DE10248500A1

DE10248500A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der anaeroben Schwelle

Info

Publication number: DE10248500A1
Application number: DE2002148500
Authority: DE
Inventors: Reinhard Hettich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der anaeroben Schwelle des menschlichen Stoffwechsels während einer körperlichen Belastung. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beansprucht. Bisweilen erfolgt die Feststellung der anaeroben Schwelle mittels der Ergospirometrie. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann über die Bestimmung von Atemfrequenzen in zeitlicher Abfolge und den Vergleich dieser Atemfrequenzen miteinander auf das Erreichen der anaeroben Schwelle während des Trainings geschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung anaeroben Schwelle des menschlichen Stoffwechsels während einer körperlichen Belastung.

Bei steigender Belastung kommt es zunächst zu einem leichten Anstieg der Lactatkonzentration im Vergleich zum Ruhewert. Nach Erreichen der sogenannten individuellen anaeroben Schwelle nehmen die Konzentrationen jedoch deutlich zu. Die individuelle anaerobe Schwefle kennzeichnet hierbei den Punkt des maximalen Lactat-Steady-States, dass heißt, hier halten sich Lactat-Bildung und Lactat-Abbau die Waage. Es liegt ein Lactatgleichgewicht vor. Die anaerobe Schwelle stellt den Punkt des optimalen Wirkungsgrades der Atmung und der Sauerstoffleistungsgrenze dar. Diese Schwelle entspricht in etwa der bekannten metabolischen Vier-Millimol/Liter-Lactat-Schwelle. Da eine Lactatakkumulation (Intensitäten oberhalb der anaeroben Schwelle) zu einer Übersäuerung des Organismus und der Muskulatur führt und dadurch letztendlich leistungslimitierend wirkt, ist die anaerobe Schwelle auch als Dauerleistungsgrenze zu verstehen.

Bisher wird diese anaerobe Schwelle durch die sogenannte Ergospirometrie ermittelt. Hierbei werden bei kontinuierlicher oder stufenweiser Steigerung einer Belastung Parameter der Atmung (O₂-Gehalt in der eingeatmeten Luft, CO₂-Gehalt in der ausgeatmeten Luft), sowie Parameter des Herz-Kreislauf-Systems und der Muskulatur wiederholt gemessen und aufgezeichnet. Aus dem Verhältnis von ausgeatmetem CO₂ und eingeatmetem O2 wird auf das Erreichen der anaeroben Schwelle geschlossen. Häufig wird zusätzlich kontinuierlich der Lactatgehalt im Blut festgestellt. Ein Anstieg weist ebenfalls auf das Erreichen der anaeroben Schwelle hin. Mit Hilfe dieser Messungen wird dann eine Lactat- und Herzfrequenz-Leistungskurve erstellt. Die so erfolgte Bestimmung der Herzschwellenfrequenz ermöglicht dann eine Herzfrequenz-orientierte Trainingssteuerung. Die Herzschwellenfrequenz ist die Herzfrequenz, die beim Erreichen der anaeroben Schwelle gemessen wird. Im gesundheitsorientierten Sport sollte eine Belastungsintensität unter dieser Schwelle angestrebt werden, um Übersäuerungen der Muskulatur zu verhindern.

Das bekannte Verfahren zur Bestimmung der anaeroben Schwelle weist erhebliche Nachteile auf. Zum einen ist ein sehr hoher und damit teurer apparativer Aufwand notwendig. Neben einem Trainingsgerät, wie beispielsweise einem Laufband oder einem Fahrrad-Hometrainer, werden Geräte zur Aufnahme eines EKGs und zur Bestimmung der O₂- und CO₂-Konzentrationen in der Atemluft benötigt. Weiterhin muss die Ergospirometrie in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt werden, da sich die anaerobe Schwelle durch erhöhtes Training verschiebt. Dies bedeutet, dass sich auch die Schwellenherzfrequenz ändert. Weiterhin ist die Ermittlung der Herzfrequenz während des Trainings für den Sportler aufwändig und störend.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem der Sportler die anaerobe Schwelle seines Stoffwechsels während einer körperlichen Belastung mühelos bestimmen kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: Bestimmung der Atemfrequenz in zeitlicher Abfolge, Vergleich von mindestens zwei bestimmten Atemfrequenzen miteinander, vorzugsweise Vergleich der zuletzt bestimmten Atemfrequenz mit einer vorher bestimmten Atemfrequenz und Ausgabe eines Signals, wenn eine Zunahme der Atemfrequenz um einen bestimmten Wert oder Faktor festgestellt wird.

Dieses Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass das Atemminutenvolumen bei einer erhöhten Lactatkonzentration zunimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Lactat und Pufferstoffe im menschlichen Körper wie HCO₃ mit Lactat zu H₂O und CO₂ reagieren. Das entstehende CO₂wird über die Atemwege abgeführt. Das Atemminutenvolumen ist ein Produkt aus Atemzugvolumen und der Atemfrequenz. Da die Zunahme des Atemminutenvolumens über eine erhöhte Atemfrequenz eingeleitet wird (wenig später wird auch die Atemzugtiefe erhöht), signalisiert diese Zunahme der Atemfrequenz den Zeitpunkt, an dem die anaerobe Schwelle überschritten wird. Die Atemfrequenz wird in zeitlicher Abfolge während der körperlichen Belastung gemessen. Nun werden zwei Atemfrequenzen miteinander verglichen. Vorzugsweise wird dabei die zuletzt gemessene Atemfrequenz mit einer vorher bestimmten Atemfrequenz verglichen. Falls nun die zuletzt ermittelte Atemfrequenz um einen bestimmten Wert, in der Regel um drei bis vier Atemzüge pro Minute, höher ist als die zuvor bestimmte Atemfrequenz, wird ein Signal ausgegeben. Der Sportler weiß nun, dass er sich im Bereich der anaeroben Schwelle des Stoffwechsels befindet. Er kann nun seine Leistung reduzieren bzw. das Training stoppen. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird also von der Bestimmung der Atemfrequenz auf die anaerobe Schwelle geschlossen. Dies ist möglich, da die Atemfrequenz unterhalb der anaeroben Schwelle im wesentlichen konstant (in etwa in einem Bereich von 23 bis 24 Atemzügen pro Minute) bleibt oder nur langsam steigt und sich erst durch eine erhöhte Lactatkonzentration und dem damit verbundenen Lactatabbau zu Wasser und Kohlendioxid rasch um drei bis vier Atemzüge pro Minute erhöht.

Ein wesentlicher Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass es ohne großen apparativen Aufwand auskommt. Dadurch ist die Realisierung kostengünstig.

Weiterhin kann die anaerobe Schwelle während des Trainings genau bestimmt werden, auch wenn sich die anaerobe Schwelle durch kontinuierliches Training verschiebt.

Die Bestimmung der Atemfrequenz erfolgt mit Vorteil dadurch, dass die Anzahl der Lungen- bzw. Brustkorbhübe in einem festgelegten Zeitintervall ermittelt wird. Vorzugsweise wird die Atemfrequenz zwei- bis viermal pro Minute ermittelt. Die Atemfrequenz besteht dann aus dem Quotienten aus der Anzahl der Lungenhübe und der Größe des Zeitintervalls.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit der Bestimmung der Atemfrequenz besteht darin, dass das Zeitintervall zwischen zwei oder mehreren Lungenhüben gemessen wird. Hierbei ist die Lungenfrequenz der Quotient aus der Anzahl der Lungen- bzw. Brustkorbhübe und dem gemessenen Zeitintervall. Um die Atemfrequenz in kürzesten Zeitintervallen messen zu können, ist es sinnvoll, die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Lungen- bzw. Brustkorbhüben zu messen.

Es ist besonders zweckmäßig, dass die Bestimmung der Anzahl der Lungen- bzw. Brustkorbhübe durch eine Dehnungsstreifenmessung am Brustkorb erfolgt, wobei der Dehnungsstreifen mittels eines Brustgurtes um die Brust des Sportlers herum befestigt ist. Durch das Ein- und Ausatmen wird ein Impuls erzeugt, der mittels einer Zählvorrichtung gezählt werden kann.

Selbstverständlich können weitere bekannte Verfahren zur Bestimmung der Atemfrequenz angewandt werden, z.B. durch die Verwendung von Atemkissen. Hier sei nur beispielhaft eine Feuchtigkeitsmessung der Ausatemluft genannt.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung der anaeroben Schwelle des menschlichen Stoffwechsels während einer körperlichen Belastung.

Wie bereits erläutert erfolgt die Bestimmung der anaeroben Schwelle bisweilen mittels der Ergospirometrie. Für dieses Verfahren ist ein hoher apparativer Aufwand notwendig, der zu hohen Kosten führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für das genannte Verfahren vorzuschlagen, die es ermöglicht, die anaerobe Schwelle während der sportlichen Betätigung festzustellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung folgende Bauteile aufweist: Eine Atemfrequenz-Messvorrichtung zur Bestimmung von Atemfrequenzen in zeitlicher Abfolge, eine Auswertelektronik zum Vergleich von mindestens zwei bestimmten Atemfrequenzen miteinander, vorzugsweise zum Vergleich der zuletzt bestimmten Atemfrequenz mit einer vorher bestimmten Atemfrequenz, eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe eines Signals, falls die Auswertelektronik eine Zunahme der Atemfrequenz um einen bestimmten Wert ermittelt, eine Datenverbindung zwischen Atemfrequenz-Messvorrichtung, Auswertelektronik und Ausgabeeinheit.

Der Wert, um den die Atemfrequenz bei Erreichen der anaeroben Schwelle zunimmt, ist individuell verschieden. Hier sei nur exemplarisch der Wert von 3 bis 4 genannt.

Bei dem ausgegebenen Signal handelt es sich vorzugsweise um ein akustisches Signal. Dies hat den Vorteil, dass der Sportler das Erreichen der anaeroben Schwelle besonders gut wahrnehmen kann. Es ist denkbar, dass das Signal ein Vibrationsalarm ist oder die optische Anzeige der Atemfrequenz. Selbstverständlich können auch mehrere unterschiedliche Signale miteinander kombiniert werden.

Es ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Vorrichtung transportabel ist. Hierdurch ist es mit Vorteil möglich, dass der Sportler die Vorrichtung bei jeder Art von sportlicher Betätigung mit sich führen kann.

Es ist besonders komfortabel, wenn die Auswertelektronik zusammen mit der Ausgabeeinheit eine Einheit bildet und Mittel zur Befestigung der Einheit am Körper, vorzugsweise am Unterarm, aufweist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Ausgabeeinheit während des Sports mühelos beobachtet werden kann. Es ist denkbar, dass die Einheit aus Auswertelektronik und Ausgabeeinheit in Form einer Armbanduhr ausgebildet ist.

Um die Vorrichtung so wenig störend wie möglich für die sportliche Betätigung auszubilden, ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Datenverbindung zumindest zwischen zwei Bauteilen eine Funkverbindung ist. Hierdurch werden lästige Kabelführungen innerhalb oder außerhalb der Kleidung vermieden.

Zur Bestimmung der Atemfrequenz ist es notwendig, dass zum einen die Anzahl der Lungen- bzw. Brustkorbhübe und zum anderen die Zeitintervalle gemessen werden. Daher ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Atemfrequenz-Messvorrichtung aus einer Zeitmessvorrichtung und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Anzahl von Brustkorbhüben besteht.

Damit der Sportler durch das Brustband nicht behindert wird, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Atemfrequenz-Messvorrichtung aus einer Zeitmessvorrichtung und einer Feuchtigkeitsmessvorrichtung im Bereich der Nase oder des Mundes angeordnet ist.

Anhand von Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen, wird die Erfindung im Detail beschrieben.
Es zeigen:
1: Absolut ausgeatmete CO₂-Menge aufgetragen über die Trainingsdauer,
2: Absolute Anzahl der Atemzüge aufgetragen über die Trainingsdauer,
3: Verlauf der Atemfrequenz über die Trainingsdauer,
4: eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der anaeroben Schwelle.
In 1 ist zu erkennen, dass die absolute Menge an ausgeatmetem CO₂ bis zur anaeroben Schwelle (AS) konstant ansteigt. Bei Erreichen der anaeroben Schwelle wird durch den erhöhten Lactatabbau im Stoffwechsel eine erhöhte Menge CO₂ gebildet, die abgeatmet werden muss. Dies hat einen stärkeren Anstieg der absolut ausgeatmeten CO₂-Menge und damit eine Steigerung des Atemminutenvolumens zur Folge.
In 2 ist zu erkennen, dass bis zum Erreichen der anaeroben Schwelle die absolute Anzahl der Atemzüge über den Trainingsverlauf konstant zunimmt. Erst bei Erreichen der anaeroben Schwelle muss mehr CO₂ abgeatmet werden, wodurch die absolute Menge der Atemzüge stärker ansteigt.
In 3 ist der Verlauf der Atemfrequenz über die Trainingsdauer aufgetragen. Mathematisch gesehen handelt es sich bei der aufgezeichneten Funktion um die erste Ableitung der in 2 gezeigten Funktion. Die Atemfrequenz ist über einen längeren Zeitraum konstant. Erst bei Erreichen der anaeroben Schwelle nimmt primär die Atemfrequenz und sekundär die Atemzugtiefe zu. Durch das patentgemäße Verfahren wird diese Zunahme der Atemfrequenz durch den Vergleich von bestimmten Atemfrequenzen miteinander festgestellt. Sodann wird ein Signal ausgegeben, welches den Sportler auf das Erreichen der anaeroben Schwelle hinweist.
In 4 ist die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Die Atemfrequenz wird mittels eines Dehnungsstreifens gemessen, der mit einem Brustgurt 1 am Brustbereich des menschlichen Körpers 2 befestigt ist. Die gemessene Anzahl von Brustkorbhüben pro Zeiteinheit wird mittels einer nicht dargestellten Funkverbindung, die aus Sender und Empfänger besteht, an die Auswertelektronik 3 übermittelt, die mit der Ausgabeeinheit 4 eine Einheit bildet und am Unterarm des Sportlers befestigt ist. Mit Hilfe der Auswertelektronik werden zwei Atemfrequenzen miteinander verglichen. Stellt die Auswertelektronik 3 eine Zunahme der Atemfrequenz um einen bestimmten Wert oder um einen Faktor fest, wird ein Signal ausgegeben. Der Wert bzw. der Faktor sind so zu bestimmen, dass die Ausgabe eines Signals bei üblichen kleineren Schwankungen der Atemfrequenz unterbleibt. Weiterhin ist die Auswertelektronik 3 in der Lage, zu erkennen, ob sich die Atemfrequenz auf Dauer erhöht, oder ob es sich um gelegentliche Schwankungen handelt, die beispielsweise auf das Sprechen des Sportlers während der sportlichen Betätigung zurückzuführen sind.
Es ist deutlich zu erkennen, dass die Vorrichtung transportabel ist und ein erhöhter apparativer Aufwand vermieden wird.

1: Brustgurt mit Dehnungsstreifen
2: Menschlicher Körper
3: Auswertelektronik
4: Ausgabeeinheit

Claims

Verfahren zur Bestimmung der anaeroben Schwelle des menschlichen Stoffwechsels während einer körperlichen Belastung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: – Bestimmung der Atemfrequenz in zeitlicher Abfolge – Vergleich von mindestens zwei bestimmten Atemfrequenzen miteinander, vorzugsweise Vergleich der zuletzt bestimmten Atemfrequenz mit einer vorher bestimmten Atemfrequenz – Ausgabe eines Signals wenn eine Zunahme der Atemfrequenz um einen bestimmten Wert oder Faktor festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Atemfrequenz durch die Messung der Anzahl der Lungenhübe in festgelegten Zeitintervallen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Atemfrequenz durch die Messung des Zeitintervalls zwischen zwei oder mehreren Lungenhüben erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Anzahl der Lungenhübe durch eine Dehnungsstreifenmessung (3) am Brustkorb erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem oder mehrerer der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgende Bauteile aufweist: – eine Atemfrequenzmessvorrichtung zur Bestimmung von Atemfrequenzen in zeitlicher Abfolge, – eine Auswertelektronik zum Vergleich von mindestens zwei bestimmten Atemfrequenzen miteinander, vorzugsweise zum Vergleich der zuletzt bestimmten Atemfrequenz mit einer vorher bestimmten Atemfrequenz, – eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe eines Signals, falls die Auswertelektronik eine Zunahme der Atemfrequenz um einen bestimmten Wert oder Faktor ermittelt, – eine Datenverbindung zwischen Atemfrequenzmessvorrichtung, Auswertelektronik und Ausgabeeinheit.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung transportabel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertelektronik (3) zusammen mit der Ausgabeeinheit (4) eine Einheit bildet und Mittel zur Befestigung der Einheit am Körper, vorzugsweise am Unterarm, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverbindung zumindest zwischen zwei Bauteilen eine Funkverbindung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemfrequenzmessvorrichtung aus einer Zeitmessvorrichtung und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Anzahl von Brustkorbhüben besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Atemfrequenzmessvorrichtung aus einer Zeitmessvorrichtung und einer Feuchtigkeitsmessvorrichtung besteht.