CN111329457A - 一种穿戴式运动指数检测设备和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种穿戴式运动指数检测设备和检测方法；一种穿戴式运动参数检测设备，包括检测模块、提示模块、中央处理器；检测模块包括光学探头、LEDs驱动电路和检测电路；光电探头分别与LEDs驱动电路、检测电路连接，LEDs驱动电路、检测电路均与中央处理器连接，中央处理器与提示模块连接；本发明还提供一种运动参数检测方法，本发明的通过穿戴式运动指数检测设备来采集在运动时的一些信息参数，并对这些参数进行分析和处理，将分析处理的结果建立指数模型，将该模型回归到穿戴式设备中，穿戴式设备在模型建立后，可以进一步采集实时数据，实时检测运动过程中的各个参数，代入该模型中，可以获取运动时的各种参数信息，供使用者参考。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种穿戴式运动指数检测设备和检测方法。
背景技术
目前穿戴式检测设备常用的测量体征参数的方法有光电脉搏波法、震动传感法、压力传感法、加速度传感法和GPRS等，主要获取心率、体位、运动速度或距离基于此数据推算能量消耗等。现在销售的大多数的可穿戴的运动设备，仅仅是收集佩戴者的运动情况的数据，但是运动数据收集以后呢？消费者应该怎么处理这些数据呢，通过这些数据又能看出什么？如果仅仅是收集数据，那它的用途就过于单一，对佩戴者来说其发挥的作用也很有限，现在的智能手机更新换代迅速，功能也比较完善，完全能够满足心率、位置和时间等数据的检测。目前对于体征和运动健康的较专业的智能可穿戴设备与智能检测方法尚未出现。
运动处方的概念最早是美国生理学家卡波维奇在20世纪50年代提出的。20世纪60年代以来，随着康复医学的发展及对冠心病等的康复训练的开展，运动处方开始受到重视。1969年世界卫生组织开始使用运动处方术语，从而在国际上得到认可。运动处方的完整概念是：康复医师或体疗师，对从事体育锻炼者或病人，根据医学检查资料(包括运动试验和体力测验)，按其健康、体力以及心血管功能状况，用处方的形式规定运动种类、运动强度、运动时间及运动频率，提出运动中的注意事项。运动处方是指导人们有目的、有计划和科学地锻炼的一种方法。
可穿戴式设备在血压、心率的监测贴片现已应用比较广泛，传感方法有光电法、震动传感法、压力传感法、加速度传感法和GPRS，这些方法检测到心率波形，从而获得心率、血氧饱和度等基本体征数据，对于运动指数而言，主要在于运动强度、运动时间、运动量等的算法。运动强度是通过心率和主观体力感觉等级表来确定自己运动中的运动强度。而每个人的最大心率一般用“220-年龄”这一公式来推算。在运动时，实时心率与最大心率的百分比值用于运动强度评价：
高强度(主观感觉很累)：>80％；
中等强度(有点累能坚持)：60％-80％；
低强度(轻松)：50％-60％；
无强度：<50％；
能量消耗计算方法，基于跑步项目而言，是基于体重、身高、运动距离和运动时间推算的一个结果。通常都是粗略的计算跑步时的热量(卡路里)消耗。
在运动健康穿戴式智能设备中，现有检测体征变量绝大多数仅限于心率，较少能检测血氧饱和度，呼吸和血压等基本没有可靠的方法检测；其次，当前多数穿戴式智能设备因为佩戴不同，贴合度和运动等会产生位置变化，带来干扰，因而不能稳定可靠地检测到体征参数；其三，基于经验公式的推算，没有基于客观体征指标来计算，非常粗略，甚至忽视了年龄、性别、体质和基础代谢率等因素，只是给大家提供一个参考；其四，对于健康和运动的专业解读有限，难以指导用户科学改善运动和健康。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种穿戴式运动指数检测设备和检测方法。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种穿戴式运动指数检测设备，包括检测模块、提示模块、中央处理器；检测模块包括光学探头、LEDs驱动电路和检测电路；光电探头分别与LEDs驱动电路、检测电路连接，LEDs驱动电路、检测电路均与中央处理器连接，中央处理器与提示模块连接；
中央处理器通过LEDs驱动电路驱动光电探头进行探测采集数据信息，光电探头将采集到的数据信息通过检测电路传输至中央处理器，中央处理器对信息进行处理与分析，并将分析结果通过提示模块发出。
进一步地，还包括无线通讯模块，无线通讯模块与中央处理器连接，中央处理器能够通过无线通讯模块与智能设备进行通信和数据交互。
进一步地，光电探头包括LEDs光源和光电传感器，LEDs光源分别发出640nm～680nm波段以及900nm～1000nm波段近红外光，交替发光；光电传感器采用可见近红外光敏二级管、CCD图像传感器、CMOS图像传感器中的任意一种，采用透射式或反射式检测。
在此基础上，本发明提供一种运动指数检测方法，该检测方法采用上述的检测设备，并包括以下步骤：
(1)采集原始参数；
(2)检测模块采集运动参数，并传输至中央处理器；
(3)中央处理器根据运动参数计算运动指数，运动指数包括运动强度、运动时间和运动频率；
(4)根据运动参数与原始参数获取当前用户的代谢当量；
(5)中央处理器根据代谢当量以及原始参数，建立运动指数模型，并根据运动指数模型计算最优运动指数；
(6)将最优运动指数通过提示模块进行发送。
进一步地，原始参数包括：身高、体重、年龄、性别。
进一步地，所述运动参数包括心率、血压、血氧饱和度、呼吸率和皮肤温度。
进一步地，从光电脉搏波中提取心率、血氧饱和度、呼吸率。
进一步地，运动时间是指单组运动时间，在单组运动时间内，根据单组运动强度级别分段统计运动强度、心率/最大心率、呼吸率的持续时间。
进一步地，运动频率选择统计一定时间内的运动组次数。
进一步地，运动强度是通过摄氧量和心率/最大心率百分比表征，并进行分类；分为大强度、中强度和低强度。
本发明的有益效果是：
本发明的通过穿戴式运动指数检测设备来采集在运动时的一些信息数据，并对这些数据进行分析和处理，将分析处理的结果建立指数模型，将该模型回归到穿戴式设备中，穿戴式设备在模型建立后，可以进一步采集实时数据，实时检测运动过程中的各个参数，代入该模型中，可以获取运动时的各种参数信息，并且，在本发明的检测设备中还可以设置提醒阈值，当实时获取的参数信息值超出设定阈值，可以发出报警提示，对使用者进行适当的提醒，进一步地，本发明的检测设备还可以和智能终端建立数据连接，向智能终端发送所获得的运动参数信息，供使用者参考。
附图说明
图1是实施例1的系统框图。
图2是实施例2的系统框图。
图3是检测模块采集的原始光电信号图。
图4是采用高通滤波方法，获得的高频信号图。
图5是对高频信号用傅立叶变换进行幅频分析，获得含有脉搏波和呼吸波信号频率和强度的图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当指出的是，具体实施方式只是对本发明的详细说明，不应视为对本发明的限定。
实施例1
本实施例中，如图1所示，包括检测模块、提示模块、中央处理器；检测模块包括光学探头、驱动电路和检测电路；光电探头分别与LEDs驱动电路、检测电路连接，LEDs驱动电路、检测电路均与中央处理器连接，中央处理器与提示模块连接。
作为优选，本发明的检测设备可以采用蓝牙运动耳机，或者颈部穿戴设备等能够附着在人体大动脉处的穿戴设备，不会对人体造成很大的负担，同时又能够在一定程度上固定在人体表面，检测人体的某些参数信息。
中央处理器通过LEDs驱动电路驱动光电探头进行探测采集参数信息，光电探头将采集到的参数信息通过检测电路传输至中央处理器，中央处理器对信息进行根据设定的方式进行处理与分析，建立运动指数模型，并将所建立的运动指数模型保存在中央处理器中，之后，当中央处理器再收到实时采集到的运动参数时，将实时采集到的运动参数输入到所建立的运动指数模型中，中央处理器可以将最优运动指数和实时采集的运动参数都传输至提示模块，通过提示模块提示用户，提示模块可以是语音模块、显示模块或者报警模块，例如，显示模块可以用于显示最优运动指数和实时运动参数，最优运动指数可以是一种给用户提供的运动方式的参考，此后，当中央处理器再收到实时采集到的运动参数时，中央处理器还可以将实时运动参数和最优运动指数进行比对，并且，中央处理器还可以设定阈值，当实时运动参数和最优运动指数的差别超过这个设定阈值的时候，认为可能是超出体能限制或者超出建议范围，例如，当持续吸氧量过大，则可能会认为运动量超出人体正常承受范围，可能会存在运动期间的身体风险，此时，可以通过提示模块对用户进行提示，例如，语音模块能够以语音形式对用户进行提醒，或者，在多个参数同时超标的时候，还可以通过报警模块进行报警，防止发生运动风险。
在一些优选的方式中，中央处理器还能控制检测电路的通断，例如，在监测设备上可以设置开关，从而开启或者关闭检测电路。
在一些优选的方式中，光电探头包括LEDs光源和光电传感器，LEDs光源分别发出640nm～680nm波段以及900nm～1000nm波段近红外光，交替发光；光电传感器采用可见近红外光敏二级管、CCD图像传感器、CMOS图像传感器中的任意一种，采用透射式或反射式检测。
具体来说，本发明的检测设备的检测方法是：
(1)采集原始参数；原始参数包括：身高、体重、年龄、性别，原始参数可以用于后续建立运动指数模型，不同年龄段，不同身高和体重范围的人，以及不同性别的人，分别建立不同的运动指数模型，因为不同年龄段，不同身高和体重范围的人，以及不同性别的人所需要的运动量以及所适合的运动量都不同，因此对应的运动指数模型也有所不同；
(2)检测模块采集运动参数，并传输至中央处理器；所述运动参数包括心率、血压、血氧饱和度、呼吸率和皮肤温度，其中，心率、血氧饱和度和呼吸率可以由光电探头从所获取的光电脉搏波中进行提取。
脉搏波的提取方式，可以是：将原始信号中的高低频分离，如图3所示，图3是检测模块采集的原始光电信号图，原始光电信号中既有脉搏波，具有明显周期性特征的信号，也含有其它低频干扰信号，采用傅立叶算法、拉普拉斯变换以及多阶模拟等高通滤波方法，获取高频信号，如图4所示；对高频信号用傅立叶变换进行幅频分析，或其它高通滤波方法，识别脉搏波频率和强度，如图5所示，从而提取光电信号中的脉搏波。
(3)中央处理器根据运动参数计算运动指数，包括运动强度、运动时间和运动频率。
其中，运动强度是通过摄氧量和心率/最大心率百分比表征，并进行分类；分为大强度、中强度和低强度；大强度运动时相当于最大吸氧量的70％～80％，即70％～80％VO2max，运动时的心率约为125～165次·min-1；中等强度运动相当于最大吸氧量的50％～60％，即50％～60％VO2max，运动时的心率约为110～135次·min-1；小强度运动相当于最大摄氧量的40％以下，即小于40％VO2max，运动时的心率约为100～110次·min-1。最大吸氧量代表了人体在剧烈运动中，每分钟能摄入的最大氧气量，例如，选择跑步，跳绳或其它运动形式，当心率≥180次/分，时对应的最大吸氧量记作最大摄氧量。
运动时间是指单组运动时间，在单组运动时间内，根据单组运动强度级别分段统计运动强度、心率/最大心率比值以及持续时间。
运动频率选择统计一定时间内的运动组次数。
(4)根据运动参数信息与原始参数获取当前用户的代谢当量；
代谢当量(metabolic equivalent，MET)是指运动时代谢率对安静时代谢率的倍数。代谢当量是以安静且坐位时的能量消耗为基础，表达各种活动时相对能量代谢水平的常用指标。可以用来评估心肺功能。1MET＝耗氧量3.5ml/(kg·min)。例如人在静坐时MET约为1.0，速度为9.6km/h的跑步MET约为10.0等。
当心率≥180次/分(对应频率≥3Hz)，所得呼吸波的信号强度与最大摄氧量正相关，也与能量代谢率正相关，记作最大呼吸强度或最大能量代谢强度，同时记录对应的呼吸频率，运动强度＝实时呼吸强度/最大呼吸强度*100％＝能量代谢强度/最大能量代谢强度*100％，呼吸波也可以通过光电脉搏波来获取，其方法可以参考步骤(2)中脉搏波的提取。
(5)中央处理器根据代谢当量以及原始参数，建立运动指数模型，例如，一定身高、体重和年龄的男性或女性各有其运动指数模型，运动指数模型即对应了每个人的最优运动指数；
本发明的检测设备所建立的运动指数模型至少包括以下参数：
个体在运动状态下，某时刻血氧饱和度开始<94％时候的运动强度定义为该个体最适运动强度的上限，记录此时心率、呼吸率和运动时间。
与最适运动强度上限时的心率、呼吸率、运动时间和BMI历史数据进行对比，判断运动效果，健康状况得到提升或变差，并建议调整运动强度、运动时间和运动频度等。
评价运动后恢复曲线：停止运动开始心率、血氧饱和度、呼吸率恢复到安静时候的时间和终末期检测值，记录，并比较历史数据，判断运动方式得到提升或变差。
(6)将最优运动指数通过提示模块进行发送，在建立了运动指数模型后，该模型会被存储在穿戴式检测设备的存储器中，实时与采集到的数据进行比对，从而进行记录、显示或者提示。
实施例2
本实施例中，穿戴式智能检测设备为一种穿戴式颈部智能检测设备，如图2所示，包括检测模块、提示模块、中央处理器与无线通讯模块；检测模块包括光学探头、驱动电路和检测电路；光电探头分别与LEDs驱动电路、检测电路连接，LEDs驱动电路、检测电路均与中央处理器连接，中央处理器与提示模块连接，中央处理器还与无线通讯模块连接；
中央处理器通过LEDs驱动电路驱动光电探头进行探测采集数据信息，光电探头将采集到的数据信息通过检测电路传输至中央处理器，中央处理器对信息进行处理与分析，建立运动指数模型，并将所建立的运动指数模型保存在中央处理器中，之后，当中央处理器再收到实时采集到的运动参数时，将实时采集到的运动参数输入到所建立的运动指数模型中，中央处理器可以将最优运动指数和实时采集的运动参数都传输至提示模块，通过提示模块提示用户，提示模块可以是语音模块、显示模块或者报警模块；中央处理器通过无线通讯模块和智能设备(例如手机、平板等智能终端)之间建立数据连接，将数据通过无线方式跟智能设备通讯。
本实施例中的其他实施方式与实施例1相同。
本实施例中的检测方法与实施例1中的一致。
穿戴式智能检测耳机与穿戴式颈部智能检测设备只是实现本发明检测方法的其中两种具体实施方式，并不是限定本发明的检测方法只能采用这两种装置。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种穿戴式运动指数检测设备，其特征是，包括检测模块、提示模块、中央处理器；检测模块包括光学探头、LEDs驱动电路和检测电路；光电探头分别与LEDs驱动电路、检测电路连接，LEDs驱动电路、检测电路均与中央处理器连接，中央处理器与提示模块连接；
中央处理器通过LEDs驱动电路驱动光电探头进行探测采集参数信息，光电探头将采集到的参数信息通过检测电路传输至中央处理器，中央处理器对信息进行处理与分析，并将分析结果通过提示模块发出。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴式运动指数检测设备，其特征是，还包括无线通讯模块，无线通讯模块与中央处理器连接，中央处理器能够通过无线通讯模块与智能设备进行通信和数据交互。
3.根据权利要求1所述的一种穿戴式运动指数检测设备，其特征是，光电探头包括LEDs光源和光电传感器，LEDs光源分别发出640nm～680nm波段以及900nm～1000nm波段近红外光，交替发光；光电传感器采用可见近红外光敏二级管、CCD图像传感器、CMOS图像传感器中的任意一种，采用透射式或反射式检测。
4.一种运动指数检测方法，其特征是，采用权利要求1-3中任一项所述的检测设备，包括以下步骤：
(1)采集原始参数；
(2)检测模块采集运动参数，并传输至中央处理器；
(3)中央处理器根据运动参数计算运动指数，包括运动强度、运动时间和运动频率；
(4)根据运动参数与原始参数获取当前用户的代谢当量；
(5)中央处理器根据代谢当量以及原始参数，建立运动指数模型，并根据运动指数模型计算最优运动指数；
(6)将最优运动指数通过提示模块进行发送。
5.根据权利要求4所述的一种运动指数检测方法，其特征是，原始参数包括：身高、体重、年龄、性别。
6.根据权利要求4所述的一种运动指数检测方法，其特征是，所述运动参数包括心率、血压、血氧饱和度、呼吸率和皮肤温度。
7.根据权利要求6所述的一种运动指数检测方法，其特征是，从光电脉搏波中提取心率、血氧饱和度、呼吸率。
8.根据权利要求4所述的一种运动指数检测方法，其特征是，运动时间是指单组运动时间，在单组运动时间内，根据单组运动强度级别分段统计运动强度、心率/最大心率比值以及持续时间。
9.根据权利要求4所述的一种运动指数检测方法，其特征是，运动频率选择统计一定时间内的运动组次数。
10.根据权利要求4所述的一种运动指数检测方法，其特征是，运动强度是通过摄氧量和心率/最大心率百分比表征，并进行分类；分为大强度、中强度和低强度。
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