WO2009024427A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung und/oder regelung einer trainings- und/oder rehabilitationseinheit - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur steuerung und/oder regelung einer trainings- und/oder rehabilitationseinheit Download PDF

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    • A63B2230/436—Composition of exhaled air partial O2 value

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for controlling and / or regulating a training and / or rehabilitation unit.
  • spirometry can be used for a detailed examination of lung function.
  • DE 6 912 241 U describes a spirometry breathing mask for examining pulmonary function, in particular during physical exertion.
  • a spirometry device can be used for the measurement of oxygen uptake.
  • oxygen and carbon dioxide composition of the inspiratory air and the expiration air it is not possible to simultaneously monitor the oxygen and carbon dioxide composition of the inspiratory air and the expiration air.
  • a recovery and / or experience device in particular a wellness system, with film presentation by means of a film presentation device and a film image section within closed spaces is already described, whereby these motion, sound and sound devices are connected to one another via a control device.
  • Wind, odor, light and / or other radiation generating devices and / or sensor devices whose activities and functionalities are tuned to events of the film presentation in terms of time, location and / or in their intensities.
  • bodily functions such as pulmonary function.
  • the object of the present invention is to provide a system with which a person can, for example, complete special fitness or rehabilitation programs, wherein the training and / or rehabilitation unit used for this purpose is controlled and / or regulated as a function of the breathing gas composition of the user can be.
  • the object has been achieved by a device for controlling and / or regulating a training and / or rehabilitation unit, the device being at least
  • a sensor unit with a heatable electrochemical solid electrolyte sensor the oxygen concentration determination yttrium-doped zirconium oxide as electrolyte, two electrodes and a support element and a heating element, and for carbon dioxide concentration determination another heatable electrochemical solid electrolyte
  • a sensor unit with a heatable electrochemical solid electrolyte sensor the oxygen concentration determination yttrium-doped zirconium oxide as electrolyte, two electrodes and a support element and a heating element, and for carbon dioxide concentration determination another heatable electrochemical solid electrolyte
  • a sensor having a super-fast sodium ionic conductor as electrolyte
  • a microcontroller in the control unit for the control of the heating power of heating elements of the sensors for maintaining constant sensor temperatures, as well as dependent on the respiratory flow volume
  • a control and / or controllable resistance and / or brake arrangement of the training and / or rehabilitation unit as a function of the respiratory gas composition determined by the sensor unit includes.
  • a decisive advantage of such a device results from the possibility of the training and / or rehabilitation unit with the help of a control and / or adjustable resistance and / or braking arrangement depending on the sensor unit respectively separated or assignable for the inspiration - And also the expiration air determined oxygen and / or carbon dioxide concentration and the respiratory flow volume can be controlled and / or regulated.
  • a desired parameter of the user's respiratory gas composition can be achieved by correspondingly changing the training load of the user with the aid of the controllable and / or controllable resistance and / or brake arrangement.
  • Another advantage results from the fact that in a training process, the lung function of a person using the device can be accurately monitored. Furthermore, for example, an undersupply of oxygen can be recognized immediately and the training can be modified accordingly.
  • a complex calibration as is required in spirometry devices, no longer necessary.
  • the sensor unit is arranged directly in a component through which the person's inspiratory and expiratory air flows.
  • the sensor unit may be installed in a breathing mask worn by a person. This arrangement has the particular advantage that an extremely low dead volume is present.
  • an oxygen sensor which contains for selectively conducting oxygen ions yttrium-doped zirconium oxide as electrolyte between two electrodes and a support member and a heating element and as a carbon dioxide sensor, the electrolyte of a super-fast sodium ion conductor, two electrodes, a support element and a heating element contains (1).
  • Said super-fast sodium ion conductor also known as NASICON can be represented by the formula Na 3 - x Zr 2 (PO 4) i + ⁇ (SiO 4) 2-x) will be described (2).
  • Sensors of this type have the advantage that they can be made very small and light and inexpensive. For example, dimensions of 20 x 3.5 x 0.5 mm can be used for such sensors be achieved (1). Such miniaturized sensors are thus particularly suitable for installation in a breathing mask.
  • an ear clip is integrated into the device.
  • the device may include an ear clip for measuring the user's pulse.
  • extensive performance data can be detected and other medical characteristics of the user, such as the heart rate, recorded.
  • the obtained measurement data can advantageously be recorded by means of a connected Personal Digital Assistant (PDA).
  • PDA Personal Digital Assistant
  • the training and / or rehabilitation unit may be, for example, an ergometer, fitness machine, crosstrainer, rowing ergometer, rowing machine, treadmill, walker device, spin bike or a bicycle.
  • the resistance and / or braking arrangement of the training and / or rehabilitation unit may include, for example, a pneumatic, hydraulic, mechanical, electromagnetic brake, an eddy current or band brake.
  • a training and / or rehabilitation unit may thus comprise, for example, a frame, a means for absorbing power, such as pedals, a drive transmission system, a rotation element and a resistance and / or brake assembly.
  • magnetic or electric eddy current brakes have the advantage that they can be easily controlled and are less susceptible to wear.
  • the device may comprise means for two- and three-dimensional visual representation, at least one acoustic output and / or recording means and means for generating wind temperature and / or odor.
  • the device may include a means for stimulating the sense of touch.
  • the components of the training and / or rehabilitation unit including the controllable and / or controllable resistance and / or brake arrangement, the sensor unit and the control unit for the sensors are interconnected via a computer system as well as controlled and / or read out via such a computer system.
  • the computer system can consist of at least one control computer with a user interface.
  • a network computer for image calculation for the right and left eyes is connected to the control computer.
  • the signals generated in this case can be forwarded to a helmet worn on the user's head with LCDs for generating a virtual environment (head-mounted display HMD).
  • the generated signals can also be used for stereo production to produce a three-dimensional representation on a screen.
  • the control computer is connected to one or more input devices having at least six degrees of freedom for determining the position and orientation, and the input devices are optionally equipped with one or more keys.
  • the input devices are optionally equipped with one or more keys.
  • the input devices can be used to record gestures, facial expressions and / or speech.
  • the input device used is, for example, a head traker, which can also be attached to the helmet worn on the user's head with LCDs for generating the virtual environment (head-mounted display HMD).
  • the visual representation unit reproduces a non-moving image, a moving or non-moving object, a computer graphic and / or two- and / or three-dimensionally moving images or films. It is also possible to use conventional monitors for the two-dimensional representation.
  • the visual display unit can reproduce an image with a viewing angle of 0 to 179 ° or for the use of the system in the fields of fitness, wellness or medicine also an image with a viewing angle of 180 ° or more than 180 °, where also recorded by the user before moving and / or still real pictures can be displayed.
  • the acoustic output unit may, for example, reproduce musical instruments, human voices, ambient sounds such as animal sounds, wind, rain, waterfalls, thunder and / or sounds from vehicle engines, shots, pumps, explosions, and / or earthworks. It is particularly advantageous if the wind, temperature, odor and / or air humidity can be adapted to the illustrated situation in the virtual reality.
  • the composition of the blood cells can be determined exactly with the aid of a cell analyzer connected to the computer system, preferably a device for flow cytometry. Also, using specific antibody preferably coupled with a fluorescent dye, analysis of surface markers on cells is possible.
  • a person uses a training session and / or rehabilitation unit
  • a dependent of the respiratory flow volume of the person controlling the heating power of heating elements of the sensors to maintain constant sensor temperatures using a micro-controller in a sensor control unit takes place and Depending on the respiratory gas composition determined by the sensor unit and / or the determined respiratory flow volume of the person, a resistance or braking arrangement of the training and / or rehabilitation unit is controlled and / or regulated.
  • This method according to the invention can be carried out using the device described above in one or more of the mentioned embodiments.
  • the determination of the oxygen concentration of the respiratory air by measuring the current at a constant voltage through the electrolyte of the oxygen sensor from the cathode to the anode current flowing, wherein a linear relationship between the resulting electric current and the oxygen concentration.
  • the carbon dioxide concentration is determined via a logarithmic relationship between the voltage between the electrodes of the carbon dioxide sensor and the carbon dioxide concentration.
  • the respiratory flow volume to be determined from the heating force of the heating elements of the sensors, which is controlled by the microcontroller and is necessary to maintain a constant sensor temperature.
  • the determination of the total flow rate of the respiratory air can be carried out with the sensor element using the thin film anemometer. Furthermore, the flow direction of the breathing gas can be determined either by using the measured oxygen and / or carbon dioxide concentration gradients or the temperature profile on the sensor.
  • the inventive method has the advantage that at the same time the volume flow, the flow direction and thus the oxygen and carbon dioxide composition of the inspiratory air and the expiration air can be monitored with a breath-by-breath resolution. The oxygen and carbon dioxide concentrations can therefore be clearly assigned to the inspiratory air and the expiration air.
  • the training load of the person can be changed as needed.
  • the training load of the person ever can be adjusted as needed.
  • the oxygen and / or carbon dioxide content of the expiration air can be reduced by increasing the load with the aid of the resistance and / or brake arrangement.
  • the inventive device for increasing the endurance performance preferably by means of a simulated altitude training, can be used.
  • a reduction of the oxygen content of the expiration air from 17% to 12% can be achieved by a corresponding increase in training load.
  • the ratio (respiratory quotient) of inspiratory to expiratory air can be kept constant by an individual load adjustment independently of the daily or training state during each training or each therapy by the device according to the invention.
  • a computer program with program code is used for carrying out all of the aforementioned method steps according to the invention when the program is executed in a computer. It is advantageous if the computer program with program code for performing all of the above-mentioned method steps is stored on a machine-readable carrier when the program is executed in a computer.
  • top and competitive athletes can optimally prepare for upcoming competitions with altitude training units in a virtual, realistic environment.
  • the realistic training under oxygen-poor conditions aimed at amateur and recreational athletes rather on the increase in personal performance and the individual condition level.
  • the costly and time-consuming flights and stays in high mountain regions can be saved.
  • a much more efficient training is possible because the system is available 24 hours and logistically easily accessible.
  • this system could combine an aroma application with passive altitude training and oxygen therapy in a virtual three-dimensional environment. In such an environment, such a combination of relaxation and improvement in personal performance and strengthening of the immune system could be achieved.
  • the system can be used for aroma application, altitude training and / or oxygen therapy in a three-dimensional environment, stimulating the four senses of sight, touch, smell and hearing.
  • the mobilization of the body's defense system achieved in this way makes it possible to use it in people with diseases such as cancer, allergies and diseases of the metabolism.
  • the technique of three-dimensional representation offers the possibility of positively influencing specific mental illnesses, such as fears in autoimmune system diseases, through the effect of images and sounds.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit, wobei die Vorrichtung mindestens eine Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit, eine Sensor-Einheit mit einem Sensor zur Sauerstoff-Konzentrationsbestimmung und zur Kohlendioxid- Konzentrationsbestimmung, eine Steuereinheit für die Sensoren, einen Micro-Controller in der Steuereinheit für die vom Atemflussvolumen abhängige Steuerung der Heizkraft von Heizelementen der Sensoren zur Aufrechterhaltung konstanter Sensor-Temperaturen sowie eine in Abhängigkeit der von der Sensor-Einheit ermittelten Atemgaszusammensetzung Steuer- und/oder regelbare Widerstands- und/oder Bremsanordnung der Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit umfasst. Die genannte Vorrichtung kann zur Steigerung der Ausdauerleistung, vorzugsweise mittels eines Höhentrainings, verwendet werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Trainings und/oder Rehabilitationseinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Trainings und/oder Rehabilitationseinheit.
Es ist bekannt, ein Höhentraining zur Steigerung der konditionellen Leistungsfähigkeit, beispielsweise eines Sportlers, durchzuführen. Dabei wird ein entsprechender Trainingseffekt durch längere Trainingsaufenthalte in Hochgebirgsregionen erreicht. Eine exakt steuerbare und kontrollierte Leistungssteigerung ist bei einem solchen Höhentraining allerdings nicht möglich.
Für eine genaue Untersuchung der Lungenfunktion kann das Verfahren der Spiro- metrie angewendet werden. So wird beispielsweise in der DE 6 912 241 U eine Spi- rometrie-Atemmaske zur Untersuchung der Lungenfunktion, insbesondere bei körperlicher Belastung, beschrieben. Weiterhin kann gemäß der US 2006201507 eine Spirometrie-Vorrichtung für die Messung der Sauerstoffaufnahme genutzt werden. Mit solchen Systemen ist es allerdings nicht möglich, gleichzeitig die Sauerstoff- und Kohlendioxidzusammensetzung der Inspirationsluft sowie der Expirationsluft zu überwachen.
Um das Ausdauertraining bei gleichzeitiger Überwachung der Leistungsdaten sowie der Körperfunktionen für einen Sportler angenehmer zu gestalten, ist eine Integration der Trainingseinrichtung in ein System zur Bereitstellung einer virtuellen Realität möglich. Gemäß der DE 20 2004 007 273 U1 ist bereits eine Erholungs- und/oder Erlebniseinrichtung, insbesondere Wellness-Anlage, mit Filmpräsentation mittels einer Filmvorführeinrichtung und einem Filmabbildungsbereicht innerhalb geschlossener Räume beschrieben, wobei diese über eine Steuereinrichtung miteinander ver- bundene Bewegungs-, Ton-, Wind-, Geruchs-, Licht- und/oder sonstige Strahlungs- Erzeugungseinrichtungen und/oder Sensoreinrichtungen enthält, deren Aktivitäten und Funktionsweisen auf Ereignisse der Filmpräsentation zeitlich, örtlich und/oder in ihren Intensitäten abgestimmt sind. Dabei erfolgt bei solchen und ähnlichen Systemen aber keine Aufnahme und Analyse der Körperfunktionen, wie der Lungenfunkti- on, so dass auch keine Kontrolle über die Wirkung oder den Erfolg der Anwendung möglich ist. Weiterhin können mit solchen Systemen keine speziellen Fitness- bzw. Trainingsprogramme und auch keine medizinischen Anwendungen durchgeführt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Person beispielsweise spezielle Fitness- oder Rehabilitationsprogramme absolvieren kann, wobei die dazu verwendete Trainings und/oder Rehabilitationseinheit in Abhängigkeit der Atemgaszusammensetzung des Benutzers ge- steuert und/oder geregelt werden kann.
Die Aufgabe wurde durch eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer Trainings und/oder Rehabilitationseinheit gelöst, wobei die Vorrichtung mindestens
- eine Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit,
eine Sensor-Einheit mit einem beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt- Sensor, der zur Sauerstoff-Konzentrationsbestimmung Yttrium-dotiertes Zir- konoxid als Elektrolyt, zwei Elektroden sowie ein Trägerelement und ein Heiz- element, und zur Kohlendioxid-Konzentrationsbe-stimmung einen weiteren beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensor enthält, der einen superschnellen Natrium-Ionenleiter als Elektrolyt, zwei Elektroden sowie ein Trägerelement und ein Heizelement aufweist,
- eine Steuereinheit für die Sensoren,
einen Micro-Controller in der Steuereinheit für die vom Atemflussvolumen abhängige Steuerung der Heizkraft von Heizelementen der Sensoren zur Aufrechterhaltung konstanter Sensor-Temperaturen sowie
eine in Abhängigkeit der von der Sensor-Einheit ermittelten Atemgaszusammensetzung Steuer- und/oder regelbare Widerstands- und/oder Bremsanordnung der Trainings und/oder Rehabilitationseinheit umfasst.
Ein entscheidender Vorteil einer solchen Vorrichtung ergibt sich durch die Möglichkeit, die Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit mit Hilfe einer Steuer- und/oder regelbaren Widerstands- und/oder Bremsanordnung in Abhängigkeit der von der Sensor-Einheit jeweils getrennt bzw. zuordenbar für die Inspirations- und auch die Expirationsluft ermittelte Sauerstoff- und/oder Kohlendioxidkonzentration sowie das Atemflussvolumen gesteuert und/oder geregelt werden kann. Das heißt, es kann ein angestrebter Parameter der Atemgaszusammensetzung des Benutzers dadurch er- reicht werden, dass mit Hilfe der Steuer- und/oder regelbaren Widerstands- und/oder Bremsanordnung die Trainingsbelastung des Benutzers entsprechend verändert wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass bei einem Trainingsvorgang die Lungenfunktion einer die Vorrichtung nutzenden Person exakt überwacht werden kann. Weiterhin kann beispielsweise eine Unterversorgung mit Sauerstoff sofort er- kannt werden und das Training entsprechend modifiziert werden. Außerdem ist ein aufwendiges Kalibrieren, wie es bei Spirometrie-Vorrichtungen erforderlich ist, nicht mehr notwendig.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Sensoreinheit unmittelbar in einem von der Inspirations- und Expirationsluft der Person durchströmten Bauteil angeordnet. So kann die Sensoreinheit beispielsweise in einer Atemmaske, welche von einer Person getragen wird, eingebaut sein. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass ein extrem geringes Totvolumen vorhanden ist.
Erfindungsgemäß werden ein Sauerstoffsensor verwendet, der zur selektiven Leitung von Sauerstoff-Ionen Yttrium-dotiertes Zirkonoxid als Elektrolyt zwischen zwei Elektroden sowie ein Trägerelement und ein Heizelement enthält sowie als Kohlendioxidsensor, der einen Elektrolyt aus einem superschnellen Natrium-Ionenleiter, zwei Elektroden, ein Trägerelement und ein Heizelement enthält (1 ). Der genannte super- schnelle Natrium-Ionenleiter, auch NASICON genannt, kann durch die Formel Na3- xZr2(PO4)i+χ(SiO4)2-x) beschrieben werden (2). Sensoren dieser Art haben den Vorteil, dass sie besonders klein und leicht sowie kostengünstig hergestellt werden können. So können für derartige Sensoren beispielsweise Abmaße von 20 x 3,5 x 0,5 mm erreicht werden (1 ). Solche miniaturisierten Sensoren sind damit für einen Einbau in eine Atemmaske besonders geeignet.
Für eine Messung der Sauerstoff-Sättigung des Blutes ist es von Vorteil, wenn ein Ohr-Clip in die Vorrichtung integriert ist. Außerdem kann die Vorrichtung ein Ohr-Clip für eine Messung des Pulses des Benutzers enthalten. Mit der Vorrichtung können somit umfangreiche Leistungsdaten erfasst sowie weitere medizinische Kenngrößen des Nutzers, wie beispielsweise der Herzfrequenz, aufgezeichnet werden. Die erhaltenen Messdaten können in vorteilhafter Weise mit Hilfe eines angeschlossenen Personal Digital Assistant (PDA) aufgezeichnet werden.
Die Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit kann beispielsweise ein Ergometer, Fitnessgerät, Crosstrainer, Ruderergometer, Rudergerät, Laufband, Walker-Gerät, Spin-Bike oder ein Fahrrad sein. Die Widerstands- und/oder Bremsanordnung der Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit kann beispielsweise eine pneumatische, hydraulische, mechanische, elektromagnetische Bremse, eine Wirbelstrom- oder Bandbremse beinhalten. Eine Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit kann somit beispielsweise aus einem Rahmen, einem Mittel zur Kraftaufnahme, wie Pedale, einem Antriebsübertragungssystem, einem Rotationselement und einer Widerstands- und/oder Bremsanordnung umfassen. Dabei haben insbesondere magnetische bzw. elektrische Wirbelstrombremsen den Vorteil, dass sie einfach angesteuert werden können und wenig verschleißanfällig sind.
Weiterhin kann die Vorrichtung bei vorteilhafter Ausgestaltung Mittel zur zwei- und dreidimensionalen visuellen Darstellung, mindestens ein akustisches Ausgabe- und/oder Aufnahmemittel und Mittel zur Erzeugung von Wind- Temperatur und/oder Geruch umfassen. Weiterhin kann die Vorrichtung ein Mittel für die Stimulation des Tastsinns enthalten. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Komponenten der Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit, einschließlich der Steuer- und/oder regelbaren Wi- derstands- und/oder Bremsanordnung, der Sensor-Einheit und der Steuereinheit für die Sensoren über ein Computersystem miteinander verbunden sind sowie über ein solches Computersystem gesteuert und/oder ausgelesen werden. Dabei kann das Computersystem mindestens aus einem Steuercomputer mit einer Benutzeroberfläche bestehen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Vorrichtung ist an den Steuercompu- ter ein Netzwerkrechner zur Bildberechnung für das rechte und linke Auge angeschlossen. Die dabei generierten Signale können an einen auf dem Kopf des Nutzers getragenen Helm mit LCDs zur Erzeugung einer virtuellen Umgebung (Head Moun- ted Display HMD) weitergeleitet werden. Alternativ können die generierten Signale auch für eine Stereoproduktion zur Erzeugung einer dreidimensionalen Darstellung auf einer Leinwand genutzt werden. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Steuercomputer mit einem oder mehreren Eingabegeräten mit mindestens sechs Freiheitsgraden zur Bestimmung der Position und Orientierung verbunden ist und die Einga- begeräte wahlweise mit einer oder mehreren Tasten ausgestattet sind. Vorteilhaft ist es ferner, dass beispielsweise isometrische, isotone und/oder elastische Eingabegeräte an den Steuercomputer angeschlossen sind, wobei mit diesen Eingabegeräten beispielsweise eine Blickbewegungserfassung, Körperbewegungserfassung, Kopfbewegungserfassung und/oder Positionsbestimmung erfolgen kann. Bei einer weite- ren vorteilhaften Ausgestaltung kann mit den Eingabegeräten Gestik, Mimik und/oder Sprache erfasst werden. Somit wird eine Kombination aus physischen und psychischen Reizen ermöglicht und eine Aromaanwendung oder ein Höhentraining in einem virtuellen dreidimensionalen Umfeld durchführbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird als Eingabegerät beispielsweise ein Head Traker verwendet, der auch an dem auf dem Kopf des Nutzers getragenen Helm mit LCDs zur Erzeugung der virtuellen Umgebung (Head Mounted Display HMD) befestigt sein kann. Vorteilhaft ist es ferner, dass die visuelle Darstellungseinheit ein nicht bewegtes Bild, einen bewegten oder nicht bewegten Gegens- tand, eine Computergrafik und/oder zwei- und/oder dreidimensional bewegte Bilder oder Filme wiedergibt. Es können dazu auch konventionelle Monitore für die zweidimensionale Darstellung verwendet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die visuelle Darstellungseinheit ein Bild mit einem Sichtwinkel von 0 bis 179° wiedergeben oder für die Verwendung des Systems in den Bereichen Fitness, Wellness oder Medizin auch ein Bild mit einem Sichtwinkel von 180° oder mehr als 180° wiedergeben, wobei auch vom Benutzer vorher aufgenommene bewegte und/oder unbewegte reale Bilder dargestellt werden können. Die akustische Ausgabeeinheit kann beispielsweise Musikinstrumente, menschliche Stimmen, Umgebungsgeräusche, wie Tierlaute, Wind, Regen, Wasserfälle, Donner und/oder Geräusche von Fahrzeugmotoren, Schüssen, Pumpen, Explosionen und/oder Erdarbeiten wiedergeben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Wind, Tempe- ratur, Geruch und/oder Luftfeuchtigkeit an die dargestellte Situation in der virtuellen Realität angepasst werden können.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn über eine Kommunikationseinheit Anweisungen und/oder Hinweise an den Benutzer der Vorrichtung gegeben werden können und der Benutzer über eine Kommunikationseinheit mit einer die Vorrichtung beginnenden Person in Kontakt treten kann. Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Systems können durch die Entnahme von Blut auch genauere Blutbildanalysen vor, während und/oder nach der Benutzung durchgeführt werden. Beispielsweise kann mit Hilfe eines mit dem Computersystem verbundenen Zellanalysegeräts, vorzugs- weise eines Geräts für die Durchflusszytometrie, die Zusammensetzung der Blutzellen exakt bestimmt werden. Auch ist unter Verwendung, vorzugsweise mit einem Fluoreszenzfarbstoff gekoppelten, spezifischen Antikörpers eine Analyse von Ober- flächenmarkern auf Zellen möglich.
Im Sinne dieser Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Trainingseinheit und/oder einer Rehabilitationseinheit, wobei
eine Person eine Trainingseinheit und/oder eine Rehabilitationseinheit benutzt,
in einer Sensor-Einheit eine Sauerstoffkonzentrationsbestimmung mit Hilfe eines beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensors und eine Kohlendioxid-Konzentrationsbestimmung mit Hilfe eines weiteren beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensors erfolgt,
eine vom Atemflussvolumen der Person abhängige Steuerung der Heizkraft von Heizelementen der Sensoren zur Aufrechterhaltung konstanter Sensor- Temperaturen mit Hilfe eines Micro-Controllers in einer Sensor-Steuereinheit erfolgt sowie in Abhängigkeit der von der Sensor-Einheit ermittelten Atemgaszusammen- setzung und/oder des ermittelten Atemflussvolumens der Person eine Widerstands- oder Bremsanordnung der Trainings und/oder Rehabilitationseinheit gesteuert und/oder geregelt wird.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung in einer oder mehreren der genannten Ausführungsformen durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft erfolgt die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration der Atemluft durch Messung des bei konstanter Spannung durch den Elektrolyt des Sauerstoffsensors von der Kathode zur Anode fließenden Stroms, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen dem resultierenden elektrischen Strom und der Sauerstoffkonzentration besteht. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Kohlendioxidkonzentration über einen logarithmischen Zusammenhang zwischen der Spannung zwischen den Elektroden des Kohlendioxidsensors und der Kohlendioxidkonzentrati- on bestimmt wird. Ferner ist es vorteilhaft, dass das Atemflussvolumen aus der durch den Mikro-Controller gesteuerten - zur Aufrechterhaltung einer konstanten Sensortemperatur notwendigen - Heizkraft der Heizelemente der Sensoren bestimmt wird.
Die Bestimmung der Gesamtflussrate der Atemluft kann mit dem Sensorelement un- ter Ausnutzung der Dünnschicht Anemomethe erfolgen. Weiterhin kann die Flussrichtung des Atemgases entweder durch Verwendung der gemessenen Sauerstoff- und/oder Kohlendioxidkonzentrationsgradienten oder des Temperaturprofils auf dem Sensor ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass gleichzeitig der Volumenstrom, die Strömungsrichtung und somit die Sauerstoff- und Kohlendioxidzusammensetzung der Inspirationsluft sowie der Expirationsluft mit einer Atemzug-für-Atemzug Auflösung überwacht werden können. Die Sauerstoff- und Kohlendioxid-Konzentrationen können also der Inspirationsluft und der Expirationsluft eindeutig zugeordnet werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn in Abhängigkeit der ermittelten Atemgaszusammensetzung einer die Trainings und/oder Rehabi- litationseinheit benutzenden Person mit Hilfe der Steuer- und/oder regelbaren Widerstands- und/oder Bremsanordnung die Trainingsbelastung der Person je nach Bedarf verändert werden kann. So kann in Abhängigkeit des ermittelten Sauerstoff- und/oder Kohlendioxidgehalts des Atemgases mit Hilfe der Steuer- und/oder regelbaren Widerstands- und/oder Bremsanordnung die Trainingsbelastung der Person je nach Bedarf angepasst werden kann. Beispielsweise kann der Sauerstoff- und/oder Kohlendioxidgehalt der Expirationsluft durch eine Erhöhung der Belastung mit Hilfe der Widerstands- und/oder Bremsanordnung vermindert werden.
Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steigerung der Ausdauerleistung, vorzugsweise mittels eines simulierten Höhentrainings, verwendet werden.
So kann beispielsweise eine Senkung des Sauerstoffgehalts der Expirationsluft von 17% auf 12% durch eine entsprechende Erhöhung der Trainingsbelastung erreicht werden.
Weiterhin kann durch eine individuelle Belastungsanpassung das Verhältnis (respiratorische Quotient) von inspiratorischer zu expiratorischer Luft durch die erfindungsgemäße Vorrichtung unabhängig vom Tages- oder Trainingszustand bei jedem Trai- ning oder jeder Therapie konstant gehalten werden.
Es ist ferner von Vorteil, dass ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller oben genannten erfindungsgemäßen Verfahrensschritte genutzt wird, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller oben genannten Verfahrensschritte auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Unter Anwendung der erfindunsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindunsgemä- ßen Verfahrens können sich beispielsweise Spitzen- und Leistungssportler optimal mit Höhentrainingseinheiten im virtuellen realitätsnahen Umfeld auf anstehende Wettkämpfe vorbereiten. Das realitätsnahe Training unter sauerstoffarmen Bedingungen zielt bei Breiten- und Freizeitsportlern eher auf die Steigerung der persönlichen Leistungsfähigkeit und des individuellen Konditionsniveaus ab. Dabei können im speziellen die kosten- und zeitintensiven Flüge und Aufenthalte in Hochgebirgsre- gionen eingespart werden. Weiterhin ist ein wesentlich effizienteres Training möglich, da die Anlage 24 Stunden verfügbar und logistisch leicht erreichbar ist. Im Bereich Rehabilitation oder Wellness könnte dieses System in einem virtuellen dreidimensionalen Umfeld beispielsweise eine Aromaanwendung mit einem passiven Höhentraining und einer Sauerstofftherapie kombinieren. In einer solchen Umgebung könnte eine solche Kombination aus Entspannung und Verbesserung der persönli- chen Leistungsfähigkeit sowie eine Stärkung des Immunsystems erreicht werden.
Im Bereich der Medizin kann das System für eine Aromaanwendung, ein Höhentraining und/oder eine Sauerstofftherapie in einem dreidimensionalen Umfeld genutzt werden, wobei die vier Sinne Sehen, Fühlen, Riechen und Hören stimuliert werden. Durch die dabei erreichte Mobilisierung des körpereigenen Abwehrsystems ist eine Anwendung bei Personen mit Erkrankungen wie beispielsweise Krebs, Allergien und Erkrankungen des Stoffwechsels denkbar.
Weiterhin bietet besonders die Technik der dreidimensionalen Darstellung die Mög- lichkeit, spezielle psychische Erkrankungsverläufe, wie Ängste bei Autoimmunsystemerkrankungen, durch die Wirkung von Bildern und Geräuschen positiv zu beeinflussen.
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Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung einer Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens
eine Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit,
eine Sensor-Einheit mit einem beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensor, der zur Sauerstoff-Konzentrationsbestimmung Yttriumdotiertes Zirkonoxid als Elektrolyt, zwei Elektroden sowie ein Trägerelement und ein Heizelement, und zur Kohlendioxid-Konzentrationsbe- Stimmung einen weiteren beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-
Sensor enthält, der einen superschnellen Natrium-Ionenleiter als Elektrolyt, zwei Elektroden sowie ein Trägerelement und ein Heizelement aufweist,
- eine Steuereinheit für die Sensoren,
einen Micro-Controller in der Steuereinheit für die vom Atemflussvolumen abhängige Steuerung der Heizkraft von Heizelementen der Sensoren zur Aufrechterhaltung konstanter Sensor-Temperaturen sowie
eine in Abhängigkeit der von der Sensor-Einheit ermittelten Atemgaszusammensetzung Steuer- und/oder regelbare Widerstands- und/oder Bremsanordnung der Trainings und/oder Rehabilitationseinheit
umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Einheit unmittelbar in einem von der Inspirations- und Expirationsluft einer Person durchströmten Bauteil angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Einheit in einer Atemmaske angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ohr-Clip für eine Messung der Sauerstoff-Sättigung des Blutes integ- riert ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ohr-Clip für eine Messung des Pulses integriert ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsdaten erfasst sowie weitere medizinische Kenngrößen des Nutzers, wie beispielsweise der Herzfrequenz, aufgezeichnet werden.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines angeschlossenen Personal Digital Assistant die Mess-
Daten aufgezeichnet werden.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit ein Ergometer, Fitnessgerät, Crosstrainer, Ruderergometer, Rudergerät, Laufband, Walker-Gerät, Spin-Bike oder ein Fahrrad ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstands- und/oder Bremsanordnung der Trainings- und/oder Re- habilitationseinheit eine pneumatische, hydraulische, mechanische, elektromagnetische Bremse, eine Wirbelstrom- oder Bandbremse beinhaltet.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur zwei- und/oder dreidimensionalen visuellen Darstellung, mindestens ein akustisches Ausgabe- und/oder Aufnahmemittel und Mittel zur Erzeugung von Wind, Temperatur und/oder Geruch angeschlossen sind.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel für die Stimulation des Tastsinns angeschlossen sind.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit, einschließlich der Steuer- und/oder regelbaren Widerstands- und/oder Bremsanordnung, der Sensor-Einheit und der Steuereinheit für die Sensoren über ein Computersystem miteinander verbunden sowie gesteuert und/oder ausgelesen werden.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Computersystem mindestens einen Steuercomputer mit einer Benutzeroberfläche enthält.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an den Steuercomputer ein Netzwerkrechner zur Bildberechnung für das rechte und linke Auge angeschlossen ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die generierten Signale an einen auf dem Kopf des Nutzers getragenen
Helm mit LCDs zur Erzeugung der virtuellen Umgebung (Head Mounted Dis- play-HMD) weitergeleitet werden.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die generierten Signale für eine Stereo-Projektion zur Erzeugung einer dreidimensionalen Darstellung auf einer Leinwand genutzt werden.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuercomputer mit einem oder mehreren Eingabegeräten mit mindestens sechs Freiheitsgraden zur Bestimmung der Position und Orientierung verbunden ist und die Eingabegeräte wahlweise mit einer oder mehreren Tas- ten ausgestattet sind.
18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass isometrische, isotone und/oder elastische Eingabegeräte an den Steuercomputer angeschlossen sind.
19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Eingabegeräten eine Blickbewegungserfassung, Körperbewegungserfassung, Kopfbewegungserfassung und/oder Positionsbestimmung erfolgt.
20. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Eingabegeräten Gestik, Mimik und/oder Sprache erfasst werden.
21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingabegerät ein Head Tracker verwendet wird.
22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die visuelle Darstellungseinheit ein nicht bewegtes Bild, einen bewegten oder nicht bewegten Gegenstand, eine Computergrafik und/oder zwei- oder dreidimensionale bewegte Bilder oder Filme wiedergibt.
23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die visuelle Darstellungseinheit ein Bild mit einem Sichtwinkel von 0° bis 179° wiedergibt.
24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die visuelle Darstellungseinheit für die Verwendung der Vorrichtung in den Bereichen Fitness, Wellness oder Medizin ein Bild mit einem Sichtwinkel von 180° oder mehr als 180° wiedergeben kann.
25. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die visuelle Darstellungseinheit vom Benutzer aufgenommene bewegte und/oder unbewegte Bilder wiedergibt.
26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Ausgabeeinheit Musikinstrumente, menschliche Stimmen, Umgebungsgeräusche wie Tierlaute, Wind, Regen, Wasserfälle, Donner und/oder Geräusche von Fahrzeugmotoren, Schüssen, Pumpen, Explosionen und/oder Erdarbeiten wiedergibt.
27. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass Wind, Temperatur, Geruch und/oder Luftfeuchtigkeit an die dargestellte
Situation in der virtuellen Realität angepasst werden können.
28. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Kommunikationseinheit Anweisungen und/oder Hinweise an den Benutzer gegeben werden können.
29. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Benutzer über eine Kommunikationseinheit mit einer die Vorrichtung bedienenden Person in Kontakt treten kann.
30. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Computersystem ein Zellanalysegerät, vorzugsweise ein Gerät für die Durchflusszytometrie, verbunden ist.
31. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Trainings- und/oder einer Rehabilitationseinheit, wobei eine Person eine Trainingseinheit und/oder eine Rehabilitationseinheit benutzt,
in einer Sensor-Einheit eine Sauerstoff-Konzentrationsbestimmung mit Hilfe eines beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensors, der zur selektiven Leitung von Sauerstoff-Ionen Yttrium-dotiertes Zirkonoxid als Elektrolyt zwischen zwei Elektroden sowie ein Trägerelement und ein Heizelement enthält, und eine Kohlendioxid-Konzentrationsbestimmung mit Hilfe eines weiteren beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt- Sensors, der einen Elektrolyt aus einem superschnellen Natrium-
Ionenleiter, zwei Elektroden, ein Trägerelement und ein Heizelement enthält, erfolgt,
eine vom Atemflussvolumen der Person abhängige Steuerung der Heiz- kraft von Heizelementen der Sensoren zur Aufrechterhaltung konstanter
Sensor-Temperaturen mit Hilfe eines Micro-Controllers in einer Sensor- Steuereinheit erfolgt sowie
in Abhängigkeit der von der Sensor-Einheit ermittelten Atemgaszusam- mensetzung und/oder des ermittelten Atemflussvolumens der Person eine Widerstands- oder Bremsanordnung der Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit gesteuert und/oder geregelt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sau- erstoffkonzentration der Atemluft durch Messung des bei konstanter Spannung durch den Elektrolyt des Sauerstoffsensors von der Katode zur Anode fließenden Stroms bestimmt wird, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen dem resultierenden elektrischen Strom und der Sauerstoffkonzentration besteht.
33. Verfahren nach den Ansprüchen 31 und 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxidkonzentration über einen logarithmischen Zusammenhang zwischen der Spannung zwischen den Elektroden des Kohlendioxidsensors und der Kohlendioxid-Konzentration bestimmt wird.
34. Verfahren nach den Ansprüchen 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Atemflussvolumen aus der durch den Micro-Controller gesteuerten, zur Aufrechterhaltung einer konstanten Sensor-Temperatur notwendigen Heizkraft der Heizelemente der Sensoren bestimmt wird.
35. Verfahren nach den Ansprüchen 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Gesamt-Flussrate mit Hilfe der Sensor-Einheit unter Ausnutzung der Dünnschicht-Anemometrie erfolgt.
36. Verfahren nach den Ansprüchen 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass entweder durch Verwendung der gemessenen Sauerstoff- und/oder Kohlendioxid-Konzentrationsgradienten oder des Temperaturprofils auf dem Sensor die Flussrichtung des Atemgases ermittelt wird.
37. Verfahren nach den Ansprüchen 31 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig der Volumenstrom, die Strömungsrichtung und somit die Sauerstoff- und Kohlendioxidzusammensetzung der Inspirationsluft sowie der Expi- rationsluft mit einer Atemzug-für-Atemzug Auflösung überwacht werden.
38. Verfahren nach den Ansprüchen 31 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten Atemgaszusammensetzung einer die Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit benutzenden Person mit Hilfe der steuer- und/oder regelbaren Widerstands- und/oder Bremsanordnung die Belastung der Person je nach Bedarf verändert werden kann.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des ermittelten Sauerstoff- und/oder Kohlendioxidgehalts des Atemgases mit Hilfe der Steuer- und/oder regelbaren Widerstands- und/oder Bremsanordnung die Belastung der Person je nach Bedarf angepasst werden kann.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff- und/oder Kohlendioxidgehalt der Expirationsluft durch eine Erhöhung der Belastung mit Hilfe der Widerstands- und/oder Bremsanordnung vermindert wird.
41. Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Verfah- rensschritte nach einem der Ansprüche 31 bis 40, wenn das Programm mit Unterstützung eines Computers ausgeführt wird.
42. Computerprogramm mit Programmcode nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, das es auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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