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
技術領域：
本發(fā)明涉及運動能消耗測量領域，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：
目前隨著科學技術的發(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。因此為了達到科學合理的運動必須準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，人體基礎能量代謝即基礎能量消耗， 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。人體基礎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，由于運動會導致人體心率的增加，心率增加會導致人體的耗氧量的增加，耗氧量的增加會影響人體的基礎能量消耗的增加。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、間接測熱法和雙標水法屬于生理學范疇，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準，其中雙標水法被視為能量消耗測量中的黃金標準，但是其測量設備復雜，費用昂貴且測量結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，其準確度不高，且容易受到自身和外界的干擾。

發(fā)明內容
本發(fā)明所需要解決的關鍵問題是，提供一種結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)計算基礎能耗，包括當測量心率HR大于或等于截止心率FLEX_HR時，建立基礎能耗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。當測量心率HR小于截止心率FLEX_HR時，建立基礎能耗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，將基礎能耗BEE和對外做功EEaet相加，計算運動能耗EE，SPEE=BEE+EEact。
2.如權利要求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的提示信息，將輸入的參數(shù)存儲在存儲器中。
3.如權利要求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)計算基礎能耗，包括 當測量心率HR大于或等于截止心率FLEX_HR時，建立基礎能耗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)計算基礎能耗，包括 當測量心率HR小于截止心率FLEX_HR時，建立基礎能耗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)計算基礎能耗，包括 當測量心率HR大于或等于截止心率FLEX_HR時，建立基礎能耗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 ； 當測量心率HR小于截止心率FLEX_HR時，建立基礎能耗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