VORRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG, STEUERUNG UND/ODER REGELUNG EINER GASZUSAMMENSETZUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung, Steuerung und/oder Regelung einer Gaszusammensetzung in einer Trainings- und/oder Rehabilitationsanlage.

Es ist bekannt, ein Höhentraining zur Steigerung der konditionellen Leistungsfähigkeit, beispielsweise eines Sportlers, durchzuführen. Dabei wird ein entsprechender Trainingseffekt durch längere Trainingsaufenthalte in Hochgebirgsregionen erreicht. Eine exakt steuerbare und kontrollierte Leistungssteigerung ist bei einem solchen Höhentraining allerdings nicht möglich.

Für eine genaue Untersuchung der Lungenfunktion kann das Verfahren der Spirometrie angewendet werden. So wird beispielsweise in der DE 6 912 241 U eine Spirometrie-Atemmaske zur Untersuchung der Lungenfunktion, insbesondere bei körperlicher Belastung, beschrieben. Weiterhin kann gemäß der US 2006/0 201 507 A1 eine Spirometrie-Vorrichtung für die Messung der Sauerstoffaufnahme genutzt werden. Auch kann gemäß Dokument EP 0 176 277 A in eine Vorrichtung die eine Trainingseinheit umfasst die Trainingsschwere durch die Atemflusszusammensetzung beeinflusst werden. Mit solchen Systemen ist es allerdings nicht möglich, gleichzeitig die Sauerstoff- und Kohlendioxidzusammensetzung der Inspirationsluft sowie der Expirationsluft zu überwachen.

Um das Ausdauertraining bei gleichzeitiger Überwachung der Leistungsdaten sowie der Körperfunktionen für einen Sportler angenehmer zu gestalten, ist eine Integration der Trainingseinrichtung in ein System zur Bereitstellung einer virtuellen Realität möglich. Gemäß der DE 20 2004 007 273 U1 ist bereits eine Erholungs- und/oder Erlebniseinrichtung, insbesondere Wellness-Anlage, mit Filmpräsentation mittels einer Filmvorführeinrichtung und einem Filmabbildungsbereicht innerhalb geschlossener Räume beschrieben, wobei diese über eine Steuereinrichtung miteinander verbundene Bewegungs-, Ton-, Wind-, Geruchs-, Licht- und/oder sonstige Strahlungs-Erzeugungseinrichtungen und/oder Sensoreinrichtungen enthält, deren Aktivitäten und Funktionsweisen auf Ereignisse der Filmpräsentation zeitlich, örtlich und/oder in ihren Intensitäten abgestimmt sind. Dabei erfolgt bei solchen und ähnlichen Systemen aber keine Aufnahme und Analyse der Körperfunktionen, wie der Lungenfunktion, so dass auch keine Kontrolle über die Wirkung oder den Erfolg der Anwendung möglich ist. Weiterhin können mit solchen Systemen keine speziellen Fitness- bzw. Trainingsprogramme und auch keine medizinischen Anwendungen durchgeführt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Person beispielsweise spezielle Fitness- oder Rehabilitationsprogramme absolvieren kann, wobei gleichzeitig insbesondere die Sauerstoff- und die Kohlendioxidzusammensetzung der Inspirationsluft sowie der Expirationsluft überwacht, der Sauerstoffgehalt der Inspirationsluft je nach Bedarf verändert sowie das Atemflussvolumen gemessen werden können.

Die Aufgabe wurde durch eine Vorrichtung zur Überwachung, Steuerung und/oder Regelung einer Gaszusammensetzung gelöst, wobei die Vorrichtung mindestens

• eine Trainings und/oder Rehabilitationseinheit,
• eine Sensor-Einheit mit einem beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensor zur Sauerstoffkonzentrationsbestimmung und einem weiteren beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensor für die Kohlendioxid-Konzentratiönsbestimmung,
• eine Steuereinheit für die Sensoren,
• einen Micro-Controller in der Steuereinheit für die vom Atemflussvolumen abhängige Steuerung der Heizkraft von Heizelementen der Sensoren zur Aufrechterhaltung konstanter Sensor-Temperaturen sowie
• ein System zur Ab- und/oder Anreicherung von Luftbestandteilen zur Erzeugung der Gaszusammensetzung unter Vorgabe von bestimmbaren Sollwerten und/oder in Abhängigkeit der von der Sensor-Einheit ermittelten Atemgaszusammensetzung sowie des ermittelten Atemflussvolumens

umfasst.

Ein entscheidender Vorteil einer solchen Vorrichtung ergibt sich durch die Möglichkeit, die Sauerstoff- und/oder Kohlendioxidkonzentration sowie das Atemflussvolumen jeweils getrennt bzw. zuordenbar für die Inspirations- und auch die Expirationsluft bestimmen zu können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass bei einem Trainingsvorgang oder auch im Ruhezustand die Lungenfunktion einer die Vorrichtung nutzenden Person exakt überwacht werden kann. Weiterhin kann beispielsweise eine Unterversorgung mit Sauerstoff sofort erkannt werden und das Training entsprechend modifiziert oder abgebrochen werden. Außerdem ist ein aufwendiges Kalibrieren, wie es bei Spirometrie-Vorrichtungen erforderlich ist, nicht mehr notwendig.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Sensoreinheit unmittelbar in einem von der Inspirations- und Expirationsluft der Person durchströmten Bauteil angeordnet. So kann die Sensoreinheit beispielsweise in einer Atemmaske, welche von einer Person getragen wird, eingebaut sein. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass ein extrem geringes Totvolumen vorhanden ist.

Im Sinne dieser Erfindung kann die das System zur Ab- und/oder Anreicherung von Luftbestandtellen verlassende an bzw. abgereicherte Gaszusammensetzung über Schläuche der Atemmaske zugeführt werden und somit als Inspirationsluft dienen oder der Inspirationsluft beigemischt werden.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Sauerstoffsensor zur selektiven Leitung von Sauerstoff-Ionen Yttrium-dotiertes Zirkonoxid als Elektrolyt zwischen zwei Elektroden sowie ein Trägerelement und ein Heizelement enthält und der Kohlendioxidsensor einen Elektrolyt aus einem superschnellen Natrium-Ionenleiter, zwei Elektroden, ein Trägerelement und ein Heizelement enthält (1). Der genannte superschnelle Natrium-Ionenleiter, auch NASICON genannt, kann durch die Formel Na_3-xZr₂(PO₄)_1+x(SiO₄)_2-x) beschrieben werden (2). Sensoren dieser Art haben den Vorteil, dass sie besonders klein und leicht sowie kostengünstig hergestellt werden können. So können für derartige Sensoren beispielsweise Abmaße von 20 x 3,5 x 0,5 mm erreicht werden (1). Solche miniaturisierten Sensoren sind damit für einen Einbau in eine Atemmaske besonders geeignet.

Für eine Messung der Sauerstoff-Sättigung des Blutes ist es von Vorteil, wenn ein Ohr-Clip in die Vorrichtung integriert ist. Außerdem kann die Vorrichtung ein Ohr-Clip für eine Messung des Pulses des Benutzers enthalten. Mit der Vorrichtung können somit umfangreiche Leistungsdaten erfasst sowie weitere medizinische Kenngrößen des Nutzers, wie beispielsweise der Herzfrequenz, aufgezeichnet werden. Die erhaltenen Messdaten können in vorteilhafter Weise mit Hilfe eines angeschlossenen Personal Digital Assistant (PDA) aufgezeichnet werden.

Die Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit kann beispielsweise ein Rudergerät, Fahrrad oder Laufband sein.

Bei vorteilhaften Ausgestaltungen des Systems zur Ab- und/oder Anreicherung von Luftbestandteilen können ein oder mehrere Filter zur An- oder Abreicherung von Gasbestandteilen, vorzugsweise zur Abreicherung von Sauerstoff, enthalten sein. So kann die Möglichkeit zur Abreicherung von Sauerstoff besonders vorteilhaft für eine Simulation eines Höhentrainings verwendet werden. Selbstverstandlich kann das System zur Ab- und/oder Abreicherung von Luftbestandteilen beliebig gestaltet sein. So kann beispielsweise ein Sauerstoffkonzentrator mit einem Membranfilter vorhanden sein, wobei je nach Bedarf die das System verlassende Gaszusammensetzung mit angereichertem oder abgereichertem Sauerstoff genutzt werden kann.

Weiterhin kann die Vorrichtung bei vorteilhafter Ausgestaltung Mittel zur zwei- und dreidimensionalen visuellen Darstellung, mindestens ein akustisches Ausgabe- und/oder Aufnahmemittel und Mittel zur Erzeugung von Wind- Temperatur und/oder Geruch umfassen. Weiterhin kann die Vorrichtung ein Mittel für die Stimulation des Tastsinns und/oder ein Mittel zur Veränderung der Zusammensetzung der Atemluft enthalten. Ferner ist es von Vorteil, dass die Komponenten der Trainings- und/oder Rehabilitationseinheit, des Systems zur Ab und/oder Anreicherung von Luftbestandteilen, der Sensor-Einheit und der Steuereinheit für die Sensoren über ein Computersystem miteinander verbunden sind sowie über ein solches Computersystem gesteuert und/oder ausgelesen werden. Dabei kann das Computersystem mindestens aus einem Steuercomputer mit einer Benutzeroberfläche bestehen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Vorrichtung sind an den Steuercomputer über ein Netzwerkrechner zur Bildberechnung für das rechte und linke Auge angeschlossen. Die dabei generierten Signale können an einen auf dem Kopf des Nutzers getragenen Helm mit LCDs zur Erzeugung einer virtuellen Umgebung (Head Mounted Display HMD) weitergeleitet werden. Alternativ können die generierten Signale auch für eine Stereoproduktion zur Erzeugung einer dreidimensionalen Darstellung auf einer Leinwand genutzt werden. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Steuercomputer mit einem oder mehreren Eingabegeräten mit mindestens sechs Freiheitsgraden zur Bestimmung der Position und Orientierung verbunden ist und die Eingabegeräte wahlweise mit einer oder mehreren Tasten ausgestattet sind. Vorteilhaft ist es ferner, dass beispielsweise isometrische, isotone und/oder elastische Eingabegeräte an den Steuercomputer angeschlossen sind, wobei mit diesen Eingabegeräten beispielsweise eine Blickbewegungserfassung, Körperbewegungserfassung, Kopfbewegungserfassung und/oder Positionsbestimmung erfolgen kann. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mit den Eingabegeräten Gestik, Mimik und/oder Sprache erfasst werden. Somit wird eine Kombination aus physischen und psychischen Reizen ermöglicht und eine Aromaanwendung oder ein Höhentraining in einem virtuellen dreidimensionalen Umfeld durchführbar.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird als Eingabegerät beispielsweise ein Head Traker verwendet, der auch an dem auf dem Kopf des Nutzers getragenen Helm mit LCDs zur Erzeugung der virtuellen Umgebung (Head Mounted Display HMD) befestigt sein kann. Vorteilhaft ist es ferner, dass die visuelle Darstellungseinheit ein nicht bewegtes Bild, einen bewegten oder nicht bewegten Gegenstand, eine Computergrafik und/oder zwei- und/oder dreidimensional bewegte Bilder oder Filme wiedergibt. Es können dazu auch konventionelle Monitore für die zweidimensionale Darstellung verwendet werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die visuelle Darstellungseinheit ein Bild mit einem Sichtwinkel von 0 bis 179° wiedergeben oder für die Verwendung des Systems in den Bereichen Fitness, Wellness oder Medizin auch ein Bild mit einem Sichtwinkel von 180° oder mehr als 180° wiedergeben, wobei auch vom Benutzer vorher aufgenommene bewegte und/oder unbewegte reale Bilder dargestellt werden können.

Die akustische Ausgabeeinheit kann beispielsweise Musikinstrumente, menschliche Stimmen, Umgebungsgeräusche, wie Tierlaute, Wind, Regen, Wasserfälle, Donner und/oder Geräusche von Fahrzeugmotoren, Schüssen, Pumpen, Explosionen und/oder Erdarbeiten wiedergeben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Wind, Temperatur, Geruch und/oder Luftfeuchtigkeit an die dagestellte Situation in der virtuellen Realität angepasst werden können.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn über eine Kommunikationseinheit Anweisungen und/oder Hinweise an den Benutzer der Vorrichtung gegeben werden können und der Benutzer über eine Kommunikationseinheit mit einer die Vorrichtung beginnenden Person in Kontakt treten kann. Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Systems können durch die Entnahme von Blut auch genauere Blutbildanalysen vor, während und/oder nach der Benutzung durchgeführt werden. Beispielsweise kann mit Hilfe eines mit dem Computersystem verbundenen Zellanalysegeräts, vorzugsweise eines Geräts für die Durchflusszytometrie, die Zusammensetzung der Blutzellen exakt bestimmt werden. Auch ist unter Verwendung, vorzugsweise mit einem Fluoreszenzfarbstoff gekoppelten, spezifischen Antikörpers eine Analyse von Oberflächenmarkern auf Zellen möglich.

Im Sinne dieser Erfindung ist weiterhin Verfahren zur gleichzeitigen Überwachung, Steuerung und/oder Regelung einer Gaszusammensetzung, wobei

• eine Person eine Trainingseinheit und/oder eine Rehabilitationseinheit benutzt,
• in einer Sensor-Einheit eine Sauerstoffkonzentrationsbestimmung mit Hilfe eines beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensors und eine Kohlendioxid-Konzentrationsbestimmung mit Hilfe eines weiteren beheizbaren elektrochemischen Festelektrolyt-Sensors erfolgt,
• eine vom Atemflussvolumen der Person abhängige Steuerung der Heizkraft von Heizelementen der Sensoren zur Aufrechterhaltung konstanter Sensor-Temperaturen mit Hilfe eines Micro-Controllers in einer Sensor-Steuereinheit erfolgt sowie
• unter Vorgabe von bestimmbaren Sollwerten und/oder in Abhängigkeit der von der Sensor-Einheit ermittelten Atemgaszusammensetzung sowie des ermittelten Atemflussvolumens der Personen ein System zur Erzeugung der Gaszusammensetzung Luftbestandteile ab- und/oder anreichert.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung in einer oder mehreren der genannten Ausführungsformen durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft erfolgt die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration der Atemluft durch Messung des bei konstanter Spannung durch den Elektrolyt des Sauerstoffsensors von der Kathode zur Anode fließenden Stroms, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen dem resultierenden elektrischen Strom und der Sauerstoffkonzentration besteht. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Kohlendioxidkonzentration über einen logarithmischen Zusammenhang zwischen der Spannung zwischen den Elektroden des Kohlendioxidsensors und der Kohlendioxidkonzentration bestimmt wird. Ferner ist es vorteilhaft, dass das Atemflussvolumen aus der durch den Mikro-Controller gesteuerten - zur Aufrechterhaltung einer konstanten Sensortemperatur notwendigen - Heizkraft der Heizelemente der Sensoren bestimmt wird.

Die Bestimmung der Gesamtflussrate der Atemluft kann mit dem Sensorelement unter Ausnutzung der Dünnschicht Anemometrie erfolgen. Weiterhin kann die Flussrichtung des Atemgases entweder durch Verwendung der gemessenen Sauerstoff- und/oder Kohlendioxidkonzentrationsgradienten oder des Temperaturprofils auf dem Sensor ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass gleichzeitig der Volumenstrom, die Strömungsrichtung und somit die Sauerstoff- und Kohlendioxidzusammensetzung der Inspirationsluft sowie der Expirationsluft mit einer Atemzug-für-Atemzug Auflösung überwacht werden können. Die Sauerstoff- und Kohlendioxid-Konzentrationen können also der Inspirationsluft und der Expirationsluft eindeutig zugeordnet werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Sauerstoffgehalt der Inspirationsluft je nach Bedarf verändert wird.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn eine Unterversorgung mit Sauerstoff an der Sauerstoffkonzentration der Expirationsluft festgestellt wird. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer Unterversorgung der Sauerstoffgehalt der Inspirationsluft erhöht oder das Programm abgebrochen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Nutzer den Sauerstoffgehalt innerhalb von wenigen Sekunden von einem niedrigen Wert zwischen 9 Vol.-% bis zu einem hohen Wert von bis zu 100 Vol.-% und umgekehrt verändern, wobei besonders vorzugsweise eine Anpassung in einem Bereicht von 16 Vol.-% bis zu 21 Vol.-% erfolgen kann. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steigerung der Ausdauerleistung, vorzugsweise mittels eines simulierten Höhentrainings, verwendet werden. Bei dieser Verwendung ist es besonders vorteilhaft, dass die Sauerstoffkonzentration innerhalb von wenigen Sekunden von einem niedrigen Wert zwischen 9 Vol.-% bis zu einem hohen Wert von bis zu 100 Vol.-% und umgekehrt verändert werden kann, wobei eine Anpassung besonders vorzugsweise in einem Bereich von 16 Vol.-% bis zu 21 Vol.-% erfolgt.

Es ist ferner von Vorteil, dass ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller oben genannten erfindungsgemäßen Verfahrensschritte genutzt wird, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller oben genannten Verfahrensschritte auf einem maschineniesbaren Träger gespeichert ist, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.

Unter Anwendung der erfindunsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindunsgemäßen Verfahrens können sich beispielsweise Spitzen- und Leistungssportler optimal mit Höhentrainingseinheiten im virtuellen realitätsnahen Umfeld auf anstehende Wettkämpfe vorbereiten. Das realitätsnahe Training unter sauerstoffarmen Bedingungen zielt bei Breiten- und Freizeitsportlern eher auf die Steigerung der persönlichen Leistungsfähigkeit und des individuellen Konditionsniveaus ab. Dabei können im speziellen die kosten- und zeitintensiven Flüge und Aufenthalte in Hochgebirgsregionen eingespart werden. Weiterhin ist ein wesentlich effizienteres Training möglich, da die Anlage 24 Stunden verfügbar und logistisch leicht erreichbar ist.

Im Bereich Rehabilitation oder Wellness könnte dieses System in einem virtuellen dreidimensionalen Umfeld beispielsweise eine Aromaanwendung mit einem passiven Höhentraining und einer Sauerstofftherapie kombinieren. In einer solchen Umgebung könnte eine solche Kombination aus Entspannung und Verbesserung der persönlichen Leistungsfähigkeit sowie eine Stärkung des Immunsystems erreicht werden.

Im Bereich der Medizin kann das System für eine Aromaanwendung, ein Höhentraining und/oder eine Sauerstofftherapie in einem dreidimensionalen Umfeld genutzt werden, wobei die vier Sinne Sehen, Fühlen, Riechen und Hören stimuliert werden. Durch die dabei erreichte Mobilisierung des körpereigenen Abwehrsystems ist eine Anwendung bei Personen mit Erkrankungen wie beispielsweise Krebs, Allergien und Erkrankungen des Stoffwechsels denkbar.

Weiterhin bietet besonders die Technik der dreidimensionalen Darstellung die Möglichkeit, spezielle psychische Erkrankungsverläufe, wie Ängste bei Autoimmunsystemerkrankungen, durch die Wirkung von Bildern und Geräuschen positiv zu beeinflussen.

Literatur:

1. (1) R. Baumann^1,2, S. Fasoulas¹, M. Gläser¹, C. Gritzner¹, F. Hammer², J. , Heisig¹, R. Kahle¹, T. Kirschke¹, T. Schmiel¹, M. Völkel². Solid State Electrolyte Sensors for the Determination of Oxygen, Carbon Dioxide, and Total Flow Rates Associated to Respiration in Human Subjects. Institute for Aerospace Engineering, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, Germany ²ESCUBE GmbH, Nobelstr. 15, 70569 Stuttgart, Germany (PRO2-FR-Exec-Sum-05-02-10 Executive Summary to the ESTEC Contract No. 15450/01/NUJS CCN 1+2)
2. (2) West, A. R., Grundlagen der Festkörperchemie, Verlag Chemie, Weinheim (1992).