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Die
Erfindung bezieht sich auf Training und Sport, und insbesondere
auf Anwendungen, bei denen die Lactatkonzentration in einem menschlichen
Körper
in Verbindung mit dem Training geschätzt wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Effektivität
eines Trainings kann als Trainingsintensität bezogen auf die Zeit beschrieben
werden, wobei die Intensität
beispielsweise als Herzfrequenz bezogen auf die Zeit beobachtet
werden kann. Wenn auf diese Weise eine momentane Trainingsintensität beobachtet
wird, erhält
man eine momentane Stressabschätzung.
Die Wirkung von langfristigem Trainingsstress hängt von dem Individuum so ab,
dass eine Person mit guter Kondition Trainingsstress besser als
eine Person mit schlechter Kondition verkraftet. Beispielsweise
ist es möglich,
dass jeder in der Lage ist, das gleiche Training mit der gleichen
Intensität
auszuführen,
der individuelle Trainingseffekt jedoch unterschiedlich ist: Die
Person mit guter Kondition unterliegt keiner merklichen Ermüdung, während die
Person mit schlechter Kondition das gleiche Training an den extremen
Leistungsgrenzen ausführt.
Die Wirkung des momentanen Stresses auf das Individuum und auf das
individuelle Stressniveau, das man während eines Training erfährt, hängt von
dem vorausgehenden Stress ab.
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Beim
Training ist es wichtig, die Größe des kumulativen
Stresses zu kennen, die bei hartem Stress zunimmt und im Ruhezustand
abnimmt. Die Konzentration von Lactat, d.h. Milchsäure, im
Blut repräsentiert den
kumulativen Stress gut. Die Lactatmenge ist der einzige Indikator, über den
der kumulative Stress in der Praxis gemessen werden kann. Die Erholung
nach dem Training ist wesentlich, sowohl für den Stoffwechsel als auch
für die
Muskelpflege. Aus dem Training resultierender Stressschmerz kann
durch eine gut ausgeführte
Erholungsübung
beträchtlich
verringert werden, wobei die Erholung in kürzerer Zeit erreicht wird und
die Leistungsfähigkeit
der Muskeln und des Systems zur Durchführung des nächsten Trainings wesentlich
verbessert wird. Die wichtigste Funktion der Erholungsübung besteht
darin, die angesammelte Milchsäure,
d.h. Lactat, falls sie vorhanden ist, aus dem Körper schnell und effizient
zu entfernen, so dass das Lactat keinen Schmerz oder Nach-Stresszustände in den
Muskeln verursachen kann. Dies verlangt ein Verfahren, mit dem die
Lactatmenge auf kontinuierlicher Basis abgeschätzt werden kann.
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Nach
dem Stand der Technik kann die Lactatmenge dadurch gemessen werden,
dass eine Blutprobe genommen wird, die analysiert wird. Ein Beispiel
für einen
solchen Stand der Technik ist die
EP
0 947 160 (D1), die sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Messen, Erfassen und Diagnostizieren in Bezug auf Pulswelle,
Herzfunktion und Bewegungsintensität bezieht. D1 offenbart, dass
es zum Messen der Milchsäurekonzentration
erforderlich ist, durch Blutabnahme ihre Konzentration zu prüfen. Deshalb
ist es nach D1 weiterhin nicht möglich,
Messungen während
des Trainings durchzuführen.
Der Stand der Technik hat Nacheile. Die Lactatmessung aus dem Blut
erfolgt einzeln, ist schmerzhaft und langsam und erfordert häufig eine
komplizierte Messanordnung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gegenstand
der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens
zum Abschätzen
der Lactatkonzentration im Körper.
Dies wird durch das im Folgenden beschriebene Verfahren erreicht.
Das Verfahren betrifft die Abschätzung
der Lactatkonzentration im menschlichen Körper in Verbindung mit einem
Training. Das Verfahren misst die Herzfrequenzinformation einer
Person in Form eines oder mehrerer Herzfrequenzparameter für den Einschluss
in ein mathematisches Modell als Eingabeparameter und bildet mittels
eines mathematischen Modells, welches die Lactatkonzentration in
dem Körper
modelliert, ein Lactatkonzentrationsniveau des Körpers der Person als Ausgabeparameter
des Modells für
die Präsentierung
in der Schätzung
der Lactatkonzentration des Körpers.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Herzfrequenzmessanordnung.
Die Herzfrequenzmessanordnung hat eine Messeinrichtung zum Messen
der Herzfrequenzinformation, eine Erstellungseinrichtung zum Erstellen
einer Schätzung
der Lactatkonzentration des Körpers
auf der Basis der gemessenen Herzfrequenzinformation, sowie eine
Präsentiereinrichtung
zum Präsentieren
der erstellten Abschätzung
der Lactatmenge in dem Körper.
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Die
bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Die
Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren und eine Ausrüstung zum
Schätzen
des Lactats, d.h. der Milchsäure,
in dem Körper.
Das Verfahren der Erfindung wird vorteilhafterweise mit Hilfe eines
mathematischen Modells ausgeführt.
In der Beschreibung der Erfindung bezieht sich das mathematische
Modell auf eine Vielzahl von mathematischen Operationen und Regeln,
durch die die Ausgabeparameterwerte aus den Eingabeparameterwerten
erhalten werden. Zu den mathematischen Operationen gehören beispielsweise arithmetische
Operationen, wie Addition, Subtraktion und Multiplikation. Es ist
auch möglich,
das mathematische Modell als Tabelle oder als Datenbank auszuführen, wodurch
ein Ausgabeparameterwert entsprechend einem vorgegebenen Eingabeparameterwert
direkt aus der Datenbank gelesen wird. Das Modell kann eine Vielzahl
von Untermodellen haben, es ist jedoch offensichtlich, dass die
Erfindung nicht darauf beschränkt
ist, wie viele Untermodelle das Modell aufweist. Bei einer Ausgestaltung
der Erfindung ist das mathematische Modell ein neurales Netzwerk,
die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Zu
den Eingabeparametern des Modells gehören ein oder mehrere Herzfrequenzparameter,
die die Herzfrequenz der Person darstellen, beispielsweise die Herzfrequenz
berechnet aus der Herzschlagfrequenz, eine Standardabweichung der
Herzfrequenz, eine Änderungsrate
der Herzfrequenz oder ein ähnlicher
Parameter, der aus der Herzfrequenz berechnet werden kann. Gemäß einer
Ausgestaltung gehören
zu den Eingabeparametern des Modells auch ein oder mehrere physiologische
Parameter, die sich auf das Alter, das Gewicht, die Größe, das
Geschlecht oder eine andere physiologische Eigenschaft der Person
beziehen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
umfassen die Eingabedaten des Modells einen oder mehrere Stressparameter,
beispielsweise die Geschwindigkeit des Läufers, den Widerstand eines Übungsfahrrads,
eine Aktivität, die
mit einem Beschleunigungswandler oder dergleichen gemessen wird.
Mit Hilfe der Herzfrequenz- und physiologischen Parametern ist es
möglich,
eine Schätzung
der körperlichen
Kondition der Person bereitzustellen, beispielsweise auf der Basis
der maximalen Sauerstoffaufnahme. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des
Modells wird während
des Trainings ein Stressniveau des Benutzers auf der Basis der Herzfrequenzinformation
und fakultativ der Stress- und Benutzerinformation erstellt, wobei
auf der Basis dieses Stresspegels die Lactatmenge in dem Körper geschätzt wird.
Es gibt dann keine direkte Korrelation zwischen der Herzfrequenzinformation
und dem Lactat, vielmehr wird die Verbindung über eine Stressniveaudefinition
erstellt, wobei das Stressniveau durch eine Größe der erbrachten Intensität während der
letzten Stunde wiedergegeben werden kann.
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In
Verbindung mit der vorliegenden Beschreibung der Erfindung bezieht
sich ein Training, d.h. eine sportlich Leistung, auf eine körperliche
Leistung, von der wenigstens ein Teil bei einem Arbeitspensumsniveau ausgeführt wird,
das den anaeroben Pegel überschreitet,
wodurch Lactat in den Muskeln des Körpers der Person angesammelt
wird. Die Lactatkonzentration kann auch für einen gegebenen Zeitraum,
beispielsweise für wenige
Stunden vor und nach dem Training, geschätzt werden, so dass die Anwendung
der Erfindung nicht nur auf den Augenblick des Trainings beschränkt ist.
Es kann angenommen werden, dass das Training sich in die folgenden
Phasen aufteilt: Aufwärmen,
aktive Phase, Erholungsphase, wenn das Training vorherging, und darauf
folgend die Ruhephase. Beispielsweise können auf der Basis der Herzfrequenzpegel
und/oder der Arbeitspensumspegel unterschiedliche Phasen definiert
und unterschieden werden. Dann kann beispielsweise die Erholungsphase
als ein Leistungsniveau definiert werden, wenn die Herzfrequenz
von 130 Schlägen
pro Minute auf einen Ruhepegel von 70 Schlägen pro Minute abgefallen ist.
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Bei
der Lösung
der Erfindung zur Schätzung
der Lactatkonzentration in dem Körper
trägt die
Person, deren Lactatkonzentration zu überwachen ist, vorteilhafterweise
einen Herzfrequenzmonitor. Der Herzfrequenzmonitor ist eine Vorrichtung,
die im Sport und der Medizin verwendet wird und die menschliche
Herzfrequenzinformation entweder aus einem elektrischen Impuls,
der vom Herzen übertragen
wird, oder aus dem Druck, der von dem Herzschlag auf eine Arterie
erzeugt wird, misst. Insgesamt haben die Herzfrequenzmonitore einen
Aufbau mit einem Elektrodengurt zum Anlegen um die Brust des Benutzers
herum und zum Messen der Herzfrequenz mittels zweier oder mehr Elektroden.
Der Elektrodengurt überträgt die gemessene
Herzfrequenzinformation induktiv als eine oder mehrere magnetische
Impulse pro Herzschlag auf eine am Handgelenk getragene Empfängereinheit.
Auf der Basis der empfangenen magnetischen Impulse berechnet die
Empfängereinheit
die Herzfrequenz und erforderlichenfalls andere Herzfrequenzvariable,
beispielsweise die laufende Standardabweichung der Herzfrequenz.
Häufig
hat die Empfängereinheit,
d.h. der Handgelenksmonitor, auch eine Anzeige zum Anzeigen der
Herzfrequenzinformation für
den das Training Ausführenden
und eine Benutzerschnittstelle für
die Verwendung anderer Einrichtungen des Herzfrequenzmonitors. In
der oben beschriebenen Situation bezieht sich der Herzfrequenzmonitor
auf die Gesamtheit, die von dem Elektrodengurt und der Empfängereinheit
gebildet wird. Der Herzfre quenzmonitor kann auch eine einstückige Vorrichtung sein,
d.h. die Präsentiereinrichtung
kann ebenfalls an der Brust angeordnet sein, wodurch keine Notwendigkeit besteht,
die Information auf eine gesonderte Empfängereinheit zu übertragen.
Ferner kann der Aufbau des Herzfrequenzmonitors so gestaltet sein,
dass er nur einen am Handgelenk getragenen Monitor aufweist, der ohne
um die Brust herum anzulegenden Elektrodengurt arbeitet und die
Herzfrequenzinformation aus dem Blutgefäßdruck misst. Bei der Beschreibung
der Erfindung bezieht sich die Herzfrequenzmessanordnung auf die
oben beschriebenen Herzfrequenzmonitorlösungen. Die Herzfrequenzmessanordnung
hat auch Lösungen,
bei denen die Herzfrequenzinformation auf einen externen Rechner
oder ein Datennetzwerk übertragen wird,
das die Präsentiereinrichtung,
beispielsweise einen Rechnerbildschirm, aufweist, um die gemessene oder
vom Herzfrequenzmonitor erzeugte Information zu präsentieren.
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Nach
der Erfindung werden ein oder mehrere mathematische Modelle oder
anderen Funktionen, die von dem Modell gefordert werden, vorteilhafterweise
mit Hilfe einer Software für
einen Mehrzweck-Prozessor des Herzfrequenzmonitors ausgeführt. Die
Modelle und Funktionen können
auch mit getrennten Logikbauelementen oder auf andere entsprechende
Weise ausgeführt
werden. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat der
Herzfrequenzmonitor Eingabeeinrichtungen zum Eingeben von Eingabeparametern.
Die einzugebenden Eingabeparameter sind beispielsweise die physiologischen
Parameter des Benutzers und Stressparameter, die das Trainingsarbeitspensum
darstellen. Die Eingabeeinrichtung kann beispielsweise ein Tastenwahlblock
des Herzfrequenzmonitors, eine Anzeigeeinrichtung, die die Steuerung
trägt,
eine Sprachsteuerung, ein Telekommunikationsanschluss für eine Außensteuerung
oder dergleichen sein. Der Herzfrequenzmonitor kann vorteilhafterweise
eine Anzeige sein, die dem Benutzer, dem Übungsleiter, dem Trainer, dem
Arzt oder dergleichen die Lactatkonzentration anzeigen. Anstelle
der Anzeige kann die Lactatkonzentration auch durch Sprachsteuerung über einen
Telekommunikationsanschluss für
die Informationsübertragung
zu einer Außenstelle,
wie einem Rechner, oder auf eine andere entsprechende Weise mitgeteilt
werden. Bei einer Ausgestaltung kann die Lactatkonzentration während der Übung in
einem Speicher des Herzfrequenzmonitors gespeichert werden, von
wo aus die Information später
ausgegeben werden kann.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie nicht-invasiv ist,
d.h. für
den Zugang zur Lactatkonzentration ist die Entnahme von Blutproben,
die schmerzhaft und langsam sind und den Übungsablauf behindern, nicht
erforderlich. Mit Hilfe der Erfindung kann die Lactatmen ge in dem
Körper
auf einer kontinuierlichen Basis verglichen mit den herkömmlichen
Verfahren überwacht
werden, wodurch man gesonderte Abschätzungen der Lactatkonzentration
erhält.
Mit Hilfe der Erfindung ist es weiterhin möglich, das Übungsarbeitspensum auf ein
Niveau einzustellen, das für
die Ansammlung des Lactats in dem Körper und für seine Entfernung aus dem
Körper
optimal ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden wird die Erfindung im Einzelnen unter Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens der Erfindung zeigt,
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2A einen
Modellaufbau einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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2B einen
Modellaufbau einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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2C die
Lactatmengen im Körper
als Funktion des Trainingsverlaufs zeigt,
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3A den
Aufbau eines neuralen Netzwerks veranschaulicht,
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3B die
Funktion des neuralen Netzwerks veranschaulicht,
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4A eine
eine Übung
ausführende
Person zeigt,
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4B einen
Elektrodengurt gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt, und
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4C eine
Herzfrequenzmonitoranordnung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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INS EINZELNE
GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen 1 bis 4C beschrieben. 1 beschreibt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. Beim Schritt 102 wird ein mathematisches
Modell gebildet, dessen Zweck die Definition und Überwachung
der Lactatmenge im Körper
mit Hilfe einer oder mehrerer Herzfrequenzparameter ist. Der Herzfrequenzparameter
bezieht sich beispielsweise auf die Herzfrequenz, die aus der Herzschlagfrequenz
berechnet wird, die Standardabweichung der Herzfrequenz oder einen ähnlichen
aus der Herzfrequenz berechenbaren Parameter. Gemäß einer
Ausführungsform
hat das Modell als einen Eingabeparameter einen oder mehrere physiologische
Parameter, die sich auf das Alter, das Gewicht, die Größe, das
Geschlecht oder andere Parameter beziehen, die physiologische Eigenschaften
der Person darstellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat
das Modell als einzugebende Daten einen oder mehrere Stressparameter,
beispielsweise die Geschwindigkeit des Läufers, den Widerstand des Übungsfahrrads
oder eine Aktivität,
die mit einem Beschleunigungswandler oder dergleichen gemessen wird.
Mit Hilfe der Herzfrequenz und physiologischer Parameter ist es möglich, die
körperliche
Kondition des Benutzers beispielsweise auf der Basis der maximalen
Sauerstoffaufnahme zu bewerten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
des Modells wird das Übungsstressniveau des
Benutzers auf der Basis der Herzfrequenzinformation und fakultativ
des Arbeitspensums und der Benutzerinformation aufgestellt und auf
der Basis des Übungsstressniveaus
die Lactatmenge im Körper
geschätzt. Es
gibt keine direkte Korrelation zwischen der Herzfrequenzinformation
und dem Lactatwert, die Verbindung wird jedoch über eine Stressniveau-Definition
erstellt, wobei das Stressniveau durch eine Größe der erbrachten Intensität während der
letzten Stunde beschrieben werden kann. Bei dieser beispielsweisen
Ausgestaltung ist das Modell vorzugsweise ein zweiteiliges mathematisches
Modell, bei welchem die Ausgabe des ersten Teils, d.h. das Übungsstressniveau,
als Eingabe für
den zweiten Teil verwendet wird. Abgesehen von der Lactatkonzentration
hat eine Ausführungsform
das Übungsstressniveau
als Modellausgangsparameter, das durch Werte zwischen 1 und 100
angegeben wird. Auf der Basis des Übungsstressniveaus ist es somit
möglich
abzuschätzen,
welchen Erfolg die Übung
hatte, und das Übungsstressniveau
zum Planen des Übungsprogramms
zu verwenden, beispielsweise derart, dass auf der Basis des Übungsstressniveaus
die Herzfrequenz während
der Übung,
die Laufgeschwindigkeit oder der Widerstands des Übungsfahrrads
invers gesteuert werden. Ein Vorteil wird durch die Hinzufügung der
oben beschriebenen Eingabeparameter dahingehend erreicht, dass die
Lactatschätzungen
durch das Modell genauer werden, wenn das Modell vielseitiger wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das mathematische Modell nach den oben beschriebenen Ausgestaltungen ein
neurales Netzwerk, das besonders gut auf komplexe biologische Modellierungssituationen
anwendbar ist. Ein physiologischer Hintergrund für das Modell ist durch bekannte
physiologi sche Zwischenbeziehungen bei der Lactaterzeugung bereitgestellt,
was nachstehend im Hinblick auf die Basis des Modells erörtert wird.
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Kohlehydrate,
Fette und Protein bilden hauptsächlich
die menschlichen Energieträger.
Ihr Verbrauch und Anteil hängen
von dem Zustand des Körpers,
den verfügbaren
Nahrungsmittelmengen und der Trainingsintensität ab. Kohlehydrate aus Nahrungsmitteln
stellen Glucose bereit, die in den Muskeln als Glucogen gespeichert
wird. Bei der Glycolyse zersetzt sich die Glucose und gibt Energie
frei. Die Reaktion kann entweder aerob oder anaerob erfolgen.
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Aerober Fall:
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Glucose + O2 → CO2 + H2O + Energie .
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Anaerober Fall:
-
-
Glucose → CO2 + H2O + Lactat
+ Energie
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Zusätzlich zu
der vorstehenden Kohlehydratzersetzung gibt es entsprechende Zersetzungsgleichungen
für die
Zersetzung von Fettsäuren
und Protein, es ist jedoch nicht relevant, diese in diesem Zusammenhang
anzugeben. Die Zersetzung von Fettsäuren in Energie kann nur aerob
erfolgen. In einem Muskel erfordert die Oxidation von Fettsäuren zu
Energie gleichzeitig das Verbrennen von Glucose. Die Muskeln erhalten die
Energie, die für
die Übung
erforderlich ist, aus Adenosintriphosphat (ATP). Ein aus Training
resultierender ATP-Mangel sollte durch Erzeugen von neuem ATP aus
den Energiereserven wieder aufgefüllt werden. Für die ersten
10 bis 15 Sekunden, wenn der Trainingsstress beginnt, bilden Kreatirtreserven
eine ausreichende Energiequelle zur Erzeugung von ATP, das von den
Muskeln gefordert wird. Danach ist es möglich, Energie zu verbrauchen,
die aus der Glucose in dem Körper
erhalten wird. Die Nutzung von Fettsäuren ist bis 15 Minuten nach
dem Anfang des Trainingsstresses nicht möglich. Die Energieerzeugung
ist bei einem maximalen Trainingsstress, der kurz ist und wenigstens
einige zehn Sekunden dauert, hauptsächlich immer aerob. Bei einem Trainingsstress
von wenigen Sekunden wird Energie hauptsächlich durch alaktische Prozesse
mittels Kreatinphosphat erzeugt. Die Kreatinphosphatreserven sind
jedoch gering, und nach zehn Trainingssekunden wird Stressenergie
bereits hauptsächlich
durch Lactat-bildende Prozesse erzeugt. Bei einem maximalen Trainingsstress
von längerer
Dauer, der Minuten dauert, nimmt der Anteil der aeroben Energieerzeugung
zu. Der Langzeitstress verwendet jedoch nahezu die gleichen Energieerzeugungsmechanismen
wie der Kurzzeitstress.
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Die
Lactatmenge, d.h. Milchsäure,
ist eine Gleichgewichtsreaktion im Körper, d.h. Lactat wird erzeugt, und
im Ruhezustand wird eine kleine, jedoch gleiche Menge entfernt.
Wenn das Arbeitspensum zunimmt, wird mehr Lactat erzeugt, jedoch
beginnen die Lactat-Entfernungsmechanismen ebenfalls, mit einer
größeren Geschwindigkeit
zu arbeiten. Wenn der Stress nicht auf einen sehr hohen Wert ansteigt,
sind die Lactat-Entfernungsmechanismen in der Lage, das Lactat mit
der gleichen Geschwindigkeit, wie es produziert wird, zu entfernen.
Die Entfernungsmechanismen haben jedoch eine begrenzte Reaktionsgeschwindigkeit,
und demzufolge wird die Lactatmenge stark von der Art des Arbeitspensums
beeinflusst. Bei einem Intervalltraining wird proportional mehr
Lactat erzeugt als bei einem stetigen Übungsstress. Die Entfernungsmechanismen
haben auch eine spezifische Maximalgeschwindigkeit, deshalb wird
bei einem harten Übungsstress
unvermeidbar mehr Lactat erzeugt als entfernt. Dies führt zu einem
schnellen Anstieg des Lactatwerts im Körper und zur Erschöpfung. Die
Entfernungsmechanismen bei einer fitten Person sind wirksam und
reagieren schnell. Eine Lactatkurve, bei der die Lactatmenge als
Funktion der Herzfrequenz angegeben wird, stellt auf eine bestimmte
Art die Kondition der Person dar. Die Kurve einer nicht fitten Person
wächst
gleichförmiger
als die einer fitten Person. Der Lactatwert einer fitten Person
ist relativ niedrig bis zu einem Niveau von ziemlich hartem Stress.
Bei einem gegebenen Stressniveau, also einer Lactatschwelle, steigt
die Kurve steil. Die Kurvenform kann dadurch erklärt werden,
dass die Lactat-Entfernungsmechanismen einer fitten Person effektiv
sind und schnell auf eine erhöhte
Lactat-Produktionsgeschwindigkeit reagieren. Die Lactatmenge beginnt
nur nach Erreichen der maximalen Lactat-Entfernungsgeschwindigkeit
beträchtlich
anzuwachsen. Dementsprechend sind die Lactat-Entfernungsmechanismen
einer nicht fitten Person schwächer
und folgen einer geringeren Verzögerung
der erhöhten
Lactat-Erzeugungsgeschwindigkeit. Wenn die Lactatkurve bekannt ist,
ist es leicht, das Training und die Erholung zu planen. Das Training
sollte innerhalb des Lactatkurvenbereichs erfolgen, bei dem eine
Entwicklung erwünscht
ist, da das Training neben anderem die Blutzirkulation und demzufolge
den Wirkungsgrad der Entfernungsmechanismen verbessert.
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Beim
Schritt 104 von 1 wird ein neurales Netzwerk
mit einer großen
Menge von Nutzerdaten geschult. Die Nutzerdaten werden vorteilhafterweise
beispielsweise von etwa 1000 Nutzern gesammelt, wodurch das neurale
Netzwerk lernt und in der Lage ist, die Bewertungskoeffizienten
von Synapsen so einzustellen, dass das Modell Ergebnisse liefert,
die so gut wie möglich
sind. Im Schritt 106 wird das Netzwerk mit nutzerspezifischen
Informationen, bei spielsweise physiologischen Parametern und Trainingsstressparametern
beschickt. Das Modell wird vorteilhafterweise vor dem tatsächlichen
Einsatz mittels aktueller Nutzerdaten geeicht. Dies bedeutet für Lactat,
dass die tatsächliche
Lactatmenge im Blut aus dem Blut mehrere Male während des Trainings gemessen
wird und das erhaltene tatsächliche
Messergebnis in das Modell eingegeben wird, das die Parameter des
Modells mit Hilfe einer Rückkoppelung
so kalibriert, dass der gemessene Ist-Wert durch das Modell erhaltbar
ist. Als Ergebnis der Eichung stellt das Modell im tatsächlichen
Einsatz bessere und genauere Schätzungen
der Lactatmenge im Blut bereit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das mathematische Modell in dem Herzfrequenzmonitor eingeschlossen,
dessen Nutzungsphase durch den Verfahrensschritt 106 veranschaulicht
ist. Der Herzfrequenzmonitor misst einen oder mehrere Herzfrequenzparameter aus
der Herzfrequenz der Person und bildet auf der Basis dieser Parameter
eine Schätzung
der Lactatkonzentration in dem Körper.
Im Schritt 110 zeigt der Herzfrequenzmonitor vorteilhafterweise
die Lactatkonzentration des Bluts auf seiner Anzeige, beispielsweise
für den
Nutzer des Herzfrequenzmonitors, für einen Arzt oder einen Trainer.
Anstelle der Anzeige oder zusätzlich
zu ihr kann die Lactatkonzentration oder eine sie wiedergebende
Größe, wie
das Übungsstressniveau
einer Person, in dem Speicher des Herzfrequenzmonitors für eine weitere
Verarbeitung gespeichert werden. Mit Hilfe der Lactatkonzentration
im Körper
ist es möglich
abzuschätzen,
wie erfolgreich eine Trainingssitzung war. Eine übermäßige Lactatkonzentration kann
dann beispielsweise anzeigen, dass das Arbeitspensum/Training auf
einem übermäßig hohen
Arbeitspensumsniveau ausgeführt
worden ist. Die Lactatkonzentration kann deshalb dazu verwendet
werden, das Arbeitspensumsniveau beispielsweise so zu steuern, dass
es hinsichtlich der Laufgeschwindigkeit einer die Übung ausführenden Person
oder des Widerstands eines Trainingsfahrrads gesteuert wird. Die
Lactatkonzentration wird zum Planen eines Übungsprogramms beispielsweise
so eingesetzt, dass die Aufteilung der Geschwindigkeit während des
Trainings auf der Basis von Werten eingestellt wird, die durch die
Lactatkonzentration bereitgestellt werden.
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Im
Folgenden wird das Modell unter Bezug auf die 2A und 2B beschrieben. 2 zeigt
eine bevorzugte Ausgestaltung des mathematischen Modells, das aus
einem Modellaufbau mit zwei Untermodellen 200, 212 besteht.
Es ist offensichtlich, dass das Modell auch ein oder mehr als zwei
Untermodelle 200 aufweisen kann. Das erste Untermodell 200 des
Modells hat als Eingabeparameter ein oder mehrere Herzfrequenzparameter 202 der
Person, beispielsweise die mittlere Herzfrequenz, eine Standardabweichung
der Herzfrequenz oder dergleichen. Ferner hat das Modell als Zuführdaten
ein oder mehrere Stressparameter 204, die den Trai ningsstress
wiedergeben, beispielsweise die Laufgeschwindigkeit oder die Tretgeschwindigkeit
des Trainingsfahrrads. Als dritten Eingabeparametersatz hat das
Modell ein oder mehrere physiologische Parameter 206 der
Person, beispielsweise Alter, Größe, Gewicht
oder Geschlecht. Die oben beschriebenen Eingabeparametersätze 204 bis 206 sind
fakultativ, d.h. sie können
in das Modell individuell oder gleichzeitig eingeschlossen oder
aus dem Modell weggelassen werden. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung wird der erste Teil 200 des Modells als neurales
Netzwerk ausgeführt,
das mit Nutzerdaten geschult worden ist, die Hunderte oder sogar
Tausende von Nutzern aufweisen. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung
gibt der erste Teil des Modells das Stressniveau 208 der
Person während
des Trainings aus. Der Ausgabeparametersatz 210 stellt
ein oder mehrere Konditionsparameter dar, die von dem Modell geliefert
werden und die körperliche
Kondition der Person beschreiben, beispielsweise die maximale Sauerstoffaufnahme
oder den Fitnessindex.
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Der
zweite Teil 212 des Modells hat als Eingabeparameter Informationen,
die das Stressniveau 208 des vorstehend beschriebenen Trainings
wiedergeben und fakultativ einen oder mehrere Konditionsparameter 210,
die die Kondition des Nutzers darstellen, wobei dieser Parameter
wie der Stressniveauparameter als Funktion eines oder mehrerer Herzfrequenzparameter
und vorteilhafterweise auch als Funktion eines oder mehrerer fakultativer
Parameter 204 bis 206 gebildet wird. Bei einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das zweite Untermodell 212 ein
mathematisch gebildetes physiologisches Modell, das die Lactatmenge 214 im
Körper
der Person als Ausgabeparameter auf der Basis der Eingabeparameter 208 bis 210 liefert.
Die Lactatmenge 214 wird als Ausgabe des Modells erhalten.
Das zweite Untermodell 212 ist vorteilhafterweise als neurales
Netzwerk ausgeführt.
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Das
physiologische Basismodell des zweiten Untermodells wird anhand
der Ausführung
in
2B beschrieben. Das Stressniveau
208 einer
Person während
des Trainings wird in das Modell als Eingabe eingegeben. Eine Verzögerungseinheit
212A ermöglicht die
Präsentierung
des Modells in Form eines neuralen Netzwerks entsprechend einer
Ausgestaltung. Da das physiologische Modell vorteilhafterweise die
Form einer Differentialgleichung hat, kann eine diskrete Form des
Modells durch eine Verzögerungseinheit
212 ausgeführt werden,
die für
eine Rückkoppelung
sorgt. Das physiologische Modell mit Einheiten
212B bis
212D kann
einfach durch die Gleichung (1) ausgedrückt werden:
wobei la(t) die Lactatkonzentration,
Ra(t) die Lactat-Erzeugungsgeschwindigkeit, Rd(t) die Lactat-Entfernungsgeschwindigkeit
und V die Lactat-Abbaugeschwindigkeit ist.
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Der
Parameter k in dem Modell stellt die Abhängigkeit von Ra von dem Stressniveau 208,
r die Abhängigkeit
von Rd von dem Stressniveau, n die Abhängigkeit von Rd von la und
s die Abhängigkeit
von Rd von Rdmax dar. Die maximale Lactat-Entfernungsgeschwindigkeit
liegt auf der Lactatschwelle. 2C zeigt
beispielsweise, wie das Modell gebildet wird. In 2C erscheint
auf der x-Achse die Herzfrequenz der Person als Funktion der Zeit
und der fortschreitenden Übung,
wobei die Einheit Schlag/Minute ist, während auf der y-Achse die Lactatmenge
im Blut erscheint und die Einheit mmol/l ist. Die Kurve 222 beschreibt
die gemessene Lactatmenge, während
die Kurve 230 den von dem Modell gegebenen Lactatwert zeigt.
Zur Bildung des Modells werden drei gerade Linien und ihre Neigungen
gesucht. Die Kurve 224 beschreibt die Erzeugungsgeschwindigkeit
von Lactat vor der Lactatschwelle, die sich am Schnittpunkt der
Kurven 224 und 226 befindet. Die Kurve 226 beschreibt
die Erzeugungsgeschwindigkeit von Lactat nach Überschreiten der Lactatschwelle, während die
Kurve 228 die Entfernungsgeschwindigkeit von Lactat nach
dem Training zeigt, wobei der Trainingsstress durch die Kurve 220 beschrieben
wird. Die Lactatschwelle, die sich auf die maximale Lactat-Entfernungsgeschwindigkeit
bezieht, hat in dem Modell eine Hauptbedeutung. Es soll angenommen
werden, dass Personen mit unterschiedlichen Fitnessniveaus zu unterschiedlichen
Lactatstandkategorien gehören.
Bei den Lactatstandkategorien von fitten Personen tritt die Lactatschwelle
bei einem höheren
Herzfrequenzwert und umgekehrt auf. Bei dem Modell besteht die einzige
Funktion der Lactatschwelle darin, den Herzfrequenzwert zu bestimmen,
jenseits dessen die Lactatmenge schneller zunimmt als bei einem
niedrigeren Stressniveau/Herzfrequenzniveau.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird das mathematische Modell zur Ausführung des
Verfahrens der Erfindung als neurales Netzwerk ausgeführt, dessen
Grundprinzip durch die 3A und 3B beschrieben
wird. Das neurale Netzwerk ist eine Art, komplexe Anwendungen, beispielsweise
als Bild- und Sprachidentifizierung, Anwendungen in der Robotik
und Anwendungen in der medizinischen Analyse zu modellieren, deren
Präsentation
als mathematisches Modell sehr schwierig ist. Gemäß 2A hat
das neurale Netzwerk Neuronen, beispielsweise 202A bis 202B, 302A bis 302B,
die eine große
Anzahl von Zwischenabhängigkeiten,
beispielsweise 304A bis 304B haben. Auf die Zwischenabhängigkeiten 304A bis 304B von
Neuronen wird als Synapsen Bezug genommen, während ein Bewertungskoeffizient,
beispielsweise W11, W12, für jede
Synapse bestimmt wird. Die Neuronen, d.h. Knotenpunkte, können einfache
Rechnungen ausführen,
beispielsweise berechnet das Neuron 302A die Summe bewertet
mit den Bewertungskoeffizienten der Synapsen einer höheren Schicht.
Das neurale Netzwerk hat wenigstens eine Eingabeschicht, die die
Neuronen 202A bis 204A aufweist, und eine Ausgabeschicht,
die die Neuronen 216 bis 220 aufweist. Da die
Leistung des zweischichtigen neuralen Netzwerks ziemlich begrenzt
ist, hat das neurale Netzwerk vorteilhafterweise wenigstens eine
versteckte Schicht HL, die die Neuronen 302A bis 302B aufweist.
Zwischen den Neuronen der gleichen Schicht gibt es keine Synapse,
jedoch hat der Knotenpunkt eine Synapse mit allen Neuronen der benachbarten Schichten. 3B zeigt
den Aufbau eines Neurons 302A im Einzelnen. Dem Neuron 302A werden
die jeweiligen Eingabeparameter 202A bis 204A eingegeben,
die durch die Bewertungskoeffizienten P1 bis P3 bewertet sind, wobei
das Neuron für
diese Eingabeparameter eine bewertete Summe S bildet. Das Neuron
gibt die Summe S in eine Aktivierungsfunktion ein, die gewöhnlich eine
nichtlineare Funktion vom S-Typ ist. Das Neuron 302A gibt
den Endwert T aus, und wenn der Endwert zu der Synapse 304 geliefert
wird, wird er mit dem Bewertungskoeffizienten T11 multipliziert,
während,
wenn der Endwert zu dem Knoten 218 geliefert wird, er mit dem
Bewertungsknoten T12 multipliziert wird.
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Schulung
ist ein wesentliches Merkmal des neuralen Netzwerks. In einer speziellen
Schulungsphase werden dem Modell aktuelle Eingabe- und Ausgabewerte
präsentiert,
und das Modell vergleicht sie mit den berechneten Ausgabewerten.
In dem Modell wird eine Differenz zwischen den aktuellen und berechneten
Werten, d.h. ein Fehler, bearbeitet, wobei die Verarbeitung zu einer
Feinabstimmung der Koeffizienten der Synapsen führt, um den Fehler zu minimieren.
Als Folge der Schulungsphase nimmt die Bewertung von signifikanten Synapsen
zu, und die Bewertung von weniger signifikanten Synapsen wird extrem
niedrig.
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4A zeigt
eine Person 400, die ein Training auf einem Laufband 406 ausführt. Die
Herzfrequenz der Person 200 wird mit Hilfe eines Senderelektrodengürtels 402 gemessen,
der um die Brust herum angebracht ist. Die Herzfrequenzmessung wird
von einer Herzfrequenzinformations-Messeinrichtung ausgeführt, die
beispielsweise zwei oder mehr Elektroden 410A bis 410B des
Senderelektrodengürtels 402 hat,
wobei zwischen den Elektroden eine Potenzialdifferenz erzeugt wird,
wenn das Herz schlägt.
Der Senderelektrodengürtel 402 ist
um die Brust der Person herum beispielsweise mit Hilfe eines elastischen
Bandes aus einem elasti schen Material angebracht. Die gemessene
Herzfrequenz wird vorteilhafterweise induktiv zu einem am Handgelenk
getragenen Empfänger 404 gesendet,
der vorteilhafterweise auch eine Anzeige zum Anzeigen der gemessenen
Herzfrequenz hat. Die Erfindung ist auch bei Herzfrequenzmonitoren
verwendbar, bei denen der Elektrodengürtel 402 an der Brust
zusätzlich
zum Messen auch für
ein Speichern, Verarbeiten und Anzeigen der Herzfrequenzinformation
sorgt, wodurch keine Notwendigkeit für eine gesonderte Empfängereinheit 404 besteht.
Der Herzfrequenzmonitor kann auch eine einzige am Handgelenk getragene
Vorrichtung sein, in der der Senderteil und der Empfängerteil
in eine einzige Vorrichtung integriert sind, wodurch keine Notwendigkeit für eine Sender-
und Empfängerelektronik
besteht. Die Herzfrequenz kann am Handgelenk entweder aus einem
EKG-Signal, dem arteriellen Druckpuls oder durch optische Beobachtung
von Änderungen
der Absorption oder Reflexion der Blutzirkulation gemessen werden.
In den vorstehenden Fällen
sind die Herzfrequenzinformations-Messeinrichtung ein Drucksensor oder
eine optische Messvorrichtung.
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4B zeigt
den Elektrodengürtel 402 von 4A im
Einzelnen. In 4B ist der Elektrodengürtel 402 von
der Seite der Elektroden 410A bis 410B, d.h. von
der dem Körper
zugewandten Seite gezeigt. Die Figur zeigt auch Befestigungseinrichtungen 416A bis 416B,
mit denen der Elektrodengürtel 402 an
einem elastischen Band befestigt werden kann, das um die Brust herum
angelegt wird. In 4B ist durch eine gestrichelte
Linie eine Elektronikeinheit 412 zum Verarbeiten der Herzfrequenzinformation
gezeigt, die von den Elektroden 410A bis 410B erhalten
wird. Die Elektroden 410A und 410B sind über Leiter 414A und 414B jeweils mit
der Elektronikeinheit 412 verbunden.
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4C zeigt
die Bauelemente des Senderelektrodengürtels 402 und des
Empfänger 404 anhand
einer Ausführungsform.
Der oberste Teil der Figur zeigt den Senderelektrodengürtel 402,
der Mittelteil einen Abtastwert der Herzfrequenzinformation, die
zu senden ist, und der untere Teil im Wesentlichen die Empfängereinheit 404.
Die Elektronikeinheit 112 des Senderelektrodengürtels 402 empfängt die
Herzfrequenzinformation von den Einrichtungen 410A bis 410B zum
Messen von einem oder mehreren Herzfrequenzinformationsparametern.
Die Messeinrichtungen sind vorteilhafterweise Elektroden, von denen
der Herzfrequenzmonitor wenigstens zwei aufweist, es können jedoch
auch mehr sein. Aus den Elektroden wird das Signal an einen EGK-Vorverstärker 420 abgegeben,
von dem aus das Signal über
einen AGC-Verstärker 422 und
einen Leistungsverstärker 424 zu
einem Sender 426 überführt wird.
Der Sender 426 ist vorteilhafterweise als Spule ausgeführt, die
die Herzfrequenzinformation 430 induktiv zu einem Empfänger sendet,
beispielsweise einer am Handgelenk getragenen Empfängereinheit 404 oder
zu einem externen Rechner.
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Ein
Signalpaket 432A von 5 kHz entspricht beispielsweise einem
Herzschlag, oder eine Anhäufung einer
Vielzahl von Signalpaketen 432A bis 432C kann
einem Schlag entsprechen. Die Intervalle 432A bis 432b der
Signalpakete 430A bis 430C können in der Länge gleich
oder voneinander verschieden sein, wie es im Falle von 4C ist.
Die Information kann induktiv oder alternativ optisch oder beispielsweise über einen
Leiter übertragen
werden. Der Empfänger 404,
beispielsweise der am Handgelenk getragene Empfänger, hat bei einer Ausführungsform
eine Empfängerspule 440,
von der aus das empfangene Signal über einen Signalempfänger 442 zu
einem zentralen Prozessor 444 geliefert wird, der die Operation
von verschiedenen Teilen koordiniert. Alternativ kann der Empfänger 404 auch
einen Speicher 448 zum Speichern der Herzfrequenzinformation und
eine Präsentiereinrichtung 450 zum
Präsentieren
der Herzfrequenz oder der daraus abgeleiteten Herzfrequenzvariablen,
wie der Standardabweichung, aufweisen. Durch die Präsentiereinrichtung 450 ist
es auch möglich,
die Nutzerinformation anzuzeigen, die in Übereinstimmung mit dem Verfahren
der Erfindung relevant ist, beispielsweise die Lactatkonzentration
des Körpers,
der Wert einer laufenden Herzfrequenzänderung, das Arbeitspensumsniveau
der Person oder eine andere entsprechende Information. Die Präsentiereinrichtung 450 hat
beispielsweise eine Anzeige, eine Sprachsteuerung oder Einrichtungen
zum Übertragen
der Herzfrequenz und/oder einer Rückkoppelungsinformation zu
einem externen Rechner oder einem Datennetzwerk, um sie getrennt
von dem Herzfrequenzmonitor zu präsentieren. Die Einrichtungen
zum Übertragen
können
beispielsweise eine Induktionsspule, ein optischer Sender oder eine
Verbindung zum Übertragen über eine
Verbindungsleitung sein. Wenn die gemessene oder vom Herzfrequenzmonitor
erzeugte Information zu einer Ausrüstung außerhalb des Herzfrequenzmonitors,
beispielsweise einem Rechner, übertragen
wird, steht eine Herzfrequenzmessanordnung zur Disposition. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung kann dann die Präsentiereinrichtung in dem Rechner
angeordnet werden, von dem die gemessene Information in Realzeit oder
gespeichert im Speicher 448 des Herzfrequenzmonitors angezeigt
werden kann.
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Der
Herzfrequenzmonitor hat weiterhin eine Erstellungseinrichtung zum
Erstellen einer Bewertung der Lactatkonzentration des Körpers auf
der Basis der Herzfrequenz. Die Erstellungseinrichtung ist vorteilhafterweise
als Recheneinheit 452 des Herzfrequenzmonitors ausgeführt und
schließt
ein mathematisches Modell ein, das beispielsweise ein neurales Netzwerk ist.
Die Erstellungseinrichtung sorgt vorteilhafterweise für die Ausführung der
Verfahrensschritte der Erfindung, bei denen die Lactatmengen und/oder
der Stress in dem Körper
mit Hilfe von Eingabeparametern geschätzt werden. Natürlich braucht
die Berechungseinheit 542 nicht als gesonderte Vorrichtungseinheit
ausgeführt
zu werden, vielmehr können
die Berechnungseinheit 452 und das darin eingeschlossene
mathematische Modell Teil des zentralen Prozessors 444 sein.
Ferner braucht natürlich der
Herzfrequenzmonitor die Recheneinheit nicht notwendigerweise als
gesondertes Vorrichtungsteil aufweisen, vielmehr kann das Modell
beispielsweise in dem zentralen Prozessor 444 ausgeführt werden.
Der Empfänger 404 hat
vorteilhafterweise Eingabeeinrichtungen 446, beispielsweise
ein Tastenpaket oder Sprachsteuereinrichtungen. Durch die Eingabeeinrichtungen 446 ist
es beispielsweise möglich,
die physiologischen Parameter und die Trainingsstressparameter,
die von dem Modell gefordert werden, einzugeben.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Funktionen, Einrichtungen
und Modelle für
die Ausführung
der Verfahrensschritte der Erfindung mit Hilfe einer Software in
einem Mehrzweckprozessor ausgeführt. Diese
Einrichtungen können
auch als ASIC durch gesonderte Logikkomponenten oder durch jedes
entsprechende bekannte Verfahren ausgeführt werden.
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In
der Ausgestaltung von 4C bezieht sich der Herzfrequenzmonitor
auf eine Gesamtheit, die von dem Senderelektrodengürtel 402 und
dem Empfänger 404 gebildet
wird. In einer Ausführung
kann der Herzfrequenzmonitor auch so ausgeführt sein, dass sich die oben
beschriebenen Funktionen, die in dem Senderelektrodengürtel 402 und
dem Empfänger 404 eingeschlossen
sind, in einer Vorrichtung befinden. Diese einteilige Vorrichtung
kann entweder so beschaffen sein, dass sie an der Brust befestigt
wird oder alternativ am Handgelenk getragen wird. Für den Fachmann
ist es klar, dass der Elektrodengürtel 402 und der Empfänger 404 auch
andere Teile als die in 4B und 4C gezeigten
aufweisen können,
es ist jedoch nicht relevant, sie in diesem Zusammenhang zu beschreiben.
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Obwohl
die Erfindung vorstehend unter Bezug auf die Beispiele der beiliegenden
Zeichnungen beschrieben wurde, ist offensichtlich, dass die Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist, sondern auf vielfältige
Weise innerhalb des Rahmens der Erfindungsidee der beiliegenden
Ansprüche
modifiziert werden kann.
