TW201538129A - 即時且連續之運動後過量氧耗測定及血乳酸鹽之估算 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種用於測定運動後過量氧耗(EPOC)及估算血乳酸鹽水平之裝置及方法。雖然傳統上使用間接量熱法及抽血測定此等運動參數，但本發明提供一種使用心率資料測定此等參數之方法。一示例性實施例包含一種用於測量心率的穿戴式光體積描記術器件，然而，本發明方法亦可與來自任何心率監測器之心率資料一起使用。在本發明之一實施例中，使用供需微分方程以即時連續地監測EPOC。此外，亦可以EPOC之函數形式估算血乳酸鹽水平。重要地，該測定EPOC及血乳酸鹽之方法可關聯至人類生理學之生物數學模型以獲得諸如激素變化、身體組成變化或其他生理波動或暫態生理行為之額外參數。
Description
本發明係關於運動科學及生理參數測定之領域。明確言之，本發明係關於運動後過量氧耗(EPOC)(俗稱為後燃)之測定及血乳酸鹽水平之估算。本發明之裝置及方法主要依賴於藉由穿戴式光體積描記術(PPG)器件及/或任何其他心率監測器收集的心率資料。揭示一種使用供需微分方程自PPG信號測定EPOC及隨後估算之血乳酸鹽而無需諸如間接量熱法及抽血之昂貴、不舒適及/或侵入式步驟的獨特方法。
在運動及體適能(physical fitness)領域內，追蹤及評定運動後過量氧耗(EPOC)及血乳酸鹽水平之能力為個人及他/她之訓練師提供有關心肺適能、個人訓練之努力程度及如何將訓練或恢復計劃最優化以適合個人的資訊。EPOC被定義為可測量之運動後攝氧速率增量，特別係在運動後等於或大於個人最大氧耗(VO 2max )之~50-60%。運動明顯破壞體內平衡及因此需要增加運動後氧耗以將身體恢復至其靜態。已顯示運動期間累積之EPOC量受運動強度及持續時長兩者及諸如運動類型及體適能水平(physical fitness level)之其他因素的影響。研究已表明EPOC與運動強度呈曲線關係及與運動持續時長呈線性關係。此外，相較於未經訓練之個人，經訓練之個人通常具有更快的EPOC
恢復時間。
自1910年發現EPOC以來，為何觀察到運動後氧耗增加，其背後之基本原理已隨著新穎證據之公開而發展。如今公認運動後需要增加氧耗以滿足許多不同作用，該等作用包含：補充已耗盡之磷肌酸儲存；補充氧氣儲存(肌紅素及血紅素)；移除乳酸鹽(經由在肝臟中轉化為肝醣或經由在腎臟、心臟及肝臟中氧化為丙酮酸使得其可進入克氏循環(Kreb cycle)並產生ATP)；恢復肌肉肝醣儲存；激起伴隨溫度升高及循環增加而發生之新陳代謝增加；釋放兒茶酚胺；激活交感神經系統；三酸甘油酯/脂肪酸(TCA/FA)循環；自醣類轉向脂肪受質利用及諸如細胞修復之恢復過程。傳統上，EPOC週期分為呈指數衰減之快速期及緊接快速期並呈線性衰減的慢速期。然而，對於何種機制負責驅動此等期中之每個存在衝突觀點。
在劇烈運動期間，當身體無法再藉助於其有氧能量產生系統以保持當前運動強度水平時，無氧能量系統為身體提供額外能量及因此產生乳酸鹽副產物。由於移除乳酸鹽係發生於EPOC週期期間之過程之一，因此EPOC與血乳酸鹽量變曲線係相關。血乳酸鹽係主要能量來源葡萄糖之降解產物，且在運動期間乳酸鹽水平開始迅速上升之點稱為乳酸鹽臨限值。該乳酸鹽臨限值預測運動性能且與個人VO 2max 評分直接相關。經訓練之個人的乳酸鹽臨限值通常出現在70-80% VO 2max ，而未經訓練之個人的乳酸鹽臨限值出現更快，其約在50-60%。靜態時，血液中存在約1-2mmol/L之乳酸鹽，但在劇烈運動期間此可上升至20mmol/L以上。
存在若干用於測定諸如EPOC及血乳酸鹽之運動相關參數的先前技術方法。在Suunto Oy之專利案EP 2371278中，諸如恢復時間及耗能之運動參數係計算自其等稱為「變化之脈搏值」之值。此值係藉由自使用生理感測器直接測得之心率中扣除恢復脈搏來計算。該恢復脈
搏被定義為運動中斷時獲得之脈搏值。此基於列表前資料，該列表前資料描述若當前運動強度持續較長時間，則脈搏將增加到的水平(其等稱為飽和水平)。該恢復脈搏亦基於描述個體之當前適能水平之適能指數(fitness index)。Firstbeat Technologies之US 7192401揭示一種用於估算身體疲勞指數(BFI)之基於許多因素的方法，該等因素包含：測量運動強度；預測定之初始BFI；計算上坡期及下坡期；預測恢復所需之時間間隔及測得的心率資料。隨後使用該BFI估算氧耗及能耗並將此方法應用於穿戴式電腦、PC軟體及/或ECG/脈搏監測設備。在US 7805186中，描述一種用於連續、即時EPOC之測定的方法及穿戴式器件。使用可包含外力、運動、能耗、心率、氧耗、呼吸速率或來自於皮膚表面之熱流之運動強度之測量值測定EPOC。在此發明之一實施例中，心率、呼吸速率及負荷階段(氧耗)全部用以測定最大氧耗之百分數份額，其隨後用於測定EPOC。此外，藉由該器件輸出其他基於EPOC之參數。此等包含目標狀態、未來運動之強度及剩餘運動之持續時長。亦基於EPOC峰值判定訓練效果。最後，Suunto Oy之US 8292820描述一種測量血液動力學信號並使用此信號及低通濾波器以測定呼吸頻率之腕帶式感測器。呼吸頻率隨後用以測定EPOC或其導數。
亦存在描述用於估算血乳酸鹽水平之方法的先前技術。Polar Electro Oy之EP 1127543描述一種使用包含諸如年齡、體重、身高、性別、壓力水平、適能水平(以最大氧耗之形式)、乳酸鹽生產速率、乳酸鹽移除速率及血液體積之參數之類神經網路數學生理模型的方法。然後將心率資料輸入該模型中，包含最大心率估算值(基於年齡)並估算血乳酸鹽濃度。以大型資料集訓練此等模型及估算之乳酸鹽濃度亦可用作自運動中恢復之持續時長的估算值。專利申請案US 20060234386使用一種不同的方法，該方法使用近紅外拉曼光譜法測
定乳酸鹽濃度。
本發明提出一種藉由簡單心率測量及本發明獨特之供需微分方程測定即時連續EPOC預估值及隨後估算當前血乳酸鹽水平之方法。該等公式(i)以機制方式描述EPOC累積及衰減及(ii)可用以連續且即時地測定EPOC。可使用本發明之裝置(穿戴式PPG器件)或自任何其他心率監測器獲取用以測定EPOC之心率測量值。運動期間及運動後之對EPOC水平及血乳酸鹽量變曲線的連續獲得將提供與運動之生理效果相關之有價值資訊以激發及/或引導使用者達成及保持個人健康(personal health)、全人健康(wellness)及適能目標(fitness goals)。
本發明藉由揭示一種所有人皆可取用之連續且即時地測定EPOC及血乳酸鹽的方法而克服與此等參數之傳統測量相關的問題及障礙。該裝置包含穿戴式PPG器件，該穿戴式PPG器件內置光學感測器且在與使用者肌膚接觸時獲取吸光度資料。然後自該器件之處理器上之PPG吸光度資料或藉由其他構件測定心率。然後藉由本方法使用自該穿戴式器件或任何心率監測器測得之心率資料以追蹤及監測隨時間之EPOC及估算之血乳酸鹽。在本發明之一實施例中，在供需微分方程中使用個人之運動強度或VO 2max百分數以連續預估在任何給定時間下的EPOC。本發明亦描述如何以EPOC之函數形式計算估算之血乳酸鹽。
因此，本發明包括若干依賴於HR reserve (HR max -HR rest )與VO 2reserve (VO 2max -VO 2rest )之間之關係的步驟。此關係一經建立，即可計算VO 2max 百分數並包含於以VO 2max 百分數之函數形式測定EPOC變化並考慮來自先前時間點之EPOC(因為EPOC經時累積)之微分方程中。具備此知識，即可以EPOC之函數形式估算血乳酸鹽。此方程包含乳酸鹽 max 、dvar(確保在靜態期間乳酸鹽不降至0mmol/l以下的參數)及
klactate(經驗推導之變量)之值。在實施方式中討論測定EPOC之微分方程及估算血乳酸鹽之方程的實際用途。此用於EPOC及血乳酸鹽測定之方法亦可直接關聯至新陳代謝、身體組成變化、激素變化之基於雲端之生物數學模型或任何其他描述生理過程的生物數學模型以便獲得額外參數。雖然參考後續頁面中之各種說明以詳細描述本發明，但應當明瞭本發明非限於本文之說明，且可在不脫離隨附說明界定之本發明的範圍的情況下對本發明作出修改。
1‧‧‧運動後曲線
2‧‧‧靜態氧耗
3‧‧‧穿戴式PPG器件/穿戴式器件
4‧‧‧顯示器
5‧‧‧行動器件/行動電話
6‧‧‧基於互聯網之平台
7‧‧‧伺服器
8‧‧‧個人電腦
9‧‧‧生物數學模型
10‧‧‧心率
11‧‧‧當前氧耗(VO 2 )
12‧‧‧%VO 2max 百分數
13‧‧‧EPOC經時之變化
14‧‧‧參數a及b/參數c及d
15‧‧‧時間t+1時之EPOC
16‧‧‧血乳酸鹽
17‧‧‧乳酸鹽 max
18‧‧‧klactate
19‧‧‧dvar
將僅通過實例並參考附圖描述本發明之較佳實施例：圖1：運動後之運動後過量氧耗之時間圖。
圖2：行動及互聯網技術背景下之本發明之裝置的一基本實施例。
圖3：藉由流程圖繪示本發明之整體方法的示意性代表圖。
圖4：使用本發明之方法測定之(A)EPOC及(B)估算之血乳酸鹽。估算之血乳酸鹽與測量之血乳酸鹽水平比較。
以下詳細說明及圖式描述本發明之不同態樣。該說明及圖式可有助於熟習此項技術者充分瞭解本發明及無意以任何方式限制本發明之範圍。在揭示及描述本發明方法及系統之前，應當瞭解該等方法及系統不限於特殊方法、特殊組成或特定實施方案。亦應當瞭解本文使用之術語僅出於描述特定態樣之目的且無意限制。如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，字詞「包括(comprise)」及該字詞的變型諸如「包括(comprising)」及「包括(comprises)」意為「包含但不限於」且無意排除例如其他組成或步驟。「示例性」意為「一實例」且無意傳達一較佳或理想實施例之指示。「諸如」不以限制性意義使用，而是出於解釋說明之目的。除非上下文另有明確規定，否則該等單數形
式「一(a)」、「一個(an)」及「該(the)」亦包含複數元素。「可選」或「視情況」意為隨後描述之事件或情況可發生或可不發生及該說明包含該事件或情況發生之實例及該事件或情況不發生之實例。
圖1描繪一輪劇烈運動期間或之後之氧耗的時間圖。由於EPOC被定義為可測量的運動後氧耗增量，因此可藉由對運動後曲線(1)下的面積積分並從此數值中減去靜態氧耗(2)，從而計算EPOC。此方法依賴於氧耗之直接測量且係測量EPOC的黃金標準。本發明之方法旨在藉由提供自心率資料測定連續、即時之EPOC及估算之血乳酸鹽之方法而解決此問題。本發明之穿戴式PPG器件提供用於收集測定此等運動參數所必要的心率資料之構件。
圖2描繪本發明之一基本實施例，其中3係穿戴式PPG器件，其含有必備之感測器及處理器構件以測量吸光度信號並測定心率。該穿戴式器件視情況含有顯示器(4)且能夠向行動器件(5)及/或直接向基於互聯網之平台(6)傳輸資料。該等資料可被儲存並在伺服器(7)上進一步處理以用於進一步檢索及在計算平台例如個人電腦(8)、行動電話(5)及/或穿戴式器件(3)上查看。應明瞭使用本發明測定之EPOC及估算之血乳酸鹽水平可關聯至人類生理學之生物數學模型(9)(在一較佳實施例中，此生物數學模型係基於雲端之模型但其亦可在本地處理器上運行)以獲得激素變化、身體組成變化或其他生理波動或暫態生理行為。上述生物模型可耦合用以測定EPOC之供需微分方程。在本發明之一實施例中，在關聯至供需EPOC方程之需求塊之生物數學模型中輸入PPG信號及加速計信號及此可提供關於個體之精確生理負荷/工作強度或即時VO 2 需求的附加資訊。以全文引用的方式將描述如何自PPG及加速計資料測定即時生理負荷之臨時專利申請案62/068,882併入本文中。此方法在測量之活動與生理能量需求之間假定一映射。其可預測在給定活動水平之量度並結合心率資料的情況下穩態氧耗係多
少。同理，在本發明之另一實施例中，在記住EPOC係藉由對給定之生理狀態(文獻中幾乎始終視為運動期間後之休息)之假定穩態氧耗速率與測量之或推測之時變氧耗速率之間之差進行經時積分而測定的情況下，可包含增大吾人之該穩態速率或該時變速率之估算的生物數學模型以提高EPOC計算之準確度。此處之臨時專利申請案62/068,882又係一良好實例，其顯示如何使用容易獲得之生理信號估算穩態氧耗速率。
圖3描繪本發明之一示例性實施例之流程圖。在第一步中，使用測量之R-R間隔、諸如傅立葉頻譜分析之頻域技術或其他方法測定心率(10)，及計算HR reserve (HR max -HR rest )與VO 2reserve (VO 2max -VO 2rest )之間的關係。從此關係中，可測定個體當前正在進行之當前氧耗(VO 2 )(11)及因此測定VO 2max 百分數(12)。
藉由增加EPOC之反應中供應(supply in reactions)及減少EPOC之反應中需求(demand in reactions)測定EPOC經時之變化(13)。此等反應方便併入供應(f supply )及需求(f demand )反應塊(方程1)中。無論是直接測量之VO 2max (V)百分數還是推測自心率之VO 2max 百分數皆用以參數化供應塊(f supply )及亦使用V連同EPOC以參數化需求塊(f demand )。方程2中呈現方程1之非抽象版本，其中f supply =a * e b*V 及f demand =EPOC * c * e d*(1-V)。自該f supply 方程中可明顯瞭解當V增大時，該f supply 反應亦增大。該f supply 方程中之參數a及b(14)係以經驗測定而e係該自然對數之底數。同樣，自該f demand 方程中可明顯瞭解當V增大時，該f demand 反應減小。此外，該f demand 方程中之EPOC術語簡單表明當EPOC增大時，該f demand 反應增大，從而使EPOC(方程2)之變化減慢。該f demand 方程中之參數c及d(14)係以經驗測定而e係該自然對數之底數。包含f supply 塊及f demand 塊之方程2確保個體在較高V下訓練時，
EPOC中之正變化速率亦增大直至達到飽和點。V亦可表示VO 2reserve 百分數而非VO 2max 百分數，但如此一來，當以經驗測定時，則參數a、b、c及d將不同。
實際上，將EPOC初始化為零(方程3)。隨後藉由將f supply -f demand 值加到時間t時之EPOC以測定時間t+1時之EPOC(15)(方程4)。方程5顯示方程4之非抽象版本。參數a、b、c及d與前文所述相同。
EPOC=0 (3)
EPOC (t+1)=EPOC(t)+f supply -f demnand (4)
EPOC (t+1)=EPOC(t)+a * e b*V -c * e d*(1-V) * EPOC(t) (5)
儘管在乳酸鹽代謝與升高之攝氧量之間無明確之因果關係，但是運動後氧氣可用以估算血乳酸鹽(16)。乳酸鹽 max (17)係可達成之最大血乳酸鹽(約25mmol/l)。klactate(18)係經驗推導及dvar(19)係確保EPOC=0時，將血乳酸鹽初始化為非零值(靜態血乳酸鹽值)的參數。
圖4A描繪使用來自於穿戴式PPG感測器之心率資料及本發明之方法產生之EPOC(L)(20)經時(秒)圖的一示例性實施例。該等資料收集自正進行VO 2max 測試之個體及因此20分鐘(1200秒)後，EPOC值上升至
約10L。
圖4B描繪比較使用本發明之方法之測量(21)及估算(22)之血乳酸鹽經時圖的一示例性實施例。以mmol/L為單位測量血乳酸鹽。
3‧‧‧穿戴式PPG器件/穿戴式器件
4‧‧‧顯示器
5‧‧‧行動器件/行動電話
6‧‧‧基於互聯網之平台
7‧‧‧伺服器
8‧‧‧個人電腦
9‧‧‧生物數學模型
Claims (15)
- 一種用於連續及/或即時測定運動後過量氧耗(EPOC)及/或估算之血乳酸鹽的方法，該方法包括：(a)獲取連續心率(HR)資料及/或獲取原始生理信號及自此等生理信號後續測定HR，(b)測定生理參數HR reserve (個體之HR max 與HR rest 之間之差)及VO 2reserve (個體之VO 2max 與VO 2rest 之間之差)，(c)計算個體之VO 2max 百分數或運動強度，(d)應用供需微分方程以測定EPOC，(e)以EPOC之函數形式計算估算之血乳酸鹽水平，(f)合併人類生理學之生物數學模型以便獲得參數，該等參數包含但不限於暫態生理行為及生理波動，諸如激素變化及身體組成變化。 (g)傳輸該等HR及/或EPOC及/或估算之血乳酸鹽資料。
- 如請求項1之方法，其可對使用任何可測量心率之生理監測器測量之連續HR資料進行。
- 如請求項1之方法，其中以HR reserve 與VO 2reserve 之間之關係之函數形式計算VO 2max 百分數或運動強度。
- 如請求項1之方法，其中藉由供需微分方程測定連續及/或即時之EPOC，在該供需微分方程中存在增大EPOC之反應中供應(supply in reactions)(f supply )及減小EPOC之反應中需求(demand in reactions)(f demand )。該供需微分方程如下：EPOC (t+1)=EPOC(t)+a * e b*V -c * e d*(1-V) * EPOC(t)其中，V係VO 2max 百分數， EPOC=0(初始化)，a *e b * V 係f supply ，c *e d * (1-V) 係f demand ，a、b、c及d係以經驗測定之參數，e係自然對數之底數，t係時間。
- 如請求項1之方法，其中藉由應用以下方程式以EPOC之函數形式計算血乳酸鹽：
- 如請求項1之方法，其中該生物數學模型可包含但不限於基於雲端之生物數學模型。
- 如請求項1之方法，其包含將HR及/或EPOC及/或估算之血乳酸鹽資料傳輸至諸如行動電話或個人電腦之行動電子器件。
- 如請求項1之方法，其包含將該等HR及/或EPOC及/或估算之血乳酸鹽資料無線傳輸至可儲存、分析及在用戶計算平台(包含但不限於行動計算器件、家用電腦或穿戴式電子器件)上查看該等資料之平台。
- 一種自光體積描記術(PPG)信號連續及/或即時測定運動後過量氧耗(EPOC)及/或估算之血乳酸鹽之裝置及方法，該裝置及方法包括： (a)使用接觸使用者皮膚之穿戴式PPG器件獲取吸光度資料，(b)自在該PPG器件之處理器上之該等PPG吸光度資料及/或藉由其他構件測定心率，(c)測定該等生理參數HR reserve (個體之HR max 與HR rest 之間之差)及VO 2reserve (個體之VO 2max 與VO 2rest 之間之差)，(d)計算個體之VO 2max 百分數或運動強度，(e)應用供需微分方程以測定EPOC，(f)以EPOC之函數形式計算估算之血乳酸鹽水平，(g)合併人類生理學之生物數學模型以便獲得參數，該等參數包含但不限於暫態生理行為及生理波動，諸如激素變化及身體組成變化，(h)傳輸該等HR及/或EPOC及/或估算之血乳酸鹽資料。
- 如請求項9之裝置及方法，其中以HR reserve 與VO 2reserve 之間之關係之函數形式計算VO 2max 百分數或運動強度。
- 如請求項9之裝置及方法，其中藉由供需微分方程測定連續及/或即時之EPOC，在該供需微分方程中存在增大EPOC之反應中供應(f supply )及減小EPOC之反應中需求(f demand )，該供需微分方程如下：EPOC (t+1)=EPOC(t)+a * e b*V -c * e d*(1-V) * EPOC(t)其中，V係VO 2max 百分數，EPOC=0(初始化)，a *e b * V 係f supply ，c *e d * (1-V) 係f denand ，a、b、c及d係以經驗測定之參數， e係自然對數之底數，t係時間。
- 如請求項9之裝置及方法，其中藉由應用以下方程式以EPOC之函數形式計算血乳酸鹽：
- 如請求項9之裝置及方法，其中該生物數學模型可包含但不限於基於雲端之生物數學模型及/或其中該生物數學模型可在該裝置之本地處理器上運行。
- 如請求項9之裝置及方法，其包含一將該等HR及/或EPOC及/或估算之血乳酸鹽資料傳輸至諸如行動電話或個人電腦之行動電子器件的構件。
- 如請求項9之裝置及方法，其包含一將該等HR及/或EPOC及/或估算之血乳酸鹽資料無線傳輸至可儲存、分析及在用戶計算平台(包含但不限於行動計算器件、家用電腦或穿戴式電子器件)上查看該等資料之平台的構件。
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