DE102006017970A1

DE102006017970A1 - Gerät zur induktiven Messung der Herzfrequenz und der Sauerstoffsättigung im Sport

Info

Publication number: DE102006017970A1
Application number: DE200610017970
Authority: DE
Inventors: Oliver Bartels
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Herzfrequenz und anderer medizinischer Parameter insbesondere beim Sport ohne die Belastung des Sportlers durch einen Brustgurt. Das Verfahren bestimmt kontinuierlich die komplexe Impedanz einer Induktivität, welche in der Nähe einer Extremität bzw. um diese herum angebracht ist. Durch die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften zufließenden sauerstoffreichen Bluts und abfließenden sauerstoffarmen Bluts kann so sowohl die Herzfrequenz wie auch weitere medizinische Parameter bestimmt werden.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herzfrequenz eines Sportlers während der sportlichen Betätigung möglichst ohne zusätzliche Belastung durch einen Brustgurt etc. vorzunehmen und weitere interessierende medizinische Parameter abzuleiten.
Die Herzfrequenz ist zur Trainingssteuerung von vielfältigem Interesse, so wird typischerweise zunächst die anerobe Schwelle beispielsweise anhand von Altersformeln oder eines individuellen medizinischen Tests bestimmt und es werden dann anhand dieser und weiterer Parameter Herzfrequenzzonen für ein möglichst optimales Training vorgegeben.
Nach dem Stand der Technik sind bisher zwei Verfahren gebräuchlich, um die Herzfrequenz elektronisch während der sportlichen Betätigung zu bestimmen:
Bei der EKG-Variante werden die durch die Aktivität des Herzmuskels bedingten Spannungen und Ströme durch Elektroden in Herznähe abgeleitet, ein typischer Vertreter dieser Technik ist das System von Polar mit Brustgurt. Eine Beschreibung eines typischen EKG Systems findet sich beispielsweise in EP0861045B1 .
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass für eine zuverlässige Pulsbestimmung entweder der den Sportler belastender Brustgurt getragen werden muss oder bei Pulsmessungen ohne Gurt die Messung nur zum Zeitpunkt des Auflegens des Fingers der jeweils anderen Hand auf der an einem Handgelenk getragenen Uhr bestimmt werden kann oder anderweitig Elektroden zu tragen sind. Daneben ist zwar eine Bestimmung weiterer medizinischer Parameter wie der aneroben Schwelle aus der Variation der Herzfrequenz möglich, da es sich um eine indirekte Bestimmung anhand eines Modells handelt, ist diese nicht besonderes genau.
Eine grundlegend anderes Verfahren ist die Durchleuchtung des Gewebes mit sichtbarem oder infrarotem Licht und die Messung der Durchlässigkeitsschwankungen. Es versteht sich hierbei von selbst, dass eine direkte Durchleuchtung maximal an dünnen Körperstellen wie den Fingerspitzen oder dem Ohrläppchen möglich ist, demzufolge ist das Tragen eines derartigen Messgeräts wieder mit einer gewissen Lästigkeit verbunden oder die Messung erfolgt nur kurzzeitig beispielsweise beim Auflegen eines Fingers auf den Sensor einer Pulsuhr.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herzfrequenzmessung ist das Abhören des Pulsgeräuschs, beispielsweise während einer Blutdruckmessung. Da die Blutdruckmessung mit dem Aufblasen einer Manschette typischerweise am Arm verbunden ist, scheidet diese Art der Pulsmessung für die Nutzung während einer aktiven sportlichen Betätigung im allgemeinen aus.
Weiterhin sind die bekannten Verfahren nicht in der Lage, die Sauerstoffsättigung des Bluts während der sportlichen Betätigung nichtinvasiv direkt zu messen, selbst zuverlässige Verfahren wie ein Laktattest erfordern eine Blutabnahme.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herzfrequenz und weitere medizinische Parameter, insbesondere die Sauerstoffsättigung des Bluts, durch ein leicht in die Bekleidung des Sportlers integrierbares Messgerät zu bestimmen, welches ohne zusätzliche Elektroden im Brustbereich auskommt.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1. beschriebene Einrichtung gelöst, deren Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß Bild 1 erläutert wird:
Die Induktivität L1 wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform gemäß Unteranspruch 2 in der Schuhsohle oder um den Mittelfuß herum in einem Sportschuh platziert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit des Tragens eines zusätzlichen Brustgurts. Eine alternative Möglichkeit ist die Integration in einer Armbanduhr gemäß Unteranspruch 3.
Somit umfasst die Induktivität das Körpergewebe, welches im Takt des Herzschlags mit sauerstoffreichem Blut versorgt wird. Im Gegenzug dazu fließt das sauerstoffarme Blut relativ kontinuierlich ab.
Es ist bekannt, dass sauerstoffreiches Blut diamagnetische Eigenschaften hat, hingegen sauerstoffarmes Blut paramagnetische Eigenschaften aufweist. Hierdurch verändert sich einerseits in sehr geringem Maß die Induktivität. Ein ebenso wesentlicher Punkt ist, dass durch die partikelhafte Struktur der roten Blutkörperchen das abfließende Blut eine lokale Inhomogenität des magnetischen Feldes verursacht, welche sich in der Güte der Induktivität auswirkt und damit in einer Schwankung vor allem auch des resistiven Anteils der komplexen Impedanz der Induktivität. Durch die erfindungsgemäße Einbeziehung sowohl des induktiven Blind- als auch des resistiven Realanteils der Induktivität in das Messverfahren wird der Einfluss der pulsbedingten Schwankungen erst mit der notwendigen Sicherheit bestimmbar.
Die komplexe Impedanz mit Real- und Imaginärteil wird im Ausführungsbeispiel durch Anlegen eines Testsignals und Messung der Phasenverschiebung eines nach Durchleitung durch die Induktivität entstehenden Antwortsignals bei unterschiedlichen Frequenzen bestimmt, die Frequenzabhängigkeit der Impedanz kann daher ebenfalls in die Auswertung mit einbezogen werden. Für derartige Impedanzmessungen sind inzwischen vollständig integrierte Schaltkreise IC1 verfügbar, ebenso ist ein diskreter Aufbau mit einem DDS Generator und A/D Wandler denkbar.
Die Messdaten werden erfindungsgemäß an eine Auswerteelektronik IC2 übermittelt, bei dieser wird es sich typischerweise um einen Mikrokontroller oder digitalen Signalprozessor (DSP) handeln. Dieser leitet aus den Schwankungen der komplexen Impedanz dann beispielsweise ein Pulssignal ab. Dies kann beispielsweise durch eine Korrelation, insbesondere Autokorrelation gemäß Unteranspruch 9 geschehen.
Weiterhin steht die Größe der Schwankung der komplexen Impedanz in einem unmittelbaren Zusammenhang mit dem Grad der Sauerstoffsättigung des Bluts, gemäß Unteranspruch 8 kann auch dieser Parameter aus dem Unterschied zwischen der systolen und diastolen Phase abgeleitet werden.
Besonders vorteilhaft ist die Übertragung des Pulssignals mittels Funk (Sender XM1 im Bild) beispielsweise zu einer Pulsuhr PU1, hierzu kann auch die bereits in der Schuhsohle integrierte Induktivität in der besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung gemäß Unteranspruch 4 genutzt werden. Sofern die Induktivität auch als Empfangsantenne genutzt wird, können auf diesem Weg beispielsweise Kalibrierdaten in die prozessorgesteuerte Auswerteelektronik eingebracht werden. Die gesamte Elektronik einschließlich des Senders kann beispielsweise im Absatz des Sportschuhs untergebracht werden.
Gleichzeitig kann dieselbe Induktivität noch zum Aufladen eines Akkumulators (z.B. leichte Lithiumionen Batterie) genutzt werden, wenn die Sportschuhe nach Gebrauch auf einem Ladegeräte abgestellt werden, hierzu bietet sich eine induktive Energieübertragung gemäß Unteranspruch 5 an.
Weiterhin eignet sich die Induktivität auch zusätzlich zum Empfang von RFID Signalen, beispielsweise werden im Wettkampf Transponder am Schuh befestigt (System „ChampionChip"), hier kann die Induktivität gemäß Unteranspruch 6 zusätzlich die Funktion der Sende- und Empfangsantenne übernehmen.
Bei höherwertigen Systemen bietet sich an, die Daten zweier Messgeräte aus dem linken und rechten Schuh per Funk gemäß Unteranspruch 7 zu korrelieren und zu kombinieren, hierdurch wird eine weiterhin erhöhte Messgenauigkeit erreicht.
Weitere vorteilhafte Möglichkeiten zur Erhöhung der Messgenauigkeit bestehen im Einbringen geeigneter Materialien in die Induktivität oder in der Verwendung eines Systems von Induktivitäten. Gemäß Unteranspruch 10 wäre eine zusätzliche Magnetisierung per Permanentmagnet denkbar, hieraus können auch zusätzlich durch Induktion weitere Antwortsignale aus der Induktivität abgeleitet werden. Ebenfalls möglich ist die Steigerung der Empfindlichkeit durch Vormagnetisierung eines Materials mit einer starken Nichtlinearität der Permeabilität und Verstärkung des Messsignals durch Messung in einem besonders nichtlinearen Bereich gemäß Unteranspruch 11.
Hierbei ist auch die Nutzung eines Systems von Induktivitäten gemäß Unteranspruch 12 und die indirekte Messung über einen anderen Übertragungsparameter denkbar. Beispielsweise kann in einer Induktivität ein Grundton eingespeist werden und in einer zweiten ein durch eine Nichtlinearität der vorhandenen Materialien entstehender Oberton gemäß Unteranspruch 13 vermessen werden, ebenso ist eine einfache Messung des Übertragungsverhaltens bzw. der Übertragungsfunktion eines Übertragers bestehend aus zwei Induktivitäten denkbar, beispielsweise über den Parameter h21 oder s21.
Zur weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit ist auch die Einbeziehung anderer magnetischer Sensoren denkbar, beispielsweise der Einsatz eines Hall-Sensors gemäß Unteranspruch 14 zur Bestimmung des Antwortsignals.
Weiterhin ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung die Messung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises bestehend aus der Messinduktivität und einem weiteren Kondensator gemäß Unteranspruch 15 durch Impedanzmessungen bei mehreren Testfrequenzen nützlich, hierdurch können bereits geringe Permeabilitätsänderungen infolge des Blutflusses zuverlässig bestimmt werden.
Als nützliche Zusatzfunktion bietet sich die Verwendung der ohnehin vorhandenen Impedanzmessschaltung zusätzlich zur Bestimmung des Körperfett- und Körperwassergehalts gemäß Unteranspruch 16 an, da diese Messung nicht kontinuierlich erfolgen muss, wäre es hier beispielsweise denkbar, an den Seiten der Schuhe Kontaktflächen anzubringen, welche beim Zusammenpressen beider Schuhe einen Messstromkreis zwischen linkem Bein über den Körper zum rechten Bein und wieder zurück zur Impedanzmessschaltung in einem Schuh über die Kontaktflächen herstellen.
Entsprechend Unteranspruch 17 kann sich als weitere Zusatzfunktion anbieten, die ohnehin vorhandene Übertragungsschaltung zusätzlich mit Informationen aus einem Beschleunigungssensor zu versorgen, um die Wegstrecke und Laufgeschwindigkeit zu ermitteln.
Zur Sicherung der Datenübertragung bietet sich gemäß Unteranspruch 18 die Verwendung einer geräteinternen Uhr zum Versehen der Daten mit einem Zeitstempel an, hierdurch wird die zeitversetzte Übertragung ebenso ermöglicht wie die Schaffung von Redundanz durch mehrfache Übertragung oder die Wiederholung einer Aussendung nach Anforderung durch den Empfänger im Rahmen der Nutzung eines bidirektionalen Übertragungsprotokolls. Über letzteres können in umgekehrter Richtung beispielsweise Steuerungs- und Konfigurationsinformationen wie z.B. Stellbefehle für die Uhr oder Kalibrierdaten für die Sauerstoffaufnahmemessung oder die Wegstreckenmessung in das Gerät übertragen werden.
Natürlich ist gemäß Unteranspruch 19 auch die Kombination mit einem konventionellen EKG-Pulsmessverfahren in Systemen denkbar, bei denen der Nutzer primär an den zusätzlichen medizinischen Daten wie der Sauerstoffaufnahmekapazität interessiert ist.

Claims

Gerät zur Messung der Herzfrequenz oder weiterer medizinischer Parameter, dadurch gekennzeichnet, dass (1) mindestens eine Induktivität um oder neben eine Extremität des Trägers platziert wird. (2) die komplexe Impedanz dieser Induktivität oder mindestens ein die komplexe Impedanz repräsentierender Übertragungsparameter der Induktivität oder einer Kombination von mehreren Induktivitäten durch mindestens eine Impedanzmessschaltung bei mindestens einer Messfrequenz regelmäßig gemessen wird. (3) niederfrequente Änderungen der komplexen Impedanz durch mindestens eine Auswerteelektronik ermittelt werden. (4) aus dem zeitlichen Verlauf oder der Stärke dieser Änderungen die Herzfrequenz oder weitere medizinische Parameter abgeleitet werden.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität in einem Sportschuh, insbesondere in der Sohle oder um den Mittelfuß oder Zehenbereich oder um die Einstiegsöffnung herum angebracht wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität in einer Armbanduhr oder einem am Arm zu tragenden Pulsmesser untergebracht wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität gleichzeitig als Sendeantenne für das Pulssignal oder anderer Messdaten zu einer externen Anzeigeeinheit, insbesondere Pulsuhr, oder als Empfangsantenne für Steuer-, Konfigurations- oder Kalibrierdaten mitbenutzt wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität gleichzeitig als Empfänger für induktiv übertragene elektromagnetische Energie zur Aufladung eines Akkumulators zum Betrieb des Geräts verwendet wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität gleichzeitig als Sende- und Empfangsantenne für dritte Signale, insbesondere zur Identifikation des Sportlers und Bestimmung von dessen Wettkampfzeit (RFID) verwendet wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Signale aus mehreren Geräten, beispielsweise aus beiden Sportschuhen, zur Erzielung einer höheren Genauigkeit per Datenübertragung zwischen den Geräten oder im Nachhinein in einem zentralen Anzeigegerät insbesondere durch Korrelation oder einen gewichteten Mittelwert kombiniert werden.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass als medizinischer Parameter zusätzlich die Sauerstoffaufnahme des Bluts aus dem Unterschied der komplexen Impedanz der Induktivität zwischen der systolen und der diastolen Phase des Pulses abgeleitet wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Herzfrequenz durch Korrelation, insbesondere Autokorrelation, der komplexen Impedanz der Induktivität in der Auswerteelektronik ermittelt wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Magnetisierung des zu messenden Blutstroms durch mindestens einen Magneten, insbesondere Permanentmagneten vorgenommen wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit der Messung durch Messung im Knick einer magnetischen Hysteresekurve gesteigert wird, hierzu können geeignete Baumaterialien in die Induktivität eingearbeitet werden.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass ein System von mindestens zwei Induktivitäten zur Messung genutzt wird, in eine Induktivität wird von der Impedanzmessschaltung ein Testsignal bei mindestens einer Messfrequenz eingespeist und aus der zweiten Induktivität das Antwortsignal in Relation zum eingespeisten Signal vermessen, insbesondere nach Phase und Amplitude.
Gerät nach Anspruch 1. oder 12., dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Grundtons des Antwortsignals ein durch eine Nichtlinearität entstehender Oberton oder bei gleichzeitiger Einspeisung mehrerer Frequenzen ein durch eine Nichtlinearität entstehender Differenzton vermessen wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zur exakten Bestimmung der komplexen Impedanz zusätzlich ein weiterer Magnetfeldsensor, insbesondere Hallgeber, verwendet wird.
Gerät nach Anspruch 1. oder 12., dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Induktivität insbesondere in Zusammenschaltung mit mindestens einem Kondensator einen Resonanzkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz bestimmt wird, insbesondere durch Impedanzmessung mit einer Vielzahl von Testfrequenzen und Nutzung eines gängigen Approximationsverfahrens.
Gerät nach Anspruch 1. oder 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzmessschaltung zusätzlich mittels eines Umschalters auf geeignete Elektroden zur Messung des Körperfett-, Körperwasser- und Muskelanteils mittels Bioimpedanzanalyse genutzt wird, insbesondere kann der über den Körper führende Messstromkreis über an den Seitenflächen der Schuhe vorhandene Kontaktflächen beim Zusammenpressen beider Schuhe geschlossen und so die Messung aktiviert werden.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Beschleunigungssensor im Gerät zur Messung der Geschwindigkeit oder Schrittweite und daraus abgeleitet der Wegstrecke eingesetzt wird.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Uhr im Gerät zur Kennzeichnung der gemessenen Daten mit einem Zeitstempel eingebaut wird, die so gekennzeichneten Daten, insbesondere Pulssignale, können dann zwischengespeichert und zu einem passenden späteren Zeitpunkt übertragen werden. Hierdurch wird auch der Einsatz von Datensicherungsprotokollen ermöglicht, welche bei Übertragungsfehlern oder zur Schaffung von Redundanz die Daten mehrfach oder nach einem Übertragungsfehler erneut übertragen.
Gerät nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Genauigkeit der Messung weiterer medizinischer Parameter, insbesondere der Sauerstoffsättigung des Bluts, die Messung mit einem durch eine konventionelle Herzfrequenzmessung, insbesondere EKG- oder Infrarotmessung, gewonnenen Pulssignal synchronisiert wird.