精準(zhǔn)測(cè)評(píng)健身者個(gè)人生理參數(shù)的反饋

精準(zhǔn)測(cè)評(píng)健身者個(gè)人生理參數(shù)的反饋

自“健康中國(guó)2030”計(jì)劃提出以來(lái)，中國(guó)的體育和健身事業(yè)發(fā)生了重大變化，取得了顯著成效。加強(qiáng)身體適應(yīng)性和健康預(yù)防意識(shí)。體育健身運(yùn)動(dòng)對(duì)個(gè)人情緒起到調(diào)節(jié)作用，對(duì)身體健康起到促進(jìn)作用;不僅能減輕身心疲憊、增強(qiáng)體質(zhì)健康，而且可以預(yù)防慢性疾病和促進(jìn)康復(fù)治療，對(duì)緩解國(guó)家醫(yī)療資源緊張、增強(qiáng)勞動(dòng)生產(chǎn)力和促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展具有重要意義。根據(jù)2020年國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示，我國(guó)城鄉(xiāng)居民身體素質(zhì)均有顯著提升。在后疫情時(shí)期，由于健身場(chǎng)地、環(huán)境等因素的影響以及疫情防控常態(tài)化的要求，使得室外健身常常難以進(jìn)行，室內(nèi)健身器械輔助鍛煉的方式逐漸受到人們的青睞對(duì)于健身運(yùn)動(dòng)使用頻率較高的跑步機(jī)，曹新星1智能健身器械傳統(tǒng)的健身器械以訓(xùn)練的功能可分為單功能和綜合型多功能兩大類。單功能健身器械，如健美車、跑步機(jī)、劃船器等，主要用于鍛煉身體某一部位肌肉，而多功能健身器械則可鍛煉肌肉群。目前傳統(tǒng)健身器械的功能比較單一，并且各個(gè)健身器械之間相互獨(dú)立，僅由簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，除輔助鍛煉身體功能外的其他使用方式通常需要在專門的健身教練或?qū)＜抑笇?dǎo)下才能完成。為滿足不同健身者的健身需求，健身器械還可按照鍛煉作用方式劃分為無(wú)氧器械和有氧器械2種，分別用于進(jìn)行有氧訓(xùn)練和無(wú)氧訓(xùn)練利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等信息技術(shù)與傳統(tǒng)的健身器械結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出的智能健身器械成為目前主流的解決方案之一。通過(guò)提升對(duì)健身器械的設(shè)計(jì)，加入運(yùn)動(dòng)可視化元素，提供實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)反饋，提升鍛煉者的參與感和運(yùn)動(dòng)的趣味性;或者通過(guò)互聯(lián)互通技術(shù)，將健身者身體素質(zhì)的數(shù)據(jù)與當(dāng)前的鍛煉數(shù)據(jù)結(jié)合，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)合云平臺(tái)運(yùn)動(dòng)處方數(shù)據(jù)庫(kù)，提供個(gè)性化的健身指導(dǎo)。另外，在使用傳統(tǒng)健身器械進(jìn)行鍛煉的過(guò)程中，人身安全是健身運(yùn)動(dòng)得以進(jìn)行的基礎(chǔ)2互聯(lián)互通功能的智能健身器械科學(xué)健身與健身安全是健身運(yùn)動(dòng)提升健身者身體素質(zhì)、促進(jìn)健康的基本保障。傳統(tǒng)健身器械由于功能單一，對(duì)于健身者健身運(yùn)動(dòng)的科學(xué)性無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，健身者只能通過(guò)健身教練等專業(yè)人士的指導(dǎo)進(jìn)行健身鍛煉，不僅會(huì)增加健身成本，而且健身指導(dǎo)服務(wù)易受到時(shí)間、空間的限制;而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)擁有互聯(lián)互通功能的智能化健身器械，則可根據(jù)健身者當(dāng)前的鍛煉情況，結(jié)合運(yùn)動(dòng)處方數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并提供個(gè)性化的健身指導(dǎo)服務(wù)，具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于健身安全方面，在健身過(guò)程中器械的主動(dòng)保護(hù)功能是目前傳統(tǒng)健身器械所欠缺的。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的意外情況處理中，傳統(tǒng)健身器械僅能在意外情況發(fā)生后利用器械本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)或保護(hù)性材料等對(duì)人體進(jìn)行被動(dòng)保護(hù)，而不能根據(jù)健身者的健身狀況進(jìn)行及時(shí)的主動(dòng)預(yù)警，從而提前避免意外情況的發(fā)生。綜合目前傳統(tǒng)健身器械使用弊端與改良需求，需要在健身過(guò)程中對(duì)人體生理參數(shù)、運(yùn)動(dòng)鍛煉參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和運(yùn)動(dòng)器械參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并且在健身過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)和健身設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析和動(dòng)態(tài)控制，其中人體—器械、器械—器械的互聯(lián)互通技術(shù)是急需解決的重要問(wèn)題。2.1輔助治療動(dòng)感單車的功能在健身運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，人體的生理特征會(huì)發(fā)生與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的變化，其中潮氣量、收縮壓、舒張壓、呼吸功率、氣道阻力、脈率、心率、血氧濃度等生理特征參數(shù)都是健身者出現(xiàn)過(guò)度疲勞和運(yùn)動(dòng)損傷的重要影響因素，可用于評(píng)估分析健身者的健身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在此基礎(chǔ)上，通過(guò)健身者當(dāng)前的生理數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)處方數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)時(shí)調(diào)控健身器械，例如利用動(dòng)感單車進(jìn)行健身鍛煉時(shí)，可通過(guò)健身者心率的變動(dòng)來(lái)調(diào)整動(dòng)感單車快慢，使得單車的速率隨著鍛煉者身體運(yùn)動(dòng)情況發(fā)生改變，或者給動(dòng)感單車添加智能的助力系統(tǒng)，根據(jù)健身者的生理狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)情況，可根據(jù)需求提供適當(dāng)?shù)闹?，增?qiáng)動(dòng)感單車的有趣感與安全性能，并且結(jié)合云平臺(tái)運(yùn)動(dòng)處方數(shù)據(jù)庫(kù)可為鍛煉者提供及時(shí)的、高效的、科學(xué)的健身鍛煉指引。心電監(jiān)測(cè)是人體心臟活動(dòng)投影到體表，通過(guò)電極片以及放大濾波等過(guò)程得到的心電信號(hào);血壓與脈率監(jiān)測(cè)是基于示波法，使用充氣袖帶壓迫血管，使其呈半阻斷狀態(tài)，通過(guò)提取血液流經(jīng)未完全開(kāi)啟的血管使血管壁產(chǎn)生的振蕩信號(hào)，利用振蕩信號(hào)幅值與外壓的比例系數(shù)推算出收縮壓、舒張壓與平均脈率值;呼吸監(jiān)測(cè)是人體在呼吸運(yùn)動(dòng)和肺通氣過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)呼吸氣路內(nèi)部壓力和流速，從而可以導(dǎo)出潮氣量、氣道阻力、順應(yīng)性、呼吸功率等呼吸力學(xué)參數(shù);血氧監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)呼吸末氧氣濃度的變化，基于順磁法，利用氧氣分子具有的強(qiáng)順磁性與其它氣體的弱磁性和抗磁性這一物理特性進(jìn)行氧氣濃度監(jiān)測(cè)。人體在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，心率是反映心臟承受負(fù)荷大小的常用量化指標(biāo)此外，人體生理參數(shù)在達(dá)到次最大負(fù)荷時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)范圍已得到國(guó)內(nèi)外研究的廣泛認(rèn)可，如表2所示。根據(jù)人體在達(dá)到次運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的生理參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可對(duì)健身器械使用者的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行及時(shí)預(yù)警與主動(dòng)保護(hù)。2.2健身器械的硬件系統(tǒng)對(duì)于健身器械參數(shù)的互聯(lián)互通，主要體現(xiàn)在健身器械運(yùn)行狀態(tài)以及利用顯示屏對(duì)使用者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的直觀展示等，達(dá)到健身器械之間、器械與使用者的交互作用。顯示屏硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。交互模塊主要分為主控芯片、最小系統(tǒng)、液晶板、通信接口等。其中，最小系統(tǒng)主要包括主控芯片的電路結(jié)構(gòu)，如電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、程序下載電路、啟動(dòng)電路等3創(chuàng)造個(gè)人生理信息與健身設(shè)備相結(jié)合的技術(shù)策略3.1健身器械互聯(lián)互通技術(shù)在實(shí)際使用運(yùn)動(dòng)健身器械進(jìn)行鍛煉的情況中，若使用有線通信達(dá)到使用者生理參數(shù)與健身器械的互聯(lián)互通會(huì)對(duì)健身過(guò)程造成不便在上述無(wú)線通訊方式中，ZigBee技術(shù)一般需要轉(zhuǎn)接后才能接入互聯(lián)網(wǎng)，其開(kāi)發(fā)過(guò)程相對(duì)比較困難3.2信息運(yùn)動(dòng)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)心電總結(jié)以心電監(jiān)測(cè)為例，利用心電采集模塊將附著在身體表面的電極片中心臟的電活動(dòng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的心電信號(hào)變化情況。心臟在機(jī)械性收縮之前，首先產(chǎn)生電激動(dòng)，從而生成了生物電流，并通過(guò)導(dǎo)電的體液和組織將生物電流傳導(dǎo)至體表，在身體不同部位產(chǎn)生不同的電位變化，成體表電位差，模塊通過(guò)記錄體表電位差而計(jì)算形成的動(dòng)態(tài)曲線即為心電信號(hào)。在人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉組織代謝加快，對(duì)氧氣的需求量增加，為滿足這部分增加的需求，心率相應(yīng)加快，心排出量增高，冠狀動(dòng)脈血流量增加。當(dāng)冠狀動(dòng)脈存在一定程度的狹窄(非重度狹窄)時(shí)，因運(yùn)動(dòng)負(fù)荷增加導(dǎo)致心肌耗氧量增加時(shí)，冠狀動(dòng)脈血流量不能滿足相應(yīng)需求，因而引起心肌缺氧、缺血，心電信號(hào)上將會(huì)出現(xiàn)異常變化。通過(guò)模塊通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)了一款基于心電參數(shù)的人體生理參數(shù)信息運(yùn)動(dòng)過(guò)程監(jiān)測(cè)軟件，其軟件具有基礎(chǔ)的心電采集功能，可以與下位機(jī)進(jìn)行尋找模塊的USB串口，接受握手請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，接收心電數(shù)據(jù)包，根據(jù)二進(jìn)制解析12導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)，通過(guò)控件顯示心電波形，存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)等互聯(lián)互通功能。其流程如圖5所示。將數(shù)據(jù)采集模組、運(yùn)動(dòng)平板類健身器械裝置、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷與姿態(tài)控制模組、數(shù)據(jù)顯示分析模塊集成為一個(gè)大型裝置實(shí)現(xiàn)基于心電信號(hào)的人體生理參數(shù)與健身器械的互聯(lián)互通，如圖6所示。計(jì)算機(jī)軟件通過(guò)定位心電信號(hào)的特征波形，定位相鄰R波的波峰，并計(jì)算實(shí)時(shí)心率值，根據(jù)靶心率值進(jìn)而判斷人體是否處于有氧運(yùn)動(dòng)或無(wú)氧運(yùn)動(dòng)模式，以此判別是否達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo)。同時(shí)記錄在多個(gè)靶心率下的心電圖(electrocardiograph,ECG)的特征參數(shù)，利用最小二乘法回歸直線建立靶心率與特征ST段的水平值的關(guān)系，求解斜率，用于分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體生理參數(shù)的異常情況，如心跳過(guò)速或心律失常等，對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程起到主動(dòng)保護(hù)作用，促進(jìn)訓(xùn)練者在安全可靠的運(yùn)動(dòng)量范圍內(nèi)鍛煉，預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷。4技術(shù)需求獨(dú)特性1)進(jìn)一步地從居家健身、社區(qū)健身、全民健身等空間緯度進(jìn)行深度解刨。本文僅從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)對(duì)互聯(lián)互通技術(shù)需求進(jìn)行探討，暫未實(shí)現(xiàn)試點(diǎn)應(yīng)用。