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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines
Bewegungsmusters in einer Bewegungssequenz eines Anwenders mittels
wenigstens eines vom Anwender mitgeführten Beschleunigungssensors.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Aktivitätsmessvorrichtungen,
welche einen oder mehrere Beschleunigungssensoren aufweisen, 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.
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Eine
derartige Vorrichtung ist jedoch im medizinisch-klinischen 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 8 m, 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 |
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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.
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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.
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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.
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Eine
Aktivitätsmessvorrichtung zum Erfassen der Aktivität
eines Probanden und ferner ein Verfahren zum Erfassen der Aktivität
eines Probanden ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE-OS 10 2005 019 924
A der vorliegenden Anmelderin bekannt, deren gesamter Offenbarungsgehalt
durch diese Bezugnahme vollinhaltlich in die vorliegende Anmeldung
mit aufgenommen wird.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden bzw. zu entwickeln, so dass
mit einer relativ einfach aufgebauten und damit kostengünstig
herstellbaren Aktivitätsmessvorrichtung, welche wenigstens
einen Beschleunigungssensor aufweist, Bewegungsmuster in einer Bewegungssequenz
eines Probanden zuverlässig erkennbar sind.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch
folgende Schritte gelöst: (a) Wiedergeben für
den Anwender eines Befehls für das Bewegungsmuster; (b)
Aufnehmen wenigstens einer Messwertreihe von 1 Beschleunigungsmesswerten
in einem Zeitfenster einer vorbestimmten Länge an vorbestimmten
Stellen im Zeitfenster jeweils mittels des wenigstens einen Beschleunigungssensors
für das vom Anwender auf den im Schritt (a) wiedergegebenen
Befehl ausgeführte Bewegungsmuster, wobei 1 eine natürliche Zahl
größer Null ist; (c) Speichern der im Schritt
(b) aufgenommenen wenigstens einen Messwertreihe als für das
Bewegungsmuster charakteristische Messwertreihe; wobei zur Erkennung
des Bewegungsmusters in der Bewegungssequenz des Anwenders folgende
Schritte ausgeführt werden: (d) Gleitendes Aufnehmen wenigstens
einer Mess wertreihe von 1 Beschleunigungsmesswerten in einem Zeitfenster
der vorbestimmten Länge an den vorbestimmten Stellen im
Zeitfenster jeweils mittels des wenigstens einen Beschleunigungssensors
für die vom Anwender ausgeführte Bewegungssequenz;
(e) Korrellieren der jeweils in (d) aufgenommenen Messwertreihe
mit der entsprechenden im Schritt (c) gespeicherten, für
das Bewegungsmuster charakteristischen Messwertreihe zur Bildung
einer gleitenden Korrelationsfunktion; und (f) Erkennen des Bewegungsmusters
in der Bewegungssequenz durch Ermittlung eines Maximums der in Schritt
(e) erhaltenen gleitenden Korrelationsfunktion.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße
Verfahren zur Bestimmung des Behinderungsgrads, z. B. von MS-Patienten,
verwendbar ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
können selbständig Bewegungsmuster oder -typen
erkannt werden, weshalb es auch automatisch durchgeführt
werden kann. Durch das Erkennen der Bewegungsmuster kann daher ein
Behinderungsgrad oder auch Aktivitätsgrad automatisch bestimmt
werden. Es kann aber auch eine Überwachung, d. h. ein Monitoring,
realisiert werden, wobei z. B. zu vorgegebenen Zeitabständen
bestimmte ein Bewegungsmuster darstellende Übungen durchgeführt
und analysiert werden.
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Ferner
ist an der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, dass Bewegungsmuster,
wie z. B. 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 eines zu untersuchenden Patienten,
insbesondere auch automatisch, bestimmbar sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist bevorzugt,
dass in einem Schritt (e.1.) zwischen den Schritten (e) und (f)
eine mehrdimensionale gleitende Korrelationsfunktion durch Produktbildung
von jeweils im Schritt (e) erhaltenen gleitenden Korrelationsfunktionen
erhalten wird, wobei die jeweils im Schritte (e) erhaltenen gleitenden
Korrelationsfunktionen gleitende Korrelationsfunktionen für
unterschiedliche, insbesondere orthogonale, Raumrichtungen sind,
wobei im Schritt (f) das Bewegungsmuster in der Bewegungssequenz durch
Ermittlung eines Maximums der im Schritt (e.1.) erhaltenen mehrdimensionalen
gleitenden Korrelationsfunktion erkannt wird. Hierdurch erhöht
sich die Qualität der Erkennung des Bewegungsmusters, da
in mehreren Raumrichtungen charakteristische Be schleunigungswerte
zur Erkennung herangezogen werden. In dieser Ausführungsvariante
werden daher mehr als ein Beschleunigungssensor verwendet. Jeder
der n (n > 1) Beschleunigungssensoren
nimmt daher im Schritt (b) das Bewegungsmuster auf. Im Schritt (c)
werden dann n charakteristische Messwertreihen gespeichert. Im Schritt
(d) nimmt wiederum jeder der Beschleunigungssensoren eine Messwertreihe
auf, wobei im Schritt (e) dann n gleitende Korrelationsfunktionen
erhalten werden. Der zusätzliche Schritt (e.1.) ist dazu
vorgesehen, aus den n Korrelationsfunktionen durch Multiplikation
eine einzige Korrelationsfunktion zu bilden, deren Maximum im Schritt
(f) einer Erkennung des Bewegungsmusters in der Bewegungssequenz
zugeordnet werden kann.
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Vorteilhafterweise
ist der wenigstens eine Beschleunigungssensor drei Beschleunigungssensoren
für die drei Raumrichtungen. Dies führt zu einer
erhöhten Erkennungsgenauigkeit und zur Vermeidung von Fehlerkennungen.
Die drei Raumrichtungen bilden dabei ein kartesisches Koordinatensystem,
die jeweiligen Achsen sind orthogonal zueinander und bilden ein
Dreibein. Vorzugsweise entsprechen die drei Raumrichtungen der Vertikalen
(oben-unten) sowie der Vorwärtsrichtung (vorne-hinten)
und der seitlichen Richtung (links-rechts) eines die Aktivitätsmessvorrichtung
tragenden Anwenders. Hierdurch vereinfacht sich die Analyse von
Bewegungen des Anwenders. Dabei ist vorzugsweise die mehrdimensionale
gleitende Korrelationsfunktion das Produkt der drei gleitenden Korrelationsfunktionen
für die drei Raumrichtungen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das
Bewegungsmuster ein Sich-hinsetzen des Anwenders. Das Sich-hinsetzen
ist nicht nur ein guter Maßstab für den physischen
Gesamtzustand eines Patienten oder Probanden, sondern ist auch besonders
gut zur Erkennung durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
geeignet (siehe hierzu insbesondere die Ausführungen zu
den 4 und 5). Da häufig ein auf die
Toilette gehen mit einem Sich-hinsetzen verbunden ist, kann man
durch die Erkennung des Bewegungsmusters des Sich-hinsetzens auch
generell den Allgemeinzustand eines Patienten erkennen und Überwachen.
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Ferner
ist besonders zur Erkennung des Bewegungsmusters des Sich-hinsetzens
bevorzugt, dass die mehrdimensionale gleitende Korrelationsfunktion
das Produkt von zwei gleitenden Korrelationsfunktionen für zwei
Raumrichtungen ist, welche einer Vorne-Hinten- und Auf-Ab-Bewegung
des Anwenders entsprechen. Dies hat experimentell zu einer sehr
guten Erkennung geführt (siehe 4 und 5 sowie
die zugehörige Beschreibung).
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Nach
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt, dass
im Schritt (a) das Wiedergeben für den Anwender eines Befehls
für das Bewegungsmuster akustisch und/oder visuell erfolgt.
Auf diese Weise kann der Befehl einfach und kostengünstig,
ohne hierfür die Anwesenheit von Fachpersonal erforderlich zu
machen, an den Anwender übermittelt werden. Beispielsweise
kann der Befehl durch einen akustisch wiedergegebenen, dem Anwender
vorgespielten Sprachbefehl realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich
hierzu kann die Wiedergabe auch eine visuelle Anzeige auf einem
Bildschirm und dergleichen sein. Die visuelle Wiedergabe/Darstellung/Vorführung
kann auch einfach durch eine entsprechende Anweisung in einem Handbuch und
dergleichen realisiert werden.
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In
einer rechentechnisch besonders bevorzugten Variante der Erfindung
wird die Korrelationsfunktion mittels Pearson-Koeffizienten oder
mittels Kendalls τ berechnet.
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Zur
Erhöhung der Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist bevorzugt, dass die Schritte (a) bis (c) für
mehrere identische Bewegungsmuster nacheinander ausgeführt
werden. Es stehen dann mehrere Bewegungsmuster zur Verfügung,
was die Erkennungsrate erhöhen kann, insbesondere wenn
der Anwender beim Ausführen des Bewegungsmusters und/oder
das Bewegungsmuster selbst deutliche Schwankungen aufweisen. Aus
den mehreren Bewegungsmustern kann aber auch das „beste"
ausgewählt und für die weitere Verarbeitung ausgewählt
werden. Die Schritte (a) bis (c) können allerdings auch
für mehrere verschiedene Bewegungsmuster nacheinander ausgeführt
werden. In dieser Variante der Erfindung wird durch mehrfaches Ausführen
der anfänglichen Kalibrierungsphase sozusagen eine Bibliothek
von charakteristischen Messwertreihen angelegt. Die Schritte (e)
und (f) werden dann auch vorzugsweise mehrfach mit den jeweils im
Schritt (c) gespeicherten charakteristischen Messwertreihen durchgeführt,
wobei im Falle des Nicht-Erkennens eines bestimmten Bewegungsmusters,
dann eventuell ein anderes Bewegungsmuster aus der „Bibliothek"
in der Bewegungssequenz des Anwenders erkannt werden kann.
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Vorteilhafterweise
ist eine MP3-Abspielvorrichtung für die Durchführung
des Schritts (a) vorgesehen. Die MP3-Abspielvorrichtung ist in der
den wenigstens einen Beschleunigungssensor aufweisenden Aktivitätsmessvorrichtung
integriert und gibt über Lautsprecher den/die Befehl(e)
zur Ausführung des/der Bewegungsmuster aus.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen offenbart.
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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:
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1 einen
Gürtel zur Befestigung am Körper eines Patienten
in einer Draufsicht, wobei der Gürtel um die Taille des
Patienten angeordnet werden kann, und eine Gürtelschnalle
mit darin aufgenommener Aktivitätsmessvorrichtung aufweist,
welche mit einem an dem Gürtel befestigbaren Mobiltelefon
in Signalverbindung steht;
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2 eine
Teilansicht des Gürtels von hinten im Bereich der Gürtelschnalle,
wobei in der Gürtelschnalle die erfindungsgemäße
Aktivitätsmessvorrichtung als Box integriert ist;
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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;
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4 ein
Diagramm, welches in einem unteren Teil eine Aufzeichnung von drei
Beschleunigungssensoren der Aktivitätsmessvorrichtung für
Beschleunigungen aller drei Raumrichtungen und in einem oberen Teil die
zugehörige Korrelationsfunktion rx (x-Achse
= oben-unten Richtung) zeigt;
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5 ein
Diagramm, welches in einem unteren Teil eine Aufzeichnung von drei
Beschleunigungssensoren der Aktivitätsmessvorrichtung für
Beschleunigungen aller drei Raumrichtungen und in einem oberen Teil die
zugehörige Produkt-Korrelationsfunktion rx·rz (x-Achse = oben-unten Richtung; z-Achse
= vorne-hinten Richtung) zeigt; und
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6 ein
Flussdiagramm, welches die Verfahrensschritte eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens veranschaulicht.
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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 und/oder daraus verarbeitete Daten und/oder Auswerteergebnisse
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 Halter 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.
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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.
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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.
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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 A/D-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 A/D-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.
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Gemäß einer
(nicht dargestellten) Variante der Erfindung wird die gesamte Auswertung
der erfassten Messdaten lokal vorgenommen. Hierzu kann der Mikroprozessor 8 die
Auswertung übernehmen, so dass grundsätzlich keine
Datenfernübertragungseinrichtung, wie z. B. das Mobiltelefon 4,
erforderlich ist. Für telemedizinische Anwendungen ist
diese allerdings bevorzugt. Das Mobiltelefon 4 kann auch
als SmartPhone ausgebildet sein, und alle Wiedergabe-, Auswerte-
und Datenübertragungsaufgaben der vorliegenden Erfindung übernehmen.
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Im
Folgenden soll das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung in weiterer
Einzelheit erläutert werden. Der Ausgangspunkt beim Detektieren
von bestimmten Bewegungsmustern ist ein Ausschnitt einer Aufzeichnung
mit einer Aktivitätsmessvorrichtung der eingangs beschriebenen
Art, welche lediglich ein individuelles Beispiel der gesuchten Bewegung
enthält. Bezeichnet man mit sx =
(sx(1), ..., sx(l), sy =
(sy(1), ..., sy(l))
bzw. sz = (sz(1),
... sz(l)) die Sequenz der Oben-Unten, Rechts-Links
und Vorne-Hinten-Beschleunigungen dieses Musters, welches in einer
Aufzeichnung erkannt bzw. identifiziert werden soll. In einem ersten
Schritt wird für jede der drei Raumrichtungen eine gleitende
Korrelation be rechnet, und zwar zwischen den Beschleunigungen, die in
dem Muster sind und denjenigen, die in einem jeweiligen Fenster
der abzutastenden Aufzeichnung der Aktivitätsmessvorrichtung
enthalten sind. Wenn sx, sy und
sz eine Länge von l Werten besitzen
und ax(t) die Oben-Unten-Beschleunigung
zur Zeit t bezeichnet, ist die Sequenz von Oben-Unten-Beschleunigungen
im i-ten Fenster wlx = (ax(i),
..., ax(i + l – 1).
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Demzufolge
ist der i-te Wert der gleitenden Korrelation für die Oben-Unten-Beschleunigung
folgendermaßen gegeben rlx = Korrelation(wl x, sx).
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Hierbei
steht Korrelation für irgendein Korrelationsmaß,
das als geeignet angesehen wird (z. B. Pearson-Korrelationskoeffizient
oder Kendalls τ). Die Berechnungen für die anderen
Richtungen werden entsprechend durchgeführt. Diese gleitenden
Korrelationen sind die Basis einer eindimensionalen Charakteristik
bzw. Kennlinie (z. B. das Produkt der drei Korrelationen für
die drei Raumrichtungen), welche die Ähnlichkeit zwischen
dem Referenzabschnitt und dem betroffenen Teil der Aufzeichnung
der Aktivitätsmessvorrichtung, die analysiert werden soll,
anzeigen. Der zweite Schritt besteht darin, hohe Spitzen bzw. Maxima
dieses Ähnlichkeitsparameters zu detektieren, um die Intervalle
(der Länge l) zu identifizieren, von welchen man annimmt, dass
sie die gesuchte Bewegung enthalten.
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Obwohl
grundsätzlich dieses Verfahren auf jede Bewegung anwendbar
ist, wird im Folgenden lediglich auf die Erkennung eines „Sich-hinsetzens"
Bezug genommen. Eine Testperson hat zwei unterschiedliche Aufzeichnungen
mit der Aktivitätsmessvorrichtung erzeugt. Die erste, welche
im Folgenden als Bewegungsmuster bezeichnet wird, wies vier Beispiele
des „Sich-hinsetzens" auf. Für die zweite, die
im Folgenden also Analyse-Aufzeichnung bzw. Bewegungssequenz bezeichnet
wird, führte die Testperson eine 188,25 Sekunden lange
Serie von unterschiedlichen Aktivitäten, einschließlich
von vier Mal „Sich-Hinsetzen" durch (einen Ausschnitt daraus
kann in
4 oder
5 wiedergefunden
werden). Das verwendete Korrelationsmaß war der Pearson-Korrelationskoeffizient.
Somit werden die Komponenten von r
x folgendermaßen
berechnet
wobei
r i / y und r i / z sind entsprechend
definiert.
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Ausgangspunkt
ist die Extraktion des ersten Beispiels des „Sich-hinsetzens"
aus dem Bewegungsmuster. Mittels dieses Bewegungsmusters wurden
die Eigenschaften von unterschiedlichen Ähnlichkeitsparametern
durch Abtasten der Bewegungssequenzaufzeichnung beurteilt. Im Detail
wurde jede der drei gleitenden Korrelationen für sich alleine
sowie das Produkt der entsprechenden Korrelationen, d. h. von allen
dreien von diesen und von rx und rz, betrachtet. Darauffolgend wurden die drei
verbleibenden Beispiele des „Sich-hinsetzens" aus der Bewegungsmusteraufzeichnung
herausgeschnitten, um zu untersuchen, wie gut das Verfahren die
Episoden des „Sich-hinsetzens" in der Bewegungssequenzaufzeichnung
identifiziert, wenn es mit unterschiedlichen Bewegungsmustern verwendet
wird, und um den Ähnlichkeitsparameter herauszufinden,
welcher die besten Ergebnisse liefert.
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Im
ersten Teil der zugrundeliegenden Analyse war es möglich,
exklusiv die vier Episoden des „Sich-hinsetzens" zu detektieren,
wenn die gleitende Korrelation rx für
die Oben-Unten-Beschleunigung alleine oder das Produkt der gleitenden
Korrelationen rx für die Oben-Unten-Beschleunigung
und rz für die Vorne-Hinten-Beschleunigung
verwendet wurden. Die anderen Ähnlichkeitsparameter, welche
betrachtet wurden, haben teilweise falsche Sequenzen identifiziert.
Obwohl die zwei erwähnten Charakteristiken beide fähig
waren, die gesuchte Bewegung zu finden, zeigte das Produkt von rx und rz viel weniger
Rauschen und viel prominentere Spitzen (vgl. 4 mit 5).
Deshalb wurde das Produkt von rx und rz für den zweiten Teil der Untersuchung verwendet.
Ebenfalls wenn man die drei verbleibenden Bewegungsmuster verwendet,
war es möglich, exklusiv die vier Episoden des „Sich-hinsetzens"
zu identifizieren, was einer Sensitivität von 1 sowie einem
positiven Vorhersagewert von 1 entspricht.
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Anhand
des schematischen Flussdiagrams der 6 wird im
Folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung in weiterer Einzelheit erläutert. Im Schritt S100
beginnt das erfindungsgemäße Verfahren. Im Schritt
S101 wird für den Anwender ein Befehl wiedergegeben, ein
bestimmtes Bewegungsmuster auszuführen. Die Wiedergabe
kann dabei akustisch und/oder visuell oder auf eine andere geeignete
Art erfolgen. Bevorzugt ist hierzu ein MP3-Player in der Aktivitätsmessvorrichtung
vorgesehen, welcher den Befehl akustisch wiedergibt. Hierzu eignet
sich auch besonders der Einsatz eines SmartPhones, in welchem der
MP3-Player auch integriert sein kann. Vorzugsweise ist die Wiedergabe
derart, dass auf ein eindeutiges Erkennungszeichen hin, beispielsweise
einen Signalton, das Ende der Anweisung und der Beginn der Ausführung
des Befehls festgelegt wird. Das Bewegungsmuster selbst kann dabei
irgendein Muster der Bewegung sein. Beispielsweise kann das Bewegungsmuster
Gehen, Laufen, Sich-hinsetzen, Sich-hinlegen und dergleichen sein.
Das Bewegungsmuster kann auch eine mehrfache Ausführung
eines Grundbewegungsmusters sein. Es kann daher zur Aufnahme des
Bewegungsmuster auch ein "Parcours" mit einer Vielzahl von Übungen
vorgesehen werden. Insbesondere kann das Bewegungsmuster auch eine
gymnastische Übung, wie z. B. eine Kniebeuge, sein. Während
der Anwender das Bewegungsmuster ausführt, wird im Schritt
S102 das Bewegungsmuster aufgenommen. Hierzu wird wenigstens eine
Messwertreihe von 1 Beschleunigungsmesswerten in einem Zeitfenster
einer vorbestimmten Länge an vorbestimmten Stellen im Zeitfenster
jeweils mittels des wenigstens einen Beschleunigungssensors für
das vom Anwender auf den im Schritt S101 wiedergegebenen Befehl
ausgeführte Bewegungsmuster aufgenommen. Dabei bezeichnet
1 eine natürliche Zahl größer 0. Das
Ergebnis des im Schritt S102 aufgenommenen Bewegungsmusters, d.
h. der erhaltenen Messwertreihe, wird im Schritt S103 als für
das Bewegungsmuster charakteristische Messwertreihe gespeichert.
Dabei kann das Speichern lokal, d. h. in der Aktivitätsmessvorrichtung
selbst, gespeichert werden. Grundsätzlich kann aber auch
das Bewegungsmuster, d. h. die für das Bewegungsmuster
charakteristische Messwertreihe fernübertragen und beispielsweise
auf einem Server gespeichert werden. Im Schritt S104 wird abgefragt,
ob die Kalibrierungsphase beendet werden kann. Der Schritt S104
kann dabei als Abfrage für den Anwender wiedergegeben werden,
so dass der Anwender, beispielsweise in einem Fall, in welchem er
bei der Aufnahme des Bewegungsmusters gestolpert ist, eine wiederholte
Aufnahme initiieren kann. Selbstverständlich kann die Wiedergabe
auch an medizinisches Fachpersonal gerichtet sein. Grundsätzlich
ist aber auch denkbar, dass vom System selbst die Qualität
des aufgenommenen Bewegungsmusters beurteilt wird, wobei im Fall
einer negativen oder nicht ausreichenden Beurteilung die Schritte
S101 bis S103 erneut ausge führt werden. Selbstverständlich
ist aber auch von der Erfindung umfasst, dass sozusagen routinemäßig
mehrere, d. h. eine vorbestimmte Anzahl, von Bewegungsmustern aufgenommen
werden, wobei dann mehrere charakteristische Messwertreihen für
das Bewegungsmuster hinterlegt werden. Selbstverständlich
können dann auch statistische und stochastische Verfahren
verwendet werden, um aus mehreren aufgenommenen charakteristischen
Messwertreihe eine „goldene" charakteristische Messwertreihe
zu bestimmen. Falls im Schritt S104 festgestellt wird, dass die
Kalibrierungsphase nicht beendet werden soll, kehrt das erfindungsgemäße
Verfahren zum Schritt S101 zurück. Ansonsten schreitet
das Verfahren zum Schritt S105 fort. Die Schritte S101 bis S104
bilden eine Kalibrierungsphase für ein bestimmtes Bewegungsmuster.
Dabei ist besonders, dass die Kalibrierung nicht nur in Bezug auf
die verwendete Aktivitätsmessvorrichtung, sondern auch
auf den Anwender individualisiert durchgeführt wird. Dies
sorgt für eine besonders genaue Erkennung des Bewegungsmusters.
Die darauf folgenden Verfahrenschritte S105 bis S109 beziehen sich
auf die Erkennung des Bewegungsmusters in einer Bewegungssequenz
des Anwenders, wobei dieser Teil des erfindungsgemäßen
Verfahrens beispielsweise zum Telemonitoring der Aktivität
eines Anwenders verwendet werden kann. Die Schritte S105 bis S109
können kontinuierlich, d. h. im Dauerbetrieb, durchgeführt
werden; es kommt aber auch eine intermittierende Anwendung in Betracht,
bei welcher zu vorgegebenen Zeiten Bewegungssequenzen des Anwenders
analysiert werden, beispielsweise um eine Verschlechterung des Aktivitätsgrads
zu bestimmen. Im Schritt S105 wird die Bewegungssequenz des Anwenders
gleitend aufgenommen. Hierzu wird wenigstens eine Messwertreihe
von 1 Beschleunigungsmesswerten in einem Zeitfenster der vorbestimmten
Länge an den vorbestimmten Stellen im Zeitfenster jeweils
mittels des wenigstens einen Beschleunigungssensors für
die vom Anwender ausgeführten Bewegungssequenz gleitend
aufgenommen. Obwohl nicht explizit erwähnt, wird die im
Schritt S105 erhaltene gleitende Aufnahme zumindest temporär
vorzugsweise in der Aktivitätsmessvorrichtung selbst gespeichert.
Im Schritt S106 wird die gleitend aufgenommene Bewegungssequenz
mit dem aufgenommenen Bewegungsmuster korreliert. Hierzu wird die
jeweils im Schritt S105 aufgenommene Messwertreihe mit der entsprechenden im
Schritt S103 gespeicherten, für das Bewegungsmuster charakteristischen
Messwertreihe zur Bildung einer gleitenden Korrelationsfunktion
korreliert. Im Schritt S107 wird ein Maximum der im Schritt S106
erhaltenen gleitenden Korrelationsfunktion ermittelt. Falls im Schritt
S108 festgestellt wird, dass ein Maximum der Korrelation ermittelt
wurde, gilt das Bewegungsmuster als erkannt (Schritt S109). Falls
kein Ma ximum ermittelt werden konnte, fährt das erfindungsgemäße
Verfahren mit der gleitenden Aufnahme der Bewegungssequenz fort (Schritt
S105). Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass in Erweiterung
der Schritte S105 bis S109 auch für eine gleitend aufgenommene
Bewegungssequenz gleichzeitig mehrere Bewegungsmuster abgefragt
werden können, um die Bewegungssequenzen nach mehreren
vorgegebenen Bewegungsmustern zu untersuchen. Das erfindungsgemäße
Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel
endet im Schritt S110.
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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. So verwendet
die Erfindung Messwertreihen aus Beschleunigungsmesswerten um das
Bewegungsmuster und die Bewegungssequenz in mathematisch handhabbare
Größen umzuwandeln. Für einen Fachmann
ist offensichtlich, dass anstatt mit Messwertreihen auch beispielsweise
mit interpolierten Funktionen gearbeitet werden kann. Ferner können
die vorbestimmten Stellen in den Zeitfenstern auch beispielsweise
in den Schritten (b) und (d) verschieden sein, wenn z. B. mit interpolierten
Funktionen gearbeitet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005019924
A [0007]