CN107050828A - 一种基于肌肉质量测定的智能化力量训练方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于肌肉质量测定的智能化力量训练方法，其特征是设置基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械，其由控制单元、肌肉力量测试与训练单元、肌肉量测定单元构成，通过等速向心运动获得人各部位的最大力量，通过生物电阻抗方法获得人体各部位的肌肉量，通过肌肉质量的评估模型，获得人体各部位和全身的肌肉质量评价结果，并根据肌肉质量的测定情况，给出可在设备中执行的力量训练方案，并对训练结果进行评估。本发明可以广泛应用于人体肌肉质量测评，用来评估人体肌肉衰老情况，并利用肌肉质量评估结果给出针对性的训练方案，预防和治疗肌肉衰老，从而实现科学运动。
Description
本申请是申请日为20150805、申请号为201510474755X、发明名称为一种基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械及训练方法、申请人为中国科学院合肥物质科学研究院的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种智能型力量训练器，特别是一种集成有人体肌肉质量测量装置，并针对测定结果进行针对性力量训练的器械和实现方法。
背景技术
随着人体的衰老，人的肌肉量下降幅度远远小于肌肉力量，这表明了肌肉质量在下降。从专业角度来说，人体肌肉量是指人体某个部位或者整体的肌肉量，肌肉最大力量是指人体或某部分用最大力量克服阻力的能力，主要表现为肌肉收缩强度最大时输出的力量值。通常是某个特定的动作一次可负载的最大重量。肌肉功率是肌肉力量和收缩速度的乘积，表现为肌肉快速用力的能力，其单位为瓦(W)。从肌肉功率的变化情况可以判断肌肉间的相互协调能力，肌肉发挥力量以及速度的综合能力。肌肉质量是指身体某个区域单位肌肉量的肌肉力量，即通过测定最大肌肉力量或肌肉功率和人体的肌肉量可以得到人体的肌肉质量。随着年龄的增长，肌肉功率的下降速度要大于肌肉最大力量，肌肉最大力量的下降速度大于肌肉量的下降速度。单纯的测定人体的肌肉量并不能衡量人体的肌肉变化情况，单纯的测定肌肉最大力量或者肌肉功率，也不能反映肌肉的生理和临床的变化，也就是肌肉的组织的衰老情况。
目前在肌肉质量对健康的影响已经渐渐被深入研究，如雅典乔治大学ChadR.Straight发表的《Muscle Quality in Older Adults》研究了肌肉质量和老年人健康的关系，美国马里兰大学的Fozard发表的《muscle quality.I.Age-associated differencesbetween arm and leg muscle groups》不同部位的肌肉质量随年龄的变化关系，但是目前尚无较为全面易用的人体肌肉质量测评和锻炼工具，临床上通过CT或者MRI或DXA来测定肌肉体积或质量，肌肉最大力量或功率通过等速力量训练器或标准测力座椅来测定，这种方法实现起来较为复杂，不利于普通大众使用和科研成果的推广。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种尤其是应用于康复，也可以广泛应用于人体肌肉质量测评的基于肌肉质量测定的智能化力量训练方法，利用肌肉质量评估结果给出针对性的训练方案，应用于健康康复领域。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械的特点是所述训练器械包括如下各单元：
控制单元，以底座为支撑，利用直立在底座一端的立柱设置可在水平面内转动的悬臂，在所述悬臂的远端设置呈直立的转向支撑轴，在所述转向支撑轴的顶部设置带有显示屏以及数据采集和传输部件的主电脑控制器；
肌肉力量测试与训练单元，在底座上设置用于支撑人体、并可通过姿态控制杆调整人体姿态的可调节人体支撑台，多关节适配器作为主电脑控制器的外设设置在主电脑控制器的一侧，所述多关节适配器可接入包含肘关节、膝关节和髋关节的各等速训练关节附件；所述多关节适配器：
其利用髋关节等速适配器控制髋关节等速向心运动，并测试髋关节等速向心运动时的最大力量，获得躯干向心运动最大力量MS5；
其利用左上肢肘关节等速适配器控制左上肢等速向心运动，并测试左上肢等速向心运动时的最大力量，获得左上肢向心运动最大力量MS1；
其利用右上肢肘关节等速适配器控制右上肢等速向心运动，并测试右上肢等速向心运动时的最大力量，获得右上肢向心运动最大力量MS2；
其利用左下肢膝关节等速适配器控制左下肢等速向心运动，并测试左下肢等速向心运动时的最大力量，获得左下肢向心运动最大力量MS3；
其利用右下肢膝关节等速适配器控制右下肢等速向心运动，并测试右下肢等速向心运动时的最大力量，获得右下肢向心运动最大力量MS4；
肌肉量测定单元，包括体重传感器和生物电阻抗测定传感器；
所述体重传感器固定设置在圆盘状基座上，用于测量使用者的体重；
所述生物电阻抗测定传感器是由激发电极和检测电极构成各对电极，使用者的手和脚分别与对电极相接触，用于获取使用者身体各个部位的阻抗值，并通过计算获取使用者身体各部位的肌肉量MM，包括左上肢肌肉量MM1、右上肢肌肉量MM2、左下肢肌肉量MM3、右下肢肌肉量MM4，以及躯干肌肉量MM5。
本发明基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械的结构特点也在于：所述的主电脑控制器包括有信息输入模块、显示模块、通信模块、数据存储模块，数据处理模块和电源模块；所述通信部件包括有WIFI模块、网口、串口和USB口；所述WIFI模块和网口用于局域网或互联网的数据通信，所述串口和USB接口通过数据采集和传输部件与所述肌肉力量测试与训练单元进行数据通信。
利用本发明中基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械进行肌肉力量训练的方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1：建立人群肌肉质量样本库，在所述人群肌肉质量样本库中按不同的性别和年龄分别建立肌肉质量标准，包括人体各部位肌肉质量标准和人体全身肌肉质量标准；将人体各部位肌肉质量和人体全身肌肉质量分别划分为10个肌肉等级，对应于不同的肌肉等级分别给定肌肉力量训练方案；
步骤2：利用所述多关节适配器分别获得躯干向心运动最大力量MS5、左上肢向心运动最大力量MS1、右上肢向心运动最大力量MS2、左下肢向心运动最大力量MS3和右下肢向心运动最大力量MS4；利用所述生物电阻抗测定传感器分别获得人体各部位肌肉质量，包括躯干肌肉量MM5、左上肢肌肉量MM1、右上肢肌肉量MM2、左下肢肌肉量MM3和右下肢肌肉量MM4；
则有：
人体左上肢肌肉质量MQ1为：MQ1＝MS1/MM1；
人体右上肢肌肉质量MQ2为：MQ2＝MS2/MM2；
人体左下肢肌肉质量MQ3为：MQ3＝MS3/MM3；
人体右下肢肌肉质量MQ4为：MQ4＝MS4/MM4；
人体躯干的肌肉质量MQ5为：MQ5＝MS5/MM5；
并有：人体全身肌肉质量MQ为：
MQ＝k1×(MQ1+MQ2)+k2×(MQ3+MQ4)+k3×MQ5 (1)
式(1)中，k1、k2和k3为关联系数，并有：0<k1，k2，k3<1、且：k1+k2+k3＝1；
步骤3：将步骤2所获得的人体各部位肌肉质量和人体全身肌肉质量与步骤1中所述人体各部位肌肉质量标准和人体全身肌肉质量标准进行比对，确定使用者的人体各部位肌肉质量和全身肌肉质量的所处的肌肉等级，并获得对应的肌肉力量训练方案，使用者按所述对应的肌肉力量训练方案进行训练；
步骤4：在使用者完成训练后，主电脑控制器根据本次训练的执行情况按式(2)给出评定分值St，
式(2)中：
其中：
Ta为使用者在执行训练时单次运动实际所耗时长；
Ti为设定的执行训练时单次运动有效时长；
T0为设定的执行训练时单次动作的完成时间；
Sm为单次最高分，Sm＝100/Nt；
Nt为计分次数，Nt＝m×n；
m为训练组数，n为每组训练次数。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明可以广泛应用于人体肌肉质量测评，利用肌肉质量评估结果给出针对性的训练方案，实现科学运动，避免用户运动损伤。
2、本发明通过测定人体肌肉质量，对肌肉衰老情况进行评估，可有效预防和治疗肌肉衰老情况，并提高人体的平衡性，对于提升老年人生活质量，术后肌肉康复都积极的效果。
3、本发明通过测定人体肌肉质量，建立大样本人群的人体肌肉质量模型，可进行相关领域的科学研究，研究人体肌肉质量与年龄、性别、种群的关系以及与各种慢病的关联关系。
4、本发明提出的基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械和方法，可替代传统的力量训练设备和训练方法，实现精细化、科学化的力量训练，可在各类健身房、健康管理机构、社区卫生服务站中使用。
附图说明
图1为本发明基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械结构示意图；
图2a为髋关节向心运动体位示意图；
图2b为肘关节向心运动体位示意图；
图2c为膝关节向心运动体位示意图；
具体实施方式
参见图1，本实施例中基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械的结构设置包括如下各单元：
控制单元，以底座9为支撑，利用直立在底座9一端的立柱设置可在水平面内转动的悬臂，在所述悬臂的远端设置呈直立的转向支撑轴7，在所述转向支撑轴7的顶部设置带有显示屏5以及数据采集和传输部件10的主电脑控制器13；
肌肉力量测试与训练单元，在底座9上设置用于支撑人体、并可通过姿态控制杆8调整人体姿态的可调节人体支撑台6，多关节适配器12作为主电脑控制器13的外设设置在主电脑控制器13的一侧，所述多关节适配器12可接入包含肘关节、膝关节和髋关节的各等速训练关节附件；所述多关节适配器：
其利用髋关节等速适配器控制髋关节等速向心运动，并测试髋关节等速向心运动时的最大力量，获得躯干向心运动最大力量MS5；
其利用左上肢肘关节等速适配器控制左上肢等速向心运动，并测试左上肢等速向心运动时的最大力量，获得左上肢向心运动最大力量MS1；
其利用右上肢肘关节等速适配器控制右上肢等速向心运动，并测试右上肢等速向心运动时的最大力量，获得右上肢向心运动最大力量MS2；
其利用左下肢膝关节等速适配器控制左下肢等速向心运动，并测试左下肢等速向心运动时的最大力量，获得左下肢向心运动最大力量MS3；
其利用右下肢膝关节等速适配器控制右下肢等速向心运动，并测试右下肢等速向心运动时的最大力量，获得右下肢向心运动最大力量MS4；
肌肉量测定单元，包括体重传感器11和生物电阻抗测定传感器；
所述体重传感器11固定设置在圆盘状基座上，用于测量使用者的体重；
所述生物电阻抗测定传感器是由激发电极和检测电极构成各对电极，使用者的手和脚分别与对电极相接触，用于获取使用者身体各个部位的阻抗值，并通过计算获取使用者身体各部位的肌肉量MM，包括左上肢肌肉量MM1、右上肢肌肉量MM2、左下肢肌肉量MM3、右下肢肌肉量MM4，以及躯干肌肉量MM5。
多关节适配器12是可与肘关节、膝关节和髋关节的各等速训练关节附件进行紧密切合，并与等速电机进行连接，将等速训练时的阻力传导至各关节附件，本发明基于现有多关节等速力量训练器的关节适配技术，记载在1985公开的欧洲专利《EP19850308435》，1992年公开的美国专利《US19920960296》。
本实施例中，主电脑控制器13包括有信息输入模块、显示模块、通信模块、数据存储模块，数据处理模块和电源模块；其中，通信模块包括有WIFI模块、网口、串口和USB口；WIFI模块和网口用于局域网或互联网的数据通信，所述串口和USB口通过数据采集和传输部件(10)与所述肌肉力量测试与训练单元进行数据通信。
本实施例中利用基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械进行肌肉力量训练的方法是按如下步骤进行：
步骤1：建立人群肌肉质量样本库，在所述人群肌肉质量样本库中按不同的性别和年龄分别建立肌肉质量标准，包括人体各部位肌肉质量标准和人体全身肌肉质量标准；将人体各部位肌肉质量和人体全身肌肉质量分别划分为10个肌肉等级，对应于不同的肌肉等级分别给定肌肉力量训练方案；
步骤2：利用所述多关节适配器分别获得躯干向心运动最大力量MS5、左上肢向心运动最大力量MS1、右上肢向心运动最大力量MS2、左下肢向心运动最大力量MS3和右下肢向心运动最大力量MS4；利用所述生物电阻抗测定传感器分别获得人体各部位肌肉质量，包括躯干肌肉量MM5、左上肢肌肉量MM1、右上肢肌肉量MM2、左下肢肌肉量MM3和右下肢肌肉量MM4；
则有：
人体左上肢肌肉质量MQ1为：MQ1＝MS1/MM1；
人体右上肢肌肉质量MQ2为：MQ2＝MS2/MM2；
人体左下肢肌肉质量MQ3为：MQ3＝MS3/MM3；
人体右下肢肌肉质量MQ4为：MQ4＝MS4/MM4；
人体躯干的肌肉质量MQ5为：MQ5＝MS5/MM5；
并有：人体全身肌肉质量MQ为：
MQ＝k1×(MQ1+MQ2)+k2×(MQ3+MQ4)+k3×MQ5 (1)
式(1)中，k1、k2和k3为关联系数，并有：0<k1，k2，k3<1、且：k1+k2+k3＝1；
其中k1代表上肢肌肉质量占人体总体的肌肉质量的系数，k2代表下肢肌肉质量占人体肌肉质量的系数，k3代表躯干肌肉质量占人体总体的肌肉质量的系数，其中K1、K2、K3指标的确定是通过对全身各部位的核磁共振成像(MRI)确定人体各部位以及总体肌肉衰老情况，然后通过一定样本人群的线性回归获得。
步骤3：将步骤2所获得的人体各部位肌肉质量和人体全身肌肉质量与步骤1中所述人体各部位肌肉质量标准和人体全身肌肉质量标准进行比对，确定使用者的人体各部位肌肉质量和全身肌肉质量的所处的肌肉等级，并获得对应的肌肉力量训练方案，使用者按所述对应的肌肉力量训练方案进行训练；
步骤4：在使用者完成训练后，主电脑控制器根据本次训练的执行情况按式(2)给出评定分值St，
式(2)中：
其中：
Ta为使用者在执行训练时单次运动实际所耗时长；
Ti为设定的执行训练时单次运动有效时长；
T0为设定的执行训练时单次动作的完成时间；
Sm为单次最高分，Sm＝100/Nt；
Nt为计分次数，Nt＝m×n；
m为训练组数，n为每组训练次数。
具体实施中，如图1所示，本实施例中由激发电极和检测电极构成各对电极包括：
成对设置的左手激发电极1a和左手检测电极1b构成左侧上肢电极，安装在主电脑控制器13的左侧；成对设置的右手激发电极2a和右手检测电极2b构成右侧上肢电极，安装在主电脑控制器13的右侧；成对设置的右脚激发电极3a和右脚检测电极3b构成右侧下肢电极，与体重传感器11共同设置；成对设置的左脚激发电极4a和左脚检测电极4b构成右侧下肢电极，与体重传感器11共同设置。
主电脑控制器13可以利用转向支撑轴7实现360度转动。
测试时，使用者手握对应位置上的上肢电极，双脚立于脚部对应的下肢电极，脚部与对电极的接触是以大脚指和脚跟部位共同接触接收电极，其它四个脚指和脚掌部位接触激发电极。在上肢电极中的任一激发电极，以及下肢电极中的任一激发电极接通安全电流后，通过四个接收电极接收电压信息，从而获取身体各个部位的阻抗值，最终获得身体各部位的肌肉量值。
上肢、下肢和躯干的等速向心最大力量测定分三个步骤进行，首先，在多关节适配器上使用髋关节等速适配器，进行髋关节等速向心运动，获得躯干向心运动最大力量MS5；然后，在多关节适配器上利用左上肢等速适配器控制左上肢等速向心运动，获得左上肢向心运动最大力量MS1，并利用右上肢等速适配器控制右上肢等速向心运动，获得右上肢向心运动最大力量MS2；最后，在多关节适配器上利用左下肢等速适配器控制左下肢等速向心运动，获得左下肢向心运动最大力量MS3，并利用右下肢等速适配器控制右下肢等速向心运动，获得右下肢向心运动最大力量MS4；测试结果传送至主电脑控制器。
具体实施中，可以在主控电脑中设置语音提示功能。
针对不同的用户，及用户肌力测试结果，给出针对性的训练方案，可更好的加强肌肉质量较差部位的训练，使得肌肉衰老情况得到改善；在执行训练方案过程中，利用语音提示，对用户进行引导，使用户更规范的进行训练动作，以达到有效安全训练的目的。测试结果可以上传至本地和网络，用户每训练一段时间，可重新测量肌力，以观察训练效果。
本实施方案还可周期性的提醒用户进行肌力测试，对训练效果进行评价，根据训练效果进行反馈，对训练方案进行优化，且可通过专家对训练方案进行干预。
图2a、图2b和图2c代表进行肌肉力量测试时的测试姿势，图2a是在本发明所述设备上进行髋关节等速向心运动的姿势，测量时，保持直立，最大不得后仰超过5度，然后用尽全力，身体向下弯曲95度。图2b是在本发明所述设备上进行上肢肘关节等速向心运动的姿势，测量时，保持仰卧姿势，手臂自然伸直，低于水平线代表过伸，然后用尽全力，上肢屈伸150度。图2c在本发明所述设备上是进行下肢膝关节等速向心运动的姿势，测量时，保持仰卧姿势，下肢上抬置于膝关节等速训练附件,下肢伸直，不得过伸，然后用尽全力，向下弯曲130度。
Claims (2)
1.一种基于肌肉质量测定的智能化力量训练方法，其特征是：
设置基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械，所述训练器械包括如下各单元：
控制单元，以底座(9)为支撑，利用直立在底座(9)一端的立柱设置可在水平面内转动的悬臂，在所述悬臂的远端设置呈直立的转向支撑轴(7)，在所述转向支撑轴(7)的顶部设置带有显示屏(5)以及数据采集和传输部件(10)的主电脑控制器(13)；
肌肉力量测试与训练单元，在底座(9)上设置用于支撑人体、并可通过姿态控制杆(8)调整人体姿态的可调节人体支撑台(6)，多关节适配器(12)作为主电脑控制器(13)的外设设置在主电脑控制器(13)的一侧，所述多关节适配器(12)可接入包含肘关节、膝关节和髋关节的各等速训练关节附件；所述多关节适配器(12)：
其利用髋关节等速适配器控制髋关节等速向心运动，并测试髋关节等速向心运动时的最大力量，获得躯干向心运动最大力量MS5；
其利用左上肢肘关节等速适配器控制左上肢等速向心运动，并测试左上肢等速向心运动时的最大力量，获得左上肢向心运动最大力量MS1；
其利用右上肢肘关节等速适配器控制右上肢等速向心运动，并测试右上肢等速向心运动时的最大力量，获得右上肢向心运动最大力量MS2；
其利用左下肢膝关节等速适配器控制左下肢等速向心运动，并测试左下肢等速向心运动时的最大力量，获得左下肢向心运动最大力量MS3；
其利用右下肢膝关节等速适配器控制右下肢等速向心运动，并测试右下肢等速向心运动时的最大力量，获得右下肢向心运动最大力量MS4；
肌肉量测定单元，包括体重传感器(11)和生物电阻抗测定传感器；
所述体重传感器(11)固定设置在圆盘状基座上，用于测量使用者的体重；
所述生物电阻抗测定传感器是由激发电极和检测电极构成各对电极，使用者的手和脚分别与对电极相接触，用于获取使用者身体各个部位的阻抗值，并通过计算获取使用者身体各部位的肌肉量MM，包括左上肢肌肉量MM1、右上肢肌肉量MM2、左下肢肌肉量MM3、右下肢肌肉量MM4，以及躯干肌肉量MM5；
利用所述基于肌肉质量测定的智能化力量训练器械按如下过程进行力量训练：
步骤1：建立人群肌肉质量样本库，在所述人群肌肉质量样本库中按不同的性别和年龄分别建立肌肉质量标准，包括人体各部位肌肉质量标准和人体全身肌肉质量标准；将人体各部位肌肉质量和人体全身肌肉质量分别划分为10个肌肉等级，对应于不同的肌肉等级分别给定肌肉力量训练方案；
步骤2：利用所述多关节适配器分别获得躯干向心运动最大力量MS5、左上肢向心运动最大力量MS1、右上肢向心运动最大力量MS2、左下肢向心运动最大力量MS3和右下肢向心运动最大力量MS4；利用所述生物电阻抗测定传感器分别获得人体各部位肌肉质量，包括躯干肌肉量MM5、左上肢肌肉量MM1、右上肢肌肉量MM2、左下肢肌肉量MM3和右下肢肌肉量MM4；
则有：
人体左上肢肌肉质量MQ1为：MQ1＝MS1/MM1；
人体右上肢肌肉质量MQ2为：MQ2＝MS2/MM2；
人体左下肢肌肉质量MQ3为：MQ3＝MS3/MM3；
人体右下肢肌肉质量MQ4为：MQ4＝MS4/MM4；
人体躯干的肌肉质量MQ5为：MQ5＝MS5/MM5；
并有：人体全身肌肉质量MQ为：
MQ＝k1×(MQ1+MQ2)+k2×(MQ3+MQ4)+k3×MQ5 (1)
式(1)中，k1、k2和k3为关联系数，并有：0<k1，k2，k3<1、且：k1+k2+k3＝1；
步骤3：将步骤2所获得的人体各部位肌肉质量和人体全身肌肉质量与步骤1中所述人体各部位肌肉质量标准和人体全身肌肉质量标准进行比对，确定使用者的人体各部位肌肉质量和全身肌肉质量的所处的肌肉等级，并获得对应的肌肉力量训练方案，使用者按所述对应的肌肉力量训练方案进行训练；
步骤4：在使用者完成训练后，主电脑控制器根据本次训练的执行情况按式(2)给出评定分值St，
<mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
</munderover>
<msub>
<mi>S</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(2)中：
其中：
Ta为使用者在执行训练时单次运动实际所耗时长；
Ti为设定的执行训练时单次运动有效时长；
T0为设定的执行训练时单次动作的完成时间；
Sm为单次最高分，Sm＝100/Nt；
Nt为计分次数，Nt＝m×n；
m为训练组数，n为每组训练次数。
2.根据权利要求1所述的基于肌肉质量测定的智能化力量训练方法，其特征是所述训练器械中的主电脑控制器(13)包括有信息输入模块、显示模块、通信模块、数据存储模块，数据处理模块和电源模块；所述通信部件包括有WIFI模块、网口、串口和USB口；所述WIFI模块和网口用于局域网或互联网的数据通信，所述串口和USB接口通过数据采集和传输部件(10)与所述肌肉力量测试与训练单元进行数据通信。
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