專利名稱：一種基于心率和加速度的運動能耗測量儀及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運動能消耗測量領(lǐng)域，特別涉及一種基于心率和加速度的運動能耗測量儀及測量方法。
背景技術(shù)：
目前隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平越來越高，人體運動對健康的重要性越來越大。人體運動時的運動量過少不能到達運動健身或減肥的目的，運動量過多又會讓人感到疲憊而損壞人體的健康。因此為了達到科學(xué)合理的運動必須準(zhǔn)確的測量人體運動過程中的能量消耗。人體一天所消耗的能量大致分為三個部分，人體基礎(chǔ)能量代謝即基礎(chǔ)能量消耗， 各種體力活動能量消耗和滿足食物特殊動力作用即食物熱效應(yīng)。人體基礎(chǔ)能量消耗約占人體一天總能量消耗的65%，活動能量消耗約占總能量消耗的25%，食物熱效應(yīng)約占總能量消耗的10%。其中活動能量消耗是最能受人體控制和改變的，運動量大則活動能量消耗大，運動量小則活動能量消耗小。人體運動過程中，由于運動會導(dǎo)致人體心率的增加，心率增加會導(dǎo)致人體的耗氧量的增加，耗氧量的增加會影響人體的基礎(chǔ)能量消耗的增加。通常運動能量消耗測量方法包括直接測熱法、間接測熱法、雙標(biāo)水法、心率監(jiān)測法、加速度傳感器法。直接測熱法、間接測熱法和雙標(biāo)水法屬于生理學(xué)范疇，上述三種方法具有較高的測量精度，因此常將這幾種方法作為評價能量消耗測量方法的標(biāo)準(zhǔn)，其中雙標(biāo)水法被視為能量消耗測量中的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但是其測量設(shè)備復(fù)雜，費用昂貴且測量結(jié)果不能實時的描述人體某一運動過程中的能量消耗。心率檢測法和加速度傳感器法測量方便，可以實時的測量運動一段時間的能量消耗，但是單獨使用心率和加速度測量能量消耗，其準(zhǔn)確度不高，且容易受到自身和外界的干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所需要解決的關(guān)鍵問題是，提供一種結(jié)合加速度和心率的運動能量消耗模型，測量人體運動過程中所消耗能量的測量儀及測量方法。一種運動能耗測量儀，包括人體個性化參數(shù)采集單元，用于采集和存儲人體個性化參數(shù)，包括身高H (cm)、體重W (kg)、年齡Y (歲)、性別G和截止心率FLEX_HR (次/分)；心率傳感器,用于測量心率HR ；基礎(chǔ)能耗計算單元，用于利用測量心率HR和所述人體個性化參數(shù)計算基礎(chǔ)能耗BEE ；加速度傳感器，用于測量運動加速度；運動做功計算單元，用于利用運動加速度和所述體重W計算對外做功EEac;t ；運動能耗計算單元，將基礎(chǔ)能耗BEE和對外做功EEaet相加，計算運動能耗EE，即EE=BEE+EEact □
所述利用測量心率HR和所述人體個性化參數(shù)計算基礎(chǔ)能耗，包括當(dāng)測量心率HR大于或等于截止心率FLEX_HR時，建立基礎(chǔ)能耗BEE、心率HR和個性化參數(shù)的線性回歸方程BEE=GX ( α ^Ι+β ^Y+x ^HR+ δ ^ + (I-G) X ( α 2ΧΙ+β 2ΧΥ+χ 2XHR+ δ 2)上式中，男性時G為I,女性時G為O ; α ρ β 17 X1, α 2，β 2，X2為相關(guān)系數(shù)，δ 17S2為校驗系數(shù)，Q1的取值范圍為O. 15-0. 24，P1 的取值范圍為O. 2-0. 3，x i的取值范圍為O. 6-0. 7，S1的取值范圍為55-60 ;α2的取值范圍為-O. 2—0. I，β2的取值范圍為
0.06-0. 075，X 2的取值范圍為O. 44-0. 50，δ 2的取值范圍為-21—19。當(dāng)測量心率HR小于截止心率FLEX_HR時，建立基礎(chǔ)能耗BEE與人體個性化參數(shù)的線性回歸方程BEE=GX ( α !XW+β !XH+x !XY+ δ ^ + (I-G) X ( α 2ΧΙ+β 2ΧΗ+χ 2ΧΥ+ δ 2)上式中，男性時G為I,女性時G為O ; α ρ β 17 X1, α 2，β 2，X2為相關(guān)系數(shù)；δ 1； δ 2為校驗系數(shù)；α I的取值范圍為13-14, β ι的取值范圍為4. 9_5. I, x工的取值范圍為-6. 7—7.0，S1的取值范圍為60-70 ;α2的取值范圍為9. 5-10，β2的取值范圍為
1.7-2. O, X 2的取值范圍為-4. 5—4. 9，δ 2的取值范圍為650-670。所述利用測量的加速度和體重W計算對外做功EEac;t為計算X軸、Y軸和Z軸三個方向上所做功之和，所述計算X軸、Y軸和Z軸三個方向上所做功分別為 /;人;.;=〔Jo' W X ACC2 X (F0 + ACC X t)dndt
權(quán)利要求
1.一種運動能耗測量儀，其特征在于，包括 人體個性化參數(shù)采集單元，用于采集和存儲人體個性化參數(shù)，包括身高H、體重W、年齡Y、性別G和截止心率FLEX_HR ； 心率傳感器，用于測量心率HR ； 基礎(chǔ)能耗計算單元，用于利用測量心率HR和所述人體個性化參數(shù)計算基礎(chǔ)能耗BEE ； 加速度傳感器，用于測量運動加速度； 運動做功計算單元，用于利用運動加速度和所述體重W計算對外做功EEart ； 運動能耗計算單元，將基礎(chǔ)能耗BEE和對外做功EEaet相加，計算運動能耗EE，SPEE=BEE+EEact。
2.如權(quán)利要求I所述的運動能耗測量儀，其特征在于，所述人體個性化參數(shù)采集單元為包括鍵盤、顯示器和存儲器的輸入終端，通過鍵盤輸入人體個性化參數(shù)，顯示器同步顯示輸入有關(guān)的提示信息，將輸入的參數(shù)存儲在存儲器中。
3.如權(quán)利要求I所述的運動能耗測量儀，其特征在于，所述人體個性化參數(shù)采集單元為包括藍牙接收模塊和存儲器的無線采集器，藍牙接收模塊接收藍牙發(fā)送端發(fā)送來的人體個性化參數(shù)，將接收的參數(shù)存儲在存儲器中。
4.如權(quán)利要求I所述的運動能耗測量儀，其特征在于，所述心率傳感器一分鐘測量4次人體的心率，計算平均值，作為測量心率HR。
5.如權(quán)利要求I所述的運動能耗測量儀，其特征在于，所述利用測量心率HR和所述人體個性化參數(shù)計算基礎(chǔ)能耗，包括 當(dāng)測量心率HR大于或等于截止心率FLEX_HR時，建立基礎(chǔ)能耗BEE、心率HR和個性化參數(shù)的線性回歸方程BEE=GX (a iXW+P iXY+x !XHR+ 8 ^ + (I-G) X ( a 2Xff+^ 2XY+x 2XHR+ 8 2) 上式中，男性時G為I,女性時G為O ; a 17 X1, a 2,旦2，X2為相關(guān)系數(shù)，S1,S2為校驗系數(shù)，Ci1的取值范圍為0. 15-0. 24，P1的取值范圍為0.2-0. 3，x :的取值范圍為0.6-0. 7，S1的取值范圍為55-60 ;a2的取值范圍為-0.2—0. I，P2的取值范圍為0.06-0. 075，X 2的取值范圍為0. 44-0. 50，8 2的取值范圍為-21—19。
6.如權(quán)利要求I所述的運動能耗測量儀，其特征在于，所述利用測量心率HR和所述人體個性化參數(shù)計算基礎(chǔ)能耗，包括 當(dāng)測量心率HR小于截止心率FLEX_HR時，建立基礎(chǔ)能耗BEE與人體個性化參數(shù)的線性回歸方程BEE=GX (a Xff+^ :XH+x :XY+ 8 ^ + (I-G) X ( a 2Xff+^ 2XH+x 2XY+ 8 2) 上式中，男性時G為I,女性時G為0 W1, X1, a 2,旦2，X2為相關(guān)系數(shù)，6 S 2為校驗系數(shù)；a !的取值范圍為13-14，P I的取值范圍為4. 9-5. 1，x :的取值范圍為-6. 7—7. 0，6 I的取值范圍為60-70 ； a 2的取值范圍為9. 5-10, ^ 2的取值范圍為I. 7-2. 0，x 2的取值范圍為-4. 5—4. 9，S2的取值范圍為650-670。
7.如權(quán)利要求I所述的運動能耗測量儀，其特征在于，所述利用測量的加速度和體重W計算對外做功EEaet為計算X軸、Y軸和Z軸三個方向上所做功之和，所述計算X軸、Y軸和Z軸三個方向上所做功分別為上式中，ax為X軸測量的加速度，aY為Y軸測量的加速度，az為Z軸測量的加速度，g為重力加速度，sym( )表示取符號運算，V0為初始速度。
8.—種運動能耗測量方法，其特征在于，包括 采集人體個性化參數(shù)，包括身高H、體重W、年齡Y、性別G和截止心率FLEX_HR ； 測量心率HR ； 利用測量心率HR和所述人體個性化參數(shù)計算基礎(chǔ)能耗BEE ； 測量運動加速度； 利用運動加速度和所述體重W計算對外做功EEart ； 將基礎(chǔ)能耗BEE與對外做功EEaet相加，計算運動能耗EE，即EE=BEE+EEart。
9.如權(quán)利要求8所述運動能耗測量方法，其特征在于，所述利用測量心率HR和所述人體個性化參數(shù)計算基礎(chǔ)能耗，包括 當(dāng)測量心率HR大于或等于截止心率FLEX_HR時，建立基礎(chǔ)能耗BEE、心率HR和個性化參數(shù)的線性回歸方程BEE=GX (a iXW+旦 iXY+x iXHR+ 8 ^ + (I-G) X ( a 2Xff+^ 2XY+x 2XHR+ 8 2) 上式中，男性時G為I,女性時G為0 ; a 17 P 17 X i，a 2，P 2，X 2為相關(guān)系數(shù)，S1, S 2為校驗系數(shù)，取值通過實驗測得，a I的取值范圍為0. 15-0. 24，^ I的取值范圍為0. 2-0. 3，x :的取值范圍為0. 6-0. 7, S1的取值范圍為55-60 ； a 2的取值范圍為-0. 2—0. I, 的取值范圍為0. 06-0. 075，X 2的取值范圍為0. 44-0. 50，6 2的取值范圍為-21—19 ； 當(dāng)測量心率HR小于截止心率FLEX_HR時，建立基礎(chǔ)能耗BEE與人體個性化參數(shù)的線性回歸方程BEE=GX (a Xff+^ :XH+x :XY+ 8 ^ + (I-G) X ( a 2Xff+^ 2XH+x 2XY+ 8 2) 上式中，男性時G為I,女性時G為0 ; a p P p X i，a 2，P 2，X2為相關(guān)系數(shù)；5 17 S 2為校驗系數(shù)；a !的取值范圍為13-14，P I的取值范圍為4. 9-5. 1，x :的取值范圍為-6. 7—7. 0，6 I的取值范圍為60-70 ； a 2的取值范圍為9. 5-10, ^ 2的取值范圍為I. 7-2. 0，x 2的取值范圍為-4. 5—4. 9，S2的取值范圍為650-670。
10.如權(quán)利要求8所述運動能耗測量方法，其特征在于，所述利用運動加速度和所述體重W計算對外做功EEaet為計算X軸、Y軸和Z軸三個方向上所做功之和，所述計算X軸、Y軸和Z軸三個方向上所做功分別為 上式中，ax為X軸測量的加速度，aY為Y軸測量的加速度，az為Z軸測量的加速度，g為重力加速度，sym( )表示取符號運算，V0為初始速度。
全文摘要
本發(fā)明實施例提供了一種運動能耗測量儀，包括人體個性化參數(shù)采集單元，用于采集和存儲人體個性化參數(shù)；心率傳感器，用于測量心率HR；基礎(chǔ)能耗計算單元，用于利用測量心率HR和所述人體個性化參數(shù)計算基礎(chǔ)能耗；加速度傳感器，用于測量運動加速度；運動做功計算單元，用于利用運動加速度和所述體重W計算對外做功；運動能耗計算單元，將基礎(chǔ)能耗BEE和對外做功EEact相加，計算運動能耗；還提供了一種運動能耗測量方法；本發(fā)明建立基礎(chǔ)能量消耗、心率和個性化參數(shù)的線性回歸方程，利用加速度傳感器測量運動加速度，進一步考慮不同方向的影響因素，結(jié)合體重在三個方向分別實施對外做功計算，將心率和運動加速度有效結(jié)合，提升了測量精度。
文檔編號A61B5/00GK102727185SQ20121024946
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者冷銳, 劉圣蓉, 姜瑜, 張匯泉, 李章勇, 王偉, 趙志強, 陳小波 申請人:重慶郵電大學(xué)