可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)及裝置，該系統(tǒng)包括智能終端、微處理器、體征參數(shù)采集單元、運動能量消耗測量單元和腹部脂肪含量測量單元，智能終端采集、存儲人體個性化參數(shù)，微處理器控制腹部脂肪含量測量單元采集腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息，智能終端利用腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息和人體個性化參數(shù)計算腹部脂肪含量，并根據(jù)腹部脂肪含量及人體個性化參數(shù)制定相應(yīng)強度的體能訓(xùn)練方案；微處理器控制運動能量消耗測量單元采集人體運動心率、運動加速度，智能終端利用人體運動心率、運動加速度和人體個性化參數(shù)計算運動能量消耗；微處理器控制體征參數(shù)采集單元采集人體體征參數(shù)，智能終端判斷體征參數(shù)是否異常，輸出報警信號。
【專利說明】
可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及體能訓(xùn)練技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)及裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 穿戴式單兵生命體征監(jiān)測系統(tǒng)是一種將高級環(huán)境傳感器、無創(chuàng)性生理傳感器和信 息處理系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)及低功率無線通訊技術(shù)組合在一起的小型裝置，佩帶在士兵的 作戰(zhàn)服內(nèi)，可連續(xù)監(jiān)護士兵的生理體征，實現(xiàn)在現(xiàn)場分類、評估、治療和后送過程中監(jiān)測傷 員的生命體征，實現(xiàn)發(fā)送傷員的生理數(shù)據(jù)和確定傷員的位置。
[0003] 單兵生命體征監(jiān)測系統(tǒng)檢測的生理參數(shù)有心電（心率）、血壓、血壓變化率等?？纱?戴式單兵生命體征監(jiān)測系統(tǒng)并非針對體能訓(xùn)練而設(shè)計，雖能采集單兵的呼吸、心電、血壓、 血氧等體征參數(shù)，應(yīng)用于體能訓(xùn)練時，可以為運動暈厥、過度運動預(yù)警提供生理參數(shù)依據(jù)， 但并沒有設(shè)計體能測試，也未能提供體能訓(xùn)練評估。
[0004] 目前針對單兵衛(wèi)勤保障訓(xùn)練提供體能訓(xùn)練、測試等穿戴式設(shè)備尚未出現(xiàn)，而目前 出現(xiàn)的單兵生命體征監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)只是采集單兵的呼吸、心電、血壓、血氧等體征參數(shù)， 但對衛(wèi)勤訓(xùn)練并沒有考慮單兵體能的差異性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng) 及裝置，其針對衛(wèi)勤訓(xùn)練時人體體能的差異性例如人體不同體型、體重、體脂百分比等，需 要選擇多大運動強度、每次運動需要多少能量消耗等都進行了定量分析，提高了考核過程 和結(jié)果的權(quán)威性、客觀性，且其可以促進單兵血液循環(huán)，調(diào)節(jié)心肺功能，增強肌肉的興奮性 和柔韌性，避免運動損傷甚至運動休克等。
[0006] 本發(fā)明的目的是采用下述方案實現(xiàn)的：一種可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)，包括智 能終端、微處理器、體征參數(shù)采集單元、運動能量消耗測量單元和腹部脂肪含量測量單元， 所述智能終端用于采集、存儲人體個性化參數(shù)，所述智能終端用于發(fā)送指令信號給微處理 器，所述微處理器用于控制腹部脂肪含量測量單元采集腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息， 并將采集的腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息通過無線通信模塊傳遞給智能終端，所述智能 終端用于利用腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息和人體個性化參數(shù)計算腹部脂肪含量，并根 據(jù)腹部脂肪含量及人體個性化參數(shù)制定相應(yīng)強度的體能訓(xùn)練方案;所述微處理器用于控制 運動能量消耗測量單元采集人體運動心率、運動加速度，并將采集的人體運動心率、運動加 速度通過無線通信模塊傳遞給智能終端，所述智能終端用于利用人體運動心率、運動加速 度和人體個性化參數(shù)計算運動能量消耗;所述微處理器用于控制體征參數(shù)采集單元采集人 體體征參數(shù)，并將采集的人體體征參數(shù)通過無線通信模塊傳遞給智能終端，所述智能終端 用于判斷體征參數(shù)是否異常，輸出報警信號，如通過顯示屏顯示或通過聲光報警等。所述體 征參數(shù)采集單元、運動能量消耗測量單元和腹部脂肪含量測量單元設(shè)置在一長袖T恤上。
[0007] 所述腹部脂肪含量測量單元包括信號發(fā)生器、電壓測量電極和電流激勵電極，所 述微處理器用于接收智能終端下發(fā)的指令信號，分別輸出波形控制信號、頻率控制信號控 制信號發(fā)生器的輸出頻率以及波形，所述信號發(fā)生器用于將輸出的電壓信號經(jīng)濾波、放大 后傳遞給電壓電流轉(zhuǎn)換電路，所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路用于將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柡螅?輸出給電流激勵電極，所述電壓測量電極用于測量施加于人體電流源產(chǎn)生的相應(yīng)頻率的電 壓信號，并將得到的電壓信號傳遞給電壓處理電路進行信號處理，所述電壓處理電路用于 將處理后的電壓信號傳遞給幅相檢測電路，所述幅相檢測電路用于檢測電壓信號的幅度和 相位，并將電壓信號傳遞給微處理器，所述微處理器用于對電壓信號進行A/D采樣，得到人 體腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息。
[0008] 所述電壓測量電極、電流激勵電極均為兩對，第一對電壓測量電極、第一對電流激 勵電極用于測量人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電阻抗信息，第二對電壓測量電極、第二對電 流激勵電極用于測量人體腹部的皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的總電阻抗信息，兩對電壓測 量電極之間通過第一電極選通開關(guān)進行切換，兩對電流激勵電極之間通過第二電極選通開 關(guān)進行切換，所述微處理器用于接收智能終端的指令信號，輸出電極選通控制信號控制電 極選通開關(guān)的選通，分別控制兩對電壓測量電極之間的切換以及兩對電流激勵電極之間的 切換。由人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電阻抗信息Z SFA和皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的總電 阻抗信息ZWA+SFA計算出內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的電阻抗ZVFA采用如下公式。
[0009]
[0010] 本發(fā)明的脂肪含量計算公式為：
[0011] VFA = 〇i · ffc+〇2 · ffHR+〇3 · age+〇4 · sex+〇5 · Zvfa+ci6
[0012] SFA = Pi · Wc+02 · WHR+03 · age+04 · sex+05 · Zsfa+06
[0013] 其中(11、(12、€[3、€[4、€[5、€[6、01、02、03、04、05、06是方程的線性相關(guān)系數(shù)。皮下脂肪面積 SFA(Subcutaneous Fat Area)，內(nèi)臟脂肪面積 VFA(Visceral Fat Area)計算公式。其中個 性化參數(shù)包括年齡(age)、身高(Height)、腰圍(Wc:Waist circumference)、腰臀圍比(WHR: Waist-Hip Ratio)、腰圍身高比（WhtR:Waist_Height Ratio)、性別sex以及體重(Weight) 等相關(guān)基本信息。(^、(^、(^、(^、(^、(^上上上上^為脂肪含量計算公式中的系數(shù)沒系 數(shù)可以通過CT測量人體的質(zhì)量含量作為對比驗證實驗，就可以計算出這些系數(shù)的具體數(shù) 值。
[0014] 所述微處理器的頻率控制輸出端與信號發(fā)生器之間設(shè)有電容網(wǎng)絡(luò)和電容選擇開 關(guān)，所述微處理器用于控制電容選通開關(guān)選擇電容網(wǎng)絡(luò)中不同容值的電容，實現(xiàn)信號發(fā)生 器的頻率輸出切換。
[0015] 智能終端具有采集人體個性化參數(shù)以及微處理器上傳的各種參數(shù)，并且計算腹部 脂肪含量和運動能量消耗，并根據(jù)腹部脂肪含量及人體個性化參數(shù)制定不同強度的體能訓(xùn) 練方案等功能。且智能終端還具有參數(shù)異常判斷及異常報警等功能。智能終端計算運動能 量消耗是為了量化所指定的運動項目和運動方案所消耗的運動量。腹部脂肪含量的多少， 就要求每次運行消耗對應(yīng)的能量，脂肪含量越高就要求運動量就要增強，以此消耗更多的 能量。優(yōu)選地，所述智能終端為手持設(shè)備，如手機、平板等。所述無線通信模塊為藍牙模塊。
[0016] 所述體征參數(shù)采集單元包括光電傳感器和呼吸波傳感器，所述光電傳感器用于測 量人體脈搏、血氧飽和度信號并傳遞給微處理器，所述呼吸波傳感器用于檢測人體的呼吸 波運動信號并傳遞給微處理器。
[0017] 所述運動能量消耗測量單元包括心電電極和加速度傳感器，所述心電電極用于測 量人體心率信號，并傳遞給微處理器，用于基礎(chǔ)能量消耗計算，所述加速度傳感器用于測量 人體運動加速度信號，并傳遞給微處理器，用于運動對外能量消耗計算。
[0018] -種可穿戴式體能訓(xùn)練評估裝置，包括長袖衣服和指套，所述長袖衣服對應(yīng)人體 腹部、胸部處分別設(shè)置呼吸波傳感器，所述呼吸波傳感器內(nèi)嵌于衣服中，其兩端分別從衣服 設(shè)置的開口中伸出，呼吸波傳感器的兩外伸端通過長度調(diào)節(jié)扣連接，所述長袖衣服對應(yīng)腹 部處設(shè)置阻抗電極底座，用于安裝電壓測量電極、電流激勵電極，所述長袖衣服對應(yīng)人體左 右胸部處分別設(shè)置心電電極底座，用于安裝心電電極，所述長袖衣服對應(yīng)人體兩肩部分別 設(shè)置加速度傳感器，所述指套內(nèi)設(shè)置光電傳感器，光電傳感器的光檢測器接收管與發(fā)光二 極管分別內(nèi)嵌于指套內(nèi)同時置于被測部位的同側(cè)，所述指套與長袖衣服的袖口連接。所述 呼吸波傳感器、電壓測量電極、電流激勵電極、心電電極、加速度傳感器、光電傳感器均與一 控制器電連接。所述控制器包括微處理器、信號發(fā)生器。所述光電傳感器用于測量人體脈 搏、血氧飽和度信號并傳遞給微處理器，所述呼吸波傳感器用于檢測人體的呼吸波運動信 號并傳遞給微處理器，所述心電電極用于測量人體心率信號，并傳遞給微處理器，所述加速 度傳感器用于測量人體運動加速度信號，并傳遞給微處理器。所述微處理器用于接收智能 終端下發(fā)的指令信號，分別輸出波形控制信號、頻率控制信號控制信號發(fā)生器的輸出頻率 以及波形，所述信號發(fā)生器用于將輸出的電壓信號經(jīng)濾波、放大后傳遞給電壓電流轉(zhuǎn)換電 路，所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路用于將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柡螅敵鼋o電流激勵電極，所述 電壓測量電極用于測量施加于人體電流源產(chǎn)生的相應(yīng)頻率的電壓信號，并將得到的電壓信 號傳遞給電壓處理電路進行信號處理，所述電壓處理電路用于將處理后的電壓信號傳遞給 幅相檢測電路，所述幅相檢測電路用于檢測電壓信號的幅度和相位，并將電壓信號傳遞給 微處理器。
[0019] 指套采用避光的且柔軟的材料，如乳膠。指套為食指指套。
[0020] 所述衣服為長袖T恤。
[0021] 本發(fā)明具有的優(yōu)點是：由于本發(fā)明根據(jù)單兵體能個性差異性例如人體不同體型、 體重、體脂百分比等，需要選擇多大運動強度、每次運動需要多少能量消耗等都可以進行定 量分析。本可穿戴式單兵體能訓(xùn)練裝置首先通過對單兵的腹部脂肪含量做定量分析;然后 根據(jù)單兵腹部脂肪含量及單兵體型、體重、腰圍等個性化參數(shù)制定不同強度的體能訓(xùn)練，而 體能訓(xùn)練的強度主要由運動能量消耗衡量。最后，為了防止運動過量而造成單兵運動損傷 甚至運動休克等，對單兵運動時顯著變化的脈搏、呼吸、血氧飽和度等體征參數(shù)進行監(jiān)測。 所以可穿戴式單兵體能訓(xùn)練裝置不僅可以促進單兵血液循環(huán)，調(diào)節(jié)心肺功能，增強肌肉的 興奮性和柔韌性，而且還可以避免運動損傷。同時，為了使可穿戴式單兵體能訓(xùn)練評估裝置 對單兵的日常體能訓(xùn)練不會造成任何的干擾與限制，就要求系統(tǒng)體積小、重量輕、佩戴攜帶 方便，對場地、氣候條件和周邊環(huán)境要求較低，操作簡單，生產(chǎn)成本較低，適合于大樣本人群 的體能普考和成績評定工作。
[0022]所述電壓測量電極、電流激勵電極均為兩對，第一對電壓測量電極、第一對電流激 勵電極用于測量人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電阻抗信息，第二對電壓測量電極、第二對電 流激勵電極用于測量人體腹部的皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的總電阻抗信息，兩對電壓測 量電極之間通過第一電極選通開關(guān)進行切換，兩對電流激勵電極之間通過第二電極選通開 關(guān)進行切換，所述微處理器用于接收智能終端的指令信號，輸出電極選通控制信號控制電 極選通開關(guān)的選通，分別控制兩對電壓測量電極之間的切換以及兩對電流激勵電極之間的 切換。所述電極選通開關(guān)采用數(shù)字控制模擬電子開關(guān)。通過智能終端即可控制兩對電壓測 量電極之間的切換以及兩對電流激勵電極之間的切換，實現(xiàn)人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電 阻抗信息的測量以及人體腹部的皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的總電阻抗信息的測量，操作 方便、快捷。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)的示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明的可穿戴式體能訓(xùn)練評估裝置的電路原理框圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明的可穿戴式體能訓(xùn)練評估裝置的穿戴示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 參見圖1和圖2,一種可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)，包括智能終端、微處理器、體征 參數(shù)采集單元、運動能量消耗測量單元和腹部脂肪含量測量單元，所述智能終端用于采集、 存儲人體個性化參數(shù)，所述智能終端用于發(fā)送指令信號給微處理器，所述微處理器用于控 制腹部脂肪含量測量單元采集腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息，并將采集的腹部相應(yīng)脂肪 深度的電阻抗信息通過無線通信模塊傳遞給智能終端，所述智能終端用于利用腹部相應(yīng)脂 肪深度的電阻抗信息和人體個性化參數(shù)計算腹部脂肪含量，并根據(jù)腹部脂肪含量及人體個 性化參數(shù)制定相應(yīng)強度的體能訓(xùn)練方案;所述微處理器用于控制運動能量消耗測量單元采 集人體運動心率、運動加速度，并將采集的人體運動心率、運動加速度通過無線通信模塊傳 遞給智能終端，所述智能終端用于利用人體運動心率、運動加速度和人體個性化參數(shù)計算 運動能量消耗;所述微處理器用于控制體征參數(shù)采集單元采集人體體征參數(shù)，并將采集的 人體體征參數(shù)通過無線通信模塊傳遞給智能終端，所述智能終端用于判斷體征參數(shù)是否異 常，輸出報警信號。
[0027]所述無線通信模塊為藍牙模塊。藍牙模塊與微處理器采用藍牙主機控制接口 HCI (Host Controller Interface)與通用異步收發(fā)器(UART)連接，且該無線通信模塊采用的 藍牙通信模塊適用于各種近距離無線數(shù)據(jù)傳輸，采用UART/RS232接口，串口速率可調(diào)，可以 實現(xiàn)點對點或點對多點的全透明數(shù)據(jù)傳輸。無線通信模塊主要任務(wù)是完成腹部脂肪含量測 量單元、運動能量消耗測量單元與體征參數(shù)采集單元等采集到的單兵生理與運動狀態(tài)信息 傳輸至PDA或接收從PDA發(fā)送的一些控制命令信息。
[0028]所述腹部脂肪含量測量單元包括信號發(fā)生器、電壓測量電極和電流激勵電極，所 述微處理器用于接收智能終端下發(fā)的指令信號，分別輸出波形控制信號、頻率控制信號控 制信號發(fā)生器的輸出頻率以及波形，所述信號發(fā)生器用于將輸出的電壓信號經(jīng)濾波、放大 后傳遞給電壓電流轉(zhuǎn)換電路，所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路用于將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柡螅?輸出給電流激勵電極，所述電壓測量電極用于測量施加于人體電流源產(chǎn)生的相應(yīng)頻率的電 壓信號，并將得到的電壓信號傳遞給電壓處理電路進行信號處理，所述電壓處理電路用于 將處理后的電壓信號傳遞給幅相檢測電路，所述幅相檢測電路用于檢測電壓信號的幅度和 相位，并將電壓信號傳遞給微處理器，所述微處理器用于對電壓信號進行A/D采樣，得到人 體腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息。
[0029] 所述微處理器的頻率控制輸出端與信號發(fā)生器之間設(shè)有電容網(wǎng)絡(luò)和電容選擇開 關(guān)，所述微處理器用于控制電容選通開關(guān)選擇電容網(wǎng)絡(luò)中不同容值的電容，實現(xiàn)信號發(fā)生 器的頻率輸出切換。電容網(wǎng)絡(luò)中有8個不同容值的電容，所以得到八個不同頻率的恒定電 壓，其頻率依次為從而實現(xiàn)信號頻率范圍從5KHz到ΙΜΗζ (5ΚΗζ、25ΚΗζ、50ΚΗζ、100ΚΗz、 250KHz、500KHz、800KHz、ΙΟΟΟΚΗζ)八個頻率點之間相互轉(zhuǎn)換。腹部電阻抗測量的電流源通 過信號發(fā)生器MAX038產(chǎn)生電壓信號，通過微處理器控制電容選通開關(guān)依次選擇電容網(wǎng)絡(luò)中 不同容值的電容，實現(xiàn)電流源的頻率切換，為了濾除高頻干擾與獲得更大的驅(qū)動能力，信號 波形從MAX038輸出后，使其通過一個2MHz的LC低通濾波電路，并經(jīng)過進行功率電壓放大。由 于本發(fā)明采用的是電流激勵電壓測量，所以需要將信號發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?信號。經(jīng)過電壓電流轉(zhuǎn)換單元，最終激勵信號發(fā)生器輸出為5KHz~1MHz、峰峰值為500μΑ的 可調(diào)多頻激勵電流源。然后通過電極線安置于電流激勵電極底座上，電壓測量電極分別測 量施加于人體電流源產(chǎn)生的相應(yīng)頻率的電壓信號，并對得到的電壓信號進行相應(yīng)的處理， 通過幅相檢測電路得到以電壓的形式輸出幅度比和相位差，通過A/D得到不同頻率電流施 加于人體產(chǎn)生的電壓信號，計算出各個頻率的人體腹部電阻抗信號，然后求平均值。當然， 也可使信號發(fā)生器恒定輸出特定頻率的激勵電流源，如本實施例的信號發(fā)生器恒定輸出 50ΚΗζ、峰峰值為500μ Α的激勵電流源，計算出50ΚΗζ頻率的人體腹部電阻抗。
[0030] 本發(fā)明的腹部脂肪含量的測量主要采用生物電阻抗法。所述電壓測量電極、電流 激勵電極均為兩對，且為紐扣式電極。第一對電壓測量電極、第一對電流激勵電極用于測量 人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電阻抗信息，第二對電壓測量電極、第二對電流激勵電極用于 測量人體腹部的皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的總電阻抗信息，兩對電壓測量電極之間通過 第一電極選通開關(guān)進行切換，兩對電流激勵電極之間通過第二電極選通開關(guān)進行切換，所 述微處理器用于接收智能終端的指令信號，輸出電極選通控制信號控制電極選通開關(guān)的選 通，分別控制兩對電壓測量電極之間的切換以及兩對電流激勵電極之間的切換。所述電極 選通開關(guān)采用數(shù)字控制模擬電子開關(guān)。通過智能終端即可控制兩對電壓測量電極之間的切 換以及兩對電流激勵電極之間的切換，實現(xiàn)人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電阻抗信息的測量 以及人體腹部的皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的總電阻抗信息的測量，操作方便、快捷。
[0031] 參見圖2和圖3,為一種可穿戴式體能訓(xùn)練評估裝置，包括長袖衣服和指套7,所述 長袖衣服對應(yīng)人體腹部、胸部處分別設(shè)有呼吸波傳感器，所述呼吸波傳感器內(nèi)嵌于衣服中， 其兩端分別從衣服設(shè)有的開口中伸出，呼吸波傳感器的兩外伸端通過長度調(diào)節(jié)扣3連接，所 述長袖衣服對應(yīng)腹部處設(shè)有阻抗電極底座1，用于安裝電壓測量電極、電流激勵電極，所述 長袖衣服對應(yīng)人體左右胸部處分別設(shè)有心電電極底座6,用于安裝心電電極，所述長袖衣服 對應(yīng)人體兩肩部分別設(shè)有加速度傳感器5,所述指套內(nèi)設(shè)有光電傳感器，光電傳感器的光檢 測器接收管與發(fā)光二極管分別內(nèi)嵌于指套內(nèi)同時置于被測部位的同側(cè)，所述指套與長袖衣 服的袖口連接。所述呼吸波傳感器、電壓測量電極、電流激勵電極、心電電極、加速度傳感 器、光電傳感器均與一控制器電連接。所述控制器包括微處理器、信號發(fā)生器。所述光電傳 感器用于測量人體脈搏、血氧飽和度信號并傳遞給微處理器，所述呼吸波傳感器用于檢測 人體的呼吸波運動信號并傳遞給微處理器，所述心電電極用于測量人體心率信號，并傳遞 給微處理器，所述加速度傳感器用于測量人體運動加速度信號，并傳遞給微處理器。所述微 處理器用于接收智能終端下發(fā)的指令信號，分別輸出波形控制信號、頻率控制信號控制信 號發(fā)生器的輸出頻率以及波形，所述信號發(fā)生器用于將輸出的電壓信號經(jīng)濾波、放大后傳 遞給電壓電流轉(zhuǎn)換電路，所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路用于將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柡?，輸?給電流激勵電極，所述電壓測量電極用于測量施加于人體電流源產(chǎn)生的相應(yīng)頻率的電壓信 號，并將得到的電壓信號傳遞給電壓處理電路進行信號處理，所述電壓處理電路用于將處 理后的電壓信號傳遞給幅相檢測電路，所述幅相檢測電路用于檢測電壓信號的幅度和相 位，并將電壓信號傳遞給微處理器。其中心率、加速度、呼吸、脈搏血氧等傳感器檢測心率、 加速度、呼吸、脈搏血氧，并將檢測的實時數(shù)據(jù)信號經(jīng)過濾波電路、信號放大電路、A/D處理 給微處理器。指套采用避光的且柔軟的材料，如乳膠。指套為食指指套。所述衣服為T恤。本 實施例在T恤肚臍處并排分別安裝8個阻抗電極底座1，用于分別安裝電壓測量電極、電流激 勵電極。阻抗電極底座為紐扣式電極底座，電極采用"紡織式"電極、可隱藏電纜線、可拆洗 性、舒適性及安全性高。所有電極位于同一水平線上。每對電壓測量電極、電流激勵電極均 以肚臍為中心布置。其中第一對電壓測量電極的第一電壓測量電極〇1與第二電壓測量電 極2〇之間的距離為10cm。第二對電壓測量電極的第三電壓測量電極3 ?與第四電壓測量電 極〇4之間的距離為14cm。第一對電流激勵電極的第七電流激勵電極〇7與第八電流激勵電 極8〇之間的距離為30cm。第二對電流激勵電極的第五電流激勵電極5 ?與第六電流激勵電 極6 ?之間距離為24cm。腹部脂肪含量測量單元通過微處理器控制數(shù)字控制模擬電子開關(guān) 作為電極選通開關(guān)，當選通第二對電流激勵電極的第五電流激勵電極5?與第六電流激勵 電極〇6施加于人體時，相應(yīng)的第二對電壓測量電極的第三電壓測量電極3〇與第四電壓測 量電極〇4測量相應(yīng)的電壓，此時得到的電阻抗為Z SFA，即人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電阻 抗信息；當選通第一對電流激勵電極的第七電流激勵電極〇7與第八電流激勵電極8?施加 于人體時，相應(yīng)的第一對電壓測量電極的第一電壓測量電極〇1與第二電壓測量電極2 ?測 量相應(yīng)的電壓，此時得到的電阻抗為ZSFA+VFA，即人體腹部的皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的 總電阻抗信息。由人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電阻抗信息Zsfa和皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對 應(yīng)的總電阻抗信息ZWA+SFA計算出內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的電阻抗Z VFA采用如下公式。
[0032]
[0033] 那么根據(jù)人體腹部特殊部位選擇合適的電極數(shù)量及電極布置方式，可以使測量結(jié) 果更加準確，并且可以減少電極極化和人體與電極間的接觸阻抗對測量的影響。
[0034]本發(fā)明的脂肪含量計算公式為：
[0035] VFA = 〇i · ffc+〇2 · ffHR+〇3 · age+〇4 · sex+〇5 · Zvfa+ci6
[0036] SFA = Pi · Wc+02 · WHR+03 · age+04 · sex+05 · Zsfa+06
[0037] 其中€[1、€12、€[3、€ [4、€[5、€[6^2^4^ 6是方程的線性相關(guān)系數(shù)。皮下脂肪面積 SFA(Subcutaneous Fat Area)，內(nèi)臟脂肪面積 VFA(Visceral Fat Area)計算公式。其中個 性化參數(shù)包括年齡(age)、身高(Height)、腰圍(Wc:Waist circumference)、腰臀圍比(WHR: Waist-Hip Ratio)、腰圍身高比（WhtR:Waist_Height Ratio)、性別sex以及體重(Weight) 等相關(guān)基本信息。(^、(^、(^、(^、(^、(^上上上上^為脂肪含量計算公式中的系數(shù)沒系 數(shù)可以通過CT測量人體的質(zhì)量含量作為對比驗證實驗，就可以計算出這些系數(shù)的具體數(shù) 值。
[0038] 所述體征參數(shù)采集單元包括光電傳感器和呼吸波傳感器，所述光電傳感器用于測 量人體脈搏、血氧飽和度信號并傳遞給微處理器，所述呼吸波傳感器用于檢測人體的呼吸 波運動信號并傳遞給微處理器。體征參數(shù)采集模塊測量與運動相關(guān)的單兵體征參數(shù)主要采 集運動時脈搏、血氧飽和度與呼吸等體征參數(shù)。呼吸波傳感器包括腹部呼吸傳感器2和胸部 呼吸傳感器4。測量血液容積波變化得到，光電容積脈搏波法反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)光 檢測器接收管與發(fā)光二極管分別內(nèi)嵌于食指乳膠指套7內(nèi)同時置于被測部位的同側(cè)。所以， 當發(fā)光二極管的產(chǎn)生的光波施加于人體食指時，一部分光強被組織吸收而其他一部分光強 卻被散射，所以光電容積脈搏波法反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)就是通過光檢測器接收管接 收到這部分光強以此來計算血氧飽和度。本發(fā)明的呼吸測量主要包括腹部呼吸及胸部呼吸 測量，其傳感器采用壓電薄膜PVDF制作的可穿戴式傳感器HXB-2型呼吸波傳感器，該傳感器 為壓電式胸帶或腹帶固定式呼吸傳感器，可用于無損傷檢測單兵的呼吸波運動波形。使用 方便、可靠、靈敏度高、耐用。同時，由于其柔軟舒適的制造材料，當固定于人體胸、腹部時候 對人體正生理狀態(tài)沒有任何影響，且抗干擾能力強，適合動態(tài)監(jiān)測；同時該傳感器像抽繩外 套的抽繩內(nèi)嵌于衣服中，且在胸或腹后接頭處有長度調(diào)節(jié)扣3,通過該長度調(diào)節(jié)扣調(diào)整傳感 器長度適應(yīng)不同胖瘦人體測量的需要，方便被檢測者的佩戴且不影響正常生活行為?？梢?無損傷檢測人的呼吸運動波形，其輸出量為20mv左右的模擬電壓信號，且頻率響應(yīng)范圍廣。
[0039] 所述運動能量消耗測量單元包括心電電極和加速度傳感器5,所述心電電極用于 測量人體心率信號，并傳遞給微處理器，用于基礎(chǔ)能量消耗測量，所述加速度傳感器用于測 量人體運動加速度信號，并傳遞給微處理器，用于運動對外能量消耗測量。人體運動能量消 耗測量主要包括基礎(chǔ)能量消耗測量和運動對外能量消耗測量。基礎(chǔ)能量消耗主要與單兵運 動心率和個性化參數(shù)相關(guān)。運動對外能量消耗主要與單兵運動加速度和個性化參數(shù)有關(guān)。 本發(fā)明的能量消耗計算方法可以采用申請?zhí)枮?01210249466.6,公開號為102727185的專 利申請的技術(shù)方案中的計算方法。
[0040] 其中基礎(chǔ)能量消耗中心率的測量采用紐扣式電極測量心電得到，在T恤左右胸處 分別安裝心電電極底座6,用于安裝心電電極。心電電極底座為紐扣式電極底座。其四周內(nèi) 嵌在T恤內(nèi)且無縫連接，當測量心率時，只要通過將紐扣式電極按壓在電極底座上即可。該 紐扣式電極底座只有紐扣般大小，不會對人體活動造成任何干擾，且對T恤有一定修飾作 用。運動對外能量消耗中運動加速度測量采用的是MMA7260加速度傳感器，MMA7260加速度 傳感器具有體積小、成本低、功耗低、高靈敏度的優(yōu)異特性，這既保證了整個士兵狀態(tài)監(jiān)測 器體積小、質(zhì)量輕、易佩戴，又能有效地采集運動引起的加速度信號用于人體活動和姿態(tài)檢 測。該加速度傳感器分別置于人體兩肩部。
[0041] 本可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)為了促進單兵血液循環(huán)，調(diào)節(jié)心肺功能，增強肌肉 的興奮性和柔韌性，避免運動損傷。針對衛(wèi)勤訓(xùn)練時單兵體能的差異性例如人體不同體型、 體重、體脂百分比等，需要選擇多大運動強度、每次運動需要多少能量消耗等都進行了定量 分析。同時，為了使可穿戴式單兵體能訓(xùn)練評估裝置對單兵的日常體能訓(xùn)練不會造成任何 的干擾與限制，就要求系統(tǒng)體積小、重量輕、佩戴攜帶方便，對場地、氣候條件和周邊環(huán)境要 求較低，操作簡單，生產(chǎn)成本較低，適合于大樣本人群的體能普考和成績評定工作。本發(fā)明 不僅僅可以適用于單兵體能訓(xùn)練監(jiān)測評估，且還可以適用于個人家庭體能訓(xùn)練監(jiān)測評估、 運動員體能訓(xùn)練監(jiān)測評估等。
[0042] 本可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)的研究中單兵腹部脂肪含量的檢測，根據(jù)單兵腹部 脂肪不同深度的分布特點，建立了單兵皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪的電阻抗模型;通過建立的單 兵腹部脂肪的電阻抗模型，結(jié)合影響單兵腹部脂肪的相關(guān)因子，構(gòu)建了計算單兵的腹部脂 肪含量的計算公式;通過CT的對比驗證實驗，驗證計算單兵腹部脂肪含量公式的泛化能力； 同時，生物電阻抗法單兵成分測量時可穿戴化的實現(xiàn);為了方便單兵日常體能訓(xùn)練的方便 佩帶，單兵腹部脂肪檢測系統(tǒng)中的測量電極系統(tǒng)采用"紡織式"電極、可隱藏電纜線、可拆洗 性、舒適性及安全性高。單兵腹部脂肪含量的測量主要采用生物電阻抗，基于生物電阻抗法 的單兵腹部脂肪檢測技術(shù)研究的目標是建立單兵腹部脂肪含量的評價標準。通過得到的單 兵腹部脂肪含量的數(shù)據(jù)，進而對單兵的健康標準以及其他一些人體的個性化參數(shù)進行參考 分析。主要內(nèi)容包括腹部脂肪的電阻抗數(shù)學(xué)模型的建立。根據(jù)人體腹部脂肪按不同深度分 布特點及人體腹部脂肪的電阻抗特性，建立人體皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪的電阻抗模型，該模 型要求可以分別測量人體腹部不同深度脂肪的電阻抗信息，而且要求可以避免之間的相互 干擾。
[0043] 本可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)的研究中單兵運動能量消耗的建模，提出了一種基 于運動基礎(chǔ)能量消耗和運動對外能量消耗的復(fù)合模型，參見申請?zhí)枮?01210249466.6,公 開號為102727185的專利申請。該模型綜合了單兵運動時的心率、加速度和單兵個性化參 數(shù)。通過分析單兵心率與運動的關(guān)系，建立運動基礎(chǔ)能量消耗和心率、個性化參數(shù)之間的線 性回歸模型；據(jù)力學(xué)做功定義建立運動對外能量消耗和運動加速度、體重等單兵個性化參 數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型;然后綜合單兵的個性化參數(shù)、加速度、心率計算單兵運動能量消耗值。 對提出的基于心率、加速度和單兵個性化參數(shù)的單兵運動能量消耗數(shù)學(xué)模型的泛化公式結(jié) 合設(shè)計跑步機上顯示的運動能量消耗做對比驗證實驗，同時，利用對實驗過程中采集的數(shù) 據(jù)進行多元線性回歸分析，解析運動能量消耗與其相關(guān)參數(shù)之間的線性回歸系數(shù);最后將 由泛化公式計算出來的單兵運動能量消耗與跑步機上顯示的運動能量消耗進行對比，驗證 其精度。本項目建立的單兵運動能量消耗模型，能滿足單兵運動能量消耗測量的要求。所設(shè) 計的單兵運動能量消耗的采集系統(tǒng)可以快捷、準確地采集單兵運動時的心率和加速度。然 后通過智能終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和整合，并設(shè)計實驗對模型的精度進行驗證。
[0044] 可穿戴式單兵體能訓(xùn)練評估裝置的研究中單兵生命體征參數(shù)的選擇，選擇單兵運 動時脈搏、呼吸、血氧飽和度等隨運動變化比較顯著的體征參數(shù)，其中脈搏、血氧飽和度可 根據(jù)可穿戴式光電傳感器測量血液容積波變化得到。而可穿戴式呼吸監(jiān)測主要方法有口鼻 氣流法、電阻抗體積描記和感應(yīng)體積描記技術(shù)?？诒菤饬鞣ǖ膫鞲衅髋鍘Р环奖悖瑢Υ┐髡?的日常行為習(xí)慣會造成一定干擾；電阻抗體積描記不準確而且易引入運動偽跡;而感應(yīng)體 積描記技術(shù)是目前認為最準確、簡單、易穿戴的方法。本可穿戴式單兵體能訓(xùn)練評估裝置的 呼吸采用壓電薄膜PVDF制作的可穿戴式傳感器HXB-2型呼吸波傳感器，該傳感器為壓電式 胸帶(或腹帶）固定式呼吸傳感器，可用于無損傷檢測單兵的呼吸波運動波形。使用方便、可 靠、靈敏度高、耐用。
[0045] 本單兵體能訓(xùn)練評估裝置根據(jù)單兵腹部脂肪含量、單兵運動能量消耗、單兵生命 體征參數(shù)從而制定單兵不同訓(xùn)練方案。首先根據(jù)單兵腹部脂肪含量的測定，選擇制定衛(wèi)勤 保障訓(xùn)練模式、訓(xùn)練強度，保證單兵完成每天日常運動能量消耗。其次，根據(jù)單兵不同個體 每天完成日常運動能量消耗目標的同時，要時刻檢測體能運動訓(xùn)練時單兵的呼吸、脈搏、血 氧飽和度等隨運動變化顯著的生理參數(shù)，防止因運動過量而造成運動休克。所以單兵體能 訓(xùn)練評估系統(tǒng)訓(xùn)練評估方案制定要根據(jù)單兵體能個性差異性例如人體不同體型、體重、體 脂百分比等，需要選擇多大運動強度、每次運動需要多少能量消耗等都需要定量分析。所 以，可穿戴式單兵體能訓(xùn)練裝置可以促進單兵血液循環(huán)，調(diào)節(jié)心肺功能，增強肌肉的興奮性 和柔韌性，避免運動損傷甚至運動休克等。
[0046]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的 這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些 改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種可穿戴式體能訓(xùn)練評估系統(tǒng)，其特征在于:包括智能終端、微處理器、體征參數(shù) 采集單元、運動能量消耗測量單元和腹部脂肪含量測量單元，所述智能終端用于采集、存儲 人體個性化參數(shù)，所述智能終端用于發(fā)送指令信號給微處理器，所述微處理器用于控制腹 部脂肪含量測量單元采集腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息，并將采集的腹部相應(yīng)脂肪深度 的電阻抗信息通過無線通信模塊傳遞給智能終端，所述智能終端用于利用腹部相應(yīng)脂肪深 度的電阻抗信息和人體個性化參數(shù)計算腹部脂肪含量，并根據(jù)腹部脂肪含量及人體個性化 參數(shù)制定相應(yīng)強度的體能訓(xùn)練方案;所述微處理器用于控制運動能量消耗測量單元采集人 體運動心率、運動加速度，并將采集的人體運動心率、運動加速度通過無線通信模塊傳遞給 智能終端，所述智能終端用于利用人體運動心率、運動加速度和人體個性化參數(shù)計算運動 能量消耗;所述微處理器用于控制體征參數(shù)采集單元采集人體體征參數(shù)，并將采集的人體 體征參數(shù)通過無線通信模塊傳遞給智能終端，所述智能終端用于判斷體征參數(shù)是否異常， 輸出報警信號。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述腹部脂肪含量測量單元包括信號發(fā)生 器、電壓測量電極和電流激勵電極，所述微處理器用于接收智能終端下發(fā)的指令信號，分別 輸出波形控制信號、頻率控制信號控制信號發(fā)生器的輸出頻率以及波形，所述信號發(fā)生器 用于將輸出的電壓信號經(jīng)濾波、放大后傳遞給電壓電流轉(zhuǎn)換電路，所述電壓電流轉(zhuǎn)換電路 用于將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柡?，輸出給電流激勵電極，所述電壓測量電極用于測量施 加于人體電流源產(chǎn)生的相應(yīng)頻率的電壓信號，并將得到的電壓信號傳遞給電壓處理電路進 行信號處理，所述電壓處理電路用于將處理后的電壓信號傳遞給幅相檢測電路，所述幅相 檢測電路用于檢測電壓信號的幅度和相位，并將電壓信號傳遞給微處理器，所述微處理器 用于對電壓信號進行A/D采樣，得到人體腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述電壓測量電極、電流激勵電極均為兩 對，第一對電壓測量電極、第一對電流激勵電極用于測量人體腹部的皮下脂肪對應(yīng)的電阻 抗信息，第二對電壓測量電極、第二對電流激勵電極用于測量人體腹部的皮下脂肪和內(nèi)臟 脂肪所對應(yīng)的總電阻抗信息，兩對電壓測量電極之間通過第一電極選通開關(guān)進行切換，兩 對電流激勵電極之間通過第二電極選通開關(guān)進行切換，所述微處理器用于接收智能終端的 指令信號，輸出電極選通控制信號控制電極選通開關(guān)的選通，分別控制兩對電壓測量電極 之間的切換以及兩對電流激勵電極之間的切換。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述微處理器的頻率控制輸出端與信號發(fā) 生器之間設(shè)有電容網(wǎng)絡(luò)和電容選擇開關(guān)，所述微處理器用于控制電容選通開關(guān)選擇電容網(wǎng) 絡(luò)中不同容值的電容，實現(xiàn)信號發(fā)生器的頻率輸出切換。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述智能終端為手持設(shè)備。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述無線通信模塊為藍牙模塊。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述體征參數(shù)采集單元包括光電傳感器和 呼吸波傳感器，所述光電傳感器用于測量人體脈搏、血氧飽和度信號并傳遞給微處理器，所 述呼吸波傳感器用于檢測人體的呼吸波運動信號并傳遞給微處理器。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述運動能量消耗測量單元包括心電電極 和加速度傳感器，所述心電電極用于測量人體心率信號，并傳遞給微處理器，用于基礎(chǔ)能量 消耗計算，所述加速度傳感器用于測量人體運動加速度信號，并傳遞給微處理器，用于運動 對外能量消耗計算。9. 一種可穿戴式體能訓(xùn)練評估裝置，其特征在于:包括長袖衣服和指套，所述長袖衣服 對應(yīng)人體腹部、胸部處分別設(shè)置呼吸波傳感器，所述呼吸波傳感器內(nèi)嵌于衣服中，其兩端分 別從衣服設(shè)置的開口中伸出，呼吸波傳感器的兩外伸端通過長度調(diào)節(jié)扣連接，所述長袖衣 服對應(yīng)腹部處設(shè)置阻抗電極底座，用于安裝電壓測量電極、電流激勵電極，所述長袖衣服對 應(yīng)人體左右胸部處分別設(shè)置心電電極底座，用于安裝心電電極，所述長袖衣服對應(yīng)人體兩 肩部分別設(shè)置加速度傳感器，所述指套內(nèi)設(shè)置用于測量人體脈搏、血氧飽和度信號的光電 傳感器，光電傳感器的光檢測器接收管與發(fā)光二極管分別內(nèi)嵌于指套內(nèi)同時置于被測部位 的同側(cè)，所述指套與長袖衣服的袖口連接，所述呼吸波傳感器、電壓測量電極、電流激勵電 極、心電電極、加速度傳感器、光電傳感器均與一控制器電連接。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于:所述衣服為T恤。
【文檔編號】A61B5/1455GK106037738SQ201610540937
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】萇飛霸, 尹軍, 陳維平, 顏樂先, 徐力, 魏安海, 周德強
【申請人】中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院