DE102017111026B4

DE102017111026B4 - Device for measuring a person's respiratory activities

Info

Publication number: DE102017111026B4
Application number: DE102017111026.7A
Authority: DE
Inventors: Carla Kulcsar; Yasmina Höher; Otto Thies
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2025-08-21
Anticipated expiration: 2037-05-20
Also published as: DE102017111026A1

Abstract

Atmungsmessgerät zur Messung der Atmung einer Person, die mit ihrem Kopf auf einer Kopfliegefläche aufliegt, mit
wenigstens einem Strömungsmesssensor, der relativ zur Kopfliegefläche positionswahrend und der Kopfliegefläche gegenüberliegend angeordnet ist und der eine Ausatmung durch eine Strömungsänderung am Strömungsmesssensor durch den an ihm vorbeiströmenden Atem misst, und mit
wenigstens einer Brückenschaltung (1) mit zwei Spannungsteilern, die den wenigstens einen Strömungsmesssensor als Widerstand einer der zwei Spannungsteiler aufweist und die zwei Messpole zwischen den Spannungsteilern aufweist, und mit einer Auswerteeinrichtung, die jeweils an die beiden Messpole der wenigstens einen Brückenschaltung (1) elektrisch leitend angeschlossen ist und die Atemaussetzer der Atmung der Person misst,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsmesssensor ein freiliegendes Messelement umfasst, das als Drahtwendel ausgebildet ist und ein baugleiches Messelement vorgesehen ist, das in einen Glaskolben eingebracht ist und eine Mehrzahl an Strömungsmesssensoren vorgesehen ist, die jeweils relativ zur Kopfliegefläche positionsfest angeordnet ist. Respiration measuring device for measuring the respiration of a person who is resting with his head on a headrest, with
at least one flow measuring sensor, which is arranged in a position-maintaining manner relative to the head-resting surface and opposite the head-resting surface and which measures an exhalation by a flow change at the flow measuring sensor due to the breath flowing past it, and with
at least one bridge circuit (1) with two voltage dividers, which has the at least one flow measuring sensor as a resistor of one of the two voltage dividers and which has two measuring poles between the voltage dividers, and with an evaluation device which is electrically connected to the two measuring poles of the at least one bridge circuit (1) and measures the breathing pauses of the person,
characterized in that the flow measuring sensor comprises an exposed measuring element which is designed as a wire coil and an identical measuring element is provided which is introduced into a glass bulb and a plurality of flow measuring sensors are provided, each of which is arranged in a fixed position relative to the headrest surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Atmungsmessgerät zur Messung der Atmung einer Person.The invention relates to a respiration measuring device for measuring a person's breathing.

Atmungsmessgeräte sind im Stand der Technik bekannt. In der WO 2016/027086 A1 ist ein handgehaltenes Überwachungsgerät für das Atmungsmuster eines Patienten bekannt. Dabei wird eine Maske auf das Gesicht des Patienten gesetzt, die die Atmungsaktivitäten nicht oder nur wenig beeinflussen soll. Nachteilig daran ist, dass die Maske während des Schlafes ständig positionsfest auf dem Gesicht des Patienten verbleibt, um die Luftströmung des Atems gegenüber dem in der Maske befindlichen Sensor wenig zu beeinflussen.Respiration measuring devices are known in the state of the art. WO 2016/027086 A1 is a handheld monitoring device for a patient's breathing pattern. A mask is placed over the patient's face, designed to have little or no influence on breathing activity. The disadvantage is that the mask remains in constant position on the patient's face while they sleep, minimizing the impact on the airflow from the breath compared to the sensor inside the mask.

In der WO 02/062282 A1 ist ein Säuglingsinkubator mit einer kontaktlosen Sensor- und Monitorüberwachung offenbart. Die Sensoren umfassen einen Infrarotsensor, eine Kamera, Mikrofone und einen Lautsprecher, wobei Infrarotsensor und Kamera mit einer Videoverarbeitungssoftware zur Feststellung der Atmungsrate, Herzschlagrate und Hautdurchblutung verbunden sind.In the WO 02/062282 A1 An infant incubator with contactless sensor and monitor monitoring is disclosed. The sensors include an infrared sensor, a camera, microphones, and a speaker. The infrared sensor and camera are connected to video processing software for detecting respiration rate, heart rate, and skin perfusion.

In der US 2010/0145211 A1 ist ein System zur Messung der Atmungsaktivität eines Patienten beschrieben, das eine Maske umfasst, die dem Patienten aufgesetzt wird.In the US 2010/0145211 A1 describes a system for measuring the respiratory activity of a patient, which includes a mask that is placed on the patient.

In der DE 10133120 C2 ist ein Heißdrahtanemometer mit zwei Brückenschaltungen beschrieben und in der US 2015/0309067 A1 ist ebenfalls ein Heißdrahtanemometer offenbart mit einem nachgeschalteten Verstärkungselement und einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit.In the DE 10133120 C2 A hot-wire anemometer with two bridge circuits is described and in the US 2015/0309067 A1 A hot wire anemometer is also disclosed with a downstream amplification element and a downstream signal processing unit.

In der US 2010/0145211 A1 ist ein Strömungsmeter offenbart, das ebenfalls eine Maske aufweist, die über Mund und Nase des Patienten gelegt wird. Das Strömungsmeter weist einen Glühdraht auf, der Widerstand einer Brückenschaltung ist. Ein Spannungssignal der Brückenschaltung wird mittels einer Extraktionsschaltung und einer Detektionsschaltung ausgewertet.In the US 2010/0145211 A1 A flowmeter is disclosed that also includes a mask placed over the patient's mouth and nose. The flowmeter includes a filament that serves as a resistor in a bridge circuit. A voltage signal from the bridge circuit is evaluated by means of an extraction circuit and a detection circuit.

In der DE 10 2005 000 964 B3 ist ein Verfahren zur Messung einer Volumenstromdifferenz offenbart, das insbesondere Einsatz in einem Beatmungsgerät mit einem ersten resistiven Durchflusssensor und einem zweiten resistiven Durchflusssensor findet, wobei der erste resistive Durchflusssensor in dem Zustrom angeordnet ist und wobei der zweite resistive Durchflusssensor in dem Abstrom angeordnet ist. Nachteiligerweise ist die Apparatur relativ aufwendig.In the DE 10 2005 000 964 B3 A method for measuring a volume flow difference is disclosed, which is particularly used in a ventilator with a first resistive flow sensor and a second resistive flow sensor, wherein the first resistive flow sensor is arranged in the inflow and the second resistive flow sensor is arranged in the outflow. Unfortunately, the apparatus is relatively complex.

Aus der US 4,036,217 ist ein Messgerät mit einem Heißdrahtanemometer bekannt. Dabei werden auf der Brust des Patienten Elektroden aufgebracht. Nachteiligerweise wird auch hier der Patient mit dem Messgerät in unmittelbare Berührung gebracht.From the US$4,036,217 A measuring device using a hot-wire anemometer is known. Electrodes are applied to the patient's chest. Unfortunately, this also brings the patient into direct contact with the measuring device.

Die US 7,533,670 B1 offenbart ein Atmungsmessgerät, wobei auch hier Sensoren auf der Brust oder im Nasen- und Rachenbereich des Patienten eingebracht werden.The US 7,533,670 B1 discloses a respiratory measuring device, where sensors are also placed on the chest or in the nose and throat area of the patient.

Die US 8,434,479 B2 betrifft ein Heißdrahtanemometer, bei dem ebenfalls eine Maske auf den Mund-/Nasenbereich des Patienten gesetzt wird.The US 8,434,479 B2 concerns a hot wire anemometer, in which a mask is also placed on the patient's mouth/nose area.

US 2011/0201956 A1 betrifft ein Messgerät zur Diagnose physiologischer Parameter der Lunge, wobei ein Bronchoskop über die Luftröhre in die Lunge eingelassen wird. US 2011/0201956 A1 refers to a measuring device for diagnosing physiological parameters of the lungs, whereby a bronchoscope is inserted into the lungs via the trachea.

Darüber hinaus sind Beatmungsgeräte, beispielsweise die EvitaXL der Dräger Medical AG & Co. KGaA, bekannt, die sich aber nicht zur Überwachung von Atemaussetzern eignen.In addition, ventilators are known, such as the EvitaXL from Dräger Medical AG & Co. KGaA, but they are not suitable for monitoring respiratory pauses.

Nachteilig an den genannten Atmungsmessgeräten ist auch die Tatsache, dass sie eine Maske aufweisen, die über Mund und Nase des Patienten festgezogen werden muss und dort während der Atmungsaufzeichnung, insbesondere auch während des Schlafens verbleiben muss. Nachteilig an den genannten Atmungsmessgeräten ist auch, dass die festgezogene Maske den Schlafrhythmus der Patienten stört.Another disadvantage of these respiration monitors is the fact that they feature a mask that must be tightly tightened over the patient's mouth and nose and must remain in place during respiration recording, especially while sleeping. Another disadvantage of these respiration monitors is that the tightened mask disrupts the patient's sleep rhythm.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein eingangs genanntes Atmungsmessgerät zur Verfügung zu stellen, das die genannten Nachteile nicht aufweist.It is therefore an object of the invention to provide a respiration measuring device as mentioned above which does not have the disadvantages mentioned.

Die Aufgabe wird durch ein Atmungsmessgerät zur Messung von Atmungsaktivitäten einer Person gelöst, die mit ihrem Kopf auf einer Kopfliegefläche aufliegt. Bei der Person kann es sich um einen Patienten, um einen Erwachsenen oder um ein Kind oder einen Säugling handeln, grundsätzlich kann das Gerät aber auch bei Tieren eingesetzt werden.This task is solved by a respiration measuring device for measuring the respiratory activity of a person resting with their head on a headrest. The person can be a patient, an adult, a child, or an infant, but the device can also be used on animals.

Die Atmungsaktivitäten der Person können in medizinischen, industriellen, militärischen Bereichen oder im häuslichen Bereich gemessen werden, und zwar während des Wachseins, vorzugsweise aber während des Schlafens der Person. Dazu liegt die Person günstigerweise auf einer im Wesentlichen horizontalen Liegefläche auf, wobei der Kopf der Person auf einem Teil der Liegefläche, der Kopfliegefläche, aufliegt.A person's respiratory activities can be measured in medical, industrial, military, or domestic settings, while awake, but preferably while asleep. For this purpose, the person is conveniently lying on a substantially horizontal surface with the person's head resting on a portion of the surface, the headrest.

Das erfindungsgemäße Atmungsmessgerät weist wenigstens einen Strömungsmesssensor auf, der erfindungsgemäß relativ zur Kopfliegefläche positionswahrend ist und der der Kopfliegefläche gegenüberliegend angeordnet ist. Der wenigstens eine Strömungsmesssensor ist während der Messung der Atmung der Person, auch während des Schlafens der Person und vorzugsweise während des gesamten Messverlaufs positionswahrend gegenüber der Kopfliegefläche angeordnet, so dass die Person ihren Kopf bewegen kann, ohne dass der wenigstens eine Strömungsmesssensor mitbewegt wird. Der wenigstens eine Strömungsmesssensor verbleibt während der Messung positionswahrend gegenüber der Kopfliegefläche und vorzugsweise ortsfest im Raum. Erfindungsgemäß ist keine Maske erforderlich. Eine Maske ist nicht Bestandteil des erfindungsgemäßen Atmungsmessgerätes. Das Atmungsmessgerät ist maskenlos. Während der Messung der Atmung ist der Kopf der Person zwischen der Kopfliegefläche und dem wenigstens einen Strömungsmesssensor angeordnet, üblicherweise ist der wenigstens eine Strömungsmesssensor vertikal oberhalb der Kopfliegefläche angeordnet.The breathing measuring device according to the invention has at least one flow measuring sensor which, according to the invention, is arranged relative to the headrest maintains its position and is arranged opposite the headrest. The at least one flow measuring sensor is arranged in a position-maintaining manner opposite the headrest during the measurement of the person's breathing, even while the person is sleeping and preferably during the entire measurement process, so that the person can move their head without the at least one flow measuring sensor moving with it. The at least one flow measuring sensor remains in a position-maintaining manner opposite the headrest during the measurement and is preferably stationary in the room. According to the invention, no mask is required. A mask is not part of the respiration measuring device according to the invention. The respiration measuring device is maskless. During the measurement of breathing, the person's head is arranged between the headrest and the at least one flow measuring sensor; usually the at least one flow measuring sensor is arranged vertically above the headrest.

Der wenigstens eine Strömungsmesssensor ist vorzugsweise an einer Halterung befestigt, die beabstandet von der und über die Kopfliegefläche verlaufen kann. Bei der Halterung kann es sich um eine vorzugsweise horizontal angeordnete Stange handeln. Die Stange ist günstigerweise an einem auf dem Boden stehenden Ständer befestigt oder direkt an einem Bettgestell, in dem die Person liegt. Es sind auch andere Befestigungsarten denkbar. Positionswahrend ist weitgefasst zu verstehen. Die relative Anordnung braucht nicht dauerhaft fest zu sein, wie beispielsweise die Befestigung am Bettgestell, sondern sie kann auch veränderbar sein, wie beispielsweise der Ständer neben dem Bettgestell. Während des Betriebs, insbesondere der Messung, ist der Strömungsmesssensor aber zur Kopfliegefläche unbeweglich trotz der möglichen Kopfbewegungen der Person, insbesondere auch im Schlaf.The at least one flow measuring sensor is preferably attached to a holder which can run at a distance from and above the headrest surface. The holder can be a preferably horizontally arranged rod. The rod is advantageously attached to a stand on the floor or directly to a bed frame in which the person is lying. Other types of attachment are also conceivable. Position-maintaining is to be understood broadly. The relative arrangement does not have to be permanently fixed, such as attachment to the bed frame, but can also be changeable, such as the stand next to the bed frame. During operation, in particular during measurement, the flow measuring sensor is immobile in relation to the headrest surface despite possible head movements of the person, in particular during sleep.

Das erfindungsgemäße Atmungsmessgerät ist berührungslos zur Person ausgebildet. Die Atemmessungen erfolgen, ohne die Person durch das Gerät, beispielsweise in Form einer Maske, berühren zu müssen. Berührungen unabhängig von der reinen Atmungsmessung wie Pulsmessungen usw. sind dennoch möglich.The respiratory measuring device according to the invention is designed to be contactless. Breath measurements are taken without the need to touch the person through the device, for example, in the form of a mask. Contact independent of pure respiratory measurements, such as pulse measurements, is still possible.

Der erfindungsgemäße wenigstens eine Strömungsmesssensor ist vorzugsweise als wenigstens ein Temperatursensor ausgebildet. Er misst Temperaturänderungen aufgrund des an ihm vorbeiströmenden Luftstromes beim Ausatmen. Der an dem Temperatursensor vorbeiströmende Atem bewirkt eine Temperaturänderung vorzugsweise am Temperatursensor oder in Bereichen der Außenfläche des Temperatursensors. Vorzugsweise wird die Existenz von Atemimpulsen gemessen, d. h. es zeigt sich die Tatsache, ob eine Ein-/Ausatmung erfolgt ist, durch plötzliche Temperaturänderung am Temperatursensor. Findet keine Ein-/Ausatmung statt, werden keine Impulse gemessen. Das erfindungsgemäße Atmungsmessgerät dient daher insbesondere zur Messung von Apnoe oder der Verhinderung eines plötzlichen Kindstods.The at least one flow sensor according to the invention is preferably designed as at least one temperature sensor. It measures temperature changes due to the airflow flowing past it during exhalation. The breath flowing past the temperature sensor causes a temperature change, preferably at the temperature sensor or in areas of the outer surface of the temperature sensor. Preferably, the presence of respiratory pulses is measured, i.e., the fact of whether an inhalation or exhalation has occurred is indicated by a sudden temperature change at the temperature sensor. If no inhalation or exhalation occurs, no pulses are measured. The respiratory measuring device according to the invention is therefore used in particular for measuring apnea or preventing sudden infant death syndrome.

Das erfindungsgemäße Atmungsmessgerät umfasst wenigstens eine Brückenschaltung mit zwei Spannungsteilern, die den wenigstens einen Strömungsmesssensor als Widerstand einer der zwei Spannungsteiler aufweist und die zwei Messpole zwischen den Spannungsteilern aufweist.The respiration measuring device according to the invention comprises at least one bridge circuit with two voltage dividers, which has the at least one flow measuring sensor as a resistor of one of the two voltage dividers and which has two measuring poles between the voltage dividers.

Dabei ist jedem des wenigstens einen Strömungsmesssensors jeweils eine separate Brückenschaltung mit jeweils zwei Spannungsteilern zugeordnet, und jeder Strömungsmesssensor ist als Widerstand einer der zwei Spannungsteiler vorgesehen. Wenn das Atmungsmessgerät zwei oder mehr Strömungsmesssensoren aufweist und zwei oder mehr Brückenschaltungen, ist erfindungsgemäß jedem Strömungsmesssensor genau eine separate Brückenschaltung zugeordnet, wobei die Brückenschaltungen mit den ihnen zugeordneten Strömungsmesssensoren untereinander im Wesentlichen baugleich sind, vorzugsweise identisch aufgebaut sind.Each of the at least one flow sensor is assigned a separate bridge circuit with two voltage dividers, and each flow sensor is provided as a resistor for one of the two voltage dividers. If the respiration measuring device has two or more flow sensors and two or more bridge circuits, according to the invention, each flow sensor is assigned exactly one separate bridge circuit, wherein the bridge circuits and the flow sensors assigned to them are essentially identical to one another, preferably of identical construction.

Erfindungsgemäß ist auch eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die jeweils an die beiden Messpole der wenigstens einen Brückenschaltung elektrisch leitend angeschlossen ist und die Atemaussetzer der Atmung der Person misst und vorzugsweise signalisiert.According to the invention, an evaluation device is also provided which is electrically connected to the two measuring poles of the at least one bridge circuit and which measures and preferably signals the pauses in the breathing of the person.

Erfindungsgemäß weist der Strömungsmesssensor, insbesondere Temperatursensor ein zur Umgebungsluft hin vollständig freiliegendes Messelement auf. Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Messelement des Temperatursensors zur Umgebungsluft hin vollständig freiliegt, wobei vollständig freiliegend hier so zu verstehen ist, dass ein Atemstrom der Person, zumindest, wenn die Person ihren Mund in Atemstromrichtung vor dem Temperatursensor hat, ungestört auf das Messelement trifft.According to the invention, the flow sensor, in particular the temperature sensor, has a measuring element that is completely exposed to the ambient air. Essential to the invention is that the measuring element of the temperature sensor is completely exposed to the ambient air, whereby "completely exposed" is understood here to mean that the person's breath flow, at least when the person's mouth is positioned in front of the temperature sensor in the direction of the breath flow, impinges on the measuring element without interference.

Vorzugsweise weist das Messelement in Betrieb des Atmungsmessgeräts eine Betriebstemperatur von über 100 °C, vorzugsweise zwischen 100 °C bis 300 °C auf. Grundsätzlich sind auch andere Betriebstemperaturen möglich. Das Messelement ist vorzugsweise auf eine Betriebstemperatur von deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur oder Raumtemperatur aufgeheizt, so dass die Atemimpulse der Person beim Ausatmen, auch wenn der Luftstrom nur oder nur zum Teil an dem Messelement vorbeistreicht, zu einer Temperaturänderung, vorzugsweise Temperatursenkung des Messelements, vorzugsweise eines Bereiches des Messelements führen.During operation of the respiration measuring device, the measuring element preferably has an operating temperature of over 100°C, preferably between 100°C and 300°C. In principle, other operating temperatures are also possible. The measuring element is preferably heated to an operating temperature significantly above ambient or room temperature, so that the person's breathing impulses during exhalation, even if the air flow only or only partially passes the measuring element, lead to a temperature change, preferably a temperature reduction, of the measuring element. preferably an area of the measuring element.

Die Temperaturänderung auch nur eines Bereiches des Messelements erzeugt eine ohmsche Widerstandsänderung des Messelements, die am Temperatursensor als Änderung einer Spannungsdifferenz mittels der Brückenschaltung detektierbar ist.The temperature change of even just one area of the measuring element generates an ohmic resistance change of the measuring element, which can be detected at the temperature sensor as a change in a voltage difference by means of the bridge circuit.

Bei dem Messelement kann es sich um Drahtwendeln von üblichen Glühlampen handeln. Die Drahtwendeln bestehen aus Wolframdraht, der einen Durchmesser von 10 bis 30 µm aufweist. Der Wolframdraht besteht üblicherweise zu 99 % ±1 % aus Wolfram.The measuring element can be the filaments of a standard incandescent lamp. The filaments are made of tungsten wire with a diameter of 10 to 30 µm. The tungsten wire is typically 99% ±1% tungsten.

Es ist jedoch auch denkbar, flächig leitend beschichtete Träger als Messelement zu verwenden, die auf eine oberhalb der Zimmertemperatur liegende Betriebstemperatur gebracht werden.However, it is also conceivable to use conductively coated carriers as measuring elements, which are brought to an operating temperature above room temperature.

Als besonders bevorzugt hat es sich jedoch herausgestellt, Drahtwendeln von Glühlampen als Temperatursensoren zu verwenden, indem ein Glaskolben der Glühlampe entfernt wird. Die verbleibende Glühlampe ist mit ihrem Gewinde in eine herkömmliche Fassung eingeschraubt und bildet den Temperatorsensor aus.However, it has proven particularly advantageous to use the wire filaments of incandescent lamps as temperature sensors. This involves removing a glass bulb from the lamp. The remaining bulb is screwed into a conventional socket with its thread, forming the temperature sensor.

Die Brückenschaltung des wenigstens einen Temperatursensors ist ausbalanciert, wenn die Person nicht atmet, also kein Luftstrom am Temperatursensor vorbeistreicht, d. h. zwischen den beiden Messpolen der Brückenschaltung ist keine Spannung messbar.The bridge circuit of at least one temperature sensor is balanced when the person is not breathing, i.e. no air flow passes the temperature sensor, i.e. no voltage can be measured between the two measuring poles of the bridge circuit.

Im ausbalancierten Zustand fließt durch den wenigstens einen Temperatursensor dennoch ein hinreichend starker Strom, um den Temperatursensor, insbesondere das Messelement, vorzugsweise die Drahtwendel auf die oben genannte Betriebstemperatur zu bringen und zu halten. Der Temperatursensor weist im Betriebszustand einen Warmwiderstand auf, der sich vom Kaltwiderstand hinreichend stark unterscheidet.In the balanced state, a sufficiently strong current still flows through the at least one temperature sensor to bring the temperature sensor, in particular the measuring element, preferably the wire coil, to the aforementioned operating temperature and maintain it there. In the operating state, the temperature sensor has a hot resistance that differs sufficiently from the cold resistance.

Zwar ist die in der Drahtwendel gespeicherte Energie sehr gering. Aus Sicherheitsgründen kann es dennoch vorgesehen sein, dass die Drahtwendel von einem umgebungsluftdurchlässigen Drahtgitter umgeben ist, das einen zufälligen Kontakt verhindert.Although the energy stored in the wire coil is very low, for safety reasons, the wire coil may be surrounded by a wire mesh permeable to ambient air to prevent accidental contact.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine Strömungsmesssensor in einem Abstand zwischen 10 bis 30 cm vor dem Mund des Patienten angeordnet. Jeder Abstand zwischen den genannten Werten ist mitoffenbart. Es sind aber auch größere Abstände möglich. Dabei variiert natürlich der Abstand aufgrund der Kopfbewegungen der Person.Preferably, the at least one flow sensor is positioned at a distance of between 10 and 30 cm from the patient's mouth. Any distance between these values is disclosed. However, larger distances are also possible. Of course, the distance varies depending on the patient's head movements.

Erfindungsgemäß umfasst ein zum Strömungsmesssensor, insbesondere Temperatursensor vorzugsweise im Parallelzweig geschalteter Widerstand der Brückenschaltung ein zum Messelement des Temperatursensors baugleiches Messelement, das allerdings gegenüber der Umgebungsluft atemluftstromdicht abgeschirmt ist. Das baugleiche Messelement, das im Gegensatz zum Messelement des Temperatursensors gegenüber dem Atemstrom abgeschirmt ist, balanciert in der Brückenschaltung längerfristige Temperaturänderungen aus, beispielsweise Änderungen der Zimmertemperatur. Damit werden langfristige Temperaturänderungen, sowohl vom wenigstens einen Temperatursensor als auch von dem wenigstens einen baugleichen Messelement, in gleicher Weise aufgenommen und führen zu einer gleichen Widerstandsänderung und balancieren die Brückenschaltung aus, während die durch die Atemimpulse bewirkten kurzfristigen Temperaturänderungen nur von dem wenigstens einen Temperatursensor aufgenommen werden, während das baugleiche Messelement atemluftstromdicht abgeschirmt ist.According to the invention, a resistor of the bridge circuit, preferably connected in parallel with the flow measuring sensor, in particular the temperature sensor, comprises a measuring element of the same construction as the measuring element of the temperature sensor, but which is shielded from the ambient air in a way that is tight against the respiratory air flow. The identical measuring element, which, in contrast to the measuring element of the temperature sensor, is shielded from the respiratory flow, balances out longer-term temperature changes in the bridge circuit, for example changes in room temperature. Thus, long-term temperature changes are recorded in the same way by both the at least one temperature sensor and the at least one identical measuring element, leading to an identical change in resistance and balancing out the bridge circuit, whereas the short-term temperature changes caused by the respiratory pulses are recorded only by the at least one temperature sensor, while the identical measuring element is shielded in a way that is tight against the respiratory air flow.

Besonders bevorzugt ist das baugleiche Messelement ebenfalls als Drahtwendel ausgebildet, vorzugsweise als baugleiche Drahtwendel, wobei die baugleiche Drahtwendel in einem Glaskolben angeordnet ist und der Glaskolben günstigerweise ein Loch mit einem Durchmesser von 1 bis 3 mm aufweist, über das die baugleiche Drahtwendel mit der Umgebungsluft in luftleitender Verbindung steht, aber auch atemluftstromdicht abgeschirmt ist. Praktisch wird der Temperatursensor daher durch eine Glühlampe gebildet, von der der Glaskolben abgenommen ist, während die baugleiche Drahtwendel in einer baugleichen Glühlampe angeordnet ist, in deren Glaskolben ein oben genanntes Loch atemluftstromdicht eingebracht ist.Particularly preferably, the identical measuring element is also designed as a wire coil, preferably as an identical wire coil, wherein the identical wire coil is arranged in a glass bulb, and the glass bulb advantageously has a hole with a diameter of 1 to 3 mm, through which the identical wire coil is in air-conducting contact with the ambient air, but is also shielded to prevent breathing air flow. In practice, the temperature sensor is therefore formed by a light bulb from which the glass bulb is removed, while the identical wire coil is arranged in an identical light bulb, in whose glass bulb the above-mentioned hole is introduced to prevent breathing air flow.

Günstigerweise ist zur Einstellung des Betriebsstroms des wenigstens einen Temperatursensors zur Brückenschaltung ein regelbarer Widerstand in Reihe geschaltet. Mit ihm ist der Warmwiderstand des Temperatursensors einstellbar. Der Warmwiderstand des Temperatursensors wird auf eine der oben genannten Temperaturen günstigerweise eingestellt.To adjust the operating current of at least one temperature sensor, an adjustable resistor is advantageously connected in series with the bridge circuit. This resistor can be used to adjust the temperature sensor's hot resistance. The temperature sensor's hot resistance is advantageously set to one of the aforementioned temperatures.

Erfindungsgemäß ist eine Mehrzahl an Strömungsmesssensoren, insbesondere Temperatursensoren vorgesehen, die jeweils relativ zur Kopffläche positionsfest ausgebildet angeordnet sind.According to the invention, a plurality of flow measuring sensors, in particular temperature sensors, are provided, each of which is arranged in a fixed position relative to the head surface.

Es hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung eines einzelnen Temperatursensors die Messungen der Atemimpulse beim Ausatmen der Person unterschiedliche Stärken aufweisen, je nachdem in welcher Position sich der Mund der Person gegenüber dem Temperatursensor befindet. Wenn der Atem direkt auf den Temperatursensor gerichtet ist, ist eine stärkere Temperaturänderung festzustellen, als wenn der Kopf zur Seite geneigt ist und der Atem nur zu einer geringeren Luftströmung am Temperatursensor führt.It has been shown that when using a single temperature sensor, the measurements of the respiratory pulses during the person's exhalation have different strengths depending on the position of the person's mouth relative to the temperature sensor. When the breath is aimed directly at the temperature sensor, a greater temperature change can be observed than if the head is tilted to the side and the breath only leads to a lower air flow at the temperature sensor.

Daher ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise der oben beschriebene Aufbau eines Temperatursensors mehrfach vorgesehen. Es ist eine Mehrzahl an Temperatursensoren vorgesehen, die jeweils relativ zur Kopfliegefläche an verschiedenen Stellen positionsfest angeordnet ist. Dabei hat es sich gezeigt, dass es zur Messung von Atemimpulsen hinreichend ist, eine Mehrzahl an Temperatursensoren quer zur Längsrichtung des Körpers der Person, also entlang der Drehrichtung des Kopfes bzw. des Mundes der Person anzuordnen, da je nach Drehstellung des Kopfes zumindest einer der Temperatursensoren einen hinreichend starken Ausatmungsimpuls empfängt.Therefore, according to a further development of the invention, the above-described structure of a temperature sensor is preferably provided in multiple locations. A plurality of temperature sensors is provided, each of which is fixedly positioned at different locations relative to the headrest. It has been shown that, for measuring respiratory pulses, it is sufficient to arrange a plurality of temperature sensors transversely to the longitudinal direction of the person's body, i.e., along the direction of rotation of the person's head or mouth, since, depending on the rotational position of the head, at least one of the temperature sensors receives a sufficiently strong exhalation pulse.

Es hat sich gezeigt, dass bereits vier Temperatursensoren hinreichend sind, einen Ausatmungsimpuls der Person unabhängig von der Kopfdrehstellung sicher zu detektieren. Es ist jedoch auch denkbar, dass jede höhere Anzahl oder auch jede tiefere Anzahl an Temperatursensoren Verwendung finden kann.It has been shown that just four temperature sensors are sufficient to reliably detect a person's exhalation pulse, regardless of head rotation. However, it is also conceivable that any higher or lower number of temperature sensors could be used.

Vorzugsweise umfasst die Auswerteeinrichtung eine Summationsschaltung, die die Messwerte der Mehrzahl an Temperatursensoren jeweils zu verschiedenen und mehreren Zeitpunkten, vorzugsweise kontinuierlich aufsummiert. Dabei kann insbesondere festgestellt werden, ob ein Atemimpuls vorliegt oder nicht.The evaluation device preferably comprises a summation circuit that sums the measured values of the plurality of temperature sensors at different and multiple points in time, preferably continuously. This can be used, in particular, to determine whether a respiratory impulse is present or not.

In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Atmungsmessgerätes sind durch die Auswerteeinrichtung Gewichtungsfaktoren ermittelbar, die den Temperatursensoren zuordnenbar sind, und den Temperatursensoren, die stärker von der Luftströmung beim Ausatmen getroffen sind, sind höhere Gewichtungsfaktoren zugeordnet als den Temperatursensoren, die weniger stark von der Luftströmung beim Ausatmen getroffen sind.In a further development of the respiration measuring device according to the invention, weighting factors that can be assigned to the temperature sensors can be determined by the evaluation device, and higher weighting factors are assigned to the temperature sensors that are more strongly affected by the air flow during exhalation than to the temperature sensors that are less strongly affected by the air flow during exhalation.

Dadurch kann Information beispielsweise über die Drehung des Kopfes der Person, die Häufigkeit der Drehung des Kopfes usw. gewonnen werden. Es kann auch das Hintergrundrauschen verringert werden. Günstigerweise ist in der Auswerteeinrichtung ein Entscheider angeordnet, der die Messimpulse beispielsweise nur bei Überschreiten eines Mindestwertes zur Auswertung heranzieht. Dadurch werden nur die Messwerte der direkt vor dem Mund der Person angeordneten Temperatursensoren berücksichtigt, wodurch ein Bewegungsprofil des Kopfes detektierbar ist. Der Entscheider kann die Größe der Messimpulse auch ordnen und entsprechend die Gewichtungen bestimmenThis allows information to be obtained, for example, about the rotation of the person's head, the frequency of head rotation, etc. Background noise can also be reduced. Ideally, a decision processor is installed in the evaluation device that only considers the measurement pulses when, for example, a minimum value is exceeded. This means that only the measured values from the temperature sensors located directly in front of the person's mouth are taken into account, allowing a head movement profile to be detected. The decision processor can also order the size of the measurement pulses and determine the weightings accordingly.

Besonders bevorzugt umfasst die Auswerteeinrichtung wenigstens einen analogen Filter und wenigstens einen analogen Verstärker, die an die beiden Messpole der Brückenschaltung elektrisch leitend angeschlossen sind.Particularly preferably, the evaluation device comprises at least one analog filter and at least one analog amplifier, which are electrically connected to the two measuring poles of the bridge circuit.

Vorzugsweise ist beim Vorhandensein einer Mehrzahl an Temperatursensoren eine Mehrzahl an Brückenschaltungen, vorzugsweise auch eine Mehrzahl an Verstärkern und Filtern vorgesehen, die jeweils einer der Brückenschaltungen zugeordnet werden.Preferably, when a plurality of temperature sensors are present, a plurality of bridge circuits, preferably also a plurality of amplifiers and filters, are provided, each of which is assigned to one of the bridge circuits.

Zur Auswertung der Spannungssignale zwischen den Messpolen der Brückenschaltung ist die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise zwei als Tiefpassfilter geschaltete Operationsverstärker umfasst. Die Operationsverstärker können über einen Hochpassfilter miteinander gekoppelt sein. Ein aus Hoch- und Tiefpassfilter gebildeter Bandbassfilter ist günstigerweise asymmetrisch und durchlässig für Signale mit Frequenzen zwischen 0,15 Hz und 20 Hz. Die durchschnittliche und übliche Atmungsfrequenz liegt bei einem Atemzug je alle vier Sekunden, so dass sich der oben genannte Bandpassfilter als sinnvoll herausgestellt hat. Natürlich sind die Bandbreiten des Bandpassfilters einstellbar und der jeweiligen Person anpassbar.To evaluate the voltage signals between the measuring terminals of the bridge circuit, the evaluation device according to the invention is provided, which preferably comprises two operational amplifiers connected as low-pass filters. The operational amplifiers can be coupled to each other via a high-pass filter. A bandpass filter formed from a high-pass and low-pass filter is advantageously asymmetrical and permeable to signals with frequencies between 0.15 Hz and 20 Hz. The average and usual respiratory rate is one breath every four seconds, so the aforementioned bandpass filter has proven to be useful. Of course, the bandwidths of the bandpass filter are adjustable and can be adapted to the individual.

Günstigerweise ist dem analogen Verstärker und Filter ein A/D-Wandler nachgeschaltet, der die analogen Messsignale in digitale Messsignale wandelt; die Digitalisierung hat sich als vorteilhaft erwiesen, um nach der Digitalisierung die digitalen Messwerte mit einem Schwellenwert zu vergleichen oder eine digitale Filterung durchzuführen. Der Schwellenwert ist in seiner Größe so festgelegt, dass ein immer vorhandenes Hintergrundrauschen die Auswertungsergebnisse nicht verfälscht. Das Rauschen erzeugt üblicherweise deutlich kleinere Spannungsmesswerte als ein Ausatmungsimpuls. Die nur durch den Ausatmungsimpuls verursachte Überschreitung des Schwellenwertes wird registriert. Dem A/D-Wandler ist dazu ein Mikrocontroller oder ein digitaler Signalprozessor (DSP) nachgeschaltet, der die digitalisierten Messwerte mit dem Schwellenwert vergleicht und bei Überschreiten des Schwellenwertes ein Messsignal unabhängig von der Höhe der Überschreitung misst und einen zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Messsignalen bestimmt und ein Warnsignal erzeugt, wenn der zeitliche Abstand größer als ein vorgegebener Zeithöchstwert ist. Für die Apnoeerkennung ist der Zeithöchstwert günstigerweise auf 12 Sekunden ± 2 Sekunden gesetzt.Advantageously, an A/D converter is connected downstream of the analog amplifier and filter, which converts the analog measurement signals into digital measurement signals. Digitization has proven advantageous for comparing the digital measurement values with a threshold value after digitization or for performing digital filtering. The threshold value is set in such a way that the ever-present background noise does not distort the evaluation results. This noise usually produces significantly smaller voltage measurements than an exhalation pulse. The exceedance of the threshold value, caused solely by the exhalation pulse, is registered. For this purpose, a microcontroller or a digital signal processor (DSP) is connected downstream of the A/D converter, which compares the digitized measurement values with the threshold value and, if the threshold value is exceeded, measures a measurement signal regardless of the extent of the exceedance. It also determines a time interval between successive measurement signals and generates a warning signal if the time interval is greater than a predetermined maximum time value. For apnea detection, the maximum time is conveniently set to 12 seconds ± 2 seconds.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in zwölf Figuren beschrieben. Dabei zeigen:

1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitung,
2 eine Brückenschaltung ohne regelbaren Widerstand,
3a, 3b, 3c Spannungsmesswerte verschiedener Drahtwendeln bei jeweils verschiedenen Abständen,
4 eine graphische Darstellung der Messwerte in 3a gegen 1/r²,
5a, 5b einen analogen Spannungsverlauf an der Brückenschaltung gemäß 2 bei Simulation der Ausatmung durch Betätigen einer Luftpumpe,
6 einen digitalisierten Spannungsmessverlauf über die Zeit bei einer Person, die auf dem Rücken liegt und in Richtung des in 17cm entfernten Temperatursensors atmet,
7 einen digitalisierten Spannungsmessverlauf über die Zeit bei einer Person, vor deren Mund der Temperatursensor in einem Abstand von 20 cm angeordnet ist,
8 einen digitalisierten Spannungsverlauf über die Zeit, bei der die Person auf dem Rücken liegt und der Temperatursensor einen Abstand von 11 cm zur Nase hat, durch die geatmet wird,
9 ein Prinzipschaltbild eines Atmungsmessgerätes mit einer Mehrzahl an Temperatursensoren.

The invention is described using an exemplary embodiment in twelve figures. These show:

1 a block diagram of a signal processing system according to the invention,
2 a bridge circuit without adjustable resistance,
3a , 3b , 3c Voltage measurements of different wire coils at different distances,
4 a graphical representation of the measured values in 3a against 1/r ² ,
5a , 5b an analog voltage curve on the bridge circuit according to 2 when simulating exhalation by operating an air pump,
6 a digitized voltage measurement curve over time for a person lying on their back and breathing towards the temperature sensor 17 cm away,
7 a digitized voltage measurement curve over time for a person in front of whose mouth the temperature sensor is placed at a distance of 20 cm,
8 a digitized voltage curve over time when the person is lying on their back and the temperature sensor is 11 cm away from the nose through which they breathe,
9 a schematic diagram of a respiration measuring device with a plurality of temperature sensors.

Ein Problem in der heutigen Zeit ist die schlafraubende Atemstörung Apnoe. Betroffen sind ca. fünf Prozent der Bevölkerung. Folgen der Apnoe sind Müdigkeit, Konzentrationsmangel und Kopfschmerzen, was zu einem erhöhten Cortisolausstoß, dauerhaftem Stresszustand und bei Atemaussetzern zu lebensbedrohlichen Situationen führen kann. Um solche Situationen frühzeitig und ohne aufwendige Apparaturen zu diagnostizieren, wird das erfindungsgemäße Atmungsmessgerät vorgeschlagen.A problem today is the sleep-robbing breathing disorder apnea. Approximately five percent of the population is affected. The consequences of apnea are fatigue, lack of concentration, and headaches, which can lead to increased cortisol levels, persistent stress, and, in the case of breathing pauses, life-threatening situations. The breathing monitor according to the invention is proposed to diagnose such situations early and without the need for complex equipment.

Das Atmungsmessgerät weist wenigstens einen Strömungsmesssensor zur Messung feinster Atemluftströme auf. Die Apnoe wird als ausbleibende Atemluftströme der Person registriert.The respiration monitor has at least one flow sensor for measuring the smallest respiratory airflows. Apnea is recorded as the person's lack of respiratory airflow.

Der Strömungsmesssensor zur Messung der feinsten Atemluftströme ist als Temperatursensor ausgebildet. Der erfindungsgemäße Temperatursensor besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Drahtwendel, die im Inneren herkömmlicher Glühlampen angeordnet ist. Der ohmsche Widerstand der Drahtwendel ändert sich aufgrund der Temperaturänderung der Drahtwendel im Atemluftstrom. Die prinzipielle Signalverarbeitung ist in einem Blockschaltbild in 1 dargestellt. Die Widerstandsänderung bewirkt in einer Brückenschaltung 1, in die der Temperatursensor eingefügt ist, kleine Messspannungsänderungen, die dann in einem Verstärker und Bandpassfilter hochempfindlich verstärkt und gefiltert werden und mit Hilfe eines A/D Wandlers 3 digitalisiert in einem Datenlogger 4 gespeichert und in einer Diagnoseeinheit 6 ausgewertet werden. Von dort wird auch gegebenenfalls ein Warnsignal abgegeben.The flow sensor for measuring the finest respiratory air flows is designed as a temperature sensor. In this embodiment, the temperature sensor according to the invention consists of a wire coil arranged inside conventional light bulbs. The ohmic resistance of the wire coil changes due to the temperature change of the wire coil in the respiratory air flow. The basic signal processing is shown in a block diagram in 1 The change in resistance causes small changes in the measured voltage in a bridge circuit 1, into which the temperature sensor is inserted. These changes are then amplified and filtered with high sensitivity in an amplifier and bandpass filter. These changes are digitized with the aid of an A/D converter 3, stored in a data logger 4, and evaluated in a diagnostic unit 6. A warning signal is also emitted from there if necessary.

Eine wichtige Verbesserung gegenüber herkömmlichen Atmungsmessgeräten ist, dass der Temperatursensor Atemluftströme auch im Dezimeterabstand von Mund und/oder Nase des Schlafenden berührungslos detektiert. So wird der Schlafende von dem Atmungsmessgerät auch nicht durch eine herkömmliche Maske berührt und in seinem Schlaf nicht gestört.A significant improvement over conventional respiration monitors is that the temperature sensor detects respiratory airflow without contact, even at a distance of a few centimeters from the sleeper's mouth and/or nose. This means that the sleeper is not touched by the respiration monitor, even through a conventional mask, and their sleep is not disturbed.

Herkömmlicherweise liegt die Atemfrequenz bei 0,2 bis 0,25 Hz, bei Neugeborenen aber auch bei 0,6 bis 0,7 Hz. Das Atemvolumen einer Ausatmung beträgt üblicherweise 0,5 Liter, und der Atemdruck liegt bei 50 bis 100 mbar. Die Atemflussgeschwindigkeit liegt bei ca. V=0,8 m/sec.The respiratory rate is typically 0.2 to 0.25 Hz, but in newborns it can be as low as 0.6 to 0.7 Hz. The tidal volume of one exhalation is typically 0.5 liters, and the respiratory pressure is 50 to 100 mbar. The respiratory flow velocity is approximately V=0.8 m/sec.

Erfindungswesentlich für das Atmungsmessgerät ist der Aufbau des Temperatursensors. Der Temperatursensor weist eine Drahtwendel auf. Ein Glaskolben der Glühlampe wird entfernt, und die Drahtwendel liegt somit vollständig frei. Sie hat vollständigen Kontakt zur Umgebungsluft. Die Drahtwendel kann in dem Lampengewinde verbleiben. Das Lampengewinde wird in eine herkömmliche Lampenfassung eingeschraubt, und die so erhaltene Anordnung wird als Temperatursensor verwendet.The design of the temperature sensor is crucial to the invention of the respiration measuring device. The temperature sensor comprises a wire coil. A glass bulb of the light bulb is removed, leaving the wire coil completely exposed. It has full contact with the ambient air. The wire coil can remain in the lamp thread. The lamp thread is screwed into a conventional lamp socket, and the resulting assembly is used as a temperature sensor.

Es hat sich als günstig herausgestellt, die Drahtwendel auf eine Betriebstemperatur zu bringen, die höher als die Zimmertemperatur liegt. Allerdings sollte die Drahtwendel noch nicht leuchten, weil sie sonst durchbrennt. Der an der Drahtwendel vorbeiziehende Atemluftstrom kühlt die erhitzte Drahtwendel ab und verändert dadurch ihren ohmschen Widerstand. Für die Temperaturabhängigkeit eines ohmschen Widerstandes von Drähten gilt für kleine Temperaturänderungen die Gleichung $Δ R = R_{0} αΔ T,$ wobei ΔR = R_T - R₀ die temperaturabhängige Widerstandsänderung ist und R₀ der Widerstand bei einer bestimmten Bezugstemperatur. Diese Gleichung wird auch hier näherungsweise verwendet. Dabei wird der Widerstand bei einer Temperatur von 20 °C angegeben, ΔT bezeichnet die Temperaturdifferenz gegenüber dieser Bezugstemperatur, und α ist der lineare, positive Temperaturkoeffizient der Drahtwendel. Die am Temperatursensor vorbeistreichende Atemluft dürfte eine Temperatur von etwa 20 - 30 °C haben. Die Atemluft führt also zu einer Verringerung der Temperatur der Drahtwendel, zumindest an ihrer Oberfläche, und damit auch zu einer Verringerung des ohmschen Widerstandes der Drahtwendel.It has proven beneficial to heat the wire coil to an operating temperature higher than room temperature. However, the wire coil should not yet glow, as this would cause it to burn out. The breathing air flow passing by the wire coil cools the heated wire coil and thereby changes its ohmic resistance. The equation for the temperature dependence of the ohmic resistance of wires for small temperature changes $Δ R = R_{0} αΔ T,$ where ΔR = R _T - R ₀ is the temperature-dependent resistance change and R ₀ is the resistance at a certain reference temperature. This equation is also used approximately here. The resistance is given at a temperature of 20 °C, ΔT denotes the temperature difference compared to this reference temperature, and α is the Linear, positive temperature coefficient of the wire coil. The exhaled air passing the temperature sensor is likely to have a temperature of approximately 20–30 °C. The exhaled air therefore leads to a reduction in the temperature of the wire coil, at least on its surface, and thus also to a reduction in the ohmic resistance of the wire coil.

Der Temperatursensor wird in einer weiter unten beschriebenen Brückenschaltung mit Strom versorgt.The temperature sensor is supplied with power in a bridge circuit described below.

Die Drahtwendel des Temperatursensors hat einen Kaltwiderstand R₀, näherungsweise gilt für den Warmwiderstand R_T = R₀ (1 + αΔT + βΔT²), wobei β deutlich kleiner als α ist. α ist der lineare Temperaturkoeffizient von Wolfram bzw. des Materials, aus dem die Drahtwendel aufgebaut ist. Der Zusammenhang zwischen Temperaturänderung und Widerstandsänderung ergibt sich somit zu: $Δ T = \frac{R_{T} - R_{0}}{α R_{0}}$ Für Wolfram gilt α = 4,5 10^-3 /°C und β = 9,62 10 ⁷ /°C.The wire coil of the temperature sensor has a cold resistance R ₀ . The approximate hot resistance is R _T = R ₀ (1 + αΔT + βΔT ² ), where β is significantly smaller than α. α is the linear temperature coefficient of tungsten or the material from which the wire coil is constructed. The relationship between temperature change and resistance change is thus: $Δ T = \frac{R_{T} - R_{0}}{α R_{0}}$ For tungsten, α = 4.5 10 ^-3 /°C and β = 9.62 10 ⁷ /°C.

Der Temperatursensor ist in eine Brückenschaltung gemäß 2 als einer der Widerstände R₁ eingebaut. Die Brückenschaltung ist bei Betriebstemperatur ausbalanciert. Die zurzeit benutzte Betriebstemperatur liegt bei etwa 300 °C, also deutlich höher als die Zimmertemperatur. Dadurch können Luftströme, die Raumtemperatur aufweisen, den Glühdraht abkühlen und als Widerstandsänderung des Glühdrahtes detektiert werden. Des Weiteren kann sich der Glühdraht nach Abkühlung schnell wieder aufwärmen. Die übrigen Widerstände R₂, R₃, R₄ sind so dimensioniert, dass im Betriebszustand die Grundschaltung ausbalanciert ist, also die Messspannung U_Mess = 0 ist. Um die Stromstärke durch den Temperatursensorzweig der Brückenschaltung und damit durch den Warmwiderstand der Drahtwendel leichter bestimmen zu können, werden große Widerstände für R₃ du R₄ gewählt, vorzugsweise im kΩ- Bereich. Günstige Stromstärken liegen bei etwa einem Viertel bis einem Drittel der Normalbetriebsstromstärke der Glühlampe.The temperature sensor is integrated in a bridge circuit according to 2 as one of the resistors R _1. The bridge circuit is balanced at operating temperature. The current operating temperature is around 300 °C, which is significantly higher than room temperature. This allows air currents at room temperature to cool the filament and this can be detected as a change in the resistance of the filament. Furthermore, the filament can quickly heat up again after cooling. The other resistors R ₂ , R ₃ , R ₄ are dimensioned so that the basic circuit is balanced in operating condition, i.e. the measuring voltage U _Mess = 0. In order to be able to determine the current through the temperature sensor branch of the bridge circuit and thus through the hot resistance of the wire coil more easily, large resistors are chosen for R ₃ and R ₄ , preferably in the kΩ range. Favorable current intensities are around one quarter to one third of the normal operating current of the incandescent lamp.

Die Messspannung ergibt sich in der Brückenschaltung gemäß 2 zu: $U_{M e s s} = U_{B} (\frac{R_{3}}{R_{3} + R_{4}} - \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}}),$ wenn das Verhältnis der Widerstände R₁/R₂ des einen Spannungsteilers dem Verhältnis der Widerstände R₃/R₄ des anderen Spannungsteilers entspricht.The measuring voltage is obtained in the bridge circuit according to 2 to: $U_{M e s s} = U_{B} (\frac{R_{3}}{R_{3} + R_{4}} - \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}}),$ if the ratio of the resistors R ₁ /R ₂ of one voltage divider corresponds to the ratio of the resistors R ₃ /R ₄ of the other voltage divider.

Es wurden drei Versuchsreihen durchgeführt, bei denen verschiedene Drahtwendeln als Temperatursensoren verwendet wurden. Es wurde jeweils die in 2 dargestellte Brückenschaltung zur Spannungsmessung verwendet.Three series of tests were carried out using different wire coils as temperature sensors. In each case, the 2 The bridge circuit shown is used to measure voltage.

Im ersten Versuchsaufbau wurde eine große Drahtwendel einer 60W/220V-Glühlampe bei einem Warmwiderstand von 71 Ω und bei einer Betriebstemperatur von 420 °C verwendet; die Messergebnisse sind in 3a dargestellt. Die Drahtwendel ist eine Wolfram-Drahtwendel. Die Ausatmung wurde durch eine Luftpumpe simuliert. Ein Pumpenkopf wurde parallel zur und mit dem Luftauslass auf die Drahtwendel gerichtet installiert. Ein Abstand zwischen der Drahtwendel und dem Pumpenkopf wurde schrittweise um einige Zentimeter verändert, und es wurden die Spannungsmesswerte U_Mess in Abhängigkeit von dem sich vergrößernden Abstand gemessen. Die erste Messung wurde in einem Abstand von 30 cm getätigt, und es wurde dann in 5 cm Schritten der Abstand vergrößert. Klar ist in 3a zu erkennen, dass die Messspannung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Pumpenkopf und Drahtwendel abnimmt, was an der sinkenden Intensität des Luftstromes mit zunehmendem Abstand von der Drahtwendel liegt. Messfehler bedingt durch Außenfaktoren, beispielsweise durch Luftzug o. Ä., können auftreten wie bei der Messung im Abstand von 40 cm.In the first test setup, a large wire coil of a 60W/220V incandescent lamp with a hot resistance of 71 Ω and an operating temperature of 420 °C was used; the measurement results are shown in 3a The wire coil is a tungsten wire coil. Exhalation was simulated by an air pump. A pump head was installed parallel to the wire coil and with the air outlet directed towards it. The distance between the wire coil and the pump head was gradually changed by a few centimeters, and the voltage readings U _Mess were measured as a function of the increasing distance. The first measurement was taken at a distance of 30 cm, and the distance was then increased in 5 cm steps. 3a It can be seen that the measurement voltage decreases depending on the distance between the pump head and the wire coil, which is due to the decreasing intensity of the air flow with increasing distance from the wire coil. Measurement errors caused by external factors, such as drafts or similar, can occur, as was the case with the measurement at a distance of 40 cm.

Die Messkurve zeigt, dass sich die Spannungsmessungen der Luftströme ab einem Abstand von ca. 55 cm bei einer Messempfindlichkeit von 20mV/cm nicht mehr deutlich von Hintergrundstörungen unterscheiden. Es ist zu beachten, dass die Luftpumpe vermutlich stärkere und regelmäßigere Luftströme abgibt als der normale Atem.The measurement curve shows that, starting at a distance of approximately 55 cm and with a measurement sensitivity of 20 mV/cm, the voltage measurements of the airflows are no longer clearly distinguishable from background noise. It should be noted that the air pump presumably delivers stronger and more regular airflows than normal breathing.

In einem zweiten Versuch wurde eine mittelgroße Drahtwendel einer Glühlampe mit 3,8V/0,07A und einem Kaltwiderstand von 3,6Ω verwendet, die Messergebnisse sind in 3b dargestellt. Die gemessenen Spannungen sind deutlich geringer, die Empfindlichkeit beträgt bei dem zweiten Versuch 0,5mV/cm, die Drahtwendel hat einen Warmwiderstand von 1,97Ω und eine Betriebstemperatur von ca. 250 °C. Auch hier ist der zweite Wert ein Ausreißer, der vermutlich auf anderweitige Luftbewegungen zurückzuführen ist. Klar ist auch das Abfallen der Messspannung mit dem Abstand zu erkennen.In a second experiment, a medium-sized wire coil of a light bulb with 3.8V/0.07A and a cold resistance of 3.6Ω was used, the measurement results are shown in 3b The measured voltages are significantly lower; the sensitivity in the second test is 0.5 mV/cm. The wire coil has a hot resistance of 1.97 Ω and an operating temperature of approximately 250 °C. Here, too, the second value is an outlier, presumably due to other air movements. The decrease in the measured voltage with distance is also clearly visible.

In einem dritten Versuch wurde eine kleine Drahtwendel einer Lampe mit 6,7Ω verwendet. Die Drahtwendel besitzt einen Warmwiderstand von 6,61Ω, bei einer Betriebstemperatur von ca. 230 °C. Die Messergebnisse sind in 3c dargestellt. Wiederum dürfte bei einem Abstand von 55 cm ein Ausreißer vorliegen, die Messkurve dürfte näherungsweise proportional zu 1/r² verlaufen. Die Spannungsmesswerte liegen im Bereich von Mikrovolt.In a third experiment, a small filament lamp coil with 6.7 Ω was used. The coil has a hot resistance of 6.61 Ω at an operating temperature of approximately 230 °C. The measurement results are shown in 3c Again, an outlier is likely to be present at a distance of 55 cm, and the measurement curve should be approximately proportional to 1/r ^2. The Voltage measurements are in the microvolt range.

In 4 sind die Messwerte, die mit der in 2 dargestellten Brückenschaltung gemessen wurden, gegen das reziproke Quadrat des Abstandes (1/r²) zwischen Sensor und Luftstromquelle aufgetragen, die Linearität der Kurve bestätigt den Zusammenhang.In 4 are the measured values that are 2 shown bridge circuit, plotted against the reciprocal square of the distance (1/r ² ) between sensor and air flow source, the linearity of the curve confirms the relationship.

Die Brückenschaltung weist darüber hinaus einen regelbaren Widerstand R₅ auf, mit dem der Strom I₁ durch den Temperatursensor R₁ einstellbar ist. Der Strom I₁ wird so eingestellt, dass die Drahtwendel des Temperatursensors R₁ die oben beschriebenen Betriebstemperaturen annimmt, bei der die Brückenschaltung vorzugsweise ausbalanciert ist.The bridge circuit also includes an adjustable resistor R ₅ , which can be used to adjust the current I ₁ through the temperature sensor R ₁ . The current I ₁ is adjusted so that the wire coil of the temperature sensor R ₁ reaches the operating temperatures described above, at which the bridge circuit is preferably balanced.

Die 5a, 5b zeigen den analogen Spannungsverlauf an der Brückenschaltung bei der Simulation der regelmäßigen Atmung durch periodisches Betätigen einer Luftpumpe. In der 5a wird die große Drahtwendel verwendet. In der 5b ist der Spannungsverlauf unter Verwendung der kleinen Drahtwendel aufgezeichnet.The 5a , 5b show the analog voltage curve at the bridge circuit when simulating regular breathing by periodically operating an air pump. 5a The large wire coil is used. In the 5b the voltage curve is recorded using the small wire coil.

Nach den oben beschriebenen analogen Versuchen wurden die Messergebnisse digital ausgewertet. Da das Ausatmen ein viel schwächeres Signal erzeugt als die oben verwendete Luftpumpe, wurde eine Verstärkerschaltung gemäß 5 verwendet. Diese oder eine entsprechende Verstärkerschaltung findet auch bei dem erfindungsgemäßen Atmungsmessgerät Verwendung.After the analogue tests described above, the measurement results were digitally evaluated. Since exhalation produces a much weaker signal than the air pump used above, an amplifier circuit was used according to 5 This or a corresponding amplifier circuit is also used in the respiration measuring device according to the invention.

Bei dem Atmungsmessgerät werden die durch Temperaturänderung erzeugten Messimpulse zwischen den beiden Messpolen P₁, P₂ mit einer zweistufigen Verstärkerschaltung verstärkt. Jede der Verstärkerstufen weist einen Operationsverstärker Op1, Op2 auf, der jeweils als Tiefpass geschaltet ist. Die beiden Verstärkerstufen können über einen Hochpassfilter gekoppelt sein. Auf den Hochpassfilter kann gegebenenfalls auch verzichtet werden.In the respiration measuring device, the measurement pulses generated by temperature changes are amplified between the two measuring terminals P ₁ , P ₂ using a two-stage amplifier circuit. Each amplifier stage has an operational amplifier Op1, Op2, each configured as a low-pass filter. The two amplifier stages can be coupled via a high-pass filter. The high-pass filter can also be omitted if necessary.

Das verstärkte und gefilterte Signal wird einem A/D-Wandler 3 zugeführt, und die umgewandelten digitalen Signale werden einem Mikrocontroller oder einem digitalen Signalprozessor (DSP) zugeführt und dort ausgewertet.The amplified and filtered signal is fed to an A/D converter 3, and the converted digital signals are fed to a microcontroller or a digital signal processor (DSP) and evaluated there.

6 zeigt den Messverlauf bei einer Person, die auf dem Rücken liegt und in Richtung des Temperatursensors atmet. Der Temperatursensor ist in einem Abstand von 17 cm frei in der Luft hängend vor dem Mund der Person angeordnet. 6 This shows the measurement curve for a person lying on their back and breathing toward the temperature sensor. The temperature sensor is positioned 17 cm above the person's mouth, suspended in the air.

7 zeigt die Messergebnisse eines Versuchs, der eine Schlafsituation möglichst real simuliert. Dafür schläft eine Person unter dem Temperatursensor, der Temperatursensor ist in einem Abstand von ca. 20 cm zum Mund angeordnet, der Temperatursensor hängt nicht senkrecht über dem Kopf in der Luft, sondern er ist leicht zu den Füßen hin versetzt angeordnet, so dass der Atemluftstrom beim Ausatmen möglichst zentral auf den Temperatursensor trifft. Die in 7 dargestellten gemessenen Spannungssignale lassen die Atemzüge deutlich erkennen, wobei ein Peak jeweils einen Atemausstoß darstellt. Da die Messung nur mit genau einem Temperatursensor erfolgte, gibt es Zeitperioden, in denen das Messsignal kleiner wird; das sieht man insbesondere in dem rechteckig vergrößerten und markierten Bereich in der Grafik in 7. Am Anfang des markierten Bereichs sind die Peaks deutlich zu erkennen, bis sich die Person vermutlich gedreht hat. Danach sind die Peaks nicht mehr zu erkennen. Bevor die Person sich dreht, sind die Atemimpulse vor dem Hintergrundrauschen gut zu erkennen. Die in 7 dargestellte Messkurve wird als Grundlage einer weiteren Auswertung zur Abgabe eines Signaltons herangezogen. Es wird ein Schwellwert U_sch festgelegt, mit dem die Messwerte einfach verarbeitet werden können. So werden die Ergebnisse nicht verfälscht, da Rauschamplituden im Normalfall kleiner sind als die Atempeaks. Die Atempeaks werden mit immer gleicher Amplitude, dem überschrittenen Schwellwert U_sch, registriert; sobald der Schwellwert erreicht ist, empfängt der Mikrocontroller oder der digitaler Signalprozessor (DSP) ein Atemsignal. 7 shows the measurement results of a test that simulates a sleeping situation as realistically as possible. For this, a person sleeps under the temperature sensor, which is positioned approximately 20 cm from the mouth. The temperature sensor is not suspended vertically above the head, but is positioned slightly offset toward the feet, so that the exhaled airflow hits the temperature sensor as centrally as possible. 7 The measured voltage signals shown clearly show the breaths, with each peak representing a breath expulsion. Since the measurement was performed with only one temperature sensor, there are time periods in which the measurement signal becomes smaller; this can be seen particularly in the rectangular enlarged and marked area in the graph in 7 . At the beginning of the marked area, the peaks are clearly visible until the person has presumably turned. After that, the peaks are no longer visible. Before the person turns, the respiratory impulses are clearly visible against the background noise. The 7 The measurement curve shown serves as the basis for further evaluation to generate a signal tone. A threshold value U _sch is set, which allows the measured values to be easily processed. This prevents the results from being distorted, since noise amplitudes are normally smaller than the respiratory peaks. The respiratory peaks are always recorded with the same amplitude, the exceeded threshold value U _sch ; as soon as the threshold is reached, the microcontroller or digital signal processor (DSP) receives a respiratory signal.

8 zeigt die digitalisierten Messwerte über die Zeit bei einer Versuchsanordnung, bei der die Person auf dem Rücken liegt und der Temperatursensor einen Abstand von 11 cm zur Nase hat, durch die geatmet wird. Es wird der Schwellwert U_sch bestimmt, der geeignet ist, Atemaussetzer von normalen Atemzügen zu unterscheiden, wobei der Schwellwert U_sch oberhalb eines stets vorhandenen Grundrauschens liegt. Im vorliegenden Fall wurde ein Schwellwert von U_sch =1.500 mV gewählt. Bei Überschreiten des Schwellwertes U_sch wird dieses Überschreiten als Ausatmen registriert und ein Zeitzähler auf Null gesetzt. Wenn länger als ein Zeithöchstwert t_h von beispielsweise t_h=10 s keine weitere Überschreitung des Schwellwertes U_sch erfolgt, wird nach Vergehen des Höchstwertes t_h ein Warnton abgegeben. Dieser ist durch einen horizontalen Balken in der 8 dargestellt. Der Warnton bleibt so lange bestehen, bis der Schwellwert U_sch wieder überschritten wird. 8 shows the digitized measured values over time in a test setup in which the person lies on their back and the temperature sensor is 11 cm from the nose through which they breathe. The threshold value U _sch is determined, which is suitable for distinguishing pauses in breathing from normal breaths, whereby the threshold value U _sch lies above a constantly present background noise. In this case, a threshold value of U _sch = 1,500 mV was selected. If the threshold value U _sch is exceeded, this is registered as exhalation and a time counter is set to zero. If the threshold value U _sch is not exceeded for longer than a time maximum value t _h of, for example, t _h = 10 s, a warning tone is emitted after the maximum value t _h has passed. This is indicated by a horizontal bar in the 8 The warning tone remains until the threshold U _sch is exceeded again.

In 9 ist das Atmungsmessgerät mit einer Mehrzahl an Temperatursensoren mit zugehörigen Signalen s₁, ..., s_M dargestellt, wobei M die Anzahl der Temperatursensoren angibt. Die einzelnen Messsignale werden wie bei dem oben beschriebenen einzelnen Temperatursensor in einer Brückenschaltung 1 gemessen und in einem Verstärker und in einem Bandpassfilter 2 verstärkt und gefiltert, dann in digitale Signale in dem A/D-Wandler 3 umgewandelt und nachträglich in einem digitalen Filter 5 gefiltert. Die Einzelsignale s₁, ..., s_m der Temperatursensoren können dann in einer Summationsschaltung 10 aufsummiert werden.In 9 The respiration measuring device is shown with a plurality of temperature sensors with associated signals s ₁ , ..., s _M , where M indicates the number of temperature sensors. The individual measurement signals are measured in a bridge circuit 1 as in the case of the single temperature sensor described above and are processed in an amplifier and amplified and filtered in a bandpass filter 2, then converted into digital signals in the A/D converter 3, and subsequently filtered in a digital filter 5. The individual signals s ₁ , ..., s _m of the temperature sensors can then be summed in a summation circuit 10.

Die einzelnen Signale s₁, ..., s_M können dabei mit Gewichtungen w₁ bis w_M gewichtet werden, die beispielsweise wie folgt bestimmt werden: $w_{i} = \frac{s_{i}}{\sum_{j = 1}^{M} s j}, i = 1, \dots, M$ Die Gewichtungen w_i werden mit Hilfe eines Komparators 11 bestimmt. Wenn beispielsweise auf den Temperatursensor mit dem Signal s₁ geatmet wird, der Mund bzw. die Nase also direkt vor dem Temperatursensor mit dem Signal s₁ angeordnet ist, ist s₁ > s₂, s₃, ... s_M. Der Temperatursensor mit Signal s₁ gibt das größte Signal. Die anderen Temperatursensoren mit den Signalen s₂, ..., s_M nehmen entweder das geschwächte Atemsignal oder nur das Rauschen aus der Umgebung auf. Um die Rauschanteile zu minimieren, werden die Signale s_i nicht gleichartig gewertet, sondern die Signale s_i werden durch die unterschiedlich großen Gewichtungsfaktoren w₁,...,w_M gewichtet. Das stärkste Signal, im vorliegenden Beispiel s₁, wird am stärksten gewichtet. Durch das Dividieren der jeweils einzelnen Signale s_i durch die Summe aller Signale $\sum_{j = 1}^{M} s_{j}$ oder die Summe der anderen Signale $\underset{j \neq i}{\sum_{j = 1}^{M} s_{j}}$ wird der Faktor w_i des Temperatursensors mit dem größten Signal s_i auch am größten sein. Damit kann das Rauschen das stärkste Atemsignal des betroffenen Temperatursensors mit dem Signal s_i nicht mehr so stark beeinträchtigen. Es kann über eine Information hinaus, ob Atmung vorliegt oder nicht 12, auch ermittelt werden, ob die Person den Kopf gedreht hat oder nicht 13.The individual signals s ₁ , ..., s _M can be weighted with weights w ₁ to w _M , which are determined, for example, as follows: $w_{i} = \frac{s_{i}}{\sum_{j = 1}^{M} s j}, i = 1, \dots, M$ The weightings w _i are determined using a comparator 11. If, for example, breathing is performed on the temperature sensor with the signal s ₁ , i.e., the mouth or nose is positioned directly in front of the temperature sensor with the signal s ₁ , then s ₁ > s ₂ , s ₃ , ... s _M . The temperature sensor with the signal s ₁ provides the largest signal. The other temperature sensors with the signals s ₂ , ..., s _M record either the weakened breathing signal or only the ambient noise. To minimize the noise components, the signals s _i are not evaluated equally, but rather the signals s _i are weighted by the different weighting factors w ₁ ,..., w _M . The strongest signal, in this example s ₁ , is weighted the most heavily. By dividing each individual signal s _i by the sum of all signals $\sum_{j = 1}^{M} s_{j}$ or the sum of the other signals $\underset{j \neq i}{\sum_{j = 1}^{M} s_{j}}$ The factor w _i of the temperature sensor with the largest signal s _i will also be the largest. This means that the noise can no longer significantly affect the strongest respiratory signal of the affected temperature sensor with signal s _i . In addition to providing information about whether breathing is present or not (12), it can also be determined whether the person has turned their head (13).

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: BrückenschaltungBridge circuit
22: BandpassfilterBandpass filter
33: A/D WandlerA/D converter
44: DatenloggerData logger
55: digitaler Filterdigital filter
66: Diagnoseeinheitdiagnostic unit
1010: SummationsschaltungSummation circuit
1111: KomparatorComparator
1212: Informationinformation
1313: Informationinformation

Claims

A respiration measuring device for measuring the respiration of a person resting with their head on a headrest, comprising at least one flow measuring sensor which is arranged in a position-maintaining manner relative to the headrest and opposite the headrest and which measures exhalation by means of a flow change at the flow measuring sensor caused by the breath flowing past it, and comprising at least one bridge circuit (1) with two voltage dividers, which has the at least one flow measuring sensor as a resistor of one of the two voltage dividers and which has two measuring poles between the voltage dividers, and comprising an evaluation device which is electrically connected to each of the two measuring poles of the at least one bridge circuit (1) and measures the pauses in the person's breathing, characterized in that the flow measuring sensor comprises an exposed measuring element which is designed as a wire coil and an identical measuring element is provided which is introduced into a glass bulb and a plurality of flow measuring sensors are provided, each of which is arranged in a fixed position relative to the headrest.

Respiratory measuring device according to Claim 1 , characterized in that the flow measuring sensor comprises a temperature sensor.

Respiratory measuring device according to Claim 2 , characterized in that the temperature sensor comprises the measuring element which is completely exposed to the ambient air.

Respiratory measuring device according to Claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the measuring element is heated to over 100 °C, preferably between 100 °C and 300 °C, during operation.

Respiratory measuring device according to Claim 1 until 4 , characterized in that a resistor of the bridge circuit (1) connected in series with the flow measuring sensor comprises the measuring element which is identical in construction to the flow measuring sensor and which is shielded from the ambient air in a breathing air flow-tight manner.

Respiratory measuring device according to Claim 1 , characterized in that the glass bulb has a hole through which the identical wire coil is in air-conducting connection with the ambient air.

Respiratory measuring device according to Claim 2 , characterized in that the bridge circuit (1) is connected in series with a controllable resistor is switched on, with which a warm resistance of the temperature sensor can be adjusted.

Respiratory measuring device according to Claim 1 , characterized in that the flow measuring sensors are arranged next to each other transversely to the headrest surface and opposite the headrest surface.

Respiratory measuring device according to Claim 1 or 8 , characterized in that the evaluation device comprises a summation circuit (10) which sums up the measured values of the plurality of flow measuring sensors at different times.

Respiratory measuring device according to Claim 9 , characterized in that weighting factors can be determined in the evaluation device which can be assigned to the flow measuring sensors, and temperature sensors which are more strongly affected by the air flow during exhalation are assigned higher weighting factors than flow measuring sensors which are less strongly affected by the air flow during exhalation.

Respiratory measuring device according to Claim 10 , characterized in that each of the flow measuring sensors is a resistor of one of the bridge circuits (1).

Respiratory measuring device according to one of the Claims 1 until 11 , characterized in that the evaluation device comprises at least one analog filter (2) and at least one analog amplifier, which are electrically connected to the two measuring poles of the bridge circuit (1).

Respiratory measuring device according to Claim 12 , characterized in that the at least one analog amplifier is followed by an A/D converter (3) which converts the analog measurement signals into digital measurement signals and which is followed by a digital filter (5).

Respiratory measuring device according to Claim 13 , characterized in that the digital filter (5) is designed as a low-pass filter whose cut-off frequency is below 50 Hz.

Respiratory measuring device according to Claim 14 , characterized in that the evaluation device comprises a microcontroller (7) which compares the digitized measured values with a threshold value and registers a measurement signal when the threshold value is exceeded, and determines a time interval between successive measurement signals and generates a warning signal when the time interval is greater than a predetermined maximum time value.