DE19547960C1

DE19547960C1 - Gerät zur Berechnung des Energieumsatzes beim Menschen

Info

Publication number: DE19547960C1
Application number: DE1995147960
Authority: DE
Inventors: Gerd Salmutter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2015-12-22

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gerät zur Berechnung des Energieumsatzes beim Menschen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispiels weise aus der DE 28 18 643 A1 bekannt ist.

Die Berechnung des menschlichen Energieumsatzes war zunächst auf hauptsächlich zwei Verfahren beschränkt:

a) die respiratorische Methode
b) die ergometrische Methode.

Das Verfahren unter a) mißt den Energieumsatz über den Sauerstoffverbrauch und ist praktisch nur im Labor anwendbar. Das Verfahren unter b) mißt die erbrachte Leistung auf einem Ergometer (Fahrrad, Laufband) in Watt und berechnet daraus den Energieumsatz. Dieses Verfahren bleibt auf solche Tätigkeiten bezogen, bei denen ein Ergometer eingesetzt werden kann.

Aus den empirischen Ergebnissen sind diverse Schätzverfahren und Tabellen entwickelt worden, die den Energieumsatz für verschiedenste Tätigkeiten (hauptsächlich sportliche Leistungen) angeben. Der große Nachteil dieser Werte besteht darin, daß es sich hierbei um Durchschnittswerte handelt.

Aus der DE 28 18 643 A1 ist ein Gerät zur Berechnung des Energie umsatzes beim Menschen bekannt, bei dem die Pulsfrequenz Fa gemessen wird und auf Grund der in einem Tabellenspeicher abgelegten Daten in Energieeinheiten umgerechnet wird. Aus der EP 05 59 203 A1 ist ein entsprechendes Gerät bekannt, bei dem der Energieumsatz nach einem fest programmierten linearen Zusammenhang ermittelt wird.

Beide Geräte benutzen für die Berechnung des Energieumsatzes die Variable "gemessene Pulsfrequenz". Diese ist aber für eine individuelle Bestimmung des Energieumsatzes nicht ausreichend.

Was bis heute fehlt, ist ein portables Gerät, das eine Person bei unterschiedlichsten Tätigkeiten leicht einsetzen kann, und welches den individuellen - also tatsächlichen - Energieumsatz berechnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Berechnungs-Gerät für den menschlichen Energieumsatz zu entwickeln, das für verschiedene Tätigkeiten im Alltag praktisch einsetzbar ist, und den Energieumsatz individuell genau ermittelt.

Die Aufgabe wird mit dem Gerät gemäß Anspruch 1 gelöst.

Der Ruheumsatz Ur und die Ruhepulsfrequenz Fr werden fest in das Gerät eingegeben.

Die dritte Variable, die aktuelle Pulsfrequenz Fa, wird laufend durch das Gerät gemessen. Die Meßkomponente basiert auf diversen Pulsmeßgeräten, die es heute auf dem Markt gibt, und die handlich und praktisch einsetzbar sind.

Die Berechnung des Energieumsatzes erfolgt durch eine formelmäßige Verknüpfung der drei Variablen.

Das Gerät erfüllt die Ansprüche an die Portabilität und Individualität. Zum einen ist das Gerät leicht handhabbar. Zum anderen handelt es sich bei der gemessenen Pulsfrequenz, dem Ruheumsatz und der Ruhepulsfrequenz um persönliche Variablen, die damit auch das Ergebnis (= Energieumsatz) individuell bestimmen.

Die Funktion des Gerätes basiert auf der Erkenntnis, daß bei körperlicher Tätigkeit sowohl der Energieumsatz wie die Pulsfrequenz steigen. Der Patentverfasser hat nun eine Formel entwickelt, die einen zahlenmäßigen Zusammenhang zwischen der Pulsfrequenz und dem Energieumsatz ausdrückt:
Basis bilden die beiden Ausgangswerte Ruheumsatz (Grundumsatz) und Ruhepulsschlag, die der menschliche Körper in Ruhestellung aufweist. Bewegt sich der Körper (er leistet also Arbeit), erhöhen sich sowohl der Energieumsatz wie auch die Pulsfrequenz.

Sämtliche Untersuchungen zeigen dabei, daß mit erhöhter Arbeitsleistung die Pulsfrequenz überproportional stark ansteigt. Zu einem ähnlichen Ergebnis kommen die Forschungen, wenn die Energieumsatzsteigerung betrachtet wird. Bei erhöhter Arbeitsleistung steigt der Energieumsatz ebenfalls überproportional stark an. Das läßt nun auch einen Zusammenhang zwischen der Pulsfrequenzsteigerung und dem Anwachsen des Energieumsatzes vermuten.

Die Hypothese lautet dementsprechend:
das Verhältnis von Arbeits-Energieumsatz (Energieverbrauch bei bestimmter Arbeitsleistung) zum Ruheenergieumsatz entspricht einem bestimmten Verhältnis der Arbeits-Pulsfrequenz (Pulsfrequenz bei entsprechender Arbeitsleistung) zur Ruhepulsfrequenz.

Sportmedizinische Untersuchungen haben nun ergeben, daß Spitzenathleten ihren Grundumsatz unter Höchstleistungen um das 15- bis 20-fache steigern können. Bei diesen Spitzensportlern wurden dabei Arbeitspulsfrequenzen von 180 Schlägen pro Minute im Verhältnis zu ihren Ruhepulsfrequenzen von ca. 30 Schlägen pro Minute festgestellt. Das einfache Verhältnis (180/60)/(30/60) ergibt nur den Faktor 6. Erst wenn die Arbeitspulsfrequenz zum Quadrat genommen wird, errechnet sich der Faktor 18, der damit mit den früheren Untersuchungsergebnissen übereinstimmt. Der Arbeitsenergieumsatz verhält sich also zum Ruheumsatz wie die quadrierte Arbeitspulsfrequenz zur Ruhepulsfrequenz.

Die formelmäßige Darstellung lautet somit:
Ua/Ur entspricht Fa²/Fr
Ua: Energieumsatz bei bestimmter Arbeitsleistung
Ur: Energieumsatz bei Ruhe (Grundumsatz)
Fa: Pulsfrequenz bei bestimmter Arbeitsleistung
Fr: Ruhepulsfrequenz.

Damit der Arbeitsumsatz unter Ruhebedingung Null ergibt, lautet die Formel folgendermaßen:

Ua/Ur = Fa²/Fr - Fr.

Aufgelöst nach Ua:

Ua = Ur (Fa²/Fr - Fr).

Der Gesamtenergieverbrauch Ug errechnet sich aus Grundumsatz plus Arbeitsenergieumsatz:

Ug = Ur + Ua.

Für Ua wird nun die obige Formel eingesetzt. Die endgültige Formel Ug lautet damit:

Ug = Ur + Ur _* (Fa²/Fr - Fr).

Damit ist nun die theoretische Voraussetzung gegeben, ein Pulsmeßgerät technisch derart zu erweitern, daß es auch den Energieumsatz berechnen kann.

Dieses Gerät besteht aus hauptsächlich 4 Teilen:

1. Pulsmeß-Einheit
2. Eingabe-Einheit
3. Rechen-Speicher-Einheit
4. Ausgabe-Einheit.

1. Die Pulsmeß-Einheit greift auf Geräte zurück, die es bereits auf dem Markt gibt. Das sind heute Armband-Geräte, die entweder über Kabel und Finger-/Ohrclip den Puls ertasten und anzeigen, oder durch drahtlose Übertragung von einem Herzabtastband, das um die Brust getragen wird, die Pulsfrequenz übermittelt bekommen und dann anzeigen.

2. Die Eingabe-Einheit muß über Tasten verfügen, mit denen sich die Werte für den Grundumsatz und der Ruhefrequenz eingeben lassen.

3. Die Rechen-Speicher-Einheit bekommt laufend die aktuelle Arbeitsfrequenz übermittelt und errechnet mit Hilfe der Konstanten Grundumsatz und Ruhefrequenz nach Formel Ug den Gesamtenergieverbrauch pro Sekunde. Dieser Wert wird kontinuierlich seit Meß-Startzeit in verschiedene Speicherzellen eingespeist. Diese Zellen sind u. a. eine Summenzelle und eine Maximalwert-Zelle. Aus diesen gespeicherten Werten lassen sich verschiedene Ergebnisse errechnen, z. B. Energieverbrauch seit Startzeit, Stundenverbrauch, Durchschnittsverbrauch und Maximalverbrauch.

4. Die Ausgabe-Einheit umfaßt einen Anzeige-Bildschirm, auf dem die errechneten Werte dargestellt werden und einer Funktionstaste, die die Berechnung und Anzeige der gewünschten Werte erlaubt.

Vorteile und Einsatzbereiche:

Durch die praxisgerechte Handlichkeit und die Berücksichtigung des individuellen Leistungsverhaltens (Pulsfrequenz) läßt sich das Energieumsatz-Berechnungs-Gerät nutzbringend einsetzen. Im Gesundheitssektor möchte man den persönlichen Energieverbrauch wissen, um individuelle Krankenkost und Diätpläne erstellen zu können. Im Sportbereich (Training und Wettkampf) ist es besonders vorteilhaft, den genauen Energieumsatz zu kennen, um darauf die optimale Sportlerernährung abzustimmen.

Auch für den Normalbürger ist es von Bedeutung, seinen individuellen Energieumsatz zu kennen. Zu einem gesunden Leben gehören neben gesunder Ernährung auch ein bestimmtes Maß an Bewegung. Und Bewegung kostet Energie. Aber gerade hier herrschen diffuse oder gar falsche Vorstellungen. Oft wird ein zu hoher Energieverbrauch pro bestimmter Tätigkeit angenommen. Dies kann wiederum zu überhöhter Energieaufnahme verleiten. Das Gerät bietet hier individuelle Werte und hilft auch bei sporadischer Nutzung, realistische Einschätzung über seinen Energieverbrauch zu bekommen.

Beispiele

Hier sind einige Tabellen aufgelistet, die am Beispiel verschiedener Personen den Energieverbrauch bei wachsender Arbeits-Pulsfrequenz zeigen. Als Grundumsatz wurde der Annäherungswert 1 kcal pro kg Körpergewicht herangezogen. Diese Faustformel gilt auch in der Fachliteratur als relativ genau. Trotzdem sei darauf verwiesen, daß auch genauere Berechnungsverfahren existieren, die noch diverse andere individuellen Variablen benutzen, z. B. das Geschlecht, Alter, Körperoberfläche und Größe.

Da das Gerät den Grundumsatz zur Berechnung benötigt, versteht es sich, daß je exakter dieser Wert eingegeben wird, desto bessere Ergebnisse erzielt werden. Die folgenden Tabellenwerte sollten deshalb unter Berücksichtigung dieses Umstands gelesen werden.

Person 1: Spitzensportler, niedrigster Ruhepuls 70 kg Gewicht (entspr. 70 kcal/Std. Grundumsatz)

Person 5: Durchschnittsperson, normaler Ruhepuls 75 kg Gewicht (entspr. 75 kcal/Std. Grundumsatz)

Person 7: Nichtsportler, stark erhöhter Ruhepuls 90 kg Gewicht (entspr. 90 kcal/Std. Grundumsatz)

Claims

1. Gerät zur Berechnung des Energieumsatzes beim Menschen, mit dem die Pulsfrequenz Fa gemessen und in Energieeinheiten Ug umgerechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung der drei Variablen gemessene Pulsfrequenz Fa, Ruheumsatz Ur und Ruhepulsfrequenz Fr der Energieumsatz Ug nach der Formel Ug = Ur + Ur (Fa²/Fr - Fr)berechnet wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät aus einer Vorrichtung zur Pulsfrequenzmessung besteht, über einen Prozessor verfügt, der den Energie umsatz berechnet, eine Eingabeeinheit für die Grund variablen Ruheumsatz und Ruhepulsfrequenz besitzt und eine Ausgabeeinheit für die errechneten Energieeinheiten enthält.