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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bestimmen von Anstrengungsbelastungen beim Fitness- oder Sporttraining.
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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.
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Das
Dokument
US 3978849 beschreibt
Pulsüberwachungssysteme,
bei denen die gemessenen Pulswerte auf zwei alternative Weisen angezeigt
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Verfahren und die Vorrichtungen der Erfindung sind durch das gekennzeichnet,
was in den nachstehenden Ansprüchen
offenbart ist.
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Im
Folgenden wird die Erfindung ins Einzelne gehend anhand von Beispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 die Form eines EKG-Signals
zeigt, das von einem Puls verursacht wird,
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2 eine Pulsänderungskurve
während
einer Belastung zeigt,
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3 eine Gesamtansicht der
Vorrichtung der Erfindung zeigt,
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4 ein Funktionsdiagramm
der Vorrichtung gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung zeigt,
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5 ein Funktionsdiagramm
der Vorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
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6 ein Funktionsdiagramm
der Vorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt, und
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7a bis 7e die Bildung eines Pulsänderungssignals
aus einem EKG-Signal zeigen.
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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.
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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.
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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:
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- – 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.