DE202009015626U1 - Device for the non-invasive determination of threshold load limits in particular sports activity - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur nichtinvasiven Ermittlung von Schwellen-Belastungsgrenzen bei sportlicher Betätigung, unter Verwendung eines EKG oder Pulssensors zur Aufnahme von Messwerten einer Versuchsperson, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalvorverarbeitung vorgesehen ist, in welcher die vom EKG oder Pulssensor bereitgestellten Herzperiodendauern (RR) verarbeitbar sind, dass ein Ringspeicher mit einer Länge von 2 Minuten vorgesehen ist, und dass entweder ein FFT (Fast Fourier Transformation) oder ein Bandpass vorgesehen ist, mittels derer ein Signal-Effektivwert für eine Leistungsstufe (Stufenzeit) ermittelbar ist.Apparatus for the noninvasive determination of threshold exercise limits during exercise, using an ECG or pulse sensor for taking measurements of a subject, characterized in that a signal preprocessing is provided in which the ECG or pulse sensor provided heart period durations (RR) are processable a ring memory is provided with a length of 2 minutes, and that either an FFT (Fast Fourier Transformation) or a bandpass is provided, by means of which a signal rms value for a power stage (stage time) can be determined.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Ermittlung von Schwellen-Belastungsgrenzen bei insbesondere sportlicher Betätigung, unter Verwendung eines EKG oder Pulssensors zur Aufnahme von Messwerten einer Versuchsperson. In allen Ausdauersportarten führt nur ein gezieltes und kontrolliertes Training zu den angestrebten sportlichen Zielen. Eine einfache und objektive Möglichkeit, die individuelle körperliche Belastung beim Training einzuschätzen und zu kontrollieren, ist die eigene Herzfrequenz als Feedback des Körpers. Neben der Herzfrequenz wird dabei auch die Herzfrequenzvariabilität (heart rate variability, HRV), also die (Un)-Gleichmäßigkeit der Zeitabstände aufeinanderfolgender Herzschläge gemessen. Die HRV ist ein sehr sensibler und individueller Parameter, der den Zustand des vegetativen Nervensystems widerspiegelt. Beide Anteile des vegetativen Nervensystems, Sympathikus und Parasympathikus, beeinflussen die momentane Ausprägung der HRV. Die beiden Anteile des vegetativen Nervensystems sind immer im Gleichgewicht und zu wechselnden Teilen aktiv. Während der Sympathikus, der aktivierende Teil des Nervensystems, bei Stress und körperlicher Aktivität in den Vordergrund tritt, was sich anhand der eingeschränkten bis nicht mehr vorhandenen HRV darstellt, überwiegt der Parasympathikus, wenn der Körper in Ruhe ist. in diesem Fall ist die HRV stark ausgeprägt.The invention relates to a device for the noninvasive determination of threshold exercise limits in particular athletic exercise, using an ECG or pulse sensor for recording measured values of a subject. In all endurance sports, only a targeted and controlled training leads to the desired sporting goals. A simple and objective way to assess and control the individual physical stress during training is the own heart rate as feedback of the body. In addition to the heart rate, the heart rate variability (HRV), ie the (un) uniformity of the intervals between consecutive heartbeats, is also measured. HRV is a very sensitive and individual parameter that reflects the state of the autonomic nervous system. Both parts of the autonomic nervous system, sympathetic and parasympathetic, influence the current manifestation of HRV. The two parts of the autonomic nervous system are always in equilibrium and active in changing parts. While the sympathetic, the activating part of the nervous system, comes to the fore in terms of stress and physical activity, which is represented by the limited to no longer present HRV, the parasympathetic nervous system predominates when the body is at rest. in this case the HRV is strong.

Aus der Literatur ist bekannt, speziell aus den Arbeiten von Hottenrott: [ K. Hottenrott u. a.: Herzfrequenzvariabilität und Sport. Aktueller Stand. Herz 3, 2006, Nr. 6 © Urban & Vogel; 4. Int. Symposium Herzfrequenzvariabilität (Abstracts). Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Department Sportwissenschaft. 1. November 2008 ], dass „neben dem klinischen Einsatz in der Risikostratifizierung von plötzlichem Herztod und diabetischer autonomer Neuropathie die Herzfrequenzvariabilität (HRV) nun auch für die Sportwissenschaft und Sportmedizin zunehmend an Bedeutung gewinnt. In diesen Feldern wird die HRV derzeit als leistungsdiagnostische Kenngröße, als Kontrollparameter der Beanspruchung und als Steuerparameter der Belastungsintensität untersucht. Aufgrund der großen empirischen Basis kann es als gesichert gelten, dass aerobes Ausdauertraining bei angemessener Intensität und Dauer bei gesunden Personen sowie bei Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen bis zu einem Alter von 70 Jahren einerseits zu einer Reduktion von Ruhe- und submaximaler Belastungsherzfrequenz, andererseits zu einer Zunahme der instantanen und der globalen HRV führt. Diese Veränderungen, die bereits nach einem 3-monatigen regelmäßigen Ausdauertraining moderaten Umfangs und moderater Intensität nachweisbar sind, reflektieren eine Zunahme der autonomen efferenten kardialen Aktivität mit einer Nettozunahme der vagalen Herzfrequenzmodulation.” Hottenrott bemerkt des Weiteren, dass darin ein prognostischer Nutzen für Personen liegen könnte, die regelmäßig Ausdauersport betreiben.From the literature is known, especially from the works of Hottenrott: K. Hottenrott et al .: Heart Rate Variability and Sport. Current status. Herz 3, 2006, No. 6 © Urban &Vogel; 4th Int. Symposium Heart Rate Variability (abstracts). Martin Luther University Halle-Wittenberg, Department of Sports Science. November 1st, 2008 ] that "in addition to clinical use in the risk stratification of sudden cardiac death and diabetic autonomic neuropathy, heart rate variability (HRV) is now also becoming increasingly important for sports science and sports medicine. In these fields, the HRV is currently being investigated as a performance diagnostic parameter, as a control parameter of the stress and as a control parameter of the stress intensity. Based on the large empirical basis, it can be considered certain that aerobic endurance training with adequate intensity and duration in healthy persons and in patients with cardiovascular diseases up to the age of 70 years on the one hand to a reduction of resting and submaximal loading heart rate, on the other hand leads to an increase in instantaneous and global HRV. These changes, which are detectable after a 3-month period of moderate endurance exercise of modest intensity and moderate intensity, reflect an increase in autonomic efferent cardiac activity with a net increase in vagal heart rate modulation. "Mr. Hottenrott further notes that this may be a prognostic benefit for individuals who regularly practice endurance sports.

Aus der Physiologie ist bekannt, dass akute körperliche Belastung über eine Reihe von Reflexen eine Verschiebung der autonomen Balance zugunsten einer Sympathikusdominanz induziert, die das Ausmaß der resultierenden Belastungstachykardie entscheidend bestimmt. Die autonome Umstellung erfolgt dabei nach Hottenrott in 2 Phasen:

  • • Unmittelbar nach Belastungsbeginn kommt es über eine Aktivierung der arteriellen Barorezeptoren zu einer raschen Abschaltung der efferenten Vagusaktivität und
  • • bei anhaltender und zunehmender Belastung zu einer progressiven Zunahme der efferenten Sympathikusaktivität. Das Verhältnis von Sympathikusaktivierung und Vagusinhibierung ist allerdings wesentlich von der Belastungsintensität abhängig.
It is known from physiology that acute exercise over a range of reflexes induces a shift in autonomic balance in favor of sympathetic dominance, which crucially determines the extent of the resulting stress tachycardia. The autonomous conversion takes place after Hottenrott in 2 phases:
  • • Immediately after the onset of exercise, activation of the arterial baroreceptors rapidly shuts off efferent vagal activity and
  • • with sustained and increasing stress, a progressive increase in efferent sympathetic activity. The ratio of sympathetic activation and vagus inhibition, however, is significantly dependent on the intensity of exercise.

Ein grundsätzliches Problem bei im obigen Sinne durchgeführten HRV-Analysen des Standes der Technik ist die Nichtstationarität der zugrundeliegenden R-R-Herzperioden-Zeitreihen, die vor allem die Ergebnisse der Spektralanalyse verzerren können. Dies gilt während sportlicher Betätigung in besonderer Weise.A fundamental problem with HRV analyzes of the prior art carried out in the above sense is the non-stationarity of the underlying R-R heart period time series which, above all, can distort the results of the spectral analysis. This applies during exercise in a special way.

Eine quantitative Erfassung der kardiovaskulären Aktivitäten von Sympathikus und Parasympathikus (Komponenten des „Steuersystems autonomes Nervensystem”) erfordert eine EKG-Ableitezeit von minimal 120 s, wie mittels Abtasttheorem der Signaltheorie [ Krauß, M und E-G Woschni: Meßinformationssysteme. Kennfunktionen, Gütekriterien, Optimierung. 2. Aufl. VEB Verlag Technik 1975 ] gezeigt werden kann. Dabei wird als untere Grenzfrequenz fg der zu analysierenden Herzperiodendauer-Reihe (auch „Herzperiodendauer-Tachogramm” in der Literatur genannt) die Frequenz 0,1 Hz (genauer 0,04 Hz als untere Grenze des sympathischen Bereiches, der das Intervall 0,04...0,1...0,15 Hz umfasst) zugrunde gelegt. Es gilt nach dem Abtasttheorem die Gleichung
tEKG = 5...10/2fg bzw.
tEKG = (5...) 10/2 0,04 = 62,5...125 s,
wenn tEKG die notwendige EKG-Ableitezeit in [s] darstellt, wobei die Gleichung hier auf die Physiologie des Menschen angewandt wird.A quantitative assessment of the cardiovascular activities of the sympathetic and parasympathetic nervous system (components of the "autonomic nervous system control system") requires an ECG lead time of a minimum of 120 s, as described by the signal of the signal theory [ Krauss, M and EG Woschni: Measurement Information Systems. Characteristic functions, quality criteria, optimization. 2nd edition VEB Verlag Technik 1975 ] can be shown. Here, the lower limit frequency f g of the heart period duration series to be analyzed (also called "heart period duration tachogram" in the literature) is the frequency 0.1 Hz (more precisely 0.04 Hz as the lower limit of the sympathetic region, which has the interval 0.04 ... 0.1 ... 0.15 Hz). The equation applies according to the sampling theorem
t ECG = 5 ... 10 / 2f g or
t ECG = (5 ...) 10/2 0.04 = 62.5 ... 125 s,
if t ECG represents the necessary ECG lead time in [s], applying the equation here to human physiology.

Liegt also (näherungsweise) eine tendenzielle Konstanz der zugrunde zu legenden Herzperiodendauer-Tachogramme, insbesondere abgeleitet aus einem EKG (z. B. clue medical von Telozo GmbH Wien) bzw. eines Pulsmessers (z. B. Pulsuhr Polar Electro Oy Professorintie 5, FIN-90440 KEMPELE), vor, dann sind die mittels bekannter FFT-Analyse abgeleiteten Kenngrößen für die spektralen Bereiche 0,04...0,1...0,15 Hz (Sympathikus) sowie 0,15...0,23...0,4 Hz (Parasympathikus) vergleichbar.Thus there is (approximately) a tendential constancy of the underlying heart period tachograms, in particular derived from an ECG (eg clue medical from Telozo GmbH Wien) or from a heart rate monitor (eg heart rate monitor Polar Electro Oy Professorintie 5, FIN -90440 KEMPELE), before, then the parameters derived by known FFT analysis for the spectral Areas 0.04 ... 0.1 ... 0.15 Hz (sympathetic) and 0.15 ... 0.23 ... 0.4 Hz (parasympathetic) comparable.

Ist der Verlauf der Herzperiodendauer-Tachogramme tendenziell nicht konstant, sondern steigt an oder fällt im Meßzeitraum ab, dann ergeben sich Spektren, die nicht vergleichbar sind. Folglich ist zu postulieren, dass für eine derartige Analyse während der Ableitezeit von 120 s näherungsweise Konstanz erreicht wird. Bei einer i. a. realisierten Herzperiodendauer-Ableitezeit von ca. 5 bis 20 Minuten sind methodenkritisch derartige Voraussetzungen praktisch nicht realisierbar. Messungen unter Belastungen sind bei derartigen Ableitezeiten wegen der langen Mittelungszeiten kaum vergleichbar (Heizperiodendauer-Tachogramme sind nicht „konstant”, also „nicht stationär”), wie nicht zuletzt die verschiedenen Ergebnisse in der Literatur zeigen. Dass sich trotz dieser unzureichenden Analysebedingungen unter Belastung z. T. signifikante Korrelationen zwischen HRV-Indizes und der trainingswirksamen Reizschwelle sowie zum aerobanaeroben Übergang nachweisen ließen, stellt keine Problemlösung dar.If the course of the heart period duration tachograms tends not to be constant, but increases or decreases in the measuring period, then spectra result that are not comparable. Consequently, it can be postulated that for such an analysis, approximately constancy is achieved during the 120 sec rejection time. For an i. a. realized cardiac output duration Ableitezeit of about 5 to 20 minutes are methodically critical such conditions practically impossible. Measurements under loads are hardly comparable in such discharge times because of the long averaging times (heating period duration tachograms are not "constant", ie "not stationary"), as not least the various results in the literature show. That despite these insufficient analysis conditions under load z. T. could show significant correlations between HRV indices and the training stimulus threshold and the aerobanaerobic transition is not a problem solution.

Im physiologischen Sinne versteht man unter einer „Schwelle” die höchstmögliche Belastung bei welcher sich gerade noch ein gleichbleibender Wert (steady state) des beobachteten physiologischen Parameters einstellt. Jede Belastung oberhalb dieses Wertes führt dementsprechend zu einem stetigen Anstieg des Parameters. Die bekannten Laktatschwellen LT sowie IAS, wie in 1 gezeigt, markieren Intensitätsbereiche, bei denen es zu relevanten physiologischen Änderungen in der Energiebereitstellung kommt.In the physiological sense, a "threshold" means the highest possible load at which a steady state value of the observed physiological parameter is just being established. Any load above this value leads accordingly to a steady increase in the parameter. The known lactate thresholds LT and IAS, as in 1 shown, highlight areas of intensity at which there are relevant physiological changes in the energy supply.

Zur näheren Erläuterung sei an dieser Stelle folgendes angeführt: Laktat oder auch Milchsäure entsteht als Nebenprodukt der Energiegewinnung bei intensiven Belastungen. Wenn vermehrt Laktat gebildet wird, dann ist das immer ein Zeichen dafür, dass die beanspruchte Muskulatur nicht hinreichend Sauerstoff zur Energiefreisetzung nutzen kann und stattdessen Glukose abgebaut wird.For a more detailed explanation, the following should be mentioned: Lactate or lactic acid is produced as a by-product of energy production under intensive loads. If more lactate is formed, then this is always a sign that the stressed muscles can not use enough oxygen to release energy and instead glucose is broken down.

Im Ruhezustand liegt die Laktatkonzentration im Blut bei einem bis zwei mmol/l. Eine Trainingsbelastung, die den Laktatkonzentration nicht über zwei mmol/l steigen lässt, wird als aerob bezeichnet. Bei einer Laktatkonzentration zwischen zwei und vier mmol/l befindet man sich im aerob-anaeroben Grenzbereich. Ab einer Laktatkonzentration von über vier mmol/l beginnt der anaerobe Bereich.At rest, the lactate concentration in the blood is one to two mmol / l. A training load that does not allow the lactate concentration to rise above two mmol / l is called aerobic. At a lactate concentration of between two and four mmol / l, the aerobic-anaerobic limit is reached. From a lactate concentration of more than four mmol / l begins the anaerobic area.

Die LT (lactate threshold) ist eine erste Kenngröße auf der Laktatleistungskurve. Sie beschreibt den Beginn des Laktatanstiegs im Blut, der idealerweise aus einem basalen Laktatverlauf auf den niedrigen Belastungsstufen bestimmt wird. Ab diesem Punkt nimmt die Energiegewinnung aus der Verstoffwechselung von Kohlenhydraten langsam zu. Bei weiterer Zunahme der Belastungsintensität wird die maximal kompensierbare Laktatbildung (maximales Laktat-Steady-State) überschritten. Dieser Bereich wird als IAS (individuelle anaerobe Schwelle) bezeichnet. Die anaerobe Schwelle IAS wird methodenkritisch häufig auch mit dem sehr allgemeinen Begriff der Dauerleistungsgrenze gleichgesetzt. Diese Gleichsetzung ist irreführend, da bezüglich der Dauer, für welche die Schwellenintensität aufrecht erhalten soll, in der Literatur keine Angaben bekannt sind.The LT (lactate threshold) is a first characteristic on the lactate production curve. It describes the onset of lactate elevation in the blood, which is ideally determined from a basal lactate history at the low stress levels. From this point, the energy gained from the metabolism of carbohydrates slowly increases. If the load intensity increases further, the maximum compensable lactate formation (maximum lactate steady state) is exceeded. This area is referred to as IAS (individual anaerobic threshold). The anaerobic threshold IAS is frequently equated with the very general concept of the endurance limit. This equation is misleading since no information is available in the literature on the duration for which threshold intensity is to be maintained.

Als zentrale Größe des anaeroben Energiestoffwechsels wird üblicherweise auf jeder Belastungsstufe Laktat aus dem Kapillarblut (Entnahme von 10 μl Blut aus dem Ohrläppchen) gemessen. Gleichzeitig wird die Herzfrequenz aus dem Oberflächen-EKG ermittelt und anschließend untersucherunabhängig eine Laktat-Leistungs-Kurve erstellt.Lactate from the capillary blood (removal of 10 μl of blood from the earlobe) is usually measured at each exercise level as the central variable of the anaerobic energy metabolism. At the same time, the heart rate is determined from the surface ECG and then a lactate-performance curve is created independent of the examiner.

Da die bekannten Laktatmessungen invasiv und aufwändig sind und im unteren Bereich stark fehlerbehaftet und folglich nicht kontinuierlich wiederholbar sowie hauptsächlich dem Leistungssport vorbehalten sind, besteht die die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Ermittlung von Schwellen-Belastungsgrenzen bei sportlicher Betätigung bereitzustellen, welche bei geringem Aufwand die Bestimmung dieser Belastungsgrenzen gewährleisten, weniger fehlerbelastet sind und ein breites Einsatzgebiet aufweisen.Since the known Laktatmessungen are invasive and time-consuming and at the bottom of badly error and therefore not continuously reproducible and mainly reserved for competitive sports, the object of the invention is to provide a device for non-invasive determination of threshold load limits during exercise, which in ensure the determination of these load limits, are less subject to errors and have a wide range of applications.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Schutzanspruchs gelöst.This object is achieved with the characterizing features of the protection claim.

Die nichtinvasive Ermittlung wird folgendermaßen realisiert. Eine Versuchsperson führt einen bekannten Leistungsstufentest am Laufband bzw. Ergometer durch. Dabei ist erfindungsgemäß zu beachten, dass wegen der notwendigen näherungsweisen konstanten Belastung die Zeitdauer der einzelnen Leistungsstufen, Stufenzeit genannt, größer als die Perioden-Ableitezeit, also erfindungsgemäß größer als 2 Minuten, sein muss. Die Perioden-Ableitzeit ist dabei der Zeitbereich, welcher der weiteren Auswertung zugrunde gelegt wird.The noninvasive determination is realized as follows. A subject performs a known power level test on the treadmill or ergometer. It is to be noted according to the invention that because of the necessary approximate constant load, the duration of the individual power stages, called stage time, greater than the period Ableitezeit, so according to the invention must be greater than 2 minutes. The period derivation time is the time range on which the further evaluation is based.

Da für diese Stufenzeit mit ausreichender Näherung konstante Herz-Kreislauf-Verhältnisse vorliegen, lassen sich entsprechende Frequenzparameter (z. B. über Bandpass oder allgemein FFT) ermitteln. Am Ausgang des Bandpasses wird für die entsprechende Leistungsstufe und Stufenzeit der sich einstellende Signal-Effektivwert gebildet. Wird das FFT-Spektrum zugrunde gelegt, so werden für die bekannten Frequenzbereiche 0,04...0,15 Hz (LF-Bereich) und 0,15...0,4 Hz (HF-Bereich) die Flächenintegrale bestimmt. Erfindungsgemäß werden die weiteren Leistungsstufen mit der gewählten Stufenzeit bei weiterem Anstieg der mittleren Herzfrequenz absolviert. Es wurde überraschend gefunden, dass insbesondere im LF-Bereich bei Unterschreitung der spektralen Leistung von 0,5 ± 0,3 ms2 ein anaerober Stoffwechsel vorliegt, also eine Schwelle (IAS), die bisher nur über einen Laktattest bestimmbar war.Since constant cardiovascular conditions are present with sufficient approximation for this stage time, corresponding frequency parameters (eg via bandpass or in general FFT) can be determined. At the output of the bandpass, the resulting signal rms value is formed for the corresponding power stage and stage time. If the FFT spectrum is used, the area integrals are determined for the known frequency ranges 0.04 ... 0.15 Hz (LF range) and 0.15 ... 0.4 Hz (HF range). According to the invention, the further power levels are completed with the selected step time with further increase of the average heart rate. It was surprisingly found that an anaerobic metabolism is present in particular in the LF range when the spectral power of 0.5 ± 0.3 ms 2 is undershot, ie a threshold (IAS), which was previously only determinable via a lactate test.

Die Erfindung soll gemäß nachstehender Beschreibung sowie Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigenThe invention will be explained in more detail according to the following description and exemplary embodiments and figures. Show here

1 ein Beispiel der Laktat- und Herzfrequenzleistungskurve eines Hochleistungssportlers, einschließlich bekannter Schwellen LT und IAS, 1 an example of the lactate and heart rate performance curve of a high performance athlete, including known thresholds LT and IAS,

2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem 33 jährigen Triathleten, 2 an embodiment of the invention in a 33-year-old triathlete,

3 2 min-Zeitauschnitte einschließlich zugehörige FFT-Spektren [a)] und bei Belastung mit 280 W an der aneroben Schwelle [b)], 3 2 min time excerpts including associated FFT spectra [a)] and at 280 W loading at the anerobic threshold [b)],

4 das Signalflussdiagramm zur Ermittlung der erfindungsgemäßen Belastungsschwelle. 4 the signal flow diagram for determining the load threshold according to the invention.

1 zeigt ein Beispiel einer Laktat- sowie einer Herzfrequenzleistungskurve eines Hochleistungssportlers, welche nach einem bekannten Verfahren ermittelt werden. Dabei wird der aerob-anaerobe Übergang von der aeroben (LT) und individuellen anaeroben Schwelle (IAS) begrenzt. 1 shows an example of a lactate and a heart rate performance curve of a high-performance athlete, which are determined by a known method. The aerobic-anaerobic transition is limited by the aerobic (LT) and individual anaerobic threshold (IAS).

In 2 werden als Ausführungsbeispiel der Erfindung die Ergebnisse beim Leistungsstufentest eines 33 jährigen Triathleten bei paralleler Laktatmessung in 3 minütigem Stufen a 20 Watt einschließlich mittlerer Herzfrequenz, spektraler Leistung (Effektivwert) im LF-Bereich mit markierter Schwelle von 0,5 ms2 sowie ermittelte Laktatkonzentrationen aufgezeigt.In 2 As an embodiment of the invention, the results in the power level test of a 33-year-old triathlete in parallel lactate measurement in 3 minute steps a 20 watts including average heart rate, spectral power (RMS) in the LF range with a threshold of 0.5 ms 2 and determined lactate concentrations shown.

Es werden die Verläufe von mittlerer Herzfrequenz sowie der spektralen Leistung im LF-Bereich mit markierter Schwelle von 0,5 ms2 sowie die ermittelten Laktatkonzentrationen dargestellt. Dabei zeigt sich, dass bei diesem Spitzensportler der Effektivwert der spektralen Leistungsdichte im LF-Bereich die 0,5-Grenze an dem Punkt unterschreitet, wo durch parallele Laktatmessung die ermittelte anerobe Schwelle vorliegt: mittlere Herzfrequenz von 153 min–1 und 280 W Leistung bei Laktat 3 mmol/l. Die in 2 aufgezeigten Verhältnisse konnten für Herz-Kreislauf-Gesunde unter Berücksichtigung von Altersabhängigkeiten verallgemeinert werden.The courses of mean heart rate and the spectral power in the LF range with a marked threshold of 0.5 ms 2 as well as the determined lactate concentrations are shown. It shows that in this top athlete the rms value of the spectral power density in the LF range falls below the 0.5 limit at the point where the measured anerobic threshold is present due to parallel lactate measurement: mean heart rate of 153 min -1 and 280 W power Lactate 3 mmol / l. In the 2 shown ratios could be generalized for cardiovascular health taking into account age dependencies.

Zu den Zeitpunkten Ruhe und bei Belastung von 280 W (individuelle anerobe Schwelle) werden in 3 jeweilige 2 min-Verläufe von Herzperioden-Tachogramm einschließlich zugehörige FFT-Spektren bei der Versuchsperson nach 2 dargestellt. Es ist deutlich ersichtlich, dass in beiden Fällen, insbesondere unter Belastung bei b) Konstanz bei der R-R-Zeitreihe „Tachogramm der Herzperioden” mit ausreichender Näherung vorliegt.At rest and at 280 W load (individual anerobic threshold) will be in 3 respective 2 min courses of cardiac cycle tachogram including associated FFT spectra in the subject 2 shown. It can be clearly seen that in both cases, in particular under load at b) there is constancy in the RR time series "tachogram of cardiac periods" with sufficient approximation.

Das Signalflussdiagramm zur Ermittlung der erfindungsgemäßen Belastungsschwelle von 0,5 ± 0,3 ms2 geht aus 4 hervor. Die vom EKG bzw. Pulssensor bereitgestellte Periodik wird signaltechnisch (A/D; QRS-Detektor) vorverarbeitet, nachfolgend in einen Ringspeicher der Länge von 2 min geschrieben. Die 2 min R-R-Zeitreihen können erfindungsgemäß entweder mittels FFT bzw. Bandpassfilterung so verarbeitet werden, dass der Effektivwert ermittelt wird. Nachfolgend wird ein Schwellenvergleich vorgenommen.The signal flow diagram for determining the load threshold according to the invention of 0.5 ± 0.3 ms 2 goes out 4 out. The periodicity provided by the ECG or pulse sensor is pre-processed by signal technology (A / D; QRS detector), subsequently written into a ring memory of length 2 min. According to the invention, the 2 min RR time series can be processed either by means of FFT or bandpass filtering in such a way that the rms value is determined. Subsequently, a threshold comparison is made.

Die Verwendung der Vorrichtung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
Durch eine entsprechende Person wird ein bekannter Leistungsstufentest am Laufband bzw. Ergometer durchgeführt. Wegen der notwendigen jeweiligen konstanten Belastung muss die Zeitdauer der einzelnen Leistungsstufen, Stufenzeit genannt, größer als die Perioden-Ableitezeit, also größer als 2 Minuten, sein.The use of the device is characterized by the following steps:
By a suitable person, a known Leistungsstufentest on the treadmill or ergometer is performed. Because of the required constant load, the duration of the individual power stages, called stage time, must be greater than the period lead time, ie, greater than 2 minutes.

Für die zugrunde gelegte jeweilige Stufenzeit werden mit ausreichender Näherung annähemd konstante Herz-Kreislauf-Verhältnisse erreicht, wobei aus dem abgeleiteten Herzperiodendauer-Tachogramm entsprechende Frequenzparameter (z. B. über Bandpass oder allgemein FFT) ermittelt werden. Am Ausgang eines Bandpasses wird für die entsprechende Leistungsstufe und Stufenzeit der sich einstellende Signal-Effektivwert gebildet.For the underlying respective stage time, approximately constant cardiovascular ratios are achieved with sufficient approximation, whereby corresponding frequency parameters (eg via bandpass or generally FFT) are determined from the derived heart period duration tachogram. At the output of a bandpass, the resulting signal rms value is formed for the corresponding power stage and stage time.

Nun werden für die bekannten Frequenzbereiche 0,04...0,15 Hz (LF-Bereich) und 0,15...0,4 Hz (HF-Bereich) Flächenintegrale bestimmt. Dabei liegt im LF-Bereich bei Unterschreitung der Flächenintegralleistung von 0,5 ± 0,3 ms2 ein anaerober Stoffwechsel vor – eine Schwelle (IAS). Das Unterschreiten der Schwelle (IAS) kann akustisch und/oder optisch signalisiert werden.Now 0.04 ... 0.15 Hz (LF range) and 0.15 ... 0.4 Hz (HF range) surface integrals are determined for the known frequency ranges. An anaerobic metabolism is present in the LF range when the surface integral power falls below 0.5 ± 0.3 ms 2 - a threshold (IAS). Falling below the threshold (IAS) can be signaled acoustically and / or optically.

Zudem ist das Verfahren mit aufgezeichneten R-R-Reihen auch offline möglich.In addition, the process with recorded R-R rows is also possible offline.

Diese Art der Ermittlung von Schwellen-Belastungsgrenzen zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie nichtinvasiv und beliebig wiederholbar ist. Die Bestimmung der Schwellen-Belastungsgrenzen bei sportlicher Betätigung ist aber auch zwischen invasiven Laktatmessungen möglich.This type of determination of threshold load limits is characterized in particular by being non-invasive and repeatable at will. The determination of the threshold exercise limits during exercise is also possible between invasive lactate measurements.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • K. Hottenrott u. a.: Herzfrequenzvariabilität und Sport. Aktueller Stand. Herz 3, 2006, Nr. 6 © Urban & Vogel; 4. Int. Symposium Herzfrequenzvariabilität (Abstracts). Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Department Sportwissenschaft. 1. November 2008 [0002] K. Hottenrott et al .: Heart Rate Variability and Sport. Current status. Herz 3, 2006, No. 6 © Urban &Vogel; 4th Int. Symposium Heart Rate Variability (abstracts). Martin Luther University Halle-Wittenberg, Department of Sports Science. November 1, 2008 [0002]
  • Krauß, M und E-G Woschni: Meßinformationssysteme. Kennfunktionen, Gütekriterien, Optimierung. 2. Aufl. VEB Verlag Technik 1975 [0005] Krauss, M and EG Woschni: Measurement Information Systems. Characteristic functions, quality criteria, optimization. 2nd ed. VEB Verlag Technik 1975 [0005]

Claims (9)

Vorrichtung zur nichtinvasiven Ermittlung von Schwellen-Belastungsgrenzen bei sportlicher Betätigung, unter Verwendung eines EKG oder Pulssensors zur Aufnahme von Messwerten einer Versuchsperson, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalvorverarbeitung vorgesehen ist, in welcher die vom EKG oder Pulssensor bereitgestellten Herzperiodendauern (RR) verarbeitbar sind, dass ein Ringspeicher mit einer Länge von 2 Minuten vorgesehen ist, und dass entweder ein FFT (Fast Fourier Transformation) oder ein Bandpass vorgesehen ist, mittels derer ein Signal-Effektivwert für eine Leistungsstufe (Stufenzeit) ermittelbar ist.Apparatus for the noninvasive determination of threshold exercise limits during exercise, using an ECG or pulse sensor for taking measurements of a subject, characterized in that a signal preprocessing is provided in which the ECG or pulse sensor provided heart period durations (RR) are processable a ring memory is provided with a length of 2 minutes, and that either an FFT (Fast Fourier Transformation) or a bandpass is provided, by means of which a signal rms value for a power stage (stage time) can be determined. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der Leistungsstufe (Stufenzeit) größer ist als eine Perioden-Ableitezeit.Apparatus according to claim 1, characterized in that the duration of the power stage (stage time) is greater than a period Ableitezeit. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer der Leistungsstufe (Stufenzeit) größer ist als 2 Minuten.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the duration of the power stage (stage time) is greater than 2 minutes. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für Frequenzbereiche 0,04...0,15 Hz (LF-Bereich) und 0,15...0,4 Hz (HF-Bereich) mit der Vorrichtung Flächenintegrale bestimmbar sind und dass im LF-Bereich bei Unterschreitung der Flächenintegralleistung von 0,5 ± 0,3 ms2 eine individuelle anaerobe Schwelle (IAS) ermittelbar ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that for frequency ranges 0.04 ... 0.15 Hz (LF range) and 0.15 ... 0.4 Hz (RF range) with the device surface integrals can be determined and that an individual anaerobic threshold (IAS) can be determined in the LF range when the surface integral power falls below 0.5 ± 0.3 ms 2 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über den Bandpass oder allgemein FFT die Frequenzparameter ermittelbar sind, wobei am Ausgang des Bandpasses für die entsprechende Leistungsstufe und Stufenzeit der sich einstellende Signal-Effektivwert bereitgestellt wird.Device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the frequency parameters can be determined via the bandpass or in general FFT, the output signal of the bandpass being provided for the corresponding power stage and stage time of the resulting signal rms value. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch diese weitere Leistungsstufen mit der gewählten Stufenzeit bei weiterem Anstieg der mittleren Herzfrequenz absolviert werden.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that they are completed by this more power levels with the selected stage time with further increase in the average heart rate. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dieser das Unterschreiten der Schwelle akustisch und/oder optisch signalisiert wird.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the falling below the threshold is acoustically and / or optically signaled with this. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit dieser für die zugrunde gelegte jeweilige Stufenzeit mit ausreichender Näherung annähemd konstante Herz-Kreislauf-Verhältnisse erreicht werden und mit dem abgeleiteten Herzperiodendauer-Tachogramm die Frequenzparameter im LF und HF-Bereich bestimmbar sind.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that with this for the underlying respective stage time with sufficient approximation approximately constant cardiovascular ratios are achieved and the derived heart period duration tachogram, the frequency parameters in the LF and RF range can be determined , Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit dieser zusätzlich die Bestimmung der Schwellen-Belastungsgrenzen bei sportlicher Betätigung zwischen invasiven Laktatmessungen erfolgt.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that with this additional determination of the threshold load limits during exercise between invasive lactate measurements.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015015588A1 (en) 2015-12-04 2017-06-08 Dräger Safety AG & Co. KGaA Device for detecting gaseous metabolic products

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102854512B (en) * 2012-09-25 2014-05-07 中国电子科技集团公司第十一研究所 Signal processing method and device for laser doppler speed measurement
CN103105556B (en) * 2013-01-30 2015-01-07 西安交通大学 Intelligent power grid load testing and recognition method based on steady state and transient state characteristic joint matching

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000040151A1 (en) * 1998-12-30 2000-07-13 Robert Sierzega Determining the physical performance of a person
DE10208149A1 (en) * 2001-05-28 2002-12-12 Tonic Fitness Technology Inc Measurement method for determining a person's anaerobic threshold by measurement of the heart beat behavior so that the threshold can be determined without a blood test being required
WO2008028912A2 (en) * 2006-09-07 2008-03-13 Telozo Gmbh Method and device for deriving and evaluating cardiovascular information from curves of the cardiac current, in particular for applications in telemedicine
DE102007025664A1 (en) * 2007-06-01 2009-01-02 Marinow, Nikolai, Dipl.-Ing. Method for automatically registering a subject's physical performance

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000040151A1 (en) * 1998-12-30 2000-07-13 Robert Sierzega Determining the physical performance of a person
DE10208149A1 (en) * 2001-05-28 2002-12-12 Tonic Fitness Technology Inc Measurement method for determining a person's anaerobic threshold by measurement of the heart beat behavior so that the threshold can be determined without a blood test being required
WO2008028912A2 (en) * 2006-09-07 2008-03-13 Telozo Gmbh Method and device for deriving and evaluating cardiovascular information from curves of the cardiac current, in particular for applications in telemedicine
DE102007025664A1 (en) * 2007-06-01 2009-01-02 Marinow, Nikolai, Dipl.-Ing. Method for automatically registering a subject's physical performance

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K. Hottenrott u. a.: Herzfrequenzvariabilität und Sport. Aktueller Stand. Herz 3, 2006, Nr. 6 (CR) Urban & Vogel; 4. Int. Symposium Herzfrequenzvariabilität (Abstracts). Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Department Sportwissenschaft. 1. November 2008
Krauß, M und E-G Woschni: Meßinformationssysteme. Kennfunktionen, Gütekriterien, Optimierung. 2. Aufl. VEB Verlag Technik 1975

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015015588A1 (en) 2015-12-04 2017-06-08 Dräger Safety AG & Co. KGaA Device for detecting gaseous metabolic products
DE102015015588B4 (en) * 2015-12-04 2019-08-29 Dräger Safety AG & Co. KGaA Apparatus for the non-invasive detection of gaseous metabolic products on the skin and method for their continuous analysis

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