CN1833603A - 最大耗氧量测评议 - Google Patents

Abstract

最大耗氧量(VO₂max)标志着人体内氧运输系统功能的强弱，是评价身体强健程度的主要指标之一。本发明依据的是多别尔恩(Dubelen)测验原理：令被测者进行登台阶运动5分钟，再利用生物电子技术测得运动后的心率，然后参照性别、体重，自动计算出最大耗氧量。整套装置的体积比自行车功率计要小。由于按指令进行上、下台阶的运动，其运动量较大。所以，本发明除了用于评价体育锻炼的效果外，还可以用作个人健身工具。

Description

最大耗氧量测评仪

所属技术领域。

本发明涉及一种测量最大耗氧量(VO2max)的电子装置，尤其是能测量心率并自动显示最大耗氧量数值的装置。

背景技术。

最大耗氧量(VO2max)标志着人体内氧运输系统功能的强弱，是评价身体强健程度的主要指标之一。

目前公知的最大耗氧量测量方法有两大类：直接测量法和间接测量法。

直接测量法是：被试者完成指定的运动后，通过呼吸面罩和测氧仪，测量其耗氧量。

间接测量法是：令被测者进行指定的运动，然后测量心律，再根据心率、体重、性别，通过查表或计算，得出最大耗氧量。

直接测量法的缺点是：必须使用呼吸面罩和昂贵的测氧仪。间接测量法的缺点是：不能自动显示最大耗氧量数值。

发明内容。

为了克服现有的最大耗氧量测量方法的不足，本发明提供了一种基于生物电子技术的解决方法。该方法在不使用呼吸面罩、不使用自行车功率计之类昂贵装备的情况下，能测量心率并自动显示最大耗氧量。

本发明依据的是多别尔恩(Dubelen)测验原理：令被测者进行登台阶运动5分钟，再利用生物电子技术测得运动后的心率，然后参照性别、体重，自动计算出最大耗氧量。

本发明提供的具体方案是：将七个主要的功能组件，构成一个测量系统(见图1)。七个主要的功能组件是：心率传感器1、心率信号放大组件2、心率信号传送通道3、发令组件4、数据处理组件5、参数输入组件6、显示组件7。

参数输入组件6的功能是：将被测者的性别、体重参数输入到数据处理组件5。参数输入组件6可以采用按键输入装置、鼠标点击装置、触摸屏装置，也可以结合电子体重称来自动输入体重参数。发令组件4接受数据处理组件5产生的信号，发出声、光指令，用以规范被测者登台阶运动的节律，当预定的运动时间结束时，发令组件4就停止工作。发令组件4是由驱动电路同发声元件(如：喇叭、耳机、蜂鸣器、压电晶体等等)以及发光元件(如：信号灯、LED、LCD、CRT等等)构成，具有按指令发出声、光信号的功能。

心率传感器1的功能是将人体的心脏搏动，转变为电信号并将该电信号馈入心率信号放大组件2。心率传感器1可以采用体表电极(如：手握电极、胸带电极等等)，或采用光电换能器(如：指端脉搏探头、耳垂光电夹子等等)，或采用振动传感器(如：脉搏压力探头、心音探头、振动探头、加速度探头等等)。

心率信号放大组件2接收来自心率传感器1的信号。心率信号放大组件2是用半导体元器件、电阻器、电容器等构成的放大器，其中可以加入整形电路。放大后的心率信号进入心率信号传送通道3。

心率信号传送通道3，可以由导线构成；或者，由光学发射-接收装置构成；或者，由无线电电磁波发射-接收装置构成；或者，由超声波发射-接收装置构成。来自心率信号放大组件2的心率信号，经由心率信号传送通道3，进入数据处理组件5。心率信号传送通道3的末端，可以加入整形电路。

数据处理组件5的功能是利用输入的体重、性别、心率等信号进行逻辑运算和数字运算。凡是能够进行逻辑运算和数字运算的智能装置或部件，都可以构成数据处理组件5，例如：单片机、MCU、CPU、DSP、甚至电脑。数据处理组件5产生的运算结果进入显示组件7。显示组件7的功能是：在数据处理组件5的控制下，将运算结果以字符的形式显现。显示组件7是由带驱动电路的LCD(或LED、，或CRT)构成的，也可以采用字符显示模块。

当数据处理组件5采用电脑时，由于电脑本身就具有参数输入功能、发令功能和显示功能，因此，在这种情况下，参数输入组件6、发令组件4以及显示组件7，可以被省却。

本发明的有益效果是：可以在被测者完成运动动作之后，及时地自动显示出最大耗氧量数值，无需经过人工的计算，也无需使用昂贵的测氧仪或自行车功率计，并且，体积比自行车功率计要小。同时，本发明还可以用作实时心率计。

由于按指令进行上、下台阶的运动，其运动量较大，所以，本发明除了用于评价体育锻炼的效果外，还可以用作个人健身工具。

附图说明。

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构方框图。

图2是手握电极及其信号放大电路。

图3是光电换能电路及其信号放大电路。

图4是导线构成的心率信号传送通道。

图5是单无线收发电路。

图6是无线数据收发系统。

图7是声、光发令电路。

图8是由单片机构成的数据处理组件。

图9是由简单键盘构成的参数输入组件。

图10是按钮输入装置。

图11是由LCD构成的显示组件。

图12是由显示模块构成的显示组件。

图13是通过芯片连接USB总线接口的电路。

图14是通过芯片连接RS-232接口的电路。

图中所有的输入端及输出端的标号，都同图1结构方框图中的标号完全对应。

具体实施方式。

本发明的整体结构框图，展示在图1中。

在图1中，框1是心率传感器1，框2是心率信号放大组件2。框3是心率信号传送通道3，框4是发令组件4，框5是数据处理组件5，框6是参数输入组件6，框7是显示组件7。

使用者通过参数输入组件6的键盘或按钮，输入体重、性别等参数，输入的信号，通过端口P1、P2、P3、P4联接到数据处理组件5。而来自人体的心率信号，经心率传感器1，通过端口H1、H2联接到心率信号放大组件2，然后，通过端口J1、J2进入心率信号传送通道3，再通过端口K1、K2进入数据处理组件5。数据处理组件5输出发令信号，经端口Z1、Z2馈送至发令组件4，发令组件发出声、光的指令。数据处理组件5依据由端口P0、P1、P2、P3、P4输入的参数以及由端口K1、K2输入的心率信号，按照基于多别尔恩原理的计算方法，进行运算，运算得出的最大耗氧量值，以及每分钟心率值，经由端口a、b、c、d、e、f、g输出到显示组7进行显示。

图2所示，是心率传感器1同心率信号放大组件2的一个实施例。图2中，虚线框101、201，分别是结构方框图(图1)中，框1、框2的实例。该实例中，心率传感器采用体表电极[101框内的h1、h2(或者连同H3、H4)]。体表电极可以握在双手中，或置于胸前皮肤上，或安放在体表任何可以获得心电的位置上。体表电极h1、h2的输出信号，通过端口H1、H2输向虚线框201内的放大—整形电路。虚线框201内，运算放大器L1、L2构成放大电路，该放大电路的频带宽度在0.5HZ-500HZ之内。在环境干扰信号很强的情况下，可以采用常规的抑制50HZ(或60Hz)措施。虚线框内的运算放大器L2：D构成比较器，起到信号整形作用。整形后的心率信号，经由端口J1、J2输向心率信号传送通道3。

图3是心率传感器1同心率信号放大组件2的另外一个具体实例。虚线框102、202分别是结构框图(图1)，中，框1、框2的另一个具体线路。在这个实例中，心率传感器采用光电换能器，构成指端脉搏探头，或耳垂光电夹子。光电换能器的输出信号，经端口H1、H2输向虚线框202内的放大—整形电路。虚线框202内，反向器N2、N3、N4构成放大电路，放大后的信号经C2耦合到由IC3构成的整形电路，整形后的信号，经端口J1、J2输出。

由上述实例可知，本发明可以利用多种的心率传感器。事实上，除了体表电极、光电换能器之外，还可以采用市售的脉搏压力探头，加速度探头、心音探头等等。至于心率信号放大组件，可以采用适合心率传感器的放大器，不一定是运算放大器，用反向器构成的放大器，或是晶体三极管构成的放大器，甚至是市售的厚膜电路放大器等等，都可以。心率信号最好经过整形，整形电路的形式不拘，可以使用比较器，单稳态电路，或触发器之类。

图4是心率信号传送通道3的一个实例，它实际上就是一对导线。

图5是心率信号传送通道3的另一个实例。它是一种单无线收发电路。来自心率信号放大组件2的信号，经端口J1、J2进入由Q1构成的无线电发射器。每输入一个心率信号，发射天线A1就发射相应的无线电波。无线电波向四周传播，在一定的距离内，被I2接收线圈所接收，经G1、L1：A放大后，由D1、D2检波，再由L1：B构成的比较器进行整形，最后，通过端口K1、K2输出。

图5中的电路，适合用于这样的场合：例如，被测者，佩带胸带，胸带上除了有体表电极之外，还装有放大电路和无线发射电路；而在被测者附近的装备上，装有无线接收电路，这样，就无须从胸带上引出长长的导线来输送心率信号。通常，单无线收发电路的发射频率在4KHZ至30KHZ之间选择，当然也可以使用符合无线电管理部门规定的任何频率。

图6是心率信号传送通道3的又一个实例。它是一种无线数据收发系统。适用的场合，同图5所示实例是一样的。但是，当多台最大耗氧量评测仪放在一起同时使用时，若采用单无线电收发电路进行工作，各胸带发射的信号容易相互干扰。而图6所示的电路，是将源于端口J1、J2的信号，引进IC1进行处理，再送到IC2编码器，然后通过发射模块IC3，用天线A1发射出去。A2接收到信号，经IC4解调，然后由IC5解码器进行解码，最后，通过端口K1、K2输出对应的心率信号。由于编码技术可以容纳多路信号进行传输，不产生相互之间的干扰，所以，图6所示的电路，适合多个使用胸带体表电极的被测者，在一起，同时进行测量。

上述的胸带式发射装置，仅是例子，上述方法完全可以用于其它心率传感器。也可以将多个使用者的心率传感器通过心率信号放大组件之后，汇集到数据处理组件5。这种集群式的连接方法，能够提高仪器的使用效率，从而降低硬件成本。

图7是发令组件4的一个实例，该实例是一种简易的声、光发令电路。当来自数据处理组件5的发令脉冲，经端口Z1、Z2进入声、光发令电路时，由L2：A、L2：B构成的振荡器，立即进入振荡状态，其振荡频率在音频范围内。振荡脉冲进入由L2：C构成的驱动器，再分二路传送：一路经由开关S6送达发声元件B1；另一路进入光驱动器L2：D，去驱动发光二极管L3。声信号可以被开关S6切断。

图8是数据处理组件5的一个实例。图8中，单片机IC5构成数据处理器，端口K1、K2是心率信号输入端，接收来自心率信号传送通道3送达的心率信号。端口P0、P1、P2、P3、P4为参数信号输入端，接收来自参数输入组件6送达的参数信号。端口Z1、Z2是发令信号输出端，输出的发令信号送至发令组件4。端口a、b、c、d、e、f、g是显示信号输出端，输出的显示信号送至显示组件7。此处的单片机可以采用4位的、8位的、16位的、32位的，或者64位的，也可以采用其它的MCU、CPU、DSP。

图9是参数输入组件6的一个实例。在该实例中，由16个按键组成的小键盘，供键入体重、性别等参数，小键盘通过端口X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3和Y4联接到IC-6上，经IC-6编码后，从端口P0、P1、P2、P3、P4输出到数据处理组件5。

图10是参数输入组件6的另一个实例。该实例中，仅用4个按钮及一个选择开关来输入参数。端口P0、P1、P2、P3及P4联接到数据处理组件5的对应输入端上。

图11是显示组件7的一个实例，来自数据处理组件5的信号，从端口a、b、c、d、e、f输入之后，进入由L8、L9、L10构成的驱动电路，去点亮液晶显示屏LCD。

图12是显示组件7的另一个实例。该实例使用液晶显示模块(例如LCM0825)。来自数据处理组件5的输出信号经端口e、f、g以及d(或a、b、c)，作用到D1，在D1的显示屏上就可显示相应的信息。R1用於调节显示屏的亮度。

应当指出：可以用电脑取代数据处理组件5，其关键是，必须将心率信号传送通道3输出的信号，馈送进电脑数据线。

图13是用电脑取代数据处理组件5的一个实例。在该实例中，来自心率信号传送通道3的K1、K2接入U1相应的端口。U1是一种USB总线通用接口芯片，例如CH371。由于CH371屏蔽了USB通讯中的所有协议，因而可在K1、K2端同电脑应用层之间提供端对端的连接。U1的输出，经过USB插口1、2、3、4，接到电脑的USB插座上，实现了将K1、K2信号馈入电脑的功能。

另一种联接到电脑的方式是：将数据处理组件5的输出信号，联接到电脑中。实例见图14。在该实例中，数据处理组件5的输出信号：e、f、g、d(或a、b、c)以及Z1，进入RS-232(或同系列的)驱动芯片IC5，然后，经由RS-232(或同系列)插口接入电脑中。

Claims (3)

1、一种用於测量最大耗氧量的装置，主要由心率传感器(1)、心率信号放大组件(2)、心率信号传送通道(3)、发令组件(4)、数据处理组件(5)、参数输入组件(6)、显示组件(7)构成，其特征在于，所述心率传感器(1)是采用体表电极的，或采用光电模能器的，或采用振动传感器的；所述心率信号放大组件(2)是用半导体元器件、电阻器、电容器等构成的，其中可以含有整形电路，从心率传感器(1)获得信号的，输出信号送至心率信号传送通道(3)的电子线路；所述心率信号传送通道(3)是由导线构成的，或由光学发射—接收装置构成的，或由无线电电磁波发射—接收装置构成的，或由超声波发射—接收装置构成的，其中可以含有整形电路的，从心率信号放大组件(2)获取信号的，输出信号馈送至数据处理组件(5)的电子线路；所述数据处理组件(5)是由4位或8位或16位或32位或64位单片机构成的，或由MCU、CPU、DSP构成的，或由电脑构成的，具有逻辑运算和数字运算功能的，能接收参数输入的，能从心率信号传送通道(3)接收信号的，并且能输出发令信号和显示运算结果数据的智能部件；所述发令组件(4)是由驱动电路同发声元件以及发光元件构成的，接收来自数据处理组件(5)的发令信号的电子线路；所述参数输入组件(6)是由按键或触摸屏构成的，其信号输出到数据处理组件(5)的电子线路；所述显示组件(7)是由LCD、或LED、或CRT及驱动电路构成的，接收来自数据处理组件(5)的信号的电子线路。

2、根据权利要求1所述的最大耗氧量测量装置，其特征在于，心率信号传送通道(3)输出的信号，直接进入USB总线通用接口芯片(例如CH371)，从而将信号馈入电脑。

3、根据权利要求1所述的最大耗氧量测量装置，其特征在于，数据处理组件(5)的输出信号，进入RS-232(或同系列的)。驱动芯片，然后经由RS-232(或同系列)插口进入电脑。

Images