CN101820815A - 一种用于控制和/或调节训练和/或康复组件的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于控制和/或调节训练和/或康复组件的装置，该装置包括：至少一个训练和/或康复组件；传感器组件，具有用于确定氧浓度的传感器和用于确定二氧化碳浓度的传感器；用于传感器的控制器；控制器中的微控制器，用于根据呼吸流量控制传感器的加热件的热力，以保持恒定的传感器温度；以及训练和/或康复组件的阻力和/或制动机构，能够基于传感器组件所确定的呼吸气体成分而被控制和/或被调节。所述装置能够优选地通过高原训练来增加使用者的耐力。

Description

一种用于控制和/或调节训练和/或康复组件的装置及方法
技术领域
本申请涉及一种用于控制和/或调节训练和/或康复组件的装置及方法。
背景技术
众所周知，高原训练可以增强例如运动员的体能。在此，可通过在高山地区更长的训练时间而达到相应的训练效果。但在这类高原训练中无法准确地控制和调节能力的提升。
肺功能的精确检查可通过呼吸量测量法进行。例如在专利文件DE6 912 241 U1中公开了一种用于检查肺功能的呼吸量测量的呼吸面具，具体地公开了一种在身体负荷情况下检查肺功能的呼吸量测量的呼吸面具。此外，专利文件US 2006201507中公开了测量氧摄取量的呼吸量测量装置的使用。但是，这类系统不能同时监控吸入及呼出气体中的氧和二氧化碳成分。
为使能够同时监控运动员能力数据以及身体功能的耐力训练设计得更为舒适，训练装置可以集成在一个提供虚拟现实的系统中。专利文件DE 20 2004 007 273 U1中公开了一种康复和/或体验装置，具体地公开了一种保健装置。该装置通过在封闭的房间内的影片展示区用电影放映设备进行电影展示。该装置包含了通过控制设备相互联接的运动、声音、风、气味、光和/或其它辐射生成装置和/或传感器装置，这些装置的活动和作用与电影中所演示事件的时间、地点和/或强度相匹配。但是，这种及类似系统不会对例如肺部功能等身体功能进行记录和分析，从而无法控制上述应用系统的成功使用或效果。此外，这类系统既不能实施任何专门的健身或训练项目，也不实用于医学领域。
发明内容
本申请一个目的是提供一种让使用者可完成专门健身或康复项目的系统，例如，可根据使用者呼吸气体的成分来控制和/或调节的训练和/或康复装置。
上述目的通过一种用于控制和/或调节训练和/或康复组件的装置来完成，所述装置至少包括：
-训练和/或康复组件；
-传感器组件，包括：测量氧浓度的传感器，所述测量氧浓度的传感器是能够加热的电化学固体电解质传感器，包含作为电解质的钇稳定二氧化锆、支承件、加热件和两个电极；以及测量二氧化碳浓度传感器，所述测量二氧化碳浓度传感器是能够加热的电化学固体电解质传感器，包括作为电解质的超快钠离子导体、支承件、加热件和两个电极；
-控制组件，用于控制所述传感器组件中的传感器，
-所述控制组件中的微控制器，所述微控制器根据呼吸气体流量对所述传感器组件中的传感器的加热件的热力进行控制，以保持传感器温度恒定；以及
-训练和/或康复组件的阻力和/或制动机构，能够根据所述传感器组件确定的呼吸气体成分而被控制和/或调节。
本申请提供的装置的关键优点在于，训练或康复组件可以独立地借助控制和/或可调节阻力和/或制动机构而控制和/或调节，或根据吸入和呼出气流中氧和/或二氧化碳浓度以及呼吸气流流量来控制和/或调节。也就是说，使用者的训练负荷可以借助可控制和/或可调节的阻力和/或制动机构相应地改变，以使使用者的呼吸气体成分达到需要的参数。本申请提供的装置的另一优势在于，在训练过程中，使用者的肺功能可以被精确地监控。另外，在训练中，比如氧供应不足等情况可以立刻被发现，并对训练进行相应地更改。此外，本申请提供的装置不需进行诸如呼吸量测量装置那样的繁复校准。
在实施方式的优化变化中，传感器组件直接设置在使用者吸入和呼出气体所流经的部件中。这样，传感器组件可组装于例如使用者佩戴的呼吸面具里。此种安装的优势在于其无效体积极少。
具体的实施方式
根据本申请的一个实施方式中的装置，该装置使用了氧传感器，用于氧离子选择性传导，该氧传感器包含钇稳定二氧化锆作为两个电极之间的电解质，以及支承件和加热件。所述装置还包括二氧化碳传感器。所述二氧化碳传感器含有由超快钠离子导体构成的电解质、两个电极，以及支承件和加热件(1)。前面所提到的超快钠离子导体也称为NASICON，并可通过分子式Na3-XZr2(PO4)1+X(SiO4)2-X)来表示(2)。这种形式传感器的优点包括小巧、轻便，而且生产成本低。因此，此类传感器可达到例如20x3.5x0.5毫米的尺寸(1)。这类微型传感器尤其适用于组装在呼吸面具中。
优选地，将耳夹集成在所述装置中测量血液中的氧浓度。此外，所述装置还可含有用于测量使用者脉搏的耳夹。这样使用所述装置可采集广泛的性能数据，以及记录使用者的其它医学参数，例如心率等。优选地，所获得的测量数据可以借助连接的个人数字助理(PDA)进行记录。
所述训练和/或康复组件可以是，例如，测力计、健身器械、综合健身机、划桨式测力计、划桨式健身器械、跑步机、步行机、健腹器或自行车。所述训练和/或康复组件的阻力和/或制动机构可包括例如气动、液压、机械、电磁制动器以及涡流式或带式制动器。所以，训练和/或康复装置可包括框架、类似于踏板的能量承受机构、驱动传输系统、旋转件和阻力和/或制动机构。优选地，使用磁性和电动涡流式制动器，它们操控简便、不易磨损。
此外，在优选的实施方案中，所述装置可包括二维和三维视频显示装置，至少一个音频输出和/或记录装置，以及生成风、温度和/或气味的装置。另外，所述装置还可以包括用于刺激触觉的装置。优选地，所述训练和/或康复组件的部件包括的可控制和/或可调节的阻力和/或制动机构、传感器组件以及管理所述传感器组件的控制组件通过计算机系统相互连接，并通过这类计算机系统控制和/或读取。在此，所述计算机系统可至少包括带用户接口的控制计算机。
根据本申请优选的实施方式的结构变型中，用于左、右眼图像计算的网络计算机连接至控制计算机。由该过程生成的信号可以传递到使用者头上所佩带的带有LCD的头盔上，以形成虚拟环境(头戴式显示器，HMD)。可选择地，生成的信号也可用于产生立体效果，以在屏幕上生成三维显示。优选地，所述控制计算机与一个或多个具有至少6个自由度的输入装置连接从而定位及定向，并且输入装置可选地装配有一个或多个按键。更优选地，控制计算机与例如等尺寸、等压和/或有弹性的输入装置连接，其中，通过所述输入装置，能够进行例如观察方向运动、身体运动、头部运动和/或进行位置确定。另一个优选的实施方式中，通过输入装置，可记录姿态、面部表情和/或语言。这样可将身体和心理的刺激相组合，并在虚拟的三维环境中进行香薰或高原训练。
根据本申请优选的实施方式的结构变型中，使用一种头部跟踪器作为输入装置，这种跟踪器也同样可附于使用者头部佩戴的具有LCD的头盔，从而生成虚拟环境(头戴式显示器，HMD)。此外，优选地，所述视觉显示组件显示静止的图像、活动或静止的物体、计算机图形和/或二维和/或三维运动图像或影片。为此，也可以使用传统的监视器进行二维显示。
根据本申请优选实施方式，视觉显示组件可以显示视角为0度至179度的图像，或者，在健身、保健或医学领域中使用的这类视觉显示组件，显示图像的视角可以是180度或大于180度，其中，还可显示使用者事先拍摄的动态和/或静止的真实图像。
声音输出组件可例如再现乐器、人声以及环境声音(例如动物噪声、风声、雨声、瀑布声、雷声和/或由机动车辆的发动机所造成的噪声、射击声、泵声、爆炸和/或土方工程等的噪音)。优选地，风、温度、气味和/或空气湿度能与虚拟现实里展现的情形相匹配。
此外，优选地，本申请的装置的使用者可通过通信部件获得指示和/或信息，并且使用者能通过通信部件与启动装置的人员取得联系。优选的，系统可通过抽取血液，在使用前、使用过程中和/或使用后进行更精确的血细胞计算分析。例如，借助与计算机系统相连的细胞分析仪、优选地采用流式细胞仪精确确定血细胞的成分。也可优选借助与荧光染料结合的专门抗体对细胞表面特征进行分析。
本申请的另一方面是提供一种用于控制和/或调节训练和/或康复组件的方法，其中，
-人使用训练组件和/或康复组件，
-在传感器组件中，借助可加热的电化学固体电解质传感器，确定氧浓度，以及借助另一可加热的电化学固体电解质传感器，确定二氧化碳浓度，
-借助微控制器，根据人的呼吸流量控制传感器中加热件的热力，从而保持恒定的传感器温度，
-根据传感器组件所确定的呼吸气体成分和/或所确定的人的呼吸流量，控制和/或调节训练和/或康复组件的阻力或制动机构。
根据本申请的方法可使用前述装置在一个或多个后面将要描述的实施方式中实施。优选地，呼吸空气中氧浓度的确定是在恒定电压条件下，对从阴极流向阳极并穿过氧传感器电解质的流量进行测量而得到的，其中，所产生的电流和氧浓度之间存在着一种线性关系。此外，优选地，可通过二氧化碳传感器电极间的电压与二氧化碳浓度之间的对数关系来确定二氧化碳浓度。另外，优选地，呼吸流量由通过微控制器控制的传感器加热件的热力来确定，由微控制器保持传感器温度恒定也是必需的。
使用传感器组件在利用薄层风速测量法的情况下测量呼吸气体的总体流率。此外，还可通过所测得氧和/或二氧化碳浓度的变化程度或通过传感器上的温度数据图形来判断呼吸气流的流向。本申请所涉及方法以逐次呼吸分解方式同时地监控吸入以及呼出气体的容积流量、流向和氧及二氧化碳成分。由此，氧及二氧化碳的浓度可以明确地划分为吸入及呼出气体。优选地，训练和/或康复装置根据所确定的使用者的呼吸气体成分，并借助可控制和/或调节的阻力或制动机构，依照使用者的需要而更改训练负荷。由此，根据所确定呼吸气体的氧和/或二氧化碳含量，借助可控制和/或调节的阻力或制动机构，并根据使用者需要调整训练的负荷。例如，通过阻力和/或制动机构增加负荷来降低呼出气体的氧和/或二氧化碳含量。
由此可使用根据本申请的装置，优选地通过模拟高原训练来提升耐力。
例如可通过相应增加训练负荷将呼出气体的氧含量从17％降低至12％。
此外，为使得吸入气体与呼出气体间的比例(呼吸商)在每次训练或每次治疗中都能保持恒定，不受日常状态或训练状态的影响，本发明单独地调整负荷。
此外，优选地，在计算机中运行带程序码的计算机程序，以实施所有前述方法步骤。优选地，实施所有上述方法步骤的程序码的计算机程序都保存在可由机器读取的载体上。
在使用本申请的装置和/或方法时，专业运动员和竞技运动员可在虚拟的、切合实际环境的高原训练装置上进行最佳的比赛准备。出于兴趣爱好的运动员以及业余运动员在缺氧条件下真实地训练其主要目的是提高个人的竞技能力和身体水平。具体地，如此避免了往返高山地区的飞行和住宿的昂贵开支。进一步，鉴于设备可24小时使用，训练更加可能，就是说更有效，并且，从后勤方面考虑，本发明更容易接触。
在康复或保健领域，本申请的系统可在虚拟三维环境中将香熏与被动的高原训练和氧疗相结合。在这样环境中人能够得到放松，并改善个人竞技能力，以及增强免疫系统。
在医学领域，这类系统可在三维环境中用于香熏、高原训练和/或氧疗，同时刺激视觉、感觉、嗅觉和听觉这四种感官。由于在此情况下可加强躯体本身的免疫系统，所以例如癌症、过敏病症以及新陈代谢障碍病症的患者也可使用本系统。
此外，具体地三维显示技术可通过图像和噪音的效果，对例如自动免疫系统疾病中恐惧之类的特殊心理疾病过程进行积极的影响。
参考文献：
(1)R.Baumann1，2，S.Fasoulas1，M.
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Figure GPA00001088749500072
 Dresden，01062 Dresden，Germany.(1德累斯顿科技大学航天工程学院，01062德累斯顿，德国)2ESCUBE GmbH，Nobelstr.15，70569Stuttgart，Germany(2ESCUBE有限责任公司，Nobelstr.15，70569斯图加特，德国)(PRO2-FR-Exec-Sum-05-02-10 ExecutiveSummary to the ESTEC Contract No.15450/01/NL/JS CCN 1+2)(2)West，A.R.，Grundlagen der 
Figure GPA00001088749500073
(基础固体化学)，Verlag Chemie，Weinheim(1992).

Claims (42)

1.一种用于控制和/或调节训练和/或康复组件的装置，其特征在于，所述装置至少包括：
-训练和/或康复组件；
-传感器组件，包括：测量氧浓度的传感器，所述测量氧浓度的传感器是能够加热的电化学固体电解质传感器，包含作为电解质的钇稳定二氧化锆、支承件、加热件和两个电极；以及测量二氧化碳浓度传感器，所述测量二氧化碳浓度传感器是能够加热的电化学固体电解质传感器，包括作为电解质的超快钠离子导体、支承件、加热件和两个电极；
-控制组件，用于控制所述传感器组件中的传感器，
-所述控制组件中的微控制器，所述微控制器根据呼吸气体流量对所述传感器组件中的传感器的加热件的热力进行控制，以保持传感器温度恒定；以及
-训练和/或康复组件的阻力和/或制动机构，能够根据所述传感器组件确定的呼吸气体成分而被控制和/或调节。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器组件直接设置在使用者的吸入及呼出气体所流经的组件中。
3.按照权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述传感器组件设置于呼吸面具中。
4.按照权利要求1至3所述的装置，其特征在于，所述装置集成有测量血液中氧浓度的耳夹。
5.按照权利要求1至4所述的装置，其特征在于，所述装置集成有测量脉搏的耳夹。
6.按照权利要求1至5所述的装置，其特征在于，所述装置记录使用者的性能数据和其它的医学参数，例如心率。
7.按照权利要求1至6所述的装置，其特征在于，所测量的数据借助于相连的个人数字助理来记录。
8.按照权利要求1至7所述的装置，其特征在于，所述训练和/或康复组件是测力计、健身器械、综合健身机、划桨式测力计、划桨式健身器械、跑步机、步行机、健腹器或自行车。
9.按照权利要求1至8所述的装置，其特征在于，所述训练和/或康复组件的阻力和/或制动机构包括气动的、液压的、机械的或电磁的制动器，涡流式或带式制动器。
10.按照权利要求1至9所述的装置，其特征在于，所述装置连接有用于二维和/或三维视觉显示的设备、至少一个声音输出和/或记录装置以及用于生成风、温度和/或气味的设备。
11.按照权利要求1至10所述的装置，其特征在于，所述装置连接有用于刺激触觉的设备。
12.按照权利要求1至11所述的装置，其特征在于，所述训练和/或康复组件的部件通过计算机系统相互连接并且被控制和/或读取，所述训练和/或康复组件的部件包括所述阻力和/或制动机构、所述传感器组件和所述控制组件。
13.按照权利要求1至12所述的装置，其特征在于，所述计算机系统包括至少一个具有用户接口的控制计算机。
14.按照权利要求1至13所述的装置，其特征在于，所述控制计算机连接有用于计算左眼和右眼的图像的网络计算机。
15.按照权利要求1至14所述的装置，其特征在于，生成的信号传递到使用者头戴的、具有LCD的头盔，以生成虚拟环境(头盔显示器HMD)。
16.按照权利要求1至15所述的装置，其特征在于，所生成的信号还能够用于立体效果产生，从而在屏幕上生成三维显示。
17.按照权利要求1至16所述的装置，其特征在于，所述控制计算机与具有至少6个自由度的一个或多个输入装置相连，从而定位及定向，所述输入装置选择性地配备有一个或多个按键。
18.按照权利要求1至17所述的装置，其特征在于，所述控制计算机与等尺寸的、等压的和/或弹性的输入装置相连。
19.按照权利要求1至18所述的装置，其特征在于，所述输入装置记录观察方向运动、躯体运动或头部运动和/或进行位置确定。
20.按照权利要求1至19所述的装置，其特征在于，所述输入装置能够记录姿态、表情和/或语言。
21.按照权利要求1至20所述的装置，其特征在于，输入装置为头部跟踪器。
22.按照权利要求1至21所述的装置，其特征在于，所述视觉显示组件显示静止图像、动态或静止物体、计算机图形和/或二维或三维的运动图像或影片。
23.按照权利要求1至22所述的装置，其特征在于，所述视觉显示组件以0度至179度视角显示图像。
24.按照权利要求1至23所述的装置，其特征在于，在健身、保健或医学领域使用的所述视觉显示组件能够以180度或大于180度的视角显示图片。
25.按照权利要求1至24所述的装置，其特征在于，所述视觉显示组件显示使用者拍摄的运动和/或静止的图像。
26.按照权利要求1至25所述的装置，其特征在于，所述声音输出组件再现乐器、人声、诸如动物噪声、风声、雨声、瀑布声、雷声等环境噪音和/或机动车辆发动机、射击、泵、爆炸和/或土木工程等环境声。
27.按照权利要求1至26所述的装置，其特征在于，风、温度、气味和/或空气湿度能够根据虚拟现实中显示的情形进行调整。
28.按照权利要求1至27所述的装置，其特征在于，使用者能够通过通信组件获得指示和/或信息。
29.按照权利要求1至28所述的装置，其特征在于，使用者通过通信组件与所述装置操作人员进行联系
30.按照权利要求1至29所述的装置，其特征在于，细胞分析仪，优选为流式细胞仪与所述计算机系统相连。
31.一种控制和/或调节训练和/或康复装置的方法，包括：
-使用者使用训练装置和/或康复组件；
-分别借助于传感器组件中的测量氧浓度的传感器和测量二氧化碳浓度的传感器进行氧浓度的确定和二氧化碳浓度的确定，所述测量氧浓度的传感器和所述测量二氧化碳浓度的传感器均为能够加热的电化学固体电解质传感器，所述测量氧浓度的传感器在两个电极之间包含作为电解质的钇稳定二氧化锆，所述测量氧浓度的传感器还包括支承件和加热件，所述测量二氧化碳浓度传感器包括作为电解质的超快钠离子导体、支承件、加热件和两个电极；
-借助于传感器控制组件中的微控制器，根据使用者的呼吸流量控制所述传感器组件中的传感器的加热件的热力，以保持传感器温度恒定；以及
-根据所述传感器组件所确定的呼吸气体成分和/或所确定的使用者的呼吸流量，控制和/或调节所述训练和/或康复组件的阻力或制动机构。
32.按照权利要求3 1所述的方法，其特征在于，在恒定电压条件下，测量从阴极穿过氧传感器的电解质流向阳极的电流，从而确定呼吸气体的氧浓度，其中，所产生的电流和氧浓度之间具有线性关系。
33.按照权利要求31和32所述的方法，其特征在于，通过所述测量二氧化碳浓度的传感器的电极之间的电压与二氧化碳浓度之间的对数关系来确定二氧化碳浓度。
34.按照权利要求31至33所述的方法，其特征在于，呼吸流量根据所述传感器组件中的传感器的加热件的热力来确定，所述加热件的热力由微控制器控制，从而确保传感器温度的恒定。
35.按照权利要求31至34所述的方法，其特征在于，所述传感器组件能够利用薄层风速测量法确定呼吸气体的总体流率。
36.按照权利要求31至35所述的方法，其特征在于，能够使用所测得的氧浓度和/或二氧化碳浓度的变化、或所述传感器组件的传感器上的温度数据图形来确定呼吸气体的流向。
37.按照权利要求31至36所述的方法，其特征在于，采用逐次呼吸分解的方法，能够同时监控吸入气体及呼出气体的容积流量、流向以及氧和二氧化碳的成分。
38.按照权利要求31至37所述的方法，其特征在于，根据所确定的使用所述训练和/或康复组件的使用者的呼吸气体成分，借助于所述可控制和/或可调节的阻力或制动机构，能够根据需要改变使用者的负荷。
39.按照权利要求38所述的方法，其特征在于，根据所确定的呼吸气体中氧和/或二氧化碳含量，借助于所述可控制和/或可调节的阻力或制动机构，能够根据需要对使用者的负荷进行调整。
40.按照权利要求39所述的方法，其特征在于，借助所述阻力和/或制动机构，通过增加负荷来降低呼出气体的氧和/或二氧化碳含量。
41.一种具有程序码的计算机程序，用于实施按照权利要求31至40中任一项所述的方法的各个步骤，所述程序在计算机支持下实施。
42.按照权利要求41所述的具有程序码的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序存储在机器可读的载体上。
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