FI120960B - Menetelmä ja laitteisto liikuntasuorituksen aikaisen suorirustason ja väsymisen mittaamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ JA LAITTEISTO LIIKUNTASUORITUKSEN AIKAISEN SUORITUSTASON JA VÄSYMISEN MITTAAMISEKSI

Keksinnön kohteena on menetelmä liikuntasuorituksen aikaisen suoritustason ja väsymisen mittaamiseksi, jossa menetelmässä aktiivisten lihasten aiheuttamia sähköi-5 siä signaaleja mitataan mittalaitteella ja liikuntasuorituksesta annetaan palautelait-teella palautetta havaittavalla signaalilla. Lisäksi keksinnön kohteena on laitteisto menetelmän soveltamiseksi, johon laitteistoon kuuluu anturit aktiivisten lihasten sähköisten signaalien mittaamiseksi ja palautelaite palautteen antamiseksi. ’

On yleisesti tunnettua, että lihaksista saatavan EMG-signaalin avulla voidaan mitata 10 lihasten aktiivisuustasoja ja että niistä voidaan laskea erilaisia lihasten ja kehon toimintaa kuvaavia suureita. EMG-signaalia mitataan yleensä ihon pinnalle lihasten päälle sijoitettujen elektrodien kautta. Nämä elektrodit asetetaan ja kiinnitetään yleensä lihaksen päälle jollain sopivalla kiinnitysvälineellä, kuten elektrodissa itsessään olevalla liimalla, teippaamalla, vyöllä tms. Mitatut EMG-signaalit siirretään 15 tyypillisesti joko esitettäviksi reaaliaikaisesti näyttölaitteella tai signaalit tallennetaan tiedostomuotoon myöhempää tarkastelua ja analyysejä varten.

EMG-signaalia mitataan tavallisesti kahdella eri tavalla riippuen siitä millaista mittaustarkkuutta tai tulosten analyysia halutaan tai toisaalta millainen on mittaavan laitteiston tekninen suorituskyky. Monipuolisimmat mittaus- ja analyysivaihtoehdot 20 saavutetaan mittaamalla EMG:tä bi-polaarisesti ns. RAW EMG-signaalina. Käyttämällä riittävän suurta näytteistystaajuutta, esim. 1000 - 10000 Hz, voidaan signaalista tehdä mm. FFT-spektrilaskennan avulla tieteelliseen tutkimustarkkuuteen kel-paavia analyysejä. Laitteistolta RAW-signaalin mittaus edellyttää suurta prosessointi- ja muistikapasiteettia. Toinen tyypillinen EMG:n mittaustapa on ns. keskiarvos-25 tettu eli AVERAGE-EMG -menetelmä, jossa lihaksesta saatava EMG-signaali ensin tasasuunnataan ja sen jälkeen keskiarvostetaan liukuvasti tarkoitukseen valitun kes-kiarvostusajan esim. 0,1-1 sekuntia yli. AVERAGE-EMG-signaalia analysoimalla arvioidaan tyypillisesti lihasten kuormittumista, tehdään kuormitusvcrtailuja, tutkitaan lihasten aktivoitumisnopeutta ja -aikoja jne. AVERAGE-EMG-signaalin mit-30 taus voidaan periaatteessa tehdä hyvin yksinkertaisella laitteistolla.

Kukin EMG-signaali muodostaa ns. profiilin, jossa mitatun lihaksen aktiiviset ja passiiviset vaiheet ovat näkyvissä signaalin amplitudivaihteluina. Lisäksi signaalin taajuusspektri sisältää informaatiota lihaksen toiminnasta. Lihasten toimintaa kuvaavia suureita ovat mm.: 2 - lihaskuormitus ja sen vaihtelut - kuormituksen jakautuminen kehon eri lihaksille - kahden keskenään symmetrisen lihaksen välinen puoliero, kun niitä kuormitetaan yhtä aikaa samalla kuormalla 5 - lihasten aktivaatiojäijestys, aktivoitumisajat, reaktionopeus yms.

- lihasten aktivaatioprofiilien vertailu suorituksen eri vaiheissa ja eri koehenkilöillä - lihasten väsyminen

Lisäksi EMG-signaalin muodosta, amplitudista, taajuusspektristä ja niissä tapahtu-10 vista vaihteluista voidaan laskea lukuisa joukko muita seurattavia ja valvottavia suureita.

Edelleen on yleisesti tunnettua, että sydämen sähköisestä ns. EKG-signaalista voidaan tunnistaa yksittäiset sydämen lyönnit ja että niistä voidaan laskea erilaisia sydämen toimintaa kuvaavia suureita. EKG-signaalia mitataan yleensä ihon pinnalle 15 kehon eri osiin sijoitettujen elektrodien kautta. Sydämen toimintaa kuvaavia suureita ovat mm.: - sydämen lyöntien määrä/minuutti eli syke - kahden sydämen lyönnin välinen aikaeroja sen vaihtelut eli sykeväli - sydämen lyöntien kokonaismäärä tietyn suorituksen/ajanjakson aikana eli syke-20 määrä

Lisäksi sydämen lyönnin muodosta, amplitudista ja normaalista rytmistä poikkeavista vaihteluista (arytmiat) voidaan laskea seurattavia ja valvottavia suureita.

Edelleen on yleisesti tunnettua, että inertia-antureilla voidaan mitata biomekaanisia liikkeitä. Inertia-antureita ovat mm. kiihtyvyys-, gyro- ja magneettianturit. Kiihty-25 vyysanturit antavat liikkeen kiihtyvyyteen verrannollisen signaalin määrätyssä suunnassa. Gyro-anturit antavat liikkeen kulmanopeuteen verrannollisen signaalin. Magneetti-antureita voidaan käyttää staattisen aseman ja myös liikesuunnan havaitsemiseen. Laitteissa voidaan käyttää hyväksi yhtä, kahta tai kolmea suuntaa.

3

Edelleen on yleisesti tunnettua, että korkeus- ja/tai kallistuskulma-antureilla voidaan seurata maaston muutoksia. Myös GPS:llä voidaan seurata kuljettua matkaa, nopeutta ja maaston korkeuden muutoksia.

On tavanomaista seurata sydämen ja lihasten aktiivista toimintaa ja antaa samalla 5 niiden toiminnasta palautetta erilaisilla tavoilla kuten visuaalisina numeroina, grafiikkana tai äänen avulla. Palautelaite on joko itse mittalaitteessa tai jonkin matkan päässä siitä olevassa erillisessä näyttölaitteessa. Tyypillinen esimerkki palautelait-teesta ovat ns. sykemittarit, joihin kuuluu erillinen rintakehälle sijoitettava sykepan-ta ja ranteeseen kiinnitettävä näyttölaite, jossa voi olla integroitu korkeusanturi.

10 Monta kertaa nämä mitta- ja näyttölaitteet ovat kuitenkin osana isompaa kokonaisuutta, jolloin harjoittelu tai liikunta joudutaan tekemään tietyssä tilassa kuten esim. liikuntatutkimuslaboratoriossa.

Lihaskuormituksen mittaukseen saatavilla olevat laitteet on tarkoitettu lähinnä tutkimuskäyttöön ts. mittauksia voidaan tehdä vain tarkoin valittuina aikoina, valvo-15 tuissa olosuhteissa ja ammattitaitoisen käyttäjän ohjaamana. Mittalaitteen lisäksi tarvitaan useimmiten myös erillinen tietokone ja ohjelma, joiden avulla käyttäjää ί kiinnostavat mittaustavat ensin ohjelmoidaan laitteeseen ja toisaalta tulokset saadaan esille vasta laitteen muistiin kertyneen datan jälkianalyysillä. Mainitut laitteet eivät kelpaa henkilökohtaiseen ja päivittäiseen käyttöön, koska niiden pitäisi olla 20 kevyitä, helppokäyttöisiä, edullisia ja laitteen osien välisen tiedonsiirron tulisi tapahtua langattomasti.

Nykyiset päivittäiseen käyttöön soveltuvat kehon kuormituksen mittausmenetelmät perustuvat sykkeen ja sen muutosten seurantaan. Kun kuormitus on tasaista tai sen I

muutokset ovat hitaita, syke toimii hyvänä kuormitustason indikaattorina, mutta 25 kaikissa liikuntasuorituksissa pelkkä sykkeen seuraaminen ei riitä optimaalisen kuormituksen ja erityisesti kuormituksen jakautumisen arviointiin. Rasituksen aikana sydän reagoi lähinnä hapentarpeen muutosten kautta koko kehossa tapahtuviin muutoksiin, mutta se ei tunnista niitä kehon osia, joissa kuormitusmuutokset tapahtuvat. Sydän ei myöskään kykene havaitsemaan nopeita kuormitus vaihteluita, jotka 30 kuitenkin saattavat vaikuttaa esim. lihasten suoritustasoon, kestävyyteen, väsymiseen tai kangistumista indikoivien aineiden esim. laktaatin syntymiseen ja siten myös itse suoritukseen. Lisäksi ainakin alhaisilla syketasoilla sykkeeseen vaikuttavat fyysisen kuormituksen lisäksi myös mentaaliset tekijät, jolloin tulosten luotettavuus fyysisen kuormituksen mittarina kärsii. Ulkoiset tekijät kuten maaston nousut 35 ja laskut, vastatuuli tms. sekä hetkelliset juoksurytmin vaihdokset voivat aiheuttaa jalkalihasten tarpeetonta tai ennenaikaista väsymistä, joka olisi ehkäistävissä rea- 4 goimalla nopeasti muuttuneeseen kuormitukseen esim. hiljentämällä vauhtia tai muuttamalla juoksutyyliä. Mittaamalla tärkeimpiä juoksussa käytettäviä lihasryhmiä ja niiden kuormitusta, tällainen reaaliaikainen seuranta ja väsymisen ennakointi on mahdollista.

5 Lihasten suoritustason ja kestävyyden harjoittaminen edellyttää lihasten tarkoituksellista kuormittamista useilla erilaisilla tehotasoilla riippuen siitä mitä suoritustason osa-aluetta halutaan kehittää. Peruskestävyyden nostamiseen tarvitaan aerobista pitkäkestoista, mutta kevyellä kuormituksella tapahtuvaa rasitusta. Toisaalta ns. lak-taattiharjoitusten tarkoituksena on kehittää äärimmäistä rasituksen sietokykyä, jol-10 loin tarvitaan maksimaalisia kuormitustasoja. Lisäksi erilaisista lajeista ja tavoitteista riippuen tarvitaan em. kuormitusten välitasoja.

Nykyisillä laboratorioissa käytettävillä lihastoimintaa seuraavilla menetelmillä kuormitusta mitataan lihaksittain ja sitä kautta pyritään arvioimaan henkilön suorituskykyä. Yhden lihaksen EMG-mittaus kuvaa kyseisen lihaksen toimintaa tarkasti, 15 mutta siitä saatavia tuloksia ei voida yleistää ko. raajan tai koko kehon osan kokonaisrasitusta kuvaavaksi. Sitä varten mittauksia täytyy tehdä samanaikaisesti useimmista raajan liikkeisiin vaikuttavista lihaksista, joiden tuloksia summaamalla kokonaiskuormitus voidaan arvioida. Nykyisissä laitteissa tämä tarkoittaa mittaus-kanavien määrän nousua ja sitä kautta monimutkaisempaa ja epäkäytännöllistä ra-20 kennetta. ί j

Nykyisillä menetelmillä saadaan tietoa harjoitus- tai liikuntasuoritteesta haijoitte-lun/liikkumisen aikana, mutta ongelmana on tiedon ja/tai palautteen esittäminen koko ajan missä suorituspaikassa hyvänsä olosuhteista ja/tai paikasta riippumatta. Lisäksi monissa liikuntalajeissa tarvitaan reaaliaikaisesti tietoja kehon ja/tai raajojen 25 lihaksista ja niiden toiminnasta, eikä nykyisillä laitteistoilla saada tällaista tietoa.

On yleisesti tunnettua, että lihaksen suoritustasoa ja väsymisastetta voidaan arvioida lihaksen tuottamaa EMG-signaalia mittaamalla ja analysoimalla. Tällainen menetelmä on kuvattu mm. Mega Elektroniikka Oy:n patentissa US 5,361,775, jossa EMG-signaalista tehtävällä FFT- eli spektrianalyysillä saadaan näkyviin useita li-30 haksen väsymisen kanssa korreloivia suureita. Lihaksen väsyminen näkyy EMG-signaalin tehospektrissä mm. keskitaajuuden madaltumisena ja toisaalta keskiarvos-tetun EMG-aktiivisuustason nousuna. Menetelmä on todettu toimivaksi, kun lihaksen väsymistä mitataan staattisen kuormituksen aikana. FFT-laskenta antaa suuntaa-antavia tuloksia myös dynaamisen liikesuorituksen aikana, mutta jatkuvasti vaihte-35 levät lihassupistukset sekä liikkeestä aiheutuvat häiriöt muuttavat EMG-signaali 5 taajuussisältöä niin, että FFT-laskennalla saadut tulokset eivät ole yhtä tarkkoja ja luotettavia kuin staattisessa mittauksessa. Dynaamisesta liikkeestä tehtävää FFT-laskentaa voidaan tarkentaa käyttämällä tutkittavaan henkilöön testin aikana kiinnitettäviä liikeantureita, joiden avulla signaaliin syntyviä häiriöitä voidaan poistaa tai 5 rajata FFT-laskentaan otettavat alueet laskennan kannalta edullisiksi.

On myös tunnettua, että kehon väsymistä voidaan mitata syketasoon ja hengitykseen liittyvien parametrien avulla. Tavallisesti pyritään tunnistamaan ns. aerobinen ja anaerobinen kynnystaso, koska ne ovat helpoimmin todettavissa ja niillä on yhteys kehon väsymisasteeseen. Eräs tällainen menetelmä on kuvattu Polar Electro Oy:n 10 patentissa US 6,411,841 B2, jossa mm. syketason muutoksista arvioidaan kehon laktaattipitoisuutta, joka kuvastaa kehon väsymistä. Eräs toinen tapa havaita anaerobinen kynnys on nimeltään ns. Conconi-menetelmä, jossa tutkitaan ko. kynnystasolla syketasossa tapahtuvaa hetkellistä tasannetta. Yleinen tapa mitata veren lak-taattipitoisuus perustuu sormesta tai korvalehdestä otettavaan verinäytteeseen, joka 15 sitten analysoidaan erillisessä mittalaitteessa.

Nykyisillä kannettavilla liikuntasuorituksen mittausmenetelmillä, lähinnä sykemittareilla, voidaan arvioida henkilön yleistä väsymisastetta, mutta niillä ei voida tunnistaa missä kehon osissa väsymistä erityisesti tapahtuu eikä väsymisen vaikutusta itse suoritukseen kyetä ennustamaan suorituksen aikana. Sykemittarilla mitatusta 20 sykesignaalista voidaan sykevälianalyysin avulla suorituksen jälkeen laskea tai arvioida erilaisia asioita kuten harjoituksen rasittavuustaso, palautumisnopeus, maksimaalinen hapenottokyky jne.

Käytettäessä sykkeen muutoksia kehon laktaattitason mittauksessa tai mitattaessa EMG-signaalista FFT-analyysin avulla lihasten suoritustasoa ja väsymistä täytyy 25 mittaustapahtuma tehdä vakioidulla testijärjestelyllä, joka on yleensä mahdollista vain tarkoitukseen suunnitellussa tutkimuslaboratoriossa. Lisäksi väsymisen aikaansaamiseksi tarvitaan ulkoista joko portaittain tai tasaisesti kasvavaa kuormitusta, johon väsymisaste voidaan suhteuttaa. Jos liikuntasuorituksen aiheuttama rasitus vaih-telisi koko ajan satunnaisesti, olisi EMG-signaalin muutoksista vaikeaa päätellä 30 mitkä muutokset johtuvat ulkoisten tekijöiden aiheuttamista kuormituksen muutoksista ja mitkä todellisesta lihaksen väsymisestä.

Keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin menetelmä ja laitteisto, joilla pystytään mittaamaan ja seuraamaan liikuntasuorituksen aikaista suoritustasoa ja väsymistä reaaliaikaisesti, nopeasti ja luotettavasti. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda 35 esiin menetelmä ja laitteisto, joilla pystytään seuraamaan väsymistasoa ja ennakoi- 6 maan väsymistä. Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin laitteisto, joka on suhteellisen kevyt, helppokäyttöinen, edullinen ja soveltuu päivittäiseen käyttöön.

Keksinnön tarkoitus saavutetaan menetelmällä ja laitteistolla, joille on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa.

5 Keksinnön mukaisessa menetelmässä henkilön hetkellinen suoritustaso ja väsy-misaste lasketaan tai arvioidaan mittaamalla lihaksista saatavien sähköisten signaalien lisäksi muita liikuntasuoritusta kuvaavia suureita ja mittaustuloksista lasketaan yksi tai useampia indeksejä, joiden avulla eri aikoina erilaisissa olosuhteissa tehdyt liikuntasuoritukset ovat vertailukelpoisia keskenään, ja joiden avulla henkilö voi vä-10 littömästi seurata ja optimoida suoritustaan ja/tai suorituksen jälkeen analysoida liikuntasuoritustaan. Signaaleista tehdyt analyysit esitetään käyttäjälle helposti ymmärrettävien esitystapojen kuten numeeristen arvojen ja tarvittaessa myös havainnollistavien graafisten kuvaajien avulla. Henkilö pystyy helposti ja nopeasti seuraamaan liikuntasuoritustaan ja väsymistasoaan koko liikuntasuorituksen ajan reaa-15 liaikaisesti tai hän pystyy analysoimaan liikuntasuoritustaan suorituksen jälkeen monipuolisesti.

Keksinnön edullisessa sovelluksessa mitataan lisäksi henkilön muita biosignaaleja ja/tai liikkeitä. Nämä tiedot otetaan huomioon ja niiden avulla liikuntasuoritusta ja väsymisastetta saadaan arvioiduksi paremmin.

20 Keksinnön seuraavassa edullisessa sovelluksessa mitataan henkilön etenemisnopeutta. Etenemisnopeus vaikuttaa henkilön liikuntasuoritukseen ja väsymisasteeseen, joten sen seuraaminen, mittaaminen ja ottaminen huomioon parantaa mittauksen : tarkkuutta.

Keksinnön seuraavassa edullisessa lisäsovelluksessa mitataan ulkoisia olosuhteita.

25 Ulkoiset olosuhteet, kuten maasto, sää ja keli vaikuttavat myös liikuntasuoritukseen ja niiden seuraaminen, mittaaminen ja ottaminen huomioon parantaa mittaamisen tarkkuutta.

Keksinnön seuraavassa edullisessa lisäsovelluksessa mitataan liikuntavälineen aiheuttamaa vastusta. Liikuntaväline vaikuttaa suoritukseen ja mm. sen aiheuttama vas-30 tus voidaan laskea ja ottaa huomioon analysoitaessa liikuntasuoritusta. Tämä parantaa arviota ja voidaan tehdä vertailuja erilaisilla liikuntavälmeillä tehtyjen liikuntasuoritusten välillä.

4 7

Keksinnön mukaisessa menetelmässä yhdistellään sopivalla tavalla kehon aktiivisista lihaksista ja sydämen toiminnasta niitattuja signaaleja ja keholle tai kehon eri osiin, esim. asusteeseen tai vastaavaan, sijoitetuista liikeantureista saatuja sähköisiä signaaleja ja arvioidaan niistä henkilön suoritustasoa ja väsymisastetta. Lisäksi edel-5 lä mainittuihin signaaleihin voidaan yhdistää muita liikuntasuoritusta kuvaavia suureita kuten esim. etenemisnopeutta, ulkoisia olosuhteita ja liikuntavälineen aiheuttamaa vastusta.

Keksinnön mukaisella menetelmällä pystytään mittaamaan ja seuraamaan kehon ja erityisesti sen eri osien suoritustasoa ja väsymistä sekä antamaan niistä palautetta 10 liikuntasuorituksen aikana nopeasti, luotettavasti ja yksinkertaisesti. Menetelmä perustuu liikuntasuorituksessa käytettävien lihasten lihasaktiivisuuksista saatavien ja sydämen toimintaa kuvaavien suureiden ja liikuntasuorituksen aiheuttamien mekaanisten liikkeiden synnyttämän informaation sekä edullisesti ulkoisten liikesuorituk-sen rasittavuutta muuttavien tekijöiden yhdistämiseen ja analysointiin tavalla, jota ^ 15 kuvataan myöhemmin tässä selityksessä. Menetelmässä käytetään hyväksi myös vä- symisen aiheuttamia muutoksia kehon tai raajan biomekaanisissa liikkeissä ja liikeradoissa. Lisäksi väsymisasteen arvioinnissa voidaan huomioida ulkoisten muuttujien kuten maaston korkeuden ja jyrkkyyden, sää-, tuuli- ja kcliolosuhteiden aiheuttamat muutokset tai liikuntavälineen liikevastuksessa tapahtuvat lisäykset tai ke-20 vennykset. Menetelmän avulla harjoituksen tekijä saa välittömän palautteen havaittavalla signaalilla tai vastaavalla liikuntasuorituksesta, sydämen ja lihasten toiminnasta, lihasten tasapainosta ja tasapainon muutoksista, väsymisasteesta ja sen muutoksista, joiden avulla liikunnan harrastaja voi säädellä ja parantaa liikuntasuorituksen tehokkuutta ja taloudellisuutta sekä ehkäistä lihasten väsymisestä aiheutuvaa 25 suorituskyvyn heikkenemistä. Näin hän voi arvioida kulloiseenkin tilanteeseen ja harjoituksen tavoitteisiin sopivan rasitustason ja ennakoida suorituksen loppuvaiheen aikaista väsymisastetta ja siten sovittaa esim. maaston ja olosuhteiden muutosten vaikutuksen suorituksen lopputulokseen. Menetelmän soveltamiseksi tarvitaan tyypillisesti asuste, mutta tarvittavat mittaukset voidaan toteuttaa myös muiden ke-30 hoon sijoitettavien antureiden ja varusteiden avulla.

Yhdistämällä suoritukseen edelleen liikeantureilla saatavaa kehon ja/tai kehon osien Hikenopeustietoa voidaan väsymyksen arviointia edelleen tarkentaa. Erikoistapauksena liittyen juoksuun ja kävelyyn markkinoilla on laitteita, jota mittavat käveli-jän/juoksijan etenemisnopeutta. Yhdistämällä EMG, syke, ja nopeustieto huomioi- 1 35 den maaston muodot nähdään milloin esim. valittua perusnopeutta on raskaampaa ylläpitää eli samalla työllä vauhti hidastuu.

8 Väsymisen tunnistus dynaamisen ja vapaamuotoisen liikkeen aikana EMG-signaalista saadaan näkyviin suhteuttamalla EMG-aktiivisuus kehoon tai sen osaan kohdistuvaan muuttuvaan kuormitukseen esim. maaston jyrkkyyden, etenemisnopeuden, vierintä- tai liukuvastuksen tms. muuttuessa. Silloin kun liikuntasuoritus 5 tehdään mekaanista voimaa, liikettä tai muita vastaavia suureita mittaavia antureita sisältävässä laitteessa esim. polkupyöräergometrissä tai kuntosalilaitteessa, EMG-aktiivisuustasoja voidaan suhteuttaa näihin laitteen antamiin mittaustuloksiin. Näitä suureita ovat esim. tuotettu voima, teho, vääntömomentti, kulmanopeus, kiihtyvyydet jne. Tällöin voidaan esimerkiksi suoritustekniikkaa, asentoa tai muita tekijöitä 10 varioimalla etsiä vähiten kuormittavinta tai vähiten väsyttävää etenemistapaa.

Kehon ja lihasten väsyminen näkyy myös lihasten aktivoituniisnopeuksien hidastumisena ja esim. syklisessä liikkeessä, kuten juoksu ja pyöräily, eräiden lihasten ak-tiviisuusprofulien puoliarvoleveydcn kasvuna. Toisin sanoen väsynyt lihas voi yhden syklin aikana kuormittua yhtä paljon kuin suorituksen alussa, mutta lihaksen ^ 15 aktivoitumisaika on pitempi ja aktivaatiomaksimi on pienempi kuin suorituksen alussa. Tämä johtuu siitä, että pitkäkestoisessa suorituksessa lihas käyttää vain ns. hitaita lihassoluja, mutta väsyessään lihas joutuu kompensoimaan hitaiden solujen vähentynyttä käyttöastetta aktivoimalla myös ns. nopeita lihassoluja. Väsyneen lihaksen EMG-profiilissa on siten useista erilaisista lihassoluista ja niiden muodos-20 tamista ns. motorisista yksiköistä peräisin olevia potentiaaleja, mistä johtuen profiilin muoto on erilainen.

Syke-ja lihasaktiivisuusprofiileista löytyy myös muita nopeuden, maaston muodon, tuulen tai muiden ulkoisten vaikutusten funktiona muuttuvia piirteitä. Tasaisella .

vauhdilla edettäessä kehon kuormitus kokonaisuutena kasvaa ylämäessä ja kevenee 25 alamäessä, mutta lihastasolla kuormituksen muutokset jakautuvat toisin mm. kehon tasapainon hallitsemiseksi ja maaston muotoon tai vastatuuleen sopivan etenemis-tyylin johdosta. Esimerkiksi ylä- tai alamäkeen juostessa reiden etu- ja takaosan lihasten keskinäiset kuormitussuhteet ja ajoitukset muuttuvat, koska lihasvoimaa tarvitaan nousuvaiheen eteenpäin työntöön, mutta alaspäin tultaessa lihasvoimaa käy-30 tetään enemmän myös jarruttamiseen. Ylämäkeen juostessa pohjelihasten aktii-visuustaso nousee, mutta säärilihasten aktiivisuustaso laskee. Tutkimuksissa on havaittu myös muita lihasten EMG-profiileissa näkyviä muutoksia, jotka perustuvat mm. raajan ojentaja/koukistajalihasten aktiivisuuksien keskinäisiin suhteisiin.

Kun urheilu/liikuntasuoritukseen kuuluu oleellisena osana jokin samanlaisena tois-35 tuva osuus esim. 400 m:n juoksuradan kiertäminen samaa vauhtia ympäri useita 9 kertoja peräkkäin, voidaan suoritustasoa ja väsymistä arvioida vertaamalla lihas-kuormitusta eri kieiTosten välillä. !

Eri tavoilla tehtyä väsymisasteen arviointia tarkennetaan syketasosta, sykevälimuu- 1 toksista jne. saatavilla tiedoilla. Sykevälianalyysillä voidaan integroida suorituksen 5 kokonaisrasitusta suorituksen kestäessä. Yhdistämällä EMG-, syketaso- ja sykeväli-analyysit voidaan rasitustasoa ja siten myös suoritustasoa, kestävyyttä ja väsymystä arvioida tarkemmin.

Eräs tyypillinen kestävyysliikuntaan ja -urheilusuoritukseen liittyvä tavoite on suorituksen tekeminen mahdollisimman lyhyessä ajassa ts. henkilö pyrkii optimoimaan 10 etenemisnopeutensa matkan pituuteen verrattuna mahdollisimman edulliseksi. Liikuntasuorituksen aikana etenemisnopeuden ja lihasten kuormituksen välillä on erilaisia korrelaatioita. Osa näistä korrelaatioista on samansuuntaisia kaikille yksilöille, mutta myös yksilölliset erot esim. kehon tai lihaksiston tyypissä, kuntotasossa tai suoritustekniikassa vaikuttavat korrelaatioihin. Esimerkiksi juostessa sekä etu- että ^ 15 takareisien kuormitus kasvaa vauhdin noustessa, mutta niiden kuormituksen nousu i ei ole yhtä suurta toisiinsa verrattuna. Tyypillisesti takareisien kuormitus kasvaa etureisien kuormittumista enemmän nopeuden lisääntyessä. Toisaalta lähestyttäessä maksiminopeutta saattavat etureidet uudelleen kuormittua takareisiä nopeammin huippunopeuden saavuttamiseksi.

20 Edellä mainittujen ilmiöiden lisäksi lihasten kuormitukseen vaikuttaa myös lihasten väsyminen, jota syntyy, kun lihas esim. joutuu olemaan yhtäjaksoisesti kuormitettuna pitkän aikaa ilman palauttavia rentoutumisjaksoja. Myös jatkuva syklinen kuormitus, jolloin lihas joutuu supistumaan ja rentoutumaan nopealla tahdilla siten, että keskimääräinen kuormitustaso pysyy pitkän aikaan nonnaalia rasitusta korkeam-25 maila tasolla aiheuttaa lihaksen väsymistä. Molemmissa tapauksissa väsyminen johtaa lopulta ns. uupumiseen, jolloin lihaksissa olevat suojamekanismit keskeyttävät lihastoiminnan vaurioiden ehkäisemiseksi ja hidastavat tai jopa pysäyttävät etenemisen. Käytännössä lihaksen väsyminen tarkoittaa sitä, että väsynyt lihas joutuu rekrytoimaan useampia motorisia yksiköitä ja nopeampia lihassoluja sisältäviä mo-30 torisia yksiköitä kuin ennen väsymystä. Tämä on havaittavissa EMG-signaalista mm. AVERAGE-EMG-tason nousuna vaikka lihaksen tekemä ulkoinen työ ei muutu.

Edellä kuvattujen seikkojen vuoksi henkilön suorituskyvyn ja väsymisen mittaamiseksi lihasaktiivisuuksista saatavien EMG-signaalien avulla täytyy ehdottomasti tie-35 tää millaisessa tilanteessa, olosuhteissa ja ympäristössä suoritus tapahtuu, jotta mit- 10 tauksista voidaan tunnistaa ja erottaa juuri halutut suureet. Tällä tavalla saadut mittaustulokset ovat vertailukelpoisia eri aikoina ja erilaisissa olosuhteissa tehtyjen vastaavien liikuntasuoritusten kanssa. Kyseisiä suorituksia voi vertailla keskenään, jolloin tuloksista voidaan nähdä ja mitata mm. harjoittelun seurauksena tapahtunut 5 parannus kuntotasossa tai suoritustekniikassa tai toisaalta esim. loukkaantumisen aiheuttaman suorituskyvyn huononeminen.

Väsymisaste näkyy myös kehon mekaanisten liikkeiden muuttumisena esim. juoksussa lantionseudulle asetetun kiihtyvyysanturin pystysuuntaista kiihtyvyyttä mit-taavan signaalin muutoksina jne. Kehon kuormitukseen vaikuttavat ulkoiset tekijät 10 muuttavat myös EMG-signaalin tasoa. Jos tutkitaan pelkkää EMG-signaalin tasoa ja sen muutoksia, signaali vaihtelee enemmän kuin tasaisessa tai tasaisesti kasvavassa kuormituksessa. Tällaisesta signaalista on vaikea tunnistaa lihaksen väsymisestä aiheutuvia epälineaarisuuskohtia. EMG-signaali voidaan kuitenkin normecrata ulkois- ;> •'•5 ten muuttujien avulla sellaiseksi, että pelkät väsymisen synnyttämät epälineaa- ' 15 risuuskohdat erottuvat. Yhdistämällä kaikista saatavilla olevista lähteistä tiedot, saadaan johtopäätöksistä luotettavampia ja ne voidaan tehdä nopeammin jopa reaaliaikaisesti suorituksen aikana, jolloin niistä on käyttäjälle suurin hyöty.

Keksinnön edullisessa sovelluksessa mittaustuloksista lasketaan indeksi kuvaamaan henkilön suoritustason ja suoritustekniikan taloudellisuutta. Kestävyyslajeissa suori-20 tuksen taloudellisuus tarkoittaa yleensä etenemistä mahdollisimman pienellä energiankulutuksella suhteessa etenemisnopeuteen. Hetkellinen energiankulutus voidaan arvioida kyseiseen suoritukseen käytettävien päälihasryhmien AVERAGE-EMG-signaalien summan avulla. Yksinkertainen taloudellisuusindcksi saadaan laskemalla etenemisnopeuden ja em. AVERAGE-EMG:n suhde. Suoritus on sitä taloudelli-25 sempi mitä suurempi em. suhdeluku on. Indeksiin voidaan lajista riippuen ottaa mukaan myös muita suorituksesta käytössä olevia mittaussuureita. Taloudellisuusin-deksiä seuraamalla urheilija voi harjoitteluvaiheessa varioida liikkeidensä kuormittavuutta ja sitä kautta hakea edullisinta suoritustekniikkaa kilpailutilannetta varten.

Keksinnön edullisessa lisäsovelluksessa mittaustuloksista lasketaan indeksi kuvaa-30 maan henkilön väsymysastetta. Liikuntasuoritukseen liittyvä väsyminen ja siitä palautuminen riippuvat mm. suoritustavasta ja suorituksen kestosta. Lyhytaikaisessa suorituksessa ja korkealla rasitustasolla esim. pikajuoksussa lihasten väsyminen ta- ’ pahtuu nopeasti, mutta toisaalta myös palautuminen normaaliin tilaan on suhteellisen nopeaa. Pitkäaikaisessa liikuntasuorituksessa esim. maratonjuoksu urheilijan 35 suoritustaso voi pysyä jopa useita tunteja lähes muuttumattomana ilman suoritusta haittaavaa väsymistä. Normaalisti väsyminen tapahtuu hitaasti kehon energiavaras- 11 tojen ehtymisen seurauksena ja toisaalta väsymyksestä palautuminen voi kestää jopa useita vuorokausia. Kuitenkin suorituksen aikana tapahtuvat lyhyetkin nousut rasi-tustasossa saattavat aiheuttaa nopean väsymisreaktion, uupumisen, josta urheilija ei kykene enää palautumaan suorituksen aikana. Tällaisen uupumisreaktion ehkäise-5 miseksi urheilijaa informoidaan väsymisindeksin avulla. Yksinkertainen väsymisin-deksi lasketaan vertaamalla kyseiseen suoritukseen käytettävien päälihasryhmien AVERAGE-EMG-signaalien summaa urheilijalle erillisessä kuntotestissä määritel-tyyn kynnysarvoon. Kun AVERAGE-EMG summa ylittää väsytniskynnysarvon, käynnistetään laskuri, joka mittaa kynnysarvon yläpuolella kertynyttä aikaa. Mitä 10 kauemmin urheilijan lihaskuormitus on väsymiskynnystä korkeammalla sitä todennäköisemmin lihasten väsyminen aiheuttaa suoritusta haittaavan reaktion. Väsymisindeksin tarkkuus on parempi, kun indeksin laskennassa huomioidaan myös se kuinka korkea on kynnyksen ylittävä keskimääräinen kuormitustaso. Tämä saadaan esim. integroimalla väsymiskynnyksen yläpuolella mitattu AVERAGE-EMG sum-15 ma kynnyksen yläpuolella käytetyn ajan suhteen. Edelleen indeksin tarkkuutta parannetaan yhdistämällä syketasosta ja sykevälivaihtelusta saatava hengitys- ja ve-renkiertoelimistön kautta syntynyttä väsymystä mittaavat tulokset. Myös kehon liikkeissä tapahtuvat väsymyksen aiheuttamat muutokset sekä ulkoisista olosuhteista saatava informaatio voidaan hyödyntää indeksin laskennassa.

20 Keksinnön seuraavassa lisäsovelluksessa EMG-signaalin avulla lasketaan indeksi simuloimaan henkilön veren laktaattipitoisuuden ts. happamuuden tasoa ja sen muu- 5 toksia suorituksen aikana. Laktaattipitoisuutta puolestaan yleisesti käytetään kuvaamaan kehon ja lihasten väsymisen astetta urheiluvalmennuksessa.

Tämä laktaatin simulointitapa perustuu tutkimuksissa havaittuun ilmiöön, jossa rasi-25 tuksen seurauksena lihaksesta mitatun EMG-signaalin tasossa havaitaan epälineaa-risuuskohtia, vaikka ulkoinen rasitus pysyy tasaisena tai sen nousu on lineaarista. EMG-signaalin epälineaarisuuskohtien on todettu korreloivan kehon laktaattitason muutoskynnysten kanssa. Erityisesti tämä ilmiö on havaittavissa ns. anaerobisen kynnyksen kohdalla, jolloin lihaksen riittämättömän hapensaannin takia laktaattipi-30 toisuus alkaa kumuloitua kiihtyvällä nopeudella. Kehon laktaattitasoa arvioidaan tyypillisesti mittaamalla veressä olevan laktaatin määrä. Veren normaali laktaattita-so levossa ja kevyessä rasituksessa on tyypillisesti n. 2 mmol/1. Kun rasitus pysyy aerobisella alueella, laktaattitaso voi kohota tasolle n. 4 mmol/1, johon saakka keho pystyy poistamaan laktaattia nostamalla hapenkulutusta hengityksen avulla. Lak- i 35 taattitasolla 4 mmol/1 keho kykenee toimimaan pitkän aikaa ilman, että laktaatilla on vaikutusta kehon ja lihasten toimintaan. Yli 4 mmol/1 tasoilla hapensaanti ei ole 12 enää riittävää poistamaan ylimääräistä laktaattia, vaan sen määrä alkaa kumuloitua. Rasituksen jatkuessa samana tai noustessa edelleen laktaatin määrä saavuttaa tason, ; jonka seurauksena lihakset alkavat kangistua. Tämän vuoksi henkilön on pakko pienentää rasitusta tai jopa keskeyttää suoritus voidakseen palauttaa laktaatin määrän 5 normaalille tasolle. Tämä uupumistaso on hyvin yksilöllinen ja se riippuu mm. lihassolujen tyyppijakaumasta, haijoittelun määrästä ja harjoittelutavoista. Kehon ja lihasten kykyä sietää laktaattia voidaan harjoituksen avulla parantaa huomattavasti.

Rasituksen aikana mitattavasta EMG-signaalista voidaan reaaliaikaisesti laskea ja tallettaa muistiin mm. signaalin keskimääräinen taso ns. AVERAGE-EMG. Lihas-10 ten A VERAGE-EMG-signaali käyttäytyy väsymyksen aikana mittauksellisesti mielenkiintoisella tavalla. Kun lihaksen kuormitus väsymyksen edetessä saavuttaa tason, jossa kaikki ns. hitaat lihassolut on jo rekrytoitu käyttöön suurimmalla aktiviteetillaan, joutuu lihas seuraavaksi rekrytoimaan ns. nopeita lihassoluja. Kyseiset Ί solut antavat selvästi suuremman EMG-vastecn, mikä tarkoittaa sitä, että EMG-15 signaalin tasossa tapahtuu aikaisemmasta poikkeava nousu. Tämä nousukohta on tieteellisesti havaittu tapahtuvan samaan aikaan, kun veren ns. laktaattipitoisuus alkaa kumuloitua.

Laktaattipitoisuutta simuloidaan EMG-mittausten avulla siten, että ns. laktaatti-indeksin arvoa kasvatetaan, kun lihasten AVERAGE-EMG-arvot ylittävät ko. hen-20 kilolle määritellyn kynnysarvon ja laktaatti-indeksiä vastaavasti pienennetään, kun AVERAGE-EMG-arvot ovat kynnysrajan alapuolella. Signaalin muutokset mukaan lukien em. epälineaarisuuskohdat voidaan havaita ohjelmallisesti. Kun EMG-signaalin tasossa havaitaan epälineaarisuuspoikkeama, aletaan raja-arvon ylittävää EMG-tasoa integroida ajan suhteen, Tämän ns. kumuloituvan integrointilaskennan ö 25 kriteerit määritellään siten, että laskenta simuloi vereen kumuloituvan laktaatin määrää ilmaisten kasvavaa laktaattiarvoa. Kun EMG-signaalin taso laskee raja-arvon alle, niin käynnistetään vastaava integrointi laskenta, joka puolestaan simuloi verestä poistuvan laktaatin määrää. Yhdistämällä em. laktaatin kumuloitumista ja laktaatin poistumista kuvaavat laskennat saadaan lukuarvo, joka simuloi veressä 30 olevan laktaatin määrää reaaliaikaisesti.

Laktaatti-indeksin laskennassa voidaan lisäksi käyttää hyväksi samanaikaisesti mitattavia sykkeestä ja hengitysparametreista saatavia tietoja ja niiden muutoksia. Erityisesti liikuntasuoritukseen sisältyvissä palautumisvaiheissa laktaattitaso laskee riippuen siitä, kuin paljon happea elimistö kykenee toimittamaan eniten rasittunei-35 siin lihaksiin. Esimerkiksi korkeampi hengitystaajuus (Respiration Rate) ja suu- 13 remmat hengityksen minuuttitilavuus (Ventilaatio) ja hapenottokyky (V02) nopeuttavat laktaatin poistumista.

Keksinnön mukaisissa sovelluksissa voidaan laskea myös erilaisia muita indeksejä käyttämällä hyväksi kahta tai useampaa mittaustulosta ja yhdistämällä niitä tarvitta-5 essa ulkoisiin olosuhteisiin tai muihin suoritukseen vaikuttaviin suureisiin. Tällä tavalla voidaan ottaa huomioon paremmin urheilulajikohtaiset ja urheilijoiden yksilöi- li liset erikoispiirteet.

Keksinnön mukaiseen laitteistoon kuuluu anturit muiden liikuntasuoritusta kuvaavien suureiden kuin lihasten sähköisten signaalien mittaamiseksi, ja väline mittaustu-10 loksien käsittelemiseksi ja yhden tai useamman liikuntasuorituksia kuvaavan indeksin laskemiseksi.

Keksinnön edullisessa sovelluksessa laitteistoon kuuluu anturit henkilön muiden biosignaalien mittaamiseksi. Toisessa edullisessa sovelluksessa laitteistoon kuuluu anturit muiden liikuntasuorituksen aikaisten liikkeiden ja niihin vaikuttavien muut-15 tujien mittaamiseksi ja kolmannessa edullisessa sovelluksessa laitteistoon kuuluu j anturit ulkoisten olosuhteiden mittaamiseksi.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä lihasaktiivisuuksia kuvaavat EMG-signaalit mitataan edullisesti asusteeseen esim. housuihin integroiduista mitattavien lihasten päälle sijoitetuista elektrodeista, joista EMG-signaalit johdetaan mittausmoduuliin 20 analysoitavaksi signaalinkäsittelyelektroniikan ja -ohjelmiston avulla. Sykkeen mittausta varten asusteeseen on integroitu myös omat elektrodit sellaisiin paikkoihin, joista mittaukseen tarvittavat EKG-signaalit ovat saatavilla. Koska elektrodit ja johdot ovat kiinni asusteessa, ei tarvita erillisiä iholle liimattavia elektrodeja ja johtoja.

Oikean kokoisten asusteiden ja niiden joustavan kankaan ansiosta elektrodit pysyvät 25 koko suorituksen ajan oikeilla paikoillaan säilyttäen luotettavan kontaktin elektrodien ja ihon välillä. Lihasaktiivisuuksien ja sykkeen mittaamiseen voidaan käyttää myös erillisiä puettavia antureita, joihin tarvittavat elektrodit on integroitu. Tällaiset anturit voidaan sijoittaa mittauskohtiin joko kiinnittämällä anturi kyseisen kohdan peittävään asusteeseen tai anturi voidaan kiinnittää kehoon kuminauhan, vyön, pan-30 nan tms. sopivan tarvikkeen avulla. ·

Asustetta käytettäessä eivät EMG-clektrodit tule aina tarkasti juuri tietyn lihaksen päälle, eikä se ole keksinnön mukaista asustetta käytettäessä edes tarpeellista, koska päätarkoitus on verrata lihasryhmien ja raajojen tekemää kokonaistyötä eikä niinkään yksittäisten lihasten työtä.

14

Keksinnön edullisessa sovelluksessa asusteeseen on integroitu elektrodit, johtavasta materiaalista tehdyt johtimet ja yksi tai useampi tietojen käsittelymoduuli mittaustu- ' loksien käsittelemiseksi ja yhden tai useamman liikuntasuorituksia kuvaavan indek- 1 sin laskemiseksi sekä mahdollinen palaute-moduuli. Elektrodeina ja johtimina käy- ' 5 tetään sinänsä tunnettuja tarkoitukseen soveltuvia elektrodeja ja johtimia. Esimerkkinä kuvatussa sovelluksessa käytetään tekstiilisiä elektrodipintoja ja johteita, mutta ^ myös muunlaisia vaihtoehtoja voidaan käyttää toisissa sovelluksissa. Asusteissa olevat elektrodit, johtimet ja liitokset ovat pesun-ja kulutuksen kestäviä.

Väline mittaustuloksien käsittelemiseksi ja yhden indeksin tai indeksien laskemi- 10 seksi voidaan sijoittaa keholle, asusteeseen tai keholla olevaan varusteeseen, kuten vyöhön, pantaan, rannekkeeseen tai muuhun varusteeseen tai liikuntavälineeseen. Palautelaite voidaan vastaavasti sijoittaa sinänsä tunnetusti vastaavalla tavalla asusteeseen, varusteeseen tai liikuntavälineeseen. Palautelaitteena käytetään sinänsä t tunnettuja palautelaitteita, joiden avulla henkilö saa haluamansa tiedot.

15 Keksinnön mukaisessa asusteessa on liitokset, joihin moduuli on irrotettavasi!’ sijoitettavissa, ja asusteessa ja moduulissa on toisiaan vastaavat kytkentäosat. Asusteissa ja moduuleissa on standardoidut kytkentäpinnat, jolloin samaa moduulia voi käyttää useissa eri asuissa. Asusteen kuluminen ja osien vaihto toiseen asusteeseen mahdollistaa samojen moduulien pitkäaikaisen käytön ja pienentää kustannuksia.

20 Asusteeseen on sijoitettu yksi tai useampia maadoituselektrodipintoja EMG-mittausta varten. Maadoituselektrodien määrä ja muoto voivat vaihdella sovelluksien mukaan. Esimerkiksi yksi yhtenäinen maadoituspinta vähentää asusteeseen tarvittavien maadoitusjohtimien lukumäärää ja toisaalta vie maadoituskohdan mahdollisimman lähelle jokaista mitattavaa lihasta/lihasryhmää. Suuri maadoituselektrodi- 25 pinta varmistaa hyvän kontaktin myös liikkuessa. Toisaalta käyttämällä useita erillisiä maadoituspintoja, voidaan eräissä tapauksissa varmistaa riittävän hyvä ja häiriötön signaali jokaisesta mitattavasta lihaksesta tai lihasryhmästä. Maadoitus voi toimia tarvittaessa samalla myös mittaavilta elektrodeilta tulevien johtamien häiriösuo-jana.

30 Kiihtyvyysantureita käytetään mittaamaan kehon eri osien voimakkuuden muutok- i siä suhteessa tarkasteltavaan liikesuuntaan. Kiihtyvyysanturit voivat olla joko yhteen suuntaan mittaavia antureita tai useita eri suuntia mittaavia integroituja anturi-komponentteja. Luontevin paikka kiihtyvyysanturille on vartalon keskiosa, mutta vastaava tieto on erotettavissa myös anturien sijaitessa muissa vartalon osissa.

35 Ylös/alas suunnasta saadaan helpoiten laskettua askelten määrä ja askelrytmi. Sivu- 15 suunnassa seurataan vartalon sivuttaishuojuntaa ja etenemissuunnan anturi kertoo etenemiseen liittyvistä nopeusvaihteluista. Useita erillisiä kiihtyvyysantureita käytettäessä yksi anturi voi esim. sijaita vartalossa ja muut eri raajoissa, jolloin raajojen liikkeet voidaan erottaa kehon liikkeistä ja toisistaan.

5 Paineanturilta saadaan ilmanpainetta kuvaava signaali. Koska ilmanpaine vaihtelee maaston korkeuserojen mukaisesti, voidaan korkeustietoa analysoimalla päätellä liikutaanko tasaisella maalla vai ylä/alamäessä. Korkeustiedon avulla EMG-signaalista voidaan erottaa ne kohdat, joissa kuormitusmuutokset johtuvat muusta kuin lihaksissa tapahtuvasta väsymisestä.

10 Laitteistoon kuuluvalla paikannusanturilla, joka on edullisesti GPS-laite, henkilö saa tietoa olinpaikastaan.

Seuraavassa keksinnön mukaista menetelmää kuvataan kahden yksinkertaistetun juoksua ja pyöräilyä käsittelevän havaintoesimerkin avulla: ;; ‘h i|

Kun hyvässä kunnossa oleva terve, urheilija juoksee urheilukentällä tasaista vauhtia 15 hänen jalkalihastensa kokonaiskuormitus pysyy todennäköisesti vakiona (esim.

1000 uV) pitkän aikaa. Vasta, kun hänen energiavarastonsa alkavat ehtyä (esim. ajan ti kuluttua), lihasten kuormitus alkaa nousta, mutta urheilijan vauhti pysyy luultavasti vielä jonkin aikaa muuttumattomana. Jos juoksu vielä jatkuu, lihaskuor-mitus nousee ennen pitkää (esim. ajassa Ϊ2) niin korkealle (esim. 2000 uV), että ne 20 alkavat kangistua, josta seuraa myös vauhdin hidastuminen ja lopulta uupumus. Laskemalla juoksuvauhdin ja lihasten kokonaiskuormituksen suhde saadaan indeksi (MP), joka kuvaa urheilijan kuntotasoa ja juoksutekniikan taloudellisuutta juoksun eri vaiheissa. Alkumatkassa indeksi on suuri kuvaten hyvää taloudellisuutta, mutta myöhemmin indeksi pienenee, koska lihaskuormitus kasvaa ja toisaalta vauhti pie-25 nenee. Mitä paremmassa kunnossa urheilija on sitä suurempi on indeksin MP arvo (tietyllä nopeudella) ja sitä voidaan siis käyttää kuntotason/juoksutekniikan mittarina. Tällainen mittari tosin antaa vertailukelpoisia tuloksia vain tasaisella juoksuradalla ja muuttumattomissa olosuhteissa.

Jos em. urheilija juoksee yllä mainittua tasaista vauhtia esim. loivasti nousevaan 30 ylämäkeen, hänen lihaskuormituksensa on suuremman liikevastuksen vuoksi korkeampi kuin alussa kuvatussa tilanteessa. Ylämäkeen juostessa siis vauhdin ja lihasten kokonaiskuormituksen suhde antaa pienemmän indeksin arvon. Vastaavasti alamäkeen juostessa saadaan suurempi indeksin arvo. Tämä tarkoittaa sitä, että urheilijan kuntotasoa tai suoritustekniikan taloudellisuutta ei voida arvioida MP-indeksin 16 avulla, koska indeksi sisältää myös erilaisten ulkoisten tekijöiden aiheuttamia kuormitusmuutoksia. Kun urheilijalla on mukanaan laite, joka mittaa myös maasto-profiilin muutoksia, voidaan niitä hyväksikäyttäen normeerata MP-indeksi siten, että indeksin arvot ovat vertailukelpoisia myös tasaisella juoksuradalla saatavien mit-5 taustulosten kanssa.

Tilanteessa, jossa urheilijan lihakset alkavat väsyä, voidaan MP-indeksiä käyttää väsymyksen indikaattorina ja väsymisasteen mittarina. Koska ajanhetken ti jälkeen lihaskuormitus kasvaa vaikka vauhti pysyy vakiona, alkaa MP-indeksin arvo muuttua pienemmäksi. Erityisesti kohdassa, jossa lihasten kuormittumista mittaavassa 10 EMG-signaalissa tapahtuu selkeä nousu, on kuormitus sellaisella kriittisellä tasolla, jonka jälkeen uupumishetki t2 on huomattavan lähellä. Mikäli urheilija jatkaa suoritustaan samalla intensiteetillä, lihakset alkavat kangistua eikä väsymyksestä voi enää toipua ilman, että se oleellisesti haittaa suoritusta tai jopa pakottaa keskeyttämään sen ennenaikaisesti. MP-indeksiä voidaan siten käyttää myös tunnistamaan 15 väsymyksen ensioireet ennen kuin kangistumista alkaa tapahtua. Koska maaston ; muodot vaikuttavat epälineaarisesti väsymisnopeuteen, voidaan MP-indeksin avulla tehtävää väsymisen tunnistusta tarkentaa käyttämällä hyväksi samanaikaisesti mitattavia maastoprofiilin muutoksia. Jos MP-indeksin havaitaan pienenevän ylämäessä, voidaan urheilijaa varoittaa väsymisestä aikaisemmin kuin jos sama MP-indeksin 20 arvo saavutetaan tasaisella tai alamäessä.

Pyöräilyssä edellä kuvattua vauhdista ja lihaskuormituksesta laskettua MP-indeksiä voidaan käyttää samalla tavalla kuin juoksussa. Pyörällä ajoon liittyy kuitenkin runsaasti sellaisia muuttujia, joita juoksussa ei ole. Näitä ovat mm. vaihteiden välitys-suhteen vaihto tarpeen mukaan, vapaa rullaaminen tasaisella ja alamäessä ilman H-25 haskuormitusta ja mahdollisuus polkea joko satulassa istuen tai poikimien päällä seisten. Myös teknisen ajoasennon varioinnilla (esim. satulan ja ohjaustangon korkeus ja pituussäädöt) voidaan vaikuttaa merkittävästi lihasten kuormittumiseen. Pyöräilyssä saavutetaan myös juoksua suuremmat nopeuserot erilaisten tilanteiden aja olosuhteiden välillä, jolloin myös MP-indeksin arvot vaihtelevat suuremmalla 30 skaalalla, MP-indeksiä voidaan pyöräilynharjoittelussa käyttää mm. ajotekniikan optimointiin tasaisella ajettavaa aika-ajoa varten. Tällöin pyöräilijä ajaa tasaista nopeutta erilai- ' silla välityksillä ja vertaa niillä saavutettuja MP-indeksin arvoja. Riippuen pyöräilijän lihasten koostumuksesta ja ajotaustasta, toiset saavat edullisimman MP-indeksin 35 arvon raskaalla välityksellä ja alhaisella kampikierrosnopeudella kun taas toiset vastaavasti kevyemmillä välityksillä ja korkeammilla kampikicrrosnopeuksilla. Oleel- 17 lista on, että kukin pyöräilijä löytää itselleen ja sen hetkiselle kunnolleen edullisimman välityssuhteen. Vastaavalla tavalla voidaan varioida myös ajoasentoa ja satulan ja ohjaustangon säätöjä ja optimoida myös sitä kautta suorituksen tehokkuutta ja taloudellisuutta. Tärkeitä kilpailija varten pyöräilijä voi myös harjoitella kilpara-5 dan profiilin ja oletettujen sääolosuhteiden vaikutusta suoritukseensa ja laatia siten myös kilpailutaktiikan itselleen sopivaksi.

Urheilijalle voidaan em. mittausarvojen avulla määritellä myös muita kuntotasoa mittaavia tai harjoittelua ohjaavia parametreja. Esimerkiksi lihaskuntotestissä voidaan tunnistaa erilaisia suureita kuten väsymisen alkukynnys, väsymisnopeus ja uu-10 pumiskynnys. Väsymisen alkukynnys voidaan esim. vakiomuotoisessa lihaskunto-testissä määritellä ajankohdaksi, jossa suorituksen taloudellisuus alkaa lihasten väsymisen johdosta pienentyä. Väsymisnopeus tarkoittaa AVERAGE-EMG-tason muutosnopeutta aikayksikössä. Uupumiskynnys vastaavasti on ajankohta, jolloin testattava henkilö ei enää kykene ylläpitämään suoritustaan halutulla kuormitusta- ; 15 solia ja joutuu joko olennaisesti keventämään kuormitusta tai jopa keskeyttämään suorituksensa.

Seuraavassa esimerkissä käsitellään eräitä kuntotasoa kuvaavia ja harjoittelua ohjaavia parametreja. Samalla viitataan oheisiin kuviin, joissa:

Kuva 1 esittää eräitä kuntotestillä saatuja kuormituskäyriä, ja r 20 Kuva 2 esittää tarkemmin lihasten kuormituskäyrästä mitattavia suureita.

Kuva 1 esittää polkupyöräergometrillä tehtyä kuntotestiä ja kuormituskäyriä. Kuntotestin aikana on mitattu ja tallennettu urheilijan jalkalihasten kokonaiskuormitusta (AVERAGE-EMG sum), sykettä (Heart Rate) ja ergometrin automaattisesti portaittain nousevaa vastustasoa (Ergometer resistance). Kuvasta näkyy, että syketaso 25 nousee koko ajan lähes lineaarisesti vastuksen kasvaessa, mutta lihaskuormitus-käyrässä on jopa silmin havaittavissa ainakin yksi selvä poikkeamakohta lineaarisuudesta. Vastustasolta 275W alkaen lihaskuormitus lisääntyy nopeasti ja voimakkaasti johtaen nopeasti uupumiseen.

Kuvassa 2 esitetään tarkemmin muutamia lihasten kuormituskäyrästä mitattavia 30 suureita. Tekemällä kuvassa näkyvä yksinkertainen lineaarisuustarkastelu havaitaan, että urheilijan lihaskuormituksen lineaarisuudesta poikkeava nousu tapahtuu n.

350pV:n kohdalla. Tämä kynnysarvo FT vastaa kyseisellä urheilijalla kuormitustasoa, jossa hän joutuu rekrytoimaan normaalia enemmän myös ns. nopeita motorisia yksiköitä. Yleisesti tiedetään, että samaan aikaan urheilijan veren laktaattipitoisuus 18 alkaa kumuloitua. Tämä johtuu siitä, että urheilijan hengitys- ja verenkiertoelimistön kyky toimittaa lihaksiin happea on saavuttamassa maksiminsa. Tämä on todettavissa mm. siitä, että urheilijan syketaso on jo hyvin lähellä suurinta arvoaan. Ti- j lanteen seurauksena urheilijan lihakset alkavat väsyä. Väsymisnopeus riippuu ajasta 5 ja kuormitustason muutoksista Tässä testissä ergometrin vastus nousee automaattisesti seuraavalle tasolle 300W:iin. Urheilijan lihasten kuormitus nousee nopeasti n.

2 minuutin aikana uupumistasolle ET eli n. 650pV. Väsyminen näkyy erityisesti siitä, että kuormitus kasvaa jyrkästi, vaikka vastus sinänsä pysyy vakiona.

Taso FT on tässä tapauksessa aikaisemmin esitelty väsymisen alkamiskynnys. Sama 10 asia voidaan esittää myös taloudellisuusindeksin MP avulla, joka voidaan määritellä esim. ergometrin vastuksen ja AVERAGE-EMG summan suhteena. On helppoa nähdä, että ko. suhde pysyy suunnilleen vakiona tasolle 275W saakka, mutta suhde ; alkaa sitten lihaskuormituksen jyrkästi noustessa pienentyä.

Mitatuista tiedoista voidaan laskea myös aikaisemmin mainittu väsymisnopeus eri 15 kuormitustasoille. Väsymisnopeus riippuu ajastaja kuormitustason muutoksista. Jos testin lopussa ergometrin vastus olisikin pidetty 275W:ssa, lihaskuormitus olisi noussut hieman hitaammin, mutta kuitenkin melko pian, uupumistasolle. Tällöin väsymisnopeus ko. tasolla olisi pienempi. Toisaalta 275W:a matalampien vastus-tasojen aikana lihaskuormitus ei näytä juurikaan muuttuvan, joten silloin väsymis-20 nopeus on ~0. ;

Kuntotestissä löydettyä yksilöllistä väsymisen alkamiskynnystä FT voidaan käyttää hyväksi harjoittelun ohjauksessa. Jos ergometrin vastus asetetaan esim. 250W:iin, jolloin urheilija ei ylitä kynnystä FT, väsymistä ei tapahdu ja suoritus voi jatkua keskeytyksettä jopa useita tunteja. Tällöin kysymyksessä on ns. peruskestävyyshar-25 joitus. intervalli-tyyppiset harjoitukset vastustasoilla 275W-300W kehittävät ns. no-peuskestävyyttä, koska silloin lihasten väsymis/palautumis-omi naisuudet paranevat.

Lihasten ja elimistön maksimikestävyys puolestaan kehittyy parhaiten, kun vastus-taso on vähintään 300W. Kynnystasolla FT ja sen yläpuolella tapahtuvalla harjoittelulla parannetaan erityisesti urheilijan laktaatinsietokykyä.

30 Harjoittelun seurauksena urheilijan suorituskyky parantuu ja samalla myös kynnys- · tasot muuttuvat. Sen vuoksi kuntotesti täytyy toistaa riittävän usein, jotta harjoittelua voidaan asettaa aina optimaaliset tavoitealueet.

Kehoon kiinnitetyistä liikeantureista voidaan myös päätellä suorituskykyyn ja väsymiseen liittyviä asioita. Erityisesti pystykiihtyvyyden avulla voidaan mitata juok- 19 sijan painopisteen pystyliikkeen korkeutta. Korkeusamplitudin muutoksista lasketaan väsymisindcksi IF 1. Samalla pystykiihtyvyyttä mittaavalla anturilla lasketaan myös askeliin kulunut aika: Kiihtyvyysdata on likipitäen periodista ja hetkellinen periodi on sama kuin askeleeseen kulunut aika. Mitatut askelten aikavälit muodos-5 tavat lukusarjan, josta lasketaan askelrytmin variaatio ja aikasarjan taajuussisältö eri ajan hetkinä. Näistä lasketaan edelleen väsymisindcksi IF2. Askelrytmin variaatio voidaan laskea myös kummallekin jalalle erikseen. Mittaamalla juoksijan painopisteen sivuttaiskiihtyvyyden variaatioita saadaan väsyinisindeksi 1F3. Näitä indeksejä voidaan käyttää sellaisenaan juoksijan väsymistason määrittämiseen tai ne voidaan 10 yhdistetään EMG-mittausten väsymissuureisiin tarkentamaan väsymisanalyysia.

Pyöräillessä pystykiihtyvyysanturi ilmaisee ajotavan: seisaalta polkiessa kiihtyvyyden muutokset ovat suurempia kuin istualtaan ajettaessa. Tämä tieto on tärkeä pyöräilyn EMG-analyysissa.

Myös urheilijan lihasten tekemä työmäärä voidaan arvioida mainittujen mittaustu-15 losten avulla. Työmäärä voidaan suhteuttaa myös vastaamaan ko. aikana kuluneen energian määrää. Yhdistämällä näin saatu arvio esim. sykemittauksen avulla saatuun energiankulutusarvoon, saadaan tarkempi ja erityisesti suurten lihasten tekemää työtä vaativien liikuntasuoritusten energiankulutusarviot tarkemmiksi kuin pelkän syketiedon avulla saataisiin.

20 Mittaamalla keksinnön mukaisilla menetelmillä urheilijan kaikki harjoitukset saadaan kattava kuva koko harjoituskauden tapahtumista ja harjoittelun edistymisestä. Tulokset tarjoavat urheilijalle tai valmentajalle sellaista tietoa, jota voidaan nykyistä paremmin hyödyntää harjoittelun vaikutusten seurannassa ja myös tulevan harjoitteluohjelman suunnittelussa.

25 Keksinnön mukaisen asusteen rakenne voi vaihdella keksinnön eri sovelluksissa. Eri urheilulajeissa käytetään erilaisia asusteita, joten asusteen rakenne, muoto ja elektrodien sijoittelu riippuvat urheilu- tai harjoitustapahtumasta ja siitä, mitä lihasryhmiä halutaan havainnoida ja tarkastella.

Keksintöä ei rajata esitettyihin edullisiin sovelluksiin, vaan se voi vaihdella patent-30 tivaatimusten muodostaman keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (17)

20

1. Menetelmä liikuntasuorituksen aikaisen suoritustason ja väsymisen mittaamiseksi, jossa menetelmässä aktiivisten lihasten aiheuttamia sähköisiä signaaleja mitataan mittalaitteella ja liikuntasuorituksesta annetaan palautelaitteella palautetta 5 havaittavalla signaalilla, tunnettu siitä, että henkilön hetkellinen suoritustaso ja väsymisaste lasketaan tai arvioidaan mittaamalla lihasten sähköisten signaalien lisäksi muita liikuntasuoritusta, olosuhteita ja/tai ympäristöä kuvaavia suureita ja mittaustuloksista lasketaan yksi tai useampia indeksejä, joiden avulla eri aikoina erilaisissa olosuhteissa tehdyt liikuntasuoritukset ovat vertailukelpoisia keskenään, 10 liikuntasuorituksesta annetaan palautelaitteella palautetta liikuntasuorituksen aikana, jolloin henkilö voi liikuntasuorituksen aikana samanaikaisesti seurata ja optimoida suoritustaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan lisäksi henkilön muita biosignaaleja ja/tai liikkeitä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mita taan henkilön etenemisnopeutta.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan ulkoisia olosuhteita.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 20 mitataan liikuntavälineen aiheuttamaa vastusta.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaustuloksista lasketaan indeksi kuvaamaan henkilön suoritustason ja suoritus-tekniikan taloudellisuutta.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että 25 mittaustuloksista lasketaan indeksi kuvaamaan henkilön väsymysastetta.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaustuloksista lasketaan indeksi simuloimaan henkilön veren laktaattipitoisuu-den tasoa ja sen muutoksia suorituksen aikana.

9. Laitteisto liikuntasuorituksen aikaisen suoritustason ja väsymisen mittaamiseksi, 30 johon laitteistoon kuuluu anturit aktiivisten lihasten sähköisten signaalien mittaamiseksi ja palautelaite palautteen antamiseksi, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu anturit muiden liikuntasuoritusta, olosuhteita ja/tai ympäristöä kuvaavien 21 suureiden mittaamiseksi, väline mittaustuloksien käsittelemiseksi ja yhden tai useamman liikuntasuorituksia kuvaavan indeksin laskemiseksi, ja että palautelaite on järjestetty antamaan palautetta liikuntasuorituksen aikana.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon 5 kuuluu asuste tai vastaava, jossa on elektrodit sähköisten biosignaalien mittaamiseksi, asusteeseen on kiinnitetty moduuli, jossa on tarvittava elektroniikka biosignaalien käsittelemiseksi sekä yksi tai useampi inertia-anturi.

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu anturit henkilön muiden biosignaalien mittaamiseksi.

12. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että lait teistoon kuuluu anturit liikuntasuorituksen aikaisten liikkeiden ja niihin vaikuttavien muuttujien mittaamiseksi.

13. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu anturit ulkoisten olosuhteiden mittaamiseksi.

14. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu kehoon, suoritusvälineeseen tai asusteeseen tai vastaavaan sijoitettu nopeusanturi.

15. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu paikannusanturi, edullisesti GPS-laite.

16. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu anturointi yhden tai useamman ulkoisen tekijän, kuten edullisesti korkeuden, lämpötilan ja/tai ilman virtauksen, mittaamiseksi. 1 Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu vartaloon tai raajoihin irrotettavasti kiinnitettävä panta tai vyö, jossa on 25 elektrodit sähköisten biosignaalien mittaamiseksi. 22