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Verfahren und Vorrichtung zur Trainingseinstellung im Sport, insbesondere im Laufsport

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DE10333075A1
DE10333075A1 DE2003133075 DE10333075A DE10333075A1 DE 10333075 A1 DE10333075 A1 DE 10333075A1 DE 2003133075 DE2003133075 DE 2003133075 DE 10333075 A DE10333075 A DE 10333075A DE 10333075 A1 DE10333075 A1 DE 10333075A1
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DE
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Martin Dr. Kleen
Michael Maschke
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Siemens AG
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Abstract

Für eine verbesserte Trainingseinstellung im Sport, insbesondere im Laufsport, werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (1) angegeben. Dabei wird
- durch mindestens eine Lichtquelle (7a, 7b) Licht (L) in das Körpergewebe (18) eines Probanden (2) eingestrahlt,
- die im Körpergewebe (18) reflektierte Lichtintensität (I) mittels mindestens eines Lichtsensors (8a, 8b) gemessen,
- aus der gemessenen Lichtintensität (IM1, IM2) durch Auswertemittel (16, 23) eine zeitlich oszillierende Messgröße (G) abgeleitet,
- Minima (29) im zeitlichen Verlauf der Messgröße (G) ermittelt und
- durch Analyse mehrerer zeitlich aufeinander folgender Minima (29) ein Leistungsgrad (L), aus dem der momentane Stoffwechselzustand des Probanden (2) ablesbar ist, erstellt und angezeigt.

Description

  • [0001]
    Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Trainingseinstellung im Sport, insbesondere im Laufsport. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
  • [0002]
    Zur Erbringung einer muskulären Leistung benötigt ein insbesondere menschlicher Muskel Sauerstoff, der über den Organismus zugeführt werden muss. Je höher die Leistung, desto größer ist auch der Sauerstoffbedarf. Ab einer gewissen Leistungsgrenze gerät der Körper in die so genannte „Sauerstoffschuld". Dies bedeutet, dass das Blut einen zu geringen Sauerstoffanteil aufweist, um den zur Erbringung der Leistung nötigen Sauerstoff nachliefern zu können. Der Stoffwechsel im Muskel geht dann in den durch Sauerstoffmangel geprägten anaeroben Bereich über. Demgegenüber wird der Stoffwechsel bei ausreichender Sauerstoffversorgung als aerob bezeichnet.
  • [0003]
    Im anaeroben Bereich findet im Muskel keine vollständige Verbrennung des vom Körper herangezogenen Energieträgers Glucose statt. Infolgedessen sammeln sich „Verbrennungsrückstände" im Körper an, die infolge Sauerstoffmangels nicht mehr vollständig abgebaut werden können. Der derart belastete Muskel wird „sauer" und braucht eine längere Zeit, um sich nach der Belastung wieder zu regenerieren.
  • [0004]
    In Sportarten, die mit hoher Körperanstrengung verbunden sind, insbesondere im Laufsport, ist es deshalb wichtig, dass das Training zum überwiegenden Teil im aeroben Bereich, und nur zu einem kleinen Anteil im anaeroben Bereich durchgeführt wird. Bei einem Freizeitsportler sollte z.B. die aerobe Trainingsphase ca. 80% des Gesamttrainings ausmachen.
  • [0005]
    Zur Trainingseinstellung ist es in der Sportmedizin üblich, den so genannten Laktat-Balance-Punkt (LBP) zu bestimmen. Laktat (Milchsäure) ist ein Abbauprodukt von Glucose, das – wie vorstehend beschrieben – entsteht, wenn der Sauerstoff im Organismus für die Verbrennung nicht mehr ausreicht. Im anaeroben Bereich sammelt sich daher Laktat im Körper an, während sich im aeroben Bereich überschüssiges Laktat wieder abbaut. An der Schwelle zwischen aerobem Stoffwechsel und anaerobem Stoffwechsel bleibt der Laktatspiegel im Organismus in der Waage. Dies definiert den LBP. Umgekehrt wird der LBP nachfolgend als Synonym für die Leistungsschwelle verwendet, an der der Stoffwechsel des Probanden vom aeroben Bereich in den anaeroben Bereich übergeht. Der LBP wird näherungsweise charakterisiert durch zugehörige Messgrößen des Organismus, z.B. einer zugehörigen Herzfrequenz. Ist die dem LBP entsprechende Herzfrequenz eines Sportlers bekannt, kann der Sportler danach sein Training optimieren.
  • [0006]
    Im Laufsport werden häufig tragbare Pulsmesser eingesetzt, die mittels eines am Oberkörper des Sportlers befestigten Pulsbands die Herzfrequenz ermitteln. Mittels dieser Pulsmesser ist jedoch nur eine vergleichsweise grobe Trainingseinstellung möglich, zumal sich anhand der Herzfrequenz nur vergleichsweise ungenau abschätzen lässt, ob der Sportler den LBP momentan unter- oder überschreitet, ob sich also der Sportler momentan im aeroben oder anaeroben Bereich befindet.
  • [0007]
    Der LBP kann durch direkte Messung des Laktatwertes bestimmt werden. Herkömmlicherweise wird der Laktatwert mit einem Laktatmessgerät bestimmt, welches eine Analyse von Blut vornimmt, das dem Sportler bei unterschiedlichen Belastungsgraden entnommen wird. Physiologische Grundlagen und ein Verfahren zur Laktatmessung sind beispielsweise in der DE 199 09 852 A1 beschrieben. Die bekannte Lösung ist nachteiligerweise eine invasive Methode, zumal dem nachfolgend als Probanden bezeichneten, zu testenden Sportler, Blutproben entnommen werden müssen. Dies ist zum einen mitunter schmerzhaft. Zum anderen ist die Blutentnahme sowohl für den Probanden als auch für den Untersuchenden stets mit einem Infektionsrisiko, z.B. mit Hepatitis oder HIV, verbunden. Zur Reduzierung dieses Infektionsrisikos sind wiederum hohe Hygieneanforderungen erforderlich, die das Verfahren aufwändig und kostspielig machen.
  • [0008]
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Trainingseinstellung im Sport, insbesondere Laufsport, anzugeben, mit welcher eine einfache, präzise und automatische Leistungsbestimmung eines Probanden möglich ist. Insbesondere soll hierbei eine nicht-invasive Bestimmung des Laktat-Balance-Punktes (LBP) möglich sein.
  • [0009]
    Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der zugehörigen Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11.
  • [0010]
    Erfindungsgemäß wird mittels einer Lichtquelle Licht in das Körpergewebe eines Probanden eingestrahlt und mittels eines Lichtsensors die im Körpergewebe reflektierte Lichtintensität gemessen. Aus der gemessenen Lichtintensität wird mit Auswertemitteln eine zeitlich oszillierende Messgröße abgeleitet, die anschließend ausgewertet wird. Die Auswertemittel sind dabei dazu ausgebildet, dass sie periodisch auftretende Minima im zeitlichen Verlauf der Messgröße erkennen. Durch Analyse mehrerer zeitlich aufeinander folgender Minima wird hierauf eine nachfolgend als Leistungsgrad bezeichnete Kenngröße ermittelt, die einen Aufschluss über den momentanen Stoffwechselzustand des Probanden ermöglicht. Dieser Leistungsgrad wird dem Probanden angezeigt.
  • [0011]
    Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der Laktatspiegel im Blut den momentanen Stoffwechselzustand des Probanden nur indirekt wiedergibt. Präziser wäre der Stoffwechselzustand, und darüber wiederum der LBP, dagegen erkann termaßen bestimmbar, wenn es gelänge, den Sauerstoffgehalt des Bluts im durch den Sport beanspruchten Körpergewebe direkt zu messen. Die Erfindung nutzt hierbei die an sich geläufige Erkenntnis, dass eine nicht-invasive Messung des Sauerstoffgehalts im Blut durch Einstrahlung von Licht und Analyse des im Körpergewebe reflektierten Lichts möglich ist. Ein solches Verfahren, wie es z.B. aus der DE 696 04 464 T2 (deutsche Übersetzung der EP 0 761 159 B1 ) bekannt ist, ist jedoch herkömmlicherweise zur Ermittlung der Sauerstoffsättigung im arteriellen Blut vorgesehen und geeignet. Die Sauerstoffsättigung im arteriellen Blut ist jedoch andererseits nicht oder nur kaum zur Bestimmung des Stoffwechselzustands im belasteten Körpergewebe geeignet, zumal die Arterien frisch durchmischtes und mit Sauerstoff angereichertes Blut führen. Erkanntermaßen spiegelt andererseits die Sauerstoffsättigung des venösen Bluts den Sauerstoffverbrauch des Körpergewebes sehr präzise wieder. Erfindungsgemäß wird nun die herkömmliche Methodik zur optischen Blutsauerstoffmessung im arteriellen Blut gezielt abgewandelt, so dass nunmehr auch die Bestimmung der Sauerstoffsättigung im venösen Blut, oder einer hierzu etwa proportionalen Größe, möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die reflektierte Lichtintensität, oder eine daraus abgeleitete Messgröße, gezielt in Bereichen minimaler Reflexion ausgewertet wird, wo der Einfluss des arteriellen Bluts besonders schwach ist.
  • [0012]
    Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung liegt darin, dass das Verfahren auf sehr einfache Weise automatisiert durch eine Vorrichtung ausführbar ist, die in sehr kompakter Weise realisierbar ist. Der Proband kann das Verfahren deshalb mit Hilfe der Vorrichtung im Selbsttest durchführen. Insbesondere ist also kein geschultes Personal zur Durchführung des Verfahrens, und damit zur Trainingseinstellung des Probanden erforderlich. Des Weiteren kann der Proband die Vorrichtung infolge der kompakten Größe auf einfache Weise mit sich führen, ohne dass die Vorrichtung den Probanden bei der Sportausübung hindern würde.
  • [0013]
    Die Auswerteeinheit erkennt vorzugsweise an dem Trend zeitlich aufeinanderfolgender Minima der Messgröße, ob der Stoffwechsel im untersuchten Körpergewebe aerob oder anaerob ist, und gibt einen dem Befund entsprechenden Leistungsgrad aus. Bleibt der Minimalwert der Messgröße innerhalb vorgegebener Grenzen konstant, so erkennt die Auswerteeinheit auf das Vorliegen eines aeroben Stoffwechselzustands. Andernfalls wird der Stoffwechsel des Probanden als anaerob erkannt.
  • [0014]
    Aus der Periode der oszillierenden Messgröße wird vorteilhafterweise zusätzlich die momentane Herzfrequenz des Probanden ermittelt, um dem Probanden eine weitere Kontrollgröße für die Trainingseinstellung zur Verfügung zu stellen.
  • [0015]
    In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der LBP auf einfache Weise durch Überwachung des Leistungsgrads während des Trainingsverlaufs ermittelt.
  • [0016]
    Zur Anzeige des momentanen Leistungsgrads wird zweckmäßigerweise eine Darstellung gewählt, aus der der Proband besonders einfach seinen momentanen Stoffwechselzustand erkennen kann, um einen hohen Bedienkomfort zu gewährleisten, der den Probanden auch bei höchster körperlicher Anstrengung nicht über Gebühr in Anspruch nimmt. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine bildhafte Darstellung des Leistungsgrads, z.B. durch ein Säulendiagramm. Vorteilhaft ist weiterhin die indirekte Darstellung des Leistungsgrads anhand der momentanen Herzfrequenz in Gegenüberstellung mit dem Grenzwert der Herzfrequenz, der dem LBP entspricht, zumal die Trainingseinstellung anhand der Herzfrequenz in der Praxis üblich ist. Anstelle der Herzfrequenz können auch andere für den Zustand des Organismus charakteristische Größen, z.B. die Sauerstoffsättigung im venösen Blut, herangezogen werden. Der Leistungsgrad kann ferner auch in generischen Skalen dar gestellt sein. Zur besseren Darstellung des Leistungsgrads können insbesondere auch Farb- und Tonsignale zum Einsatz kommen. Verschiedene Darstellungsarten des Leistungsgrads werden dem Probanden zweckmäßigerweise gleichzeitig angezeigt. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Proband zwischen verschiedenen Anzeigeoptionen wählen kann.
  • [0017]
    Vorteilhafterweise wird die Lichteinstrahlung sowie die Messung der reflektierten Lichtintensität an einem vorrangig belasteten Körperteil des Probanden vorgenommen. Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass bei den meisten Sportarten verschiedene Teile der Muskulatur unterschiedlich beansprucht werden. So sind z.B. beim Laufsport Beinmuskeln vorrangig belastet, während Armmuskeln nur unterdurchschnittlich belastet sind. Zum Einsatz im Laufsport ist daher die Lichteinstrahlung und Lichtmessung am Oberschenkel des Probanden vorgesehen.
  • [0018]
    Für eine präzise Bestimmung der Sauerstoffsättigung im venösen Blut wird zweckmäßigerweise Licht zweier Wellenlängen in das Körpergewebe eingestrahlt und die bei jeder Wellenlänge reflektierte Lichtintensität separat gemessen. Hiermit wird berücksichtigt, dass das Verhältnis der Absorptionsquerschnitte von sauerstoffgesättigtem Blut einerseits und sauerstoffarmem Blut andererseits bei unterschiedlicher Lichtwellenlänge verschieden ist. Durch Vergleich der wellenlängenabhängigen Lichtreflexion kann daher der Anteil von sauerstoffhaltigem Blut und der Reflexionsanteil von sauerstoffarmem Blut besonders gut bestimmt werden.
  • [0019]
    Vorteilhafterweise wird eine erste Wellenlänge eingestrahlt, bei der sauerstoffgesättigtes Blut einen besonders hohen Absorptionsquerschnitt aufweist, während die zweite Wellenlänge derart gewählt ist, das Licht dieser Wellenlänge besonders gut von sauerstoffarmem Blut absorbiert wird. Um das bei jeder Wellenlänge reflektierte Licht selektiv zu messen, sind wahlweise zwei Lichtsensoren vorgesehen, von denen jeder selektiv Licht der einen oder der anderen Wellenlänge detek tiert. Alternativ ist die Messung der reflektierten Lichtintensität für beide Wellenlängen durch einen gemeinsamen Lichtsensor vorgesehen. Um eine einfache Trennung der Reflexionsanteile der jeweiligen Lichtwellenlänge zu ermöglichen, ist hierbei vorgesehen, dass das Licht der beiden Wellenlängen abwechselnd, d.h. durch alternierende Lichtpulse, eingestrahlt wird, so dass die jeweilige reflektierte Lichtintensität der beiden Lichtwellenlängen zu unterschiedlichen, von einander abgegrenzten Zeitintervallen detektiert wird.
  • [0020]
    Nur ein Teil des im Körpergewebe reflektierten Lichts wird an dem im Körpergewebe enthaltenen Blut reflektiert. Diesem Anteil ist ein weiterer Lichtanteil überlagert, der von der Haut, dem Bindegewebe, oder den Knochen des Probanden reflektiert wird. Dieser letztere Lichtanteil ist von der körperlichen Belastung des Probanden nahezu unabhängig und wird nachfolgend als Hintergrundreflexion bezeichnet. Zur Eliminierung dieser, zur Ermittlung der Blutsauerstoffsättigung untauglichen Hintergrundreflexion des Körpergewebes ist optional vorgesehen, vor Belastung des Probanden einen Ruhewert der gemessenen Lichtintensität aufzunehmen. Dieser Ruhewert wird gespeichert und anschließend zur Kompensation der Hintergrundreflexion herangezogen.
  • [0021]
    Eine besonders einfache Methode, eine derartige Kalibrierung der Messgröße mittels des Ruhewerts durchzuführen, besteht darin, den Ruhewert von der im Trainingsverlauf gemessenen Lichtintensität abzuziehen. Jede Abweichung der gemessenen Lichtintensität oder der abgeleiteten Messgröße vom zugehörigen Ruhewert entspricht einer Änderung der Sauerstoffsättigung im Blut, die durch die sportliche Leistung bedingt ist, zumal die Hintergrundreflexion im Wesentlichen leistungsunabhängig ist.
  • [0022]
    Um einerseits die Messung der Sauerstoffsättigung an dem vorrangig belasteten Körperteil des Probanden vornehmen zu können, und um andererseits den Probanden das Analyseergebnis komfortabel anzeigen zu können, ist die Vorrichtung zweckmäßigerweise aufgeteilt in eine Sensoreinheit, welche zumindest die mindestens eine Lichtquelle und den mindestens einen Lichtsensor enthält, sowie in eine Anzeigeeinheit, welche zumindest die Ausgabeeinheit enthält. Die Sensoreinheit ist dabei zweckmäßigerweise an einem vorrangig belasteten Körperteil des Probanden befestigbar, um dort die Messung vornehmen zu können. Die Anzeigeeinheit ist dagegen bevorzugt an einem für den Probanden gut zugänglichen, insbesondere einsehbaren, Ort befestigbar. Beim Einsatz im Laufsport ist die Anzeigeeinheit bevorzugt nach Art einer Armbanduhr am Handgelenk befestigbar. Im Fahrradsport ist es dagegen z.B. sinnvoll, die Anzeigeeinheit derart auszuführen, dass sie auf dem Fahrradlenker befestigbar ist.
  • [0023]
    Zur Datenübertragung sind die Sensoreinheit und die Anzeigeeinheit zweckmäßigerweise über eine Datenübertragungsstrecke miteinander verbunden, die zur Vereinfachung der Handhabung der Vorrichtung zweckmäßigerweise als drahtlose Datenübertragungsstrecke ausgeführt ist. Zur Datenübertragung bieten sich hierbei konventionelle Mittel der drahtlosen Datenübertragung an, z.B. Infrarot-Übertragung oder Funkübertragung.
  • [0024]
    Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • [0025]
    1 schematisch einen Laufsportler als Probanden mit einer Vorrichtung zur Trainingseinstellung,
  • [0026]
    2 in schematischer Draufsicht die eine Sensoreinheit und eine Anzeigeeinheit umfassende Vorrichtung gemäß 1,
  • [0027]
    3 in einer schematischen Prinzipdarstellung die Sensoreinheit gemäß 2,
  • [0028]
    4 in einer schematischen Prinzipdarstellung die Anzeigeeinheit gemäß 2,
  • [0029]
    5 in einem vereinfachten Blockschaltbild das von der Vorrichtung gemäß 2 durchgeführte Verfahren,
  • [0030]
    6 beispielhaft der Verlauf einer von der Vorrichtung gemäß 2 herangezogenen Messgröße im Ruhezustand des Probanden, im aeroben Trainingsbereich sowie im anaeroben Trainingsbereich, und
  • [0031]
    7 ein Darstellungsbeispiel des von der Vorrichtung gemäß 2 ermittelten und dem Probanden angezeigten Leistungsgrads.
  • [0032]
    Einander entsprechende Teile und Größen sind in den Figuren stets mit demselben Bezugszeichen versehen.
  • [0033]
    1 zeigt in einem schematischen Piktogramm die Verwendung einer Vorrichtung 1 zur Trainingseinstellung eines Probanden 2 im Sport. Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 ist hierbei insbesondere zum Einsatz im Laufsport konzipiert. Die Vorrichtung 1 kann jedoch in gleicher Weise auch zur Trainingseinstellung in anderen Sportarten, z.B. im Radsport eingesetzt werden.
  • [0034]
    Die in 2 nochmals in einer schematischen Draufsicht gezeigte Vorrichtung 1 umfasst eine Sensoreinheit 3 sowie eine Anzeigeeinheit 4. Die Sensoreinheit 3 dient zur Messung der venösen Sauerstoffsättigung in einem beim Sport vorrangig belasteten Körperteil des Probanden 2. Im Laufsport wird insbesondere die Beinmuskulatur vorrangig belastet. Die Messung der venösen Sauerstoffsättigung wird deshalb am Oberschenkel 5 des Probanden 2 als vorrangig belastetem Körperteil vorgenommen. Hierfür ist die Sensoreinheit als Band ausgeführt, das am Oberschenkel 5 befestigbar ist. Die Enden 6 der bandartigen Sensoreinheit 3 können hierzu beispielsweise mit einem (nicht näher dargestellten) Klettverschluss verbunden werden. Die Sensoreinheit 3 umfasst zur Messung der venösen Sauerstoffsättigung zwei Lichtquellen 7a und 7b zur Einstrahlung von Licht in den Oberschenkel 5 des Probanden 2. Die Lichtquellen 7a, 7b sind bevorzugt durch Leuchtdioden (LED) realisiert. LED sind aufgrund ihrer hohen Lichtausbeute, kleinen Wärmeentwicklung und sehr kompakten Größe für diesen Zweck besonders geeignet. Die Sensoreinheit 3 umfasst weiterhin zwei Lichtsensoren 8a, 8b zur Messung des reflektierten Lichts.
  • [0035]
    Die Anzeigeeinheit 4 ist nach Art einer Armbanduhr gestaltet und kann am Handgelenk 9 des Probanden befestigt werden. Sie umfasst ein Display 10 sowie seitlich angebrachte Bedienknöpfe 11 zur Auswahl von Anzeigeoptionen, Parametrierung der Vorrichtung 1 etc. Die armbanduhrähnliche Ausgestaltung der Anzeigeeinheit 4, und ihre bestimmungsgemäße Befestigung am Handgelenk 9 ist insbesondere vorteilhaft im Laufsport, zumal auf diese Weise das Display 10 und die Bedienknöpfe 11 auch während der Sportausübung gut einsehbar bzw. bedienbar sind. Durch die Befestigung der Vorrichtung 1 am Handgelenk 9 bzw. Oberschenkel 5 ist gleichzeitig sichergestellt, dass die Vorrichtung 1 den Probanden 2 nicht bei der Sportausübung behindert.
  • [0036]
    Für andere Sportarten kann eine differenzierte Ausgestaltung der Anzeigeeinheit 4 vorteilhaft sein. So ist die Anzeigeeinheit zum Einsatz im Radsport beispielsweise besonders vorteilhaft als Bestandteil eines Fahrradcomputers zu realisieren.
  • [0037]
    Zu Kommunikationszwecken sind die Sensoreinheit 3 und die Anzeigeeinheit 4 über eine Datenübertragungsstrecke 12 miteinander verbunden. Die Datenübertragungsstrecke 12 ist bevorzugt drahtlos ausgeführt. Als Teil der Datenübertragungsstrecke 12 ist deshalb sowohl die Sensoreinheit 3 als auch die Anzeigeeinheit 4 mit jeweils einer Sende- und Empfangseinheit 13a bzw. 13b versehen. Die Sende- und Empfangseinheiten 13a, 13b kommunizieren mittels einer herkömmlichen drahtlosen Datenübertragungstechnik, z.B. Infrarot-Technik oder Funktechnik.
  • [0038]
    Der Aufbau der Sensoreinheit 3 ist in einer schematischen Prinzipdarstellung in 3 näher dargestellt. Hieraus ist erkennbar, dass die Lichtquellen 7a und 7b von einer Sendesteuerung 14 angesteuert sind. Die Lichtsensoren 8a, 8b sind ihrerseits über eine Signalverarbeitungseinheit 15 mit einer Auswerteeinheit 16 verbunden. Diese ist wiederum mit einer Datenschnittstelle 17 verbunden, die die Sende- und Empfangseinheit 13a ansteuert.
  • [0039]
    Die Sendesteuerung 14 steuert die Lichtquellen 7a und 7b derart an, dass diese Licht L in das (schematisch angedeutete) Körpergewebe 18 des Oberschenkels 5 einstrahlen. Das Körpergewebe 18 setzt sich aus Arterien 19, Venen 20 sowie einem nachfolgend vereinfachend als Grundgewebe 21 bezeichneten Rest zusammen, der in nicht weiter differenzierter Weise Haut Bindegewebe, Knochen, etc. umfasst
  • [0040]
    Im Körpergewebe 18 wird ein Teil des eingestrahlten Lichts L reflektiert. Die reflektierte Lichtintensität I setzt sich zusammen aus einem Lichtanteil, der von dem durch die Arterien 19 fließenden Blut reflektiert wird, und der nachfolgend als arterielle Reflexion A1, A2 bezeichnet ist. Ein weiterer Anteil wird von dem in den Venen 20 enthaltenen Blut reflektiert. Dieser Anteil ist nachfolgend als venöse Reflexion V1, V2 bezeichnet. Schließlich wird auch von dem Grundgewebe 21 ein Teil des eingestrahlten Lichts L reflektiert. Dieser Anteil ist als Hintergrundreflexion H1, H2 bezeichnet.
  • [0041]
    Die beiden Lichtquellen 7a, 7b strahlen Licht unterschiedlicher Vellenlänge aus. Die Lichtquelle 7a strahlt hierbei Licht einer ersten Wellenlänge λ1 aus, bei der sauerstoffgesättigtes Blut besonders stark absorbiert. Dies ist insbeson dere im nahinfraroten Lichtbereich bei einer Wellenlänge von λ1 = 940nm der Fall. Die zweite Lichtquelle 7b strahlt Licht L einer Wellenlänge λ2 aus, bei der sauerstoffarmes Blut besonders stark absorbiert. Geeignet hierfür sind insbesondere Wellenlängen im Bereich von λ2 = 600nm.
  • [0042]
    Entsprechend den beiden eingestrahlten Wellenlänge λ1 und λ2 zerfällt auch die reflektierte Lichtintensität in Anteile A1, V1 und H1, die der Wellenlänge λ1 entsprechen, und Anteile A2, V2 und H2, die der Wellenlänge λ2 entsprechen.
  • [0043]
    Durch die Lichtsensoren 8a,8b wird die reflektierte Lichtintensität I wellenlängenselektiv detektiert. Dies ist technisch bevorzugt derart realisiert, dass der Lichtsensor 8a selektiv Licht der Wellenlänge λ1 detektiert, während der Lichtsensor 8b selektiv Licht der Wellenlänge λ2 detektiert. Alternativ ist eine wellenlängenselektive Lichtintensitätsmessung auch mit einem einzelnen Lichtsensor möglich, wenn die Lichtquellen 7a und 7b derart angesteuert sind, dass sie alternierend Lichtpulse aussenden, so dass die der Wellenlänge λ1 zugehörigen reflektierten Lichtanteile A1, V1, H1 einerseits und die der Wellenlänge λ2 zugehörigen Lichtanteile A2, V2, H2 andererseits jeweils zu verschiedenen Zeiten auf dem Lichtsensor auftreffen.
  • [0044]
    Die Lichtsensoren 8a, 8b erzeugen jeweils ein Messsignal, das charakteristisch für die reflektierte Gesamtintensität A1 + V1 + H1 bzw. A2 + V2 + H2 der jeweiligen Wellenlänge λ1 bzw. λ2 ist und nachfolgend als gemessene Lichtintensitäten IM1 bzw. IM2 bezeichnet ist. Die gemessenen Lichtintensitäten IM1 und IM2 werden in der Signalverarbeitungseinheit 15 verstärkt und in digitale Daten umgewandelt.
  • [0045]
    Der zeitliche Verlauf der gemessenen Lichtintensitäten IM1 und IM2 wird in der Auswerteeinheit 16 auf nachfolgend näher beschriebenen Weise ausgewertet. Das Auswertungsergebnis wird anschließend über die Datenschnittstelle 17 und die Sende- und Empfangseinheit 13a an die Anzeigeeinheit 4 weitergeleitet.
  • [0046]
    Die Anzeigeeinheit 4 ist in 4 in einer schematischen Prinzipdarstellung näher gezeigt. Sie umfasst zusätzlich zu dem Display 10 ein mit den Bedienknöpfen 11 kommunizierendes Eingabemodul 22, eine Steuereinheit 23 und eine, die Sende- und Empfangseinheit 13b ansteuernde Datenschnittstelle 24. Das Display 10, der Eingabemodul 22, die Steuereinheit 23 und die Datenschnittstelle 24 sind über Bus- und Signalleitungen 25 für den Datentransfer miteinander verbunden.
  • [0047]
    Die von der Sensoreinheit 3 der Anzeigeeinheit 4 zugeleiteten Daten werden in der Steuereinheit 23 weiter verarbeitet und zur Anzeige aufbereitet. Das Ergebnis wird anschließend auf dem Display 10 zur Anzeige gebracht. Die Steuereinheit 22, die als mit entsprechender Software ausgestatteter Mikrocontroller ausgebildet ist, übernimmt des Weiteren allgemeine Steuerfunktionen. Sie wird hierbei parametriert durch den mit den Bedienknöpfen 11 zusammenwirkenden Eingabemodul 22. Über die Bedienknöpfe 11 können z.B. Anzeigeoptionen eingestellt werden und benutzerspezifische Daten als Parameter für das Auswerteverfahren eingegeben werden.
  • [0048]
    Das von der Auswerteeinheit 16 und der Steuereinheit 23 gemeinsam ausgeführte Mess- und Auswerteverfahren ist in 5 in einem schematischen Blockschaltbild dargestellt. Danach wird zunächst von einer Messanordnung 26, die die Lichtsensoren 8a und 8b sowie die Signalverarbeitungseinrichtung 15 umfasst, die im Körpergewebe 18 reflektierte Lichtintensität I wellenlängenselektiv gemessen. Hierbei werden die gemessenen Lichtintensitäten IM1 und IM2 als Ausgangsdaten erzeugt.
  • [0049]
    In einem ersten Modul 27 wird durch mathematische Verknüpfung der gemessenen Lichtintensitäten IM1 und IM2 eine Messgröße G abgeleitet, an der die weitere Auswertung des Messergebnisses erfolgt. Bevorzugt werden die gemessenen Lichtintensitäten IM1 und IM2 derart verknüpft, dass die Messgröße G ein Maß für die Sauerstoffsättigung im Blut des Körpergewebes 18 darstellt. Die derartige Berechnung der Sauerstoffsättigung von Blut ist an sich bekannt und beispielsweise in B. Schöller, MCC GmbH (Hrsg.) „Pulsoximetrie-Fibel, Theorie zur Pulsoximetrie, Kalibrierung und Messstabilität von Pulsoximetern", MCC GmbH, 2000, 2. Aufl., Kap. 3 beschrieben. Es sind jedoch prinzipiell auch andere mathematische Verknüpfungen der gemessenen Lichtintensitäten IM1 und IM2 denkbar, die ebenfalls eine für die nachfolgend beschriebene Auswertung geeignete Messgröße G erzeugen. Insbesondere zumal die Kenntnis des Absolutwerts der Sauerstoffsättigung im Blut für die nachfolgend beschriebene Auswertung nicht zwingend erforderlich ist, könnte die Messgröße G auch durch Mittelwertbildung zwischen den gemessenen Lichtintensitäten IM1 und IM2 od. dgl. erzeugt werden. In einer noch einfacheren Variante wäre es auch denkbar, eine der Lichtintensitäten IM1 oder IM2 unverändert als Messgröße G heranzuziehen.
  • [0050]
    Ein für die nachfolgend beschriebene Auswertung wichtiges Kennzeichen der im Körpergewebe 18 reflektierten Lichtintensität I besteht darin, dass die Lichtintensität I zeitlich mit der Frequenz des Herzschlags HF des Probanden 2 oszilliert. Dies liegt vor allem daran, dass bei jedem Herzschlag die Arterien 19 des Körpergewebes 18 pulsartig von Blut durchflossen werden. Der von der Arterien 19 reflektierte Lichtanteil A1,A2 ist daher einer starken zeitlichen Schwankung unterworfen, deren Frequenz der Herzfrequenz HF entspricht. Der Einfluss des Herzschlags auf den Blutfluss in den Venen 20 ist dagegen wesentlich schwächer ausgeprägt, so dass die venöse Reflexion V1, V2 nur schwach zeitlich veränderlich ist. Die vom Grundgewebe 21 verursachte Hintergrundreflexion H1, H2 ist sogar in guter Näherung zeitunabhängig.
  • [0051]
    Die Messgröße G spiegelt die Zeitabhängigkeit der gemessenen Lichtintensitäten IM1, IM2 wieder und oszilliert dementsprechend ebenfalls mit der Herzfrequenz HF. Dies ist anhand der in 6 schematisch vereinfacht dargestellten Kurven K1, K2, K3 der Messgröße G im Verlauf der Zeit t dargestellt. Die Kurve K1 stellt dabei den Verlauf der Messgröße G im Ruhezustand des Probanden 2 dar, die Kurve K2 den Verlauf der Messgröße G bei aerober Belastung und die Kurve K3 den Verlauf der Messgröße G bei anaerober Belastung.
  • [0052]
    Zumal die Oszillation der Messgröße G im Wesentlichen von der Zeitabhängigkeit der arteriellen Reflexion A1, A2 herrührt, ist deren Einfluss in jedem Maximum 28, also jedem Wellenberg der oszillierenden Messgröße G besonders stark, während in jedem Minimum 29, also jedem Wellental der Einfluss der venösen Reflexion V1, V2 auf die Messgröße G dominiert. Es ist daher möglich, gezielt die venöse Sauerstoffsättigung zu bestimmen, wenn die Messgröße G lediglich im Bereich der Minima 29 ausgewertet wird. Zu diesem Zweck wird die Messgröße G einem Modul 30 (5) zugeführt, welcher mittels gängiger mathematischen Methoden Minima 29 im zeitlichen Verlauf der Messgröße G erkennt und deren Zeitpunkt tmin sowie den Minimalwert Gmin ermittelt.
  • [0053]
    Ein weiterer Modul 31 analysiert die zeitliche Entwicklung des Minimalwerts Gmin für zeitlich aufeinander folgende Minima 29 und erzeugt in Abhängigkeit dieser zeitlichen Entwicklung eine nachfolgend als Leistungsgrad L bezeichnete Kenngröße, die charakteristisch für den momentanen Stoffwechselzustand des Probanden 2 ist. Bleibt der Minimalwert Gmin während eines vorgegebenen Zeitintervalls innerhalb vorgegebener Toleranzwerte konstant, wie dies anhand der Kurven K1 und K2 (6) dargestellt ist, so gibt der Modul 31 einen Leistungsgrad L aus, der einen aeroben Stoffwechselzustand des Probanden 2 anzeigt. Ist dagegen der Minimalwert Gmin, wie in der Kurve K3 der 6 gezeigt, zeitlich nicht konstant, so gibt der Modul 31 einen Leistungsgrad L aus, der einem anaeroben Stoffwechselzustand des Probanden entspricht. Der Leistungsgrad L ist wahlweise als binäre (z.B. 0 = aerob, 1 = anaerob), diskret differenzierte (z.B ..., –2, –1, 0 = LBP, 1, 2, ...) oder kontinuierlich differenzierte Größe ausgeführt.
  • [0054]
    Zumal die Messgröße G mit der Frequenz des Herzschlags oszilliert, kann aus dem zeitlichen Abstand der Zeitpunkte tmin zweier aufeinander folgender Minima 29 auf einfache Weise die Herzfrequenz HF ermittelt werden. Hierfür ist ein weiteres Modul 34 vorgesehen. Der Leistungsgrad L und die Herzfrequenz HF werden einem Modul 35 zugeführt, das diese Daten zur Anzeige auf dem Display 10 aufbereitet. Der Proband 2 kann somit im Trainingsverlauf jederzeit seine momentane Herzfrequenz HF und seinen momentanen Leistungsgrad L abrufen.
  • [0055]
    Überschreitet der Proband 2 während des Trainingsverlaufs die durch den LBP gekennzeichnete Schwelle zwischen dem aeroben Stoffwechselbereich und dem anaeroben Stoffwechselbereich, so schlägt auch der Leistungsgrad L von einem Wert, der den aeroben Zustand kennzeichnet, um in einen Wert, der den anaeroben Zustand kennzeichnet. Ein Modul 36 überwacht den Wert des Leistungsgrads L während des Trainingsverlaufs dahingehend, dass der Wechsel zwischen dem aeroben Stoffwechselzustand und dem anaeroben Stoffwechselzustand des Probanden 2 erkannt wird. Der Modul 36 ist somit in der Lage, den LBP des Probanden 2 zu ermitteln. Wenn der Stoffwechselzustand des Probanden 2 dem LBP entspricht, so ruft der Modul 36 den zugehörigen Minimalwert Gmin sowie die zugehörige Herzfrequenz HF ab. Diese Werte, die den für den LBP charakteristischen Grenzwerten G0 bzw. HF0 des Minimalwerts Gmin (und damit der venösen Sauerstoffsättigung) bzw. der Herzfrequenz HF entsprechen, werden dem Modul 35 zugeführt und als Vergleichsgröße hinterlegt.
  • [0056]
    Optional ist zusätzlich ein Modul 37 vorgesehen, das aus dem zeitlichen Verlauf der Messgröße G die Maxima 28 herausfiltert und aus den Maximalwerten der Messgröße G in an sich bekannter Weise die Sauerstoffsättigung S des arteriellen Bluts bestimmt.
  • [0057]
    Dem Modul 35 werden somit neben den Momentanwerten des Leistungsgrads L und der Herzfrequenz HF die für den LBP charakteristischen Grenzwerte G0 und HF0 zugeführt. Ferner erhält der Modul 35 optional den Momentanwert der arteriellen Sauerstoffsättigung S. Diese Werte können von dem Modul 35 einzeln oder in einer von dem Probanden 2 auswählbaren Weise verknüpft auf dem Display 10 angezeigt werden.
  • [0058]
    Optional ist weiterhin ein Modul 32 vorgesehen, der vor Trainingsbeginn, d.h. im Ruhezustand des Probanden 2, den Minimalwert Gmin (6, Kurve K1) abruft und als Ruhewert R abspeichert. Dieser Ruhewert R kann zur Kalibrierung der Vorrichtung 1 im Trainingsverlauf von dem momentanen Wert der Messgröße G abgezogen werden. Hierdurch wird insbesondere der Einfluss der belastungsunabhängigen Hintergrundreflexion H1, H2 eliminiert.
  • [0059]
    7 zeigt in einer beispielhaften Ansicht des Displays 10 zwei Varianten, den momentanen Leistungsgrad L in für den Probanden 2 leicht erkennbarer Weise darzustellen. Der Leistungsgrad L wird zum einen in Form eines Säulendiagramms 38 dargestellt. Der LBP ist hierbei durch die Nulllinie des Säulendiagramms 38 gekennzeichnet. Ein negativer Ausschlag des Säulendiagramms 38, wie er in der 7 beispielhaft gezeigt ist, zeigt dem Probanden 2 an, dass sein Stoffwechselzustand aerob ist. Positive Ausschläge des Säulendiagramms 38 würden dagegen einen anaeroben Stoffwechselzustand anzeigen. Der Proband 2 kann darüber hinaus an der Balkenhöhe des Säulendiagramms 38 erkennen, wie weit sein momentaner Stoffwechselzustand vom LBP entfernt ist.
  • [0060]
    Der linke Bereich des Displays 10 enthält dagegen zwei Zahlenfelder 39 und 40. Das erste Zahlenfeld 39 dient der Anzeige der momentanen Herzfrequenz HF des Probanden 2. Das zweite Zahlenfeld 40 dient dagegen der Anzeige des Grenzwerts HF0 der Herzfrequenz, die dem LBP entspricht. Durch die Ge genüberstellung dieser beiden Zahlen kann der Proband 2 wiederum erkennen, in welchem Stoffwechselbereich er sich momentan befindet. Ist die momentane Herzfrequenz HF kleiner als der Grenzwert HF0, so liegt ein aerober Stoffwechselzustand vor. Übersteigt dagegen die momentane Herzfrequenz HF den Grenzwert HF0, so ist der Stoffwechsel des Probanden 2 anaerob.
  • [0061]
    Anstelle der Herzfrequenz könnten in den Zahlenfeldern 39 und 40 auch die venöse Sauerstoffsättigung dargestellt werden. Zur Kenntlichmachung des Leistungsgrads L kann unterstützend auch auf Farb- und/oder Tonsignale zurückgegriffen werden. Es ist weiterhin denkbar, ein zeitlich über den Leistungsgrad L integriertes Signal auf dem Bildschirm 10 anzuzeigen. Der Proband 2 könnte in diesem Fall nicht nur erkennen, in welchem Stoffwechselbereich er sich momentan aufhält, sondern er erhielte zusätzlich eine Information darüber, wie lange er sich in einem der beiden Stoffwechselbereiche aufgehalten hat, sowie gegebenenfalls, ob das zeitliche Verhältnis der beiden Stoffwechselbereiche im zurückliegenden Trainingsverlauf ausgewogen oder unausgewogen war.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Trainingssteuerung im Sport, insbesondere Laufsport, bei welchem – Licht (L) in das Körpergewebe (18) eines Probanden (2) eingestrahlt wird, – die im Körpergewebe (18) reflektierte Lichtintensität (I) gemessen wird, – aus der gemessenen Lichtintensität (IM1, IM2) eine zeitlich oszillierende Messgröße (G) abgeleitet wird, – Minima (29) im zeitlichen Verlauf der Messgröße (G) ermittelt werden und – durch Analyse mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Minima (29) ein Leistungsgrad (L), aus dem der momentane Stoffwechselzustand des Probanden (2) ablesbar ist, erstellt und angezeigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein für aeroben Stoffwechsel charakteristischer Leistungsgrad (L) erstellt wird, wenn der Minimalwert (Gmin) der Messgröße (G) innerhalb vorgegebener Grenzen konstant bleibt, und dass ansonsten ein für anaeroben Stoffwechsel charakteristischer Leistungsgrad (L) erstellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Periode der oszillierenden Messgröße (G) die momentane Herzfrequenz (HF) des Probanden (2) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Leistungsgrads (L) der Laktat-Balance-Punkt (LBP) des Probanden (2) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsgrad (L) in bildhafter Darstellung angezeigt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung des Leistungsgrads (L) die momentane Herzfrequenz (HF) des Probanden (2) in Beziehung mit dem dem Laktat-Balance-Punkt (LBP) entsprechenden Grenzwert (HF0) der Herzfrequenz gestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass die Lichteinstrahlung und die Messung der reflektierten Lichtintensität (I) an einem vorrangig belasteten Körperteil (5) des Probanden (2) vorgenommen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Licht (L) zweier Wellenlängen (λ1, λ2) eingestrahlt wird, und dass die reflektierte Lichtintensität (I) wellenlängenselektiv gemessen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor Belastung des Probanden (2) ein Ruhewert (R) der gemessenen Lichtintensität (I) oder der Messgröße (G) aufgenommen wird, und dass dieser Ruhewert (R) zur Kompensation von reflektierter Hintergrundreflexion (H1, H2) des Körpergewebes (18) herangezogen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ruhewert (R) von der gemessenen Lichtintensität (I) bzw. der Messgröße (G) abgezogen wird.
  11. Vorrichtung (1) zur Trainingssteuerung im Sport, insbesondere Laufsport, mit mindestens einer Lichtquelle (7a, 7b) zur Einstrahlung von Licht (L) in das Körpergewebe (18) eines Probanden (2) und mindestens einem Lichtsensor (8a, 8b) zur Messung der im Körpergewebe (18) reflektierten Lichtintensität (I), mit Auswertemitteln (16, 23), die dazu ausgebildet sind, – aus der gemessenen Lichtintensität (IM1, IM2) eine zeitlich oszillierende Messgröße (G) abzuleiten, – Minima (29) im zeitlichen Verlauf der Messgröße (G) zu ermitteln und – durch Analyse mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Minima (29) einen Leistungsgrad (L) des Probanden (2) zu erstellen, aus dem der momentane Stoffwechselzustand des Probanden (2) ablesbar ist, sowie mit einer Ausgabeeinheit (10) zur Darstellung des Leistungsgrads (L).
  12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (16, 23) dazu ausgebildet sind, aus der Periode der oszillierenden Messgröße (G) die momentane Herzfrequenz (HF) des Probanden (2) zu ermitteln.
  13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine erste Lichtquelle (7a) zur Einstrahlung von Licht (L) einer ersten Wellenlänge (λ1) und eine zweite Lichtquelle (7b) zur Einstrahlung von Licht (L) einer zweiten Wellenlänge (λ2) in das Körpergewebe (18), wobei die reflektierte Lichtintensität (I) wellenlängenselektiv durch den mindestens einen Lichtsensor (8a, 8b) gemessen wird.
  14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Sensoreinheit (3), welche die mindestens eine Lichtquelle (7a, 7b) und den mindestens einen Lichtsensor (8a, 8b) enthält, sowie eine Anzeigeeinheit (4), welche die Ausgabeeinheit (10) enthält, wobei die Sensoreinheit (3) an einem vorrangig belasteten Körperteil (5) des Probanden (2) befestigbar ist und die Anzeigeeinheit (4) an einem für den Probanden (4) gut zugänglichen Ort (9) befestigbar ist, und wobei die Sensoreinheit (3) und die Anzeigeeinheit (4) durch eine Datenübertragungsstrecke (12) miteinander verbunden sind.
  15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungstrecke (12) eine drahtlose Datenübertragungsstrecke ist.
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