FI110303B - Menetelmä ja laite kunto- tai urheiluharjoittelun rasitustasojen ja harjoittelun rasittavuuden määrittämiseksi - Google Patents

Description

110303

Menetelmä ja laite kunto- tai urheiluharjoittelun rasitus-tasojen ja harjoittelun rasittavuuden määrittämiseksi Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laite kun-5 to- tai urheiluharjoittelun rasitustasojen ja harjoittelun rasittavuuden määrittämiseksi sydänsykkeen mittauksen avulla .

Sydänsykkeen mittausta käytetään kuntoilijan ja urheilijan harjoituksessa työtehon tai kuormituksen tason 10 arviointiin. Tämä johtuu havainnosta, jonka mukaan sydänsykkeen ja nousevan työtehon välillä on pääasiallisella rasitusalueella lähes lineaarinen riippuvuus. Elintoimintojen, kuten hengitys, syke ja lihastyö, energiatuoton prosessien, eli aineenvaihdunnan muuttumista käytetään ylei-15 sesti rasitustasojen määrittämisessä esim. maitohapon avulla, joka on energiantuoton prosessien jäteaine.

Lähdettäessä liikkeelle lihasten ja veren maitohap-popitoisuus laskevat aluksi hieman alle lähtötason. Tämä johtuu vilkastuneesta verenkierrosta ja lihastyön myötä pa-20 ranevasta maitohapon ha joit tamis- ja poistamiskäsittelystä.

Tämän jälkeen rasitustasoa tasaisesti nostettaessa maito-·; *: happopitoisuus alkaa kohota lineaarisesti suhteessa kuormi- : tukseen. Työtehoa, jolla maitohappopitoisuus saavuttaa läh- töarvonsa kutsutaan nimellä aerobinen kynnys, jolta voidaan 25 määritellä vastaavia elintoimintotasoja kuten syketiheys ja hapenkulutus.

Aerobista kynnystä matalimmilla työtehoilla energiaa tuotetaan aerobisesti eli polttamalla hapen avulla pääasiassa rasvoja ja jonkun verran hiilihydraatteja. Kynnystä 30 suuremmilla työtehoilla energia muodostetaan yhä enenevässä määrin anaerobisesti, siis happivelallisesti, jolloin ku-.··· doksiin muodostuu vastaavasti yhä enemmän maitohappoa. Sa malla rasvojen käytön suhteellinen osuus energianmuodostuk-•· sessa vähenee ja pääasialliseksi energianlähteeksi tulevat ' · 35 hiilihydraatit.

2 110303

Suoritustasoa edelleen nostettaessa joudutaan lopulta tilanteeseen, jolloin elimistö ei enää pysty käsittelemään energiantuotossa kehittyvää maitohappomäärää. Tasapainotilan järkkyminen havaitaan jyrkästi kohoavana veren mai-5 tohappopitoisuutena ja samanaikaisesti tapahtuvana selvänä keuhkotuuletuksen eli ventilaation kasvuna. Tätä valmennuk-sellisesti merkittävää rasitustasoa kutsutaan nimellä anaerobinen kynnys.

Aerobisen ja anaerobisen kynnyksen tarkka määritys 10 suoritetaan nykyisin erityisissä testilaboratoriossa hen-gityskaasuanalyysiin perustuvan maksimaalisen kuormituskokeen avulla. Tutkimus aloitetaan pienellä kuormalla. Kuormaa lisätään tauoitta pienin portain 2-3 minuutin välein aina maksimaaliseen äärirasitukseen asti. Kunkin kuorman 15 viimeisen 30 sekunnin ajalta rekisteröidään ventilaatio, käytetty happi ja tuotettu hiilidioksidi ja otetaan verinäyte maitohappotason määrittämiseksi. Maitohapon ja hen-gitysparametrien avulla määritellään kynnysarvot. Tuloksiin vaikuttavat kuitenkin voimakkaasti kuormitustapa, kuorman 20 nostamisen nopeus ja käytetyt kuormaportaat, joten erilai-sissa fyysisissä kuormitustilanteissa kuten esim. juoksuma-tolia ja ergometrillä saadaan erisuuruiset kynnysarvot.

: Toisaalta taas koko aerobisen ja anaerobisen kynnysten •|· toistettavuus on kyseenalainen; esim. nostettaessa kuormi- 25 tusta liukuvana eikä portaittain kynnys ilmiöitä ei ole havaittavissa. Viitataan esim. US-patenttiin 5297558, jonka mukaan henkilön rasitustason määrityksessä henkilön on altistettava asteittain lisääntyvälle rasitukselle harjoitus-jakson aikana, jotta eri rasitustasojen rajat ilmoittavat '· 30 sykevariaatiokäyrän epäjatkuvuuskohdat tulisivat riittävän selvästi näkyviin.

Nykyisin aerobisen ja anaerobisen kynnyksien määri-tyksiä käytetään ensisijaisesti kestävyysurheilijoiden valmennuksessa sopivien harjoitustehojen määrittämiseksi ja j ‘ ‘ 35 harjoittelun vaikutusten seuraamiseksi. Samaten voidaan I » 3 110303 kynnyksien avulla määritellä esim. laihduttajalle optimi-harjoitustehot. Kun tunnetaan kynnyksiä vastaavat sy-kearvot, voidaan jatkuvan sykkeen seurannan avulla tarkasti ylläpitää haluttua harjoitustehoa. Nykyisin käytettävissä 5 olevat kynnysarvojen määrittämismenetelmät perustuvat hankaliin maitohappo- tai hengityskaasumittauksiin, joissa verinäytteiden otto, kalliit laboratoriolaitteistot ja hen-kilöstövaatimukset näyttelevät merkittävää osaa. Edelleen määritykset perustuvat ilmiöön, jonka toistettavuutta ei 10 ole pystytty todentamaan.

Aerobista ja anaerobista kynnystä käytetään siis lähinnä urheilijoiden suoritustason seurannassa. Kuntoilijan kohdalla tilanne on ratkaisevasti toinen. Harvalla on mahdollisuutta kalliisiin laboratoriomittauksiin kynnysar-15 vojen määrittämiseksi. Toisaalta kuntoilijan tarpeet poik keavat urheilijoiden tarpeista. Kuntoilijan oikealla rasi-tustasolla ymmärretään liikuntaa, joka riittää ylläpitämään terveyttä ja parantamaan kuntoa, mutta joka ei ylitä turvallisen rasituksen rajaa. Anaerobisen harjoituksen tarve ··· 2 0 on vähäinen ja harjoitukset painottuvat aerobiselle alueel- le. Kuntoilijoiden tarpeita varten sykealue voidaan jakaa neljään tavoitesykealueeseen. Alin tehoalue, jossa syke on enintään 55 % maksimisykkeestä ei vielä tarjoa riittävää ·;· harjoitusvastetta. Liikuttaessa tehoalueella 55 - 65 % mak- | 25 simisykkeestä tehokas rasvojen käyttö alkaa. Varsinainen ! aerobisen kuntoilun tavoitesykealue, joka on 65 - 85% mak simisykkeestä tuo parhaan lopputuloksen tavoitteellisessa kuntoilussa. Tätä korkeammalla sykkeellä energiantuotanto nousee jo osaksi selvästi anaerobiselle alueelle. Nykyisin ; 30 yleisesti käytössä olevassa tavoitesykealueiden määritys menetelmässä oikeat rasitustasot määritellään perustuen kuntoilijan mitattuun tai arvioituun maksimisykkeeseen.

;··;' Maksimisyke voidaan tarkasti mitata äärimmäisessä rasituk- • ; sessa, mutta tämä voi muodostua terveydelliseksi riskiksi 35 erityisesti aloittelevien kuntoilijoiden kohdalla. Yleises- 4 110303 ti maksimisyke ja harjoitussykkeet arvioidaan kuntoilijan iän perusteella laskukaavasta tai lepo- ja maksimisykkeen avulla ns. Karvosen menetelmällä. Koska maksimi- ja leposykkeet ovat yksilöllisiä, on arviointimenetelmien virhe-5 marginaali suuri. Toisaalta taas kynnysarvot eivät ole kiinteitä vaan ne vaihtelevat mm. kuntotason muuttuessa. Esim. anaerobinen kynnys vastaa harjoittelemattomilla ja huonokuntoisilla n. 60 - 75 % maksimisykkeestä. Pitkään harjoitelleella ja huippukuntoisella urheilijalla kynnys 10 voi olla jopa yli 80 % maksimisykkeestä. Tästä johtuen suurella osalla kuntoilijoita tavoitesykealueiden määrittely epäonnistuu ja menetelmän hyöty jää laihaksi.

Sydän aiheuttaa supistuessaan sarjan sähköisiä pulsseja, jotka ovat mitattavissa kaikkialta kehossa. Tämän 15 signaalin mittaamista ja analysointia kutsutaan elektrokar-diografiaksi (EKG) . Itse signaalia kutsutaan EKG-signaaliksi. EKG-signaalista voidaan erottaa sydämen eri toiminta-jaksoista johtuvat vaiheet. Nämä osat ovat ns. P-,Q-,R-,S-,T- ja U-aallot (vrt. kuvio 1), joista jäljempänä tarkem-20 min.

Autonomisen hermoston sympatikus-parasympatikustasa-painon vaihtelusta johtuen sydänsykkeessä esiintyy jatku- l '. vasti heilahteluja keskimääräisen syketason ympärillä. Syk- ··· keen heilahtelu eli variaatio johtuu kardiovaskulaarisen 25 ohjausjärjestelmän toiminnasta. Pääasialliset vaihtelun syyt ovat hengitysarrytmia, verenpaineen säätelyn aiheuttama variaatio ja elimistön lämpötasapainon säätelystä aiheutuva variaatio. Näistä merkittävin ja suurinta variaatiota aiheuttava on hengitysarrytmia. Sydänsykkeen variaation ; 30 välittäjähermostot voidaan erotella sykevariaation taa juusanalyysin avulla. Sympaattinen hermosto on nykykäsityk-sen mukaan hidas; se ei pysty juurikaan välittämään yli ....· 0.15 Hz:n taajuuksia. Parasympaattisen hermoston toiminta • · sensijaan on nopeaa, minkä vuoksi edellä mainittua rajataa- | 35 juutta suuremmat taajuudet välittyvät parasympaattisen her- | ] R 110303 b motuksen kautta.

Sydänsykevariaatiota voidaan mitata esimerkiksi standardideviaation eli keskihajonnan avulla. Muita yleisesti käytettyjä variaation mittayksikköjä ovat spektrilas-5 kennan tehoarvot, variaation maksimiarvo ja hajontakuvion korkeus. Keskihajonta ei erottele R-aallon piikkien välisten aikavälien, eli RR-intervallien taajuuskomponentteja, vaan siihen vaikuttavat molemmista autonomisista hermostoista välittyvät taajuudet. Mitattaessa rasituksen ai-10 kaista lyhyen aikavälin RR-intervallien keskihajontaa voidaan perustellusti ja osaksi yksinkertaistaen sanoa, että keskihajonta mittaa lähes yksinomaan parasympaattisen ohjauksen osuutta sykevariaatiossa. Tämä johtuu pääosin siitä, että suurin variaatiolähde (hengityksen taajuus) rasi-15 tuksen aikana nousee väistämättä suuremmaksi kuin ne taa-* juudet, mitä sympaattinen hermosto pystyy välittämään.

Nostettaessa rasitustasoa lepotasolta parasympaatti-nen tonus laskee aluksi asteittain. Syketason noustua tasolle noin 100 sykettä/min eli n. 56% maksimisykkeestä sym-20 paattinen aktiviteetti alkaa kohota, ja vaikuttaa merkittä-västi syketaajuuteen noin 63 % tasolla maksimisykkeestä. Alhaisella rasituksella sykkeen nousu johtuu melkein täysin laskeneesta parasympaattisesta aktiviteetista. Tällöin sy-·· dänsykkeen variaatio pienenee suorassa suhteessa parasym- 25 paattisen ohjauksen poistumiseen. Vasta korkeammalla rasi-tustasolla sympaattinen hermosto osallistuu parasympaattisen ohella syketason ohjaukseen.

Hengitysarrytmia on todettu voimakkaimmaksi sydänsy-kevariaation aiheuttajaksi. Hengitysarrytmian voimakkuus ; ’ 30 riippuu sekä hengityksen syvyydestä että hengitystaajuudes ta. Maksimiamplitudi saavutetaan hengitystaajuudella 5-7 kertaa minuutissa. Edelleen hengitysarrytmia vaimenee voi-;.· makkaasti hengitystaajuuden kasvaessa. Hengityksen syvyys * * vaikuttaa arrytmian voimakkuuteen tasolle, joka vastaa 35 50-60% hengityskapasiteetista. Tätä suuremmalla volyymilla 6 110303 hengitysarrytmia ei enää kasva. Kuntoilun aikana hengitys-volyymi on aina yli tämän rajapisteen, joten sen vaikutus voidaan tässä tarkastelussa sivuuttaa. Suorituksen aikaisen sykevariaation voidaan siis katsoa kuvastavan suurelta osin 5 kuntoilijan hengitystaajuutta. Edelleen kokemusperäinen tieto kuntoilusta on, että jos kuntoilija pystyy keskustelemaan suorituksensa aikana, rasitustaso on sopiva ja kuntoilu aerobista. Elimistön energiantarve on tällöin mahdollista tyydyttää ilman anaerobista energiantuotantoa eikä 10 lihasten jälkikipeytymistä aiheuttavaa maitohappoa keräänny elimistöön. Toisaalta jos kuntoilija pystyy puhumaan, koko hänen hengityskapasiteettinsa ei ole käytössä. Rauhallinen hengitys aiheuttaa suhteellisen laajan sykevariaation. Jos kuntoilijan rasitustaso puolestaan lähestyy anaerobista 15 aluetta, hänen on väistämättä otettava koko hengityskapasiteettinsa käyttöön. Hengitys on tasaista ja nopeatempoista, jolloin sykevariaatio jää pieneksi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uudentyyppiset menetelmät ja laitteet kuntoilijan ja urheilijan 20 yksilöllisten harjoitustehojen määrittämiseksi ja kont-rolloimiseksi. Keksinnön mukaisin periaattein toteutettuna henkilökohtaisen rasitustason määrittäminen kussakin tilan-· teessä on helppoa ja jokaisen suoritettavissa. Menetelmä ei ·· välttämättä vaadi muuta laitteistoa kuin keksinnön mukai- ;'· 25 silla toiminnoilla varustetun sykemittarin.

Käyttämällä keksinnön mukaisesti sydänsykevariaa- i j tiota harjoitus tehon määrittämisessä on mahdollista toteut taa yksilöllinen ja kuntoilijan tarpeisiin riittävän tarkka , tavoitesykealueiden määrittely, joka mukautuu kuntoilijan ; ‘ 30 elimistössä tapahtuviin muutoksiin. Keksintö mahdollistaa siten sykevariaation reaaliaikaisen ja langattoman monito-roinnin, ja sitä kautta kuntoilijan harjoittelun optimoin-.... nin ilman laboratorioissa suoritettavia kynnysarvon määri- · tysmittauksia.

35 Keksinnön mukaisille menetelmille ja laitteille on 7 110303 tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, 5 joissa kuvio 1 esittää sydänsykkeen aiheuttaman EKG-signaalin muotoa, kuvio 2 esittää sydänsykkeen variaatiokäyrää rasituksessa, 10 kuvio 3 esittää yleiskuvaa keksinnön mukaisesta laitteesta, kuvio 4 esittää keksinnön erään sovellutusmuodon mukaisen laitteen toimintakaavion, kuvio 5 esittää keksinnön erään toisen sovellutus-15 muodon mukaisen laitteen toimintakaavion, kuvio 6 esittää keksinnön erään kolmannen sovellutusmuodon mukaisen laitteen toimintakaavion, kuvio 7a-7e esittää sykevariaatiosignaalin muodostamista EKG-signaalista.

··.: 2 0 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, vrt. mm. US-patentti 5299119. Huippuarvo R edustaa ' 25 EKG-signaalin maksimikohtaa, ja Q, R ja S-pisteiden rajaama pulssi, eli ns. QRS-kompleksi, EKG-signaalin helpoimmin tunnistettavissa olevaa osaa. Kahden peräkkäiseen R-huipun väli kutsutaan usein EKG-signaalin RR-intervalliksi. P-aal- . lon aiheuttaa sydämen eteisten supistuminen. Kun sydämen ; * 30 eteiset supistuvat, täyttyvät kammiot verellä. EKG-signaa- ! » ' * * I '*· Iin R-piikin muodon määrittelevä kolmen aallon kärkien muo- dostama QRS-kompleksi syntyy sydämen kammioiden supistues- sa. Tällöin oikea kammio pumppaa verta laskimoista keuhkoi- * * hin ja vasen puoli keuhkoista valtimoihin. Kammiolihasten ! ’ 35 repolarisoituminen aiheuttaa T-aallon, joka on R-piikkiä j » 8 110303 matalampi ja laakeampi. Aaltojen väliset ajat riippuvat hermoärsykkeen etenemisnopeudesta sydämessä. Sydämen tah-distajan, sinussolmukkeen toiminta ei näy EKG-signaalissa.

Terveellä ihmisellä EKG-signaali on ihon pinnalta 5 mitattuna amplitudiltaan 1 ja 2 mV:n välillä. Esim. R-pii-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- 10 dit säilyvät lähes muuttumattomina. Siten tiedetään, että sydänsykkeen ja siihen liittyvien ilmiöiden tarkka mittaus on mahdollista analysoimalla sydänsykkeen EKG-signaalia.

Helpoin lähtökohta EKG-signaalin ajoituskohdan tarkaksi määrittämiseksi on QRS-kompleksin ilmaisu. Häiriöttö- 15 mässä tilanteessa QRS-kompleksia voidaan ilmaista verraten yksinkertaisesti huippuarvoilmaisimella. Käytännön tilanteissa esiintyvien häiriöiden vähentämiseksi käytetään tarkoissa analyyseissä jonkinlaista suodatusta. Esimerkkeinä mainittakoon: 20 - kaistanpäästösuodatus, jolla QRS-kompleksin sisäl- tämiä taajuuksia korostetaan, ja jossa QRS-kompleksit ero-teilaan suodatetusta signaalista käyttäen jotakin epäline-: aarista päättelysääntöä, joka nojaa johonkin QRS-kompleksin helposti erottuvaan ominaisuuteen, kuten nousunopeuteen, * * * * 25 amplitudiin jne.; - sovitettu suodatus, jossa esim. FIR-suodattimessa QRS-kompleksi mallinnetaan suodattimen kertoimilla ja lasketaan ristikorrelaatio tulevan signaalin ja kertoimiksi annetun QRS-kompleksin kanssa.

30 - hahmontunnistusmenetelmä, jossa käsiteltävä sig- ! naali parametrisoidaan eri levyisten ja korkuisten piikkien * * sarjaksi. Hahmontunnistuksella pyritään EKG-signaalista tunnistamaan sydämen toimintajaksoista aiheutuvat piikit.

• · Menetelmä sopii myös muiden kuin QRS-kompleksiin perustuvi- • M· ‘ 35 en ajoituskohtien ilmaisuun.

9 110303

Mikroprosessorien kehittyminen mahdollistaa yhä monimutkaisempien digitaalisten suodatinrakenteiden toteuttamisen laitteen koon ja virrankulutuksen kasvamatta. Yllä lyhyesti luetellut ajoituskohtien tunnistamismenetelmät 5 muodostavat siten vain osan toteuttamiskelpoisista algoritmeista, ja lisää menetelmiä kehitetään jatkuvasti.

Kuviossa 2 on esitetty sydänsykkeen variaation käyttäytyminen rasitustason mukana. Kuvaaja on piirretty 100 peräkkäisestä RR - intervallista laskettujen keskihajontojen 10 perusteella. Kuvasta havaitaan selvä epälineaarinen variaation pieneneminen rasitusta nostettaessa. Jos kuvioon piirretään yleisesti hyväksytyt aerobisen harjoittelualueen ylä- ja alarajat 85 % ja 65 % maksimaalisesta syketasosta, havaitaan, että ne osuvat variaatioakselille kohtiin 4 ms 15 ja 10 ms. Tutkimuksissa onkin havaittu, että sydänsykkeen variaation taso korreloi selvästi muihin rasituksen aikana mitattuihin fysiologisiin suureisiin, kuten maksimihapenot-tokyky, ventilaatiokynnys tai anaerobinen kynnys. Kuvion 2 mukainen käyrä on käyttäjä-, laji- ja mittausjaksokohtai- *··· 20 nen. Siten variaatiokäyrä on tässä esitetty vain esimer- * • » kinomaisesti, koska jonkin mainittujen lähtökohtien muut-tuessa käyrän rajapisteet voivat poiketa tässä esitetyistä. :.;*t Olemassaolevien sydänsykettä suodattavissa sykemit- • ·; tareissa hetkellistä sykevaihtelua tasoittava keskiarvostus * * « · V 25 estää sykevariaation tarkan analysoinnin. Signaalinkäsitte lyssä keskiarvostus tarkoittaa alipäästösuodatusta, joka tässä käytettynä leikkaa nopean variaatiosignaalin pois sykesignaalista.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä mitataan kuntoili-30 jän rintakehältä tai muusta kehonosasta EKG signaali ja i * lähetetään se vastaanottimelle kuten olemassaolevissa syke-mittareista. Sykelähettimen erotuskyky perättäisten EKG-signaalien ajoitustietojen määrittelyssä on ainakin luokkaa • · 1 ms. Kuntoilijan sydänsykettä seurataan jatkuvasti koko ' 35 suorituksen aikana. Sykemittari mittaa keskiarvoistavista 10 110303 mittareista poiketen jokaisen EKG-signaalin jonkin yksiselitteisen ajoituskohdan, esim. QRS-komplekseista saatavan R-R-intervallin, ja laskee kerätyistä intervalleista sykkeen keskihajonnan tai jonkin muun variaatioindeksin.

5 Sykemittari seuraa jatkuvasti variaation kehittymistä ja ilmoittaa vastaavan tavoitesykealueen tai vaihtoehtoisesti hälyttää, jos aiemmin asetettu tavoitesykealue ylitetään tai alitetaan.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen esimerkki-10 laitteen periaatekuva. Laite ei tällä tasolla tarkastettuna poikkea tavanomaisista langattomasta sykemittarista, josta esimerkkinä mainittakoon US-patentissa 4625733 esitettyä sykemittaria (kuvio 3) . Kuviossa 3 esitetyssä telemetrises-sä sydänsykemittarissa EKG-elektrodit (ei piirretty) on 15 kytketty EKG-esi vahvistimen 1 differentiaalisiin tulonapoi- hin. Esivahvistimen 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 i 1 * ···' 20 aikaväli. Käämeihin 4 generoituu siten sydänsykkeen tahdis- » sa vaihteleva magneettikenttä. Vastaanotinkäämien 5 ilmaisema magneettikenttä vahvistetaan herkässä esivahvisti- > ! messa 6, jonka jälkeen signaali viedään signaalivahvisti- ’· meen 7. Vahvistimen ulostulosignaali käsitellään mikrotie- »>li 25 tokoneessa 8, joka tallettaa laskemansa syketiedot muistiin 9, laskee sykevariaatio- ym. tiedot ja näyttää pyydettyjä tietoja nestekidenäytössä 10.

Kuviossa 4 on esitetty keksinnön erään sovellutus- , muodon mukaisen laitteen toimintakaavio. Kaavion mukaiset i · '*#t' 30 toiminnat ovat edullisesti sisällytetty sykemittarin tieto koneen 8 ohjelmistoon. Tehtävänä on määrittää kunto- tai ! urheiluharjoittelua suorittavan henkilön rasitustasot mit- i « i ... taamalla hänen sydänsykkeensä ja analysoimalla mittaustu- · loksia. Riippuen siitä, onko haluttu harjoitusjakso luon- 35 teeltaan osittain aerobista eli peruskestävyysharjoittelua, * » f 11 110303 vauhtikestävyysharjoittelua, anaerobista intervalliharjoit-telua tai muuta sykevariaation avulla seurattavaa harjoittelua, voidaan keksinnön avulla määrittää (vrt. kuvio 2) ne rasitustasot, eli sykevariaatioalueet, joiden sisällä val-5 litsee haluttu kehon energia-aineenvaihduntaprosessi. Aerobisella ja anaerobisella alueella tapahtuva harjoitus edustavat juuri erilaisia energia-aineenvaihdunnan prosesseja.

Kuviossa 4 toiminnan perustana oleva sykemittaus 10 suoritetaan lohkossa 11. Sykemittarilla mitataan harjoitus-jakson aikana henkilön sydänsyke ja ainakin yhden EKG-signaalin aaltomuodon, kuten QRS-kompleksin, ajoitushetki.

Tämän jälkeen lasketaan lohkossa 12 hetkellinen sydänsyke EKG-signaalien vastaavien aaltomuotojen etäisyyk-15 sien perusteella, ja suoritetaan mahdollinen muokkaus esim. sopivalla digitaalisella suodattimena. Sykesignaali voidaan tässä edullisesti ylipäästösuodattaa tulosta vääristävien, esim. äkillisistä kuormitustasojen muutoksista johtuvien hitaiden prosessien poistamiseksi.

( · *" 20 Tilastofunktion 13, eli tässä esimerkissä keskiha- ^ · M, jonnan s kaavan avulla, muodostetaan sykkeen variaation tai 'r‘ sykkeestä muodostetun spektrin kokonais- tai osatehon suu- { » ; '*t!t ruuteen verrannollinen arvo. Sykevariaatio voidaan myös Ί laskea esim. sykevariaation jakaumakuvion korkeuden tai » i * · 25 leveyden tai niistä johdetun suureen antavan tilastofunktion avulla.

Harjoitusjakson aikana lasketut sykevariaatioarvot rekisteröidään eli tallennetaan ajan funktiona lohkossa 14.

, Samalla syntyy sykevariaation arvoista muodostettu käyrä, I Ψ 30 (vrt. kuvio 2), josta ilmenee henkilön ainakin ko. harjoi-*·· ^ tusjakson kannalta olennaiset rasitustasot.

Kuviossa 5 on esitetty keksinnön erään toisen sovel- i * ► lutusmuodon mukaisen laitteen toimintakaavio. Kaavion mu- ’ ’ kaiset toiminnat ovat tässäkin tapauksessa edullisesti si- j ' 35 säilytetty sykemittarin tietokoneen 8 ohjelmistoon. Tehtä- ί | > * » j 12 110303 vänä on tässä määrittää paitsi kunto- tai urheiluharjoitte-lua suorittavan henkilön rasitustasot myös hänen suorittamansa harjoittelun rasittavuus.

Kuten kuviossa 4, lohkossa 11 mitataan sykemittaril-5 la mitataan harjoitusjakson aikana henkilön sydänsyke ja ainakin yhden EKG-signaalin aaltomuodon ajoitushetki. Lohkossa 12 lasketaan hetkellinen syke EKG-signaalien vastaavien aaltomuotojen etäisyyksien perusteella, ja suoritetaan mahdollinen muokkaus esim. sopivalla digitaalisella suo-10 dattimella. Lohkossa 13 käytetään tässäkin esimerkissä ti-lastofunktiota, kuten keskihajontaa s, sykevariaation tai hetkellisestä sykkeestä muodostetun spektrin osa- tai koko-naistehon suuruuteen verrannollisen arvon muodostamiseksi. Lohkossa 14a rekisteröidään ja tallennetaan ainakin harjoi-15 tusjakson alussa mainitulla aikavälillä sykevariaatioon verrannolliset arvot ajan funktiona henkilön ainakin ko. harjoitus jakson kannalta olennaisten rasitustasojen määrittämiseksi. Lopuksi verrataan lohkossa 15 harjoituksen jatkuessa yli mainitun aikavälin henkilön hetkellistä sykeva-ti 'j‘ 20 riaatiota määritettyjen rasitustasojen vastaaviin sykevari- : aatioarvoihin ja ilmoitetaan sykemittarilla hetkellisen ·;··:' sykevariaation perusteella laskettu harjoituksen rasitta- • vuus rasitustasoihin nähden.

Siten keksinnön mukainen sykemittari voi harjoitus- • ' 25 jakson alussa määrittää täysin automaattisesti sykevariaa tion avulla käyttäjänsä tavoitesykealueet ilman, että käyttäjän tarvitsee tätä erikseen ohjelmoida.

Keksinnön mukaisessa laitteessa, joka edullisesti | muodostuu sykemittarista, on muisti, johon voidaan etukä- 30 teen ohjelmoida henkilön eri rasitustasoja, kuten energia- :,tt aineenvaihdunnan kynnysarvoja vastaavat sykevariaation alu- .··. eet. Sykevariaation raja-arvoasetusten kautta voidaan siten ohjelmoida etukäteen halutuntyyppinen harjoitus, joka voi . . olla luonteeltaan osittain aerobista eli peruskestä- 35 vyysharjoittelua, vauhtikestävyysharjoittelua, anaerobista j 13 1 10303 intervalliharjoittelua tai muuta sykevariaation avulla seurattavaa harjoittelua. Käytännössä harjoittelevalle henkilölle hänen suorittaessaan edullisesti rasitukseltaan asteittain lisääntyvää harjoitusjaksoa ilmoitetaan esim. ää-5 nimerkillä milloin tavoitteena oleva sykevariaatioalue on saavutettu.

Kuviossa 6 on esitetty keksinnön mukaisen laitteen kolmannen sovellutusmuodon mukaisen laitteen toimintakaavio. Tässä tapauksessa tavoitteena on pelkästään kunto- tai 10 urheiluharjoittelua suorittavan henkilön suorittaman harjoittelun rasittavuuden ohjaaminen sydänsykkeen mittauksen avulla. Kuten kuvioiden 4 ja 5 yhteydessä on esitetty, toiminnan perustana oleva sykemittaus suoritetaan lohkossa 11. Sykemittarilla mitataan harjoitusjakson aikana henkilön 15 sydänsyke ja EKG-signaalin ainakin yksi kiintopiste (QRS-kompleksi). Lohkossa 12 lasketaan sydänsyke EKG-signaalien perusteella ja suoritetaan mahdollisesti tarvittava muokkaus esim. sopivalla digitaalisella suodattimena. Tilasto-funktion 13 avulla muodostetaan sykevariaation tai het-20 kellisestä sykkeestä muodostetun spektrin kokonais- tai : : ; osatehon suuruuteen verrannollinen arvo. Lohkossa 15 verra- ·;··; taan hetkellistä sykevariaatiota aikaisemmin määritettyjen : rasitustasojen vastaaviin sykevariaatioarvoihin ja ilmoite- taan sykemittarilla hetkellisen sykevariaation perusteella ,·.· 25 lasketun harjoituksen rasittavuus rasitustasoihin nähden.

Edullisesti henkilön yhden tai useamman harjoitus-jakson aikana määritettyjä rasitustasoja vastaavat sykeva-riaatioarvot talletetaan hänen käyttämänsä sykemittarin muistiin ja käytetään kulloinkin suoritetussa vastaavassa ’. ·. 30 harjoitus jaksossa mitattujen sykevariaatioarvojen vertai- luarvoina harjoittelun rasittavuuden ohjaamiseksi. Näin .··· voidaan tallettaa eri urheilu- tai kuntoilulajien tai eri ____· pituisten har joi tus jaksojen tavoitearvot sykevariaatiolle.

. . Sykevariaatio ja rasitustaso voidaan helposti esittää sy- '”· 35 kearvoilla sykemittarin käyttäjälle vertaamalla mitattuja 110303 14 sykearvoja ko. henkilölle laaditusta sykevariaatioarvojen muunnostaulukosta saatuihin sykearvoihin. Sykevariaatioar-voista muunnetut sykearvot voidaan esittää esim. prosenttiosuuksina henkilön maksimisykkeestä.

5 Keksinnön mukaisessa sykemittarissa on edullisesti näyttölaite (vrt. kuvio 3), joka reaaliaikaisesti näyttää sykevariaatioon verrannollista mittalukua ja/tai graafista osoitinta kuten pylvästä, jonka korkeus jollakin tavalla on verrannollinen laskettuun sykevariaatioon. Sykemittarin 10 näytössä voidaan luonnollisesti esittää myös muita harjoituksen aikana hyödyllisiä tietoja, kuten aika, ajanotto ja/tai jonkin muun fysiologisen suureen mittaustulos.

Kuvioissa 7a-7e on esitetty esimerkkejä miten syke-variaatiosignaali muodostetaan EKG-signaalista. Lähtökohta-15 na on kuvion 1 mukainen mitattu EKG-signaali, josta määritetään sopiva ajoituskohta tx (kuvio 7a) R-pulssien perusteella. Kuvio 7b esittää hetkellisen sykkeen määrittämistä RR-välien ajoituskohtien tx. . . tn perusteella. Kuviossa 7c esitetään hetkellinen syke jatkuvana signaalina RR-aika- I 20 tasossa ja kuviossa 7d syke-aikatasossa, jossa syke = : : . 60/RR. Kuviossa 7e esitetään sykevariaatiokäyrä, joka voi- ’:·*’ daan laskea suoraan RR-väleistä (kuvio 7b) rekursiivisesti ; liukuvana keskihajontana tai liukuvana jakautumakuvion muo- dost a määritettynä korkeutena tai leveytenä, tai kuvioiden ,·.* 25 7c tai 7d signaaleista muodostetun spektrin osa- tai ko- konaistehon arvona.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan että ne voivat vaihdella vapaasti jäljempänä i » · * * '. · 30 olevien patenttivaatimusten puitteissa.

» · * i * *

Claims (17)

15 110303

1. Menetelmä kunto- tai urheiluharjoittelua suorittavan henkilön rasitustasojen määrittämiseksi sydänsykkeen 5 mittauksen avulla ennalta määrätyssä harjoitusjaksossa, jossa henkilö altistetaan lisääntyvälle rasitukselle har-joitusjakson aikana, joka menetelmä suoritetaan siten, että - mitataan sykemittarilla harjoitusjakson aikana henkilön EKG-signaali ja ainakin yhden EKG-signaalin aalto- 10 muodon, kuten QRS-kompleksin, ajoitushetki; - lasketaan sydänsyke EKG-signaalien vastaavien aaltomuotojen etäisyyksien perusteella; tunnettu siitä, että menetelmässä - muodostetaan matemaattisen funktion avulla sydän- 15 sykkeen variaation tai sykkeestä muodostetun spektrin kokonais- tai osatehon suuruuteen verrannollinen arvo; - rekisteröidään harjoitusjakson aikana sykevariaa-tioon verrannolliset arvot ajan funktiona ja määritetään sykevariaation arvojen perusteella henkilön ainakin ko. • 20 harjoitusjakson kannalta olennaiset rasitustasot. : ' 2. Menetelmä kunto- tai urheiluharjoittelua suorit- , tavan henkilön rasitustasojen ja hänen suorittamansa har- , ,·, joittelun rasittavuuden määrittämiseksi sydänsykkeen mit tauksen avulla harjoitusjaksossa, jossa henkilö altistetaan 1 ; 25 lisääntyvälle rasitukselle ainakin harjoitusjakson alussa, joka menetelmä suoritetaan siten, että - mitataan sykemittarilla harjoitusjakson aikana henkilön EKG-signaali ja ainakin yhden EKG-signaalin aaltomuodon, kuten QRS-kompleksin, ajoitushetki; 30. lasketaan sydänsyke EKG-signaalien vastaavien aal tomuotojen etäisyyksien perusteella; • » tunnettu siitä, että menetelmässä - muodostetaan matemaattisen funktion avulla sykeva- , riaation tai sykkeestä muodostetun spektrin kokonais- tai /*. 35 osatehon suuruuteen verrannollinen arvo; 16 110303 - rekisteröidään ainakin harjoitusjakson alussa ennalta määrätyllä aikavälillä sykevariaatioon verrannolliset arvot ajan funktiona ja määritetään sykevariaation mainitulla aikavälillä muodostettujen arvojen perusteella henkilön ai-5 nakinko, harjoitus jakson kannalta olennaiset rasitustasot ; ja - verrataan harjoituksen jatkuessa yli mainitun aikavälin henkilön hetkellistä sykevariaatiota määritettyjen rasitustasojen vastaaviin sykevariaatioarvoihin ja il- 10 moitetaan sykemittarilla hetkellisen sykevariaation perusteella lasketun harjoituksen rasittavuus rasitustasoihin nähden.

3. Menetelmä kunto- tai urheiluharjoittelua suorittavan henkilön suorittaman harjoittelun rasittavuuden oh- 15 jäämiseksi sydänsykkeen mittauksen avulla, joka menetelmä suoritetaan siten, että - mitataan sykemittarilla harjoituksen aikana henkilön EKG-signaali ja ainakin yhden EKG-signaalin aaltomuodon, kuten QRS-kompleksin, ajoitushetki; • f 20 - lasketaan sydänsyke EKG-signaalien vastaavien aal- . tomuotojen etäisyyksien perusteella; ..... tunnettu siitä, että menetelmässä - muodostetaan matemaattisen funktion avulla sykevariaation tai sykkeestä muodostetun spektrin kokonais- tai 25 osatehon suuruuteen verrannollinen arvo; - verrataan harjoituksen aikana henkilön hetkellistä sykevariaatiota ennalta määritettyjen rasitustasojen vastaaviin sykevariaatioarvoihin ja ilmoitetaan sykemittarilla hetkellisen sykevariaation perusteella lasketun harjoituk- 30 sen rasittavuus rasitustasoihin nähden.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetel- > t mä, tunnettu siitä, että henkilön yhden tai useamman harjoitusjakson aikana määritettyjä rasitustasoja vastaavat sykevariaatioarvot talletetaan hänen käyttämänsä ' ·.* 35 sykemittarin muistiin (9) ja käytetään kulloinkin suorite- 17 110303 tussa vastaavassa harjoitusjaksossa mitattujen sykevariaa-tioarvojen vertailuarvoina harjoittelun rasittavuuden ohjaamiseksi .

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen mene-5 telmä, tunnettu siitä, että henkilön rasitustaso esitetään sykemittarin käyttäjälle vertaamalla mitatut sy-kearvot ko. henkilölle laaditusta sykevariaatioarvojen muunnostaulukosta (kuvio 2) saatuihin sykearvoihin.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, t u n-10 n e t t u siitä, että sykevariaatioarvoista muunnetut sykearvot esitetään prosenttiosuuksina henkilön maksimisykkeestä .

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että EKG-signaalista muo- 15 dostettu sykesignaali ylipäästösuodatetaan hitaiden tulosta vääristävien prosessien poistamiseksi ennen henkilön syke-variaation ja rasitustasojen määrittämistä.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sykevariaatio laske- j 2 0 taan tuloksenaan sykkeen keskihajonnan antavan tilastofunk- ; tion (13) avulla. ... 9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen mene- , .· telmä, tunnettu siitä, että sykevariaatio laske- » · · t; taan tuloksenaan hetkellisen syke- tai RR-signaalin jakau- 25 makuvion korkeuden tai leveyden antavan tilastofunktion avulla.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sykevariaatioon ver rannollinen suure lasketaan tuloksenaan jatkuvan sy- 'V* 30 kesignaalin tehospektrin kokonais- tai osatehon antavan : ’ funktion avulla.

11. Laite kunto- tai urheiluharjoittelua suorittavan henkilön rasitustason määrittämiseksi sykemittarin avulla, joka laite käsittää: ' " 35 - välineet (1-4) sydämen sykesignaalien detektoimi- is 110303 seksi ja lähettämiseksi; - sykemittarin (5-10; 11) sykesignaalien vastaanottamiseksi, laskemiseksi ja mittaamiseksi ja ainakin yhden sy-kesignaalin sisältämän EKG-signaalin aaltomuodon, kuten

5 QRS-kompleksin, ajoitushetken rekisteröimiseksi; -välineet (8; 12) sydänsykkeen laskemiseksi EKG-signaalien vastaavien aaltomuotojen etäisyyksien perusteella; tunnettu siitä, että laite käsittää - välineet (8;13) sykevariaation tai jonkin syk-10 keestä muodostetun spektrin kokonais- tai osatehon suuruuteen verrannollisen arvon muodostamiseksi matemaattisen funktion avulla; -välineet (8; 14) harj oitus j akson aikana sykevariaa-tioon verrannollisen arvojen rekisteröimiseksi ajan funk-15 tiona ja henkilön ainakin ko. harjoitusjakson kannalta olennaisten rasitustasojen määrittämiseksi sykevariaation arvojen perusteella.

12. Laite kunto- tai urheiluharjoittelua suorittavan henkilön rasitustasoj en ja hänen suorittamansa harjoittelun ·· 20 rasittavuuden määrittämiseksi sykemittarin avulla, joka » i » · , .* laite käsittää: t f > » » ..... - välineet (1-4) sydämen sykesignaalien detektoimi- seksi ja lähettämiseksi; -sykemittarin (5-10,-11) sykesignaalien vastaanotta-• 25 miseksi, laskemiseksi ja mittaamiseksi ja ainakin yhden sy- kesignaalin sisältämän EKG-signaalin aaltomuodon, kuten QRS-kompleksin, ajoitushetken rekisteröimiseksi; - välineet (8,-12) sydänsykkeen laskemiseksi ainakin harjoittelun alussa ennalta määrätyllä aikavälillä EKG-sig- 30 naalien vastaavien aaltomuotojen etäisyyksien perusteella,· tunnettu siitä, että laite käsittää * I ,),· - välineet (8,-13) sykevariaation tai jonkin syk- keestä muodostetun spektrin kokonais- tai osatehon suuruu- • · i I teen verrannollisen arvon muodostamiseksi matemaattisen I t 35 funktion avulla; 19 110303 - välineet (8;14a) sykevariaatioon verrannollisten arvojen rekisteröimiseksi ajan funktiona ja henkilön ainakin ko. harjoitusjakson kannalta olennaisten rasitustasojen määrittämiseksi ainakin mainitulla ennalta määrätyllä aika- 5 välillä sykevariaation arvojen perusteella; ja -välineet (8;15) henkilön hetkellisen sykevariaation vertaamiseksi määritettyjen rasitustasojen vastaaviin sykevariaatioarvoihin ja välineet harjoituksen rasitus-tasoihin nähden lasketun rasittavuuden ilmoittamiseksi sy-10 kemittarissa.

13. Laite kunto- tai urheiluharjoittelua suorittavan henkilön suorittaman harjoittelun rasittavuuden ohjaamiseksi sykemittarin avulla, joka laite käsittää: - sykemittarin, (1-10,-H) jolla harjoituksen aikana 15 henkilön sydänsyke ja ainakin yhden EKG-signaalin aaltomuo don, kuten QRS-kompleksin ajoitushetki on mitattavissa,· - välineet (8; 12) sydänsykkeen laskemiseksi EKG-signaalien vastaavien aaltomuotojen etäisyyksien perusteella; tunnettu siitä, että laite käsittää i ,,)· 20 - välineet (8; 13) sykevariaation tai sykkeestä Ηπιοί; dostetun spektrin kokonais- tai osatehon suuruuteen verran- -;*· nollisen arvon muodostamiseksi tilastofunktion avulla; * >* -välineet (8; 15) henkilön hetkellisen sykevariaati- * » » on vertaamiseksi harjoituksen aikana ennalta määritettyjen ,·,* 25 rasitustasojen vastaaviin sykevariaatioarvoihin ja välineet I | ! ‘ harjoituksen rasitustasoihin nähden lasketun rasittavuuden ilmoittamiseksi sykemittarissa.

14. Patenttivaatimuksen 11, 12 tai 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite muodostuu tietoko- 30 neella (8) varustetusta sykemittarista (5-10) , jossa on muistivälineet (9) henkilön yhden tai useamman harjoitus-jakson aikana määritettyjen rasitustasojen tallentamiseksi ,,|’ ja käyttämiseksi vertailuarvoina mitattuihin sykevariaation . , arvoihin kulloinkin suoritetun vastaavan harjoitusjakson '·" 35 rasittavuuden ohjaamiseksi. 20 110 3 0 3

15. Jonkin patenttivaatimuksen 11 - 14 mukainen laite, tunnettu siitä, että siihen kuuluu välineet (8; 15) harjoittelun aikana mitattujen sykearvojen vertaamiseksi ennalta laaditusta sykevariaatioarvojen muunnostaulu- 5 kosta saatuihin sykearvoihin rasitustason osoittamiseksi sykemittarin näytössä (10) sykearvoista muodostuvalla skaalalla.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siitä, että sykearvoista muodostuva skaala on 10 mitatun sykkeen prosenttiosuusskaala henkilön maksimisykkeestä .

17. Jonkin patenttivaatimuksen 11 - 16 mukainen laite, tunnettu siitä, että siinä on ylipäästösuoda-tin (11) sykesignaalin suodattamiseksi. 21 110303