DE102015120045A1

DE102015120045A1 - Tragbare Sportüberwachungsausrüstung zum Messen der Herzfrequenz oder Muskelaktivität und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102015120045A1
Application number: DE102015120045.7A
Authority: DE
Inventors: Mikko Martikka; Heikki Nieminen; Kimmo Pernu; Olli-Pekka Ojanen; Erik Lindmann
Original assignee: Suunto Oy
Current assignee: Suunto Oy
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2016-05-19
Also published as: US11457865B2; US20160143592A1; GB2532453A; HK1221131A1; GB2532453B; GB201420545D0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine tragbare elektronische Ausrüstung und ein Verfahren zum Messen des Herzschlags oder der Muskelaktivität einer Person. Die Ausrüstung enthält einen oder mehrere Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensoren zum Liefern eines Herzschlag- bzw. eines Muskelaktivitätssignals, und einen Bewegungssensor zum Liefern eines der Bewegung der Person entsprechenden Bewegungssignals. Außerdem gibt es eine Verarbeitungseinrichtung zum Nachweisen erster Ereignisse entsprechend individuellen Herzschlägen oder Muskelaktivierungen aus dem Herzschlag- bzw. dem Muskelaktivitätssignal, und zum Nachweisen von zweiten Ereignissen aus dem Bewegungssignal, entsprechend Bewegungsänderungen, die stärker sind als ein vordefinierter Schwellenwert. Die Verarbeitungseinrichtung ist weiterhin programmiert zum Bilden einer ersten Zeitfolge der ersten Ereignisse und zum Bestimmen des Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameters anhand der ersten Zeitfolge. Erfindungsgemäß ist die Verarbeitungseinrichtung so programmiert, dass aus der ersten Zeitfolge solche ersten Ereignisse weggelassen werden, die mit den zweiten Ereignissen zusammenfallen und/oder mit der gleichen Frequenz wie die zweiten Ereignissen stattfinden. Die Erfindung unterstützt die Beseitigung bewegungsinduzierter Artifakte aus EKG- und EMG-Signalen zwecks genauerer Überwachung und Charakterisierung sportlicher Betätigung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft tragbare elektronische Geräte und Systeme zum Überwachen sportlicher Betätigungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Lösung zum Bestimmen der Herzfrequenz oder der Muskelaktivität einer Person während der Betätigung unter Verwendung von elektrokardiographischen (EKG-) oder elektromyographischen (EMG-)Messungen während einer Betätigung.
Hintergrund der Erfindung
Zum Überwachen und Charakterisieren sportlicher Betätigungen werden üblicherweise Herzschlagsensoren eingesetzt. Diese basieren am häufigsten auf der elektrischen Messung der Herzaktivität unter Einsatz von auf der Haut einer Person angebrachten Elektroden, zum Beispiel durch Einsatz einer EKG-Messung. Die Herzfrequenz lässt sich bestimmen durch Nachweisen individueller Herzschläge aus dem EKG-Signal und Zählen ihrer Frequenz. Somit ist der Herzschlag ein wichtiger charakteristischer Parameter der ausgeführten Betätigung, er kann aber auch dazu verwendet werden, beispielsweise den Energieverbrauch der Person abzuschätzen. Bei existierenden Sportüberwachungsgeräten und -systemen ist auch dies weit verbreitet.
Es gibt Geräte, die sowohl einen Herzschlag- als auch einen Muskelaktivitätssensor und einen Beschleunigungssensor enthalten. Beispielsweise dient nach der US 2005/0177059 ein Beschleunigungssensor zum Verbessern der Genauigkeit der Abschätzung des Energieverbrauchs oder der Bestimmung des Schritttempos beim Laufen durch gleichzeitiges Messen von Muskelaktivität und Beschleunigung. Bei einer Ausführungsform wird der Zeitpunkt, zu dem sich der Fuß vom Boden löst, mit Hilfe des Beschleunigungssensors ermittelt.
Herzschlagsensoren sind nicht nur empfindlich für das aktuelle Herzschlagsignal, sondern auch für Rauschen und Schwankungen, die durch andere Quellen hervorgerufen werden. Eine Fehlerquelle liegt darin, dass die Kontaktimpedanz zwischen den Messelektroden und der Haut sich abhängig von der Qualität des Kontakts ändert, wobei Letztere sich im Zuge einer Übung durch Schritte oder durch andere Bewegungen während der Betätigung ändern kann. Eine weitere Fehlerquelle umfasst elektrische Potentialänderungen auf der Hautoberfläche oder an der Messausrüstung aufgrund anderer Quellen als der Herzaktivität. Wenn sich zum Beispiel statische Elektrizität nahe der Kontaktfläche der Messelektroden oder an dem Material des Herzschlag-Messgeräts selbst ansammelt, lässt sich dies in dem Messsignal als Artefakt ansehen. Eine solche Ansammlung kann zum Beispiel dann zustande kommen, wenn die Kleidung der Person gegen die Messausrüstung scheuert, bedingt durch Schritte oder andere Bewegungen. Die oben genannten Fehler werden noch verstärkt, wenn die Eingangsimpedanz der Messelektronik nicht unendlich groß ist (dies entspräche dem Idealfall), sondern relativ gering ist, wie es typischerweise der Fall ist bei elektronischer Messausrüstung. Beide Fehler treten mit noch höherer Wahrscheinlichkeit zu Beginn einer Betätigung auf, wenn die Haut, Kontakte und Kleidungsstücke typischerweise trocken sind.
Ähnliche Probleme sind bei Muskelaktivitäts-EMG-Messungen anzutreffen, die häufiger noch geringere Signalpegel aufweisen und daher dem Einfluss von Messartefakten der oben erläuterten Arten unterliegen.
Die US 7797039 zeigt ein Verfahren zum Erkennen und Messen des Herzschlags beim körperlichen Training unter Einsatz von Sensoren, die in die Kleidung einer Person integriert sind. Das Verfahren umfasst das Messen des EKG-Signals an der Taille oder einem Bereich unterhalb der Taille mittels tragbarer Sensoren. Die Genauigkeit des Verfahrens wird verbessert durch Verarbeiten und Untersuchen von Signalen, die von dem Herzen empfangen werden, über zwei oder mehr unterschiedliche Wege, was die Zuverlässigkeit der Berechnung steigert und den Einfluss von Rauschen verringert. So kann beispielsweise dasselbe EKG-Signal über zwei unterschiedliche Kanäle geleitet werden, in denen unterschiedliche Signalfilter eingesetzt sind, woraufhin die gefilterten Signale aufsummiert werden, um Rauschen zu verringern. Bei einem anderen Beispiel werden unterschiedliche, aber gleichzeitige EKG-Signale verwendet. In einem noch weiteren Beispiel werden ein EKG-Signal und ein Bewegungssignal gleichzeitig aufgenommen und dazu eingesetzt, durch Muskelbewegung induziertes Rauschen in unterschiedlichen Kanälen zu reduzieren. Ziel dabei ist es, den Beitrag von Signalen herauszufiltern, der von Muskelaktivität oder passivem Muskelschütteln stammt, welcher Beitrag im Vergleich zu EKG-Signalen beträchtlich sein kann, weil die gesamte Messung auf oder unter dem Niveau der Taille durchgeführt wird, d. h. relativ weit entfernt von dem Herzen. Das Verfahren erfordert die gleichzeitige Messung sowohl von EKG- als auch von EMG-Signalen oder des EKG-Signals an unterschiedlichen Stellen, und es eignet sich zum Verbessern der Datenqualität in Situationen, in denen die EKG- und EMG-Sensoren an Ort und Stelle verbleiben und jederzeit einen zuverlässigen Kontakt zu der Haut haben, was tatsächlich der Fall sein kann, wenn feste Kleidung mit integrierten Sensoren verwendet wird. Allerdings ist das Verfahren relativ rechenaufwändig und erfordert daher eine Menge an Prozessor- und Batterieaufwand.
Es gibt keine leistungsstarken bekannten Verfahren, die in spezieller Weise die oben angesprochenen Probleme bezüglich unerwünschter Effekte schwankender Impedanz zwischen den Messelektroden und der Haut oder von elektrischen Potentialänderungen an der Hautoberfläche oder der Messausrüstung angehen. Insbesondere gibt es kein Verfahren mit geringen Rechenaufwand, welches Herzschlag- oder Muskelaktivitätsmessungen in im Wesentlichen Echtzeitbetrieb verbessern könnte.
Es besteht folglich Bedarf an Lösungen für eine verbesserte Herzschlag- und Muskelaktivitätsmessung.
Offenbarung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, eine neue Messeinrichtung oder ein neues Messsystem zu schaffen, um die unerwünschten Effekte mindestens einer Fehlerquelle bei der Echtzeitüberwachung von sportlicher Betätigung abzumildern.
Die Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass häufig die vorherrschenden Fehlerquellen in Beziehung stehen zu rhythmischen Bewegungen der überwachten Person. Insbesondere wird statische Elektrizität aufgrund der Reibung zwischen der Haut und/oder der Herzschlag- oder Muskelaktivitäts-Messausrichtung und der Bekleidung des Benutzers verursacht, die sich entsprechend dem Rhythmus der Betätigung, beispielsweise der Gangart beim Laufen oder Gehen. Die angesammelte Ladung verursacht Potentialänderungen in der Nähe der Messelektroden oder wird direkt in die Messelektronik entladen, was eine Verzerrung im Signal verursacht. Außerdem variiert typischerweise der Kontaktdruck und/der die Kontaktfläche und mithin die Kontaktimpedanz zwischen den Elektroden entsprechend dem gleichen Rhythmus. Um diese Fehlerquellen zu entschärfen, macht die Erfindung Gebrauch von einer individuellen ereignisbasierten Herzschlag- oder Muskelaktivitätsmessung in Kombination mit Daten, die von einem Bewegungssensor erhalten werden, der so positioniert ist, dass er die Bewegung der Person widerspiegelt, mithin auch die Bewegung des Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensors, der von der Person getragen wird.
Die Erfindung schafft somit eine tragbare elektronische Ausrüstung zum Messen der Herzfrequenz oder der Muskelaktivität einer Person, wobei die Ausrüstung mindestens einen Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor aufweist, zum Beispiel einen elektronischen elektrokardiographischen (EKG-) oder elektromyographischen (EMG-)Sensor, um ein Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal bereitzustellen, und eine Verarbeitungseinrichtung zum Ableiten von Herzschlagdaten oder Muskelaktivitätsdaten aus dem Herzschlag- bzw. Muskelaktivitätssignal. Darüber hinaus wird eine Verarbeitungseinrichtung geschaffen zum Nachweisen individuellen Herzschläge bzw. Muskelaktivitäten entsprechender erster Ereignisse aus dem Herzschlag- bzw. Muskelaktivitätssignal, und zum Nachweisen von zweiten Ereignissen entsprechend Bewegungsänderungen, die stärker sind als ein vorbestimmter Schwellenwert, aus dem Bewegungssignal. In anderen Worten: Die Verarbeitungseinrichtung ist in der Lage, basierend auf den Rohsignalen Ereignisse zu triggern, wenn vorab definierte charakteristische Merkmale aufgefunden werden, so zum Beispiel R-Zacken im Herzschlagsignal oder starken Beschleunigungen im Bewegungssignal. Die Verarbeitungseinrichtung ist weiterhin programmiert zum Bilden einer ersten Zeitfolge der ersten Ereignisse (wodurch die Folge ein ”erstes Ereignissignal” bildet), und zum Bestimmen des Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameters unter Verwendung der ersten Zeitfolge. Darüber hinaus ist die Verarbeitungseinrichtung programmiert zum Ignorieren solcher erster Ereignisse der ersten Zeitfolge, die mit den zweiten Ereignissen zusammenfallen und/oder mit der gleichen Frequenz wie diese stattfinden. In anderen Worten: Die Verarbeitungseinrichtung ist programmiert zum Einbeziehen solcher erster Ereignisse in die erste Zeitfolge, die asynchron bezüglich der zweiten Ereignisse sind, d. h. zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden und/oder die mit einer anderen Frequenz als die zweiten Ereignisse stattfinden. Zwei grundlegende Ausführungsformen zum Ausführen dieses selektiven Prozesses, d. h. des Verhinderns der Ereignis-Triggerung und der Filterung der gemeinsamen Frequenz, werden weiter unten im Einzelnen erläutert.
Die Erfindung schafft außerdem ein entsprechendes Verfahren.
Insbesondere ist die Erfindung gekennzeichnet durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Die Erfindung bietet beträchtliche Vorteile. Am bedeutsamsten ist, dass die Erfindung das Problem der Erzeugung von bewegungsinduzierten wiederholten Fehlern in einem Herzschlagsignal löst. Das Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal kann einen Beitrag durch Änderung der Kontaktimpedanz zwischen den Messelektroden und der Haut der Person aufgrund einer Bewegung der Messeinrichtung enthalten. Der Begriff Kontaktimpedanz soll hier in breitem Sinn verstanden werden, abhängig von der Messmethode (zum Beispiel die elektrische Impedanz im Fall der elektrischen Messung, der optischen Impedanz im Fall der optischen Messung und der mechanischen Impedanz im Fall der mechanischen Messung). Alternativ oder zusätzlich dazu, insbesondere für den Fall der elektrischen Messung, kann das Signal einen Beitrag von Potentialänderungen in der Nähe der Messeinrichtung enthalten, bedingt durch die Ansammlung statischer Elektrizität, zum Beispiel bedingt durch Reibung zwischen dem Messgerät und der Bekleidung der Person. Die Erfindung ist wirksam bei beiden Fehlertypen in dem Signal, wobei solche Fehler typischerweise den größten unerwünschten Effekt auf die Überwachung haben und die Erfindung eine elegante und hochwirksame Lösung zum Beseitigen dieses Effekts liefert. Insbesondere zu Beginn einer körperlichen Übung, also dann, wenn die Messelektroden der Messeinrichtung und auch die Haut trocken sind und sowohl das Kontaktproblem als auch die oben angesprochenen Phänomene statischer Elektrizität signifikant vorhanden sind. Im Beisein von mehr Schweiß stabilisiert sich die Situation die typischerweise, und das Fehlersignal nimmt ab, wenn die Kontaktimpedanz abnimmt und die statische Elektrizität sich nicht ansammelt, weil elektrische Potentialdifferenzen ausgeglichen werden, wenn die Bekleidung, die Messeinrichtung und die Haut ”geerdet” werden.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei der elektronischen Herzschlag-Muskelaktivitäts-Überwachung, kann jedoch auch in Verbindung mit anderen Messmethoden eingesetzt werden, da zahlreiche, wenn nicht sämtliche dieser Methoden empfindlich gegenüber gleichen und ähnlichen Arten von Bewegungsartefakten sind.
Was die Muskelaktivitätsmessungen angeht, so ist die Erfindung am stärksten wirksam bei der Messung wiederholter Aktivität mit ziemlich konstanter Frequenz, so zum Beispiel bei kadenzbezogenen oder anderen Aktivierungssequenzen von Muskeln.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf ausgewählte Ausführungsformen der Erfindung.
Es gibt zwei grundlegende Ausführungsformen zum Ausführen des Aussonderns von ersten Ereignissen. Bei der ersten ist die Ausrüstung konfiguriert zum Ignorieren von Perioden des Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignals, die mit den zweiten Ereignissen zusammenfallen (d. h. Ereignissen hoher Beschleunigung), wenn die erste Zeitfolge gebildet wird. Selbst wenn also ein erstes Ereignis während eines zweiten Ereignisses nachgewiesen würde, wird es nicht in der ersten Zeitfolge von Ereignissen repräsentiert. Alternativ lässt sich der gesamte Nachweis während dieser Perioden ”ausschalten”. Im Ergebnis umfasst das erste Ereignissignal eine (möglicherweise) unvollständige Ansammlung von Herzschlag- oder Muskelaktivitäts-Ereignissen. Allerdings gibt es genügend Daten, um beispielsweise den Herzschlag in zuverlässiger Weise abzuleiten. Um das erste Ereignissignal zu ”vervollständigen”, kann die Verarbeitungseinrichtung weiterhin programmiert sein zum Ausführen einer diskreten Fouriertransformation (DFT) der ersten Zeitfolge und zum Bestimmen des Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameters unter Verwendung der Ausgabe des DFT. Das transformierte Signal offenbart die wahre Frequenz von Ereignissen auch dann, wenn einige von ihnen ignoriert wurden aufgrund einer zu hohen gleichzeitigen Beschleunigung, weil die DFT eine längere Zeitspanne von Ereignissen sieht.
Die zweite grundlegende Ausführungsform umfasst die Verarbeitungseinrichtung mit einer solchen Programmierung, dass eine zweite Zeitfolge der zweiten nachgewiesenen Ereignisse gebildet wird (d. h. ein ”zweites Ereignissignal” gebildet wird), wobei solche Frequenzkomponenten der ersten Zeitfolge (”erstes Ereignissignal”) beseitigt werden, die mit mindestens einer Frequenzkomponente der zweiten Zeitfolge gemeinsam sind. Diese Ausführungsform der Filterung gemeinsamer Frequenz erfordert mehr Rechenaufwand als die Ausführungsform mit der Verhinderung der Ereignis-Triggerung, die oben erläutert wurde, allerdings garantiert sie, dass bewegungsbasierte Artefakte konstanter Frequenz das Messergebnis nicht abträglich beeinflussen.
Obschon sie für sich genommen gut funktionieren, lassen sich das Verfahren des Verhinderns der Ereignis-Triggerung und das Verfahren der Filterung gemeinsamer Frequenz auch parallel zueinander oder sukzessive einsetzen, um die Möglichkeit der Aufzeichnung falscher Ereignisse zu minimieren.
Die Verarbeitungseinrichtung kann programmiert sein zum Durchführen der Beseitigung in der Weise, dass eine diskrete Fouriertransformation (DFT) der ersten Zeitfolge durchgeführt wird, eine diskrete Fouriertransformation (DFT) der zweiten Zeitfolge ausgeführt wird, und gemeinsame Frequenzkomponenten der ersten und der zweiten Zeitfolge aus der ersten Zeitfolge vermindert werden.
Bei beiden Ausführungsformen wird/werden die erste (und/oder die zweite) Zeitfolge als Binärfolge gebildet, in der der eine Bitwert nachgewiesene Ereignisse repräsentiert und der andere Bitwert die Nicht-Existenz dieser Ereignisse repräsentiert. Für derartige binäre Folgen sind DFT-Berechnungsoperationen extrem effizient.
Die abzuleitenden Daten können zum Beispiel die Herzfrequenz, das Herzschlagintervall, Energieverbrauch oder Muskelaktivierungsrate, -stärke oder -zeitablauf umfassen, oder aber jede andere Größe, die von dem Herzschlag- oder Muskelaktivierungssignal ableitbar ist.
Die Erfindung lässt sich auch in Verbindung mit anderen Sensortypen als elektronischen EKG/EMG-Sensoren einsetzen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren gemäß der Erfindung das Messen eines Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignals mit Hilfe einer Messeinrichtung mit Sensorkopf, der an der Haut der Person positionierbar ist (und daher empfänglich für Bewegungsartefakte ist), und das Ableiten mindestens eines Parameters, der den Herzschlag oder die Muskelaktivität wiedergibt, aus dem Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal. Mit Hilfe eines Beschleunigungssensors wird gleichzeitig die Bewegung mindestens eines Teils der Messeinrichtung gemessen, um ein Bewegungssignal zu liefern. Bevor der mindestens eine Parameter, der den Herzschlag oder die Muskelaktivität widerspiegelt, abgeleitet wird, werden die Herzschlag- oder Muskelaktivitätsdaten verarbeitet, um eine zeitliche Folge von Herzschlag- oder Muskelaktivitätsereignissen zu bilden, so dass solche Herzschlag- oder Muskelaktivitätsereignisse, die zusammenfallen mit und/oder bei der gleichen Frequenz stattfinden wie starke Beschleunigungsereignisse, ausgesondert werden, d. h. nicht als Ereignisse innerhalb der Zeitfolge markiert werden.
Vorzugsweise befinden sich der Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor und der Bewegungssensor innerhalb der gleichen Geräteeinheit, so zum Beispiel in einem Herzfrequenzgürtel oder einem Smart-Bekleidungsstück. Dies stellt sicher, dass das Bewegungssignal der aktuellen Bewegung des Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensors entspricht. Allerdings ist es möglich, dass die Sensoren in verschiedenen Geräteeinheiten untergebracht sind, die möglicherweise an unterschiedlichen Körperteilen angebracht sind, da ihre rhythmischen Bewegungen typischerweise nicht unabhängig sind und deshalb ausreichend Information zum Beseitigen rhythmischer Artefakte liefern können.
Die Verarbeitungseinrichtung kann eine Verarbeitungseinrichtung aufweisen, die in einer einzigen Geräteeinheit untergebracht ist, oder kann zwei oder mehr separate Verarbeitungseinheiten aufweisen, die in unterschiedlichen Geräteeinheiten untergebracht sind, abhängig von der gesamten Ausrüstungsarchitektur. Beispiele der Architektur enthalten eine einzelne Geräteeinheit als Herzfrequenz-Messmodul als Bestandteil eines Bekleidungsstücks oder daran anbringbar, oder als am Handgelenk getragene Einheit mit integrierten Sensoren, oder in Form eines verteilten Gerätemodells mit zwei oder mehr Geräteeinheiten in Drahtlos-Kommunikationsverbindung miteinander.
Die angesprochene(n) Verarbeitungseinheit(en), die in einer oder mehreren Geräteeinheiten enthalten ist/sind, kann/können einen Datenprozessor beliebiger Art enthalten, insbesondere einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor, zusammen mit möglicherweise erforderlichen Zubehörkomponenten, wie zum Beispiel Speicherkomponent (beispielsweise RAM, ROM) und Eingabe-/Ausgabeschaltungen, die funktionell damit verbunden sind. In dem verteilten Gerätemodell befinden sich zwei oder mehr Verarbeitungseinheiten in zwei oder mehr Geräteeinheiten und sind programmiert zum Ausführen unterschiedlicher Bestandteile des vorliegenden Verfahrens, und sie bilden gemeinsam die Verarbeitungseinrichtung.
Bei einer Ausführungsform ist dieselbe Geräteeinheit, in der mindestens einer der Sensoren, vorzugsweise beide Sensoren, enthalten sind, ebenfalls mindestens einen Teil der Verarbeitungseinrichtung, insbesondere eine Signalanalyseeinheit, die in der Lage ist, den notwendigen Nachweis charakteristischer Merkmale zu vollziehen, d. h. den Nachweis von Merkmalen, die kennzeichnend sind für Herzschlagereignisse, Muskelaktivierungsereignisse und/oder Ereignisse hoher Beschleunigung. Diese Geräteeinheit kann insbesondere ein Herzfrequenzgürtel oder ein Smart-Shirt sein, oder eine hierfür ausgebildete abnehmbare Berechnungs- und Kommunikationseinheit.
Besonders bevorzugt ist die Einbeziehung von mindestens dem Ereignisnachweisteil der Verarbeitungseinrichtung innerhalb derselben Geräteeinheit, die auch die EKG- oder EMG-Sensoren enthält oder an diesen befestigt ist. Um ein Bereinigen des Signals am Messort von bewegungsinduzierten Artefakten zu ermöglichen, kann innerhalb derselben Geräteeinheit auch der Teil der Verarbeitungseinrichtung enthalten sein, der in der Lage ist, EKG- oder EMG-Ereignisse auszusondern, die während einer hohen Beschleunigung stattfinden und/oder gleiche Frequenz haben wie die Beschleunigungsereignisse.
Bei einer Ausführungsform enthält die tragbare elektronische Ausrüstung ein Paar EKG-Elektroden, die an der Brust an der Person zum Liefern des EKG-Signals angebracht sind, typischerweise in einer Gewebestruktur laminiert.
Bei einer Ausführungsform sind die EKG- oder EMG-Elektroden mit einer Messelektronik verbunden, die eine Eingangsimpedanz von weniger als 50 kOhm aufweist, insbesondere weniger als 25 kOhm. Derartige Lösungen sind populär und geeignet für den Herzfrequenznachweis, leiden allerdings unter Einflüssen äußerer Fehlerquellen, welche allerdings die vorliegende Erfindung abmildert.
Bei alternativen Ausführungsformen enthält der Herzschlagsensor einen optischen Sensor, einen Drucksensor oder einen Beschleunigungssensor. Anstatt auf elektrisch nachweisbare kardiographische Antwort anzusprechen, kann also der Sensor beispielsweise empfindlich sein für optisch nachweisbare kardiovaskulare Änderungen aufgrund von Herzschlägen, kardiovaskulare Druckänderungen aufgrund von Herzschlägen oder auf der Oberfläche der Haut nachweisbare kardiovaskular-induzierte Bewegung.
Der Ort des Herzschlagsensors während der Betätigung kann die Brust, die Taille, der Hals, das Handgelenk, der Oberarm oder die Ohrmuschel sein, um nur einige Beispiele zu nennen.
Bei einer Ausführungsform enthält der Bewegungssensor einen Beschleunigungssensor, der als Bewegungssignal ein Beschleunigungssignal liefert.
Bei einer Ausführungsform ist das in dem Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor enthaltene Gerät mit einer Kommunikationseinheit ausgestattet zum Übermitteln der Herzfrequenz- oder der Muskelaktivitätsdaten zu einem anderen Gerät, welches mindestens einen Teil der Verarbeitungseinrichtung enthält. Die Beschleunigung kann in dem einen oder dem anderen der Geräte gemessen werden.
Bei einer Ausführungsform werden die Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignalmessung, die Bewegungsmessung und die Schritte der Signalverarbeitung sämtlich in einem Herzfrequenzgürtel oder einem Muskelaktivitäts-Messgürtel ausgeführt, oder in einem Herzfrequenz-Messmodul, welches an einem Herzfrequenzgürtel oder einem Smart-Bekleidungsstück mit einer Anbringzone für ein derartiges Modul anbringbar ist.
In einem verteilten Modell werden die Messschritte für das Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal in einem Herzfrequenzgürtel, einem Smart-Bekleidungsstück oder einem Herzfrequenz-Messmodul durchgeführt, die an einem Herzfrequenzgürtel oder einem Smart-Bekleidungsstück mit einer Anbringzone für ein solches Modul anbringbar ist, und zumindest ein Teil der Signalverarbeitung wird in einem anderen Gerät durchgeführt, das drahtlos mit dem Herzfrequenzgürtel oder dem Herzfrequenz-Messmodul kommuniziert.
Definitionen
Der Begriff ”tragbare Ausrüstung” deckt sämtliche mobilen Geräte und Mehrgerät-Systeme ab, die ausgebildet sind für die Anbringung oder anderweitig angebracht sind an einem oder mehreren Körperteilen direkt oder über ein Bekleidungsstück, einschließlich unterschiedlicher Arten von Hemden, Jacken, Hosen und Schuhen beispielsweise, oder tragbares Zubehör wie zum Beispiel ein Armhalter für ein tragbares Mobiltelefon. Einzelne tragbare Geräte sind insbesondere Handgelenk-Computer, Mobiltelefone, Herzfrequenzgürtel, Smart-Bekleidungsstücke und Sensoreinheiten unterschiedlicher Arten wie zum Beispiel EKG- und EMG-Messmodule, Satellitenortungseinheiten, Beschleunigungsmesseinheiten (Fuß- und Arm-”pods”), die einige oder sämtliche der hier beschriebenen Funktionalitäten aufweisen. In anderen Worten: Die Erfindung deckt individuelle eigenständige Einheiten ab, welche die notwendigen Funktionalitäten der Erfindung enthalten, ebenso wie Systeme aus mehreren separaten Einheiten, die in der Lage sind, miteinander zu kommunizieren, um eine betriebliche Einheit zu bilden, welche diese Funktionalitäten bereitstellt.
Wenn nichts anderes gesagt ist, beinhalten Bezugnahmen auf einen ”Herzfrequenzgürtel” und ein ”Smart-Bekleidungsstück” die Option, dass der Gürtel oder das Bekleidungsstück zusätzlich zu einem integrierten Herzschlagsensor eine integrale Berechnungs- und Kommunikationseinheit (im Folgenden: Verarbeitungseinheit) enthält, ferner die Option, dass die Berechnungs- und Kommunikationseinheit an dem Gürtel oder dem Bekleidungsstück als lösbares Modul in funktioneller Verbindung mit dem Herzschlagsensor anbringbar ist. Anders gesagt: Der Begriff ”Modul” kann sich gleichermaßen auf ein integrales Modul in dem Herzfrequenzgürtel oder dem Smart-Bekleidungsstück und auch auf ein abnehmbares Modul beziehen, welches funktionell mit dem Gürtel bzw. dem Bekleidungsstück verbindbar ist.
Der Begriff ”R-Zacke” bezieht sich auf die am meisten in der Mitte liegende Welle des sogenannten QRS-Komplexes, der durch drei graphische Ablenkungen gebildet wird, betrachtet in einem typischen Elektrokardiogramm und verursacht durch die Depolarisation des rechten und des linken Ventrikels des menschlichen Herzens. Das Konzept der R-Zacke sowie Algorithmen zu deren Nachweis sind dem Fachmann bekannt und öffentlich verfügbar.
Im Folgenden werden Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung in größerer Einzelheit unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A veranschaulicht einen rhythmische Schritte ausführenden Läufer.
1B zeigt eine graphische Darstellung der Bildung eines gemessenen EKG-Signals durch ein herzschlaginduziertes Signal und Kadenz-beeinflusstes Rauschen.
1C veranschaulicht als einen Graphen ein kombiniertes Signal zweier unterschiedlicher Frequenzen im Zeitbereich.
1D zeigt den Amplitudengang der Fouriertransformation des kombinierten Signals aus 1C und eines der Signale separat.
2A zeigt ein Herzschlagmesssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2B zeigt ein Muskelaktivitäts-Messystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
3A und 3B zeigen Flussdiagramme des vorliegenden Verfahrens gemäß der beiden Hauptausführungsformen, d. h. mit der Möglichkeit der ereignisbasierten Filterung gemeinsamer Frequenzen bzw. der Verhinderung der Ereignis-Triggerung.
4A und 4B zeigen detailliertere Flussdiagramme des vorliegenden Verfahrens, vereinfacht für die Herzschlagmessung gemäß der Hauptausführungsformen der Erfindung.
5a und 5B zeigen beispielhafte Systeme, die zum Implementieren der Erfindung eingesetzt werden können.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
1A veranschaulicht ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung, nämlich das Laufen, und 1B zeigt die zugehörige EKG-Signalbildung. Im Idealfall erzeugt der Herzschlag 100, ein sauberes EKG-Signal mit leicht nachweisbaren Herzschlag-Wellenformen 120, wie in dem obersten Graphen der 1B dargestellt ist. In der Praxis jedoch gibt es stets Zufallsrauschen 135 sowie systematisches Rauschen, d. h. durch Artefakte 130 induziertes Rauschen aufgrund der Bewegung 110 des Läufers 100. Im Fall einer rhythmischen Kadenz wiederholen sich die Artefakte typischerweise, wobei sie dem mehr oder weniger konstanten Bewegungsrhythmus folgen. Das Zufallsrauschen 135 und die Artefakte 130 sind in dem mittleren Graphen der 1B dargestellt. Somit enthält das reale Messsignale die Summe des realen Herzschlagsignals und die Rausch- und Artefaktsignale, die in dem untersten Graphen der 1B veranschaulicht sind. Aus diesem Summensignal ist es schwieriger, die Herzschläge robust nachzuweisen als aus dem idealen EKG-Signal.
1C und 1D veranschaulichen das Problem in größerer Einzelheit anhand eines theoretischen Beispiels. 1C enthält ein Signal, welches erhalten wird durch Aufsummieren zweier Schwingungssignale unterschiedlicher Frequenzen, beispielsweise eines artifiziellen Beschleunigungssignals und eines artifiziellen Herzschlagsignals. Die obere Kurve in 1C zeigt eine Fouriertransformation des Signals aus 1C, d. h. der kombinierten Amplitude der Frequenzkomponenten des künstlichen Beschleunigungssignals und Herzschlagsignals. Man kann sehen, dass es zwei dicht nebeneinander liegende Spitzen gibt, allerdings lässt sich nicht sagen, welche der Spitzen auf den Herzschlag und welche auf Beschleunigung zurückzuführen ist. Die untere Kurve in 1D zeigt die Fouriertransformation lediglich des Beschleunigungssignals. Man kann sehen, dass die zweite Spitze der kombinierten Amplitude der Beschleunigungsspitze entspricht, so dass die erste Spitze die Herzschlag-Spitze sein muss. Mathematisch gesprochen liefert eine einfache Subtraktion der Beschleunigungsspitze von der kombinierten Spitze ausschließlich die Herzschlag-Spitze. Allerdings ist dies anhand von Rohsignalen auszuführen sehr rechenintensiv, das hier beschriebene Verfahren ist ein auf Ereignis-Triggerung basierendes Verfahren, welches im Wesentlichen das gleiche Ergebnis liefert, allerdings mit einem viel geringeren notwendigen Rechenaufwand. Alternativ kann das Ignorieren möglicherweise bewegungsbeeinflusster Spitzen und die Nutzung statistischer Ableitung, wiederum im Ereignisraum, dazu dienen, die Herzfrequenz zu bestimmen, wie es ebenfalls weiter unten näher ausgeführt wird. Als erstes werden beispielhafte Ausrüstungsarchitekturmodelle vorgestellt.
2A zeigt ein System mit einem tragbaren Computer 220 als Datenspeicher- und/oder Visualisierungsgerät und einem Herzfrequenzgürtel (Herzschlaggürtel) 210 als Datensammeleinrichtung. Der Herzfrequenzgürtel enthält einen EKG-Sensor und ein Elektronikmodul, welches das von dem EKG-Sensor gelieferte Signal liest und vorverarbeitet, um zumindest darin enthaltene Herzschlagereignisse nachzuweisen. Ein Beschleunigungssensor ist zusammen mit dessen Vorverarbeitungskapazität entweder in dem Herzfrequenzgürtel 210 oder in dem tragbaren Computer 220 oder in beiden Teilen vorgesehen. Der Herzfrequenzgürtel 210 steht in Drahtlos-Verbindung mit dem tragbaren Computer.
Alternativ zu dem Herzfrequenzgürtel 210 kann ein Smart-Kleidungsstück 230 verwendet werden, welches die gleiche Funktionalität wie der oben diskutierte Herzfrequenzgürtel 210 bereitstellt.
In einer noch weiteren Ausführungsform wird eine Zusatzeinheit in dem System bereitgestellt, so zum Beispiel eine Sensoreinheit, die an einem Schuh 240 eines Sportlers angebracht ist. Die zusätzliche Sensoreinheit kann einen Beschleunigungssensor aufweisen, der das Beschleunigungssignal liefert, und einen optionalen Prozessor zum Nachweisen von Beschleunigungsereignissen und zum Umwandeln des Beschleunigungssignals in einer ereignisbasierte Form, wobei er in Drahtlos-Kommunikation mit dem Herzfrequenzgürtel 210 oder dem Smart-Kleidungsstück 230 und/oder dem tragbaren Computer 220 steht, um das Beschleunigungssignal oder davon abgeleitete Daten für die weitere Verarbeitung oder Verwendung bereitzustellen.
Es sei angemerkt, dass der tragbare Computer ersetzt werden kann durch irgendein anderes tragbares Gerät, so zum Beispiel durch eine andere tragbare Sport-Nachführeinheit oder ein Mobiltelefon, das in der Lage ist, mit anderen Komponenten des Systems zu kommunizieren.
Eine Drahtlos-Kommunikation von Daten zwischen separaten Geräten einer Mehrgeräteausrüstung nutzt den Vorteil eines drahtlosen Funkfrequenz-Sendeempfängers oder eines Paares von Sendeempfängern. Das Drahtlos-Kommunikationsprotokoll kann ein Protokoll sein, welches zur Kommunikation zwischen Computern verwendet wird und/oder zwischen beliebigen Fernsensoren, so zum Beispiel Bluetooth LE oder das proprietary ANT+ protocol. Diese machen Gebrauch von Direktsequenz-Spreitzspektrum-Modulationsmethoden (DSSS) bzw. von einer adaptiven isochronen Netzwerkkonfiguration. Erläuternde Beschreibungen der notwendigen Hardware für unterschiedliche Implementierungen von Drahtlos-Links sind verfügbar beispielsweise aus dem Texas Instrument^®'s Handbuch ”Wireless Connectivity”, welches IC-Schaltkreise und zugehörige Hardwarekonfigurationen für Protokolle enthält, die im Sub-1- und 2,4-GHz-Frequenzbändern arbeiten, so zum Beispiel ANT^®, Bluetooth^®, Bluetooth^® low energy, RFID/NFC, PurePath^® Wireless audio, ZigBee^®, IEEE 802.15.4, ZigBee RF4CE, 6LoWPAN, Wi-Fi^®.
2B zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die auf die Überwachung der Muskelaktivität abzielt, im vorliegenden Beispiel auf die Überwachung der Beinmuskelaktivität. Sie enthält im Grunde genommen die gleichen Komponenten wie die in 2A gezeigte EKG-Ausführungsform mit einem EKG-Signal-Messgerät (Gürtel 210/Smart-Kleidungsstück 230) ersetzt durch ein EMG-Signal-Messgerät 260, im vorliegenden Fall eine Sporthose, die mit EMG-Elektroden 262A–D ausgestattet ist, die mit einem EMG-Signal-Verarbeitungs- und -Kommunikationsmodul 264 verbunden sind. Das Modul 264 kann das Signal vorverarbeiten, um Muskelaktivierungsereignisse vordefinierter Art aufzuspüren, und sie kann eine Drahtlos-Kommunikationsverbindung mit dem tragbaren Computer 220 bilden. Auch bei dieser Ausführungsform lässt sich der Beschleunigungssensor in dem Modul 264, in dem tragbaren Computer 220 unterbringen oder er kann als separates Gerät ausgebildet sein, beispielsweise am 240 angebracht.
Die verbleibenden Rechenoperationen, die notwendig sind zum Unterdrücken der bewegungsinduzierten Frequenz oder Frequenzen aus dem vorverarbeiteten, ereignisbasierten Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal, lassen sich in dem tragbaren Computer oder in einem anderen mobilen Gerät ausführen, zu dem die benötigten Daten transferiert wurden. Wenn sämtliche notwendigen Messungen von dem Signalmessteil 210, 230, 260 ausgeführt werden, lässt sich die Berechnung in einer Verarbeitungseinheit ebenfalls dieses Teils ausführen. Dies schafft Vorteile in Form von verringertem Batterieverbrauch des tragbaren Computers (falls vorhanden) und einer reduzierten Datenübertragung zwischen den Geräten.
3A zeigt einen beispielhaften Ablauf schematisch für das vorliegende Verfahren unter Verwendung einer ereignisbasierten Filterung gemeinsamer Frequenz. Das Rohsignal für den Herzschlag oder die Muskelaktivität wird im Schritt 300 an einer passenden Stelle des Körpers der Person unter Verwendung eines geeigneten Sensors gemessen. Im Schritt 301 werden Herzschläge oder Muskelaktivierungen aus dem Rohsignal nachgewiesen und als Ereignis aufgezeichnet. Eine entsprechende ereignisbasierte Zeitfolge, das ist ein EKG/EMG-Ereignissignal, wird entsprechend gebildet. Im Schritt 302 wird geprüft, ob ein rhythmisches Filtermerkmal des Systems aktiviert wurde. Falls nicht, werden die Herzschläge oder Muskelaktivitäten im Schritt 212B basierend auf dem Rohsignal unter Verwendung eines passenden Algorithmus', die per se bekannt sind, nachgewiesen. Ist die Filterung aktiviert, wird im Schritt 304 ein Bewegungssignal gemessen, um den Filterungsprozess zu unterstützen. Bewegungsereignisse, die vorbestimmte Kriterien bezüglich beispielsweise Stärke der Beschleunigung erfüllen, werden im Schritt 305 nachgewiesen, und es wird ein entsprechendes Bewegungsereignissignal gebildet. Im Schritt 306 wird eine diskrete Fouriertransformation (OFT) des Bewegungsereignissignals berechnet, vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus für die schnelle Fouriertransformation. Das gleiche wird für das Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal im Schritt 308 ausgeführt. Wenn die Ereignissignale in binärer Form vorliegen, sind diese Operationen äußerst effizient, da sie lediglich Summieroperationen verwenden. Die OFT des Bewegungsereignissignals gibt die Frequenzen an, bei denen sich möglicherweise bewegungsinduzierte Artefakte in dem Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal befinden. Einige oder sämtliche dieser Frequenzen werden dann aus dem Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal unterdrückt, vorzugsweise im Frequenzbereich, um ein gefiltertes Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal zu liefern, Schritt 310. Der erwünschte Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameter, so zum Beispiel die Herzfrequenz oder Kadenz, wird dann mit Hilfe der Filterung des Ereignissignals im Schritt 312A bestimmt. Im Schritt 314 werden dann die Ergebnisse der Bestimmung bei weiteren Berechnungen dazu verwendet, die sportliche Betätigung der Person zu charakterisieren, und/oder sie werden in einem Speicher des Systems abgespeichert und/oder sichtbar gemacht.
Bei einer Ausführungsform wird die Filterung im Frequenzbereich durchgeführt durch Subtrahieren der Amplitude der Fouriertransformation des Bewegungssignals von der Fouriertransformation des gemessenen Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignals.
3B veranschaulicht das vorliegende Verfahren mit einem Algorithmus zum Ignorieren von Bewegungsereignis-basierten EKG/EMG-Ereignissen (Trigger-Verhinderung). Auch hier wird das Herzschlag- oder Muskelaktivitäts-Rohsignal im Schritt 350 in oben beschriebener Weise gemessen. Im Schritt 351 werden aus dem Rohsignal Herzschläge oder Muskelaktivierungen nachgewiesen und als Ereignisse aufgezeichnet (allerdings übernimmt der Nachweisalgorithmus nun eine Eingabe aus dem Schritt 355, der unten erläutert wird, um einige der potentiellen EKG/EMG-Ereignisse auszusondern, wenn es eine zu signifikante Bewegungsstörung gibt). Eine entsprechende ereignisbasierte Zeitfolge, d. h. ein EKG/EMG-Ereignissignal wird dementsprechend geformt. Im Schritt 352 wird geprüft, ob das System-Merkmal der Filterung zum Verhindern der Ereignis-Triggerung aktiviert wurde. Falls nicht, werden im Schritt 352B in oben erläuterter Weise die Herzschläge oder Muskelaktivitäten nachgewiesen. Ist die Filterung aktiviert, wird im Schritt 354 das Bewegungssignal gemessen zur Unterstützung des Filterungsprozesses. Bewegungsereignisse, die vorbestimmte Kriterien bezüglich beispielsweise der Stärke der Beschleunigung erfüllen, werden im Schritt 355 nachgewiesen, und Information über derartige Ereignisse wird als Eingabe zum Schritt 351 gegeben, wo die Gleichzeitigkeit eines Bewegungsereignisses bewirkt, dass ein potentielles EKG/EMG-Ereignis nicht in dem EKG/EMG-Ereignissignal aufgezeichnet wird. Der gewünschte Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameter so zum Beispiel die Herzfrequenz oder Kadenz, wird anschließend unter Verwendung des gefilterten Ereignissignals im Schritt 362A bestimmt und im Schritt 364 verwendet/angezeigt/gespeichert. Für die Anzeige ist eine Anzeige in einer Geräteeinheit als Teil der Ausrüstung vorgesehen. Eine Abspeicherung erfolgt vorzugsweise in einem Speicherelement eines Geräteeinheitenteils der Ausrüstung oder einer separaten Einheit, die mit der Ausrüstung in Drahtlosverbindung steht.
Mit Hilfe des Verfahrens nach 3B lässt sich die Filterung durchführen durch vollständiges Ignorieren solcher Perioden des Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignals, die während Perioden hoher Beschleunigung stattfinden. In anderen Worten: Während Beschleunigungsspitzen braucht die Verarbeitungseinheit keinen Herzschlag- oder Muskelaktivitätsnachweis auszuführen oder kann zumindest all solche Ereignisse unbeachtet lassen, die möglicherweise nachgewiesen werden. Beispielsweise kann es einen Schwellen-Beschleunigungswert geben, oberhalb dessen ein Herzschlag oder eine Muskelaktivität nicht nachgewiesen wird, oder nachgewiesene Aktivitäten zurückgewiesen werden, da sie potentiell zu der Beschleunigung beigetragen haben. Dies resultiert in einer unvollständigen Folge von Herzschlägen, wobei allerdings die Herzschläge innerhalb dieser Folge mit höherer Wahrscheinlichkeit korrekt sind als jene ohne diese Art von Filterung. Dann kann man mit statistischen Verfahren das durchschnittliche Herzschlagintervall und damit die Herzfrequenz herleiten. Wenn beispielsweise Herzschläge aus dem gefilterten Signal in Durchschnittsintervallen T₁, T₂ = 2 T₁ (und gegebenenfalls T₃ = 3 T, etc. ...) nachgewiesen werden, lässt sich schlussfolgern, dass das Herzschlagintervall T₁ beträgt (und T₂, T₃ etc. zurückzuführen sind auf den Umstand, dass wegen starker Beschleunigung Herzschläge ”übersprungen” werden). Erneut wird eine diskrete Fouriertransformation als nützliches statistisches Werkzeug benutzt, um das Herzschlagintervall zu ermitteln, da es unempfindlich gegenüber gelegentlich fehlender Herzschlagereignisse und somit in der Lage ist, die grundlegende Herzfrequenz aufzufinden.
Die Schritte der 3A und 3B können natürlich in jeder geeigneten Reihenfolge stattfinden, welche von der dargestellten Reihenfolge abweicht. Wenn außerdem das vorliegende Signalbereinigungsverfahren eingestellt wird auf standardmäßige Ausführung, werden die Schritte 302/352 und 312B/362B nicht benötigt.
Typische weitere Verwendungen des Herzschlagparameters beinhalten Energieverbrauchabschätzung und Trainingseffektabschätzung. Der Muskelaktivitätsparameter kann zum Beispiel verwendet werden für eine detaillierte Körpertrainingsanalyse und Leistungsoptimierung.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die obigen Ereignissignale in binärer Form vor, d. h. sie umfassen lediglich eine Folge von Nullen und Einsen, wobei der Ort der Werte in dem binären Strom den zeitlichen Momenten der nachgewiesenen Ereignisse entspricht.
4A zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels, das im Fall der Herzschlagmessung von der Verhinderung der Ereignis-Triggerung Gebrauch macht. Das Verfahren beginnt mit dem Messen eines EKG-Signals und eines Bewegungssignals in den Schritten 400 bzw. 404. Im Schritt 410 wird das EKG-Signal analysiert, um R-Zacken in den elektronischen QRS-Komplexen nachzuweisen, die von dem Herzschlagsensor nachgewiesen wurden. Neben dem EKG-Signal wird das Bewegungssignal ein Eingangsgröße für den Nachweisalgorithmus hergenommen. Eine R-Zacke wird eingestellt zum Triggern des Herzschlagereignisses nur dann, wenn es in dem Bewegungssignal keine signifikanten Ereignisse gibt. Ein signifikantes Ereignis bedeutet typischerweise, dass die Beschleunigung unterhalb eines vorab definierten Schwellenwerts bleibt. Die durchgelassenen Herzschlagereignisse werden dargestellt als eine binäre Zeitfolge, beispielsweise mit ”1” für ein Herzschlagereignis an einem vordefinierten Zeitpunkt und einer ”0”, die das Nicht-Existieren eines Herzschlagereignisses repräsentiert, Schritt 412. In dem optionalen Schritt 414 wird die binäre Folge mit Hilfe eines Binär-DFT-Algorithmus einer Fouriertransformation unterzogen. Bei einer Ausführungsform wird der Schritt 414 nur ausgeführt, wenn es eine signifikante Menge an Rauschen in der binären Folge gibt, nachgewiesen durch Statistiken im Zeitbereich. Mit Hilfe der Zeitfolge oder deren Repräsentation im Frequenzbereich lässt sich der gewünschte Herzschlagparameter ermitteln.
4B zeigt im Einzelnen eine beispielhafte Ausführungsform für die Filterung der gemeinsamen Frequenz bei der Herzschlagmessung. Auch hier umfasst das Verfahren das gleichzeitige Messen des EKG-Signals und des Bewegungssignals in den Schritten 450 und 454. Aus beiden Signalen werden relevante Merkmale, typischerweise R-Zacken und Beschleunigungsspitzen ermittelt und im Fall des positiven Nachweises werden Ereignisse getriggert, Schritte 464 und 456. Die Ereignisse werden als binäre Zeitfolge in beiden Fällen der Schritte 466 und 458 gebildet. Die Herzschlag- und Beschleunigungsereignis-Binärfolgen werden in den Schritten 460 und 468 mit Hilfe eines Binär-DFT-Algorithmus einer Fouriertransformation unterzogen. Die Fouriertransformation der Beschleunigungsfolge dient zum Entfernen einer oder mehrerer Frequenzen, die beiden Folgen gemeinsam ist/sind. Im Ergebnis erhält man ein bereinigtes Herzschlag-Ereignissignal, welches dazu verwendet werden kann, im Schritt 470 den gewünschten Herzschlagparameter zu bestimmen.
Es sei angemerkt, dass die Signalfilterung gemäß der Erfindung nicht für die gesamte Zeit eingeschaltet sein muss. Beispielsweise kann sie nur zu Beginn einer Übung für eine vorbestimmte Zeitspanne eingesetzt werden, wenn die oben diskutierten Bewegungsartefakte am stärksten signifikant sind.
Es gibt mehrere diskrete Fouriertransformations-Algorithmen, die in der Literatur verfügbar sind, und die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Die Zeitspanne der gleichen Zeitfolge, die der DFT-Algorithmus ”sieht”, lässt sich in passender Weise einstellen.
5A veranschaulicht eine potentielle Implementierung des Systems in größerer Einzelheit. Vorgesehen sind ein Herzfrequenzgürtel 510 mit einem Paar EKG-Elektroden 513A, 513B, die an einen EKG-Signal-Vorprozessor 514 (typischerweise mit mindestens einem A/D-Wandler) verbunden sind, welcher in einem integrierten oder abnehmbaren Elektronikmodul 512A enthalten ist. Das Herzschlagsignal wird drahtlos zu einem tragbaren Computer 520 über eine Funksendeeinheit 518 in dem Gürtel 510 und einer Funkempfangseinheit 524 in dem tragbaren Computer übertragen. Die Empfangseinheit 524 ist funktionell mit der Verarbeitungseinheit 522A verbunden. Außerdem ist ein Beschleunigungssensor 528 in dem tragbaren Computer vorgesehen, funktionell mit der Verarbeitungseinheit 522A verbunden.
Die Verarbeitungseinheit 522A ist konfiguriert für die Ausführung der Filteraktionen an dem Herzschlagsignal von dem Herzfrequenzgürtel 510, basierend auf dem von dem Beschleunigungssensor 528 gelieferten Beschleunigungssignal. Die Verarbeitungseinheit 522A ist außerdem dazu ausgebildet, individuelle Herzschläge aus dem gefilterten Signal, typischerweise auch für weitere Berechnungen unter Verwendung von Herzschlagdaten.
Das System nach 5A ist nutzbar, allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Beschleunigungsdaten nicht direkt der Bewegung des EKG-Sensors entsprechen. Da allerdings die Bewegung der Hand mit der Bewegung der Brust beispielsweise korreliert, kann die auf diesem Weg gemessene Beschleunigung für die Zwecke der Erfindung genutzt werden.
5B zeigt eine derjenigen der 5A weitestgehend ähnliche Ausführungsform, allerdings mit einem Beschleunigungssensor 515 in dem Elektronikmodul 512B des Herzfrequenzgürtels. Damit entspricht das Beschleunigungssignal direkt der Bewegung des Herzfrequenzgürtels und dies liefert eine bessere Information für die Filterungszwecke als das System nach 5A. Die Verarbeitungseinheit 516B ist konfiguriert zum Lesen des Beschleunigungssignals von dem Beschleunigungssensor 515 und zum Ausführen der oben beschriebenen Filteroperationen direkt in dem Herzfrequenzgürtel.
Es versteht sich, dass Ausführungsformen der Erfindung, wie sie hier offenbart sind, nicht beschränkt sind auf die speziellen Prozessschritte, Einheiten, Komponenten, Geräte, Werkstoffe oder Produkte, wie sie hier offenbart sind, sondern sich auch auf deren Äquivalente erstrecken, wie durch den Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet erkennbar ist. Außerdem sollte verstanden werden, dass die hier verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung spezielle Ausführungsformen verwendet und nicht beschränkend zu verstehen ist.
Bezugnahmen innerhalb dieser Beschreibung auf ”eine (Zahlwort) Ausführungsform” oder ”eine (unbestimmter Artikel) Ausführungsform” bedeutet, dass ein spezielles Merkmal, eine spezielle Struktur oder Charakteristik, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Das Auftreten der Begriffe ”in einer Ausführungsform” oder ”in einer (unbestimmter Artikel) Ausführungsform” an verschiedenen Stellen der Beschreibung bezieht sich somit nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform.
Im vorliegenden Zusammenhang können verschiedene Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung zusammen mit Alternativen für unterschiedliche Komponenten davon gemeint sein. Es versteht sich, dass solche Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen nicht als de-facto-Äquivalente zueinander zu verstehen sind, sondern als separate und autonome Repräsentationen der Erfindung zu betrachten sind.
Weiterhin lassen sich beschriebene Merkmale, Strukturen oder Charakteristika in geeigneter Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombinieren. In der Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details angegeben, so zum Beispiel Beispiele für Formen und Abmessungen etc., um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Der Fachmann erkennt allerdings, dass die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann, ohne eines oder mehrerer der spezifischen Details, oder mit Hilfe anderer Verfahren, Komponenten, Werkstoffe etc. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen, Werkstoffe oder Operationen nicht dargestellt oder im Detail beschrieben, um Aspekte der Erfindung nicht zu verdecken.
Während die obigen Beispiele anschaulich sind für Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren speziellen Anwendungen, ist es dem Fachmann ersichtlich, dass zahlreiche Modifikationen in der Form, der Anwendung und den Einzelheiten der Implementierung ohne erfinderisches Zutun möglich sind, ohne dass dabei von den Prinzipien und Konzepten der Erfindung abgewichen wird. Dementsprechend ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung durch etwas anderes als die beigefügten Ansprüche beschränkt ist.
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

US 2005/0177059 [0003]
US 7797039 [0006]

Claims

Tragbare elektronische Ausrüstung zum Bestimmen eines Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameters einer Person, umfassend: – einen Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor zum Liefern eines Herzschlag- bzw. Muskelaktivitätssignals, – einen Bewegungssensor zum Liefern eines der Bewegung der Person entsprechenden Bewegungssignals, – eine Verarbeitungseinrichtung, ausgebildet, um aus dem Herzschlag- bzw. dem Muskelaktivitätssignal erste Ereignisse entsprechend individuellen Herzschlägen bzw. Muskelaktivitäten nachzuweisen, und aus dem Bewegungssignal zweite Ereignisse entsprechend Bewegungsänderungen, die stärker sind als ein vorbestimmter Schwellenwert, nachzuweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung weiterhin programmiert ist, – um eine erste Zeitfolge der ersten Ereignisse zu bilden, und – um anhand der ersten Zeitfolge den Herzschlag- bzw. den Muskelaktivitätsparameter zu bestimmen, wobei die Verarbeitungseinrichtung so programmiert ist, dass in die erste Zeitfolge nur solche ersten Ereignisse einbezogen werden, die asynchron bezüglich der zweiten Ereignisse sind und/oder mit einer anderen Frequenz als diese stattfinden.
Ausrüstung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung programmiert ist, solche Perioden des Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignals zu ignorieren, die mit den zweiten Ereignissen zusammenfallen, wenn die erste Zeitfolge gebildet wird.
Ausrüstung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung weiterhin programmiert ist zum Ausführen einer diskreten Fouriertransformation (OFT) der ersten Zeitfolge und zum Bestimmen des Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameters unter Verwendung der Ausgabe der DFT.
Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung weiterhin programmiert ist, um – eine temporäre Zeitfolge sämtlicher nachgewiesener erster Ereignisse zu bilden, – von sämtlichen nachgewiesenen zweiten Ereignissen eine zweite Zeitfolge zu bilden, – Frequenzkomponenten der temporären Zeitfolge, die gemeinsam sind mit mindestens einer Frequenzkomponente der zweiten Zeitfolge, zu beseitigen, um die erste Zeitfolge zu bilden.
Ausrüstung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung programmiert ist, das Entfernen durchzuführen durch – Ausführen einer diskreten Fouriertransformation (DFT) der ersten Zeitfolge, – Ausführen einer diskreten Fouriertransformation (OFT) der zweiten Zeitfolge, – Reduzieren gemeinsamer Frequenzkomponenten der ersten und der zweiten Zeitfolge aus der ersten Zeitfolge.
Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Zeitfolge gebildet wird/werden als binäre Folge, bei der der eine Bitwert nachgewiesene Ereignisse und der andere Bitwert das Nicht-Existieren solcher Ereignisse repräsentiert.
Tragbare Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungssensor einen Beschleunigungssensor ist.
Tragbare Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor einen Herzschlagsensor enthält und der Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameter eine durchschnittliche Herzfrequenz und/oder ein durchschnittliches Herzschlagintervall und/oder einen oder mehrere davon abgeleitete Parameter aufweist.
Tragbare Ausrüstung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor einen Muskelaktivitätssensor aufweist und der Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameter eine Kadenz und/oder einen oder mehrere davon abgeleitete Parameter aufweist.
Tragbare Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensoren und der Bewegungssensor sich in einer einzelnen Geräteeinheit befinden, zum Beispiel in einem Herzfrequenzgürtel oder einem Smart-Bekleidungsstück.
Tragbare Ausrüstung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Geräteeinheit außerdem mindesten einen Teil der Verarbeitungseinrichtung umfasst.
Tragbare Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit in einer anderen Geräteeinheit angeordnet ist als der Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor und/oder der Bewegungssensor.
Tragbare Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor elektrische EKG- bzw. EMG-Elektroden aufweist.
Tragbare Ausrüstung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die EKG- oder EMG-Elektroden mit einem Messschaltkreis mit einer Eingangsimpedanz von weniger als 50 kOhm, insbesondere weniger als 25 kOhm verbunden sind.
Tragbare Ausrüstung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die EKG- oder EMG-Elektroden auf eine Gewebestruktur auflaminiert sind.
Tragbare Ausrüstung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor einen optischen Sensor, einen Drucksensor oder einen Beschleunigungssensor aufweist.
Tragbare Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor einen Herzschlagsensor aufweist, der an der Brust, am Hals, am Handgelenk oder an der Ohrmuschel der Person während der Durchführung positionierbar ist.
Tragbare Ausrüstung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Drahtlos-Kommunikationseinheit in einer ersten Geräteeinheit, die den Herzschlag- oder Muskelaktivitätssensor und Teile der Verarbeitungseinrichtung enthält, und die dazu ausgebildet ist, die ersten Ereignisse an eine zweite Geräteeinheit, die einen zweiten Teil der Verarbeitungseinrichtung enthält, über die Drahtlos-Kommunikationseinheit zu übermitteln.
Verfahren zum Überwachen einer körperlichen Betätigung einer Person, umfassend: – Messen eines Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignals mit Hilfe einer Messeinrichtung, die zumindest teilweise an der Haut der Person positionierbar ist, – Messen einer Bewegung von mindestens einem Teil der Messeinrichtung mit Hilfe eines Bewegungssensors zum Liefern eines Bewegungssignals, und – Nachweisen von individuellen Herzschlägen oder Muskelaktivitäten entsprechenden ersten Ereignissen aus dem Herzschlag- bzw. Muskelaktivitätssignal, und – aus dem Bewegungssignal – Nachweisen zweiter Ereignisse, die Bewegungsänderungen entsprechen, die stärker sind als ein vordefinierter Schwellenwert, gekennzeichnet durch – Bilden einer ersten Zeitfolge solcher erster Ereignisse, die bezüglich der zweiten Ereignisse asynchron sind und/oder mit einer anderen Frequenz auftreten als die zweiten Ereignisse, und – Bestimmen des Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameters anhand der ersten Zeitfolge.
Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Ignorieren von Perioden des Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignals, die zusammenfallen mit den zweiten Ereignissen, wenn die erste Zeitfolge gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Ausführen einer diskreten Fouriertransformation (DFT) der ersten Zeitfolge und Bestimmen des Herzschlag- oder Muskelaktivitätsparameters unter Verwendung der Ausgabe der DFT
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet durch – Bilden einer temporären Zeitfolge sämtlicher nachgewiesener erster Ereignisse, – Bilden einer zweiten Zeitfolge sämtlicher nachgewiesener zweiter Ereignisse, – Entfernen von Frequenzkomponenten der temporären Zeitfolge, die gemeinsam sind mit mindestens einer Frequenzkomponente der zweiten Zeitfolge, um die erste Zeitfolge zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch – Ausführen einer diskreten Fouriertransformation (DFT) der ersten Zeitfolge, – Ausführen einer diskreten Fouriertransformation (DFT) der zweiten Zeitfolge, – Beseitigen gemeinsamer Frequenzkomponenten der ersten und der zweiten Zeitfolge aus der ersten Zeitfolge.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Zeitfolge gebildet wird/werden als binäre Folge, in der der eine Bitwert nachgewiesene Ereignisse und der andere Bitwert die Nicht-Existenz derartiger Ereignisse repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal einen Anteil enthält durch Ändern der Kontaktimpedanz zwischen den Messelektroden und der Haut der Person aufgrund der Bewegung der Messeinrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Herzschlag- oder Muskelaktivitätssignal einen Beitrag durch Potentialänderungen in der Nähe der Messeinrichtung aufgrund der Ansammlung statischer Elektrizität enthält, beispielsweise aufgrund von Reibung zwischen der Messeinrichtung und der Bekleidung der Person.
Computerprogrammprodukt, umfassend computerausführbare Befehle zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19 bis 26.