Mit dem neuerdings aufkommenden Freiluftsport wie Schwimmen, Radfahren, Laufen und Tennis ergab sich ein entsprechender Anstieg der auf Herzgefassbeanspruchung zurückzuführenden Todesfälle. Die z. B. im Winter anzutreffende Häufigkeit von Herzversagen wegen Überbeanspruchung des Herzens durch übereifriges Schneeschaufeln tritt nun auch in der übrigen Zeit auf wegen der durch Fitnessenthusiasten bewirkten Herzbeanspruchung. Jemand, der dem heutigen Trend zur Gewichtsreduktion durch Morgengymnastik nachkommt, kann bis zu 10 Kilogramm Gewicht in einem Monat, aber auch sein Leben verlieren.
Die plötzliche und fortgesetzte Beanspruchung des Herzens oberhalb einer kritischen Grenze kann wegen der grossen Menge von zu transportierendem Blut und dem erforderlichen Sauerstoffverbrauch einen Herzkollaps bewirken und den Tod zur Folge haben, wenn nicht sofortige ärztliche Hilfe möglich ist. Vielen Fällen von Coronarversagen wegen Überbeanspruchung ist ein Umstand gemeinsam, nämlich dass das Opfer niemals weiss, wann es aufzuhören hat, wobei der Tod in vielen Fällen vermieden werden könnte, wenn das Opfer seinen Sport nicht weitertreibt.
Die Herzmuskulatur kann wie andere lebenswichtige Organe auf eine lang andauernde Beanspruchung trainiert werden, wenn ihr Zeit gegeben wird, hinreichend Zellstruktur zu entwickeln, um der erhöhten Belastung gewachsen zu sein und für die erhöhte Bluttransportkapazität zu sorgen. Indem das Herz während ansteigenden Zeitdauern vorübergehenden Belastungsperioden ausgesetzt wird, passt sich der Körper als Ganzes auf einen kleineren Sauerstoffverbrauch an, und das Herz kann den erhöhten Blutdurchsatz gut liefern.
Es sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, um die Pulsfrequenz des menschlichen Herzens zu überwachen. So ist z. B.
im US-Patent Nr. 3 792 700 eine Technik beschrieben, um die Pulsfrequenz eines ruhenden Menschen durch unter den Achselhöhlen montierte Elektroden anzugeben. Diese Technik gibt eine Anzeige der Pulsfrequenz eines ruhenden Menschen und gibt einen Alarm, wenn ein Coronarproblem auftritt. Im US-Patent Nr. 3 902 698 ist eine Pulsfrequenzmesseinrichtung beschrieben mit einer Steuerung für ein stationäres Sportgerät, welche Einrichtung einen Alarm abgibt, wenn eine bestimmte Pulsfrequenz erreicht ist. In den US-Patenten Nrn. 3 742 937, 3 807 388 und 3 863 626 sind Miniaturpuls frequenz-Überwachungsvorrichtungen angegeben, welche von Personen getragen werden können, die sich einer sportlichen Aktivität unterziehen, um anzuzeigen, wenn eine vorbestimmte Pulsfrequenz überschritten wird.
Die vorerwähnten Beispiele von bekannten Pulsfrequenzanzeigegeräten ergeben gewisse Mittel zur Detektion und Überwachung der Pulsfrequenz einer sich einer physikalischen Belastung unterziehenden Person und zur Anzeige, wenn die Belastung zu gross ist, doch alle diese Geräte sind nicht auf die individuelle physiologische Kennlinie des Verwenders abgestimmt.
Der vorliegende Herz-Pulsfrequenz-Indikator gestattet, die mittlere Pulsfrequenz eines Verwenders im Ruhezustand zu bestimmen und benützt diesen Mittelwert als Bezugswert, um die Pulsfrequenz bei einem noch sicheren Belastungspegel und auch die Pulsfrequenz bei einer gefährlichen Belastung anzugeben.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die drei Zustände der Pulsfrequenz in Farbe angezeigt, ähnlich wie sie bei Verkehrssignalanlagen gebraucht werden. Mit grün wird die Ruhepulsfrequenz angegeben, gelb stellt die Pulsfrequenz bei zulässigem Belastungspegel und rot die Pulsfrequenz bei gefährlicher Belastung an.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Pulsfrequenzen sowohl digital als auch in Farben dargestellt. Es wird also für jeden individuellen Anwender die optimale Pulsfrequenz bei Belastung angegeben. Da die optimale Pulsfrequenz unter Belastung von Anwender zu Anwender abhängig ist von den individuellen physiologischen Merkmalen des Verwenders, ist die Anzeige auf jeden Verwender zugeschnitten.
Weitere Ausführungsbeispiele verwenden einen hörbaren Alarm in ähnlicher Art wie die Farbanzeige.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Die Fig. 1 eine graphische Darstellung des Elektrokardiogramms der Oberflächenpotentialänderungen des Herzens einer Person im Ruhezustand, die Fig. la eine graphische Darstellung des normalen Pulses gem.
Fig. 1, die Fig. 2 die graphische Darstellung eines Elektrokardiogramms im abnormalen Zustand der Tachykardie, d. h. einer zu hohen Herzfrequenz, die Fig. 2a eine graphische Darstellung der in der vorliegenden Schaltung erzeugten Impulse, die die abnormale Pulsfrequenz von Fig. 2 darstellen, die Fig. 3 eine graphische Darstellung der Normalverteilung der Pulsfrequenz bei der männlichen Bevölkerung; die Fig. 4 ein Schema der Pulsfrequenzanzeige gemäss vorliegender Erfindung, die Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles, bei welchem die Pulsfrequenz in digitaler Form angezeigt wird;
die Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles, bei welchem die Pulsfrequenz durch Farben angezeigt wird, die Fig. 7 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispieles nach Fig. 6, und die Fig 8 eine bildliche Darstellung von andern Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt ein normales Pulsbild, wie es auf einem Elektrokardiogramm erscheint, wobei die Normalpunkte P, Q, R, S und T eingezeichnet sind. Für die vorliegende Beschreibung wird die Pulsfrequenz definiert als die Anzahl von Malen, in welchen sich der Impuls R innerhalb einer gegebenen Zeitperiode wiederholt. Wie aus der Fig. ersichtlich ist, tritt der R-Impuls in der Stellung R' nach einem kurzen Zeitintervall wieder auf. Bei der medizinischen Diagnose wird die Zeitperiode zwischen dem Auftreten von R und R' als eine Angabe über den Zustand des Herzens ausgewertet. Der Impuls R bezieht sich auf einen Druck, der durch das Blut auf eine der Herzkammern ausgeübt wird, und dies ist seinerseits eine Angabe des Druckes, der durch das Blut auf eine bestimmte Arterie ausgeübt wird, an welcher die Pulsfrequenz abgetastet wird.
Es ist daher in der medizinischen Diagnose üblich, einen Sensor, z. B. einen Dehnungsmessstreifen, zu befestigen, der auf den Druck reagiert, um einen elektrischen Impuls zu erzeugen, der die gleiche Frequenz und Intensität wie der Impuls in Fig. 1 aufweist. Die Kurvenform von Fig. la ist das elektrische Gegenstück des Impulses R von Fig. 1 und stellt die elektrische Variation der Druckintensität dar, die vom Herzen ausgeübt wird. Die normale Pulsfrequenz von Fig. 1 zeigt, dass zwischen dem Impuls R und dem nachfolgenden Impuls R' für das Herz genügend Zeit bleibt, sich wieder herzustellen für die fortlaufende Folge von Expansionen und Kontraktionen. Diese Expansionen und Kontraktionen drücken das Blut von einer Kammer in die andere und durch eine Vielfalt von Arterien und Venen durch den ganzen Körper.
Die Fig. 2 zeigt ein Elektrokardiogramm der Pulsfrequenz in einem Zustand übermässiger Belastung, in der Medizin als Tachykardie bekannt. Hier ist die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen sehr kurz und ermöglicht daher der Herzmuskulatur sehr wenig Zeit für die Expansion und Kontrak tion, um die notwendigen Funktionen des Bluttransportes auszuführen. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen R ist sehr klein, und die Pulsfrequenz ist wesentlich höher als bei dem in Fig. 1 gezeigten Normalzustand.
Die Fig. 2a zeigt, wie die hohe Pulsfrequenz im Zustand der Tachykardie in eine Serie von elektrischen Impulsen umgesetzt wird, die die gleiche Impulsfrequenz haben wie die Impulsfrequenz, die der im menschlichen Körper vorkom mengen Pulsfrequenz entspricht. Die normale Pulsfrequenz für einen erwachsenen Mann liegt im Bereich von 70 bis 72 Schlägen pro Minute und für eine erwachsene Frau zwischen 78 und 82 Schlägen. Die Pulsfrequenzen sowohl von Männern wie von Frauen überschreiten bei normaler täglicher Aktivität selten 150 Schläge pro Minute, und Pulsfrequenzen oberhalb 175 Schlägen pro Minute können bereits gefährlich sein. Der in Fig. 2 gezeigte Zustand der Tachykardie entspricht einer Pulsfrequenz von 170 Schlägen pro Minute.
Der Zustand der Tachykardie stellt daher eine übermässige Last für den Herzmuskel dar, da dieser eine grosse Arbeit in einer sehr kurzen Zeit ausführen muss.
Die Pulsfrequenz des Menschen variiert über einen grossen Bereich während des menschlichen Lebens. Die nachfolgende Tabelle I zeigt die Pulsfrequenz in Funktion des Alters, wobei sich die Pulsfrequenz vom hohen Wert von 150 in den ersten Stadien des Lebens auf den niedern Wert von 50 im Alter von 70 Jahren verändert.
Tabelle I Alter Pulsfrequenz Embryonalzustand 150 Bei Geburt 140130
1. Lebensjahr 130115
2. Lebensjahr 115-100
3. Lebensjahr 100 90
7. Lebensjahr 90- 85
14. Lebensjahr 85- 80 50. Lebensjahr 75- 70 70. Lebensjahr 65- 50
Diese weite Streuung der Pulsfrequenz kann auch in der erwachsenen männlichen Bevölkerung beobachtet werden, wie dies Fig. 3 zeigt. Hier ist die Pulsfrequenz mit einer glokkenförmigen Verteilung über die gesunde erwachsene männliche Bevölkerung gezeigt. Die mittlere Pulsfrequenz sei z. B.
70, und einige Männer werden dann eine normale Pulsfrequenz von 90 und andere eine normale Pulsfrequenz von 50 haben.
Diese Verteilung der sog. normalen Pulsfrequenzen von 50-90 zeigt, dass die Pulsfrequenz jedes einzelnen Wesens genau bestimmt werden muss, bevor irgendeine physikalische Anstrengung auf das Herz ausgeübt wird. Tachykardie tritt bei ungefähr 170 Pulsschlägen pro Minute auf. Jemand mit einer niederen normalen Pulsfrequenz von 50 müsste sein Herz stark anstrengen, bis die Pulsfrequenz der Tachykardie bei 170
Schlägen pro Minute eintritt. Jemand mit einer sog. normalen
Pulsfrequenz von 90 würde den Zustand der Tachykardie mit einer Pulsfrequenz von 170 in einer wesentlich kürzeren Zeit erreichen. Wenn eine Normalverteilung des Einsetzens der
Tachykardie basierend auf einem Wert von 170 Pulsschlägen aufgezeichnet wird, dann ergibt sich die Kurve nach Fig. 3.
Es ist klar, dass Personen mit höherer Ruhepulsfrequenz stär ker zum Einsetzen der Tachykardie neigen als jene mit nie derer Ruhepulsfrequenz. Das Problem der vorliegenden Erfin dung besteht nun darin, zu zeigen, wie die zulässige Pulsfre quenz zu bestimmen ist für eine sportliche Betätigung, die einem bestimmten Individuum erlaubt, seinen Körper in gute Kondition zu bringen, ohne dass das Herz übermässig beansprucht wird, und für jedes einzelne Individuum die individuelle Pulsfrequenz zu bestimmen, bei welcher die physikalische Belastung zu gross wird.
Die Fig. 5 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel einer programmierten Anzeige 1, die ein Armband 2 mit einer An zeigefläche 3 aufweist, auf welcher die Pulsfrequenz 4 digital erscheint. Die Anzeigevorrichtung 1 wird am Handgelenk 5 getragen und weist ein Gehäuse 6 auf, das die programmierbaren elektrischen Komponenten enthält. Der Anwender kann jederzeit sehen, wie hoch seine Pulsfrequenz in irgendeinem Teil seines Fitnessprogramms ist.
In Fig. 7 ist sichtbar, dass die Anzeigevorrichtung 1 einen Kontakt-Pulsdetektor 7 aufweist, welcher sich von der Anzeige 1 nach hinten erstreckt. Der Detektor 7 ist in Berührung mit der radialen Arterie in der Nähe des Handgelenkes und leitet die detektierten Impulse an die programmierbare integrierte Schaltung im Gehäuse 6. Der mit der Anzeige 1 zusammengebaute Pulsdetektor 7 könnte auch Teil des Armbandes 2 sein, da das Band eine grössere Oberfläche für die Detektion ergibt. Die detektierte Pulsfrequenz wird auf der Anzeigefläche 3 digital angezeigt.
In Analogie zum Strassenverkehr könnte eine Anzeige gemäss Fig. 6 verwendet werden, die rote, gelbe und grüne Anzeigeleuchten auf der Anzeigefläche 3 aufweist. Die Anzeigevorrichtung 1 betätigt die roten, gelben und grünen Leuchten in folgender Weise. Wird der Start und Rückstellknopf 10 gedrückt, wird die Energie einer in der Anzeigevorrichtung 1 enthaltenen scheibenförmigen Batterie eingeschaltet, und die nachfolgenden Herzpulsschläge werden mit dem Detektor 7 festgestellt und innerhalb der Anzeigevorrichtung 1 verarbeitet. Das grüne Licht zeigt an, dass eine mittlere Ruhepulsfrequenz bestimmt wurde. Dies ist ähnlich den normalen Verkehrssignalanlagen, bei welchen grünes Licht Fahrt bedeutet, während hier das Vorhandensein von grünem Licht anzeigt, dass die Ruhepulsfrequenz detektiert wurde und dass die Batterie arbeitet.
Wenn der Verwender sich leicht körperlich zu betätigen beginnt, wird die Pulsfrequenz detektiert und gezählt und eine optimale Belastungspulsfrequenz für eine bestimmte mittlere Ruhepulsfrequenz wird bestimmt. Gemäss früher gegebenem Beispiel wird bei einer mittleren normalen Pulsfrequenz von 70 die optimale Belastungsfrequenz um 50 grösser sein als der Mittelwert der Ruhefrequenz. Das heisst also, für eine Ruhefrequenz von 70 ist eine Pulsfrequenz von 120 die optimale Belastungspulsfrequenz, und bei dieser Pulsfrequenz beginnt das gelbe Licht zu leuchten. Das grüne Licht löscht dann aus und der sich körperlich Betätigende wird angewiesen, dass er seine optimale Belastungspulsfrequenz erreicht hat.
Die optimale sichere Belastungspulsfrequenz, die auf der Basis von 50 Pulsschlägen pro Minute oberhalb der Ruhepulsfrequenz berechnet wird, wird durch die gelbe Leuchte angezeigt, bis eine Pulsfrequenz von 150 Schlägen pro Minute erreicht wird. In diesem Moment wird die gelbe Leuchte ausgelöscht und die rote Leuchte beginnt zu leuchten und zeigt an, dass der Zustand einer gefährlichen Pulsfrequenz erreicht wurde und der sich körperlich Betätigende etwas verlangsamen muss, um die rote Leuchte auszulöschen und wieder in den Bereich der gelben Leuchte zu kommen.
Die unten gezeigte Tabelle 2 gibt die Farben mit den zugehörigen Ruhe-, optimale Betätigungs- und Gefahr-Pulsfrequenz für normale Pulsfrequenzzustände an. Obwohl die optimale Betätigungspulsfrequenz für jede Gruppe bestimmt wird durch Addition von 50 Pulsschlägen pro Minute oberhalb des Ruhezustandes, wird zur Vermeidung des Einsetzens einer Tachykardie das rote Signal erregt bei einer Sicherheitspulsfrequenz von 150 Schlägen pro Minute.
Tabelle II
Grün Gelb Rot (Ruhe- (Belastungs- (Gefahren zustand zustand) zustand) Tiefer
Normalwert 50 100 150 Normalwert 70 120 150 Hoher
Normalwert 90 140 150
Diese Farbanzeige kann auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 mit digitaler Anzeige verwendet werden. Hier kann die numerische Anzeige selbst entweder grün, gelb oder rot leuchten, je nach der Pulsfrequenz während der Belastung.
Die Ziffern, welche den hohen mittleren Ruhewert von 90 in Tabelle II zeigen, können z. B. grün leuchten. Wenn die sichere optimale Belastungspulsfrequenz erreicht ist, leuchten die Ziffern in gelb, was dem Verwender anzeigt, dass dieser numerische Wert seine optimale Belastungspulsfrequenz ist.
Obwohl höhere numerische Pulsfrequenzen weiterhin gelb angezeigt werden, weiss der Verwender bei forgesetzter körperlicher Betätigung trotzdem, dass er die optimale Belastungsfrequenz verlassen hat und etwas verlangsamen sollte.
Tut er dies nicht und die Pulsfrequenz erreicht den Wert 150, dann leuchten die Ziffern, die diese gefährliche Pulsfrequenz anzeigen, rot. Wenn er in diesem Stadium der körperlichen Betätigung nicht verlangsamt, kann eine Tachykardie auftreten.
Die in den Fig. 5 und 6 gezeigten visuellen Anzeigen können unterschiedliche Lichtintensität aufweisen oder andere Merkmale, die die Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Das gelbe Licht könnte z. B. bei der optimalen Belastungspulsfrequenz blinken, so dass der Verwender mit einem Blick auf die Anzeigefläche 1 feststellen kann, dass er sich innerhalb des sichern Zustandes der Pulsfrequenz sportlich betätigt. Bei der sportlichen Betätigung könnte jemand sich selbst im Schritt halten, indem er darauf achtet, dass seine Pulsfrequenz gleich der Blinkfrequenz des Lichtes ist. Durch Verlangsamen seines Laufes kann er seine Pulsfrequenz erniedrigen, um auf dem Optimum zu sein. Andere Mittel, um die Aufmerksamkeit auf sich zu ziehen, könnten ebenfalls in den Anzeigevorrichtungen nach Fig. 5 und 6 vorhanden sein, welche z.
B. aus einem Summer bestehen könnten, dessen Frequenz in Übereinstimmung mit der Pulsfrequenz variieren könnte. Der Ruhe zustand grün würde dann keinen Summton erfordern und der Zustand von gelb einen, der lediglich dazu dient, dem Benütze anzuzeigen, wie hoch seine Pulsfrequenz ist, jedoch ohne Alarmgabe. Beim gefährlichen Zustand, d. h. wenn die Anzeige rot leuchtet, könnte die Impulsfrequenz des Summers hoch sein und das rote Licht könnte gleichzeitig blinken mit derselben Frequenz, um den Benützer zu alarmieren, seine Belastung zu senken.
Fig. 8 zeigt andere Ausführungsbeispiele von Pulssensoren.
Der allgemein mit 21 bezeichnete Läufer könnte eine Anzeigeeinheit 1 in einem Stirnband 23 haben. In diesem Fall wäre der Sensor 7 in Kontakt mit der Nachbarschaft der Schläfenarterie für den Empfang der Pulsfrequenz. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel wäre nur eine hörbare Anzeige notwendig, und die oben erwähnten roten, gelben und grünen Anzeigelampen könnten entfallen. In diesem Fall ist nur not wendig, dass bei einer Pulsfrequenz von 150 die Anzeigeein richtung 1 zu summen beginnt und der Verwender müsste sein
Schrittempo heruntersetzen, bis der Ton verschwindet. Eine verinfachte Ausführung ist ebenfalls im Armband 22 gezeigt.
Hier würde die Anzeigevorrichtung 1 wiederum die gleichen Schaltungselemente enthalten, um einen Summton zu erzeugen, wenn die Pulsfrequenz der Handgelenkarterie den Wert von 150 Schlägen pro Minute erreicht.
Andere Ausführungsbeispiele könnten hörbare und sichtbare Anzeigen für tiefe Pulsfrequenz aufweisen, wenn die Pulsfrequenz unterhalb den ermittelten Ruhemittelwert fällt.
Dieses Merkmal würde dem Verwender eine abnormale physiologische Kondition angeben. Weil die Pulsfrequenz beim Schlafen oder beim Liegen kleiner ist, könnte ein Fernstrekkenfahrer z. B. eine Angabe erhalten, dass er am Steuer zu dösen beginnt, und der hörbare und sichtbare Alarm würde ihn auf eine sehr gefährliche Situation hinweisen. Die digitale Anzeigevorrichtung gemäss Fig. 5 könnte auch einem seiner Gesundheit bewussten Manager dienen, der in einem Zustand von emotioneller und geistiger Anstrengung lebt, auch wenn er in Ruhestellung in seinem Büro ist. Die visuelle Anzeige einer ansteigenden Pulsfrequenz und das Auftreten eines gelben Lichtes ohne gleichzeitige körperliche Betätigung würde dem Verwender anzeigen, dass seine Emotionen in Konflikt kommen mit seiner Herzgefässaktivität.
Es könnten noch weitere Sicherheitsmerkmale in die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Anzeigevorrichtung eingebaut werden. Wenn der Verwender das Auftreten des Blinklichtes und das laute und intermittierende Summen nicht festellt, wenn die Pulsfrequenz den Wert 150 erreicht, könnte nach einer Zeitverzögerung der Summton an Intensität zunehmen und einen hörbaren Alarm im Morsecode, z. B. SOS, abgeben. Dies könnte einen Retter auf die Gefahr aufmerksam machen, wenn der Verwender einem Herzleiden, wie z. B. Rhythmusstörungen, unterliegt und ohnmächtig wird. Wenn der gefährliche Zustand anhält, könnte nach einer zusätzlichen Zeit der SOS-Alarm auch innerhalb der Jedermann-Funk und Polizei-Funkbänder übertragen werden, so dass dem betroffenen Individuum unmittelbare Hilfe zuteil würde. Die Arbeitsweise der Pulsanzeigevorrichtung wird an Hand des Schemas von Fig. 4 nun näher erläutert.
Die Schaltung nach Fig. 4 weist einen Detektor oder Sensor 7 auf, welcher z. B. einen dünnen piezoelektrischen Wand ler oder einen piezoelektrischen Dehnungsmessstreifen aus Bariumtitanat oder Bariumzirkonat aufweisen kann. Der Detektor 7 kann am Handgelenk oder am Kopf eines Läufers 21, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, befestigt sein und ist in der Anzeigevorrichtung 1 enthalten. Der Sensor 7 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, wie es in den Fig. la und 2a gezeigt wird, und zwar bei jedem Pulsschlag gemäss den Fig. 1 und 2.
Das elektrische Signal wird in einem Verstärker 210 verstärkt und dann in einem Spitzendetektor 222 detektiert. Die Schaltung 222 kann einen Spitzendetektor und eine Schaltung zur Erzeugung von Rechteckimpulsen aufweisen, welcher die Spitzen der R-Impulse 211 in der Kurvenform QRS in Fig. 1 detektiert. Die Schaltung 222 ist variabel, um sie den individuellen physiologischen Merkmalen eines Verwenders anzupassen, da die Spitzenamplituden der QRS-Impulse von Individuum zu Individuum variiert.
Der Ausgangsimpuls der Schaltung 222 wird an einem Zähler 230 angelegt, in welchem die Pulse gezählt werden.
Am Ende einer vorbestimmten Periode, welche z. B. 15 Sekunden oder 1 Minute betragen kann, wird der Zählstand im Zähler 230 über Tore 240 durch einen Taktimpuls von einem Taktgeber 270 in eine Speichervorrichtung 260 überführt.
Der Taktgeber kann Bestandteil der Armbanduhr sein, die vom Läufer getragen wird. Nach einer kurzen Verzögerung wird der Zähler 230 durch den Taktgeber 270 über eine Verzögerungsschaltung 250 zurückgestellt. Die Speichervorrichtung 260 kann eine Anzahl von Speicherschaltungen, wie z. B.
die Schieberegister aufweisen. Der Zählstand im ersten Speicherkreis wird in den zweiten Speicherkreis übertragen, wenn der zweite Zählstand im Zähler 230 über die Tore 240 in die Speicherschaltung überführt wird. Am Ende einer vorbestimmten Anzahl von Zählungen addiert eine Mittelwertschaltung 280 die in der Speichervorrichtung 260 gespeicherten Zählstände und dividiert durch die Anzahl der Zählstände, um die mittlere Ruhepulsfrequenz über eine bestimmte Periode zu bestimmen. Diese mittlere Pulsfrequenz wird an eine Vergleichsschaltung 290 angelegt und in einer Anzeigevorrichtung 200 angezeigt. Die Anzeigevorrichtung 200 zeigt also die mittlere oder Ruhepulsfrequenz des Läufers. Die Anzeigevorrichtung 200 kann z. B. in grün, gelb und rot anzeigen und kann lichtemittierende Vorrichtungen für die digitale Anzeige der Pulsfrequenz aufweisen.
Die mittlere Ruhepulsfrequenz wird üblicherweise grün angezeigt.
Die Mittelwertschaltung 280 weist ein Einstellelement 218 auf, um die mittlere Pulsfrequenz einzustellen, so dass diese
Zahl während des Laufens konstant bleibt. Anderseits kann, wenn ein Individuum seine Ruhepulsfrequenz genau kennt, diese Frequenz mit Hilfe der manuellen Einstellung 220 in die Mittelwertschaltung 280 eingegeben werden. Sowohl das Einstellelement 218 als auch die manuelle Einstellung 220 sind mit dem Knopf 10 der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Vor richtungen gekoppelt. Während des Laufens wird die Pulsfrequenz über die Tore 240 an die Vergleichsschaltung 290 angelegt. Die mittlere Ruhepulsfrequenz, die in der Mittel wertschaltung 280 gespeichert ist, wird, wie bereits früher erwähnt, um 50 erhöht, um die optimale sichere Belastungs pulsfrequenz zu erhalten. Während einer sportlichen Betäti gung kann die Anzeigevorrichtung 200 z.
B. die Pulsfrequenz in einem bestimmten Moment digital anzeigen. Wenn die Pulsfrequenz die eingestellte optimale Belastungspulsfrequenz erreicht, wird diese Ziffer digital in gelb angezeigt, und eine hörbare Anzeige 300 kann zu summen beginnen. Wenn die Pulsfrequenz den gefährlichen Wert von 150 erreicht, bewirkt der Zähler 230, der eingestellt ist für die Detektion dieser kritischen Zahl, dass die Anzeigevorrichtung 200 rot leuchtet.
Zusätzlich kann die hörbare Anzeige mit einer erhöhten Pulsfrequenz summen.
Die Verzögerungsvorrichtung 250, die mit dem Zähler 230 gekoppelt ist, ergibt eine zusätzliche Sicherheitsfunktion, so dass, wenn die Schaltung durch Drücken des Knopfes 10 mit der Energiequelle 278 verbunden wird, die Zeitverzögerung 250 den Sensor 7 erst dann freigibt zur Betätigung der grünen Anzeige, wenn eine hinreichende Zeit vergangen ist, um einen repräsentativen mittleren Ruhepulswert zu bestimmen. Dies ist wichtig, weil es möglich ist, dass ein ungeduldi ger Läufer nach frühem Erwachen, wenn die Pulsfrequenz am niedersten ist, unmittelbar mit Laufen beginnt und eine falsche gelbe Anzeige als die optimale Belastungspulsfrequenz erhält, da die Ruhepulsfrequenz extrem nieder war.
Die Zeit verzögerung gibt dem Verwender die Möglichkeit, dass hin reichend Zeit vorhanden ist, dass ein wahrer Mittelwert der
Ruhepulsfrequenz bestimmt werden kann, bevor das Start signal gegeben wird mit Hilfe des bereits erwähnten grünen
Lichtes. Die Schaltungskomponenten von Fig. 4 können in einer integrierten Schaltung angeordnet sein. Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig, dass der Detektor 7 direkt mit der Schaltung verbunden ist. Bei einer Variante könnte z. B.
ein Sensor vorhanden sein, welcher einen Ultraschallsender aufweist, so dass die andern Komponenten fern vom Sensor angeordnet werden könnten. Ein warm gekleideter Schnee schaufler, der Handschuhe trägt, kann eventuell den hörbaren
Alarm vom Pulsfrequenzsensor am Handgelenk nicht hören, könnte jedoch einen hörbaren Alarm, der in einem Ausfüh rungsbeispiel, das im Stirnband getragen wird, gut hören, weil bei diesem Ausführungsbeispiel der Sensor in Kontakt mit der
Schläfenarterie ist, die sich nahe beim Ohr befindet.
Wenn der Schneeschaufler nicht den ganzen im Stirnband enthal tenen Sensor tragen möchte, könnten die gleichen Resultate erreicht werden, indem der Detektor und ein Sendeteil der Schaltung in einem Armband in der Nähe der Handgelenkarterie getragen werden und nur ein einfacher Empfänger mit Hilfe eines Stirnbandes oder etwas ähnlichem in der Nähe des Ohres getragen wird. In diesem Falle würde die zu hohe Pulsfrequenzangabe im Ultraschallbereich empfangen und nahe beim Ohr in den hörbaren Bereich umgeformt. Es ist weiter zu bemerken, dass die Energiequelle 278 eine wiedernachladbare Batterie sein kann und die Leistung für alle Schaltungselemente liefert, inklusive die grünen, gelben und roten Anzeigeelemente, welche aus Gewichts- und Abmessungsgründen lichtemittierende Dioden sein können.
With the recent emergence of outdoor sports such as swimming, cycling, running, and tennis, there has been a corresponding increase in cardiovascular deaths. The z. B. the frequency of heart failure found in winter due to overuse of the heart by overzealous snow shoveling now occurs in the rest of the time because of the heart stress caused by fitness enthusiasts. Someone who follows today's trend towards weight loss through morning exercise can lose up to 10 kilograms in a month, but also their life.
The sudden and continued stress on the heart above a critical limit can cause heart collapse and death because of the large amount of blood to be transported and the required oxygen consumption, if immediate medical help is not possible. Many cases of coronary failure due to overuse have one thing in common, namely that the victim never knows when to stop, and in many cases death could be avoided if the victim does not continue his sport.
Like other vital organs, the heart muscles can be trained to withstand long-term stress if they are given time to develop sufficient cell structure to cope with the increased stress and to ensure increased blood transport capacity. By exposing the heart to temporary periods of stress for increasing periods of time, the body as a whole adapts to lower oxygen consumption, and the heart can well supply the increased blood flow.
Various devices are known for monitoring the pulse rate of the human heart. So is z. B.
in U.S. Patent No. 3,792,700 describes a technique for indicating the pulse rate of a person at rest through electrodes mounted under the armpits. This technique gives an indication of a resting person's pulse rate and gives an alarm when a coronary problem occurs. US Pat. No. 3,902,698 describes a pulse rate measuring device with a controller for stationary sports equipment, which device emits an alarm when a certain pulse rate is reached. In US Pat. Nos. 3,742,937, 3,807,388 and 3,863,626, miniature pulse rate monitors are disclosed which can be worn by persons engaging in an athletic activity to indicate when a predetermined pulse rate is exceeded.
The aforementioned examples of known pulse rate display devices provide certain means for detecting and monitoring the pulse rate of a person subject to physical stress and for indicating when the stress is too great, but none of these devices are tailored to the individual physiological characteristics of the user.
The present heart-pulse rate indicator allows the average pulse rate of a user to be determined in the resting state and uses this average value as a reference value in order to indicate the pulse rate at a still safe load level and also the pulse rate at a dangerous load.
In one embodiment of the invention, the three states of the pulse frequency are displayed in color, similar to how they are used in traffic signal systems. The resting pulse rate is indicated with green, yellow indicates the pulse rate at a permissible load level and red the pulse rate at dangerous load.
In another embodiment of the invention, the pulse frequencies are shown both digitally and in colors. The optimal pulse rate during exercise is given for each individual user. Since the optimal pulse rate under stress from user to user depends on the individual physiological characteristics of the user, the display is tailored to each user.
Other embodiments use an audible alarm in a manner similar to the color display.
Embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. In the drawing shows:
Fig. 1 is a graphic representation of the electrocardiogram of the surface potential changes of the heart of a person in the resting state, Fig. La a graphic representation of the normal pulse according to.
Fig. 1, Fig. 2 is a graphic representation of an electrocardiogram in the abnormal state of tachycardia, i.e. H. a heart rate that is too high; FIG. 2a is a graphical representation of the pulses generated in the present circuit, which represent the abnormal pulse frequency of FIG. 2; FIG. 3 is a graphical representation of the normal distribution of the pulse frequency in the male population; FIG. 4 shows a diagram of the pulse frequency display according to the present invention; FIG. 5 shows a perspective view of an embodiment in which the pulse frequency is displayed in digital form;
FIG. 6 is a perspective view of a second embodiment in which the pulse frequency is indicated by colors, FIG. 7 is a side view of the embodiment according to FIG. 6, and FIG. 8 is a pictorial representation of other embodiments of the invention.
1 shows a normal pulse image as it appears on an electrocardiogram, the normal points P, Q, R, S and T being shown. For the purposes of the present description, the pulse frequency is defined as the number of times the pulse R repeats within a given period of time. As can be seen from the figure, the R-pulse occurs again after a short time interval in the position R '. In medical diagnosis, the time period between the occurrence of R and R 'is evaluated as an indication of the condition of the heart. The pulse R relates to a pressure exerted by the blood on one of the heart chambers and this in turn is an indication of the pressure exerted by the blood on a particular artery on which the pulse rate is sensed.
It is therefore common in medical diagnosis to use a sensor, e.g. B. a strain gauge, which responds to the pressure to generate an electrical pulse having the same frequency and intensity as the pulse in FIG. The waveform of Figure la is the electrical counterpart of the pulse R of Figure 1 and represents the electrical variation in pressure intensity exerted by the heart. The normal pulse rate of Fig. 1 shows that between the pulse R and the subsequent pulse R 'there is sufficient time for the heart to re-establish itself for the continuing sequence of expansions and contractions. These expansions and contractions force blood from one chamber to the other and through a variety of arteries and veins throughout the body.
Fig. 2 shows an electrocardiogram of the pulse rate in an excessive load condition, known in medicine as tachycardia. Here, the time between successive pulses is very short and therefore allows the heart muscles very little time for expansion and contraction in order to carry out the necessary functions of blood transport. The distance between successive pulses R is very small, and the pulse frequency is significantly higher than in the normal state shown in FIG.
Fig. 2a shows how the high pulse rate in the state of tachycardia is converted into a series of electrical pulses that have the same pulse frequency as the pulse frequency that corresponds to the amount of pulse frequency in the human body. The normal pulse rate for an adult male is in the range of 70 to 72 beats per minute and for an adult woman between 78 and 82 beats. The pulse rates of both men and women seldom exceed 150 beats per minute with normal daily activity, and pulse rates above 175 beats per minute can be dangerous. The state of tachycardia shown in FIG. 2 corresponds to a pulse rate of 170 beats per minute.
The state of tachycardia therefore places an excessive burden on the heart muscle, since it has to perform a great deal of work in a very short time.
The human pulse rate varies over a wide range during human life. The following table I shows the pulse rate as a function of age, the pulse rate changing from the high value of 150 in the first stages of life to the low value of 50 at the age of 70 years.
Table I Age pulse rate Embryonic status 150 At birth 140 130
1st year of life 130115
2nd year of life 115-100
3rd year 100 90
7 years of age 90-85
14th year 85-80 50th year 75-70 70th year 65-50
This wide spread of the pulse rate can also be observed in the adult male population, as FIG. 3 shows. Here the pulse rate is shown with a bell-shaped distribution over the healthy adult male population. The mean pulse rate is z. B.
70, and some men will have a normal heart rate of 90 and others will have a normal heart rate of 50.
This distribution of so-called normal pulse rates of 50-90 shows that the pulse rate of each individual must be precisely determined before any physical exertion is exerted on the heart. Tachycardia occurs at around 170 beats per minute. Someone with a low normal heart rate of 50 would have to exercise their heart hard until the tachycardia heart rate was 170
Beats per minute occurs. Someone with a so-called normal
A pulse rate of 90 would reach the state of tachycardia with a pulse rate of 170 in a much shorter time. If a normal distribution of the onset of the
Tachycardia is recorded based on a value of 170 pulse beats, then the curve according to FIG. 3 results.
It is clear that people with a higher resting heart rate are more prone to the onset of tachycardia than those with lower resting heart rate. The problem of the present inven tion is to show how the permissible pulse frequency is to be determined for exercise that allows a particular individual to get his body in good condition without the heart being excessively stressed, and for to determine each individual's individual pulse rate at which the physical load becomes too great.
Fig. 5 shows an embodiment of a programmed display 1, which has a bracelet 2 with a display area 3 on which the pulse frequency 4 appears digitally. The display device 1 is worn on the wrist 5 and has a housing 6 which contains the programmable electrical components. The user can always see how high his pulse rate is in any part of his fitness program.
In FIG. 7 it can be seen that the display device 1 has a contact pulse detector 7 which extends from the display 1 to the rear. The detector 7 is in contact with the radial artery in the vicinity of the wrist and passes the detected pulses to the programmable integrated circuit in the housing 6. The pulse detector 7 assembled with the display 1 could also be part of the bracelet 2, since the band is a larger one Surface for the detection results. The detected pulse frequency is displayed digitally on the display area 3.
In analogy to road traffic, a display according to FIG. 6 could be used, which has red, yellow and green indicator lights on the display surface 3. The display device 1 operates the red, yellow and green lights in the following manner. If the start and reset button 10 is pressed, the energy of a disk-shaped battery contained in the display device 1 is switched on, and the subsequent heart pulse beats are detected with the detector 7 and processed within the display device 1. The green light indicates that an average resting heart rate has been determined. This is similar to the normal traffic signal systems, in which a green light means driving, while the presence of a green light indicates that the resting heart rate has been detected and that the battery is working.
When the user begins to exercise lightly, the pulse rate is detected and counted and an optimal exercise pulse rate for a certain mean resting pulse rate is determined. According to the example given earlier, with a mean normal pulse rate of 70, the optimal exercise frequency will be 50 higher than the mean value of the resting frequency. In other words, for a resting frequency of 70, a pulse frequency of 120 is the optimal exercise pulse frequency, and at this pulse frequency the yellow light begins to glow. The green light then goes out and the physically active person is instructed that he has reached his optimal exercise pulse rate.
The optimal safe exercise pulse rate, which is calculated on the basis of 50 pulse beats per minute above the resting pulse rate, is indicated by the yellow light until a pulse rate of 150 beats per minute is reached. At this point, the yellow light is extinguished and the red light begins to light up and indicates that the state of a dangerous pulse rate has been reached and the physically active person has to slow down a little to extinguish the red light and move back into the area of the yellow light come.
Table 2 below shows the colors with the associated resting, optimal actuation and danger pulse rates for normal pulse rate conditions. Although the optimal actuation pulse rate for each group is determined by adding 50 pulse beats per minute above the resting state, the red signal is activated at a safety pulse rate of 150 beats per minute to avoid the onset of tachycardia.
Table II
Green Yellow Red (rest (stress (danger state) state) lower
Normal value 50 100 150 Normal value 70 120 150 Higher
Normal value 90 140 150
This color display can also be used in the embodiment according to FIG. 5 with a digital display. Here the numeric display itself can light up either green, yellow or red, depending on the pulse rate during exercise.
The digits showing the high mean resting value of 90 in Table II can e.g. B. glow green. When the safe optimal exercise pulse rate is reached, the digits light up in yellow, which indicates to the user that this numerical value is his optimal exercise pulse rate.
Although higher numerical pulse rates are still displayed in yellow, the user still knows that he has left the optimal exercise frequency and should slow down a little while continuing to exercise.
If he does not do this and the pulse rate reaches 150, the digits that indicate this dangerous pulse rate light up red. If he does not slow down at this stage of exercise, tachycardia may occur.
The visual indicators shown in Figures 5 and 6 may have different light intensities or other features that attract attention. The yellow light could e.g. B. blink at the optimal load pulse frequency so that the user can see with a glance at the display area 1 that he is doing sports within the safe state of the pulse frequency. When exercising, someone could keep themselves in step by making sure that their pulse rate is the same as the flashing frequency of the light. By slowing down his run, he can lower his heart rate to be at its optimum. Other means of attracting attention could also be present in the display devices of Figs. 5 and 6, e.g.
B. could consist of a buzzer, the frequency of which could vary in accordance with the pulse frequency. The state of rest green would then not require a buzzing tone and the state of yellow one that is only used to indicate to the user how high his pulse rate is, but without an alarm. In the dangerous state, i. H. if the indicator is red, the buzzer pulse frequency could be high and the red light could flash simultaneously at the same frequency to alert the user to reduce their exposure.
8 shows other exemplary embodiments of pulse sensors.
The runner generally designated 21 could have a display unit 1 in a headband 23. In this case, the sensor 7 would be in contact with the vicinity of the temporal artery for receiving the pulse rate. In this particular embodiment, only an audible indication would be required and the red, yellow and green indicator lights mentioned above could be eliminated. In this case it is only necessary that at a pulse frequency of 150, the display device 1 begins to hum and the user should be
Reduce walking pace until the sound disappears. A simplified version is also shown in the bracelet 22.
Here, the display device 1 would again contain the same circuit elements in order to generate a buzzing sound when the pulse rate of the wrist artery reaches the value of 150 beats per minute.
Other exemplary embodiments could have audible and visible displays for a low pulse rate if the pulse rate falls below the determined resting mean value.
This characteristic would indicate to the user an abnormal physiological condition. Because the pulse rate is lower when sleeping or lying down, a long-distance driver could e.g. For example, an indication would be given that he was starting to doze off at the wheel, and the audible and visual alarm would alert him to a very dangerous situation. The digital display device according to FIG. 5 could also serve a health-conscious manager who lives in a state of emotional and mental strain, even when he is at rest in his office. The visual display of an increasing pulse rate and the appearance of a yellow light without simultaneous physical exercise would indicate to the user that his emotions are in conflict with his cardiovascular activity.
Still other security features could be incorporated into the display device shown in Figs. If the user does not notice the occurrence of the flashing light and the loud and intermittent buzzing when the pulse rate reaches the value 150, the buzzing tone could increase in intensity after a time delay and an audible alarm in Morse code, e.g. B. SOS, submit. This could alert a rescuer of the danger if the user has a heart condition such as B. arrhythmia, succumbs and passes out. If the dangerous state persists, after an additional period of time the SOS alarm could also be transmitted within the everyone's radio and police radio bands, so that the affected individual would receive immediate help. The mode of operation of the pulse display device will now be explained in more detail with the aid of the diagram of FIG.
The circuit of FIG. 4 has a detector or sensor 7 which, for. B. may have a thin piezoelectric wand or a piezoelectric strain gauge made of barium titanate or barium zirconate. The detector 7 can be attached to the wrist or to the head of a runner 21, as is shown in FIG. 8, and is contained in the display device 1. The sensor 7 generates an electrical output signal as shown in FIGS. 1 a and 2 a, specifically with each pulse beat according to FIGS. 1 and 2.
The electrical signal is amplified in an amplifier 210 and then detected in a peak detector 222. The circuit 222 may include a peak detector and a circuit for generating square-wave pulses which detects the peaks of the R pulses 211 in the waveform QRS in FIG. 1. The circuit 222 is variable in order to adapt it to the individual physiological characteristics of a user, since the peak amplitudes of the QRS pulses vary from individual to individual.
The output pulse of the circuit 222 is applied to a counter 230, in which the pulses are counted.
At the end of a predetermined period which e.g. B. 15 seconds or 1 minute, the count in the counter 230 is transferred via gates 240 by a clock pulse from a clock 270 in a storage device 260.
The clock can be part of the wristwatch worn by the runner. After a short delay, the counter 230 is reset by the clock 270 via a delay circuit 250. The memory device 260 may include a number of memory circuits, such as e.g. B.
which have shift registers. The count in the first memory circuit is transferred to the second memory circuit when the second count in counter 230 is transferred to the memory circuit via gates 240. At the end of a predetermined number of counts, an averaging circuit 280 adds the counts stored in memory device 260 and divides by the number of counts to determine the average resting pulse rate over a specific period. This mean pulse frequency is applied to a comparison circuit 290 and displayed in a display device 200. The display device 200 thus shows the mean or resting pulse rate of the runner. The display device 200 may e.g. B. display in green, yellow and red and may have light emitting devices for digitally displaying the pulse rate.
The mean resting heart rate is usually displayed in green.
The mean value circuit 280 has an adjusting element 218 in order to adjust the mean pulse frequency so that it
Number remains constant while running. On the other hand, if an individual knows his or her resting pulse rate exactly, this rate can be entered into the mean value circuit 280 with the aid of the manual setting 220. Both the setting element 218 and the manual setting 220 are coupled to the button 10 of the devices shown in FIGS. 5 and 6. While running, the pulse rate is applied to the comparison circuit 290 via the gates 240. The mean resting pulse rate, which is stored in the mean value circuit 280, is, as already mentioned earlier, increased by 50 in order to obtain the optimal safe exercise pulse rate. During a sporting Actuate supply, the display device 200 z.
B. digitally display the pulse rate at a certain moment. When the pulse rate reaches the set optimal exercise pulse rate, that digit will be displayed digitally in yellow and an audible indicator 300 may begin to hum. When the pulse rate reaches the dangerous value of 150, the counter 230, which is set for the detection of this critical number, causes the display device 200 to glow red.
In addition, the audible display can hum with an increased pulse rate.
The delay device 250, which is coupled to the counter 230, provides an additional safety function, so that when the circuit is connected to the energy source 278 by pressing the button 10, the time delay 250 only then enables the sensor 7 to operate the green display, when sufficient time has passed to determine a representative mean resting heart rate value. This is important because it is possible that after an early awakening when the heart rate is lowest, an impatient runner can immediately start running and get a false yellow reading as the optimal exercise heart rate because the resting heart rate was extremely low.
The time delay gives the user the opportunity that there is sufficient time that a true mean value of the
Resting pulse rate can be determined before the start signal is given with the help of the already mentioned green
Light. The circuit components of FIG. 4 can be arranged in an integrated circuit. However, it is not absolutely necessary for the detector 7 to be connected directly to the circuit. In a variant, for. B.
a sensor may be present which has an ultrasonic transmitter so that the other components could be arranged remotely from the sensor. A warmly clad snow shovel wearing gloves may be able to hear the audible
The alarm from the pulse rate sensor on the wrist could not hear, but could hear an audible alarm, which in an exemplary embodiment that is worn in the headband, well, because in this embodiment the sensor is in contact with the
Temporal artery, which is located near the ear.
If the snow shovel does not want to wear the entire sensor contained in the headband, the same results could be achieved by wearing the detector and a transmitter part of the circuit in a bracelet near the wrist artery and just a simple receiver with the help of a headband or something similar is worn near the ear. In this case, the pulse frequency that is too high would be received in the ultrasound range and converted into the audible range near the ear. It should also be noted that the power source 278 can be a rechargeable battery and provides the power for all circuit elements, including the green, yellow and red indicators, which for weight and size reasons can be light emitting diodes.