FI73126C

FI73126C - Method and apparatus for telemetric measurement of heart rate and ECG signal and for giving the execution rate of movement.

Info

Publication number: FI73126C
Application number: FI840905A
Authority: FI
Inventors: Tapio Tammi; Martti Karppinen
Original assignee: Polar Electro Ky
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1987-09-10
Also published as: FI73126B; FI840905L; FI840905A0

Description

7312673126

MENETELMÄ JA LAITE SYDÄNSYKKEEN JA EKG-SIGNAALIN TELEMETRI-SEEN MITTAUKSEEN JA LIIKKEEN SUORITUSTAKIN ANTAMISEKSI -FÖRFARANDE OCH ANORDNING FÖR TELEMETRISK MÄTNING AV HJÄRT-PULSSLAG OCH EKG- SIGNAL OCH FÖR GIVANDE AV EN RÖRELSES UTFÖRINGSTAKTMETHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE HEART HEART RATE AND ECG SIGNAL IN A TELEMETER AND PROVIDING MOTION PERFORMANCE -

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laite liikkeen suoritustahdin muodostamiseksi ja siitä merkin antamiseksi kuntoilijalle tai vastaavalle, jossa menetelmässä kuntoilijan sydänsyke mitataan sinänsä tunnetulla tavalla. Sydänpulssi on eräs tärkeimpiä ruumiillisen kunnon indikaattoreita erikoisesti voimaa ja kestävyyttä vaativissa suorituksissa. Erityisesti urheiluvalmennuksessa on tärkeätä mitata sydänsyke luotettavasti ja ilman katkoksia suorituksen aikana suorituksen häiritsemättä mittausta. Tunnetaan erilaisia radioaaltoihin, kapasitiivisiin ilmiöihin ja magneettiseen lähikenttään perustuvia langattomia mittauslaitteita, joissa käytetään esimerkiksi ranteessa pidettävää vastaanotinta, ja kehon sopivaan kohtaan kiinnitettyä lähetintä.The present invention relates to a method and an apparatus for generating a pace of movement and signaling it to a gymnast or the like, in which method the gymnast's heart rate is measured in a manner known per se. Heart rate is one of the most important indicators of physical fitness, especially in performance that requires strength and endurance. Especially in sports coaching, it is important to measure your heart rate reliably and without interruptions during performance without interfering with the measurement. Various wireless measuring devices based on radio waves, capacitive phenomena and a magnetic near field are known, for example using a wrist-worn receiver and a transmitter attached to a suitable part of the body.

Nykyisin ovat kannettavat kunnontestauslaitteet yleistyneet myös tavallisten kuntoilijoiden keskuudessa. Eräs ilmentymä tästä ovat suorituksien tähtimerkit (esim. juoksurytmi) antavat rannekelloa muistuttavat pienoislaitteet. Kehittyneimmissä laitteissa yhdistyvät pulssimittaus yllämainittujen periaatteiden mukaan, suorituksen jaksolaskin sekä tahtiäänimerkit laitteen ohjelmoitavuuteen henkilökohtaisten ominaisuuksien, halutun ’suoritustason ja urheilulajin mukaan.Today, portable fitness testing devices have also become more common among ordinary fitness enthusiasts. One manifestation of this are performance star signs (e.g., running rhythm) that provide wristwatch-like gadgets. The most advanced devices combine pulse measurement according to the above principles, a performance cycle calculator and clock signals for the device's programmability according to personal characteristics, desired 'performance level and sport.

Ääni- tai muiden tahtimerkkien taajuus on siis tunnetuissa laitteissa parhaassakin tapauksessa kiinteä perustuen laitteeseen ennen suoritusta syötettyihin tietoihin käyttäjän ominaisuuksista ja suoritusarvoista. Tietoja on lisäksi korvattava jatkuvasti uusilla suoritustason muuttuessa.Thus, in known devices, the frequency of the audible or other clock signals is, at best, fixed based on the information about the user's characteristics and performance values entered into the device before execution. In addition, the data must be constantly replaced with new ones as performance levels change.

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laite sydänpulssin 73126 2 mittaamiseksi ja ilmaisemiseksi siten, että yllämainituista haitoista vältytään. Tämän vaikutuksen aikaansaamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, että sydänsykkeen taajuus vaikuttaa suoritus-tahtimerkkiin ennalta määrätyllä tavalla siten, että merkkien mukaisesti suoritettu liikehdintä pitää sydämen syketaajuuden halutulla tasolla.The present invention relates to a method and an apparatus for measuring and detecting a heart pulse 73126 2 so as to avoid the above-mentioned disadvantages. In order to achieve this effect, the method according to the invention is mainly characterized in that the heart rate affects the execution rate signal in a predetermined manner, so that the movement performed according to the signals keeps the heart rate at the desired level.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä tahtimerkki ei siis ole vakiotaajuinen, vaan vaihtelee tietyn algoritmin mukaan, jonka sisääntulosuureena on hetkellinen sydänsyke. Keksinnön huomattavimpia etuja on vaaratilanteiden eliminoiminen, jolloin se soveltuu erityisesti potilaskuntoutukseen ja tavallisten hölkkääjien sekä huonokuntoisten harjoitteluun.Thus, in the method according to the invention, the clock signal is not a constant frequency, but varies according to a certain algorithm, the input quantity of which is the instantaneous heart rate. The most significant advantages of the invention are the elimination of dangerous situations, making it particularly suitable for the rehabilitation of patients and the training of ordinary joggers as well as those in poor condition.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellu-tusmuodolle on tunnusomaista se, että liikesuoritusta aloitettaessa ja/tai lopetettaessa tahtimerkin taajuus muutetaan vähitellen niin, että sydämen syketaajuus saavuttaa halutun asetusarvon ja säilyttää sen suorituksen ajan.A preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that when starting and / or stopping the execution of the movement, the frequency of the pacing signal is gradually changed so that the heart rate reaches the desired set value and is maintained during the execution.

Tietokonepohjaiseen algoritmiin lämmittelyvaiheen tai palautusvaiheen sisällyttäminen ei tuota ongelmia. Sekä turvallisuuden että harjoittelun suunnittelun kannalta on olennaista, että sydänsykettä seurataan suorituksien alkuvaiheesta asti, ja että liikehdintä suoritetaan alussa harkitusti liikarasitusta välttäen.Incorporating a warm-up phase or a recovery phase into the computer-based algorithm does not present any problems. It is essential for both safety and training planning that the heart rate is monitored from the beginning of the performance and that the movement is performed prudently at the beginning, avoiding overwork.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellu-tusmuodolle on myös tunnusomaista se, että valitsemalla haluttu suoritusohjelma vaikutetaan asetusarvoon ja/tai syketaajuuden asetusarvon saavuttamisnopeuteen.A preferred embodiment of the method according to the invention is also characterized in that the setpoint and / or the rate of reaching the setpoint of the heart rate is influenced by selecting the desired execution program.

Keksinnön eräs tärkeimpiä etuja on sen suoma joustavuus ja muunneltavuus harjoitusohjelmien käytössä. Erilaisa versi 3 73126 oita samasta suoritusohjelmasta tarvitsee samakin henkilö hänen senhetkisen kunnon, mielialan ja tavoitteiden mukaan.One of the most important advantages of the invention is the flexibility and flexibility it provides in the use of training programs. A different version 3 of 73126 from the same performance program is needed by the same person according to his or her current condition, mood, and goals.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellu-tusmuodolle on lisäksi tunnusomaista se, että sydänsykkeen asetusarvon saavuttamisnopeuden poiketessa suoritusohjel-masta, adaptoidaan ohjelma tilanteen syketaajuutta vastaavaksi suorittamalla tarvittava tahtimerkkien nopeudensäätö.A preferred embodiment of the method according to the invention is further characterized in that when the rate of reaching the heart rate setpoint deviates from the execution program, the program is adapted to the heart rate of the situation by performing the necessary pacing rate control.

Näinollen myös suoritusohjelma itse pystyy huomaamaan, esimerkiksi että kun sydänsykkeen asetusarvoon ei päästä riittävän ajoissa, on jotain vinossa tai kuntoilija ei haluakaan tehdä suorituksensa ohjelman mukaisesti. Tällöin valitaan tiettyjen kriteerien mukaan (adaptoidaan) alempi suoritustaso, joka sopii paremmin senhetkiseen sydänsykkee-seen.In this way, the exercise program itself can also notice, for example, that when the heart rate setpoint is not reached in time, something is skewed or the exerciser does not want to perform according to the program. In this case, a lower performance level is selected (adapted) according to certain criteria, which is better suited to the current heart rate.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellu-tusmuodolle on vielä tunnusomaista se, että tahtimerkki ilmaistaan eroviestinä sydänsykkeen asetus- ja oloarvon välillä. Tämä on ainoa järkevä signaali esim. hiihdossa, jossa työtahdit vaihtelevat.A further preferred embodiment of the method according to the invention is further characterized in that the clock signal is expressed as a difference message between the heart rate setpoint and the actual value. This is the only sensible signal, for example, in skiing, where the pace of work varies.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellu-tusmuodolle on lisäksi tunnusomaista se, että sydänsykkeen poiketessa asetusarvosta ennälta säädetyllä määrällä, annetaan siitä hälytys. Hälytystä aiheuttavat rajat ovat edullisimmin erikseen asetettavissa. Turvallisuuden kannalta on olennaista, että sydänsykemittari todella hälyttää, eikä kuten todettiin tekniikan tason kuvauksessa, pelkästään ilmoittaa sykeluvun sen suuruudesta tai pienuudesta piittä amatta.A further preferred embodiment of the method according to the invention is further characterized in that when the heart rate deviates from the set value by a predetermined amount, an alarm is given. The limits causing the alarm are most preferably set separately. From a safety point of view, it is essential that the heart rate monitor actually alarms and, as stated in the description of the prior art, does not merely indicate the heart rate of its magnitude or smallness without regard.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellu-tusmuodolle on vielä tunnusomaista se, että tahtimerkin 4 73126 taajuutta on lisättävissä tietyn, säännöllisen ajanjakson välein tarkkaillen samalla syketaajuutta siten, että kun syketaajuus lakkaa kasvamasta lineaarisesti merkkien tahdissa suoritetussa liikehdinnässä, annetaan tästä hälytys ja näytetään ns. anaerobista kynnystä vastaava sykelukema.A further preferred embodiment of the method according to the invention is further characterized in that the frequency of the synchronous signal 4 73126 can be increased at regular intervals while monitoring the heart rate so that when the heart rate ceases to increase linearly in the movement of the signals. heart rate reading corresponding to the anaerobic threshold.

Anaerobinen kynnys on se raja, jossa maitohappo alkaa voimakkaasti lisääntyä lihaksissa. Seurauksena tästä on ennen pitkää väsyminen ja kangistuminen. Esim. pitkillä taipaleilla on paljon hyötyä siitä, että suoritustaso ei missään vaiheessa ylitä tätä kynnystä. Tarvittava ohjelmistokin voidaan suurimmaksi osaksi muodostaa yhteiseksi muiden sovellutusmuotojen kanssa, esim. adaptoinnin ja hälytyksenannon kanssa.The anaerobic threshold is the limit at which lactic acid begins to increase strongly in the muscles. The result will soon be fatigue and hardening. For example, long journeys have many benefits in that the level of performance never exceeds this threshold. Even the necessary software can for the most part be made common with other embodiments, e.g. adaptation and alarm.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellu-tusmuodolle on tunnusomaista se, että eri liikuntalajeja varten valitaan lajikohtaiset suoritusohjelmat. Eri urheilulajeja harrastavalle on varattu mahdollisuus keksinnön hyväksikäyttöön kaikissa harrastamissaan lajeissa, eikä vain yhdessä. Tämän lisäpiirteen sisällyttäminen tietokonepohjaiseen järjestelmään ei ole sen hankalampaa kun eri suoritusversioiden ohjelmoiminen.A preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that sport-specific performance programs are selected for different sports. The person who enjoys different sports has the opportunity to utilize the invention in all the sports he or she does, and not just together. Incorporating this additional feature into a computer-based system is no more difficult than programming different execution versions.

Keksinnön mukaista menetelmää soveltavalle laitteelle, johon laitteeseen kuuluu merkinantolaite ja sydänsykkeen mittauslaite, on lisäksi tunnusomaista se, että merkinanto-laitteen antama suorituksen tahtimerkki on ohjattavissa mitatulla sydänsykesignaalilla.The device applying the method according to the invention, which device comprises a signaling device and a heart rate measuring device, is further characterized in that the execution rate signal given by the signaling device can be controlled by a measured heart rate signal.

Keksinnön mukaisen laitteen muille sovellutusamuodoille on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.Other embodiments of the device according to the invention are characterized by what is stated in the claims below.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkin avul- 5 73126 la viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossaThe invention will now be described in more detail, by way of example, with reference to the accompanying drawing, in which

Kuv. 1 esittää keksinnön mukaista periaatetta toteuttavaa laitetta sydänsyke- ja EKG- signaalien mittaamiseksi ja välittämiseksi langattomasti vastaanotin- näyttölaitteeseen ,Fig. 1 shows an apparatus implementing the principle of the invention for measuring and transmitting heart rate and ECG signals wirelessly to a receiver display device,

Kuv. 2 esittää keksinnön mukaisen laitteen syöttö- ja ulostulosignaalit ,Fig. 2 shows the input and output signals of the device according to the invention,

Kuv. 3 esittää tyypillisiä sydänsyketaajuuden kehittymisen käyrämuotoja, joita keksinnön mukaisesti on valittavissa useampia.Fig. 3 shows typical shapes of the development of the heart rate, of which several can be selected according to the invention.

Kuviossa 1 on esimerkinomaisesti esitetty magneettisen lähikentän langattomaan tiedonsiirtoon perustuva keksinnön eräs sovellutusmuoto. Tämä tiedonsiirtoperiaate on selitetty lähemmin suomalaisessa patenttihakemuksessa 834152. Sydänsyke- ja EKG- signaalimittalaitteen elektrodit on kytketty suoraan EKG- esivahvistimen differentiaalisiin tulonapoihin 1 ja 2. Esivahvistimen 3 tulostama EKG- sydän-signaali vahvistetaan AGC- vahvistimessa 4 (AGC= Automatic Gain Control). AGC- vahvistimella ohjataan tehovahvistinta 5, jossa aikaansaadaan magneettista lähikenttää synnyttäviä käämejä 6 ohjaava vaihtovirtasignaali. Vastaanotinkäämien 7 ilmaisema magneettikenttä vahvistetaan herkässä esivahvis-timessa 8, jonka jälkeen signaali viedään EKG- signaalivah-vistimeen 9. EKG- vahvistimesta 9 signaali viedään käsiteltäväksi mikrotietokoneessa 10.Figure 1 shows by way of example an embodiment of the invention based on magnetic near field wireless data transmission. This communication principle is explained in more detail in Finnish patent application 834152. The electrodes of the heart rate and ECG signal measuring device are connected directly to the differential input terminals 1 and 2 of the ECG preamplifier. The AGC amplifier controls the power amplifier 5, in which an alternating current signal controlling the coils 6 generating the magnetic near field is provided. The magnetic field detected by the receiver windings 7 is amplified in a sensitive preamplifier 8, after which the signal is applied to an ECG signal amplifier 9. The signal from the ECG amplifier 9 is applied to a microcomputer 10 for processing.

Mikrotietokone 10 tallettaa mittausvaiheessa laskemansa EKG- ja syketiedot puolijohdemuistiin 11. Mittaustuloksen tietokone tulostaa nestekidenäytölle 12. Mittaustuloksella aktivoidaan ohjelmallisesti myös tietokoneen äänitaajuusge-neraattoria, jonka antama signaali vahvistetaan vahvisti- 6 73126 messa 13 ja toistetaan kaiuttimella 14.The microcomputer 10 stores the ECG and heart rate data calculated during the measurement phase in the semiconductor memory 11. The measurement result is printed by the computer on the liquid crystal display 12. The measurement result also programmatically activates the computer's audio frequency generator.

Kuviossa 2 on pelkistetysti esitetty keksinnön mukaisen laitteen perustoiminnan kannalta olennaiset mikrotietokoneen 10 sisääntulo- ja ulostulosignaalit. Sisäätulosignaa-leja ovat syketieto 15, urheilulaji 16, suoritusohjelma 17 ja sydänsykkeen haluttu säätöarvo 18. Ulostulosignaaleja ovat tahtimerkki 19, eroviesti 20 ja säätöviesti 21 esim. kuntolaitteen rasitussäädölle. Tahtimerkkiportin 19 kautta lähetetään myös hälytyssignaalit.Figure 2 shows in a simplified manner the input and output signals of the microcomputer 10 which are essential for the basic operation of the device according to the invention. The input signals are heart rate data 15, sport 16, exercise program 17 and the desired heart rate control value 18. The output signals are clock signal 19, difference message 20 and control message 21, e.g. for exercise device stress control. Alarm signals are also sent via the clock port 19.

Kuviosta 3 selviää ohjelmanvalinnan vaikutus kuvion 2 mukaisessa sovellutuksessa. Sydänsykkeen säätöarvon 22 ollessa sama, voidaan sen saavuttamisnopeus valita eri tavoin. Käyrän 23 mukaisesti suoritus tehdään heti alusta täysillä asetusarvon edellyttämälle tasolle, kun taas käyrä 24 edellyttää lämmittelyvaihetta ennen rasituksen nostamista asetusarvon tasolle. Kuten kuviosta 2 ilmenee, on rasi-tustaso muutettavissa erikseen.Figure 3 shows the effect of program selection in the application according to Figure 2. When the heart rate control value 22 is the same, the rate of its attainment can be selected in different ways. According to curve 23, the execution is made immediately from the beginning to the full level required by the setpoint, while the curve 24 requires a heating phase before raising the load to the level of the setpoint. As shown in Figure 2, the stress level can be changed separately.

Keksinnön mukainen laite voi fyysiseltä olemukseltaan hyvinkin muistuttaa nykyisiä pienoislaitteita. Maastokelpoiselta sykemittarilta ja merkinantolaitteelta edellytetään keveyttä ja pientä tehonkulutusta. Laitetta toteutetaan siten edullisimmin räätälöidyillä hybridi- ja integroiduilla piireillä, sekä pienellä CMOS- yhden palan mikrotietokoneella (10). Tyypillisesti tämä voi olla 4- bittinen, maskiohjelmoitu mikroprosessori, joka välttämättömien osien lisäksi käsittää sisäisen jakajan, nestekidenäytön ohjauslogiikan sekä vaihtelevan määrän maskiohjelmoitavia liitäntälinjoja. Tällaisella piirillä voidaan toteuttaa ulkoisen luku/kirjoitusmuistin ohjaus, näytön ohjaus, ääni-merkkien generointi sekä näppäintoiminnat.The physical nature of the device according to the invention may well resemble current miniature devices. The off-road heart rate monitor and signaling device require lightness and low power consumption. The device is thus most preferably implemented with customized hybrid and integrated circuits, as well as with a small CMOS one-piece microcomputer (10). Typically, this may be a 4-bit, mask-programmed microprocessor that includes, in addition to the necessary components, an internal divider, LCD control logic, and a variable number of mask-programmable interface lines. Such a circuit can implement external read / write memory control, display control, beep generation and key functions.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellu- 7 73126 tusmuodot eivät rajoitu ainoastaan yllä esitettyyn esimerkkiin, vaan voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.It will be clear to a person skilled in the art that the various embodiments of the invention are not limited to the example given above, but may vary within the scope of the claims set out below.

»»

Claims

1. A method for forming the rate of movement of a movement and for transmitting the corresponding signal to a exerciser or equivalent, in which method the heart rate of the exerciser is measured in a known manner, characterized in that the frequency of the heart rate impacts the output rate signal in a predetermined manner, such that a movement is carried out. As the signals move, the heart rate peaks at the desired level.

Method according to claim 1, characterized in that the frequency of the clock signal (19) when the execution of the movement is initiated and / or terminated is controlled so that the heart rate pulse reaches a desired setting value (18,22) and maintains it for the time of performs no.

Method according to claim 2, characterized in that, by selecting the desired embodiment (23, 24), the setting value (22) and / or the speed at which the pulse frequency setting value is obtained can be affected.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that when the rate of reaching the heart rate setting value (18, 22) deviates from the execution program (17), the setting value is adjusted to correspond to the exercise value's execution value and a necessary speed adjustment of the clock signals. (19) is performed.

Method according to any of claims 1-4, characterized in that the rate signal (19) is indicated as a differential signal (20) between the heart rate and the actual value of the heart pulse.

Method according to any of claims 1-5, characterized in that the heart rate deviates from