FI124368B

FI124368B - Menetelmä ja laite fysiologisten harjoitusparametrien laskemiseksi

Info

Publication number: FI124368B
Application number: FI20105310A
Authority: FI
Inventors: Erik Lindman; Mikko Martikka
Original assignee: Suunto Oy
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2014-07-31
Also published as: EP2371278B1; FI20105310A; EP2371278A1; FI20105310A0; US20110263993A1; US9993162B2

Description

Menetelmä ja laite fysiologisten harjoitusparametrien laskemiseksi

Keksintö koskee menetelmää suorituksenaikaiSten tai suorituksen jälkeisten harjoitusparametrien laskemiseksi. Erityisesti keksintö koskee sykemittaukseen pohjaavaa menetelmää suorituksen jälkeen tarvittavan palautumisajan (recovery time) sekä suoritukseen liittyvän 5 energiankulutuksen (energy consumption) arvioimiseksi. Keksintö koskee myös vastaavaa laitetta.

Ennestään tunnetaan useita menetelmiä palautumisajan ja energiankulutuksen arvioimiseksi sykemittauksen perusteella. Tällaisia menetelmiä on esitetty mm. julkaisuissa EP 1147790, US 7192401, US 7460901, US 2006/0004265, WO 2007/99206 ja WO 10 2009/118645.

Esimerkiksi julkaisussa US 7192401 esitetyssä menetelmässä palautumisaikaa arvioidaan sykemittauksen perusteella kahden harjoituksen intensiteetistä riippuvan ja harjoituksen kestosta riippumattoman painoarvokäyrän avulla.

Julkaisussa WO 2009/118645 esitetyssä menetelmässä palautumisaikaa arvioidaan meta-15 hölisen ja mekaanisen komponentin avulla. Metabolista komponenttia arvioidaan harjoituksen rasittavuuden perusteella, jota varten puolestaan arvioidaan harjoitukseen liittyvää proteiininpolttonopeutta.

Sykemittausten avulla, tarkemmin sanottuna sykevälien jaksollisuuden perustella, on myös arvioitu henkilön hengitystiheyttä ja tätä kautta muodostettu tarkempia arvioita energian- 20 kulutuksesta ja palautumisajasta. Yksi tällainen menetelmä on esitetty esimerkiksi julkai- δ sussa US 7460901. Näiden menetelmien heikkoutena on kuitenkin laskennallinen raskaus c\j co ja se, että mitatun sykedata pitää olla erittäin hyvälaatuista, jotta hengitystiheyden määrit- i c\j täminen sykevälikohinan jaksollisuuden perusteella olisi ylipäänsä mahdollista. Sykeväli- x mittauksen epävarmuutta aiheuttavat mm. mittauselektrodien liike ja tiedonsiirron katkot.

CL

25 Tällöin hengitystiheyden laskennassa on käytännössä epävarmuutta. Lisäksi ihmisen sy- cö dämen reagointiaika muutokseen mitataan sekunneissa, o ° Tästä ongelmasta voidaan päästä eroon siirtymällä suoraan syke- tai keskisykepohjaisiin menetelmiin, mutta tällöin menetetään hengitystiheyden tuntemisen tuomaa "fysiologista" 2 laskentatarkkuutta. Keskisyke on kuitenkin kertaluokkaa luotettavammin määritettävissä harjoituksen aikana kuin hengitystiheys.

Yhtenä ongelmana sekä tunnetuissa energiankulutus- että tunnetuissa palautumisaikalas-kennoissa on, että vaikka menetelmät toimisivat hyvin yhdessä lajissa, ne voivat antaa 5 huomattavan virheellisiä arvoja jossakin toisessa lajissa.

Yhteenvetona voi sanoa, että vaikka sykepohjaiseen energiankulutuksen laskentaan on panostettu huomattavasti viime vuosina, on tunnetuissa menetelmissä kuitenkin huomattavia puutteita.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää yllä mainittuja ongelmia ja saada aikaan menetelmä, 10 joka huomioi harjoitusparametrien laskennassa paremmin suorituksen luonteen, eli kuormittavuuden ja edelleen tämän fysiologisen vaikutuksen.

Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuottaa keskisykepohjaisena toteuttamiskelpoinen, ja siten mittaustekniikaltaan yksinkertaisempi ja yleisesti luotettavampi menetelmä haijoitus-parametrien laskentaan.

15 Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että haijoitusparametri lasketaan käyttämällä hyödyksi palautumissykettä, eli suorituksen aikana dynaamisesti päivitettävää arvioitua syketasoa, jolle henkilön syke palautuu tietyssä ajassa, kun suoritus lopetetaan. Yksityiskohtaisemmin esitettynä menetelmässä - mitataan sydämen sykettä sykeanturilla, 20 - määritetään mittauksen perusteella sykearvo, o ^ - määritetään sykearvon ja ennalta määrättyjen esitietojen pohjalta palautumissy- co ? kearvo, joka on harjoituksen aikana dynaamisesti muuttuva, ^ - määritetään mainittu haijoitusparametri käyttämällä hyväksi palautumissykearvoa.

ir

CL

0 Palautumissykearvon dynaaminen muuttuvuus tarkoittaa, että arvoa päivitetään haijoituk- £3 25 sen aikana harjoituksesta kerätyn syketiedon pohjalta. Edullisesti päivitys tehdään rekursii- ° 5 visesti hyödyntämällä edellistä palautumissykearvoa ja nykyistä sykearvoa. Yhden sovellu-

CvJ

tusmuodon mukaan näiden tietojen lisäksi käytetään ainakin yhtä nykyisen sykkeen suhteen taulukoitua esitietoa, kuten sykkeen saturaatiotasoa ja/tai sykkeen saturaatiotason muutosnopeutta.

3 Täsmällisemmin keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön mukaiselle laitteelle taas on ominaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksessa 17.

Sykearvo voi olla todellinen syketiheys. Edullisen sovellutusmuodon mukaan sykearvona 5 käytetään kuitenkin todellisesta syketiheydestä HR johdettua sykearvoa, joka ottaa huomioon henkilön leposykkeen vaikutuksen. Tällainen sykearvo saadaan kaavalla, jossa tekijänä on todellisen syketiheyden HR ja henkilön leposyketiheyden HRrest erotus HR-HRrest. Erityisen edullisesti todellinen syke suhteutetaan siihen sykealueeseen, joka urheilijalla on teoreettisesti käytettävissään suoritusta tehdessään, eli "sykereserviin". Tällainen sykearvo 10 saadaan käyttämällä kaavaa, jossa tekijänä on (HR-HRrest)/(HRmax-HRrest), jossa HR on todellinen syke, HRrest on henkilön leposyke ja HRmax on henkilön maksimisyke.

Palautumissykearvo määritetään nykyisen sykearvon ja esitietojen pohjalta. Esitietoina on tyypillisimmin taulukoitu tai mallinnettu tieto palautumissykkeen saturaatiotasosta, johon nykyisellä haijoitusintensiteetillä päädytään, jos harjoitusta jatketaan riittävän pitkään.

15 Tämä tieto on tyypillisimmin lajiriippuva. Esitietona on edullisesti myös tieto henkilön nykyisestä kuntotasosta, eli jokin henkilön kuntotasoa kuvaava indeksi.

Yhden sovellutusmuodon mukaan palautumissykearvo määritetään rekursiivisesti käyttämällä hyödyksi aiemmin määritettyä palautumissykearvoa, jolloin menetelmässä käytetään ensimmäistä taulukkoa, joka liittää yhteen sykearvoja ja näitä vastaavia palautumissy-20 kearvon saturaatiotasoja, haetaan ensimmäisestä taulukosta nykyistä sykearvoa vastaava palautumissykearvon saturaatiotaso ja muutetaan palautumissykearvoa mainitun saturaatio-o tason perusteella.

i

CO

? Jos palautumissykearvoa määritetään tällä algoritmilla ensimmäisen kerran, voidaan yllä

CM

mainittuna aiemmin määritettynä palautumissykearvona ennalta määrättyä alkupalautumis-

X

£ 25 sykearvoa, kuten henkilön leposykettä.

o cö o Yhden sovellutusmuodon mukaan ensimmäisen taulukon sisältö valitaan sen perusteella ^ onko nykyinen sykearvo suurempi vai pienempi kuin aiemmin määritetty palautumissy kearvo.

30 4

Edullisen suoritusmuodon mukaan palautumissykearvoa kasvatetaan aina jos saturaatiotaso on aiemmin määritettyä palautumissykearvoa suurempi ja pienennetään, jos saturaatiotaso on tätä pienempi. Saturaatiotason ja aiemmin määritetyn palautumissykkeen erotus määrää ainakin osittain tarvittavan muutoksen suuruuden.

5 Yhden sovellutusmuodon mukaan palautusmissykearvon määrittämiseksi käytetään lisäksi toista taulukkoa, joka liittää yhteen sykearvoja ja näitä vastaavia saturaationopeus-kertoimia, haetaan toisesta taulukosta nykyistä sykearvoa vastaava saturaationopeuskerroin ja muutetaan palautumissykearvoa mainitun saturaatiotason ja saturaationopeuskertoimen perusteella.

10 Toisen taulukon sisältö valitaan edullisesti henkilön kuntoa kuvaavan indeksin perusteella. Tämä tehdään siksi, että hyväkuntoisella henkilöllä palautumissyke muuttuu hitaammin kuin huonokuntoisella, ts. tietyn suoritusajan jälkeen hyväkuntoisen syke palautuu nopeammin alemmalle tasolle kuin huonokuntoisen.

Edelleen, keksinnön varsinaisena päämääränä oleva haijoitusparametrin laskeminen suori-15 tetaan edullisimmin vähentämällä nykyisestä sykearvosta määritetty palautumissykearvo muunnetun sykearvon saamiseksi ja laskemalla edelleen mainittu haijoitusparametri käyttämällä hyväksi muunnettua sykearvoa. Toisin sanoen harjoituksen fysiologista vaikutusta mallinnetaan kullakin ajanhetkellä paitsi nykyisen sykearvon, myös harjoituksen aikana muuttuvan palautumissykearvon perusteella.

20 Yhden sovellutusmuodon mukaan palautumissykearvon perusteella laskettu harjoituspara- ^ metri on palautumisaika, joka kuvaa henkilön meneillään olevasta harjoituksesta täysin o ^ palautumiseen tarvittavaa lepoaikaa.

co cp c\j Palautumisaika voidaan laskea rekursiivisesti aiemmin määritetyn palautumisaj an perus- x teella siten, että aina kun nykyinen sykearvo on suurempi kuin määritetty palautumissy- 25 kearvo, palautumisaikaa kasvatetaan, ja aina kun nykyinen sykearvo on pienempi tai yhtä cö suuri kuin määritetty palautumissykearvo, palautumisaikaa pienennetään, o ° Harjoituksen alussa palautumisaika voi olla nolla tai vaihtoehtoisesti jokin nollasta poik keava alkuarvo, jos palautuminen edellisestä harjoituksesta on vielä kesken.

5

Edelleen, palautumisaika lasketaan ns. efektiivisen haijoitusajan perusteella, joka efektiivinen haijoitusaika lasketaan henkilön todellisen syketiheyden sekä henkilön maksimisuo-ritussykkeen perusteella, maksimisuoritussykkeen ollessa edullisesti valittu riippuen henkilön suorittaman lajin tyypistä.

5 Palautumisaika lasketaan edullisesti ottamalla huomioon myös henkilön kuntotasoa kuvaava indeksi, koska kuntotaso vaikuttaa elimistön kykyyn palautua fyysisen rasituksen aiheuttamasta poikkeustilasta.

Yhden sovellutusmuodon mukaan palautumissykearvon perusteella laskettu harjoituspara-metri on energiankulutus.

10 Energiankulutus voidaan laskea siten, että muunnetaan sykearvo hapenkulutusarvoksi ja lasketaan energiankulutus hapenkulutusarvon perusteella funktiolla, joka riippuu henkilön sukupuolesta, iästä ja henkilön kuntotasoa kuvaavasta indeksistä. Edullisimmin sykearvo muunnetaan hapenkulutusarvoksi eri muunnoksella aina siitä riippuen, onko sykearvo pienempi vai suurempi kuin palautumissyke, jolloin voidaan huomioida suorituksen intensi-15 teetin muutosten havaittu vaikutus energiankulutukseen.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Erityisesti keksinnön avulla voidaan suorituksen fysiologisia vaikutuksia, erityisesti energiankulutusta ja palautumisaikaa, arvioida erittäin tarkasti ilman sykevälimittausta. Tämä johtuu siitä, että keksinnön mukaan palautumissyke, joka on arvioitavissa mitatun sykkeen ja soveltuvien esitietojen pohjalta, kuten 20 myöhemmin tarkemmin kuvataan, antaa tarkan kuvan suorituksen kuormittavuudesta.

Koska syketiheysmittaus on huomattavasti luotettavampi mittaus kuin sykevälimittaus, o ^ keksintö poistaa tunnettujen ratkaisujen mittausvirheeseen liittyvän epäluotettavuusongel- cö S5 man. Esillä olevan palautumislaskennan yhtenä etuna on se, että palautumisaika liitetään C\1 todellisiin havaintoihin palautumistarpeesta - ei hypoteeseihin siitä, miten metabolian häi-

X

£ 25 riintyminen palautuu jonkun mallin perusteella, kuten joissakin tunnetun tekniikan mukai- ° sissa menetelmissä, co

LO

o £ Yllä on kuvattu esillä olevan keksinnön perusperiaate ja joitakin keskeisiä sovellutusmuo- c\j toja ja etuja yleisellä tasolla. Muita sovellutusmuotoja ja etuja sekä tarkemmat yksityiskohdat ja matemaattiset kaavat keksinnön toteuttamiseksi käytännössä ainakin yhdellä ta- 6 valla on esitetty seuraavassa yksityiskohtaisessa kuvauksessa viitaten oheisiin piirustuksiin.

Kuviossa la esitetään ihmisen syke maksimijuoksusuorituksessa prosentteina maksimisykkeestä.

5 Kuvioissa Ib ja le esitetään ihmisen juoksun rajat prosentteina maksiminopeudesta suhteutettuna 1500 m ja 100 m maailmaennätyksiin, vastaavasti.

Kuviossa 2 esitetään kaavamaisesti ihmisen absoluuttiset lepo-ja maksimisykerajat sekä suorituksen mukaan muuttuvat maksimisuoritussyke ja palautumissyke.

Kuviossa 3 esitetään palautumisaikalaskennassa käytettävän painokerroinfunktion periaat-10 teellinen muoto.

Kuviossa 4 esitetään esimerkinomaisesti palautumisaika suhteutettuna efektiiviseen haijoi-tusaikaan.

Kuviossa 5 esitetään hapenkulutuksen vaste nousevaan suorituksen intensiteettiin. Kuviossa 6 esitetään vuokaaviona energiankulutuslaskenta ja palautumisaikalaskenta keksinnön 15 yhden sovellutusmuodon mukaan.

Kuviossa 7 esitetään esimerkinomaisesti palautumissykkeen saturaatiotasofunktio yhdellä kuntatasolla.

Kuviossa 8 esitetään palautumissykkeen käyttäytyminen todellisen harjoituksen aikana.

't 5 Kuviossa 9 esitetään esimerkinomaisesti keksinnössä kuvatuilla periaatteilla laskettu ha- c\j co 20 penkulutus, josta voidaan edelleen arvioida energiankulutus, o i CU .

Määritelmiä

X

cc

Alla lyhennettä HR käytetään viittaamaan absoluuttiseen syketiheyteen ja lyhennettä hrr o cö viittaamaan syketiheyden ja leposykkeen erotuksen suhdetta sykereserviin (yksikkönä tyy- m ? pillisesti "prosenttia sykereservistä"). Ellei toisin mainita tai ole muuten ymmärrettävissä, 00 25 termit "sykearvo" ja "syketaso" kattavat molemmat yllämainitut käsitteet sekä muut syke- mittauksen perusteella jollakin muunnoksilla saadut sellaiset johdannaiset, jotka myös kuvaavat suorituksen intensiteettiä.

7

Tarkempia määritelmiä sekä näiden johdannaisia on esitetty alla.

"Palautumissykkeellä" (HRrecoveiy / hrrrecovery) tarkoitetaan syketasoa Joka saavutetaan kun suoritus keskeytetään ja ollaan paikoillaan. Palautumissyke voidaan todellisuudessa mitata keskisykkeenä tietyn ajanjakson yli välittömästi suorituksen keskeyttämisen jälkeen tai 5 tietyn ajanjakson kuluttua tästä. Mielivaltaisen suorituksen aikana palautumissyke riippuu tehdystä työstäjä harjoituksen kestosta. Esillä olevassa menetelmässä palautumissykettä arvioidaan laskennallisesti dynaamisesti harjoittelun edetessä ilman, että harjoitusta täytyy keskeyttää. Toisin sanoen jokaista harjoituksen ajankohtaa vastaa joku palautumissykelu-kema, joka (ideaalitapauksessa) voitaisiin mitata, jos suoritus keskeytettäisiin ja oltaisiin 10 paikoillaan.

Molemmissa keksinnön pääsovelluksissa - palautumisaikalaskennassa ja energiankulutus-laskennassa - hyödynnetään palautumissykettä. Esimerkinomainen tapa määrittää palautumissyke on esitetty myöhemmin.

"Palautumissykkeen saturaatiotaso" (HRsi / hrrsi) on taso, jonne palautumissyke nousee, 15 kunhan nykyistä intensiteettiä jatketaan riittävän pitkään. Saturaatiotaso riippuu paitsi suorituksen intensiteetistä, myös suorittajan kuntotasosta. Saturaatiotasoja eri syketasoille voidaan mallintaa ja taulukoida. Käytännössä taso voidaan arvioida maksimaalisten ja sub-maksimaalisten testien sykemittauksista. Myös intervallityyppisten harjoituksien sykemit-tauksista voidaan saada hyviä estimaatteja palautumissykkeen saturaatiotasoille. Tyypilli-20 sesti palautumissykkeen saturaatiotaso on välillä 0-50, etenkin 0-30 prosenttia sykereser-vistä, suorituksen intensiteetistä riippuen intensiteettivälillä 0-100 prosenttia sykereser-δ vistä.

CvJ

co 9 "Palautumissykkeen saturaatiokerroin" (slcoeff) on puolestaan saturaatiotasoon liittyvä muu-

CVJ

tosnopeus, jolla ko. saturaatiotaso saavutetaan. Myös saturaatiokerroin riippuu paitsi suori-

X

£ 25 tuksen intensiteetistä, myös suorittajan kuntotasosta. Myös saturaatiokerroin on mallinnet- 9 tavissa esimerkiksi siten, että sen arvot on valittu siten, että loppusuureen (esimerkiksi co o energiakulutus) keskimääräinen virhe minimoituu verrattuna referenssimittaukseen. Edelsi leen, mallinnetut saturaatiokertoimet voidaan taulukoida. Tyypillisesti saturaatiokerroin vaihtelee välillä 0-0,15, etenkin 0-0,10, suorituksen intensiteetistä riippuen intensiteetti-30 välillä 0 - 100 prosenttia sykereservistä.

8 "Maksimisuoritussykkeellä" (HRmaxperf/ hiTmaxperf) tarkoitetaan henkilön korkeinta syketasoa, jota henkilö voi ylläpitää tiettyyn aika/matkatavoitteeseen pääsemiseksi. Maksimisuo-ritussyke muuttuu (laskee) harjoituksen edetessä ja se on aina pienempi kuin maksimisyke, joka vastaa henkilön suurinta mahdollista sydämen lyöntitiheyttä. Maksimisuoritussyke on 5 käytännössä lajikohtainen ja eri lajeille voidaan laatia eri lailla normeeratut maksimisyke-taulukot tai -funktiot. Kuviossa la esitetään esimerkinomaisesti ihmisen maksimi suoritus-syke prosentteina maksimisykkeestä maksimi suorituksessa juoksuajan funktiona (noin 6 tuntiin asti). Käyrä on laadittu käyttämällä hyväksi vuoden 2010 alussa voimassa olleita juoksulajien maailmanennätyksiä (iaaf.org). Kuviossa Ib ja le esitetään ihmisen juoksuno-10 peuden teoreettiset rajat suhteutettuna 1500 m maailmanennätykseen ja 100 m maailmanennätykseen, vastaavasti. Kuvion la käyrä on muodostettu olettamalla, että 1500 m ennätys vastaa maksimaalista aerobista vauhtia ja henkilön maksimisykettä. Kuvaajaa pitää tulkita siten, että jos henkilö aikoo juosta maksimi suorituksen kestoltaan 3 h, niin suorituksen keskisyke pitää olla korkeintaan n. 75% sykereservistä. Tämä edellyttää tietenkin sitä, 15 että urheilija on harjoitellut riittävästi kestävyysominaisuuksia ja on huippukunnossa. Vastaavia käyriä voidaan muodostaa vastaavasti myös muille lajeille kuin juoksulle.

"Sykereservillä" tarkoitetaan henkilön leposykkeen (HRrest) ja maksimisykkeen (HRmax) välistä sykealuetta, jolla syke (HR) käytännössä aina on.

Kuviossa 2 havainnollistetaan yllä esitettyjä käsitteitä graafisesti esimerkinomaisen suori-20 tuksen avulla.

Nykyistä sykettä kuvaa termi HRnow / hrrnow. δ ^ Termit "old" ja "new" viittaavat rekursiivisessa laskennassa aikaisempaan ja uuteen ar- co S5 voon, vastaavasti. Termi "now" puolestaan viittaa nykyiseen mitattuun sykearvoon.

CVJ

x Efektiivisellä haijoitusajalla (deff) tarkoitetaan harjoitusaikaa, jossa on huomioitu haijoituk-

CL

25 sen rasittavuus. Kevyttä suoritusta vastaava efektiivinen haijoitusaika on siis pienempi cö kuin ajalliselta kestoltaan yhtä pitkän raskaan suorituksen, o ° "Kuntoindeksillä" tarkoitetaan henkilön yleiskuntoa kuvaavaa suuretta, joka voi olla käyt täjän syötettävissä tai automaattisesti määritettävissä. Erityisesti kuntoindeksillä tarkoitetaan tässä Shvarzin ja Reiboldin luokittelua skaalalla 1-7, sekä tämän johdannaisia. Esi- 9 merkiksi skaalaa 1-7 voidaan jatkaa ekstrapoloimalla sovitetut funktiot havaintoaineiston ulkopuolella laajennetun, välillä 0-10 olevan kuntoindeksin saamiseksi. Tämä laajennettu indeksi voidaan laatia sellaiseksi, että se sovittuu Shvarzin ja Reiboldin aineistoon alueella 1-7 ja kun harjoittelijan ikä on välillä 10-70 vuotta.

5 Hapenkulutusreservillä tarkoitetaan henkilön maksimaalisen hapenkulutuksen ja lepotilan hapenkulutuksen eroa.

Palautumissvkkeen arvioiminen

Yhden sovellutusmuodon mukaan palautumissyke arvioidaan rekursiivisesti kulloisenkin sykkeen perusteella käyttämällä esitietoina henkilön leposykettä ja maksimisykettä. Nämä 10 parametrit ovat tyypillisesti käyttäjän syötettävissä laitteeseen tai laite voi määrittää nämä automaattisesti tätä tarkoitusta varten olevan ohjelman avulla. Leposyke voi esillä olevassa laskennassa myös olla henkilöstä riippumatta vakio, esim. 60 lyöntiä/min, joka on hyvä keskimääräinen arvio. Menetelmä etenee vaiheittain seuraavasti: 1. Mitataan syke (HR) ja muutetaan se prosenteiksi sykereservistä: 15 hrrnow = (HR-HRrest) * 100% / (HRmax-HRrest) 2. Haetaan taulukosta nykyistä syketasoa (hrrnow) vastaava palautumissykkeen satu-raatiotaso (hrrsi), joka on myös yksikössä sykereserviprosentti.

3. Päivitetään nykyistä palautumissyketasoa (hrrrecoveiy 0id) kohti saturaatiotasoa taulukosta haetulla saturaatiokertoimella (slcoeff) uuden palautusmissyketason (hrrrecove- ^ 20 iy_new) saamiseksi. Päivitysyhtälö voi olla esimerkiksi muotoa o ^ htrrecovery new — hrΓcovery_oId SlCoeff * (hlTsi - hrrrecovery old)·

CO

cp c\j 4. Jos nykyinen syketaso on pienempi kuin taulukosta haettu saturaatiotaso, valitaan x saturaatiotaso- ja saturaatiokerrointaulukon sisältö vastaamaan lepotilannetta (off- Q_ vaste). Muutoin käytössä ovat rasituksen aikaiset taulukon arvot (on-vaste). o cö g 25 Kuviossa 7 on esitetty yhteen kuntotasoon liittyvä palautumissykkeen saturaatiotasot syke- ^ tason funktiona ja kuviossa 8 tätä vastaava esimerkki palautumissykkeen käyttäytymisestä harjoituksen aikana. Kuvatut saturaatiotasot ovat esimerkinomaisia ja niiden tarkat arvot saattavat muuttua referenssimateriaalin lisääntyessä ja mallin tarkentuessa. Tavoitteena 10 tässäkin on minimoida keskivirhe mallin ja referenssimittauksien tulosten välillä. Kuviossa 7 esitetyt arvot on-vasteelle on lueteltu myös taulukossa 1.

Taulukko 1. Esimerkki palautumissykkeen saturaatiotasoista ja -nopeuksista intensiteetin funktiona on-vasteessa. Saturaatiokerroin vastaa tilannetta, jossa palautumissykettä päivite-5 tään kerran 10 sekunnissa.

Intensiteetti [%hrr] Saturaatiotaso [%hrr] Saturaatiokerroin “Ö Ö ÖjÖÖ ~TÖ Ö ÖjÖl ~2Ö Ö ÖjÖ2 ~3Ö 2 ÖÖ3 ~4Ö 5 CfÖ4 ~5Ö IÖ (fÖ5 ~6Ö 13 ÖÖ6 "7Ö Ϊ4 (fÖ7 ~8Ö 15 CfÖ8 ~9Ö 23 (fÖ9 't 5 löö 3Ö öjö co___ ° 110 50 0,11 c\j

X

cc

CL

? Palautumisaikalaskenta co m ° q Yhden sovellutusmuodon mukaan palautumissykettä hyödynnetään tarvittavan palautumis en ajan laskemisessa.

11

Yhden sovellutusmuodon laskenta perustuu siihen, että aina, kun syke on laskennallinen palautumissyke tai sitä pienempi, palautumisaikaa pienennetään, muulloin palautumisaikaa kasvatetaan. Tätä havainnollistetaan myös kuviossa 2, jossa katkoviivalla esitetään nykyinen syke ja yhtenäisellä viivalla palautumissyke.

5 Palautumisaika riippuu harjoituksen kestosta sekä sen rasittavuudesta. Käytännössä palautumisaikaa voidaan arvioida laskemalla nämä tekijät yhdistävä efektiivinen haijoitusaika. Tällöin mitattu syke suhteutetaan harjoituksen kestoon liittyvään maksimi suoritus-sykkeeseen HRmaxperf. Tämä suhdeluku muunnetaan edelleen efektiiviseksi haijoitusaika-lisäykseksi Adeff ensimmäisellä muunnosfunktiolla fl. Muunnosfunktio voi olla juoksun 10 tapauksessa esimerkiksi muotoa

Adeff — fl (HR,HRrecoveiy,HRmaxperf) = (sxP(2*(HR-HRrecoveiy)/(HRmaxperf^HRrecovery))-l) * COeff.

Edellisessä kaavassa coeff = coeff(HR,HRrest,HRmax) 15 = 0.00057 * hrr * hrr - 0.11360 * hrr + 7.34503

Funktion tarkka muoto riippuu myös lajista. Edellisessä on oletettu, että mitattu syke HR on suurempi kuin laskennallinen palautumissyke. Kaavassa esitetyt vakiokertoimet ovat suuntaa antavia.

^ Funktion fl muodostamisessa on yllä käytetty sitä perusperiaatetta, että vakiosykkeellä HR

o ^ 20 saavutetaan maksimi suoritussykkeen taso HRmaxperf = HR ajassa, joka vastaa ko. suhteelli- co ? sella intensiteetillä tehtyä maailmanennätystä.

CU

g Uusi efektiivinen haijoitusaika on efektiivisen haijoitusajan ja efektiivisen haij oitusaika-

CL

lisäyksen summa. Niinpä cö o deff_ new deffold + Adeff.

O

CU

25 Painokerroinfunktio fl voi olla muodoltaan siis monotonisesti kasvava eksponenttifunktio, jonka kuviossa 3 esitetyn kaltaisen efektiivisen treeniajan kertymisen. Tällaisen funktion 12 avulla suorituksen rasittavuuden kasvu erityisesti fysiologisesti korkeilla sykearvoilla voidaan huomioida palautumisajan suurempana lisäyksenä, mikä vastaa hyvin todellisuutta.

Yhden sovellutusmuodon mukaan aina, jos syke ylittää maksimisuoritussykkeen, palautu-misaikaa kasvatetaan voimakkaasti, ts. nopeammin kuin sykkeen ollessa palautumissyk-5 keen ja maksimisuoritussykkeen välissä. Tällaista käyttäytymistä voidaan mallintaa funktion fl kaavassa esitetyn eksponenttifunktion sijaan esim. paloittain lineaarisella funktiolla.

Palautumisaika saadaan edelleen muuttamalla efektiivinen haijoitusaika palautumisaika-tarpeeksi toisen muunnosfunktion f2 avulla. Esimerkiksi kuviossa 4 esimerkki tällaisesta muunnosfunktiosta f2. Funktio f2 voidaan muodostaa arvioimalla palautumistarve eri mit-10 täisistä suorituksista. Esimerkiksi juoksussa tämä voidaan tehdä taulukoimalla palautumis-tarpeet maksimaalisista suorituksista suoritusta vastaavan matkan funktiona. Esimerkiksi ’’George Sheehan (1972) esitti, että 8 km suorituksesta pitää levätä viikko, 16 km suorituksesta 2 viikkoa ja puolimaratonista kuukausi” (vapaa lainaus teoksesta Lore of Running, Timothy Noakes, 4. painos). Nämä arviot ovat konservatiivisia ja ovat tarkoitettu kilpaur-15 heiluun. Toisin sanoen palautumistarvelaskenta perustuu kokemusperäisiin havaintoihin urheilusuorituksista palautumisiin. Palautumiseen vaikuttaa moni asia, mutta yksi merkittävä tekijä on urheilijan kuntotaso. Yleisesti funktio f2 on siis muotoa f recovery = f2( deff, kuntoindeksi, urheilulaji).

Energiankulutuslaskenta 20 Yhden sovellutusmuodon mukaan palautumissykettä käytetään hyväksi energiankulutuk- δ sen laskennassa.

c\j i

CO

9 Edullisen sovellutusmuodon mukaan energiankulutus lasketaan käyttämällä perussuureena

CVJ

palautumissykkeenkin arvioinnissa käytettyä suuretta "prosenttia sykereservistä". Todelli-

X

£ sen leposykkeen sijaan energialaskentakaavassa käytetään kuitenkin palautumissykettä ° 25 HRrecovery. Tällöin saadaan efektiivinen syketaso hrren-: co m 5 hrreff = (HR-HRrecoveiy)*100%/ (HRmax-HR,eco\e,v).

C\J

Esimerkiksi sykkeen muunnos suhteelliseksi hapenkulutusarvoksi (V02 prosenttia henkilön maksimaalisesta hapenkulutusreservistä V02Max - 3.5 ml/kg/min) on esitetty kuvios- 13 sa 5. Kuviota 5 ei pidä pitää fysiologisena ’’totuutena” vaan mallinnuksen tuottamana funktiona, joka minimoi keskivirheen referenssimittauksiin nähden.

Suhteellisesta hapenkulutusarvosta saadaan lasketuksi hapenkulutus prosentteina maksimaalisesta hapenottoreservistä V02Max-3.5 ml/kg/min (=%V02reserve) ja tämä voidaan 5 muuttaa energiankulutukseksi, jos tiedetään henkilön kuntoa kuvaava indeksi, sukupuoli, ikä ja paino.

V02Max voidaan estimoida alan asiantuntijan tuntemalla tavalla Shvarzin ja Reiboldin aineiston pohjalta sovittamalla heidän keräämäänsä aineistoon sopivat funktiot. Toisin sanoen 10 V02Max = f(sukupuoli, ikä, kuntoindeksi).

Kun maksimihapenottoskaala on selvillä, saadaan hetkellinen suhteellinen hapenkulutusar-vo V02 yksiköissä ml/kg/min: V02 = (V02Max - 3.5 ml/kg/min) * %V02reserve + 3.5 ml/kg/min.

Kaavassa ilmenevä 3.5 ml/kg/min vastaa palautuneessa lepotilassa tapahtuvaa hapenkulu-15 tusta (laskennallinen keskiarvo), josta käytetään myös yksikköä 1 MET.

Energiankulutukseksi minuutissa (yksikkö kcal/min) voidaan käyttää esimerkiksi kaavaa (mm. AC SM, www.acsm.org)

Power = V02 * weight / 200, δ jossa weight on henkilön massa kilogrammoissa ja V02 hapenkulutus yksikössä

CM

οό 20 ml/kg/min.

o

CM

Testeissä on todettu, että yllä kuvatulla mallilla virhe energiankulutuksen laskennassa on

X

£ korkeintaan 5 - 10 % todelliseen energiankulutukseen nähden, o δ On huomattava, että esillä oleva energiankulutuslaskenta voidaan tehdä V02-suureen si iri ? jaan myös lepotilan energiankulutusta kuvaavan 1 MET-suureen (metabolic equivalent of 00 25 task) ja sen monikertojen avulla, kuten alan asiantuntija ymmärtää.

14

Seuraavaksi tarkastellaan kuviota 6, jossa esitetään vuokaaviona yllä esitetyt menetelmät. Menetelmä alkaa vaiheessa 1 syketiheyden mittauksella. Mitattu syketiheys suhteutetaan henkilön lepo- ja maksimisykkeeseen vaiheessa 2, josta saadaan tieto laskennallisesta pa-lautumissykkeestä. Laskennallista palautumissykettä käytetään edelleen vaiheessa 3 arvi-5 oimaan henkilön efektiivistä syketasoa, josta lasketaan hapenkäytön osuus hapenkäyttö-reservistä vaiheessa 4. Laskettu hapenkulutus muunnetaan tunnetuilla kaavoilla kehon tuottamaksi tehoksi vaiheessa 5.

Kuviossa 9 on esitetty esimerkki laskennan tuloksesta referenssimittaukseen verrattuna.

Vaiheessa 6 tarkastellaan mitattua sykettä suhteessa laskennalliseen leposykkeeseen. Mikä-10 li nykyinen syke on suurempi kuin palautumissyke, kasvatetaan efektiivistä haijoitusaikaa (vaihe 7a). Jollei näin ole, efektiivistä haijoitusaikaa vähennetään (vaihe 7b). Efektiivinen harjoitusaika muunnetaan palautumisaikatarpeeksi vaiheessa 8.

Yllä kuvattujen ja keksinnön avulla määritettyjen parametrien avulla on mahdollista laskea myös EPOC (Excess Post-exercise Oxygen Consumption), harjoitusvaikutus tai muita har-15 joituksen intensiteetistä riippuvia suureita, kuten alan ammattimies ymmärtää.

Välineistöksi esillä olevan menetelmän toteuttamiseen sopivat rannetietokoneet, kannettavat tietokoneet tai pöytätietokoneet, joissa on välineet sykkeen mittaamiseksi tai mahdollisuus sykesignaalin tuomiseksi laitteeseen langallisesti tai langattomasti esimerkiksi syke-vyöstä. Reaaliaikaisen laskennan lisäksi menetelmää voidaan käyttää myös jälkikäteen 20 käyttämällä tallennettua aj allista syketiheysinformaatiota, j ota voidaan saada esimerkiksi ^ tallentavasta sykevyöstä.

o

CU

g Yhden sovellutusmuodon mukaan laite käsittää ainakin seuraavat komponentit: cu - Välineet sydämen sykkeen mittaamiseksi tai sykesignaalin tuomiseksi ulkoiselta

X

£ sykeanturilta. Tyypillisimmin laite on rannetietokone, jossa on välineet sykesignaa- ° 25 Iin vastaanottamiseksi langattomasti erilliseltä sykevyöltä.

co o - Tiedonkäsittely-yksikön sykearvon määrittämiseksi sykkeen tai sykesignaalin pe- cu rusteella ja mainitun haijoitusparametrin laskemiseksi sykearvon perusteella. Tie donkäsittely-yksikkö voi käsittää mikroprosessorin, joka on toiminnallisesti liitetty mainittuihin välineisiin sykesignaalin mittaamiseksi tai vastaanottamiseksi.

15 - Muistivälineen fyysiseen suoritukseen ja/tai henkilöön liittyvien esitietojen tallentamiseksi. Muistiväline voi käsittää muistipiirin. Esitiedot voivat olla tehtaalla asetettuja ja/tai ne voidaan määrittää automaattisesti tai syöttää laitteen käyttöliittymä-elimien avulla.

5 Tiedonkäsittely-yksikkö on sovitettu suorittamaan seuraavat toimenpiteet: - Määrittämään sykearvon ja mainittujen esitietojen pohjalta palautumissykearvo. Kuten yllä on selitetty, palautumissykearvo kuvaa syketasoa, joka saavutetaan tietyssä ajassa sen jälkeen, kun suoritus lopetetaan.

- Päivittämään palautumissykearvoa suorituksen aikana rekursiivisesti. Rekursiivi- 10 suuden ansiosta suoritushistoria vaikuttaa tietyllä hetkellä määritettyyn palautumis- sykkeeseen, mikä vastaa fysiologista todellisuutta.

- Määrittämään mainittu harjoitusparametri, kuten energiankulutus tai palautumisaika, palautumissykearvon perusteella, esimerkiksi kuten yllä on tarkemmin kuvattu.

15 Yllä kuvatut yksityiskohtaiset sovellutusmuodot ja esimerkit sekä oheiset piirustukset on tarkoitettu havainnollistamaan keksintöä eivätkä ne rajoita keksinnön suojapiiriä, joka määritellään oheisissa patenttivaatimuksissa.

'ί ο c\j

CO

o C\l

X

cc

CL

O

cö m o δ

CM

Claims

1. Menetelmä haijoitusparametrin määrittämiseksi henkilön fyysisen suorituksen aikana tai tämän jälkeen, jossa menetelmässä - mitataan sydämen sykettä sykeanturilla, 5. määritetään mittauksen perusteella sykearvo, - lasketaan sykearvon perusteella mainittu haijoitusparametri, tunnettu siitä, että - määritetään sykearvon ja ennalta määrättyjen esitietojen pohjalta palautumissy-kearvo, joka on harjoituksen aikana dynaamisesti muuttuva, 10. määritetään mainittu harjoitusparametri käyttämällä hyväksi palautumissykearvoa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sykearvo on todellisesta syketiheydestä HR johdettu sykearvo, joka lasketaan kaavalla, jossa tekijänä on todellisen-syketiheyden HR ja henkilön leposyketiheyden HRrest erotus HR-HRrest.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu erotus suhteu-15 tetaan käytettävissä olevaan sykereserviin käyttäen kaavaa, jossa tekijänä on (HR- HRrest)/(HRmax-HRrest), jossa HR on todellinen syke, HRrest on henkilön leposyke ja HRmax on henkilön maksimisyke.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palautu- ^ missykearvo lasketaan kaavalla, jossa tekijänä on henkilön kuntotasoa kuvaava indeksi. δ ^ 20

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palautu- ° missykearvo määritetään rekursiivisesti käyttämällä hyödyksi aiemmin määritettyä palau- tumissykearvoa, jolloin menetelmässä CC CL 0. käytetään ensimmäistä taulukkoa, joka liittää yhteen sykearvoja ja näitä vastaavia fo palautumissykearvon saturaatiotasoja, o 25. haetaan ensimmäisestä taulukosta nykyistä sykearvoa vastaava palautumissykear von saturaatiotaso, ja - muutetaan palautumissykearvoa mainitun saturaatiotason perusteella.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäisen taulukon sisältö valitaan sen perusteella onko nykyinen sykearvo suurempi vai pienempi kuin palau-tumissykearvo.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että - käytetään lisäksi toista taulukkoa, joka liittää yhteen sykearvoja ja näitä vastaavia saturaati onopeuskertoi mi a, - haetaan toisesta taulukosta nykyistä sykearvoa vastaava saturaationopeuskerroin, - muutetaan palautumissykearvoa mainitun saturaatiotason ja saturaationopeusker- 10 toimen perusteella.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toisen taulukon sisältö valitaan henkilön kuntoa kuvaavan indeksin perusteella.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että - sykearvon perusteella lasketaan muunnettu sykearvo vähentämällä siitä määritetty 15 palautumissykearvo, ja - lasketaan edelleen mainittu haijoitusparametri käyttämällä hyväksi muunnettua sykearvoa.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainit- ^ tu harjoitusparametri on palautumisaika, joka kuvaa henkilön meneillään olevasta haijoi- ^ 20 tuksesta täysin palautumiseen tarvittavaa lepoaikaa. co

^ 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palautumisaika las- ketään rekursiivisesti aiemmin määritetyn palautumisajan perusteella siten, että CC CL 0. aina kun nykyinen sykearvo on suurempi kuin määritetty palautumissykearvo, pa- £3 lautumisaikaa kasvatetaan, j a o o 25. aina kun nykyinen sykearvo on pienempi tai yhtä suuri kuin määritetty palautumis sykearvo, palautumisaikaa pienennetään.

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palautumisaika lasketaan efektiivisen haijoitusajan perusteella, joka efektiivinen harjoitusaika lasketaan henkilön todellisen syketiheyden sekä henkilön maksimisuoritussykkeen perusteella, mak-simisuoritussykkeen ollessa edullisesti valittu riippuen henkilön suorittaman lajin tyypistä.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 10 - 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palautu misaika lasketaan ottamalla huomioon henkilön kuntotasoa kuvaava indeksi.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu har-joitusparametri on energiankulutus.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10. muunnetaan sykearvo hapenkulutusarvoksi, - lasketaan energiankulutus hapenkulutusarvon perusteella algoritmilla, joka huomioi henkilön sukupuolen, iän, painon ja henkilön kuntotasoa kuvaavan indeksin.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sykearvo muunnetaan hapenkulutusarvoksi eri muunnoksella aina siitä riippuen, onko sykearvo pienempi vai 15 suurempi kuin palautumissyke.

17. Laite harjoitusparametrin määrittämiseksi henkilön fyysisen suorituksen aikana tai tämän jälkeen, joka laite käsittää - välineet sydämen sykkeen mittaamiseksi tai sykesignaalin tuomiseksi ulkoiselta sy- ^ keanturilta, o 20. tiedonkäsittely-yksikön sykearvon määrittämiseksi sykkeen tai sykesignaalin perus- co ^ teella j a mainitun harjoitusparametrin laskemiseksi sykearvon perusteella, - muistivälineen fyysiseen suoritukseen ja/tai henkilöön liittyvien esitietojen tallen- ^ tami seksi, o 23 tunnettu siitä, että tiedonkäsittely-yksikkö on sovitettu o o cv 25 - määrittämään sykearvon ja mainittujen esitietojen pohjalta palautumissykearvo, jo ka kuvaa syketasoa, joka saavutetaan tietyssä ajassa sen jälkeen, kun suoritus lopetetaan, - päivittämään palautumissykearvoa suorituksen aikana rekursiivisesti, ja - määrittämään mainittu haijoitusparametri palautumissykearvon perusteella.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen laite, tunnettu siitä, että tiedonkäsittely-yksikkö on sovitettu määrittämään mainittu harjoitusparametri jonkin patenttivaatimuksen 1-16 mu-5 kaisen menetelmän avulla. 't δ c\j i CO o C\l X cc CL O δ m o δ CM