FI100452B - Menetelmä ja laite henkilön sykemittauksen yhteydessä - Google Patents

Description

100452 .

Menetelmä ja laite henkilön sykemittauksen yhteydessä Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laite henkilön sykernittauksen yhteydessä.

5 Sykemittaus perustuu sydämen toiminnan seuraamiseen.

Sydän aiheuttaa supistuessaan sarjan sähköisiä pulsseja, jotka ovat mitattavissa kehossa. Tämän signaalin mittaamista ja analysointia kutsutaan elektrokardiografiäksi (EKG).

Itse signaalia kutsutaan EKG-signaaliksi. EKG-signaalista 10 voidaan erottaa sydämen eri toimintajaksoista johtuvat vaiheet. Nämä osat ovat ns. P-,Q-,R-,S-,T- ja U-aallot.

Tunnetuissa ratkaisuissa sykemittari ilmoittaa näytöllään lähinnä vain keskimääräistä syketaajuustietoa, joka on laskettu keskiarvona sopivasta määrästä yksittäisiä syk-15 keitä. Esiintyy kuitenkin tarpeita saada sykemittareista monipuolisempia. Olemassa olevissa sydänsykettä suodattavissa sykemittareissa hetkellistä sykevaihtelua tasoittava keskiarvostus estää sykemittaustiedon tarkemman analysoinnin. Signaalinkäsittelyssä keskiarvostus tarkoittaa alipääs-20 tösuodatusta, joka tässä käytettynä leikkaa nopean variaa-tiosignaalin pois sykesignaalista. Tunnetuilla ratkaisuilla ei saada riittävän monipuolista tietoa.

Autonomisen hermoston sympatikus-parasympatikustasa-painon vaihtelusta johtuen sydänsykkeessä esiintyy jatku-25 vasti heilahteluja keskimääräisen syketason ympärillä. Sykkeen heilahtelu eli variaatio johtuu kardiovaskulaarisen ohjausjärjestelmän toiminnasta. Pääasialliset vaihtelun syyt ovat hengitysarrytmia, verenpaineen säätelyn aiheuttama variaatio ja elimistön lämpötasapainon säätelystä aiheu-310 tuva variaatio. Näistä merkittävin ja suurinta variaatiota aiheuttava on hengitysarrytmia. Sydänsykkeen variaation välit täjähermostot voidaan erotella sykevariaation taajuus-analyysin avulla. Sympaattinen hermosto on nykykäsityksen mukaan hidas; se ei pysty juurikaan välittämään yli 0.15 35 Hz:n taajuuksia. Parasympaattisen hermoston toiminta sen 2 100452 sijaan on nopeaa, minkä vuoksi edellä mainittua rajataajuutta suuremmat taajuudet välittyvät parasympaattisen hermo-tuksen kautta.

Tämän keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uuden-5 tyyppinen menetelmä ja laite, joka välttää tunnettuihin ratkaisuihin liittyvät ongelmat.

Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on määritelty jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnöllä saavutetaan useita etuja. Sykevariaation 10 mittauksella ja mittaustuloksen näyttämisellä sykemittarin näytössä saadaan tärkeää lisätietoa ihmisen kehon ja hermoston toiminnasta, erityisesti ihmisen relaksaatioasteesta eli rentoutumisasteesta. Käyttämällä keksinnön mukaisesti sydänsykevariaatiota relaksaatioasteen eli rentoutumisas-15 teen määrittämisessä on mahdollista toteuttaa yksilöllinen ja ihmisen tarpeisiin riittävän monipuolinen ja tarkka seuranta. Keksintö mahdollistaa siten sykevariaation reaaliaikaisen ja langattoman monitoroinnin, ja sitä kautta antaa ihmiselle lisää tietoa ilman laboratorioissa suoritettavia 2C hankalia mittauksia. Suuri sykevaihtelu on osoitus parasym paattisen hermoston toiminnasta, mikä yleisesti vastaa elimistön rentoutunutta tilaa. Pieni arvo taas kertoo sympaattisen hermoston vireydestä, joka taas liittyy fyysiseen tai psyykkiseen rasitukseen. Näin sykevaihtelua mittaamalla 25 voidaan seurata autonomisen hermoston tilaa.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää sydänsykkeen aiheuttaman EKG-signaa-30 Iin muotoa, kuvio 2 esittää sydänsykkeen variaatiokäyrää rasituksessa, kuvio 3 esittää yleiskuvaa keksinnön mukaisesta laitteesta, 35 kuvio 4 esittää keksinnön erään sovellutusmuodon mu- 3 100452 kaisen laitteen toimintakaavion, kuvio 5 esittää sykemittarin näyttöä, kuvio 6a-6e esittää sykevariaatiosignaalin muodostamista EKG-signaalista.

5 Kuviossa 1 on esitetty tyypillistä sydänsykkeen ai heuttamaa EKG-signaalia esitettynä aika-jännitekoordinaa-tistossa. Kustakin signaalista on tarkalla mittauksella tunnistettavissa edellä mainitut P-, Q-, R-, S- ja T-aal-lot. Huippuarvo R edustaa EKG-signaalin maksimikohtaa, ja 10 Q, R ja S-pisteiden rajaama pulssi, eli ns. QRS-kompleksi, edustaa EKG-signaalin helpoimmin tunnistettavissa olevaa osaa. Kahden peräkkäisen R-huipun väliä kutsutaan usein EKG-signaalin RR-intervalliksi. P-aallon aiheuttaa sydämen eteisten supistuminen. Kun sydämen eteiset supistuvat, 15 täyttyvät kammiot verellä. EKG-signaalin R-piikin muodon määrittelevä kolmen aallon kärkien muodostama QRS-kompleksi syntyy sydämen kammioiden supistuessa. Tällöin oikea kammio • pumppaa verta laskimoista keuhkoihin ja vasen puoli keuh koista valtimoihin. Kammiolihasten repolarisoituminen ai-20 heuttaa T-aallon, joka on R-piikkiä matalampi ja laakeampi. Aaltojen väliset ajat riippuvat hermoärsykkeen etenemisnopeudesta sydämessä.

Terveellä ihmisellä EKG-signaali on ihon pinnalta mitattuna amplitudiltaan 1 ja 2 mV:n välillä. Esim. R-pii-25 kille annetaan kirjallisuudessa amplitudiarvoksi 1,6 mV ja kestoksi 90 ms, P-aallolle taas vastaavat arvot ovat 0,25 mV ja 110 ms. Kun sydämen syke rasituksen seurauksena kiihtyy, EKG-signaalin eri komponenttien kestoajat ja amplitu-. dit säilyvät lähes muuttumattomina. Siten tiedetään, että 3Ό sydänsykkeen ja siihen liittyvien ilmiöiden tarkka mittaus on mahdollista analysoimalla sydänsykkeen EKG-signaalia.

Helpoin lähtökohta EKG-signaalin ajoituskohdan tarkaksi määrittämiseksi on QRS-kompleksin ilmaisu. Häiriöttömässä tilanteessa QRS-kompleksia voidaan ilmaista verraten 35 yksinkertaisesti huippuarvoilmaisimella. Käytännön tilan- 4 100452 teissä esiintyvien häiriöiden vähentämiseksi käytetään tarkoissa analyyseissä jonkinlaista suodatusta. Suodatus voi tapahtua käyttäen kaistanpäästösuodatinta, sovitettua suodatinta tai hahmontunnistusta.

5 Kuviossa 2 on esitetty sydänsykkeen variaation käyt täytyminen rasitustason mukana. Kuvaaja on piirretty 100 peräkkäisestä RR -intervallista laskettujen keskihajontojen perusteella. Kuvasta havaitaan selvä epälineaarinen variaation pieneneminen rasitusta nostettaessa.

10 Keksinnön mukaisessa menetelmässä mitataan kuntoili jan rintakehältä tai muusta kehonosasta EKG signaali ja lähetetään se vastaanottimelle kuten olemassaolevissa syke-mittareista. Sykelähettimen erotuskyky perättäisten EKG-sig-naalien ajoitustietojen määrittelyssä on ainakin luokkaa 1 15 ms. Kuntoilijan sydänsykettä seurataan jatkuvasti koko suorituksen aikana. Sykemittari mittaa keskiarvoistavista mittareista poiketen jokaisen EKG-signaalin jonkin yksiselitteisen ajoituskohdan, esim. QRS-komplekseista saatavan R-R-intervallin, ja laskee kerätyistä intervalleista syk-20 keen keskihajonnan tai jonkin muun variaatioindeksin. Syke-mittari seuraa jatkuvasti variaation kehittymistä.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen esimerkki-laitteen periaatekuva. Kuviossa 3 esitetyssä telemetrisessä sydänsykemittarissa EKG-elektrodit la on kytketty EKG-esi-25 vahvistimen 1 differentiaalisiin tulonapoihin. Esivahvisti-men 1 antama sykesignaali vahvistetaan AGC-vahvistimessa 2, jolla ohjataan tehovahvistinta 3, jossa aikaansaadaan käämejä 4 ohjaava sykesignaali, jonka pulssien välinen aikaväli signaalissa on sama kuin sydänsykkeiden aikaväli. Kää-30 meihin 4 generoituu siten sydänsykkeen tahdissa vaihteleva magneettikenttä. Kuvion 1 lohkot 1-4 edullisimmin muodostavat telemetrisen lähetinyksikön kuten lähetinvyön, jota ihminen pitää ihoaan vasten kuten rintakehäänsä vasten.

Kuviossa 3 muut lohkot lohkosta 5 alkaen muodostavat 35 telemetrisen vastaanotinyksikön, jota edullisimmin on esi- 5 100452 merkiksi ranteessa pidettävä vastaanotinranneke. Käämiltä 4 vastaanotettu eli vastaanotinkäämien 5 ilmaisema magneettikenttä vahvistetaan herkässä esivahvistimessa 6, jonka jälkeen signaali viedään signaalivahvistimeen 7. Vahvisti-5 men ulostulosignaali käsitellään mikrotietokoneessa 8, joka laskee halutusta määrästä edellisiä pulsseja keskimääräisen syketaajuuden, joka ilmoitetaan eli näytetään näytöllä 10, kuten nestekidenäytöllä 10 näyttöelementissä 10a. Keskimääräinen syketaajuus voidaan myös tallettaa muistiin 9. Edel-10 lä mainittujen elementtien 1-10 osalta on laite näiltä osin kuten tunnetut laitteet.

Keksinnön olennaisin osa on lohko 30 ja näyttöele-mentti 40, johon lohko 30 on kytketty. Lohko 30 on väline sykevariaation laskemiseen. Väline 30 voidaan toteuttaa mik-15 rotietokoneen 8 eräänä ohjelmalohkona. Väline 30 laskee sykevariaatiotiedot ja ilmoittaa sykevariaation näyttöelementissä 40. Käytännössä näyttöelementti 10a keskimääräisen ; sykkeen näyttämistä varten ja näyttöelementti 40 sykevari aation näyttämistä varten ovat samaan näyttökokonaisuuteen 20 10 kuten nestekidenäyttöön kuuluvia eri näyttöelementtejä.

Kuviossa 4 on esitetty keksinnön erään sovellutus-muodon mukaisen laitteen toimintakaavio. Kaavion mukaiset toiminnat ovat edullisesti sisällytetty sykemittarin tietokoneen 8 ohjelmistoon. Tehtävänä on määrittää esimerkiksi 25 kunto- tai urheiluharjoittelua suorittavan henkilön sykeva-riaatio. Kuviossa 4 toiminnan perustana oleva sykemittaus suoritetaan lohkossa 11. Sykemittarilla 5-10 mitataan harjoitus jakson aikana henkilön sydänsyke ja ainakin yhden EKG-signaalin aaltomuodon, kuten QRS-kompleksin, ajoitusko hetki.

Tämän jälkeen lasketaan lohkossa 12 hetkellinen sydänsyke EKG-signaalien vastaavien aaltomuotojen etäisyyksien perusteella, ja suoritetaan mahdollinen muokkaus esim. sopivalla digitaalisella suodattimena. Sykesignaali voi-35 daan tässä edullisesti ylipäästösuodattaa tulosta vääristä- 6 100452 vien, esim. äkillisistä kuormitustasojen muutoksista johtuvien hitaiden prosessien poistamiseksi.

Tilastofunktion 13, eli tässä esimerkissä keskihajonnan S kaavan avulla, muodostetaan sykkeen variaation 5 suuruuteen tai sykkeestä muodostetun spektrin kokonais- tai osatehon suuruuteen verrannollinen sykevariaatioarvo. Syke-variaatio voidaan myös laskea esim. sykevariaation jakauma-kuvion korkeuden tai leveyden tai niistä johdetun suureen antavan tilastofunktion avulla. Kuvion 4 mainittu lohko 13 10 vastaa kuvion 3 lohkoa 30.

Harjoitusjakson aikana lasketut sykevariaatioarvot rekisteröidään eli tallennetaan lohkossa 14 muistiin 9 ajan funktiona, ja sykevariaatiotieto myös näytetään näytön 10 näyttöelementissä 40. Keksinnön mukaisessa sykemittarissa 15 on siis sykevariaation laskentayksikkö 30 ja näyttöelement-ti 40, joka reaaliaikaisesti näyttää sykevariaatioon verrannollista mittalukua ja/tai graafista osoitinta kuten pylvästä 40, jonka korkeus jollakin tavalla on verrannollinen laskettuun sykevariaatioon. Kuvioissa 6a-6e on esitetty 20 esimerkkejä, miten sykevariaatiosignaali muodostetaan EKG-signaalista. Lähtökohtana on kuvion 1 mukainen mitattu EKG-signaali, josta määritetään sopiva ajoituskohta tt (kuvio 6a) R-pulssien perusteella. Kuvio 6b esittää hetkellisen ** sykkeen määrittämistä RR-välien ajoituskohtien tx...t„ pe-25 rusteella. Kuviossa 6c esitetään hetkellinen syke jatkuvana signaalina RR-aikatasossa ja kuviossa 6d syke-aikatasossa, jossa syke = 60/RR. Kuviossa 6e esitetään sykevariaatiokäy-rä, joka voidaan laskea suoraan RR-väleistä (kuvio 6b) rekursiivisesti liukuvana keskihajontana, tai liukuvana ja-3I> kautumakuvion muodosta määritettynä korkeutena, tai leveytenä, tai kuvioiden 6c tai 6d signaaleista muodostetun spektrin osa- tai kokonaistehon arvona.

Keksinnön mukaisessa laitteessa sykevariaationäyttö 40 eli ns. relaksaationäyttö 40 edullisimmin muodostuu esi-35 merkiksi 10-osaisesta pylväästä. Pylvään korkeus kuvaa suo- 7 100452 raan sykevälien keskihajontaa. Mitä korkeampi pylväs on, niin sitä suurempi on keskihajonta ja vastaavasti rentoutu-misaste.

Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa menetelmässä 5 sykevariaatio ilmoitetaan sykemittarin näytöllä 10 samanaikaisesti keskimääräisen syketaajuuden kanssa. Tällöin käyttäjä samalla kertaa yhdellä silmäyksellä havaitsee sekä keskimääräisen syketaajuuden että myös sykevariaation, joista jälkimmäinen siis kertoo henkilön rentoutumisasteesta.

10 Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa menetelmässä sykevariaatiotieto ilmoitetaan sykemittarin näytöllä graafisesti ja/tai numeerisesti. Graafinen näyttö suoritetaan esimerkiksi palkkimaisella näyttöelementillä. Numeerinen näyttö voidaan suorittaa näyttöelementeillä 41-42.

15 Menetelmässä sykevariaatiotieto ilmoitetaan sykemit tarin näytöllä samanaikaisesti sekä graafisesti että numeerisesti.

Sykevariaatiotieto ilmoitetaan sellaisella yhteisellä näyttöelementillä, jota lisäksi käytetään sykemittarin 20 toiminto- ja asetustilojen indikoimiseen.

Menetelmässä ilmoitetaan indikaattorilla 50, näyttääkö yhteinen näyttöelementti 40 sykevariaatiotietoa vai toiminto- ja asetustiloja.

·' Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten 25 oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut niihin, vaan sitä voidaan monin tavoin muunnella oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (14)

1. Menetelmä henkilön sykemittauksen yhteydessä, jossa menetelmässä 5. mitataan sykemittarilla henkilön EKG-signaali ja ainakin yhden EKG-signaalin aaltomuodon, kuten QRS-komplek-sin, ajoitushetki, - lasketaan EKG-signaalista sydänsykkeen keskimääräinen syketaajuus, 10 tunnettu siitä, että sykemittarin näytöllä näyttämistä varten menetelmässä muodostetaan matemaattisen funktion avulla sydänsykkeen variaation suuruuteen tai sy-dänsykkeestä muodostetun spektrin kokonais- tai osatehon suuruuteen verrannollinen sykevariaatiotieto, joka näyte- 15 tään sykemittarin näytöllä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä sykevariaatio ilmoitetaan sykemittarin näytöllä samanaikaisesti keskimääräisen syketaajuuden kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että menetelmässä sykevariaatiotieto ilmoitetaan sykemittarin näytöllä graafisesti ja/tai numeerisesti .

3 100452

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, t u n - 25. e t t u siitä, että menetelmässä sykevariaatiotieto ilmoitetaan sykemittarin näytöllä samanaikaisesti sekä graafisesti että numeerisesti.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sykevariaatiotieto ilmoitetaan sel- *,30 laisella yhteisellä näyttöelementillä, jota sykevariaatio-tiedon näyttämisen lisäksi käytetään sykemittarin toimintoja asetustilojen indikoimiseen.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä indikaattorilla (50) 35 ilmoitetaan, näyttääkö yhteinen näyttöelementti (40) syke- 100452 variaatiotietoa vai toiminto- ja asetustiloja.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sykevariaatiotieto lasketaan tuloksenaan sykkeen keskihajonnan antavan tilastofunktion (13) 5 avulla.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sykevariaatiotieto lasketaan tuloksenaan hetkellisen syke- tai RR-signaalin jakaumakuvion korkeuden tai leveyden antavan tilastofunktion avulla.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että sykevariaatiotieto lasketaan tuloksenaan jatkuvan sykesignaalin tehospektrin kokonais- tai osatehon antavan funktion avulla.

10. Laite henkilön sykemittauksen yhteydessä, joka 15 laite käsittää - välineet (1-4) sydämen sykesignaalien detektoimi-seksi ja lähettämiseksi; - sykemittarin (5-10; 11) sykesignaalien vastaanottamiseksi, laskemiseksi ja mittaamiseksi ja ainakin yhden sy- 20 kesignaalin sisältämän EKG-signaalin aaltomuodon, kuten QRS-kompleksin, ajoitushetken rekisteröimiseksi; - välineet (8;12) sydänsykkeen keskimääräisen syketaajuuden laskemiseen EKG-signaalin perusteella, tunnettu siitä, että laite käsittää 25. välineet (8;13) sykevariaation suuruuteen tai jon kin sykkeestä muodostetun spektrin kokonais- tai osatehon suuruuteen verrannollisen sykevariaatiotiedon muodostamiseksi matemaattisen funktion avulla; ja välineet (40, 41-42) sykevariaatio tiedon ilmoittami--.30 seksi sykemittarissa.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet (40, 41-42) sykevariaatio-tiedon ilmoittamiseksi sykemittarissa käsittävät näyttöele-mentin (40, 41-42) siinä samassa näyttölaitteessa (10), jo- 35 ka käsittää näyttöelementin (10a) keskimääräisen syketiedon 100452 näyttämiseen.

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet sykevariaatiotiedon näyttämiseen käsittävät graafisen ja/tai numeerisen näyttöele- 5 mentin (40 ja/tai 41-42).

13. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet (40) sykevariaatiotiedon ilmoittamiseksi muodostuvat samasta näyttöelementistä (40) , jolla sykemittarissa indikoidaan toiminto- ja asetustiloja.

14. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tun nettu siitä, että laite käsittää ylipäästösuodattimen (11) sykesignaalin suodattamiseksi. li i ny i it i h i 11 rt 100452