorzugsweise den Server nach einem der Ansprüche 1 bis 10.