BESCHREIBUNG Verfahren zur Erfassung, drahtlosen Weiterleitung und Verarbeitung von Multi- Sensorsignalen Gegenstand Verfahren zur Erfassung, drahtlosen Weiterleitung und Verarbeitung von Multi- Sensorsignalen (MSAN = Multi Sensor Area Network) zur Beobachtung und Beeinflussung von ortsfesten und ortveränderlichen Objekten Gesamtaufgabe Aufgabe des MSAN Netzwerkes (Abb. 1) ist es, mehrere autonome Sensoren Si (1), die zur Erfassung von physikalischen Messwerten (2) (z. B. Temperatur, Feuchte, Sauerstoffgehalt, Beschleinigung etc. ) an dem zu beobachtenden Objekt (3) angebracht sind, drahtlos d. h. mittels Funkübertragung (5) miteinander zu vernetzen, die messwertspezifischen Algorithmen in die Sensoren drahtlos zu übertragen die vorverarbeiteten Sensordaten in einer Basisstation (4) zu empfangen, zu prüfen, weiter zu verarbeiten, zu visualisieren und zu speichern bzw. an übergeordnete Datenverarbeitungsanlagen (6) weiterzuleiten, die entweder Vorort oder über ein Telekommunikationsnetz (7) mit Netzeinspeisung (8) auch in der Ferne angeschlossen sein kann. Die Verbindung Basisstation zu Netzeinspeisung kann sowohl drahtgebunden wie auch drahtlos erfolgen (9). optional können die Ergebnisse der Sensordatenanalyse in der Basisstation im Sinn einer Kaskadenregelung auch zur Steuerung bzw. Regelung d. h. zur Beeinflussung des Zustands des zu beobachtenden Objekts herangezogen werden. Hierzu werden Steuerdaten (10) von der Basisstation drahtlos an Aktoren (11) übertragen, die unmittelbar auf den Objektzustand einwirken (z. B. Herunterfahren einer Maschine bei Erreichen einer kritischen Betriebstemperatur).

Integration der Objektdaten in ein übergeordnetes Datenverarbeitungssystem zum Objektmanagement (Objektdaten, Objekthistorie, Wartung, Pflege und Service Informationen sowie andere Stammdaten) über eine definierte Datenschnittstelle (13)

Anwendungsgebiete für dieses Verfahren liegen in den verschiedensten Branchen z. Bsp. Maschinenbau (Zustandüberwachung von rotierenden Maschinen oder fahrerlosen Transportsystemen) oder in der Medizintechnik (z. Bsp.

Patientenüberwachung mit mehreren Vitalsensoren).

Einzelaufgaben 1. Verfahrensphase 1 (MSAN Netzkonfiguration & Parametrierung) 1. 1 Definition der Netzwerktopologie inklusive Netzwerkidentifikation und Objektname 1. 2 Festlegung der zu erfassenden Mess-und Steuerwerte (2) (Typ, Anzahl) 1. 3 Festlegung der messwertspezifischen Vorverarbeitungsalgorithmen (40) und deren Parametrierung (4 1) sowie des Betriebsmodus-PA-Mode ("permanent active") : Sensor sendet mit eingestellter Abtastfrequenz-DA-Mode ("dormant active") : Sensor sendet erst nach Erfüllung eingestellter Bedingungen die Messwerte 1. 4 Individuelle Sensor-und Aktorkonfiguration inklusive Softwareladung 1. 5 Energieversorgung der Sensoren und Aktoren (induktive Akkuladung) 1. 6 Prüfung und Verifikation der Sensoren und Aktoren durch IR-Schnittstelle 1. 7 A-priori-Netzwerkprüffung durch autonome"Built-in-selft-test" (BIST)-Prozedur 1.8 Anbringung der Sensoren und Aktoren am zu beobachtenden Objekt 1. 9 Individuelle Prüfung der Einzelsensoren/-aktoren am Objekt

1. 10. Prüfung des gesamten Netzwerkes am Objekt 1.11 Prüfung der Netzwerkbeobachtung durch Fernüberwachungseinrichtung Im Fall einer Steuerung/Regelung zusätzliche Aufgabe 1.12 Festlegung der anzusteuernden Aktoren (11) 1. 13 Parametrierung der Aktoren 2. Verfahrenphase 2a (MSAN Netzbetrieb-off line (Inselbetrieb » 2.1 Messbetrieb mit automatischer Überwachung des zu beobachtenden Objekts 2.2 Messbetrieb mit manueller Überwachung einzelner Messwerte am zu beobachtenden Objekt (entweder via PC oder über Display mit Menütasten an der Basisstation) 2.3 Messbetrieb mit umkonfigurieren und neu parametrieren einzelner Sensoren 3. Verfahrenphase 2b (MSAN Netzbetrieb-online) 3. 1 Wie 2.1 aber mit voller Integration im Echtzeitbetrieb in eine übergeordnete DV- Struktur für das Objektmanagement 4. Autonome Selbstüberwachung während MSAN Betrieb 4. 1 Überwachung der Energieversorgung einzelner Sensoren 4.2 Überwachung der Signalverarbeitung einzelner Sensoren

4.3 Plausibilitätskontrolle der empfangenen Messwerte einzelner Sensoren Lösung Zentrales Element des MSAN-Netzwerkes sind die Sensoren. Sie sind Gegenstand eines eigenen Patents und werden hier nicht näher beschrieben. Die Verfahrensbeschreibung ist von Anwendung zu Anwendung verschieden. In der konkret vorliegenden Erfindungsanmeldung wird von einer medizinischen Applikation ausgegangen, bei dem das zu überwachende Objekt ein Mensch ist.

In der Verfahrensphase 1 erfolgt rechnergestützt die Konfiguration und Parametrierung an einem PC. Der Nutzer kann die Anzahl der Sensoren und Aktoren festlegen und für jeden einzelnen Sensor folgendes festlegen : a) Physikalischer Messwert b) Untere Alarmschwelle c) Obere Alarmschwelle) Signalverarbeitungsprogramm (Algorithmus) e) Schwellwert (e), die zur Auslösung eines Alarms führen f)"Life Impuls"Zeitintervall, nach dem der Sensor einen Datenstring sendet, anhand dessen die Basisstation eine Sensorzustandskontrolle durchführen kann g) Betriebsmodus PA oder DA h) Netzwerkidentifikationscode zur Vermeidung von Interferenzen mit anderen, in der Nähe befindlichen MSAN-Netzwerken i) Patientenidentifikationscode) Aktorkennung (beinhaltet auch h) und i » Nach der Netzwerkkonfiguration erfolgt die Vorbereitung und Individualisierung der Sensoren. Hierzu werden wiederverwendbare Sensorgrundkörper (10) mit einer messwertspezifischen SensorO/Elektronikeinheit (SEU) (2 1) versehen. Auf der SEU befindet sich der eigentliche Sensor (chip) (26), die Sende und Empfangseinheit (Rx/Tx) (27) sowie die Energieversorgung mittels induktiv aufladbarem Akku (22). Der vorkonfigurierte Sensor wird nun in die Sensorkonfigurationsbox (SCB) (23) eingelegt,

die mit einem PC (6) verbunden ist auf dem die Netzwerkkonfiguration geladen wurde.

Die SCB beinhaltet eine Bi-direktionale IR-Schnittstelle (24) sowie eine induktive Ladeeinrichtung (25). Nach einlegen des Sensors aktiviert die SCB den Sensor, führt eine vollständige Funktionsprüfung durch und meldet, inklusive des Akkuladezustands, die Ergebnisse der Funktionsprüfung an den PC. Sind alle Prüfdaten im grünen Bereich, erfolgt der"Download"der Sensorsoftware nebst aller ParametrierO und Konfigurationsdaten.

Bei den Aktoren handelt es sich in der Regel um eine miniaturisierte Sende- /Empfangselektronikeinheiten (30), eine Signalkonditionierung mit optionalem D/A- Wandler (3 1), die ein Standard-Steuersignal (analog 4... 20 passiv oder aktiv) oder digital (35) für einen Servo-oder ein Stellglied (32) liefern sowie ein Akku (12) zur autonomen Energieversorgung. Diese Komponenten sind in einer kompakten Aktorelektronikeinheit (AEU) (34) integriert. Die Aktoren haben eine je nach Anbringungsort und Servo-bzw. Stellgliedausführung unterschiedliche Befestigungsmechanik bzw. Grundkörper (33).

Als drahtloses Übertragungsverfahren kommt für Applikationen im Gesundheitswesen eine Funkübertragung im für Medizinprodukte reguliertem Frequenzband von 402-405 Mhz in Frage. Die Sendeleistung wird auf das körpernahe Umfeld abgestimmt und sollte bei einer Zielreichweite von < 2m nicht mehr als 25uW betragen. Die Übertragung erfolgt gemäß standardisierter Kommunikation VITAL nach der Norm ENV 13734/13735.

Bevor der Sensor bzw. Aktor aus der SEU entnommen und am Patienten befestigt wird, erfolgt die Aktivierung bzw. Prüfung der Funkübertragung (5). Hierzu wird vom PC aus über die Basisstation (4) ein Aktivierungssignal an den betreffenden Sensor geschickt.

Der Sensor befindet sich im Grundzustand immer im sog. DA-Modus (dormant active) um Energie zu sparen. Nachdem der Sensor empfangsbereit ist wird die sog. BIST- Prozedur ("built-in self-test") im Sensor aktiviert. Dabei wird mittels Software eine Selbstüberprüfung durchgeführt, die Prüfergebnisse inkl. sämtlicher Software-,

Konfigurations-und Parametrierdaten wieder an die Basisstation und von dort an den PC Übermittelt. Dort erfolgt der Vergleich mit den ursprünglichen Daten und bei bestandenem Test die Freigabe des Sensors zur Befestigung.

Sind alle Sensoren bzw. Aktoren so vorbereitet, erfolgt die sukzessive Prüfung der Einzelsensoren am Mensch. Dabei werden die empfangenen Daten entweder manuell durch Fachpersonal (z. B. der behandelnde Arzt) am PC-Bildschirm einer Kontrolle unterzogen oder aber die Daten werden anhand von Referenzdaten (z. B. EKG Datenbanksignaturen) automatisch auf Auffälligkeiten geprüft. Gleiches gilt für die Aktoren. Per PC werden Muster-Steuersignale (z. B. Sprungfunktion) über das MSAN- Netzwerk zu den einzelnen Aktoren gesandt. Die Überprüfung erfolgt entweder manuell (z. B. durch elektrische Messung des Stellgliedsteuersignals) oder durch Abgriff via IR- Schnittstelle (24).

Nach der Anbringung und Überprüfung sämtlicher Sensoren und Aktoren mittels Software am PC erfolgt im letzten Schritt die Übertragung der zuvor im Netzwerkkonfigurationsteil festgelegten Überwachungsgrößen an die Fernüberwachungseinrichtung bzw. das übergeordnete Patientendatenerfassungssystem (elektronische Patientenakte).

Vor dem Beginn der eigentlichen MSAN-Netzwerkbetriebsphase muß noch festgelegt werden, wie die Patientenüberwachung stattzufinden hat : a) innerhalb eines definierten LAN-Bereichs wie z. Bsp. Krankenhaus, Haus b) in einer offenen Umgebung Je nach Einsatz ist das Übertragungstechnik auszuwählen und die Basisstation zu konfigurieren.

Dabei kann die Konfiguration fest sein (eine spezielle, festverdrahtete Station für das gewählte Netzwerk z. B. DECT, Bluetooth, GSM » oder aber modular aufgebaut d. h. die Konfiguration wird mittels Software in der Basisstation angewählt.

Mit diesem letzten Schritt ist die gesamte Wertschöpfungskette (5) geschlossen.

Die Verfahrensphase 2 ist die eigentlich interessante Betriebsphase des MSAN-

Netzwerkes. Dabei zeigt die Darstellung des Wertschöpfungsnetzwerkes Abb. 4 Deutlich zu erkennen ist die Kaskadenregelkreisstruktur mit der aus der Regelungstechnik bekannten Störgrößenaufschaltung. Der schnellste Eingriff erfolgt über die Ansteuerung der Aktoren direkt von der Basisstation. Werden z. Bsp. kritische Blutzuckerwerte überschritten. kann eine am Patienten befindliche Insulinpumpe sofort eingreifen. Der Vorgang wird von der Basisstation automatisch registriert und über das IT-Netzwerk in der Patientendatenbank registriert. Durch die Sensoren können die Körperreaktionen auf das automatisch verabreichte Medikament überwacht und gespeichert werden. Ist ein Arzt Vorort (Pflegepersonal, Haus-oder Notarzt), kann dieser alle ihn interessierenden Daten via Notebook von der Basisstation herunterladen oder über das Display an der Basisstation auf die wichtigsten Daten direkt zugreifen. Im Normalfall können vom Arzt eingeleiteten Therapien sofort offline erfasst und an das Krankenhaus übermittelt werden. Somit können lebenswichtige Maßnahmen vor Einlieferung des Patienten in die Wege geleitet werden.

Im Normalfall kann eine erste Hilfe oder Analyse von Patientendaten auch über ein Pflegezentrum bzw. Telemedizin-Servicecenter durchgeführt werden In der Verfahrensphase 2a ist das MSAN-Netzwerk nicht über ein IT-Netz mit einem räumlich abgesetzten Arzt, Telemedizincenter oder Krankenhaus verbunden. Auch eine direkte Verbindung mit einer Patienten-Datenbank existiert nicht. Alle Daten werden offline in der Basisstation bzw. im lokalen PC gespeichert. Innerhalb dieser Betriebsart ist aber eine automatische Überwachung möglich (z. B. während der Patient schläft werden wichtige Vitalparameter vom MSAN-Netzwerk erfasst und überwacht sowie aufgezeichnet). Durch optische und akustische Signale kann der Patient auf einen Alarmzustand hingewiesen werden.

Alternativ hierzu können vom Fachpersonal einzelne Werte manuell überwacht werden.

Sollte aufgrund ein neuen Behandlungssituation einzelne Sensoren oder Parameter umkonfiguriert werden (z. B. häufigere Messung und Übertragung von

Temperaturwerten-, andere Auslöseschwellen für Alarme), kann dies via Basisstation bzw. angeschlossenem PC drahtlos durchgeführt werden.

In der Verfahrensphase 2b ist das gesamte MSAN-Netzwerk und somit die volle Regelungsstrategie aktiv. Damit können je nach Patientenzustand in schnellstmöglicher Zeit alle erforderlichen Maßnahmen eingeleitet werden Da das gesamte Netzwerk auf die Validität der Sensorsignale angewiesen ist werden alle Netzwerkkomponenten (Sensoren, Aktoren, Übertragungsstrecken usw. ) in frei zu wählenden bzw. einstellbaren Zeitintervallen mit Mustersequenzen und Prüfsignalen einem Test unterzogen. Dies ist in so fern kein Problem, da sehr viele Vitalparameter mit gemessen an heutigen Verarbeitungsgeschwindigkeiten niedrigen Taktfrequenzen übertragen und ausgewertet werden. Das Prinzip der BIST-Funktionen beruht auf der Injektion von definierten Signaturen am Anfang der Wertschöpfungskette (z. B.

Sensoren) und der Messung der Antwortfunktion des gesamten Netzwerkes. Auch diese Technik entstammt der Systemtheorie bzw. der Regelungstechnik und bietet ein hohes Maß an Sicherheit.

Abb. 5 zeigt eine Monitordarstellung, wie sie beim Einsatz der Erfindung im Bereich der Patientenüberwachung mit Vorteil eingesetzt werden kann.