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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung
mindestens eines physiologischen Parameters gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Atmungsüberwachung gewinnt in einer immer älter
werdenden Gesellschaft zunehmend Bedeutung für eine Vielzahl
von Patienten. Insbesondere für Patienten, die an einer
chronisch obstruktiven Lungenerkrankung oder an Atem- bzw. Schlafapnoe leiden,
ist eine Langzeitüberwachung der Atmung von großer
Bedeutung. Da die Patienten im täglichen Alltag überwacht
werden sollen, ist es notwendig, über eine Sensorik zu
verfügen, die einerseits genaue Messdaten liefert und andererseits
einen hohen Tragekomfort aufweist und zudem kostengünstig
in hohen Stückzahlen einsetzbar ist.
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Aus
der Veröffentlichung „Knitted Bioclothes für
Health Monitoring", N. Taccini, G. Loriga, A. Dittmar,
R. Paradiso, Proceedings of the 26th Annual International Conference
of the IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA, September 1–5,
2004 ist es bekannt, Dehnungssensoren einzusetzen, die
auf dem piezoresistiven Prinzip beruhen. Bei diesen wird ein spezielles
ferroelektrisches Polymer (FE-Polymer) eingesetzt, das bei Dehnung
aufgrund des piezoelektrischen Effektes und der überlagerten
Geometrieänderung seinen Widerstand ändert. Nachteilig
bei der bekannten Überwachungsvorrichtung ist, dass FE-Polymere
einen hohen Elastizitätsmodul von et wa 400 MPa aufweisen.
Um einen möglichst großen Sensoreffekt zu erzielen,
müssten die FE-Polymere Dehnungen von 10% bis 50% standhalten,
was jedoch kaum realisierbar ist.
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Aus
der
US 2002/0032386
A1 ist eine Atmungs-Überwachungsvorrichtung bekannt,
bei der die Atmung durch Messung des elektrischen Widerstandes eines
schleifenförmigen elektrischen Leiters gemessen wird, der
auf einem dehnbaren Textilband angeordnet ist. Die an sich starre
Elektrode folgt einer Dehnung der Isolationsschicht aufgrund ihrer wellenförmigen
Anordnung.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Überwachungsvorrichtung
für mindestens einen physiologischen Parameter, insbesondere
zur Überwachung der Atmung, vorzuschlagen, mit der einerseits
hohe Dehnungen messbar sind und andererseits ein hoher Tragekomfort
geboten werden. Bevorzugt soll die Überwachungsvorrichtung, insbesondere
der mindestens eine Dehnungssensor der Überwachungsvorrichtung,
kostengünstig herstellbar sein und genaue Messdaten liefern.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einer Überwachungsvorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den
Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus
zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine elastisch verformbare
Elektrode, vorzugsweise unmittelbar, auf einer Isolationsschicht
anzuordnen, die dielektrisches Elastomermaterial umfasst. Bevorzugt
ist die, die elastisch verformbare Elektrode tragende, Isolationsschicht
vollständig aus dielektrischem Elastomermaterial ausgebildet.
Dielektrische Elastomere zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr weich
sind, also einen niedrigen Elastizitätsmodul von vorzugsweise
etwa 0,1 MPa bis 20 MPa aufweisen. Darüber hinaus ermöglichen
sie die Realisierung großer elastischer Dehnungen, je nach
Material von bis zu 250%. Bevorzugt weist die elastisch verformbare,
von der Isolationsschicht getragene Elektrode den gleichen oder
einen ähnlichen Elastizitätsmodul auf, um Spannungen
zwischen den Schichten zu vermeiden. Hierzu ist es beispielsweise
denkbar, die Elektrode aus einer Schicht dielektrischem Elastomermaterial
auszubilden, welches mit elektrisch leitenden Partikeln, beispielsweise
Graphitstaub, versetzt ist. Bevorzugt handelt es sich bei der elastisch verformbaren
Elektrode um eine aus elastisch verformbarem Material ausgebildete
Elektrode, wobei auch eine Ausführungsform realisierbar
ist, bei der die Elektrode erst aufgrund der Anordnung auf der elastisch
verformbaren Isolationsschicht elastisch verformbar wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
dielektrische Elastomermaterial einen Elastizitätsmodul
zwischen etwa 0,1 MPa und etwa 20 MPa aufweist. Diese Vorgabe wird
beispielsweise von Acrylaten oder Silikonen erfüllt. Aufgrund
des niedrigen Elastizitätsmoduls kann ein hoher Tragekomfort
realisiert werden.
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Besonders
genaue Messdaten können erhalten werden, wenn der Dehnungssensor
als Kondensator ausgebildet ist, bei dem mindestens zwei elastisch
verformbare Elektroden von einer Schicht aus dielektrischem Elastomermaterial
voneinander getrennt, d. h. elektrisch voneinander isoliert sind. Die
Möglichkeit zum Erhalten besonders genauer Messergebnisse
ist darauf zurückzuführen, dass, wenn an beiden
voneinander abgewandten Enden des als Kondensator ausgebildeten
Dehnungssensors gezogen wird, sich zum einen die Dicke des Dielektrikums
(dielektrisches Elastomermaterial/Isolationsschicht) ändert
und zum anderen die Elektrodenfläche so verformt wird,
dass deren Abmessung senkrecht zur Zugrichtung (etwas) kleiner,
jedoch die Abmessung in Zugrichtung (deutlich) größer
wird. Anders ausgedrückt nimmt die Fläche des
Dehnungssensors bei Zugbelastung zu, woraus eine erhebliche, messbare
Erhöhung der elektrischen Kapazität der Anordnung
resultiert. Insgesamt wird ein kostengünstig herstellbarer
kapazitiver Dehnungssensor erhalten, mit dem große Dehnungen
präzise detektierbar und messbar sind. Aufgrund des geringen
Elastizitätsmoduls ist der Tragekomfort im Vergleich zu
Dehnungssensoren auf Fe-Polymerbasis gut. Darüber hinaus
kann der flächige Dehnungssensor sehr einfach in dehnbares
textiles Gewebe eingebracht werden und kann mit einer Auswerteeinheit versehen
in ein Brustband integriert werden, welches den Patienten bei seinen
täglichen Bewegungen nicht (wesentlich) behindert.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist dem als mindestens ein Kondensator
ausgebildeten Dehnungssensor eine Auswerteeinheit zugeordnet, die derart
ausgebildet ist, dass sie eine Änderung der Dimension des
Dehnungssensors auf Basis einer Kapazitätsmessung detektieren
kann und/oder die ein Maß der Dehnung, insbesondere den
Betrag der Dehnung, auf Basis ei ner Kapazitätsmessung messen
kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Auswerteeinheit derart
ausgebildet ist, dass sie das Messergebnis auch im Hinblick auf
den zu überwachenden physiologischen Parameter, insbesondere
im Hinblick auf die Atmung, auswerten bzw. bewerten kann.
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Zusätzlich
oder alternativ ist es möglich, die Auswerteeinheit derart
auszubilden, dass diese eine Längenänderung des
Dehnungssensors auf Basis einer Widerstands- und/oder Leitfähigkeitsmessung detektierend
ausgebildet ist und/oder dass die Auswerteeinheit auf Basis einer
Widerstands- und/oder Leitfähigkeitsmessung ein Maß für
die Dehnung ermittelt. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Auswerteeinheit
das Messergebnis im Hinblick auf den zu überwachenden physiologischen
Parameter, insbesondere die Atmung, bewertet. Für den Fall, dass
die Detektierung bzw. Bestimmung der Dehnung über eine
Widerstands- und/oder Leitfähigkeitsmessung erfolgt, ist
es nicht notwendig, jedoch bevorzugt, den Dehnungssensor als Kondensator
auszubilden.
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Zur
Messung des Widerstands oder der Leitfähigkeit kann, wie
erwähnt, ein zuvor beschriebener Kondensatoraufbau des
Dehnungssensors realisiert werden, wobei sich in diesem Fall der
Effekt zu Nutze gemacht wird, dass sich als Folge einer Dehnung
die elektrischen Leckströme durch die Isolationsschicht aus
dielektrischem Elastomer, also die Ströme zwischen zwei
Elektroden, ändern, was wiederum durch eine Widerstands-
und/oder Leitfähigkeitsmessung direkt gemessen und gegebenenfalls
ausgewertet werden kann.
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Bei
einer einfacheren Ausgestaltungsform umfasst der Dehnungssensor
zur Messung des Widerstands oder der elektrischen Leitfähigkeit
lediglich eine einzige Schicht aus die lektrischem Elastomer, die
mit einer elektrisch leitenden Schicht (Elektrode) beschichtet ist,
beispielsweise mit Graphitstaub bedruckt ist. Dabei ist es besonders
bevorzugt, die so erhaltene Elektrode an beiden voneinander abgewandten
Enden elektrisch zu kontaktieren bzw. mit der Auswerteeinheit zu
verbinden.
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Wie
eingangs erwähnt, ist es bevorzugt, dass die mindestens
eine, vorzugsweise flächige, insbesondere rechteckig konturierte,
Elektrode ein elektrisch leitfähiges Pulvermaterial, insbesondere Graphit,
umfasst. Dieses ist weiter bevorzugt in ein elastisch verformbares
Material eingebracht und/oder auf ein solches Material, insbesondere durch
Bedrucken, aufgebracht. Bevorzugt handelt es sich bei dem elastischen,
das elektrisch leitfähige Pulvermaterial aufweisende Material
um dielektrisches Elastomermaterial. Eine besonders effiziente Möglichkeit
zur Aufbringung des elektrisch leitfähigen Pulvermaterials
besteht darin, dieses, vorzugsweise suspendiert aufzudrucken.
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Insbesondere
dann, wenn der Dehnungssensor als Kondensator ausgebildet ist, ist
es bevorzugt, wenn der Dehnungssensor als Mehrschichtaufbau ausgebildet
ist, der mehrere Schichten aus einem dielektrischen Elastomer aufweist,
wobei bevorzugt zwischen jeweils zwei voneinander beabstandeten
dielektrischen Elastomerschichten (Isolationsschichten) eine Elektrodenschicht
angeordnet ist. Zur Herstellung des Mehrschichtaufbaus ist es möglich, mehrere
flächige Elektroden zwischen zusammenlaminierten, dielektrischen
Elastomerschichten anzuordnen. Je nach dem, ob der Dehnungssensor
als Kondensator ausgebildet sein soll oder nicht, ist es möglich,
die Elektrodenschichten voneinander über das dielektrische
Elastomer voneinander zu isolieren, oder aber, insbesondere für
eine Widerstandsmessung elektrisch leitend miteinander zu verbinden, beispielsweise
indem die Elektrodenschichten parallel oder in Reihe geschaltet
werden. Eine Parallelschaltung ermöglicht eine einfachere
Auswertung einer Widerstandsmessung. Eine Reihenschaltung von mindestens
zwei Elastomerschichten ist im Hinblick auf die Realisierung größerer
Messstrecken, bei gleichzeitiger Realisierung minimaler Abmessungen und
damit Erzielung einer verbesserten Auflösung, von Vorteil.
Eine Reihenschaltung ist beispielsweise durch eine entsprechende
Verbindung unterschiedlicher Elektrodenschichten realisierbar, oder
alternativ durch einfaches Falten eines beidseitig beschichteten,
insbesondere bedruckten, dielektrischen Elastomerstreifens.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung,
bei der mindestens ein, wie zuvor beschrieben ausgebildeter, Dehnungssensor
an einem dehnbaren, insbesondere textilen Gewebe festgelegt ist,
beispielsweise um auf diese Weise einen Brustgurt zu bilden oder unmittelbar
in ein eng anliegendes Kleidungsstück integriert zu werden.
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Im
Hinblick auf die Möglichkeit zur Ausbildung der Elektroden
gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt handelt
es sich um elastische Materialien mit hoher relativer Dielektrizitätszahl, oder
um Materialien, beispielsweise dielektrische Elastomere, die durch
Beimengung von Zusatzstoffen, wie beispielsweise ferroelektrische
Materialien in Pulverform eine hohe relative Dielektrizitätszahl
erreichen. Auch ist es möglich, die Elektroden durch eine
besondere Ausgestaltung eines Tragegurtes zu realisieren, dessen Gestaltung
sich bevorzugt an den anatomischen Gesichtspunkten orientiert.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsvariante, bei der dielektrisches
Elastomer als selbstklebende Folie ausgebildet ist, wodurch es möglich ist,
den auf diese Weise erhaltenen Dehnungssensor einfach auf ein Textil,
beispielsweise ein Kleidungsstück oder einen Brustgurt,
aufzukleben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung,
bei der ein Dehnungssensor als langgestreckter Kondensator ausgebildet ist
und
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2:
eine alternative Ausführungsvariante einer Überwachungsvorrichtung
mit einem Vielschicht-Dehnungssensor.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit den gleichen
Funktionen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine mobile Überwachungsvorrichtung 1 zur Überwachung
der menschlichen Atmung gezeigt. Die Überwachungsvorrichtung 1 umfasst
einen Brustgurt 2, der zwei miteinander verbindbare, äußere
Abschnitte 3, 4, jeweils aus einem festen, im
Wesentlichen nicht dehnbaren textilen Band sowie einen mittleren
Abschnitt 5 aus einem textilen Stretchmaterial aufweist.
Auf dem mittleren Abschnitt 5 des Brustgurtes 2 ist
ein Dehnungssensor 6 angeordnet, der mit dem mittleren
Abschnitt 5 (elastisch dehnbares Textilband) vernäht
ist.
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Der
Dehnungssensor 6 ist, wie im Folgenden noch erläutert
werden wird, als kapazitiver Elastomer-Sensor ausgebildet, und umfasst
eine mittlere, flächige, rechteckig konturierte Isolationsschicht 7, die
aus dielektrischem Elastomermaterial, hier Silikon, ausgebildet
ist. Die Abmessung der Isolationsschicht 7 in Richtung
der Längserstreckung des Brustgurtes 2 ist wesentlich
größer als deren Breitenerstreckung und ganz erheblich
größer als deren Dickenerstreckung in die Zeichnungsebene
hinein.
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Die
Isolationsschicht 7 ist sandwichartig aufgenommen zwischen
zwei elastisch verformbaren Elektroden (Elektrodenschichten) 8, 9,
die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch Bedrucken
mit elektrisch leitendem Material hergestellt sind. Bemerkenswert
ist, dass die Stapelrichtung des gezeigten Mehrschichtaufbaus, umfassend
die Elektrodenschichten 8, 9 und die Isolationsschicht 7 im
Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des menschlichen Körpers
realisierbar ist, wobei auch eine nicht in Hochrichtung, sondern
in Richtung der Breitenerstreckung des Dehnungssensors 6,
also eine parallel zum menschlichen Körper orientierte
Stapelrichtung realisierbar ist.
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Die
beiden Elektroden 8, 9 sind elektrisch kontaktiert
von jeweils einer Verbindungsleitung 10, 11, die
zu einer Aus werteeinheit 12 führt, welche mit einem
Datenspeicher und/oder einer Datenübertragungseinheit ausgerüstet
ist. Mit Hilfe der Auswerteeinheit 12 ist die Kapazität
und damit auch eine Kapazitätsänderung des von
den Elektroden 8, 9 mit dazwischen angeordneter
Isolationsschicht 7 gebildeten Kondensators messbar. Die
gemessene Kapazität ist dabei ein Maß für
die Größe der Dehnung bzw. die Längenerstreckung
des Dehnungssensors 6.
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Bei
einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann
beispielsweise eine der Elektroden 8, 9 an beiden
Enden elektrisch leitend mit der Auswerteeinheit 12 kontaktiert
werden, die in diesem Fall bevorzugt derart ausgebildet ist, dass
sie den elektrischen Widerstand der Elektrode 8 misst,
welcher abhängig ist von der aktuellen Länge und
dem Querschnitt des Dehnungssensors 6.
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In 2 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt. Zu erkennen
ist wieder der Brustgurt 2, mit seinen endseitigen, festen
Abschnitten 3, 4, die beispielsweise über
eine nicht gezeigte Glättvorrichtung aneinander fixiert
werden können. Zu erkennen ist weiter, dass die Auswerteeinheit 12 an
dem in der Zeichnungsebene rechten, festen Abschnitt 4 festgelegt
ist.
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Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1,
umfasst der Dehnungssensor 6 in dem Ausführungsbeispiel
nach 2 insgesamt drei Isolationsschichten 7a, 7b, 7c,
wobei jeweils zwischen den Isolationsschichten 7a und 7b sowie 7b und 7c eine
flache Elektrode 8, 9 angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist von Vorteil, dass der
Dehnungssensor 6 als selbstklebende Folie ausgebildet ist
und mit dem mittleren Abschnitt 5 (Textilabschnitt) des Brustgurtes 2 verklebt
ist. Die Elektroden 8, 9 sind durch Aufdrucken
von elektrisch leitenden Partikeln auf dielektrisches Elastomer
(Isolationsschicht) gebildet. Zu erkennen ist, dass die Elektroden 8, 9 analog
zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 über
elektrische Verbindungsleitungen 10, 11 mit der
Auswerteeinheit 12 verbunden sind, die zur Durchführung
kapazitiver Messungen ausgebildet ist. Die Messergebnisse kennen
als Solche oder bereits bewertet (z. B. pathologisch/nicht pathologisch
grenzwertig) in einem Datenspeicher (nicht gezeigt) abgelegt und/oder über
eine ebenfalls nicht gezeigte Datenübertragungseinheit,
vorzugsweise über Funk, an eine entsprechende Empfangsstation übermittelt
werden.
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Für
den Fall, dass die Auswerteeinheit 12 zum Messen eines
elektrischen Widerstandes ausgebildet ist, so kann der Effekt ausgenutzt
werden, dass sich die elektrischen Leckströme durch die
mittlere Isolationsschicht 7b ändern, wenn der
Dehnungssensor 6 gedehnt wird. Dies kann über
eine Widerstandsänderung, und/oder eine Leitfähigkeitsmessung
direkt gemessen und ausgewertet werden.
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Bei
einer alternativen, nicht gezeigten, Ausführungsform besteht
der Dehnungssensor 6 aus einer dielektrischen Elastomerschicht,
die mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, wie beispielsweise Graphitstaub
beschichtet ist, wobei die so erhaltene Elektrode vorzugsweise an
zwei voneinander beabstandeten Enden elektrisch kontaktiert bzw.
mit der Auswerteeinheit 12 verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2002/0032386
A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Knitted
Bioclothes für Health Monitoring”, N. Taccini,
G. Loriga, A. Dittmar, R. Paradiso, Proceedings of the 26th Annual
International Conference of the IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA,
September 1–5, 2004 [0003]