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Dokumentenidentifikation DE202007010056U1 18.10.2007
Titel System zur Bestimmung der körperlichen Aktivität eines Lebewesens
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Vertreter Patentanwälte Bressel und Partner, 12489 Berlin
DE-Aktenzeichen 202007010056
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 18.10.2007
Registration date 13.09.2007
Application date from patent application 17.07.2007
IPC-Hauptklasse A61B 5/11(2006.01)A, F, I, 20070717, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61B 5/145(2006.01)A, L, I, 20070717, B, H, DE   A61M 5/168(2006.01)A, L, I, 20070717, B, H, DE   A61G 12/00(2006.01)A, L, I, 20070717, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Neuerung betrifft ein System zur Bestimmung der körperlichen Aktivität eines Lebewesens.

Lebewesen, insbesondere menschliche Lebewesen (Personen), können sich auf sehr unterschiedliche Arten bewegen oder bewegt werden. Die eigene Aktivität des Lebewesens kann daher null oder sehr gering sein, obwohl das Lebewesen relativ zu seiner Umwelt bewegt wird. Ein Ziel ist daher die Detektion und Messung von Bewegungen und Bewegungsformen eines Lebewesens und Ermittlung eines aussagekräftigen Aktivitätsmaßes, d. h. eines Maßes für die eigene Aktivität des Lebewesens. Das Aktivitätsmaß des Energieverbrauchs (z.B. Kalorien- oder Joule) ist für das Ziel der Aktivitätsmessung nicht ausreichend, da auch Passivbewegungen oder Mischformen von Passiv- oder Eigenbewegung oder betrachtet werden sollen.

Es bestehen vielfältige mögliche Einsatzgebiete für ein solches System bzw. ein entsprechendes Verfahren, beispielsweise im Bereich der Medizin zur Unterstützung von Diabetes-Typ 2 Patienten. Hierbei ist es sinnvoll, als Aktivitätsmaß den „PAL", d.h. „physical activity level" zu bestimmen. Die PAL-Ziffer spiegelt den Arbeitsumsatz wider. Dieser kann zur Bestimmung des Kalorienverbrauchs und dadurch zur Optimierung des Blutzuckerspiegels herangezogen werden. Bislang wurde der PAL durch Methoden der Kalorimetrie bestimmt. Es existieren z.B. die Spirometrie/Spiroergometrie, d.h. das Messverfahren in dem die ein- und ausgeatmete Luft über einen gewissen Zeitraum analysiert und dadurch der Energieumsatz ermittelt wird.

Alternativ kann auch die DLW-Methode angewandt werden. Die sogenannten DLW-Methode (Doubly Labelled Water) wurde bereits 1955 erstmals konzipiert und angewendet. Markiert man dabei das Körperwasser mit stabilen Isotopen, kann man über die Ausscheidung der Isotope die Kohlendioxidproduktion und damit den Energieumsatz erfassen. Die DWL-Methode bringt den großen Vorteil mit sich, dass die Messungen unter natürlichen Arbeits- und Lebensbedingungen der Probanden durchgeführt werden können. Sie wird deshalb heute generell als "golden standard" für die Bestimmung des mittleren täglichen Energieumsatzes angesehen. Der hohe Preis der Methode verhindert jedoch ihren breiten Einsatz.

Bisherige Bestrebungen, durch Beschleunigungssensoren den Energieverbrauch und somit den PAL zu ermitteln, scheiterten, da nicht der gesamte Körper einheitlich erfasst, Kraftübertragungen ermittelt und der Mensch ganzheitlich modelliert werden konnte.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Neuerung, ein Aktivitätsmaß für die eigene körperliche Aktivität eines Lebewesens zu ermitteln, wobei die Ermittlung mit geringem Aufwand und ohne als störend empfunden zu werden durchgeführt werden kann. Auf Basis dieses Aktivitätsmaßes kann ein System die reale Ausführung von Aktivitäten gegenüber Zielvorgaben überprüfen und proaktiv Hinweise/Warnhinweise zur noch durchzuführenden Aktivität geben.

Es wird ein System zur Bestimmung der körperlichen Aktivität eines Lebewesens vorgeschlagen, wobei das System Folgendes aufweist:

  • – einen Bewegungssensor und
  • – eine Auswertungseinrichtung, die mit dem Bewegungssensor verbunden ist und ausgestaltet ist, aus von dem Bewegungssensor empfangenen Signalen ein Aktivitätsmaß für die körperliche Aktivität zu bestimmen.

Das Aktivitätsmaß kann als summarischer Wert für einen Zeitraum (z. B. als Maß für die Aktivität des Lebewesens innerhalb eines Kalendertages oder des bisher innerhalb des Kalendertages verstrichenen Zeitraums) und/oder als Funktion der Zeit bestimmt werden. In letzterem Fall kann die Aktivität z. B. mit der Zusatzinformation darüber, wann die Aktivität stattgefunden hat, abgespeichert werden. Diese Aktivitätsfunktion enthält die maximal mögliche Information dar und steht dann für jegliche Auswertung zur Verfügung.

Optional kann bei der Aktivität zwischen verschiedenen Aktivitätsarten unterschieden werden, z. B. Aktivität bei hoher Pulsfrequenz, mittlerer Pulsfrequenz und niedriger Pulsfrequenz.

Als wichtige Einsatzgebiete sind zu nennen:

  • – Diabetes-Patienten
  • – Herz-Kreislaufpatienten, Unterstützung der Aufzeichnung von Langzeit-EKGs (Elektro-Kardiogramme),
  • – Unterstützung beim Gewichtabnehmen
  • – berufliche Tätigkeiten, z. B. von Personen der Wach- und Schließgesellschaften zur Dokumentation von Rundgängen, Zeitungsausträger, Postboten, Bedienungen, Bademeister etc.

Insbesondere kann das System die aktuelle Bewegung des Lebewesens (insbesondere eines Patienten) detektieren und – optional – den entsprechenden Energieverbrauch bestimmen. Allgemeiner formuliert kann der Energieverbrauch das Aktivitätsmaß sein, unabhängig davon, wie die Bewegung detektiert wird.

Das System kann die Bewegung z. B. unter Verwendung von Positionssignalen, die die Position des Lebewesens charakterisieren, ermitteln. Das System kann daher einen Positionssensor zur Bestimmung der aktuellen Position und/oder einen Signaleingang zum Empfang eines Positionssignals aufweisen. In diesem Fall kann das System ausgestaltet sein, aus der Entfernung zwischen verschiedenen Positionen Informationen über die körperliche Aktivität zu bestimmen.

Bevorzugt wird jedoch, dass die von dem Bewegungssensor erzeugten Signale von dem System zumindest für einen Zeitraum ausgewertet werden und daraus anhand von bekannten Bewegungsmustern ermittelt wird, welcher Art die Bewegung des Lebewesens in dem Zeitraum ist oder war. Z. B. kann aus Bewegungskomponenten (etwa: Bewegungskomponente in vertikaler Richtung beim Gehen einer Person) ermittelt werden, ob das Lebewesen geht, springt, läuft, Fahrrad fährt, kriecht oder lediglich in einem Fahrzeug gefahren wird. Diese Kategorisierung der Bewegung bedeutet eine wesentliche Information für die Ermittlung des Aktivitätsmaßes. Z. B. kann die Aktivität des Lebewesens null sein, wenn das Lebewesen lediglich gefahren wird. Beim Gehen ist die Aktivität dagegen höher. Beim Laufen ist die Aktivität noch höher. Z. B. kann jeder Kategorie vorab ein Leistungswert oder Energiewert zugeordnet sein, der der körperlichen Leistung des Lebewesens entspricht.

Insbesondere kann bei der Kategorisierung der Bewegung außer den Signalen des Bewegungssensors auch z. B. die bei der Bewegung zurückgelegte Entfernung berücksichtigt werden, die z.B. durch einen GPS (allgemeiner durch einen Empfänger eines satellitenbasierten Positionsbestimmungssystems) Empfänger ermittelt wird. Auch die für die Zurücklegung der Entfernung benötigte Zeit kann berücksichtigt werden. Z. B. kann daher erkannt zuverlässig werden, ob sich das Lebewesen per Zug, Auto, Fahrrad oder zu Fuß bewegt oder bewegt wird. Insbesondere kann aus der Kategorie der Bewegung unmittelbar auf die benötigte Energie geschlossen werden.

Der Bewegungssensor kann in konkrete Ausgestaltung des Systems über eine Funkverbindung mit der Auswertungseinrichtung verbunden sein.

Das System kann eine Sensor- und einer Recheneinheit aufweisen, wobei die Sensoreinheit vorzugsweise einen 3-achsigen Beschleunigungssensor aufweist, der insbesondere ein Pulsempfangsmodul beinhaltet kann. Unter 3-achsig wird verstanden, dass der Sensor die Beschleunigung in Richtung der 3 Achsen eines kartesischen Koordinatensystems messen kann. Die gemessenen Werte werden z. B. zwischengespeichert und können bei einer konkreten Ausführungsform z. B. per Funkverbindung (z. B. Bluetooth) an ein Mobiltelefon oder PDA als Auswerteeinheit übermittelt. Gewöhnliche Schrittzähler sind dagegen nur in der Lage die Anzahl der Schritte zu detektieren, und daraus grob den Energieverbrauch zu ermitteln. Diese einfachen Sensoren besitzen jedoch nicht die Eigenschaft zwischen unterschiedlichen Bewegungsformen und -intensitäten (wie Treppenlaufen oder Spazierengehen) sowie zwischen Aktiv- und Passivbewegungen (wie Auto oder U-Bahn fahren) unterscheiden. Weiterhin sind sie nicht dazu geeignet, miteinander gekoppelt zu werden, um beispielsweise gleichzeitig Arm-, Bein- und Rumpfbewegungen zu messen. Dagegen kann mit dem 3-achsigen Bewegungssensor ein Bewegungsmuster detektiert werden, das aus derartigen gekoppelten Bewegungen zusammengesetzt ist. Mit dem 3-achsigen Bewegungssensor kann weiterhin auf Basis der Erdanziehung die geometrische Ausrichtung des Sensors bestimmt werden, so dass durch den Benutzer keine vorgeschriebene Ausrichtung einzuhalten ist. Auf ein Beispiel hierzu wird noch eingegangen. Insbesondere kann die Ausrichtung des Sensors im Gravitationsfeld der Erde wiederholt festgestellt werden.

Das System kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass Körperbewegungen mittels Beschleunigungssensor (z. B. Beschleunigung der Gliedmaßen) gemessen werden. Dadurch kann zum Beispiel die Ausführung physiotherapeutischer Übungen (insbesondere durch ein Computerprogramm des Systems) erkannt und bewertet werden. Das System kann die Übungen vorgeben und die Ausführung und Ausführungsgüte erkennen sowie – optional – entsprechende Daten (z. B. multimediale Informationen) weitergeben. Wie noch näher ausgeführt wird, kann unter Ausnutzung der Gravitationskraft, die einen messbaren Einfluss auf den Beschleunigungssensor ausübt, die Ausrichtung des Beschleunigungssensors im Gravitationsfeld der Erde bestimmt werden.

Das System kann einer bestimmten Ausgestaltung einen Betriebsmodus aufweisen, in dem das System aus zusätzlich durchgeführten Messungen Informationen erhält über die tatsächlich von dem Lebewesen in Bewegung umgesetzte Energie, über die für die Bewegung verbrauchte Nahrungsmittelenergie, über den Wirkungsgrad für die Umsetzung der Nahrungsmittelenergie in Bewegungsenergie und/oder über den Zusammenhang zwischen dem Blutzuckergehalt und der Bewegung, und wobei das System in dem Betriebsmodus die Informationen und die Messwerte des Bewegungssensors und optional des Blutzuckersensors verarbeitet, um spätere Messwerte des Bewegungssensors – und optional des Blutzuckersensors – der Bewegungs-Aktivität des Lebewesens und optional einer Änderung des Blutzuckergehalts des Lebewesens zuordnen zu können.

Ein Vorteil besteht darin, dass Bewegungsformen dem System „beigebracht" werden Können, d.h. man führt dem System zunächst unbekannte Bewegungen in der „teach-in" Phase vor, das System kann dann folgend diese Bewegungsform von anderen unterscheiden und detektieren. In der Teach-In-Phase kann passend zur Bewegungsform auch der individuelle Energieumsatz ermittelt werden (z.B. durch die genannten bekannten Verfahren), so dass bei späteren Messungen der gleichen Bewegung auch der gleiche Energieumsatz bestimmt werden kann. Dieses Verfahren ist wesentlich robuster und genauer als eine Direktmessung der Bewegung von Körperextremitäten. Weiterhin müssen nur während der Teach-In Phase störende Sensoren, Messungen etc. durchgeführt werden. Die anschließende Bewegungsdetektion ist durch einfachere Messmethoden, z.B. nur durch Beschleunigungssensor und Zeitmesser möglich.

Als Beispiel sei angeführt, dass das System nachts bei nahezu keiner Bewegungsdetektion den Zustand „Schlafen" detektieren wird, innerhalb der Wohnung (Positionssensoren) kein Joggen etc.

Ein weiterer Gedanke dieser Ausgestaltung besteht darin, die Bewegungsform zu detektieren und hinsichtlich des „persönlichen" (d. h. den auf das jeweilige individuelle Lebewesen bezogenen) Energieumsatzes zu bewerten. Damit das System auch schwierig zu erkennende Bewegungsformen wie z.B. Inline-Skaten oder Fensterputzen detektieren kann, kann ein individuelles „Teach-In" (Lern-Modus) implementiert sein. Hierbei wird dem System die zu erkennende Bewegung durch individuelle Beispielbewegungen des individuellen Lebewesens beigebracht. Das System erfasst daraufhin via Mustererkennung die entsprechende Bewegung.

Ähnlich wie die Bewegungen ist der Energieumsatz individuell für jedes Lebewesen verschieden. Der Energieverbrauch ergibt sich aus der Bewegungsarbeit sowie der persönlichen Anstrengung bzw. Effizienz. Daher wird mit Hilfe des Systems ebenfalls im Lern-Modus für jede Bewegungsform und/oder -quantität der Energieverbrauch bestimmt. Zusätzlich kann die Pulsfrequenz des Herzschlages (z. B. gemessen durch einen Pulsgurt um den Bauch oder die Hüfte einer Person) zur Messung des individuellen Energieaufwandes herangezogen werden. Nach dem Teach-in kann bei zukünftigen Bewegungen auf den Pulsgurt verzichtet werden.

Um die Messungen während des Teach-in noch genauer durchführen zu können, ist es auch möglich, weitere Messeinrichtungen, z. B. ein Aerometer (zur Atemluftmessung) einzusetzen.

Die Auswerteeinheit kann in jedem Fall ein Mobiltelefon oder PDA sein. Moderne Standardhandys sind hinsichtlich der Prozessorleistungen (ARM Prozessor mit über 100 MHz) sowie geringem Stromverbrauch ideal für die Umsetzung geeignet.

Während die Messdaten des Bewegungssensors und optional weiterer Messeinrichtung (wie Positionssensor, z. B. GPS-Sensor) in dem Sensormodul vorverarbeitet werden können, weist das Mobiltelefon oder PDA die Schnittstelle für den Benutzer auf und führt die weitere Verarbeitung der Daten aus. Auch können die Rohdaten, vorverarbeiteten Daten und/oder fertig verarbeiteten Daten in dem Mobiltelefon oder PDA gespeichert werden. Insbesondere kann die Auswerteeinheit eine Erinnerungsfunktionalität (Erinnerung der Person an Aktivität und/oder Einnahme von Medikamenten wie Insulin), eine Diabetes-Tagebuchfunktionaliät (protokollieren der Aktivität und/oder Einnahme von Insulin), eine von Funktionalität zur Auswertung der Diabetes-Parameter und die Datenaustauschfunktionalität hinsichtlich Versand und Empfang von Diabetes-Einstellparametern beinhalten. Wenn hier von Diabetes und Insulin die Rede ist, so steht dies stellvertretend für andere Fälle, in denen andere Krankheiten vorliegen und/oder andere Medikamente oder Nahrungsmittel einzunehmen sind.

Allgemeiner formuliert kann das System zur Unterstützung bei der Einnahme von Medikamenten ausgestaltet sein. Medikamente werden meist zeitabhängig oder ereignisabhängig (am Morgen, am Abend, zum Essen etc.) eingenommen. Das System kann so ausgestaltet sein, dass es abhängig vom ermittelten Aktivitätsmaß berechnet, welches Medikament, wann das Medikament und/oder mit welcher Dosis ein Medikament eingenommen werden soll.

Umgekehrt kann das System alternativ oder zusätzlich so ausgestaltet sein, dass es abhängig von einer Medikamenten-Einnahme eine Empfehlung berechnet, dass sich der Patient bewegen soll. Z.B. kann das System so eingestellt sein, dass sich der Patient 15 Minuten lang oder innerhalb von 15 Minuten nach der Einnahme bewegen muss, bis das System ein Signal ausgibt, z. B. ein akustische Signal. Dabei wird vorzugsweise die Intensität (z. B. abhängig von der Pulsfrequenz des Patienten ermittelt) und Dauer der Bewegung gemessen. Liegt der Patient außerhalb des anvisierten Intensitätsbereichs, wird eine Information an den Patienten ausgegeben.

Auch Daten, die den Betrieb des Sensormoduls betreffen, können von der Auswerteeinheit verarbeitet und/oder angezeigt werden. Dazu gehört beispielsweise die Anzeige des Batteriestandes des Sensormoduls.

Es ist möglich, den Sensor inklusive eventuell benötigter weiterer Einrichtungen wie elektrische Energieversorgung (Batterie oder Akku) und wie Funk-Sender und/oder Funk-Empfänger als Sensormodul z. B. in der Größe einer Streichholzschachtel auszugestalten. Ein solches Modul lässt sich über längere Zeiträume am Körper des Lebewesens tragen, z. B. an der Hüfte einer Person.

Der optional vorhandene Blutzuckersensor weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Messvorrichtung auf zur nicht invasiven Bestimmung des Blutzuckerwerts in vivo, wie er z. B. in DE 102 121 40 A1 beschrieben ist. Insbesondere kann die Messvorrichtung dabei in einem Messbereich ein Messsignal generieren, das ein Maß für den absoluten Zuckergehalt in dem Messbereich ist, und den Blutzuckerwert berechnen, indem das Messsignal mit einem aus einer Eichmessung des Blutzuckerwerts ermittelten Eichfaktor geeicht wird. Ferner kann aus dem absoluten Zuckergehalt ein relativer Zuckergehalt bzw. eine Zuckerdichte im Messbereich berechnet werden. Der absolute Blutzuckerwert im Messbereich kann bei dem Blutzuckersensor auf bekannte Weise bestimmt werden, beispielsweise durch die Messung der optischen Drehung des Messsignals (das Zuckermolekül ist optisch drehend), der Absorption von Strahlung durch den Zuckers, der Reflektion von Strahlung am Zucker. Da ein körperexterner Sensor in gewissen Grenzen seine Position relativ zur Haut verändern kann (z. B. oberhalb des Handgelenks), sollte die Messung vorzugsweise gegenüber einer Verschiebung unempfindlich sein. Beispielsweise kann ein Punktmesssensor oberhalb eines hinreichend großen flächigen Messbereichs angeordnet werden.

Der Bewegungssensor und der Blutzuckersensor können in eine gemeinsame Vorrichtung integriert sein, die am Körper des Lebewesens anordenbar ist.

Wie bereits teilweise erwähnt, kann das System zur Messung der körperlichen Aktivität weitere Sensoren aufweisen und/oder eine Schnittstelle zum Empfang anderer Informationen als Bewegungsinformationen aufweisen. Z. B. Informationen über das Körpergewicht (kann vom Benutzer in das System direkt eingegeben werden), Blutzuckerwerte (über Blutzuckersensor dem System verfügbar), Nahrungsaufnahme und äußere Situationsparameter (z. B. Umgebungstemperatur, Luftdruck, Höhe über N.N. UV-Strahlung und/oder Windgeschwindigkeit) können zu einer genaueren Bestimmung des Aktivitätmaßes und/oder der Auswertung der Aktivität verwendet werden. Da sich die Größen Aktivität, Blutzuckerwerte, Körpergewicht – und optional weiterer Größen wie Medikamentenbedarf, Muskelmasse und/oder Fettgehalt im Körper – sich gegenseitig beeinflussen, kann das Ergebnis durch Berücksichtigung der Korrelation verbessert werden.

Mittels einer Kombination von Sensoren (Zeit-, Umgebungs- und/oder Beschleunigungssensoren etc.) kann das System daher die aktuelle Bewegungsform und Bewegungsintensität ermitteln. Unter Umgebungssensoren werden z. B. Positionssensoren, Temperatursensoren und andere meteorologische Sensoren (s. oben zu „Situationsparametern") verstanden. Hieraus lässt sich für diese gefundene Bewegungsform der Energieumsatz ableiten, der insbesondere vorab der Bewegungsform zugeordnet worden sein kann. D.h. es wird durch die Sensoren nicht direkt der Energieumsatz gemessen, sondern die Bewegungsform detektiert. Ist die Bewegungsform bekannt, so lässt sich z. B. durch automatisiertes Auslesen aus Tabellen oder anderen Informationsquellen der Energieumsatz oder eine ähnliche Größe wie z. B. die physikalische Leistung ermitteln:

Das System kann Mittel zur optischen Erfassung und/oder zur Analyse von Nahrungsmitteln (dies schließt für den Energiehaushalt des Lebewesens verwertbare Getränke mit ein) aufweisen. Die Mittel zur optischen Erfassung umfassen und/oder bestehen z. B. aus einer Kamera. Unter dem Begriff Kamera wird eine Einrichtung zur Erfassung einzelner Bilder oder zur Erfassung von Bildfolgen (z. B. Videokamera) verstanden.

Insbesondere weist das System eine Kamera auf, die mit der oben genannten Auswertungseinrichtung verbunden ist, wobei die Auswertungseinrichtung ausgestaltet ist, von der Kamera erfasste Bilder von Nahrungsmitteln, die das Lebewesen zum Zweck der Ernährung aufnimmt, auszuwerten und den Energiegehalt und/oder Zuckergehalt der aufzunehmenden und/oder aufgenommenen Nahrungsmittel zu bestimmen.

Mittels des oder der Bilder (z. B. Video oder Photo) ist das Erkennen der Nahrungsmittel möglich. Das System ermittelt dazu vorzugsweise die Menge und/oder Inhaltsstoffe der Nahrungsmittel. Das System kann auch ausgestaltet sein, die Einnahme von Medikamenten zu erfassen und analysieren. Dies gilt auch dann, wenn das System nicht dazu in der Lage ist, Bilder von Nahrungsmitteln auszuwerten.

Das System zur optischen Erfassung und/oder Analyse von Nahrungsmitteln wertet vorzugsweise die Nahrungsaufnahme in Abhängigkeit von der Zeit aus. Daher sind Aussagen z. B. hinsichtlich des „Nachtessens", häufigen Zwischenmahlzeiten etc. möglich.

Zumindest der Bewegungssensor kann vorzugsweise in einem Strumpf (d.h. in ein vorzugsweise textiles Kleidungsstück, das ein Bein einer Person umfasst) integriert sein, wobei die Auswertungseinrichtung dabei so ausgestaltet sein kann, dass sie eine Aufforderung ausgibt, die das Lebewesen oder eine Begleitperson auffordert, dass sich das Lebewesen bewegt.

Z. B. kann das System daher unter Berücksichtigung des Aktivitätmaßes für einen Patienten eine Zielvorgabe berechnen, z. B. um einem Thrombosepatienten eine tägliche oder stündliche Mindestbewegung vorzugeben. Für Thrombosepatienten existieren spezielle Stützstrümpfe. In einen solchen Strumpf kann der Bewegungssensor integriert sein. Der Strumpf kann auch mit einem beispielsweise optischen und/oder akustischen Signalgeber ausgestaltet sein, z. B. um die Zielvorgabe zu signalisieren. Z.B. kann der Strumpf ein Display aufweisen, welches das tägliche Laufpensum und/oder den von dem Pensum erfüllten Teil anzeigt.

Das System kann in einer speziellen Ausgestaltung zur Analyse von Bewegungen beim Sport eingesetzt werden. Z. B. wird zumindest der Bewegungssensor des Systems in den Handschuh eines Boxers integriert und ermittelt das System die Stärke und Geschwindigkeit eines Boxer-Schlages. Die ermittelten Ergebnisse können z. B. über ein Display visualisiert werden. Das System kann dadurch auch zur objektiven Bewertung des Sports herangezogen werden.

Ausführungsbeispiele und weitere mögliche Merkmale des Systems werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel für ein System zur Bestimmung der körperlichen Aktivität eines Lebewesens.

1 stellt ein System dar mit einer mobilen Einheit 1 und zumindest einem Sensor 15, 17, 19, 21. Im konkreten Ausführungsbeispiel sind vier Sensoren 15, 17, 19, 21 vorhanden. Zumindest einer der Sensoren ist ein Bewegungssensor 21, der bevorzugtermaßen ein drei-achsiger Beschleunigungssensor ist. Auf eine mögliche Funktionsweise des Bewegungssensors 21 wird noch eingegangen.

Die mobile Einheit 1, bei der es sich z. B. um ein Mobiltelefon oder um einen PDA handeln kann, ist über Verbindungen 3, 5, 7, 9 mit den Sensoren 15, 17, 19, 21 verbunden und/oder verbindbar. Bei den Verbindungen 3, 5, 7, 9 kann es sich jeweils um eine elektrische Kabelverbindung oder um eine Funkverbindung (wie bei Verbindung 9 durch einen gezackten Pfeil angedeutet) handeln.

Im konkret dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 15 ein Schrittsensor, der z. B. in einen Strumpf einer Person integriert ist. Ein solcher Schrittsensor kann jedoch entfallen, wenn bei der Auswertung der Signale des Bewegungssensors 21 die später noch zu beschreibenden Maßnahmen ausgeführt werden. Der Sensor 17 ist beispielsweise ein Pulssensor zur Ermittlung der Herzschlag-Pulsfrequenz des Lebewesens. Bei dem Sensor 19 handelt es sich z. B. um einen Hautwiderstandssensor zur Ermittlung des Hautwiderstandes einer Person. Dadurch kann z. B. ermittelt werden, ob die Person schwitzt, da Schweiß auf der Haut den Hautwiderstand herabsetzt. Der Hautwiderstand stellt somit ein Indiz für körperliche Aktivität dar, das z. B. als zusätzlicher Kontrollfaktor bei der Bestimmung des Aktivitätsmaßes berücksichtigt werden kann.

Alternativ oder zusätzlich zu den Sensoren 15, 17, 19 können andere Sensoren mit der mobilen Einheit 1 verbunden werden oder sein, z. B. die oben genannten Umgebungssensoren oder meteorologischen Sensoren.

Wenn eine Funkverbindung zu einem oder mehreren Sensoren möglich sein soll, weist die mobile Einheit eine entsprechende Kommunikationseinrichtung 10 auf, die die Funkverbindung 9 aufbaut und aufrechterhält. Z. B. kann die Kommunikation gemäß dem Bluetooth-Standard durchgeführt werden. Die Kommunikationseinrichtung 10 ist wie auch die optional vorhandenen weiteren Verbindungen 3, 5, 7 mit einer Einrichtung 8 zur Erfassung von Sensorsignalen der Sensoren 15, 17, 19, 21 verbunden.

Die Einrichtung 8 kann z. B. eine oder mehrere Einheiten zur Vorverarbeitung der empfangenen Sensorsignale aufweisen. Bei der Vorverarbeitung wird z. B. das jeweilige Sensorsignal auf Plausibilität überprüft. Auch können z. B. Glättungsfilter zur Glättung von statistischen Schwankungen der empfangenen Sensorsignale eingesetzt werden. Auch kann die Einrichtung 8 zumindest eine Einheit zur Umwandlung von analogen Sensorsignalen in digitale Signale aufweisen.

Die Einrichtung 8 ist mit einer Auswertungseinrichtung 6 verbunden, die in konkreter Ausgestaltung z. B. zumindest einen Mikroprozessor zur Verarbeitung von Daten, Software und zumindest einen Datenspeicher aufweist.

An die Auswertungseinrichtung 6 kann eine weitere Kommunikationseinrichtung 4 der mobilen Einheit 1 angeschlossen sein, über die eine weitere Funkverbindung zu einem entfernten Kommunikationspartner 2 aufgebaut und unterhalten werden kann, wie durch einen gezackten Pfeil links unten in 1 dargestellt ist. Bei dem Kommunikationspartner 2 kann es sich z. B. um die Teilnehmerstation eines Arztes handeln, so dass ein Patient über seine mobile Einheit 1 mit dem Arzt in Kontakt treten kann. Die zuletzt genannte Funkverbindung ist z. B. die Funkverbindung eines Mobiltelefonnetzes, wobei die mobile Einheit 1 die Teilnehmerstation des Patienten darstellt.

Ferner ist die mobile Einheit 1 optional über eine Verbindung 11 (die eine Kabel gebundene oder eine Funkverbindung sein kann) mit einer Steuereinrichtung 12 verbunden oder verbindbar. Die Steuereinrichtung 12 ist mit einem Aktuator 13 verbunden. In einer konkreten Ausgestaltung dient der Aktuator 13 der Zuführung eines Medikaments, z. B. von Insulin, zu einem Lebewesen. Bei dem Aktuator 13 kann es sich z. B. um eine Insulinpumpe handeln. Die Steuereinrichtung 12 dient der Ansteuerung des Aktuators, abhängig von unter anderem den Signalen, die die Steuereinrichtung 12 über die Verbindung 11 empfangen hat. Die Ansteuerung des Aktuators 13 kann jedoch auch von weiteren Faktoren abhängen, z. B. Grundeinstellungen der Steuereinrichtung, die die Höchstdosis bei einmaliger Zuführung des Insulins festlegen.

Die Betriebsweise des in 1 dargestellten Systems ist beispielsweise die folgende: der Bewegungssensor 21 ist an dem Lebewesen angebracht, z. B. im Bereich der Hüfte einer Person. Die von dem Bewegungssensor 21 erzeugten Signale werden über die Funkverbindung 9 zu der Kommunikationseinrichtung 10 übertragen und von dort an die Einrichtung 8 weitergeleitet. Nach einer Vorverarbeitung durch die Einrichtung 8 empfängt die Auswertungseinrichtung 6 die Signale.

Vorzugsweise wertet die Auswertungseinrichtung 6 die Signale über einen Zeitraum hinweg aus (z. B. über einen gleitenden Zeitraum von mehreren Sekunden) und ermittelt durch Analyse der Signale ein Bewegungsmuster, und vergleicht es mit in dem Datenspeicher abgespeicherten Vergleichsmustern. Wenn eine Übereinstimmung mit einem Vergleichsmuster festgestellt wird, wird entschieden, dass das Lebewesen eine dem Vergleichsmuster entsprechende Bewegung ausführt.

Optional kann unter Berücksichtigung der Signale der weiteren Sensoren 15, 17, 19 eine Überprüfung der identifizierten Bewegung durchgeführt werden. Alternativ können die Signale der weiteren Sensoren 15, 17, 19 mit den Signale des Bewegungssensors kombiniert werden, um insgesamt ein erweitertes Bewegungsmuster zu bilden, welches wiederum mit den Vergleichsmustern verglichen werden kann, um die Bewegung zu identifizieren.

Unter einem Muster wird hier eine Gesamtheit von Sensorsignalen und/oder von daraus abgeleiteten Größen verstanden.

Obwohl bei der hier beschriebenen Ausführungsform des Systems die Ermittlung des Energieverbrauchs (Kalorienverbrauchs) des Menschen oder anderen Lebewesens nicht im Vordergrund steht, so kann der Energieverbrauch dennoch zumindest ungefähr aus der identifizierten Bewegungsform ermittelt werden. Diese Annäherung kann z. B. beim normalen Gehen durch Einbeziehung der Rumpfbewegung der Person noch verbessert werden. Die Ermittlung des Energieverbrauchs über Beschleunigungssensoren wird im Folgenden beschrieben.

Das sich bewegende Lebewesen kann auch als physikalischer Körper mit einer entsprechenden physikalischen Masse aufgefasst werden. Auf den Körper wirkt im Ruhezustand die Erdanziehungskraft g.

Die Arbeit ist physikalisch definiert als: Arbeit = Kraft·Weg(1)

Die Leistung ist wie folgt definiert: Leistung = Arbeit/Zeit(2)

Betrachtet man z. B. stark vereinfacht einen joggenden Menschen als eine Masse, die auf der Stelle hüpft, so kann hierbei der Energieumsatz näherungsweise über die Änderung der potenziellen Energie im Gravitation fällt der Erde ermittelt werden. Die potenzielle Energie Epot ist gegeben durch: Epot = Masse·Erdbeschleunigung·Höhe(3)

Z. B. folgt für einen 80 kg schweren Jogger, der bei jedem Schritt seinen Körper um ca. 10 cm in die Höhe bewegt, eine Änderung der potenziellen Energie Epot für jeden Schritt von Epot = 80 kg·9,81 m/s2·0,1 m = 78,5 Joule(4)

Der Jogger führt dabei z. B. zwei Schritte pro Sekunde aus, sodass die Leistung 159 Watt beträgt.

Der in der Literatur angegebene Energieumsatz des 80kg Menschen wird näherungsweise für normales Gehen mit etwa 25–50 Watt, für Treppensteigen und Radfahren etwa mit 75–100 Watt und für Joggen mit 150 Watt angegeben. Die Ermittlung des Energieverbrauchs durch messtechnische Erfassung der Körperbewegung ist für spezielle Bewegungsformen und Anwendungsgebiete möglich, sodass das System kalibriert werden kann.

Auch die kinetische Energie kann aus den Signalen des Beschleunigungssensors ermittelt werden. Ein sehr guter Sprinter mit der Masse 80 kg läuft 100 m z. B. mit der Durchschnittsgeschwindigkeit von v = 36 km/h (= 10 m/s). Dadurch ist er 10 Sekunden unterwegs. Hierbei ist die kinetische Energie Ekin: Ekin = (Masse/2)x·v2(5)

Die durchschnittliche Leistung des Läufers beträgt demnach 400 W.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für eine Betriebsweise des Systems zur Ermittlung eines Aktivitätsmaßes beschrieben. Es wird dabei ein drei-achsiger Beschleunigungssensor als Bewegungssensor verwendet.

Zunächst werden die Beschleunigungswerte, die von dem Sensor für die drei Achsen x, y, z eines auf den Sensor bezogenen kartesischen Koordinatensystems gemessen werden, über die Zeit gemittelt. Vorzugsweise werden bei der Mittlung die aktuellen Werte des Sensors mit größerem Gewicht berücksichtigt als vergangene Werte (d. h. Werte für frühere Zeitpunkte). Diese Mittlung wird z. B. für die Koordinate X des Beschleunigungsvektors durch folgende Rechenvorschrift erreicht: X(Mittel) = (a·X(Mittel) + b·X(neu))/(a+b)(6)

Wobei X(Mittel) links vom Gleichheitszeichen der neu zu berechnende Mittelwert ist, X(Mittel) rechts vom Gleichheitszeichen der bisher gültige Mittelwert ist, X(neu) der aktuelle, neue Messwert des Sensors ist und a sowie b Gewichtungsfaktoren sind. Bei einer Abtastrate von 100 Hz hat sich a=500 und b=1 als praktikabel gezeigt.

Aus den so ermittelten Werten X, Y, Z (die insbesondere die genannten Mittelwerte sind) für die drei Komponenten des Beschleunigungsvektors, kann die Ausrichtung des Sensors im Gravitationsfeld der Erde ermittelt werden, da die Erdgravitation von dem Sensor mitgemessen wird. D.h. bei relativ zu der Erde ruhendem Körper misst der Sensor ausschließlich die Beschleunigung g, die der Erd-Gravitation entspricht: g2 = X2 + Y2 + Z2(7) abgebildet wird. Durch die Normierung g=1 kann daraus direkt der Orientierungsvektor bestimmt werden, d.h. der Vektor, der die Orientierung des Bewegungssensors bzw. seines eigenen Koordinatensystems im Koordinatensystem der Erde darstellt.

In bevorzugter Ausgestaltung des Aktivitätsmeßsystems (insbesondere für Diabetiker) weist dieses einen Blutzuckersensor auf oder erhält es Messwerte des Blutzuckergehaltes des Lebewesens. Die körperliche Aktivität des Lebewesens ist durch die Beschleunigung als Funktion der Zeit bestimmt. Damit das Aktivitätsmaß daraus auch mit Auswertungseinrichtungen berechnet werden kann, die nur über eine geringere Rechenleistung verfügen, kann folgende Verfahrensweise implementiert sein:

Es werden AE (Aktivitätseinheiten) ermittelt, die wie folgt berechnet werden:

Wobei X, Y, Z die aktuellen Werte des Beschleunigungsvektors sind. Dieser Algorithmus ermöglicht eine gute näherungsweise Berechnung der körperlichen Aktivität, wobei AE das Aktivitätsmaß ist. Insbesondere kann die vereinfachte Berechnung auch auf mobilen Endgeräten wie Handys, PDAs von Mobiltelefonnetzen durchgeführt werden.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für eine Betriebsweise des Systems zur Ermittlung von Schritten bzw. der Schrittfrequenz beschrieben, die eine Person beim Gehen oder Laufen (Joggen) ausführt.

Auf Basis der AE (Gleichung 8) kann eine einfache Schrittdetektion durchgeführt werden. Hierbei werden die Schritte dadurch erkannt, dass detektiert wird, ob ein Schwellwert überschritten wurde. Das Verfahren kann als dynamische Schwellwertdetektion bezeichnet werden.

Die Aktivitätseinheiten AE liegen insbesondere als digitales, zeitabhängiges Signal vor. Um das Signal digital zu entprellen (d.h. die falsche Detektion von Schritten durch mehrfaches Überschreitung des Schwellwertes innerhalb sehr kurzer Zeiträume, innerhalb denen nicht mehrere Schritte ausgeführt werden können, zu vermeiden), wird nach einer erfolgten Schwellwertdetektion eine Totzeit begonnen, innerhalb der ein erneutes Überschreiten des Schwellwertes nicht als Schritt detektiert wird. Erst nach Ablauf der Totzeit werden Überschreitungen wieder als Detektion eines Schrittes gewertet.

Dynamisch ist die Detektion, da der Schwellwert adaptiv an die tatsächlich ausgeführte Bewegung angepasst wird. Dazu wird einerseits ein Spitzenwert (der vorzugsweise größer als der Schwellwert ist) auf den Wert des aktuellen Wertes der Aktivitätseinheit erhöht, wenn der aktuelle Wert der Aktivitätseinheit größer ist als der bisher gültige Spitzenwert.

Andererseits wird der Spitzenwert um einen vorgegebenen Betrag oder entsprechend einer vorgegebene Funktion der Zeit reduziert, wenn der aktuelle Wert der Aktivitätseinheit nicht größer ist als der bisher gültige Spitzenwert. Damit wird erreicht, dass der Spitzenwert nach einem einmaligen starken Stoss nicht unangemessen hoch ist.

Der Schwellwert ist wie erwähnt vorzugsweise kleiner als der Spitzenwert und steht in einer festen, vorgegebenen Beziehung zu dem Spitzenwert. Z. B. ist der Schwellwert gleich einem Faktor multipliziert mit dem Spitzenwert, wobei der Faktor kleiner als 1 ist. Ein Faktor von 0,33 hat sich als praktikabel erwiesen und spart Rechenaufwand.

Durch dieses Verfahren kann (bei ausreichend hohen Abtast- und Berechnungsfrequenzen von z. B. 50 Hz und höher) der Schrittzeitpunkt annähernd exakt berechnet werden. Dies kann z. B. für weiter gehende Anwendungen genutzt werden, wie z. B. für die Synchronisation der Wiedergabe von Musik mit der Schrittfolge.

Es hat sich weiterhin als praktikabel erwiesen, die Schrittvariabilität in die Schrittdetektion einzubeziehen. Die Varianz bestimmt die Konstanz der Messgrößen. Wird gleichmäßig gelaufen, ist eine kleine Varianz hinsichtlich der Schrittfrequenz gegeben. Fällt ein Messwert unter den Schwellwert obwohl ein Schritt durchgeführt wurde, so kann dieses das Messergebnis der Schrittzählung negativ beeinflussen. Damit nicht alle Messwerte zwischengespeichert werden müssen, wird parallel zu der Schwellwerterfassung eine zweite Schwellwerterfassung durchgeführt, die sowohl aktuellere Spitzenwerte als auch einen niedrigeren Schwellwert beinhaltet. Wird bei der ersten Schwellwertanalyse kein Schritt detektiert, obwohl die Schrittvarianz gering ist, wird die zweite Schwellwertanalyse betrachtet. Liegt dort eine Schritterkennung im erwarteten Zeitbereich, so gilt der Schritt als detektiert und der Spitzenwert wird reduziert.

Andere Verfahren zur Schrittdetektion sind alternativ oder zusätzlich in dem System implementierbar, z. B. eine Schrittdetektion auf Basis einer Fouriertransformation der von dem Bewegungssensor gelieferten Signale als Funktion der Zeit. Dieses Verfahren ist jedoch erheblich rechenaufwändiger und benötigt erheblichen Speicherplatz in einem Datenspeicher. Auch kann der Zeitpunkt der einzelnen Schritte nicht exakt ermittelt werden.


Anspruch[de]
System zur Bestimmung der körperlichen Aktivität eines Lebewesens, wobei das System Folgendes aufweist:

– einen Bewegungssensor (21) und

– eine Auswertungseinrichtung (6), die mit dem Bewegungssensor (21) verbunden ist und ausgestaltet ist, aus von dem Bewegungssensor (21) empfangenen Signalen ein Aktivitätsmaß für die körperliche Aktivität zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei das System einen Blutzuckersensor aufweist und wobei das System ausgestaltet ist, aus Signalen des Blutzuckersensors ein Maß für einen Blutzuckergehalt des Lebewesens zu bestimmen. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das System ausgestaltet ist, aus dem Aktivitätsmaß und aus dem Maß für den Blutzuckergehalt ein Signal zu berechnen, das eine Empfehlung darstellt, dem Körper des Lebewesens Insulin zuzuführen, oder das ein Steuersignal ist, zur Steuerung einer automatischen Zuführung von Insulin in den Körper. System nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Bewegungssensor (21) und der Blutzuckersensor in eine gemeinsame Vorrichtung integriert sind, die am Körper des Lebewesens anordenbar ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bewegungssensor (21) in einem Strumpf integriert ist, und wobei die Auswertungseinrichtung (6) ausgestaltet ist, eine Aufforderung auszugeben, die das Lebewesen oder eine Begleitperson auffordert, dass sich das Lebewesen bewegt. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bewegungssensor (21) über eine Funkverbindung (9) mit der Auswertungseinrichtung (6) verbunden ist. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswertungseinrichtung (6) in ein Mobiltelefon (1) und/oder einen PDA (Personal Digital Assistent) integriert ist. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ferner eine Kamera aufweist, die mit der Auswertungseinrichtung verbunden ist, und wobei die Auswertungseinrichtung ausgestaltet ist, von der Kamera erfasste Bilder von Nahrungsmitteln, die das Lebewesen zum Zweck der Ernährung aufnimmt, auszuwerten und den Energiegehalt und/oder Zuckergehalt der aufzunehmenden und/oder aufgenommenen Nahrungsmittel zu bestimmen. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System einen Betriebsmodus aufweist, in dem das System aus zusätzlich durchgeführten Messungen Informationen erhält über die tatsächlich von dem Lebewesen in Bewegung umgesetzte Energie, über die für die Bewegung verbrauchte Nahrungsmittelenergie, über den Wirkungsgrad für die Umsetzung der Nahrungsmittelenergie in Bewegungsenergie und/oder über den Zusammenhang zwischen dem Blutzuckergehalt und der Bewegung, und wobei das System in dem Betriebsmodus die Informationen und die Messwerte des Bewegungssensors (21) und optional des Blutzuckersensors verarbeitet, um spätere Messwerte des Bewegungssensors (21) – und optional des Blutzuckersensors – der Bewegungs-Aktivität des Lebewesens und optional einer Änderung des Blutzuckergehalts des Lebewesens zuordnen zu können. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System ausgestaltet ist, aus dem Aktivitätsmaß ein Signal zu berechnen, das eine Empfehlung darstellt, dem Körper des Lebewesens ein Medikament zuzuführen, oder das ein Steuersignal ist, zur Steuerung einer automatischen Zuführung des Medikaments in den Körper. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das System ausgestaltet ist, bei der Berechnung des Signals außer dem Aktivitätsmaß auch die Zeit der letzten Zuführung des Medikaments und/oder einen Zeitplan für die Zuführung des Medikaments zu berücksichtigen. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System einen Positionssensor zur Bestimmung der aktuellen Position und/oder einen Signaleingang zum Empfang eines Positionssignals aufweist und wobei das System ausgestaltet ist, aus der Entfernung zwischen verschiedenen Positionen Informationen über die körperliche Aktivität zu bestimmen. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das System ausgestaltet ist, aus der Position, aus verschiedenen Positionen und/oder aus der Änderung der Position zu ermitteln, auf welche Weise sich das Lebewesen fortbewegt, und wobei das System ausgestaltet ist, das Ergebnis der Ermittlung bei der Bestimmung des Aktivitätsmaßes zu berücksichtigen.






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