DE102017110295A1 - Apparatus and method for detecting and categorizing vital data of a subject with the aid of radar radiation - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Erfassen und Klassifizieren von Vitaldaten eines Probanden (2) mit einer Radareinrichtung (3) zum Erfassen mindestens eines Abstands der Radareinrichtung (3) von mindestens einer reflektierenden oder streuenden Grenzfläche (8) des Probanden (2), wobei die Radareinrichtung (3) derart eingerichtet und angeordnet ist, dass in dem Betrieb der Vorrichtung (1) von der Radareinrichtung (3) abgestrahlte elektromagnetische Strahlung zumindest auf einen Abschnitt des Probanden (2) gerichtet ist, so dass von der Grenzfläche (8) reflektierte oder gestreute elektromagnetische Strahlung eine zeitabhängige Abstandsinformation über den Abstand der Grenzfläche (8) von der Radareinrichtung (3) enthält, wobei die zeitabhängige Abstandsinformation ein Maß für mindestens einen Vitalparameter des Probanden enthält, und wobei die Radareinrichtung (3) derart eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung ein zeitabhängiges Messsignal, das die Abstandsinformation enthält, ausgibt, und einer das Messsignal einlesenden Auswerteeinrichtung (4), wobei die Auswerteeinrichtung (4) derart eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung (1) das Messsignal auswertet und ausgehend von dem zeitabhängigen Messsignal einen Zustand des Probanden in mindestens einer Dimension ausgewählt aus einer Gruppe von Dimensionen umfassend kognitive Belastung, Ermüdung und Stresslevel mehrstufig klassifiziert. The present invention relates to a device (1) for acquiring and classifying vital data of a subject (2) with a radar device (3) for detecting at least one distance of the radar device (3) from at least one reflecting or scattering interface (8) of the subject (2 ), wherein the radar device (3) is set up and arranged such that in the operation of the device (1) electromagnetic radiation emitted by the radar device (3) is directed at least to a portion of the subject (2), so that from the interface ( 8) reflected or scattered electromagnetic radiation contains a time-dependent distance information about the distance of the interface (8) from the radar device (3), wherein the time-dependent distance information contains a measure of at least one vital parameter of the subject, and wherein the radar device (3) is set up in that in the operation of the device it is a time-dependent measurement The evaluation device (4) is set up in such a way that it evaluates the measurement signal in the operation of the device (1) and, based on the time-dependent measurement signal, evaluates a state of the subject in at least one dimension selected from a group of dimensions comprising cognitive load, fatigue and stress levels classified in multiple levels.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen und Kategorisieren von Vitaldaten eines Probanden mit Hilfe von Radarstrahlung.The present invention relates to a device and a method for detecting and categorizing vital data of a subject with the aid of radar radiation.
Beispielsweise aus der
Das Messverfahren ist grundsätzlich geeignet, um Vitaldaten eines Probanden zu erfassen. Allerdings hat sich herausgestellt, dass seine Anwendung in der täglichen Praxis aufgrund der vergleichsweise hohen Kosten herkömmlicher Radarsysteme und ihrer großen Baugröße nicht umsetzbar war. Zudem hat sich gezeigt, dass außerhalb von Laborbedingungen mit einer fixierten Position des Probanden und weitgehend störungsfreien Umgebungsbedingungen eine Auswertung des von der Radareinrichtung ausgegebenen Messsignals zu unzuverlässigen Ergebnissen führt.The measurement method is basically suitable for recording vital data of a subject. However, it has been found that its application in everyday practice was not feasible due to the relatively high cost of conventional radar systems and their large size. In addition, it has been shown that, outside of laboratory conditions with a fixed position of the subject and largely trouble-free environmental conditions, an evaluation of the measurement signal output by the radar device leads to unreliable results.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen und Klassifizieren von Vitaldaten bereitzustellen, welche zumindest einen der zuvor genannten Nachteile überwindet.It is therefore an object of the present invention to provide a device and a method for acquiring and classifying vital data, which overcomes at least one of the aforementioned disadvantages.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird durch eine Vorrichtung zum Erfassen und Klassifizieren von Vitaldaten eines Probanden gelöst mit einer Radareinrichtung zum Erfassen mindestens eines Abstands der Radareinrichtung von mindestens einer reflektierenden oder streuenden Grenzfläche des Probanden, wobei die Radareinrichtung derart eingerichtet und angeordnet ist, dass in dem Betrieb der Vorrichtung von der Radareinrichtung abgestrahlte elektromagnetische Strahlung zumindest auf einen Abschnitt des Probanden gerichtet ist, sodass von der Grenzfläche reflektierte oder gestreute elektromagnetische Strahlung eine zeitabhängige Abstandsinformation über den Abstand der Grenzfläche von der Radareinrichtung enthält, wobei die zeitabhängige Abstandsinformation ein Maß für mindestens einen Vitalparameter des Probanden enthält, und wobei die Radareinrichtung derart eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung ein zeitabhängiges Messsignal, das die Abstandsinformation enthält, ausgibt, und einer das Messsignal einlesenden Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung derart eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung das Messsignal auswertet und ausgehend von dem Messsignal einen Zustand des Probanden in mindestens einer Dimension ausgewählt aus einer Gruppe von Dimensionen umfassend kognitive Belastung, Ermüdung und Stresslevel mehrstufig klassifiziert.At least one of the aforementioned objects is achieved by a device for acquiring and classifying vital data of a subject with a radar device for detecting at least one distance of the radar device from at least one reflective or scattering interface of the subject, wherein the radar device is set up and arranged such that in electromagnetic radiation radiated to the operation of the device by the radar device is directed at least to a portion of the subject such that electromagnetic radiation reflected or scattered by the interface includes time-dependent distance information about the distance of the interface from the radar device, the time-dependent distance information being a measure of at least one of the distance information Contains vital parameters of the subject, and wherein the radar device is arranged such that in the operation of the device, a time-dependent measuring signal, the distance information contains the evaluation signal, and the evaluating device is set up in such a way that it evaluates the measuring signal in the operation of the device and selects a condition of the subject in at least one dimension from a group of dimensions including cognitive starting from the measuring signal Stress, fatigue and stress levels classified in several stages.
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich aus der Abstandsinformation, welche zeitabhängig den Abstand zwischen der Radareinrichtung und mindestens einer Grenzfläche des Probanden beschreibt, ein oder mehrere Vitalparameter des Probanden ableiten lassen. Insbesondere ermöglicht es die Radareinrichtung, die Herzschlagfrequenz (auch bekannt als Herzfrequenz) und/oder die Herzratenvariabilität und/oder die Atemfrequenz des Probanden zu erfassen. Dabei bezeichnet die Herzratenvariabilität die Quantifizierung der Schwankungen der zeitlichen Abstände jeweils zweier aufeinanderfolgender Herzschläge. In der vorliegenden Anmeldung wird der Begriff Proband zusammenfassend für einen Menschen oder ein Tier, insbesondere ein Säugetier, verwendet.The device according to the invention is based on the finding that one or more vital parameters of the subject can be derived from the distance information, which describes the distance between the radar device and at least one interface of the subject in a time-dependent manner. In particular, the radar device makes it possible to detect the heartbeat frequency (also known as heart rate) and / or the heart rate variability and / or the respiratory rate of the subject. Heart rate variability refers to the quantification of the fluctuations in the time intervals of two successive heartbeats. In the present application, the term subject is used in summary for a human or an animal, in particular a mammal.
Die Brustkorbbewegung eines Probanden, das heißt das Auf- und Absenken der Brust, ist proportional zur Atemaktivität des Probanden. Der Herzschlag hingegen steht in unmittelbarem Zusammenhang zum Puls, das heißt, einem mehr oder weniger periodischem Pulsieren oder Aufweiten der Blutgefäße. Sowohl die Atemaktivität als auch der Herzschlag führen somit zu Änderungen der Position von Oberflächen beziehungsweise Grenzflächen des Probanden relativ zu einem Referenzpunkt, welcher erfindungsgemäß von der Radareinrichtung gebildet wird.The thorax movement of a subject, that is the raising and lowering of the breast, is proportional to the subject's breathing activity. The heartbeat, however, is directly related to the pulse, that is, a more or less periodic pulsation or dilation of the blood vessels. Both the respiratory activity and the heartbeat thus lead to changes in the position of surfaces or interfaces of the subject relative to a reference point, which is inventively formed by the radar device.
In dem Fall einer Abstandsmessung mit der Radareinrichtung lassen sich daher die Vitalparameter als zeitabhängige Änderungen des Abstands zwischen Radareinrichtung und der reflektierenden oder streuenden Grenzfläche des Probanden erfassen.In the case of a distance measurement with the radar device, therefore, the vital parameters can be detected as time-dependent changes in the distance between the radar device and the reflective or scattering interface of the subject.
Die zu betrachtende, die elektromagnetische Radarstrahlung reflektierende oder streuende Grenzfläche ist insbesondere die Hautoberfläche des Probanden. Eine die Radarstrahlung reflektierende oder streuende Grenzfläche wird aber insbesondere auch von einer hautnahen Oberfläche eines Blutgefäßes, das heißt einer Ader, oder anderen Grenzflächen, gebildet. Allgemein ausgedrückt ist eine Grenzfläche durch eine Brechungsindexänderung charakterisiert, welche wiederum eine Streuung oder Reflexion bewirkt.The boundary surface to be considered, which reflects or scatters the electromagnetic radar radiation, is in particular the skin surface of the subject. However, an interface that reflects or scatters the radar radiation is also formed, in particular, by a skin-near surface of a blood vessel, that is to say a vein or other boundary surfaces. Generally speaking, an interface is characterized by a refractive index change, which in turn causes scattering or reflection.
Die Auswerteeinrichtung ist derart eingerichtet, dass sie das Messsignal, welches von der Radareinrichtung ausgegeben wird, auswertet und einen Zustand des Probanden in mindestens einer Dimension in mindestens zwei Klassen klassifiziert. Ein Beispiel einer mehrstufigen Klassifizierung des Zustands des Probanden in einer Dimension ist die Klassifizierung der Müdigkeit des Probanden in wach, müde und erschöpft.The evaluation device is set up such that it evaluates the measurement signal output by the radar device and classifies a state of the subject in at least one dimension into at least two classes. An example of a multilevel classification of the subject's condition in one dimension is the classification of the subject's fatigue in awake, tired and exhausted.
Ziel dieser Auswertung ist es, in zumindest einer Dimension den Vitalzustand des Probanden mit Hilfe des Messsignals zuverlässig auszuwerten beziehungsweise vorherzusagen. The aim of this evaluation is to reliably evaluate or predict the vital state of the subject with the aid of the measurement signal in at least one dimension.
Im einfachsten Fall wird der Zustand des Probanden für eine einzige Dimension, beispielsweise die Ermüdung, in zwei Klassen, beispielsweise wach und müde, eingeordnet. Diese Klassifizierung des Zustands des Probanden möglichst zuverlässig ausführen zu können, ist ein zentraler Aspekt der vorliegenden Erfindung.In the simplest case, the condition of the subject for a single dimension, such as fatigue, is classified into two classes, such as awake and tired. Being able to perform this classification of the subject's state as reliably as possible is a central aspect of the present invention.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung derart eingerichtet, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung das Messsignal auswertet und aus der in dem Messsignal enthaltenden Abstandsinformation ein Maß für mindestens einen Vitalparameter des Probanden bestimmt und ausgehend von dem Maß für den Vitalparameter einen Zustand des Probanden mehrstufig klassifiziert.In one embodiment, the evaluation device is set up in such a way that it evaluates the measurement signal in the operation of the device and determines from the distance information contained in the measurement signal a measure for at least one vital parameter of the test person and classifies a state of the test person in multiple stages on the basis of the measure for the vital parameter ,
In einer Ausführungsform ist die Dimension ausgewählt aus einer Gruppe von Dimensionen bestehend aus kognitiver Belastung, Ermüdung und Stresslevel.In one embodiment, the dimension is selected from a group of dimensions consisting of cognitive stress, fatigue and stress levels.
Beispielsweise werden in einer Ausführungsform durch geeignete Filterung des Messsignals und Transformation des Messsignals, insbesondere durch Anwenden einer Fourier-Transformation auf das zeitabhängige Messsignal, die Herzschlagfrequenz und/oder die Atemfrequenz bestimmt. Um aus einem dieser aus dem Messsignal abgeleiteten Vitalparameter den Zustand des Probanden zu klassifizieren, kann beispielsweise der abgeleitete Vitalparameter mit einem Schwellenwert verglichen werden. Liegt das abgeleitete Maß für den Vitalparameter beispielsweise unterhalb des Schwellenwerts, so ist der Zustand des Probanden der ersten Klasse der betreffenden Dimension. Liegt das Maß für den Vitalparameter hingegen oberhalb des Schwellenwerts, so liegt der Zustand des Probanden in der zweiten Klasse für die gleiche Dimension.For example, in one embodiment, the heartbeat frequency and / or the respiratory rate are determined by suitable filtering of the measurement signal and transformation of the measurement signal, in particular by applying a Fourier transformation to the time-dependent measurement signal. In order to classify the state of the subject from one of these vital parameters derived from the measurement signal, the derived vital parameter, for example, can be compared to a threshold value. For example, if the derived measure of the vital parameter is below the threshold, then the condition of the subject is the first class of that dimension. On the other hand, if the measure for the vital parameter is above the threshold value, then the condition of the subject in the second class is for the same dimension.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung derart eingerichtet, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung aus dem Messsignal ein Maß für die Herzschlagfrequenz und ein Maß für die Atemfrequenz des Probanden bestimmt und ausgehend sowohl von dem Maß für die Herzschlagfrequenz als auch von dem Maß für die Atemfrequenz den Zustand des Probanden mehrstufig klassifiziert.In one embodiment of the invention, the evaluation device is set up in such a way that it determines from the measurement signal a measure of the heartbeat rate and a measure of the respiration rate of the subject in the operation of the device and based both on the measure of the heartbeat frequency and on the measure of the respiratory rate classifies the condition of the subject in several stages.
In einer Ausführungsform jedoch umfasst die Auswerteeinrichtung ein selbstlernendes System, welches anhand von während einer Lernphase selbst erlernten Mustern und Gesetzmäßigkeiten aus dem zeitabhängigen Messsignal den Zustand des Probanden in mindestens einer Dimension klassifiziert.In one embodiment, however, the evaluation device comprises a self-learning system which, on the basis of patterns and laws learned during a learning phase, from the time-dependent measurement signal classifies the state of the subject in at least one dimension.
Zu diesem Zweck erhält das selbstlernende System in der Lernphase als Eingabe mindestens ein zeitabhängiges Messsignal, das eine Abstandsinformation über den Abstand einer Grenzfläche eines Probanden von der Radareinrichtung enthält und eine zeitabhängige, von dem Messsignal unabhängige Zustandsbeschreibung des Probanden in der zu klassifizierenden Dimension, wobei eine Zeitabhängigkeit des Messsignals und eine Zeitabhängigkeit der Zustandsbeschreibung synchronisiert sind.For this purpose, the self-learning system receives in the learning phase as input at least one time-dependent measurement signal containing a distance information about the distance of a test person's interface from the radar device and a time-dependent, independent of the measurement signal state description of the subject in the dimension to be classified, a Time dependence of the measurement signal and a time dependence of the state description are synchronized.
Dabei kann der Proband während der Lernphase in einer Ausführungsform der gleiche Proband sein, auf welchen die Vorrichtung im Messbetrieb, das heißt in der Messphase außerhalb der Lernphase, angewandt wird. Allerdings sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen in der Lernphase ein Proband eingesetzt wird, welcher gewissermaßen als Muster dient und nicht identisch ist mit dem Probanden, auf den die Vorrichtung in der Messphase angewandt wird.In this case, during the learning phase in one embodiment, the subject may be the same subject to whom the device is applied in measuring mode, that is to say in the measuring phase outside the learning phase. However, embodiments are also conceivable in which a subject is used in the learning phase, which serves as a pattern as a pattern and is not identical to the subject to whom the device is applied in the measurement phase.
Die zeitabhängige subjektive Zustandsbeschreibung kann entweder von dem Probanden selbst erstellt werden, sie ist dann eine subjektive Zustandsbeschreibung, von einem Dritten als Beobachter des Probanden oder aber durch eine elektronische Erfassung von Vitalparametern mit herkömmlichen, invasiven beziehungsweise kontaktierenden Verfahren mit einer einer entsprechenden erprobten zuverlässigen Auswertung des Messsignals und einer Kategorisierung des Zustands des Probanden in der zu kategorisierenden Dimension.The time-dependent subjective state description can either be created by the subject himself, it is then a subjective description of the condition, by a third party as an observer of the subject or by an electronic detection of vital parameters with conventional, invasive or contacting procedures with a correspondingly proven reliable evaluation of the Measurement signal and a categorization of the condition of the subject in the dimension to be categorized.
Wichtig ist, dass auch die von dem Messsignal in der Lernphase in die Auswerteeinrichtung eingelesene Zustandsbeschreibung eine Zeitabhängigkeit aufweist, welche mit der Zeitabhängigkeit des Messsignals während der Lernphase synchronisiert ist. So lassen sich Ereignisse im Messsignal eindeutig einer subjektiven Zustandsbeschreibung zum gleichen Zeitpunkt zuordnen.It is important that the state description read into the evaluation device by the measurement signal in the learning phase also has a time dependency that is synchronized with the time dependency of the measurement signal during the learning phase. Thus, events in the measurement signal can be clearly assigned to a subjective state description at the same time.
Kern des selbstlernenden Systems ist es, dass dieses aus dem zeitabhängigen Messsignal und der zeitabhängigen Zustandsbeschreibung während der Lernphase selbst Muster und Gesetzmäßigkeiten identifiziert und speichert, wobei diese identifizierten und gespeicherten Muster und Gesetzmäßigkeiten dann im Betrieb der Vorrichtung, das heißt im Messbetrieb, zur Klassifizierung des Zustands des Probanden dienen.The core of the self-learning system is that it identifies and stores patterns and patterns from the time-dependent measurement signal and the time-dependent state description during the learning phase, these identified and stored patterns and laws then being used in the operation of the device, ie in measurement mode, to classify the Serve the subject's condition.
Zum Identifizieren der Muster und Gesetzmäßigkeiten während der Lernphase und zum Klassifizieren des Zustands des Probanden eignen sich die aus dem Stand der Technik bekannten Algorithmen für selbstlernende Systeme, insbesondere Linear and Logistic Regression, Decision Tree, Support Vector Machine, Naive Bayes, künstliche neuronale Netze, K-Means, Random Forest, Dimensionality Reduction Algorithms, Gradiant Boost and Adaboos und neuronale Netzwerke.To identify the patterns and regularities during the learning phase and to classify the state of the subject are known from the prior art algorithms for self-learning systems, in particular Linear and Logistic Regression, Decision Tree, Support Vector Machine, Naive Bayes, artificial neural Nets, K-Means, Random Forest, Dimensionality Reduction Algorithms, Gradiant Boost and Adaboos and Neural Networks.
Als besonders geeignet erscheinen künstlichen neuronale Netze und Random Forest Algorithmen.Particularly suitable are artificial neural networks and random forest algorithms.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Radareinrichtung einen monolithisch integrierten Mikrowellentransceiver-Schaltkreis (engl. Monolithic Microwave Transceiver Integrated Circuit; kurz MMIC), vorzugsweise auf Basis von SiGe-Halbleitertechnologie, ein Mikrowellenmodul, auf dem der Mikrowellentransceiver-Schaltkreis montiert ist, und ein Steuermodul. Dabei umfasst das Steuermodul einen Mikroprozessor zur Steuerung der Mikrowellenelemente sowohl auf dem Mikrowellenmodul als auch in dem Mikrowellentransceiver-Schaltkreis, einen Analog-Digital-Wandler, der so angeordnet eingerichtet ist, dass er in dem Betrieb der Radareinrichtung ein Zwischenfrequenzsignal von einem Empfängermischer digitalisiert und eine USB-Schnittstelle, wobei die USB-Schnittstelle mit dem Analog-Digital-Wandler verbunden ist, wobei die USB-Schnittstelle derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Radareinrichtung das Zwischenfrequenzsignal als digitales Messsignal an die Auswerteeinrichtung bereitstellt und wobei die USB-Schnittstelle derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Radareinstellung eine Leistungsversorgung für die Radareinrichtung bereitstellt.In one embodiment of the invention, the radar device comprises a monolithically integrated microwave transceiver integrated circuit (MMIC), preferably based on SiGe semiconductor technology, a microwave module on which the microwave transceiver circuit is mounted, and a control module , In this case, the control module comprises a microprocessor for controlling the microwave elements both on the microwave module and in the microwave transceiver circuit, an analog-to-digital converter arranged to be digitized in the operation of the radar means an intermediate frequency signal from a receiver mixer and a USB interface, wherein the USB interface is connected to the analog-to-digital converter, wherein the USB interface is configured such that it provides the intermediate frequency signal as a digital measurement signal to the evaluation in the operation of the radar device and wherein the USB interface is configured such that it provides a power supply for the radar device in the operation of the radar adjustment.
Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer Radareinrichtung in einer Vorrichtung zum Erfassen und Kategorisieren von Vitaldaten eines Probanden, drei wesentliche Anforderungen an die Radareinrichtung hat: Zum einen muss die Baugröße der Radareinrichtung so klein sein, dass die Radareinrichtung keinen nennenswerten Bauraum in der Umgebung des Probanden, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, beansprucht. Zum anderen muss die Radareinrichtung einen Stückpreis aufweisen, welcher die beanspruchte Verwendung auch aus ökonomischer Sicht sinnvoll macht. Darüber hinaus muss die Radareinrichtung über eine standardisierte Schnittstelle mit der Auswerteeinrichtung integrierbar sein.It has been found that the use of a radar device in a device for detecting and categorizing a subject's vital data has three essential requirements for the radar device: Firstly, the size of the radar device must be so small that the radar device does not have any appreciable space in the surroundings of the subject, for example in a motor vehicle claimed. On the other hand, the radar device must have a unit price, which makes the claimed use useful from an economic point of view. In addition, the radar device must be integrated via a standardized interface with the evaluation device.
Alle drei Anforderungen erfüllt die zuvor beschriebene Radareinrichtung. Die Bereitstellung von Sender und Empfänger auf einem monolithisch integrierten Mikrowellentransceiver-Schaltkreis ermöglicht eine Bauform mit einem möglichst geringen Platzbedarf. Zudem ist diese Bauform für eine kostengünstige Fertigung in höheren Stückzahlen geeignet.All three requirements are fulfilled by the radar device described above. The provision of transmitter and receiver on a monolithically integrated microwave transceiver circuit allows a design with the smallest possible space requirement. In addition, this design is suitable for low-cost production in higher quantities.
Zuletzt stellt die Wandlung des Zwischenfrequenzsignals und damit des auszuwertenden Messsignals in einem Analog-Digital-Wandler, noch vor einer Verarbeitung, das heißt einer Auswertung des Zwischenfrequenzsignals, die erforderliche einfache Anbindung an die Auswerteeinrichtung bereit. Die USB-Schnittstelle ermöglicht eine einfache Übergabe des digitalisierten Zwischenfrequenzsignals und damit dessen Auswertung in einem Rechner als Auswerteeinrichtung außerhalb der eigentlichen Radareinrichtung.Finally, the conversion of the intermediate frequency signal and thus of the measurement signal to be evaluated in an analog-to-digital converter, before processing, that is an evaluation of the intermediate frequency signal, the required simple connection to the evaluation available. The USB interface allows easy transfer of the digitized intermediate frequency signal and thus its evaluation in a computer as an evaluation device outside the actual radar device.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Radareinrichtung ein Dopplerradar, welches bei einer Bewegung der Grenzfläche des Probanden relativ zur Radareinrichtung die Änderungen des Abstands zwischen der reflektierenden beziehungsweise streuenden Grenzfläche und der Radareinrichtung als Frequenzverschiebung erfasst.In one embodiment of the invention, the radar device is a Doppler radar, which detects the changes in the distance between the reflective or diffusive interface and the radar device as a frequency shift in a movement of the test person's interface relative to the radar device.
Insbesondere aber ist die Radareinrichtung in einer Ausführungsform ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar. Dieses wird im Englischen Frequency Modulated Continuous Wave Radar, kurz FMCW-Radar, genannt. Dieses Radarprinzip ermöglicht einen Radarbetrieb mit einer Ermittlung der Richtung und des Abstands zwischen einem Objekt, hier der streuenden oder reflektierenden Oberfläche des Probanden, und einer Sender- oder Empfängerantenne der Radareinrichtung bei überschaubarem apparativem Aufwand.In particular, however, in one embodiment, the radar device is a frequency-modulated continuous-wave radar. This is called in English Frequency Modulated Continuous Wave Radar, short FMCW radar. This radar principle enables a radar operation with a determination of the direction and the distance between an object, here the scattering or reflecting surface of the subject, and a transmitter or receiver antenna of the radar device with manageable expenditure on equipment.
Ziel des FMCW-Radars ist es, die Laufzeit eines von einer Senderantenne abgestrahlten und von einer Empfängerantenne empfangenen Radarsignals zu bestimmen und damit den Abstand zwischen der Grenzfläche und einer der Antennen. Grundlage für die Abstandsmessung ist, dass die Frequenz eines monofrequenten, vergleichsweise schmalbandigen Radarsignals mit der Zeit variiert wird. Beispielsweise nimmt über ein Zeitintervall hinweg die Frequenz des abgestrahlten Signals kontinuierlich und linear gegenüber der Zeit zu. Verwendet man nun einen Teil des generierten Radarsignals als Referenzsignal und leitet dieses Referenzsignal dem Empfänger unmittelbar zu, während das eigentliche Radarsignal von der Sendeantenne über das Objekt, hier der Grenzfläche des Probanden, zurück zur Empfängerantenne läuft und mischt man am Empfänger das von der Empfängerantenne empfangene Radarsignal mit dem Referenzsignal, so generiert der Mischprozess ein Zwischenfrequenzsignal als Messsignals im Sinne der vorliegenden Anmeldung. Die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals ergibt sich aus den unterschiedlichen Laufzeiten von Referenzsignal und Radarsignal. Wichtig ist dabei, dass die Laufzeit des Radarsignals nicht größer ist als das vorbestimmte Zeitintervall, über welches die Frequenz des abgestrahlten Radarsignals geändert wird. Bestimmt man nun am Empfänger, das heißt hinter dem Mischer, die generierte Zwischenfrequenz, so ist diese proportional zum Abstand zwischen der Senderantenne beziehungsweise der Empfängerantenne und der das Radarsignal reflektierenden oder streuenden Grenzfläche.The aim of the FMCW radar is to determine the transit time of a radar signal radiated from a transmitter antenna and received by a receiver antenna, and thus the distance between the interface and one of the antennas. The basis for the distance measurement is that the frequency of a monofrequency, comparatively narrow-band radar signal is varied over time. For example, over a time interval, the frequency of the radiated signal increases continuously and linearly with respect to time. If one uses now a part of the generated radar signal as a reference signal and directs this reference signal to the receiver directly, while the actual radar signal from the transmitting antenna on the object, here the interface of the subject, runs back to the receiver antenna and mixed at the receiver received by the receiver antenna Radar signal with the reference signal, the mixing process generates an intermediate frequency signal as a measurement signal in the context of the present application. The frequency of the intermediate frequency signal results from the different transit times of reference signal and radar signal. It is important that the duration of the radar signal is not greater than the predetermined time interval over which the frequency of the radiated radar signal is changed. If you determine the generated intermediate frequency at the receiver, ie behind the mixer, this is proportional to the distance between the transmitter antenna or the receiver antenna and the radar signal reflecting or scattering interface.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird der Zeitpunkt der Abstrahlung des Radarsignals innerhalb eines Intervalls, in dem die Frequenz des abgestrahlten Radarsignals variiert wird, frequenzcodiert. In einer Ausführungsform der Erfindung, insbesondere aber in einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Radareinrichtung ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar ist, ist die Radareinrichtung derart ausgestaltet, dass die Radareinrichtung in dem Betrieb der Vorrichtung elektromagnetische Strahlung mit einer Mittenfrequenz in einem Frequenzbereich von 10 GHz bis 300 GHz, vorzugsweise in einem Bereich von 20 GHz bis 170 GHz abstrahlt und empfängt.In other words, the timing of radiation of the radar signal is frequency-encoded within an interval in which the frequency of the radiated radar signal is varied. In one embodiment of the invention, but in particular in one embodiment of the invention in which the radar device is a frequency-modulated continuous wave radar, the radar device is designed such that the radar device in the operation of the device electromagnetic radiation with a center frequency in a frequency range of 10 GHz to 300 GHz, preferably in a range of 20 GHz to 170 GHz and radiates.
Die genannten Frequenzbereiche sind zwischenzeitlich mit kommerziell erhältlichen Radarsystemen geringer Baugröße abzudecken. Derartige Systeme lassen sich zudem beispielsweise in Fahrzeuge und Maschinen integrieren, da sie keinen übermäßigen Bauraum benötigen.The mentioned frequency ranges are to be covered in the meantime with commercially available radar systems of small size. Such systems can also be integrated, for example, in vehicles and machines, since they do not require excessive space.
In einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Radareinrichtung ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar ist, ist die Radareinrichtung derart ausgestaltet, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung elektromagnetische Dauerstrichstrahlung mit einer Abstimmbandbreite von 40 GHz oder weniger, vorzugsweise mit einer Abstimmbandbreite von 30 GHz oder weniger, erzeugt und empfängt.In an embodiment of the invention in which the radar device is a frequency modulated continuous wave radar, the radar device is configured to provide continuous wave electromagnetic radiation in the operation of the device with a tuning bandwidth of 40 GHz or less, preferably with a tuning bandwidth of 30 GHz or less , generates and receives.
Dabei bestimmt die Abstimmbandbreite grundsätzlich die Auflösung, mit welcher die Radareinrichtung Abstandsänderungen erfassen kann. Während es grundsätzlich wünschenswert ist, eine möglichst große Auflösung zu haben, geht die Abstimmbandbreite immer auch mit einem erheblichen apparativen Aufwand auf Seite der Radareinrichtung einher. Daher gilt es aus ökonomischen Gründen, die Radareinrichtung so zu wählen, dass sie zu dem zu messenden Objekt beziehungsweise der gestellten Aufgabe passt. Es hat sich herausgestellt, dass zum Erfassen von Vitaldaten eines Probanden eine Abstimmbandbreite in einem Bereich von 20 GHz bis 40 GHz, vorzugsweise von 20 GHz bis 30 GHz ausreichend ist und gleichzeitig einen auch für die Massenproduktion vertretbaren apparativen Aufwand erfordert.The tuning bandwidth basically determines the resolution with which the radar device can detect changes in distance. While it is generally desirable to have the largest possible resolution, the tuning bandwidth is always accompanied by a considerable expenditure on equipment on the side of the radar device. For economic reasons, therefore, it is necessary to select the radar device in such a way that it fits the object to be measured or the task set. It has been found that for the acquisition of vital data of a subject, a tuning bandwidth in a range of 20 GHz to 40 GHz, preferably 20 GHz to 30 GHz is sufficient and at the same time requires an expenditure on equipment which is also acceptable for mass production.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Radareinrichtung eine Dynamik, betrachtet über das gesamte System (d.h. eine Systembandbreite), von 60 dB oder mehr, vorzugsweise von 80 dB oder mehr, auf.In one embodiment of the invention, the radar device has a dynamics, viewed over the whole system (i.e., a system bandwidth) of 60 dB or more, preferably 80 dB or more.
Es ist möglich in Ausführungsformen der Erfindung verschiedene der zuvor beschriebenen Messverfahren zu kombinieren und auf diese Weise die Abstandsinformation zu gewinnen.It is possible in embodiments of the invention to combine various of the measuring methods described above and in this way to obtain the distance information.
Insbesondere ist einer Ausführungsform der Erfindung das frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar ein Dopplerradar. Eine solche Kombination aus einem Dopplerradar und einem frequenzmodulierten Dauerstrich-Radar ist in der Literatur auch als Mikro-Dopplerradar bekannt.In particular, in one embodiment of the invention, the frequency modulated continuous-wave radar is a Doppler radar. Such a combination of a Doppler radar and a frequency-modulated continuous-wave radar is also known in the literature as micro Doppler radar.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Radareinrichtung bistatisch ausgestaltet, das heißt sowohl für den Sender als auch für den Empfänger steht jeweils eine eigene Antenne bereit. Dies erfordert für Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung den geringsten apparativen und damit finanziellen Aufwand.In a further embodiment of the invention, the radar device is designed bistatically, that is, both for the transmitter and for the receiver each has its own antenna ready. This requires for embodiments of the device according to the invention the least equipment and thus financial expense.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Radareinrichtung eine Mehrfrequenz-Radareinrichtung ist, die derart eingerichtet ist, dass sie elektromagnetische Strahlung mit mindestens zwei Mittenfrequenzen in mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzbereichen abstrahlt und empfängt, wobei vorzugsweise die mindestens zwei Frequenzbereiche ausgewählt sind aus einem Frequenzbereich von 20 GHz bis 28 GHz, einem Frequenzbereich von 60 GHz bis 90 GHz und einem Frequenzbereich von 120 GHz bis 170 GHz.In one embodiment of the invention, the radar device is a multi-frequency radar device which is adapted to emit and receive electromagnetic radiation having at least two center frequencies in at least two distinct frequency ranges, wherein preferably the at least two frequency ranges are selected from a frequency range of twenty GHz to 28 GHz, a frequency range of 60 GHz to 90 GHz and a frequency range of 120 GHz to 170 GHz.
Es hat sich gezeigt, dass mit Abstandsmessungen mit Mittenfrequenzen in mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzbereichen zusätzliche Informationen gewonnen werden können, welche die Klassifizierung des Zustands des Probanden erleichtern.It has been shown that with distance measurements with center frequencies in at least two mutually different frequency ranges additional information can be obtained, which facilitate the classification of the condition of the subject.
Dabei hat sich als geeignet herausgestellt, wenn die Radareinrichtung derart eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung elektromagnetische Strahlung mit einer Mittenfrequenz in einem Frequenzbereich von 20 GHz bis 28 GHz und elektromagnetische Strahlung in einem Frequenzbereich von 120 GHz bis 170 GHz abstrahlt und empfängt, wobei ein Maß für die Herzschlagfrequenz als Vitalparameter aus einem Messsignal bestimmt wird, dessen Abstandsinformation mit der elektromagnetischen Strahlung in dem Frequenzbereich von 20 GHz bis 28 GHz erhalten wird, und wobei ein Maß für die Atemfrequenz als Vitalparameter aus einem Messsignal bestimmt wird, dessen Abstandsinformation mit der elektromagnetischen Strahlung in dem Frequenzbereich von 120 GHz bis 170 GHz erhalten wird.It has proved to be suitable if the radar device is set up such that it radiates and receives electromagnetic radiation having a center frequency in a frequency range from 20 GHz to 28 GHz and electromagnetic radiation in a frequency range from 120 GHz to 170 GHz in the operation of the device wherein a measure of the heartbeat rate as a vital parameter from a measurement signal is determined, the distance information is obtained with the electromagnetic radiation in the frequency range of 20 GHz to 28 GHz, and wherein a measure of the respiratory rate as a vital parameter from a measurement signal is determined whose distance information is obtained with the electromagnetic radiation in the frequency range of 120 GHz to 170 GHz.
Die Vorrichtung zum Erfassen und Kategorisieren von Vitaldaten eines Probanden eignet sich insbesondere zur Kategorisierung von Vitaldaten des Führers eines Landfahrzeugs, eines Luftfahrzeugs oder eines Seefahrzeugs. Anwendungen in Fahrzeugen weisen den Vorteil auf, dass dort der Proband, das heißt der Fahrzeugführer, typischerweise eine annähernd definierte Position auf einem Sitz oder hinter einem Steuerrad aufweist. Insbesondere ist es bei einem Landfahrzeug, bei welchem der Proband als Fahrer des Fahrzeugs angeschnallt ist, möglich, eine Referenzmessung auf den Anschnallgurt durchzuführen, welcher eine definierte Position über der Haut des Probanden aufweist.The device for recording and categorizing vital data of a subject is particularly suitable for categorizing vital data of the driver of a land vehicle, an aircraft or a maritime vehicle. Applications in vehicles have the advantage that there the test person, that is the driver, typically has an approximately defined position on a seat or behind a steering wheel. In particular, in a land vehicle in which the subject is strapped as a driver of the vehicle, it is possible to perform a reference measurement on the seatbelt, which has a defined position over the skin of the subject.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen und Kategorisieren von Vitaldaten eines Probanden aber auch für den Einbau in eine Krankentrage, ein Krankenbett, einen Steuerstand oder eine Maschine geeignet, um die Vitaldaten beispielsweise eines Patienten, eines Maschinenführers oder eines Fluglotsen zu erfassen. Bei allen genannten Anwendungen geht es in einer Ausführungsform darum, Bedienfehler durch Müdigkeit oder gar Erkrankungen des Probanden vorzubeugen.In addition, the inventive device for detecting and categorizing vital data of a subject but also for installation in a stretcher, a hospital bed, a control station or a machine is suitable to capture the vital data, for example, a patient, a machine operator or an air traffic controller. In all of these applications, it is in one embodiment, to prevent operator error due to tiredness or even diseases of the subject.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch ein Verfahren zum Erfassen und Klassifizieren von Vitaldaten eines Probanden gelöst mit den Schritten:
- Bestrahlen zumindest eines Abschnitts des Probanden mit elektromagnetischer Strahlung aus einer Radareinrichtung,
- Empfangen der an einer Grenzfläche des Probanden reflektierten oder gestreuten elektromagnetische Strahlung mit der Radareinrichtung,
- Erfassen einer zeitabhängigen Abstandsinformation über den Abstand der Grenzfläche von der Radareinrichtung, wobei die zeitabhängige Abstandsinformation ein Maß für mindestens einen Vitalparameter des Probanden enthält, und
- Ausgeben eines zeitabhängigen Messsignals, das die Abstandsinformation enthält, aus der Radareinrichtung,
- Einlesen des Messsignals in eine Auswerteeinrichtung,
- Auswerten des Messsignals in der Auswerteeinrichtung und
- mehrstufiges Klassifizieren eines Zustands des Probanden in mindestens einer Dimension ausgewählt aus einer Gruppe von Dimensionen umfassend kognitive Belastung, Ermüdung und Stresslevel ausgehend von dem zeitabhängigen Messsignal.
- Irradiating at least a portion of the subject with electromagnetic radiation from a radar device,
- Receiving the reflected or scattered at an interface of the subject electromagnetic radiation with the radar device,
- Detecting a time-dependent distance information about the distance of the interface from the radar device, wherein the time-dependent distance information contains a measure of at least one vital parameter of the subject, and
- Outputting a time-dependent measurement signal containing the distance information from the radar device,
- Reading the measuring signal into an evaluation device,
- Evaluation of the measurement signal in the evaluation and
- Multi-level classifying a subject's condition in at least one dimension selected from a group of dimensions including cognitive stress, fatigue and stress levels based on the time-dependent measurement signal.
Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf die Vorrichtung beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zum Erfassen und Kategorisieren von Vitaldaten eines Probanden und umgekehrt. Soweit das Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist diese die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind Ausführungsformen der Vorrichtung zum Ausführen von Ausführungsformen des Verfahrens geeignet.As far as aspects of the invention have been described with respect to the device, they also apply to the corresponding method for detecting and categorizing a subject's vital data and vice versa. As far as the method is carried out with a device according to this invention, so this has the appropriate facilities for this. In particular, embodiments of the apparatus are suitable for carrying out embodiments of the method.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich.Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment and the associated figures.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In the figures, like elements are designated by like reference numerals.
Die Vorrichtung
In der in
Um auf Grundlage des von der Radareinrichtung
Dieses selbstlernende System
Diese während der Lernphase identifizierten Muster und Gesetzmäßigkeiten dienen in der Messphase dazu, aus den Informationen des zeitabhängigen Messsignals den Zustand des Probanden im Hinblick auf seine Müdigkeit als Dimension im Sinne der vorliegenden Anmeldung zu klassifizieren. Mit Hilfe der selbsterlernten Muster und Gesetzmäßigkeiten wird dann aus dem Messsignal der Zustand des Probanden im Hinblick auf seine Aufmerksamkeit abgeleitet bzw. prognostiziert. Dabei lassen sich Zustände mit erhöhter Müdigkeit sogar aus dem Messsignal vorhersagen, bevor die Müdigkeit in eine als kritisch identifizierte Kategorie kategorisiert wird. Wenn dieser Zustand eintritt, wird auf der Leitstelle
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmal, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.For purposes of the original disclosure, it is to be understood that all such features as will become apparent to those skilled in the art from the present description, drawings, and claims, even though they have been specifically described in connection with certain further features, may be individually hereto in any manner Compilations with other features or feature groups disclosed herein can be combined, unless this has been expressly excluded or technical conditions make such combinations impossible or pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is omitted here only for the sake of brevity and readability of the description.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description, such illustration and description is exemplary only and is not intended to limit the scope of the protection as defined by the claims. The invention is not limited to the disclosed embodiments.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.Variations of the disclosed embodiments will be apparent to those skilled in the art from the drawings, the description and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" or "an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain features are claimed in different claims does not exclude their combination. The reference signs in the claims are not intended to be limiting of the scope.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- ProbandFamily
- 33
- Radareinrichtungradar device
- 44
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 55
- Radarstrahlungradar radiation
- 66
- InternetInternet
- 77
- Leitstellecontrol center
- 88th
- Grenzfläche des ProbandenInterface of the subject
- 99
- selbstlernendes Systemself-learning system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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R079 | Amendment of ipc main class |
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