DE69532803T2 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des grades der anstrengung von fitness - und athletik-geräten und zur anzeige der beanspruchung beim training - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des grades der anstrengung von fitness - und athletik-geräten und zur anzeige der beanspruchung beim training Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Anstrengungsbelastungen beim Fitness- oder Sporttraining.
  • Beim Fitness- und Sporttraining wird eine Pulsmessung zur Bestimmung der Anstrengungskapazität oder des Belastungspegels verwendet. Dies basiert auf der Beobachtung, dass zwischen dem Puls und einer zunehmenden Anstrengungskapazität innerhalb des Hauptanstrengungsbereichs eine fast lineare Abhängigkeit vorhanden ist. Die Änderung bei den Energieerzeugungsprozessen von Vitalfunktionen, wie der Atmung, dem Puls und der Muskelwirkung, d.h. dem Metabolismus, wird im Allgemeinen zur Bestimmung von Anstrengungsbelastungen verwendet, beispielsweise mit Hilfe von Milchsäure, die ein Abfallprodukt der Energieerzeugungsprozesse ist.
  • Das Dokument US 3978849 beschreibt Pulsüberwachungssysteme, bei denen die gemessenen Pulswerte auf zwei alternative Weisen angezeigt werden.
  • Das Dokument US 5277189 beschreibt ein hospitalseitiges System zum Erfassen von Informationen zur Vorhersage einer Fehlfunktion oder der Gesundheit des Herzens durch Messen einer Pulsänderung.
  • Wenn eine Person zu trainieren beginnt, fällt der Milchsäuregehalt der Muskeln und des Bluts zuerst etwas unter den Ausgangspegel ab. Die Ursachen sind ein stimulierter Kreislauf sowie Milchsäurezersetzungs- und -entfernungsprozesse, die die Muskelwirkung verbessern. Danach beginnt, wenn der Anstrengungspegel stetig zunimmt, der Milchsäuregehalt in Bezug auf die Belastung linear zuzunehmen. Auf die Anstrengungskapazität, bei der der Milchsäuregehalt seinen Ausgangswert erreicht, wird als aerobe Schwelle Bezug genommen, bei der entsprechende Vitalfunktionspegel, wie der Herzschlag, die Pulsfrequenz und der Sauerstoffverbrauch, bestimmt werden können.
  • Bei Anstrengungskapazitäten, die geringer sind als die aerobe Schwelle, wird Energie aerob erzeugt, d.h. durch Verbrennen hauptsächlich von Fetten und einer kleinen Menge von Kohlehydraten mittels Sauerstoff. Bei Anstrengungskapazitäten, die größer sind als die Schwelle, wird Energie in einem immer zunehmendem Ausmaß anaerob erzeugt, d.h. auf eine Weise, die einen Sauerstoffunterschuss einschließt, wodurch dementsprechend mehr und mehr Milchsäure in den Geweben erzeugt wird. Gleichzeitig nimmt die proportionale Größe der Verwendung von Fetten bei der Energieproduktion ab, und die Kohlenhydrate werden die Hauptenergiequelle.
  • Wenn der Leistungspegel weiter gesteigert wird, wird schließlich eine Situation erreicht, bei der das System nicht länger in der Lage ist, die bei der Energieproduktion erzeugte Menge an Milchsäure zu verarbeiten. Die Gleichgewichtsstörung wird als abrupt zunehmender Gehalt an Milchsäure im Blut und als deutliche Zunahme der Lungenventilation erfasst, was gleichzeitig vor sich geht. Auf diesen Anstrengungspegel, der hinsichtlich des Trainings von Bedeutung ist, wird als anaerobe Schwelle Bezug genommen.
  • Die genaue Bestimmung der aeroben und anaeroben Schwelle erfolgt heute in speziellen Versuchslaboratorien mit Hilfe eines maximalen Belastungstests basierend auf einer Atemgasanalyse. Der Test beginnt mit einer kleinen Belastung. Die Belastung wird ohne Pause in kleinen Schritten mit Intervallen von 2 bis 3 Minuten auf dem ganzen Weg bis zur maximalen Anstrengung gesteigert. Bei den letzten 30 Sekunden eines jeden Belastungspegels werden die Ventilation, der verbrauchte Sauerstoff und das erzeugte Kohlendioxid registriert und eine Blutprobe genommen, um den Milchsäurepegel zu bestimmen. Die Schwellenwerte werden mit Hilfe der Milchsäure und der Atemparameter bestimmt. Die Ergebnisse werden jedoch deutlich von der Art und Weise, wie die Belastung erfolgt, von der Geschwindigkeit der Steigerung der Belastung und von den eingesetzten Belastungspegeln beeinflusst, wobei Schwellenwerte unterschiedlicher Größe bei unterschiedlichen physikalischen Belastungssituationen erhalten werden, beispielsweise bei Verwendung einer Laufmatte und eines Ergometers. Andererseits ist die Wiederholbarkeit der aeroben und anaeroben Schwellen fraglich. Beispielsweise können bei einer Erhöhung einer Belastung in gleitender Weise und nicht in Schritten keine Schwellenerscheinungen festgestellt werden. Als Beispiel wird auf das US-Patent 5,297,558 Bezug genommen, nach dem zur Bestimmung der Anstrengungsbelastung der Person die Person einer Anstrengung ausgesetzt wird, die während des Trainingszeitraums schrittweise zunimmt, damit die Punkte der Diskontinuität in der Pulsänderungskurve, die die Grenzen der verschiedenen Anstrengungsbelastungen anzeigt, ausreichend deutlich erscheinen.
  • Heute wird die Bestimmung der aeroben und anaeroben Schwellen hauptsächlich beim Ausdauertraining von Athleten verwendet, um geeignete Trainingskapazitäten festzustellen und um die Wirkungen des Trainings zu überwachen. In ähnlicher Weise können die Schwellenwerte zur Bestimmung der optimalen Trainingskapazitäten verwendet werden, beispielsweise für eine eine Diät ausführende Person. Wenn den Schwellen entsprechende Pulswerte bekannt sind, kann eine gewünschte Trainingskapazität mit Hilfe einer kontinuierlichen Pulsüberwachung genau aufrechterhalten werden. Die gegenwärtig verfügbaren Verfahren zum Bestimmen der Schwellenwerte basieren auf schwierigen Milchsäure- oder Atemgasmessungen, bei denen die Blutprobenahme, eine teure Laborausrüstung und Personalerfordernisse eine wichtige Rolle spielen. Außerdem basieren die Bestimmungen auf einem Phänomen, dessen Wiederholbarkeit nicht verifizierbar ist.
  • Die aerobe und die anaerobe Schwelle werden somit hauptsächlich beim Überwachung des Leistungspegels von Athleten verwendet. Bei einer Person, die ein Fitnesstraining durchführt, ist die Situation gänzlich anders. Es gibt wenig Leute, die die Möglichkeit haben, teure Labormessungen zur Bestimmung der Schwellenwerte durchzuführen. Andererseits unterscheiden sich die Bedürfnisse einer ein Fitnesstraining ausführenden Person von denen von Athleten. Die genaue Anstrengungsbelastung einer ein Fitnesstraining ausführenden Person wird durch die Übung repräsentiert, die zur Aufrechterhaltung der Gesundheit und zur Verbesserung der Fitness ausreicht, jedoch nicht die Grenze einer sicheren Anstrengung überschreitet. Das Bedürfnis für anaerobes Training ist gering, und der Nachdruck liegt auf aerobem Training. Für die Bedürfnisse von Personen beim Fitnesstraining kann ein Pulsbereich in vier Zielpulsbereiche unterteilt werden. Der niedrigste Kapazitätsbereich, bei welchem der Puls nicht mehr als 55% des maximalen Pulses beträgt, bildet noch kein Ansprechen auf ein ausreichendes Training. Wenn man sich innerhalb eines Kapazitätsbereiches von 55 bis 65% des Maximalpulses bewegt, beginnt ein effizienter Verbrauch von Fetten. Der tatsächliche Zielpulsbereich beim aeroben Training, nämlich 65 bis 85% des Maximalpulses, bietet das beste Endergebnis beim zielorientierten Fitnesstraining. Mit einem Puls, der höher als dieser ist, steigt die Energieerzeugung teilweise auf einen deutlich anaeroben Bereich an. Bei dem gegenwärtig weit verbreiteten Verfahren zur Bestimmung der Zielpulsbereiche werden die genauen Anstrengungsbelastungen basierend auf dem gemessenen oder geschätzten maximalen Puls einer Person bestimmt, die ein Fitnesstraining ausführt. Der maximale Puls kann während einer extremen Anstrengung genau gemessen werden, was jedoch ein Gesundheitsrisiko, insbesondere im Hinblick auf Anfänger beim Fitnesstraining, verursachen kann. Insgesamt werden der maximale Puls und die Trainingspulse auf der Basis des Alters der das Fitnesstraining ausführenden Person über eine Berechnungsformel oder mit Hilfe des Ruhepulses und des maximalen Pulses nach der so genannten Karvonen-Methode abgeschätzt. Da der maximale Puls und der Ruhepuls individuell sind, ist die Fehlergrenze der Bewertungsmethoden groß. Andererseits sind die Schwellenwerte nicht fest, sondern ändern sich beispielsweise, wenn sich das Fitnessniveau ändert. Beispielsweise entspricht die anaerobe Schwelle etwa 60 bis 75% des maximalen Pulses bei Personen, die nicht trainiert haben und die eine schlechte Kondition haben. Bei einem Athleten, der über lange Zeit geübt hat und eine Topkondition hat, kann die Schwelle auch mehr als 80% des maximalen Pulses betragen. Aus diesem Grund passt die Definition von Zielpulsbereichen für einen Großteil von ein Fitnesstraining ausführenden Personen nicht, und die Vorteile des Verfahrens bleiben dürftig.
  • Bei seiner Kontraktion erzeugt das Herz eine Reihe von elektrischen Impulsen, die überall im Körper gemessen werden können. Auf die Messung und Analyse eines solchen Signals ist als Elektrokardiographie (EKG) Bezug genommen. Das aktuelle Signal wird als EKG-Signal bezeichnet. Bei einem EKG-Signal kann man Phasen unterscheiden, die sich aus unterschiedlichen Funktionsstufen des Herzens ergeben. Diese Abschnitte sind die so genannten P-, Q-, R-, S-, T- und U-Wellen (vgl. 1), was nachstehend näher erläutert wird.
  • Aufgrund der Änderung im Sympathikus-Parasympathikus-Gleichgewicht des autonomen Nervensystems treten konstant Änderungen um den mittleren Pulspegel herum auf. Die Änderung des Pulses wird durch die Funktion des kardiovaskularen Steuersystems verursacht. Die Hauptgründe für die Änderung sind Atmungsarrhythmien, eine durch Blutdrucksteuerung verursachte Änderung und eine Änderung, die von der Wärmegleichgewichtssteuerung des Systems herbeigeführt wird. Von diesen Gründen ist der bedeutendste und die größte Änderung verursachende die Atmungsarrhythmie. Die übertragenden Nervensysteme der Pulsänderung können mittels einer Pulsänderungsfrequenzanalyse unterschieden werden. Zur Zeit wird das sympathische Nervensystem als langsam betrachtet, es ist kaum in der Lage, Frequenzen zu übertragen, die größer als 0,15 Hz sind. Im Gegensatz dazu ist die Funktion des parasympathischen Nervensystems schnell, so dass Frequenzen, die höher sind als die vorstehend erwähnte Schwellenfrequenz, durch das parasympathische Nervensystem übertragen werden können.
  • Eine Pulsänderung kann beispielsweise mit Hilfe einer Standardabweichung gemessen werden. Andere im Allgemeinen verwendete Änderungsmesseinheiten sind Spektrumsberechnungsleistungswerte, der Maximalwert der Änderung und die Höhe des Abweichungsdiagramms. Die Standardabweichung unterscheidet nicht die Frequenzkomponenten von Intervallen zwischen R-Wellenspitzen, d.h. R-R-Intervalle, sondern wird von Frequenzen beeinflusst, die von beiden autonomen Nervensystemen übertragen werden. Beim Messen der Standardabweichung der Kurzzeit-R-R-Intervalle während einer Anstrengung kann gerechtfertigt und in einer teilweise vereinfachten Weise gesagt werden, dass die Standardabweichung fast ausschließlich den Anteil der parasympathischen Steuerung bei der Pulswertänderung ist. Dies ist hauptsächlich der Fall aufgrund der Tatsache, dass die stärkste Quelle für eine Änderung (Atemfrequenz) während der Anstrengung unvermeidbar höher ansteigt als diejenigen Frequenzen, die das Sympathikus-Nervensystem übertragen kann.
  • Bei einer Erhöhung der Anstrengungsbelastung aus dem Ruhezustand nimmt der Parasympathikustonus zuerst um Grade ab. Wenn der Pulswertpegel auf einen Pegel von etwa 100 Pulsationen pro Minute angestiegen ist, d.h. auf etwa 56% des maximalen Pulses, beginnt die Sympathikusaktivität anzusteigen und hat einen beträchtlichen Einfluss auf die Pulsfrequenz bei einem Wert von etwa 63% des maximalen Pulses. Bei geringer Anstrengung erfolgt die Zunahme des Pulses fast ausschließlich aufgrund der verringerten Parasympathikusaktivität. Die Pulsänderung nimmt somit direkt proportional zum Verschwinden der Parasympathikussteuerung ab. Nur bei einer höheren Anstrengungsbelastung nimmt das Sympathikusnervensystem an der Steuerung des Pulswertes mit dem parasympathischen teil.
  • Atmungsarrhythmien sind als bedeutendste Ursache für eine Pulsänderung herausgestellt. Die Stärke einer Atmungsarrhythmie hängt sowohl von der Atmungstiefe als auch von der Atmungsfrequenz ab. Die maximale Amplitude wird bei einer Atmungsfrequenz von 5- bis 7-mal pro Minute erreicht. Ferner dämpft die Atmungsarrhythmie stark, wenn die Atmungsfrequenz zunimmt. Die Atmungstiefe beeinträchtigt die Stärke der Arrhythmie bis zu einem Wert, der 50 bis 60% der Atmungskapazität entspricht. Bei einem Volumen, das höher als dieses ist, nimmt die Atmungsarrhythmie nicht mehr zu. Während des Fitnesstrainings überschreitet das Atmungsvolumen diesen Grenzpunkt immer, weshalb die Wirkung davon in diesem Zusammenhang ignoriert werden kann. Die Pulsänderung während einer Leistung kann somit in einem großen Ausmaß als Darstellung der Atmungsfrequenz der Fitness betreibenden Person angesehen werden. Außerdem gehört zum empirischen Wissen bezüglich Fitnesstraining, dass, wenn eine Fitnesstraining betreibende Person in der Lage ist, eine Unterhaltung während ihrer Leistung zu führen, die Anstrengungsbelastung geeignet und das Fitnesstraining aerob ist. Der Energieanforderung des Systems kann somit ohne anaerobe Energieerzeugung genügt werden, und die Milchsäure, die später zu Muskelschmerzen führt, sammelt sich in dem System nicht an. Wenn die das Fitnesstraining betreibende Person andererseits in der Lage ist zu sprechen, wird ihre gesamte Atemkapazität nicht gebraucht. Eine entspannte Atmung verursacht eine relativ weite Pulsänderung. Wenn die An strengungsbelastung der das Fitnesstraining betreibenden Person sich dem anaeroben Bereich nähert, muss sie unvermeidbar damit beginnen, ihre gesamte Atmungskapazität zu nutzen. Die Atmung ist glatt und geht schnell, so dass eine Pulsänderung gering bleibt.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, neue Arten von Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung und Steuerung individueller Trainingskapazitäten von Fitness- und Sporttraining betreibenden Personen bereitzustellen. Gemäß den Prinzipien der Erfindung ist die Bestimmung einer persönlichen Anstrengungsbelastung in jeder Situation möglich und leicht von jedermann durchzuführen. Das Verfahren erfordert nicht notwendigerweise eine andere Ausrüstung als einen Pulsmonitor, der mit den Funktionen nach der Erfindung ausgerüstet ist.
  • Durch Verwendung der Pulsänderung zur Bestimmung der Trainingskapazität nach der Erfindung ist es möglich, eine individuelle Zielpulsbereichsbestimmung durchzuführen, die für die Bedürfnisse einer Fitnesstraining betreibenden Person ausreichend genau ist und die sich an Änderungen anpasst, die in dem System der das Training betreibenden Person auftreten. Die Erfindung ermöglicht so eine Realzeit- und Drahtlosüberwachung der Pulsänderung und somit die Optimierung des Trainings einer Fitnesstraining betreibenden Person ohne in Labors ausgeführte Schwellenwertbestimmungsmessungen.
  • Die Verfahren und die Vorrichtungen der Erfindung sind durch das gekennzeichnet, was in den nachstehenden Ansprüchen offenbart ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung ins Einzelne gehend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
  • 1 die Form eines EKG-Signals zeigt, das von einem Puls verursacht wird,
  • 2 eine Pulsänderungskurve während einer Belastung zeigt,
  • 3 eine Gesamtansicht der Vorrichtung der Erfindung zeigt,
  • 4 ein Funktionsdiagramm der Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zeigt,
  • 5 ein Funktionsdiagramm der Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
  • 6 ein Funktionsdiagramm der Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
  • 7a bis 7e die Bildung eines Pulsänderungssignals aus einem EKG-Signal zeigen.
  • 1 zeigt ein typisches, von einem Puls verursachtes EKG-Signal, dargestellt in einem Zeit-Spannungs-Koordinatensystem. Die oben erwähnten P-, Q-, R-, S- und T-Wellen können in jedem Signal durch eine genaue Messung unterschieden werden. Der höchste Wert R stellt den maximalen Punkt eines EKG-Signals dar, während die von den Punkten Q, R und S, d.h. dem QRS-Komplex gebildete Pulsation den am leichtesten unterscheidbaren Teil des EKG-Signals darstellt. Das Intervall zwischen zwei aufeinander folgenden R-Spitzenwerten wird häufig als R-R-Intervall des EKG-Signals bezeichnet. Durch die Kontraktion der Vorhöfe wird eine P-Welle verursacht. Wenn die Vorhöfe kontrahieren, werden die Kammern mit Blut gefüllt. Der QRS-Komplex, der von den Spitzen der drei Wellen gebildet wird, die die Form des R-Peaks des EKG-Signals bilden, wird erzeugt, wenn sich die Kammern zusammenziehen. Die rechte Kammer pumpt so Blut aus den Venen zu der Lunge, während die linke Kammer Blut aus der Lunge zu den Arterien pumpt. Die Repolarisierung der Kammermuskeln verursacht eine T-Welle, die kleiner und flacher ist als die R-Spitze. Die Zeiträume zwischen den Wellen hängen von der Fortschrittsgeschwindigkeit des Nervenstimulus im Herzen ab. Die Funktion des Schrittmachers des Herzens, d.h. des Sinoatrialknotens, ist in einem EKG-Signal nicht sichtbar.
  • Bei einem gesunden Menschen liegt das EKG-Signal zwischen 1 und 2 mV für die Amplitude gemessen auf der Haut. Beispielsweise liegen der Amplitudenwert und die Dauer, die in der Literatur für eine R-Spitze angegeben werden, bei 1,6 mV und 90 ms, während die entsprechenden Werte für eine P-Welle 0,25 mV und 110 ms betragen. Wenn der Puls als Folge einer Anstrengung beschleunigt, bleiben die Zeitdauern und Amplituden der unterschiedlichen Komponenten des EKG-Signals fast unverändert. Es ist somit bekannt, dass die genaue Messung des Pulses und zugehöriger Phänomene durch Analysieren des EKG-Signals des Pulses möglich ist.
  • Der einfachste Ausgangspunkt, um den Zeitsteuerpunkt eines EKG-Signals genau zu bestimmen, ist die Erfassung des QRS-Komplexes. In einem störungsfreien Zustand kann der QRS-Komplex auf ziemlich einfache Weise mittels eines Spitzenwertdetektors gemessen werden. Um die Anzahl der Störungen, die in praktischen Situationen auftreten, zu reduzie ren, wird eine bestimmte Art einer Filterung bei genauen Analysen verwendet. Dafür können die folgenden Beispiele genannt werden:
    • – Bandpassfilterung, mit der die Frequenzen in dem QRS-Komplex hervorgehoben und die QRS-Komplexe von einem ausgefilterten Signal durch Verwendung irgendeiner nicht-linearen Folgerungsregel separiert werden, die auf irgendeiner leicht unterscheidbaren Eigenschaft des QRS-Komplexes basiert, beispielsweise der Anstiegsgeschwindigkeit, der Amplitude usw.,
    • – Anpassfilterung, bei welcher der QRS-Komplex beispielsweise in einem FIR-Filter durch die Filterkoeffizienten modelliert und eine Querkorrelation zwischen dem hereinkommenden Signal und dem QRS-Komplex berechnet wird, die als Koeffizienten vorgesehen werden,
    • – Mustererkennungsverfahren, bei welchem das verarbeitete Signal in eine Reihe von Spitzen unterschiedlicher Breiten und Höhen parametrisiert wird. Mittels der Mustererkennung werden die Spitzen aufgrund der Funktionsstadien des Herzens erkannt, wenn möglich bei einem EKG-Signal. Das Verfahren kann auch zur Erfassung von anderen Steuerzeitpunkten als von denjenigen erfasst werden, die auf dem QRS-Komplex basieren.
  • Die Entwicklung von Mikroprozessoren ermöglicht die Ausführung von einem oder mehreren komplizierten Digitalfilteraufbauten, ohne dass die Größe der Vorrichtung und der Stromverbrauch zunehmen. Die Steuerzeitpunkt-Erkennungsverfahren, die vorstehend kurz aufgelistet sind, bilden somit nur einen Teil von variablen Algorithmen. Weitere Verfahren werden kontinuierlich entwickelt.
  • 2 zeigt das Verhalten der Pulsänderung entsprechend der Anstrengungsbelastung. Die Kurve ist auf der Basis von Standardabweichungen gezeichnet, die aus 100 aufeinander folgenden R-R-Intervallen berechnet werden. Die Figur zeigt eine deutliche nichtlineare Abnahme der Änderung, wenn die Anstrengung erhöht wird. Wenn die insgesamt akzeptierten oberen und unteren Grenzen des aeroben Trainingsbereichs von 85% und 65% des maximalen Pulswertes in die Figur eingezeichnet werden, kann man sehen, dass sie mit den Punkten 4 ms bzw. 10 ms auf der Änderungsachse zusammenfallen. Studien haben ergeben, dass der Wert der Pulsänderung deutlich mit anderen, während der Anstrengung gemessenen physiologischen Quantitäten korrelieren, beispielsweise einer maximalen Sauerstoffaufnahmekapazität, einer Ventilationsschwelle oder der anaeroben Schwelle. Das Diagramm von 2 ist benutzer-, sport- und Messperioden-spezifisch. Die Änderungskurve ist somit hier nur als Beispiel gezeigt, da, wenn sich einige der erwähnten Ausgangspunkte ändern, die begrenzenden Punkte der Kurve von dem abweichen können, was hier gezeigt ist.
  • Bei vorhandenen Pulsmonitoren, die den Puls filtern, verhindert die Mittelung, die eine momentane Pulsänderung nivelliert, dass die Pulsänderung im Einzelnen analysiert wird. Bei der Signalverarbeitung schneidet die Tiefpassfilterung als Mittelungseinrichtung, die in diesem Zusammenhang verwendet wird, das schnelle Änderungssignal aus dem Pulssignal weg.
  • Bei dem Verfahren der Erfindung wird ein EKG-Signal an der Brust oder einem anderen Körperteil einer mit Fitnesstraining befassten Person gemessen, und dieses Signal wird zu einem Empfänger übertragen, beispielsweise in vorhandenen Pulsmonitoren. Die Auflösung des Pulssenders bei der Definition der Zeitsteuerinformation aufeinander folgender EKG-Signale liegt wenigstens im Bereich von 1 ms. Der Puls der übenden Person wird während der gesamten Leistung konstant überwacht. Der Pulsmonitor misst in Abweichung von Mittelungsmonitoren irgendeinen unzweideutigen Zeitsteuerpunkt eines jeden EKG-Signals, beispielsweise das R-R-Intervall, das man aus QRS-Komplexen erhält, und berechnet die Standardabweichung des Pulses oder irgendeiner anderen Änderungsanzeige aus den gesammelten Intervallen. Der Pulsmonitor überwacht die Entwicklung der Änderung konstant und liefert einen entsprechenden Zielpulsbereich oder gibt alternativ einen Alarm, wenn ein vorher eingestellter Zielpulsbereich überschritten oder nicht erreicht wird.
  • 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Vorrichtung der Erfindung. Prüft man auf diesem Niveau, so unterscheidet sich die Erfindung nicht von herkömmlichen drahtlosen Pulsmonitoren. Bei dem in 3 gezeigten telemetrischen Pulsmonitor sind EKG-Elektroden (nicht gezeigt) mit unterschiedlichen Eingangspolen an einem EKG-Vorverstärker 1 verbunden. Das Pulsignal, das von dem Vorverstärker geliefert wird, wird in einem AGC-Verstärker 2 verstärkt, der zur Steuerung eine Leistungsverstärkers 3 verwendet wird, in dem ein Spulen 4 steuerndes Pulssignal erzeugt wird, wobei das Intervall zwischen den Signalpulsen das gleiche ist wie das Intervall zwischen den Herzpulsationen. Dadurch wird in den Spulen 4 ein Magnetfeld erzeugt, das sich mit dem Rhythmus des Pulses ändert. Das von der Empfangsspule 5 erfasste Magnetfeld wird in einem sensitiven Vorverstärker 6 verstärkt, wonach das Signal einem Signalverstärker 7 zugeführt wird. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker wird in einem Mikrorechner 8 verarbeitet, der die Pulsinformation, die er berechnet hat, in einem Speicher 9 speichert, die Pulsänderungsinformation berechnet und die geforderten Daten auf einem Flüssigkristallschirm 10 anzeigt.
  • 4 zeigt ein Funktionsdiagramm der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Funktionen nach dem Diagramm sind vorzugsweise in der Software des Rechners 8 des Pulsmonitors enthalten. Der Zweck besteht darin, die Anstrengungsbelastungen einer mit einem Fitness- oder Sporttraining befassten Person durch Messen seines Pulses zu bestimmen und die Messergebnisse zu analysieren. Abhängig davon, ob der gewünschte Trainingszeitraum teilweise aerob ist, d.h. Ausdauerbasistraining, Tempoausdauertraining, anaerobes Intervalltraining oder ein anderes Training, das mittels der Pulsänderung überwacht wird, ist es möglich, mit Hilfe der Erfindung (siehe 2) diejenigen Anstrengungswerte, d.h. Pulsänderungsbereiche, zu bestimmen, in denen ein gewünschter Energiemetabolismusprozess des Körpers existiert. Das Training, von dem eines im aeroben und eines im anaeroben Bereich erfolgt, stellt präzise unterschiedliche Energie-Metabolismusprozesse dar.
  • In 4 wird die Pulsmessung, die die Basis des Vorgehens ist, im Block 11 gemessen. Mittels des Pulsmonitors werden der Puls der Person und der Zeitabschnitt wenigstens einer Wellenform des EKG-Signals, beispielsweise des QRS-Komplexes, während des Trainingszeitraums gemessen.
  • Danach wird der momentane Puls im Block 12 auf der Basis von entsprechenden EKG-Signalwellenformabständen berechnet und eine mögliche Formung, beispielsweise mit einem geeigneten Digitalfilter, durchgeführt. Das Pulssignal kann vorzugsweise in Verbindung mit der Entfernung langsamer, das Ergebnis störender Prozesse hochpassgefiltert werden, wobei diese Prozesse auf plötzlichen Änderungen in Belastungswerten beruhen.
  • Mittels einer statistischen Funktion 13 wird ein Wert proportional zur Größe der Pulsänderung oder zu der der totalen oder teilweisen Leistung eines Spektrums, das von dem Puls abgeleitet wird, bereitgestellt, d.h. durch die Gleichung für die Standardabweichung s in diesem Beispiel. Die Pulsänderung kann beispielsweise auch mit Hilfe der Höhe oder Breite des Pulsänderungsverteilungsmusters oder mit Hilfe einer statistischen Funktion berechnet werden, die durch eine Menge bereitgestellt wird, die von der Höhe und der Breite abgeleitet wird.
  • Die Pulsänderungswerte, die während des Trainingszeitraums berechnet werden, werden registriert, d.h. in dem Block 14 als eine Zeitfunktion gespeichert. Gleichzeitig wird eine Kurve erzeugt, die aus den Pulsänderungswerten abgeleitet wird (siehe 2), die wenigstens diejenigen Anstrengungsbelastungen der Person angibt, die hinsichtlich des betrachteten Trainingszeitraums wesentlich sind.
  • 5 zeigt ein Funktionsdiagramm der Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall sind die Funktionen nach dem Diagramm ebenfalls vorzugsweise in der Software des Rechners 8 des Pulsmonitors enthalten. Der Zweck hier ist, nicht nur die Anstrengungsbelastungen einer mit Fitness- oder Sporttraining befassten Person zu bestimmen, sondern auch die Belastung, die durch das Training verursacht wird, das die Person ausführt.
  • Wie in 4, wird der Puls einer Person und der Zeitabschnitt wenigstens einer Wellenform des EKG-Signals während des Trainingszeitraums mit Hilfe des Pulsmonitors im Block 11 gemessen. Der Momentanpuls wird im Block 12 auf der Basis des entsprechenden EKG-Signalwellenformabstände berechnet, und eine mögliche Formung erfolgt beispielsweise mit einem geeigneten Digitalfilter. Bei diesem Beispiel wird im Block 13 ebenfalls eine statistische Funktion, beispielsweise die Standardabweichung s, zur Bereitstellung eines Wertes verwendet, der proportional zur Größe der Pulsänderung oder zu der der gesamten oder teilweisen Leistung eines Spektrums ist, das von dem Momentanpuls abgeleitet wird. Die zur Pulsänderung proportionalen Werte werden registriert und wenigstens zu Beginn des Trainingszeitraums innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums in einem Block 14a als Zeitfunktion gespeichert, um wenigstens die Anstrengungsbelastungen der Person zu bestimmen, die hinsichtlich des in Betracht gezogenen Trainingszeitraums wesentlich sind. Wenn sich das Training über diesen Zeitraum hinaus fortsetzt, wird schließlich die Momentanpulsänderung der Person im Block 15 mit den entsprechenden Pulsänderungswerten der bestimmten Anstrengungsbelastungen verglichen, während die durch das Training bezogen auf die Anstrengungsbelastungen verursachte Belastung auf der Basis der momentanen Pulsänderung berechnet und am Pulsmonitor angezeigt wird.
  • Dadurch ist der Pulsmonitor nach der Erfindung in der Lage, vollständig automatisch zum Beginn eines Trainingszeitraums die Zielpulsbereiche eines Benutzers mit Hilfe der Pulsänderung zu bestimmen, ohne dass der Benutzer dies gesondert programmieren muss.
  • Die Vorrichtung der Erfindung, die vorzugsweise aus einem Pulsmonitor besteht, hat einen Speicher, in den im Voraus unterschiedliche Anstrengungsbelastungen einer Person, wie die Pulsänderungsbereiche entsprechend den Schwellenwerten des Energiemetabolismus, einprogrammiert werden können. Mittels der Einstellungen für den Pulsänderungsschwellenwert ist es somit möglich, im Voraus ein Training einer gewünschten Art einzuprogrammieren, das teilweise aerob, d.h. Ausdauer-Grundtraining, Ausdauer-Tempotraining, anaerobes Intervalltraining oder ein anderes Training sein kann, das mit Hilfe der Pulsänderung überwacht wird. In der Praxis wird eine trainierende Person benachrichtigt, wenn sie einen Trainingszeitraum ausführt, dessen Belastung vorzugsweise allmählich zunimmt, beispielweise mit Hilfe eines Schallsignals, wenn der Zielpulsänderungsbereich erreicht ist.
  • 6 zeigt ein Funktionsdiagramm der Vorrichtung nach einer dritten Ausführung der Erfindung. In diesem Fall besteht das Ziel lediglich darin, die Belastung zu steuern, die durch das Training verursacht wird, das eine Person ausführt, die sich mit einem Fitness- oder Sporttraining befasst, und zwar mit Hilfe einer Pulsmessung. Wie in Verbindung mit 4 und 5 beschrieben wurde, wird die Pulsmessung, die die Basis der Funktion ist, im Block 11 ausgeführt. Mit Hilfe des Pulsmonitors werden der Puls einer Person und wenigstens ein fixierter Punkt des EKG-Signals (des QRS-Komplexes) während des Trainingszeitraums gemessen. Im Block 12 wird auf der Basis der EKG-Signale der Puls berechnet und eine mögliche Formung beispielsweise mit einem geeigneten Digitalfilter ausgeführt. Zur Bereitstellung eines Wertes proportional zur Größe der Pulsänderung oder zu der der gesamten oder teilweisen Leistung eines Spektrums, das von dem Momentanpuls abgeleitet wird, wird eine statistische Funktion 13 verwendet. Die momentane Pulsänderung wird im Block 15 mit den entsprechenden Pulsänderungswerten der vorher bestimmten Ausdauerbelastungen verglichen, während die Beanspruchung, die durch das Training bezogen auf die Anstrengungsbelastungen verursacht werden, die auf der Basis der momentanen Pulsänderung berechnet werden, an dem Pulsmonitor angezeigt wird.
  • Vorzugsweise werden die Pulsänderungswerte einer Person entsprechend den Anstrengungsbelastungen, die während eines oder mehrerer Trainingszeiträume bestimmt wurden, in dem Speicher des Pulsmonitors, den sie verwendet, gespeichert und als Referenzwerte für Pulsänderungswerte benutzt, die während eines entsprechenden Trainingszeitraums gemessen werden, der in jedem besonderen Fall durchgeführt wird, um die Beanspruchung zu steuern, die von dem Training verursacht wird. Es ist somit möglich, die Pulsänderungszielwerte unterschiedlicher Sport- oder Fitnessarten oder diejenigen von Trainingszeiträumen unterschiedlicher Längen zu speichern. Die Pulsänderung und die Anstrengungsbelastung kann leicht mit Hilfe der Pulswerte für den Benutzer des Pulsmonitors dadurch präsentiert werden, dass die gemessenen Pulswerte mit Pulswerten verglichen werden, die aus einer Pulsänderungswert-Umwandlungstabelle erhalten werden, die für die betreffende Person erstellt wurde. Die Pulswerte, die aus den Pulsänderungswerten umgewandelt werden, können beispielsweise als Prozentsätze des maximalen Pulses der Person vorgezeigt werden.
  • Der Pulsmonitor nach der Erfindung hat vorzugsweise ein Bildschirmelement (siehe 3), das auf Realzeitbasis eine Indexnummer und/oder eine graphische Anzeige proporti onal zur Pulsänderung anzeigt, beispielsweise eine Säule, deren Höhe in irgendeiner Weise proportional zur berechneten Pulsänderung ist. Natürlich ist es auch möglich, eine andere, während des Trainings nützliche Information an dem Bildschirm des Pulsmonitors anzuzeigen, beispielsweise die Zeit, die Zeitsteuerung und/oder das Messergebnis irgendeiner anderen physiologischen Quantität.
  • 7a bis 7e zeigen Beispiele davon, wie ein Pulsänderungssignal aus einem EKG-Signal abgeleitet wird. Der Ausgangspunkt ist das gemessene EKG-Signal gemäß 1, bei welchem ein geeigneter Zeitpunkt t1 (7a) auf der Basis von R-Pulsen bestimmt wird. 7b zeigt die Bestimmung des momentanen Pulses auf der Basis der Zeitpunkte t2...tn der R-R-Intervalle. Der momentane Puls ist als kontinuierliches Signal in einer R-R-Zeitdomäne in 7c und in einer Pulszeitdomäne in 7d gezeigt, wobei der Puls zu 60/RR in der Pulszeitdomäne gleich ist. 7e zeigt eine Pulsänderungskurve, die direkt aus den R-R-Intervallen (7b) als eine sich rekursiv bewegende Standardabweichung oder als sich bewegende Höhe oder Breite bestimmt aus der Form des Verteilungsmusters oder als ein Wert der teilweisen oder gesamten Leistung eines Spektrums, das aus den Signalen von 7c oder 7d abgeleitet wird, berechnet werden kann.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Bestimmen von Anstrengungsbelastungen einer Person beim Fitness- oder Sporttraining mit Hilfe einer Pulsmessung während eines vorgegebenen Trainingszeitraums, wobei die Person während des Trainingszeitraums einer zunehmenden Anstrengung unterliegt und wobei – mittels eines Pulsmonitors (5 bis 10) das EKG-Signal der Person und der Zeitabschnitt wenigstens einer Wellenform des EKG-Signals, beispielsweise des QRS-Komplexes, während des Trainingszeitraums gemessen wird, – der Puls auf der Basis der entsprechenden EKG-Signal-Wellenformabstände berechnet wird und – das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: – Bereitstellen eines Wertes, der proportional zur Größe der Pulsänderung oder zu der der Gesamt- oder Teilleistung eines Spektrums ist, das von dem Puls mittels einer mathematischen Funktion abgeleitet wird, und – Registrieren der Werte, die proportional zu der Pulsänderung während des Trainingszeitraums als Zeitfunktion sind und Bestimmen der Anstrengungsbelastungen der Person hinsichtlich des betreffenden Trainingszeitraums auf der Basis der Pulsänderungswerte.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Bestimmung von Anstrengungsbelastungen einer Person beim Fitness- oder Sporttraining und zum Bestimmen des durch das Training verursachten Stresses mit Hilfe einer Pulsmessung während eines Trainingszeitraums, wobei die Person wenigstens zu Beginn des Trainingszeitraums einer zunehmenden Anstrengung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Registrierung der Werte – das Registrieren wenigstens zu Beginn des Trainingszeitraums in einem vorgegebenen Zeitraum der Werte, die proportional zur Pulsänderung als Zeitfunktion sind und das Bestimmen von Anstrengungsbelastungen der Person hinsichtlich des betreffenden Trainingszeitraums auf der Basis der Pulsänderungswerte aufweist, die in dem Zeitraum bereitgestellt werden, und dass das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist: – Vergleichen der momentanen Pulsänderung der Person mit den entsprechenden Pulsänderungswerten der vorgegebenen Anstrengungsbelastungen, wenn das Training über den Zeitraum hinaus fortdauert, und – Anzeigen an dem Pulsmonitor (5 bis 10) des Stresses, der durch das Training bezogen auf die Anstrengungsbelastungen verursacht wird, die auf der Basis der momentanen Pulsänderung berechnet wurden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung von Trainingssteuerinformationen bezogen auf den durch das Training verursachten Stress der im Fitness- oder Sporttraining befindlichen Person das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist: – Vergleichen der momentanen Pulsänderung der Person während des Trainings mit den entsprechenden Pulsänderungswerten der vorher festgelegten Anstrengungsbelastungen und Abgeben von Trainingssteuerinformationen an den Pulsmonitor (5 bis 10), wobei die Informationen bezogen auf den Stress, der durch das Training in bezug auf die Anstrengungsbelastungen verursacht wird, auf der Basis der momentanen Pulsänderung berechnet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsänderungswerte einer Person, die den während einer oder mehrerer Trainingszeiträume bestimmten Anstrengungsbelastungen entsprechen, in dem Speicher (9) des Pulsmonitors, den die Person verwendet, gespeichert und als Referenzwerte für die Pulsänderungswerte verwendet werden, die während des entsprechenden Trainingszeitraums gemessen werden, der in jedem speziellen Fall eine Rolle spielt, um den durch das Training verursachten Stress zu überwachen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstrengungsbelastung der Person dem Benutzer des Pulsmonitors präsentiert wird, indem gemessene Pulswerte mit Pulswerten verglichen werden, die sich aus einer Pulsänderungswert-Umwandlungstabelle (2) ergeben, die für die betreffende Person erstellt wurde.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulswerte, die aus den Pulsänderungswerten umgewandelt werden, als Prozentsätze des maximalen Pulses der Person angegeben werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulssignal, das vom dem EKG-Signal abgeleitet wird, zum Entfernen von das Ergebnis verzerrenden langsamen Prozessen hochpassgefiltert wird, bevor die Pulsänderung und die Anstrengungsbelastungen der Person bestimmt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsänderung mittels einer statistischen Funktion (13) berechnet wird, die als ein Ergebnis die Standardabweichung des Pulses bereitstellt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsänderung mittels einer statistischen Funktion berechnet wird, die die Höhe oder Breite des Verteilungsmusters eines momentanen Pulssignals oder R-R-Signals als Ergebnis bereitstellt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Pulsänderung proportionale Quantität mittels einer Funktion berechnet wird, die die gesamte oder teilweise Leistung eines Leistungsspektrums eines kontinuierlichen Pulssignals als ein Ergebnis bereitstellt.
  11. Vorrichtung zum Bestimmen einer Anstrengungsbelastung einer Person beim Fitness- oder Sporttraining mit Hilfe eines Pulsmonitors, wobei die Vorrichtung – Einrichtungen (1 bis 4) zum Erfassen und Übertragen von Pulssignalen, – einen Pulsmonitor (5 bis 10; 11) zum Empfangen, Berechnen und Messen von Pulssignalen und zum Registrieren des Zeitabschnitts wenigstens einer EKG-Signalwellenform, die von einem Pulssignal erhalten wird, beispielsweise dem QRS-Komplex, und – Einrichtungen (8; 12) zum Berechnen des Pulses auf der Basis von entsprechenden EKG-Signalwellenformabständen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin – Einrichtungen (8; 13) zum Bereitstellen eines Wertes, der proportional zur Größe der Pulsänderung oder zu der der Gesamt- oder Teilleistung eines Spektrums, das aus dem Puls mittels einer mathematischen Funktion abgeleitet ist, sowie – Einrichtungen (8; 14) zum Registrieren der Werte, die proportional zu der Pulsänderung während des Trainingszeitraums als Zeitfunktion sind, und zum Bestimmen der Anstrengungsbelastungen der Person im Hinblick auf den betreffenden Trainingszeitraum auf der Basis der Pulsänderungswerte aufweist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11 zum Bestimmen von Anstrengungsbelastungen einer Person beim Fitness- oder Sporttraining und zum Bestimmen des Stresses, der durch das Training verursacht wird, mit Hilfe eines Pulsmonitors, dadurch gekennzeichnet, – dass die Einrichtungen (8; 12) zum Berechnen des Pulses angeordnet sind, um den Berechnungsschritt wenigstens zu Beginn des Trainings in einem vorgegebenen Zeitraum auszuführen und – dass die Einrichtungen (8; 14a) zum Registrieren und zum Bestimmen angeordnet sind, um den Bestimmungsschritt wenigstens innerhalb des vorgegebenen Zeitraums auszuführen, wobei die Vorrichtung weiterhin – Einrichtungen (8; 15) zum Vergleichen der momentanen Pulsänderung der Person mit den entsprechenden Pulsänderungswerten der vorgegebenen Anstrengungsbelastungen sowie Einrichtungen zum Anzeigen des durch das Training verursachten, in Beziehung zu den Anstrengungsbelastungen berechneten Stresses an dem Pulsmonitor aufweist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Angabe von Trainingsüberwachungsinformationen bezogen auf den durch das Training verursachten Stress der Person beim Fitness- oder Sporttraining die Vorrichtung weiterhin – Einrichtungen (8; 15) zum Vergleichen der momentanen Pulsänderung der Person während des Trainings mit den entsprechenden Pulsänderungswerten bei den bestimmten Anstrengungsbelastungen sowie Einrichtungen zum Abgeben von Trainingskontrollinformationen bezogen auf den durch das Training verursachten Stress, die bezogen auf die Anstrengungsbelastungen berechnet wurden, an den Pulsmonitor aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem Pulsmonitor (5 bis 10) besteht, der mit einem Rechner (8) versehen ist, wobei der Pulsmonitor mit Speichereinrichtungen (9) zum Speichern der Anstrengungsbelastungen der Person, die während einer oder mehrerer Trainingszeiträume bestimmt wurden, und für ihre Verwendung als Referenzwerte für gemessene Pulsänderungswerte versehen ist, um den Stress zu überwachen, der durch einen entsprechenden Trainingszeitraum verursacht wird, der in jedem speziellen Fall eine Rolle spielt.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Einrichtungen (8; 15) zum Vergleichen der Pulswerte, die während des Trainings gemessen werden, mit Pulswerten versehen ist, die aus einer Pulsänderungswert- Umwandlungstabelle erhalten werden, die im Voraus erstellt wurde, um die Anstrengungsbelastung auf dem Bildschirm (10) des Pulsmonitors mittels einer Skala anzuzeigen, die aus Pulswerten besteht.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Skala, die aus den Pulswerten besteht, die Prozentskala des gemessenen Pulses des maximalen Pulses einer Person ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Hochpassfilter (11) zum Filtern eines Pulssignals versehen ist.
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