DE102008015942A1

DE102008015942A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der körperlichen Fitness einer Person

Info

Publication number: DE102008015942A1
Application number: DE200810015942
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Bauer; Georg Prof. Dr. Schmidt; Henner Hanssen
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-01
Also published as: WO2009117996A1

Abstract

Aus der zeitlichen Abfolge der Herzschläge einer Person wird über einen langen Zeitraum nach einer Langzeit-Belastung ein phasengerichtetes gemitteltes Signal, das so genannte PRSA-Signal, gebildet, das aufgezeichnet werden kann. Hieraus kann die Entschleunigungskapazität (DC) und die Erholungszeit der Person nach der Belastung ermittelt werden, die Anzeichen für die Fitness der Person sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der körperlichen Fitness einer Person, insbesondere von Sportlern oder sportlich engagierten Personen, die sich unter anderem auch Langzeitbelastungen unterziehen. Dies trifft zum Beispiel für Personen zu, die einen Marathonlauf absolvieren, Leistungssportlern in der Leichtathletik oder im Handball beziehungsweise Fußball etc.
Es sind eine Vielzahl von Verfahren zum Bestimmen der körperlichen Fitness einer Person in den genannten und anderen Gebieten bekannt, so zum Beispiel Auswerten von Kurzzeit-Belastungs-Elektrokardiogrammen, Lactat-Tests, Messen der individuellen anaeroben Schwelle, oder dergleichen.
Sämtliche dieser Verfahren sind jedoch jeweils nur für bestimmte Zielgrößen relevant und daher insbesondere für Leistungssportler nur begrenzt aussagekräftig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der körperlichen Fitness einer Person anzugeben, mit dem eine komplexe Auswertung der körperlichen Funktionen der jeweiligen Person möglich ist.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für ein Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst, für eine Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 6.
Demgemäß werden zur Bestimmung der Fitness ein oder mehrere Parameter der autonomen Funktion und deren Dynamik der Normalisierung beobachtet, d. h. zeitliche Entwicklung des sympathischen und des parasympathischen Nervensystems. Es wurde festgestellt, dass teilweise noch Stunden nach der Belastung die autonome Funktion beeinträchtigt ist. Die Zeitdauer bis zur Normalisierung der autonomen Funktion ist hierbei ein aussagekräftiges Maß für die Fitness der jeweiligen Person und, wie erwähnt, für die Effektivität eines Trainingsprogramms etc..
Im übrigen kann mit der Erfindung nicht nur die Fitness geprüft werden; es ist auch möglich, die Effektivität von Trainingseinheiten bei Sportlern zu ermitteln, da diese beiden Größen miteinander korrelieren.
Gemäß der Erfindung wird bevorzugt die so genannte Entschleunigungskapazität des Herzrhythmusses für die Einschätzung der körperlichen Fitness oder der Effektivität eines Trainingsprogramms benutzt, jedoch sind, wie erwähnt, auch andere Parameter möglich.
Die Entschleunigungskapazität wird hierbei zum Beispiel gemäß der DE 10125347 B4 bestimmt. Gemäß diesem Verfahren wird ein so genanntes PRSA-Signal bestimmt, wobei die Bezeichnung PRSA für „Phase-Rectified-Signal-Averaging” steht; vgl. hierzu auch den Artikel von Georg Schmidt, Axel Bauer et al. in Lancet 2006; 367: 1674 bis 81 mit dem Titel: „Decelaration capacity of heart rate as a predictor of mortality after myocardial infarction: cohort study" oder Georg Schmidt, Axel Bauer et al. in PhysicA 364 (2006) 423 bis 434 „Phase-rectified signal averaging detects quasi-periodicities in non-stationary data".
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass durch eine Langzeit-Messung von Personen vor oder zumindest nach einer Ausdauerbelastung deren körperliche Fitness mit diesem Verfahren sehr gut bestimmt werden kann. Der Vorteil dieses Verfarens liegt unter anderem darin, dass durch die Aufteilung der Langzeit-Messung der PRSA-Signale in einzelne Zeitabschnitte der Verlauf dieser PRSA-Signale über die Zeit sehr gut beobachtet werden kann, wobei die PRSA-Signale gemittelt und gegebenenfalls quantifiziert werden. Typischerweise zeigt sich unmittelbar nach einer längeren körperlichen Belastung ein niederamplitudiges PRSA-Signal als Zeichen einer eingeschränkten Entschleunigungskapazität. Im weiteren Verlauf wird das PRSA-Signal zunehmend höheramplitudig als Zeichen einer Normalisierung der Entschleunigungskapazität. Sobald die Messwerte einen annähernd konstanten Verlauf aufweisen, der natürlich durch andere Einflüsse, so zum Beispiel den circadianen Zeitverlauf beeinflusst werden, kann gesagt werden, dass die körperlichen Belastungen der jeweiligen Person sozusagen „überwunden” sind. Je früher dieser stationäre Zustand erreicht ist, desto „fitter” ist die jeweilige Person.
Nach den Beobachtungen der Anmelder und Erfinder ist die Aussage gemäß diesem Verfahren deutlich komplexer als bisher, da offensichtlich in die Messergebnisse eine Vielzahl von körperlichen oder physiologischen Parametern einfließen, wohingegen die bekannten Auswertungsverfahren im Wesentlichen nur durch einen Parameter bestimmt sind.
Aufgrund der Untersuchungen des Anmelders und der Erfinder konnte festgestellt werden, dass aufgrund der Messwerte in Zusammenhang mit der autonomen Funktion und insbesondere der Entschleunigungskapazität einen guten Hinweis geben auf die Reaktivierung des parasympathischen Nervensystems nach Belastung sowie die Deaktivierung des sympathischen Nervensystems. Die Dynamik der Normalisierung der Entschleuigungskapazität dürfte auf eine Normalisierung der Aktivität des Vagusnerves zurückgeführt werden.
Hierbei kann auch eine Aussage gemacht werden, dahingehend, dass die Entschleunigungskapazität in direktem Zusammenhang mit der körperlichen Fitness einer Person nach einer Langzeit- oder Ausdauerbelastung steht. Hierbei kann klar festgestellt werden, dass die Erholungszeit der Entschleunigungskapazität von dem individuellen Trainingsniveau der jeweiligen Person abhängig ist: Sie ist am schnellsten bei Leistungsathleten und am niedrigsten bei nicht trainierten Personen, die gegebenenfalls noch übergewichtig sind. Eine Messung der Erholungszeit der Entschleunigungskapazität bringt somit eine neue methodologische Herausforderung für die Auswertung einer kardiovaskulären Fitness mit sich.
Die Erfindung ist anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert; in dieser stellen dar:
1a ein Diagramm der Dauer der Herzschläge in Millisekunden über die Anzahl der Herzschläge;
1b das aus dem originalen Signaldiagramm entsprechend 1a entwickelte PRSA-Signal, wobei die Ordinate jeweils das RR-Intervall in Millisekunden zwischen aufeinander folgenden Herzschlägen gemäß 1a und die Abszisse die gemittelten Werte einzelner Abschnitte der zeitlichen Abfolge des Original-Signales darstellt;
2 eine Abbildung der Erholung der Entschleunigungskapazität ist, wobei auf der Ordinate die Erholungszeit in Millisekunden und auf der Abszisse die Langzeit-Überwachungszeit in Stunden aufgetragen ist;
3 die Erholungszeit der Entschleunigungskapazität in Stunden für drei unterschiedliche Personengruppen dargestellt ist; und
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
In 1a ist ein Tachogramm gezeigt, in dem die Zeitintervalle zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Herzschlägen über eine Dauer von mehreren Stunden, in diesem Fall für n = 100.000 Herzschläge für eine Person aufgetragen sind. Auf der Ordinate ist die Dauer des RR-Intervalls aufgetragen, auf der Abszisse der Index für den jeweiligen Herzschlag. Aus diesem Tachogramm wird dann das in 1b gezeigte so genannte PRSA-Signal entsprechend der oben erwähnten DE 10125347 B4 entwickelt. Hierzu wird jedem Messwert ein Attribut zugeordnet, wobei dieses Attribut für alle Messwerte die gleiche Eigenschaft aufweist. Das Attribut wird zum Beispiel aus dem jeweilig vorhergehenden Messwert abgeleitet und ist vorzugsweise für jeden Messwert die Differenz zu dem vorhergehenden Messwert.
Aus den mit den Attributen belegten Messwerten werden jeweils Abschnitte einer bestimmten Länge ausgewählt und so genannte Ankerpunkte bestimmt, die jeweils im Mittelpunkt des ausgewählten Abschnittes liegen. Die einzelnen Abschnitte werden dann so „untereinander” angeordnet, dass die Ankerpunkte auf einer Linie liegen, wonach die einzelnen Abschnitte gemittelt werden. Für das Verfahren wird auf die oben genannten Dokumente verwiesen.
In 1b ist ein PRSA-Signal für einen bestimmten Zeitabschnitt mit n = 120 Messwerten dargestellt. Die Zeitspanne für die Mittelwertbildung beträgt z. B. eine Stunde. Im Grunde wird das PRSA-Signal gebildet, indem ein Zeitfenster über das Original gemäß 1a geschoben wird und dabei die Mittelwerte für eine gewählte Zeitspanne gebildet werden.
In 2 ist die Erholungszeit für die Entschleunigung des Herzschlages einer bestimmten Person dargestellt. Man sieht, dass die Entschleunigungskapazität DC in Millisekunden über die Erholungszeit zunächst relativ linear ansteigt und bei etwa 6,7 Stunden den Mittelwert der üblichen Entschleunigungskapazität schneidet. Anschließend verbleibt die Entschleunigungskapazität auf einem relativ konstanten Niveau zwischen 9 und 12.5 Millisekunden.
In 3 ist die Erholungszeit für die Entschleunigungskapazität DC in Stunden für verschiedene Personengruppen aufgelistet. Die Personengruppe 1 betrifft hierbei im Wesentlichen trainierte, übergewichtige Hobbysportler, die Gruppe 2 betrifft trainierte, normalgewichtige Hobbysportler, wohingegen die Gruppe 3 überdurchschnittlich trainierte Leistungssportler betrifft. Man sieht, dass die Erholungszeit für solche durchtrainierten Personen zwischen 1 und 4,5 Stunden liegt, für die Gruppe 2 etwa 3 bis 5 Stunden beträgt und für die Gruppe 1 zwischen 4 und 12 Stunden liegt. Diese Angaben betreffen somit die Zeitdauer, bis die Herzkreislauffunktionen der beobachteten Personen wieder annähernd den Normalzustand erreicht haben.
Diese Aufzeichnungen sind ein sehr gutes Merkmal für die jeweilige individuelle Leistungsfähigkeit einer Person.
Auf diese Weise kann eine Bewertung der körperlichen Fitness nach Ende einer körperlichen Belastung einer Person erfolgen.
In 4 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des geschilderten Verfahrens dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Sensor 11 auf, der zum Beispiel an einem Brustgürtel befestigt ist und die Herzrhythmusschläge erfasst. Diese werden an einen Speicher 12 einer Auswerteeinrichtung 13 geleitet, wonach in einem Prozessor 14 das PRSA-Signal für die einzelnen Zeitspannen gebildet wird. Dieses PRSA-Signal wird dann entsprechend den obigen Erläuterungen auf einem Display 15 angezeigt und kann natürlich auch mit Hilfe eines Druckers 16 ausgedruckt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10125347 B4 [0009, 0020]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Georg Schmidt, Axel Bauer et al. in Lancet 2006; 367: 1674 bis 81 mit dem Titel: „Decelaration capacity of heart rate as a predictor of mortality after myocardial infarction: cohort study” [0009]
- Georg Schmidt, Axel Bauer et al. in PhysicA 364 (2006) 423 bis 434 „Phase-rectified signal averaging detects quasi-periodicities in non-stationary data” [0009]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der körperlichen Fitness einer Person, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Erfassen und Aufzeichnen der Messwerte für zumindest einen Parameter, der der autonomen Funktion der Person, das heißt der zeitlichen Entwicklung des parasympathischen und des sympathischen Nervensystem zuordenbar ist, über die Zeit; Auswerten der Aufzeichnung und Feststellen eines normalisierten Zustands der autonomen Funktion nach Ende einer Belastung der Person; und Bestimmen der Zeitdauer zwischen dem Ende der Belastung und dem Zeitpunkt, an dem eine Normalisierung der autonomischen Funktion eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Aufzeichnen der zeitlichen Abfolge der Herzschläge der Person als einzelne Messwerte zumindest nach einer Langzeitbelastung; Auswählen von mehreren unterschiedlichen, im Wesentlichen gleich langen zeitlichen Abschnitten der Abfolge um jeweils einen mittig gelegenen Messwert, einen sogenannten Ankerpunkt für jeweils eine gewisse Zeitspanne; Phasenausrichtung der für jede Zeitspanne ausgewählten Abschnitte, indem die Abschnitte zeitmäßig so verschoben werden, dass alle Ankerpunkte der ausgewählten Abschnitte auf dem gleichen Zeitwert liegen: Mittelwertbildung der Signale aller Abschnitte innerhalb jeder Zeitspanne; und Auftragen der Mittelwerte über die Zeit zumindest nach dem Ende der körperlichen Belastung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die weiteren Schritte enthält: Quantifizieren der Mess- bzw. Mittelwerte in einzelnen Zeitspannen; und Auftragen der quantifizierten Mess- bzw. Mittelwerte über die Zeit zumindest nach dem Ende der körperlichen Belastung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß für die körperliche Fitness die Zeitdauer ist, bis zu der die ggf. quantifizierten Mess- oder Mittelwerte einen im Wesentlichen stationären, d. h. normalisierten Wert annehmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen aufeinander folgenden Zeitspannen im Bereich einer Stunde liegen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Sensor (11) zur Aufnahme der zeitlichen Abfolge eines für die autonome Funktion der Person wesentlichen Parameters; und mit einer Auswerteeinrichtung (13) zum Auswerten der aufgezeichneten Messwerte der zeitlichen Abfolge und zum Bestimmen der Zeitdauer zwischen dem Ende einer Belastung und der Normalisierung der autonomen Funktion.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (11) die Herzschläge der Person erfasst, dass die Auswerteeinrichtung (13) einen Speicher (12) zum Speichern der zeitlichen Abfolge der Herzschläge aufweist, dass die Auswerteeinrichtung (13) einen Prozessor (14) aufweist zum Auswählen von mehreren unterschiedlichen, im Wesentlichen gleich langen zeitlichen Abschnitten der Abfolge um jeweils einen mittig gelegenen Messwert, einen sogenannten Ankerpunkt, für jeweils eine gewisse Zeitspanne, zur Phasenausrichtung der für jede Zeitspanne ausgewählten Abschnitte, indem die Abschnitte zeitmäßig so verschoben werden, dass alle Ankerpunkte der ausgewählten Abschnitte auf dem gleichen Zeitwert liegen, und zur Mittelwertbildung der Signale aller Abschnitte innerhalb jeder Zeitspanne; und mit einer Anzeige (16) zum Auftragen der Mittelwerte über die Zeit zumindest nach dem Ende der körperlichen Belastung.