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: [
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.
- • 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 [
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 [
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
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
In
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
Zu den Zeitpunkten Ruhe und bei Belastung von 280 W (individuelle anerobe Schwelle) werden in
Das Signalflussdiagramm zur Ermittlung der erfindungsgemäßen Belastungsschwelle von 0,5 ± 0,3 ms2 geht aus
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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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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2011060782A1 (en) | 2011-05-26 |
DE112010004494A5 (en) | 2013-04-04 |
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