TWI455060B - 即時量測運動強度的方法及應用該方法的裝置 - Google Patents

Description

即時量測運動強度的方法及應用該方法的裝置

本發明係與一種即時量測運動強度的方法及裝置有關，特別是與一種適合應用在可攜式電子產品上，以供即時量測運動強度的方法及裝置有關。

適當的運動強度關係著運動是否能有效促進身體的健康。因此，對於有意利用運動來促進身體健康的人來說，如何判定運動強度便顯得相當重要。

運動強度有許多種表示方式，一般可以利用攝氧量、負荷與耐力、自覺量表、心跳率等方法來判定。例如：在健身俱樂部的諸如跑步機、臺階器、橢圓機等有氧器械之顯示幕上，往往看到這樣一個英文單詞「MET」，「MET」是「Metabolic Equivalent」的縮寫，其中文翻譯是「代謝當量」。其是指運動時的攝氧量與安靜時的攝氧量的比值，許多有氧訓練器械都會利用此一參數來顯示運動強度，並估算熱量消耗。

另一種運動強度的表示方式則是利用最大心跳率的百分比，來做為評量運動心跳率範圍(heart rate range)的依據。最大心跳率的計算公式為「220-年齡」，運動強度則定義為運動中的心跳率與最大心跳率的百分比。

隨著心率表的普及，在運動時全程配帶心率表，以隨時監控運動強度的作法，已逐漸取代於運動後按壓頸動脈以立即量測運動後心跳率的作法。

習知具有心跳率量測功能的可攜式電子產品，例如：心率表和心率帶等，是以電極來量測動物體的電阻抗或心電訊號以獲得心跳率的資訊。

市售的心率表通常做成手錶外觀，其上具有二個供手指按住的兩塊不銹鋼片，以來測量心電圖之電極。利用此方法來量測心跳率時，需要於運動期間持續按壓兩電極，非常不便。而且一旦放開兩電極，則無法即時量測心跳率，也無法持續地記錄心跳率的變化資料。因此，若要即時量測心跳率通常會使用心率帶。

但是，一般的心率表或心率帶並不具備即時提醒運動是否過量的功能，也無法量測計步資訊並將計步資訊換算成能量/卡路里消耗等活動量資訊，因而運動者不能即時瞭解自己的身體狀況，而持續地運動，可能導致危險。即時將活動量資訊可以提供給使用者來評估其運動是否過量，使得運動者能夠避免運動過量的危險。

本發明之一目的在於提供一種較習知技術，更便於即時量測運動強度的方法及裝置，其可在運動進行中，持續地記錄心跳率或是將計步資訊換算成活動量，並將運動強度資訊或活動量資訊即時顯示給運動者，若判斷使用者運動過量，其也能將即時警訊提供給運動者。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種即時量測運動強度的方法，其係用以評估一動物體在運動進行中的一即時運動強度。此方法包括以下步驟：首先，感測動物體之心跳，以產生一相應於心跳的類比訊號；並且定義一取樣頻率，依據此取樣頻率對此類比訊號進行取樣；將每次取樣所擷取的類比訊號轉換為一數位資料；接著，累積性地記錄每次取樣所產生的數位資料之數值而形成一波形圖，此波形圖係依照取樣頻率而動態地更新；在每次取樣後，依據此波形圖判斷動物體是否完成一次心跳；在動物體每完成一次心跳後，即根據取樣頻率，計算出動物體在運動進行中的一即時心率；在每次算出即時心率後，即計算即時心率相對於此動物體之一最大心跳率的一比率，此最大心跳率係相應於動物體的年齡；再以電子化的數字來顯示該比率，並以該比率來代表即時運動強度；以及執行一判斷步驟，藉由該即時運動強度判斷該動物體是否運動過量，以決定是否發出一警訊。

在一實施例中，上述的判斷步驟包括：定義一目標強度值，其係為動物體在運動中所預定達到的運動強度；判斷即時運動強度是否達到此目標強度值；一旦即時運動強度達到此目標強度值，即開始計算時間以獲得一量測期間；另外，提供一理論時間，其係為動物體維持在目標強度值之狀態下的適當運動時間；判斷量測期間是否超出理論時間；若量測期間超出理論時間，則發出警訊。

在一實施例中，上述的類比訊號包括一干擾訊號，干擾訊號係與動物體之身體晃動相關。因此，可藉由感測動物體之身體晃動，來產生一補償訊號；再以補償訊號與干擾訊號進行相消運算，以提升即時心率與即時運動強度的準確度。

本發明之另一實施例提供一種即時量測運動強度的裝置，其係適合於連線至一資料庫系統或一手持式裝置。本發明之即時量測運動強度的裝置包括一感測電路、一類比數位轉換單元、一運算單元、一警示單元、一儲存單元及一無線傳輸模組。感測電路係裝設於動物體之體表以感測動物體之心跳，並產生一對應於動物體之心跳的類比訊號，因而此一類比訊號係對應於一即時心率。類比數位轉換單元係電性連接於感測電路，並且提供一取樣頻率，以擷取此類比訊號並產生一數位資料。此數位資料的數值係會隨此類比訊號的強度而變動，並排列為一波形圖的形式。運算單元係電性連接於類比數位轉換單元，並且提供一演算法。在此演算法中具有取樣頻率、波形圖及即時心率之演算關係、即時心率與即時運動強度之演算關係、動物體之能量消耗與步數資訊的演算關係，或是以上三種演算關係之任意組合。警示單元係電性連接於運算單元，其係適合於接受運算單元的控制而發出警訊。儲存單元係電性連接於運算單元，並適合於儲存即時運動強度。無線傳輸模組係電性連接於運算單元，並且會將即時運動強度傳輸至手持式裝置或資料庫系統。

在一實施例中，上述即時量測運動強度的裝置更包括一震動感測器，例如一陀螺儀或一三軸加速度計、一濾波電路及一放大電路。震動感測器係適合於感測動物體之身體震動，以提供步數資訊。

在一實施例中，警示單元可以是一蜂鳴器、一喇叭、一振動馬達或其等所組合而成的裝置。並且，上述即時量測運動強度的裝置更包括一振盪器，其係電性連接於警示單元。

在一實施例中，運算單元會提供一評估表，在該評估表中的資訊包括一目標強度值、一理論時間、一生物年齡以及三者之間的對應關係。

以上實施例所提供的量測裝置或方法，係使用感測方式來即時量測心跳率和身體震動，並以波形圖持續地記錄心跳率的變化資料，同時利用記錄步數資訊，來換算能量消耗，故能達到即時評估運動狀態的目標。

關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一實施例的詳細說明中，將可被清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語僅是用來說明而並非用來限制本發明。

圖1A為本發明之一實施例的量測裝置100，其係適用於評估一動物體(未圖示)在運動進行中的一「即時運動強度」，亦即在運動進行中某一瞬間的運動強度。量測裝置100包括一感測電路110、一類比數位轉換單元120、一運算單元130、一儲存單元140、一無線傳輸模組150以及一警示單元160。

感測電路110包含一感測器及一類比電路，其係裝設於動物體之體表，以在運動進行中感測動物體之心跳，並產生一相應於動物體之心跳的類比訊號，例如光體積描述訊號或心電圖訊號等，此類比訊號係對應於動物體的一「即時心率」，亦即在運動進行中某一瞬間的心跳率。類比數位轉換單元120係電性連接於感測電路110，並且提供一取樣頻率，以擷取此類比訊號而產生一數位資料。此數位資料的數值係隨時間而變動，並排列為一波形圖(未圖示)的形式。運算單元130係電性連接於類比數位轉換單元120，並且提供一演算法。此演算法包括取樣頻率、波形圖及即時心率之演算關係，以及即時心率與即時運動強度之演算關係。運算單元130可根據該些演算關係而擷取波形圖中的數位資料來進行運算，而輸出此動物體之即時運動強度。

警示單元160係電性連接於運算單元130，其能接受運算單元130的控制而發出一警訊。儲存單元140係電性連接於運算單元130，並適合於儲存即時運動強度。無線傳輸模組150係電性連接於運算單元130，並將即時運動強度傳輸至一手持式裝置(未圖示)或一資料庫系統200，或是同時傳輸至手持式裝置及資料庫系統200。

圖1B說明上述量測裝置100之運作流程。在動物體開始運動後，可以利用感測電路110從動物體之體表感測動物體之心跳，而產生一對應於動物體之心跳的類比訊號，此類比訊號之強度係隨著動物體之心跳而改變(S10)；再定義一取樣頻率；類比數位轉換單元120係依據此取樣頻率來對此類比訊號進行取樣，並將每次取樣所擷取的類比訊號轉換為一數位資料；此數位資料的數值係隨著此類比訊號的強度而改變(S11)；接著，累積性地記錄每次取樣所產生的數位資料之數值而形成一波形圖，此波形圖係依照取樣頻率或數位資料的數值改變而動態地更新(S12)。

在每次取樣後，依據此波形圖來判斷動物體是否完成一次心跳；在動物體每完成一次心跳後，即根據取樣頻率，來計算出動物體在運動進行中的一即時心率(S13)；接著，在每次算出即時心率後，即計算即時心率相對於此動物體之一最大心跳率的一比率。此最大心跳率係相應於動物體的年齡，年齡越大的人最大心跳率會降低。最後，以電子化的數字顯示比率，並以此比率來代表即時運動強度(S14)。

在計算出運動強度後，可再提供一判斷步驟(S16)，以藉由運動強度來判斷運動是否過量。若判斷運動過量，則發出警訊(S17)，否則將會詢問是否停止量測(S18)。

如圖2，本發明之一實施例係提供一評估表300，此評估表300的資料定義了運動中的動物體之年齡、目標強度與在目標強度下持續運動的適當時間三者之對應關係，以及此三者的建議值。表中的目標強度係指動物體在運動中所預定達到的運動強度，而表中的時間係為一理論時間，指的是動物體在達到目標強度值之狀態下持續運動的適當時間。

評估表300對於老人、年輕人在運動強度上做了分析，能夠即時告知運動者，在運動期間已超過身體能夠負荷的程度，並建議馬上停止此運動，舒緩一下，直到恢復體能為止。例如：年輕人在運動中達到目標強度為85%之後，若實施的是較激烈的運動，則建議再持續運動20~30分鐘即可。若實施的是較緩和的運動，則可再持續運動45~60分鐘。

因此，在一實施例中，依圖1B的流程判斷運動是否過量(S16)時，可配合上述評估表300，具體地判斷動物體的即時運動強度是否達到此目標強度值。一旦即時運動強度達到此目標強度值，即開始計算時間以獲得一量測期間；再判斷量測期間是否超出理論時間；若量測期間超出理論時間，則量測裝置100會發出警訊。

圖4列舉不同的運動項目，由和緩至激烈依序排列為散步、太極拳、腳踏車、桌球、爬山、慢跑、上樓梯、跳繩、游泳、打籃球等。

如圖5，在另一實施例中，一健康照護系統500包含了一量測裝置510及一資料庫530。資料庫530係適合設置於量測裝置510中，或是設置於筆記型電腦、個人數位助理(PDA)、隨身聽或手機等手持式裝置(未圖示)中、或是設置於桌上型電腦等不常移動的電子裝置中。量測裝置510亦適合裝設在一可攜式電子產品上，例如計步器或心率表等。而資料庫530可以提供一使用者介面(未圖示)，並電性連接至一藍芽模組520。使用者介面具有管理資料庫530及顯示步數資訊、卡路里消耗資訊、心跳率、運動強度等個人健康資訊等功能。量測裝置510包括一心率感測器511、一三軸加速度計512、一陀螺儀513、一類比電路514、一運算單元515及一藍芽模組516。

心率感測器511、三軸加速度計512與陀螺儀513三者所量測到的訊號經過類比電路514處理後，會被傳輸至運算單元515。類比電路514包括一緩衝器514a、一高通濾波器514b、一低通濾波器514c、一增益器514d、一濾波器514e及一放大器514f。運算單元515係電性連接至一振盪器515a、一計時器515b、一按鈕515c、一電子抹除式可複寫唯讀記憶體515d、一類比數位轉換器515e、一顯示器515f及一通用非同步收發傳輸器515g。

在一實施例中，心率感測器511所接收到對應於心跳的類比訊號，係依序經過緩衝器514a、高通濾波器514b、低通濾波器514c及增益器514d處理後，再傳遞至類比數位轉換器515e。經類比電路514處理過的類比訊號，可利用類比數位轉換器515e轉為數位資料，再將數位資料傳遞至運算單元515。根據這些數位資料，運算單元515可利用一演算法來計算出「即時心率」與「即時運動強度」，並將「即時心率」與「即時運動強度」儲存於電子抹除式可複寫唯讀記憶體515d中。如此，量測裝置510可在運動期間隨時量測運動者的即時心率，並計算即時運動強度再給予運動者參考。

在一實施例中，當使用者使用健康照護系統500時，藉由三軸加速計512取得類比訊號後，此類比訊號會通過類比電路514而傳遞至類比數位轉換器515e，並藉由類比數位轉換器515e將此類比訊號轉換成數位訊號，再經由運算單元515來進行數位濾波及演算法等處理而得到步數，並將步數轉換成例如能量消耗之活動量資訊，並將此活動量資訊提供給使用者，以告知使用者在持續活動一段時間後的活動量是否過量，例如一日活動量是否過量。此項功能同樣可以被傳輸至手持式裝置或資料庫系統。

在一實施例中，陀螺儀513所接收到的訊號，在依序經過濾波器514e及放大器514f處理後，可被傳遞至類比數位轉換器515e。

當使用者將量測裝置510佩戴在動物體之體表上時，隨著步行過程中所產生的軀幹上下震動，會改變了量測裝置510的水平位置，而使得量測裝置510內部的陀螺儀513或三軸加速計512感度發生變化，進而啟動量測裝置510的計數功能，以將移動過程轉換為步數並加以累計，並將最終結果呈現在量測裝置510的顯示器515f上。利用健走計步的功能，可藉由運動者所提供的體重來計算運動者在運動期間所消耗的熱量。

處理過的三軸加速度計512及陀螺儀513訊號，可以分別利用類比數位轉換器515e來轉為數位資料。根據三軸加速度計512及陀螺儀513所測得的資料，運算單元515係利用演算法來計算「健走計步」及「熱量消耗」，再利用按鈕515c來切換在顯示器515f上所顯示的步數資訊以及卡路里消耗資訊。

因此，量測裝置510可依據陀螺儀513或三軸加速度計512所量測的步數數據來計算所消耗的卡路里，並於顯示器515f上提醒使用者目前運動強度狀況、使用者健走步數、卡路里消耗狀況。最後使用者可操作上傳按鈕515c，以將健走步數、熱量消耗、心跳率、運動強度等通過藍芽模組516及520上傳至資料庫530並加以儲存。

使用者可透過資料庫530的使用者介面來觀察心率統計、運動強度分析、更新每日健走步數以及卡路里消耗狀況，並進行統計分析及顯示曲線圖或折線圖。並且，使用者也能夠從使用者介面上制定每日的用藥提醒時間。另外，藉由使用者介面也可將資料庫530中的健康資訊，上傳至網際網路540，以達成硬體與軟體間的溝通。

在一實施例中，振盪器515a係電性連接於運算單元515。蜂鳴器517係電性連接於振盪器515a。運算單元515可利用振盪器515a及計時器515b來計算時間、設定時間，並通過振盪器515a來觸發一蜂鳴器517。

圖5係配合圖4之健康照護系統500的運作流程。使用者可以利用使用者介面以將自己的基本資料輸入至資料庫530中(S60)，接著將健康照護系統500配帶於一身體部位並進行運動(S61)。在一實施例中，此健康照護系統500係裝設於一計步器中，並與計步的功能相搭配。接著以心率感測器511進行心率檢測(S62)。

類比訊號通常會包括一干擾訊號，干擾訊號係與動物體之身體晃動相關。因此，可藉由計步器所感測動物體之身體晃動狀況，來產生一補償訊號(S63)；再以補償訊號與干擾訊號作相消運算，而校正即時心率(S64)。

接著，根據計步器所取得的步數資訊來換算成熱量消耗，並根據校正後的即時心率，換算成即時運動強度。

接著，依據即時運動強度及圖2顯示之評估表300，來評估運動是否過量(S66)。若運動未過量，則將會詢問是否停止量測(S68)，若未停止量測，則重新進行心率檢測(S62)以後之步驟。若運動過量，則健康照護系統500的蜂鳴器517會發出警訊(S67)，以幫助運動者能夠即時知道自己在運動期間的心跳率及運動強度，藉此提醒運動者評估自身身體狀況，是否能夠再持續地運動，並減少運動過量所造成之身體不適的危險。若持續運動過量，量測裝置510會利用通訊系統裝置通知親屬。

綜上所述，本發明的實施例提供一個量測裝置100及方法，其係使用不侷限於光學或電極等的感測方式，來量測運動者心跳率，並即時顯示運動強度，使得運動者得以了解自身運動狀況，而在運動過量時發出警訊。

本發明的另一實施例可以提供一個具有即時量測心跳率、運動強度、健走步數及熱量消耗等功能的可攜式的健康照護系統500，其功能包括：

1.　利用感測電路來量測心率波形，即時以一演算法來取得心跳率，並即時換算成運動強度。

2.　運用三軸加速度計或陀螺儀來計算步數，並依據步數計算熱量消耗分析等活動量資訊，以提供給使用者參考。

3.　在每次運動結束後，都能夠記錄此次運動相關的步數、熱量消耗、心跳率及運動強度等資訊，並上傳至資料庫530，以供使用者便利地觀察運動相關資訊，進而了解是否已達成自身運動量目標。

惟以上所述者，僅為本發明之部分實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100．．．量測裝置

110．．．感測電路

120．．．類比數位轉換單元

130．．．運算單元

140．．．儲存單元

150．．．無線傳輸模組

160．．．警示單元

200．．．資料庫系統

300．．．評估表

500．．．健康照護系統

510．．．量測裝置

511．．．光體積感測器

512．．．三軸加速度計

513．．．陀螺儀

514．．．類比電路

514a．．．緩衝器

514b．．．高通濾波器

514c．．．低通濾波器

514d．．．增益器

514e．．．濾波器

514f．．．放大器

515．．．運算單元

515a．．．振盪器

515b．．．計時器

515c．．．按鈕

515d．．．電子抹除式可複寫唯讀記憶體

515e．．．類比數位轉換器

515f．．．顯示器

515g．．．通用非同步收發傳輸器

517．．．蜂鳴器

516,520．．．藍芽模組

530．．．資料庫

540．．．網際網路

第1A圖，係為本發明之一實施例的量測裝置之方塊示意圖。

第1B圖，係為本發明之一實施例的量測方法之流程示意圖。

第2圖，係為本發明之一實施例的運動強度評估表示意圖。

第3圖，係為本發明之一實施例的運動項目分類示意圖。

第4圖，係為本發明之一實施例的健康照護系統之方塊示意圖。

第5圖，係為本發明之另一實施例的健康照護系統之流程示意圖。

Claims (7)

1. 一種即時量測運動強度的方法，以供評估一動物體在運動進行中的一即時運動強度，其中該動物體具有一相應於其年齡的最大心跳率，該方法包括：感測該動物體之心跳，而產生一相應於該動物體之心跳的類比訊號；定義一取樣頻率，並依據該取樣頻率對該類比訊號進行取樣；將每次取樣所擷取的該類比訊號轉換為一數位資料，其中該數位資料的數值係隨著該類比訊號的強度而改變；累積每次取樣所產生的該數位資料以形成一波形圖，該波形圖係依照該取樣頻率而隨著時間動態地更新；在每次取樣後，依據該被更新的波形圖判斷該動物體是否完成一次心跳；在每次判斷該動物體已完成一次心跳後，即根據該取樣頻率，計算出該動物體在運動進行中的一即時心率；在每次算出該即時心率後，即計算該即時心率相對於該最大心跳率之一比率；以電子化的數字來顯示該比率，並以該比率代表該即時運動強度；藉由一運算單元提供一評估表，該評估表中的資訊包括複數不同的年齡，每一該年齡對應一目標強度值，每一該目標強度值對應複數不同的運動狀態，每一該運動狀態對應一 理論時間，其中該目標強度值被定義為該動物體在運動中預定達到的運動強度，並且該理論時間被定義為該動物體維持在該目標強度值之狀態下持續運動的適當時間；該運算單元判斷該即時運動強度是否達到相應於該動物體之年齡的該目標強度值，一旦該即時運動強度達到該目標強度值，即開始量測一持續運動時間；利用一三軸加速計量測該動物體之步數資訊及活動量資訊；該運算單元依據該動物體之步數資訊及活動量資訊，判斷該動物體所處之運動狀態；該運算單元從該評估表中尋找該運動狀態所對應之該理論時間；該運算單元判斷該持續運動時間是否超出該理論時間；以及若該持續運動時間超出該理論時間，則發出一停止運動的警訊；若該持續運動時間尚未超出該理論時間，則提供可再持續運動的時間之一建議值，該建議值係隨著該即時運動強度及該運動狀態的變化而動態地調整。
2. 如申請專利範圍第1項所述之即時量測運動強度的方法，其中該類比訊號包括一干擾訊號，該干擾訊號係與該動物體之身體晃動相關，該方法更包括：感測該動物體之身體晃動以產生一補償訊號；以及以該補償訊號與該干擾訊號進行相消運算，以提高該即時心率及該即時運動強度的準確度。
3. 一種即時量測運動強度的裝置，其係適合於評估一動物體在運動進行中的一即時運動強度，該即時量測運動強度的裝置包括：一感測電路，其可裝設於該動物體之體表以感測該動物體之心跳，並產生一對應於該動物體的心跳之第一類比訊號，其中該第一類比訊號係對應於一即時心率；一類比數位轉換單元，其係電性連接於該感測電路，並提供一取樣頻率，以擷取該類比訊號而產生一數位資料，其中該數位資料的數值係隨著該類比訊號的強度而變動，並排列為一波形圖的形式，該波形圖係依照該取樣頻率而隨著時間動態地更新；一三軸加速計，其電性連接於該類比數位轉換單元，並可裝設於該動物體之體表以感測該動物體步行過程中所產生的震動，並產生一第二類比訊號，其中該第二類比訊號係對應於該動物體的一步數資訊及一活動量資訊；一運算單元，其係電性連接於該類比數位轉換單元，並且提供一評估表及一演算法，該評估表中的資訊包括複數不同的年齡，每一該年齡對應一目標強度值，每一該目標強度值對應複數不同的運動狀態，每一該運動狀態對應一理論時間，在該演算法中具有該取樣頻率、該波形圖及該即時心率之演算關係、該即時心率與該即時運動強度之演算關係，以及該步數資訊及一活動量資訊與該動物體之能量消耗的演算關係，並且該運算單元將該等演算關係之演算結果與該評估表進行比對而得到一可再持續運動的時間之建議值；一警示單元，其係電性連接於該運算單元，以接受該運 算單元的控制，並依據該建議值而發出一警訊；一儲存單元，其係電性連接於該運算單元，以儲存該即時運動強度；以及一無線傳輸模組，其係電性連接於該運算單元，以傳輸該即時運動強度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之即時量測運動強度的裝置，更包括：一震動感測器，其係用於感測該動物體之身體震動，並且係電性連接於該類比數位轉換單元；一濾波電路，其係電性連接於該震動感測器；以及一放大電路，其係電性連接於該濾波電路。
5. 如申請專利範圍第4項所述之即時量測運動強度的裝置，其中該震動感測器係選自於由一陀螺儀、一三軸加速度計及其等之組合所構成的群組。
6. 如申請專利範圍第3項所述之即時量測運動強度的裝置，更包括：一振盪器，其係電性連接於該警示單元。
7. 如申請專利範圍第6項所述之即時量測運動強度的裝置，其中該警示單元係選自於由一蜂鳴器、一喇叭、一振動馬達以及其等之組合所構成的群組。