用于监测和/或改善体育锻炼效率的装置

摘要

本发明涉及一种用于监测和/或改善体育锻炼效率的装置，包括至少一个毫米波发生器，产生毫米波辐射；至少一个毫米波天线，在预定方向上发射毫米波发生器产生的毫米波；至少一个耦合元件，将毫米波天线耦合到毫米波发生器，并将毫米波发生器产生的毫米波辐射传输到毫米波天线；至少一个参考元件，由此至少一个参考元件至少间歇地从毫米波天线接收毫米波辐射；至少一个检测器，检测毫米波辐射并产生第一数据流；处理单元，从至少一个检测器接收第一数据流，并产生信号指示身体乳酸水平随时间的发展，以及输出装置，向使用者指示身体乳酸水平随时间的发展。

说明书

技术领域

本发明涉及用于监测和/或改善人或动物体育锻炼效率的装置。本发明 尤其涉及用于无创监测使用者身体乳酸水平并基于身体乳酸水平随时间的 发展提供锻炼建议的装置。此外本发明涉及用于无创监测身体乳酸水平的 传感器单元以及用于改善人或动物体育锻炼的方法。

背景技术

乳酸是葡萄糖的无氧代谢的代谢物。在此代谢过程中，一个葡萄糖分 子分解成两个乳酸分子，由此经由三磷酸腺苷(ATP)产物获得用于细胞 的能量。因为该过程的发生不需要使用氧，所以将其称为无氧代谢。虽然 身体中乳酸的形成导致酸毒症，并且因此在锻炼之后导致肌肉疼痛的之前 假设已经在很大程度上被反驳，但是乳酸水平，特别是乳酸阈值对于人的 身体能力的评估仍然被高度关注。

与对人的性能以及锻炼效果的评估有关，通常关注的其中一个值是乳 酸阈值，有时候也称为无氧阈值。这指定了乳酸形成比乳酸分解更快，并 且因此积累在血流中的练习强度。因为如果在有氧条件下进行，则对耐力 运动(例如长跑以及自行车骑行或游泳)的任何锻炼都导致最好的结果， 所以乳酸阈值是用于确定耐力运动锻炼强度的良好标识。耐力锻炼在竞技 运动中广泛使用，但是它对多种疾病的预防和恢复也有显著影响，包括冠 心病、慢性心力衰竭、糖尿病和癌症。

当前，在斜坡测试中通过从人体采取血样来测量乳酸阈值，由此练习 强度逐渐增加。根据这些血样可确定广泛用作锻炼建议定位点的个体乳酸 阈值。个体乳酸阈值也反映了所谓的最大乳酸稳定状态(MLSS)，MLSS 被限定为在延长的次极量恒定工作负荷期间，当保持稳定状态时可识别的 最高血液乳酸浓度。该技术的缺点是，首先它包括从人体采取血样，这样 痛苦且不便。此外，血液的分析或者需要实验室设备，因此这使得乳酸阈 值的分析脱离大部分人的范围，或者通过便携装置(例如葡萄糖测量装 置)进行，但这是有创的。实验室中血样的分析花费时间，因此该技术不 适合于在正常情况特别是室外锻炼情况下监测身体乳酸水平。在锻炼期间 有创乳酸监测的缺点在于必须为了毛细血管血液采样而中断练习。无创连 续乳酸测量方法将是新颖的解决方案，并允许在更宽广的社群应用乳酸监 测。

US 5,757,002描述了用于在有机体中测量乳酸的方法以及设备。该文 献中所述系统基于近红外光线的反射和/或吸收。该文献中所述系统大且笨 重，不适合作为普通的耐力运动锻炼情况中的监测装置。

US 2005/0192493描述了具有一定自校正能力的所谓无创血液分析测 量系统。用于分析目的的辐射也是红外辐射，特别是近红外辐射，并将乳 酸视作其中一个电势分析物。所述装置被设计为在耳垂上使用，对于耐力 运动锻炼情况中的使用而言，这也是不期望的，因为装置经历的运动将显 著消弱产生可靠测量结果的能力。此外根据申请人的经验，迄今对于通过 所述装置是否能够完全实现可靠的乳酸测量都是可疑的。此外，需要注 意，该文献的主要兴趣是测量血糖以监测糖尿病病人。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于监测和/或改善人和/或动物体育锻炼效 率的装置，可用于耐力运动锻炼情况，操作简单，职业运动员和业余运动 员都负担得起，并且可用于促进多种疾病的预防和恢复，包括冠心病、慢 性心力衰竭、糖尿病和癌症。

根据本发明的一个方案，提供一种用于监测和/或改善人或动物体育锻 炼效率的装置，包括：

至少一个毫米波发生器，产生毫米波辐射，

至少一个毫米波天线，在预定方向上发射所述毫米波发生器产生的毫 米波，

至少一个耦合元件，将所述毫米波天线耦合到所述毫米波发生器，并 将所述毫米波发生器产生的所述毫米波辐射传输到所述毫米波天线，

至少一个参考元件，由此所述至少一个参考元件至少间歇地从所述毫 米波天线接收毫米波辐射，

至少一个检测器，检测毫米波辐射并产生第一数据流，

处理单元，从所述至少一个检测器接收所述第一数据流，并产生信号 指示身体乳酸水平随时间的发展，以及

输出装置，向使用者指示所述身体乳酸水平随时间的发展。

根据本发明的另一个方案，提供一种用于测量人或动物身体乳酸水平 随时间的发展的传感器单元，包括：

至少一个毫米波发生器，产生毫米波辐射，

至少一个毫米波天线，在预定方向上发射所述毫米波发生器产生的毫 米波，

至少一个耦合元件，将所述毫米波天线耦合到所述毫米波发生器，并 将所述毫米波发生器产生的所述毫米波辐射传输到所述毫米波天线，

至少一个参考元件，由此所述至少一个参考元件至少间歇地从所述毫 米波天线接收毫米波辐射，

至少一个检测器，检测毫米波辐射并产生第一数据流，

可选的一个或多个补充传感器，用于感测皮肤温度、脉搏、灌注 (perfusion)、汗液、压力和/或皮肤厚度，以及

接口，用于将所述第一数据流传输到处理单元。

在本发明的另一个方案中，提供一种用于改善人或动物体育锻炼的方 法，包括步骤：

产生毫米波辐射，

将毫米波辐射导向人或动物身体，

将毫米波辐射导向紧密接触人或动物身体的参考元件，

测量通过人或动物身体以及通过所述参考元件反射和/或传输的毫米波 辐射，

根据测量的毫米波辐射计算身体乳酸水平随时间的相对发展和/或趋 势，以及

基于所述身体乳酸水平随时间的发展提供锻炼建议。

本发明基于这样的构思：为了向监测身体压力和改善人或动物体育锻 炼的效率提供支持，并非总是要测量绝对乳酸水平。在锻炼期间监测身体 乳酸水平随时间的发展，当达到身体乳酸水平稳定状态时向使用者提供建 议(如果是人，很可能向运动员自己，如果是动物，向锻炼动物的人)， 并将乳酸的积累何时出现(即何时达到无氧状态)通知使用者，这可能就 足矣。在后一种情况下，为了保持在有氧状态，使用者可以降低练习的强 度。

通过用毫米波照射身体组织，然后测量身体组织传输或反射的辐射， 并且分析所获得的数据以计算身体乳酸水平随时间的发展，可以实现监 测。为了补偿测量环境的变化，特别是身体温度的变化，提供在使用时与 人体紧密接触的参考样本，以支持校正处理。因此容易将这种装置所必须 的全部元件集成在一个或多个单元中，这些单元足够轻巧也足够坚固，可 用于普通的运动锻炼情况。

因此，直接通过基于毫米波与人或动物体内的乳酸的相互作用产生和 分析信号，或者经由与血液乳酸水平有关或指示血液乳酸水平的一种或多 种标记物的使用，可进行根据本发明对身体乳酸水平的监测。因此，也可 以测量血液乳酸水平与一种或多种标记物的组合。

因此，根据本发明的建议可基于测量的血液乳酸水平、测量的一种或 多种标记物水平或者它们的组合。通常，使用者对于建议确切基于哪种物 质没有什么兴趣，特别是如果建议包括简单的消息，例如提高练习强度、 降低练习强度或者保持当前强度水平。如果想要进一步的信息，通常优选 根据乳酸水平将所有测量结果(例如“乳酸水平上升”)传达给使用者， 因为乳酸水平是被广泛接受的概念，并且公知为练习强度的标识。

因此一种特别感兴趣的标记物是重碳酸盐。重碳酸盐构成血液碳酸盐 缓冲物的一部分，血液碳酸盐缓冲物补偿身体里新陈代谢条件的变化，以 保证血液的pH值保持在生理水平。如上所述，在练习期间当形成乳酸时 在新陈代谢中出现一种这样的变化。形成的乳酸与重碳酸盐反应，产生二 氧化碳和水，由此二氧化碳被肺迅速排除，即，乳酸的产物导致血液重碳 酸盐的减少。在剧烈练习的情况下，增加的乳酸产物导致血液重碳酸盐水 平的显著下降，由此显示，在练习期间通常遭遇的情况下，在血液乳酸的 增加与血液重碳酸盐的减少之间存在近似线性的关系，使得血液乳酸与血 液重碳酸盐之间的相关性特别简单和直接。

将重碳酸盐用作标记物的另一个优点是汗液中重碳酸盐的浓度(大约 2.5mmol/l)差不多比血液中(大约24mmol/l)低一个量级。此外已经显 示在高强度练习期间，血液重碳酸盐水平可降低大约15mmol/l，而汗液重 碳酸盐水平大约是2.5mmol/l，即，仍然显著更低。因此在产生的汗液数 量以及汗液成分中的变化只会微小地影响测量准确性。

与增长的老年人口相关联，很多发达国家有很多问题，包括医疗成本 负担。同时，启动对健康老年人的战略，让他们远离疾病并延长他们的健 康年限至关重要。已经证明通过定期锻炼的习惯提高有氧能力对于克服所 有这些问题是有效的。已知在乳酸阈值(LT)的练习对身体功能以及很多 疾病(例如高胆固醇、高血压和糖尿病)有积极效果。因此，本发明也可 用于各种疾病的预防和恢复。

在从属权利要求中限定了所提出的装置和方法的优选实施例。

附图说明

根据下述实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见，参照下述实 施例更详细地说明本发明的这些和其他方面。在以下附图中

图1示出显示对于5种不同的练习强度，身体乳酸水平随时间的发展 的曲线图；

图2示出根据本发明的装置的第一实施例的示意性方框图；

图3示出根据本发明的装置的第二实施例的示意性方框图；

图4示出根据本发明的装置的第三实施例的示意性方框图；

图5示出根据本发明的装置的第四实施例的示意性方框图；

图6示出根据本发明的装置的第五实施例的示意性方框图；

图7示出根据本发明的装置的第六实施例的示意性方框图；

图8示出根据本发明的装置的第七实施例；以及

图9示出说明根据本发明的方法的锻炼的示意图。

具体实施方式

图1示出对于不同的练习强度，身体乳酸水平随时间的发展，其监测 是本发明的基础。根据该曲线图可知，对于34km/h、38km/h和42km/h 的自行车骑行速度，经过身体乳酸水平的增加大约5分钟后获得稳定状 态，即平均零斜率的曲线，身体乳酸水平的增加对应于身体适应由于练习 的启动所致新增能量要求的情况。这指示在练习期间，一直到42km/h的 自行车骑行速度，使用者处于期望的有氧状态。在46km/h的自行车骑行 速度，获得身体乳酸水平的初始稳定状态，紧接着是缓慢而显著的增加， 指示使用者进入不期望的无氧状态。为了有效锻炼的目的，希望在此点降 低练习的强度，以返回期望的有氧状态。在50km/h的速度进行的测量显 示身体乳酸水平的迅速增加，指示使用者的操作远超过乳酸或有氧阈值。

图2示意性地示出根据本发明的装置10的实施例。该装置10包括毫 米波发生器12以及耦合元件14、14′，毫米波发生器12产生毫米波辐射， 耦合元件14、14′将毫米波发生器12连接到对应的天线16、16′。因此其中 一个天线16被配置为使得在使用时与人或动物身体紧密接触或者(优选 地)实际接触，即，本装置与皮肤18无创接触。第二天线与参考元件20 接触，在使用时参考元件20也与使用者的皮肤直接和紧密接触。参考元 件20可包含能够与微波辐射相互作用的任何材料，示例可以是固定在载 体中的水，或者是生理盐溶液。

在使用时，发生器产生毫米波，通过耦合元件14、14′传输到天线 16、16′。因此，耦合元件14、14′可以是能够传输产生的具有必要频率 (有效高频)的毫米波辐射的任何耦合元件。例如可将耦合元件14、14′ 实施为例如波导或高频电缆。

作为示例并作为一般性指导，在本装置中通常使用1GHz到100GHz 范围中的频率，特别是10GHz到70GHz范围中的频率，尤其是15GHz 到35GHz范围中的频率，优选大约20GHz的频率。

装置10进一步包括检测器22，检测器22被配置为使得能够检测通过 皮肤和参考元件两者传输和/或反射的毫米波辐射。然后检测器22基于检 测的毫米波辐射产生数据流。然后该数据流被传输到处理单元24，处理单 元24产生指示身体乳酸水平随时间的发展的信号，信号被依次传递给输 出装置26，输出装置26向使用者指示身体乳酸水平随时间的发展。因 此，输出装置26可以是适合于输出必要信息的任何类型的输出装置。大 多数情况下，输出装置26是视觉输出装置或听觉输出装置。视觉输出装 置例如可以以曲线图的形式或者经由简单的红绿灯类型的指示器显示乳酸 水平的发展(趋势)，例如，绿灯指示乳酸水平的稳定状态，而红灯指示 身体乳酸水平的增加。听觉输出装置可使用调制，例如以发出的声音的频 率或者以间歇的信号音的频率，指示身体乳酸水平随时间的不稳定状态， 或者，当身体乳酸水平开始增加时，听觉输出装置可以简单地输出警告声 音，或者，对于更复杂的实施例，听觉输出装置可以使用言语。此外，为 了向使用者提供建议，输出装置可以采用触觉类型的警告(例如，振动警 告)。

虽然可将传感器和显示器实施在一个单元中，但是在更加可能的实施 方式中，它们不在一个单元中。优选地，传感器(可放置在前臂)将它的 数据通过无线方式传输到显示器(可以是手腕上的表式装置)。

优选地，例如为了与参考元件20一起产生一个集成传感器单元，至 少将微波发生器12、耦合元件14和14′、天线16和16′以及检测器22组 合在一个单一单元中(例如在单一电路板上)，由此，这样的传感器单元 也包含对本领域技术人员而言显而易见的其他组件，例如电源(例如以一 次性电池或者可重复充电的电池的形式)以及将这样的传感器单元与处理 单元和输出装置相连接的必要连接。如上所述，也可以将图2所示全部组 件以及其他必要组件(例如电源或输入装置)组合在一个独立单元中，例 如佩戴在使用者的手腕上。

图3示意性地示出根据本发明的装置30的第二实施例。在该附图以 及全部后续附图中，根据本发明的装置的具有相同功能的部件采用相同的 附图标记。

装置30与图2所示装置10的不同在于，该装置不是包括单个毫米波 发生器，而是包括两个毫米波发生器12和12′，由此发生器一12经由耦合 元件14连接到在装置使用时与使用者的皮肤18接触的天线16，并且由此 发生器二12′经由耦合元件14′连接到与参考元件20接触的天线16′。此外 装置30包括两个检测器22、22′，由此检测器一22与使用者的皮肤18接 触，检测器二22′与参考元件20接触。在某些情况下这种有两个发生器12 和12′和两个检测器22、22′的布局是有利的，因为不需要切换参考元件与 皮肤之间的发生器和/或检测器，并且因此，可以连续并同时监测两个区 域。

此外，装置30包括补充传感器32，在当前情况下，补充传感器32包 括温度传感器、脉搏传感器、汗液传感器、皮肤厚度传感器以及压力传感 器。在这些传感器中，特别是皮肤温度传感器、汗液传感器和皮肤厚度传 感器，有助于提高身体乳酸水平的监测准确性，由此，特别是皮肤表面上 汗液的出现会影响测量。压力传感器测量怎么用力将传感器推向皮肤，这 也会影响身体乳酸水平的测量。脉搏传感器可用于进一步监测练习，由 此，脉搏传感器可特别用于保证使用者在有效的练习范围即足够强的练习 范围内锻炼。补充传感器32也连接到处理单元24。

处理单元24与通过检测器22、22′以及补充传感器32产生的数据流相 关，并产生与身体乳酸水平随时间的发展以及从补充传感器32获得的生 理学数据有关的信号，将信号传递给建议单元34。然后建议单元34评估 从处理单元24获得的信号，将它们与内部存储值(例如基于生理学研究 的预定乳酸轮廓)进行比较，也可以将它们与使用者输入的数据(例如性 别、年龄、体重、期望的练习类型、期望的练习水平等等)进行比较，由 此产生用于使用者适应锻炼的建议，并将这些建议传达给输出单元26，然 后输出单元26将这些建议传达给使用者。因此以它最复杂的形式而言， 建议单元是向使用者提供关于他们锻炼的个别定制建议的专家系统。为了 确定由于练习的启动所致身体乳酸水平的初始增加结束以及达到稳定状态 的时间，建议引擎可包括计时器，在建议周期启动之前，计时器提供3分 钟到10分钟之间的等待周期，优选为大约5分钟。或者，建议引擎测量 身体乳酸水平的增加速度，一旦身体乳酸水平的初始增加减慢，就启动建 议周期。

图4示意性地示出本发明的装置40的第三实施例。该装置与图3的装 置30很相似，唯一的区别是这里将发生器12与两个检测器22、22′的组合 用于产生和检测毫米波辐射。

此外图4的装置适合于测量血液重碳酸盐水平而不是血液乳酸水平。 因此发送给处理单元24的数据流与血液重碳酸盐水平有关，而不是血液 乳酸水平。因此处理单元24将测量的血液重碳酸盐水平转换为血液乳酸 水平，并将该数据传达给建议引擎34，建议引擎34基于该数据向使用者 提供建议。或者，也可以是处理单元24将与血液重碳酸盐水平有关的数 据发送给建议单元34，建议单元34基于该数据向使用者提供建议。

或者，该装置也适合于除了血液重碳酸盐水平之外，测量血液乳酸水 平。因此，建议单元就基于获得的两个数据组的组合提供建议。

图5示意性地示出根据本发明的装置50的第四实施例，装置50也与 图3的装置30相似，区别是这里使用两个发生器12、12′和单个检测器 22，而不是装置30的两个发生器和两个检测器。

图6示意性地示出本发明的装置60的第五实施例。该装置与图3的装 置30的区别在于用单个收发器62代替发生器和检测器，收发器62完成毫 米波发生器和检测器两者的任务。收发器62也经由耦合元件14、14′连接 到天线16、16′，天线16、16′与使用者的皮肤18以及参考元件20接触。 除此之外，收发器62被进一步配置为使得它能够检测通过使用者的皮肤 18和参考元件20传输或反射的毫米波辐射。基于收发器检测的毫米波辐 射，也产生第一数据流并传输到处理单元24。在这种情况下，显示包括单 个收发器的装置，但是对本领域技术人员而言显然，也可以使用例如包括 两个或多个收发器的方案，类似于图3的装置30中使用两个检测器和两 个毫米波发生器。

此外，装置60包括数据存储器64，数据存储器64连接到处理单元 24，存储基于从收发器62接收的第一数据流，通过处理单元24产生的信 号，以及从补充传感器32接收的用于一旦练习结束的进一步分析的数 据。为了传送数据存储器64中存储的数据，装置60进一步包括接口66， 在这种情况下，接口66是简单的USB连接器，USB连接器也可以进一步 用于向内部可重复充电的电池(为整个装置60供电)充电。虽然也可以 使用其他数据传送方法用于接口66，例如蓝牙连接、移动电话连接或者移 动数据网络连接。

图7示意性地示出本发明的传感器单元70，传感器单元70连接到智 能电话76。因此传感器单元70被设计为完全封闭的独立单元，除了这里 示出的元件之外，还包括全部其他必要组件，例如电源。传感器单元70 的大部分部件对应于图3的装置30的传感部件，主要区别是这里用接口 72代替图3的装置30的处理单元，接口72用于将传感器单元70连接到 外部计算装置，外部计算装置可根据检测器22、22′产生的数据流计算身 体乳酸水平随时间的发展。在这种情况下，接口70经由蓝牙连接74连接 到智能电话76。这种设置特别适合于练习期间使用，由此无线连接的使用 提高使用者的方便性，因为没有可以干扰身体练习的导线。在这种情况下 使用蓝牙连接是有利的，因为它使得传感器单元能够连接到宽范围的装 置。但是，对本领域技术人员而言使用其他接口方法是可能的和容易想象 的，它们可以是无线的或者有线的，例如USB端口，对于将单元70连接 到桌上型电脑是有用的，例如在室内体操设置中，用于更详细的性能测试 情况。

图8示出本发明的装置的实施例，包括传感器单元80，此时，将传感 器单元80安装在使用者的前臂。传感器单元80例如包含图7中用于传感 器单元70的所示全部组件。该传感器单元80通过无线连接(在这种情况 下也是蓝牙连接82)连接到反馈单元90。该反馈单元90包含用于监测和/ 或改善人或动物体育锻炼效率的装置的全部其他必要组件，例如处理单元 24、建议引擎34和输出装置26，例如为图3的装置30所示。反馈单元90 被设计为以与腕表相似的方式佩戴在手腕上，因为该位置使得对于大部分 练习形式而言，使用者容易接近。输出单元90包括显示器92，在这种情 况下显示器92显示曲线图94以及消息92，曲线图94示出身体乳酸水平 随时间的发展，消息92指示练习强度是良好、太低还是太高。此外，输 出单元90包括使用者可使用的按钮97、97′，例如在输出单元中调节某些 参数，例如最小脉搏频率，以使得锻炼建议适应他的个人偏好。

图9示意性地示出改善人或动物体育锻炼的方法。图表98也示意性 地示出对于各种紧张程度，身体乳酸水平随时间的发展，与图1所示曲线 图相似。如图所示，在练习开始时，响应于练习所致对身体能量要求的增 加，血液乳酸水平迅速上升。因为这种上升很正常，没有问题，所以在时 间的此点不向使用者给出建议。因此，也可以通过一般在3分钟到10分 钟之间(通常大约5分钟)的简单等待周期来确定正常增加身体乳酸水平 的周期，因为已经示出该时间周期是在有氧条件下达到身体乳酸水平稳定 状态的正常时间周期。另一种可能性是测量身体乳酸水平随时间的增加速 度，一旦身体乳酸水平的初始迅速增加终止，就启动建议周期。

附图标记100所示是曲线图中达到身体乳酸水平稳定状态的区域，指 示使用者在期望的有氧状态下练习。因此，输出装置90的显示器92上的 曲线图94显示平直曲线以及单词“良好”作为消息96，指示练习水平是 期望的水平。

附图标记102所示区域显示增加的身体乳酸水平的区域，指示使用者 从有氧状态转移到不期望的无氧状态。对应地，输出装置90的显示器92 的曲线图94显示上升曲线，并且消息96读出“减慢”，向使用者指示应 当降低练习强度。除了视觉输出之外，输出装置90还以警告信号音的形 式产生听觉信号104。

从稳定状态100下面的区域可知，还有其他曲线图显示更低练习强度 时的稳定状态。为了确定使用者锻炼尽可能接近他的乳酸阈值，即尽可能 接近无氧状态，可使用其他生理参数(例如脉搏)来避免练习过少，在这 种情况下输出装置90例如会显示消息向使用者指示他正在减慢，并且应 当提高他的练习强度。总之，本发明的装置、单元和方法提供一种无创监 测身体乳酸水平的方法，不需要使用复杂和昂贵的设备。该装置容易使 用，能大幅提高使用者的锻炼效率，而公知的有创方案不方便，在练习时 不可用。此外，本发明不需要使用(昂贵的)一次性测试条。

在附图和以上描述中详细说明和描述了本发明，但是这些说明和描述 应视作说明性或示例性而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。 通过研究附图、说明书和后附权利要求书来实践所主张的发明，本领域技 术人员可以理解和实现所公开的实施例的其他变化。

在权利要求书中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠 词“一个”不排除多个。单一元件或其他单元可完成权利要求书中列举的 若干项目的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的单纯事实 不表示这些措施的组合不能用于促进。

权利要求书中的任何附图标记不应解释为限制保护范围。