孫尚云，林仲志，吳水才

（1. 北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124；2. 臺灣長庚大學(xué)資訊工程系，臺灣 333）

引言

隨著生活水平的提高和健康意識的增強(qiáng)，越來越多的人加入到健身運(yùn)動(dòng)隊(duì)伍中來。健身運(yùn)動(dòng)不僅可以增強(qiáng)體質(zhì)、提高免疫力，還可緩解壓力[1]、增進(jìn)心理健康[2]。掌握科學(xué)的健身方法至關(guān)重要[3]，科學(xué)健身要求從個(gè)人的實(shí)際情況出發(fā)，有針對性的選擇最適合個(gè)體的健身方式和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。目前穿戴式設(shè)備和智能移動(dòng)平臺正快速發(fā)展，先進(jìn)的電子技術(shù)和信號處理技術(shù)逐漸被應(yīng)用到健身運(yùn)動(dòng)中來，以幫助使用者達(dá)到合適的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、取得較好的效果。

現(xiàn)今市場上的穿戴式健身教練設(shè)備主要通過心跳信號（如：polar心率表[4]）和加速度信號（如：小米手環(huán)[5]）來幫助使用者實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的控制。由于運(yùn)動(dòng)心跳是確定運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度的理想?yún)?shù)[6,7]，所以通過心跳控制運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度成為了一種科學(xué)健身的指導(dǎo)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性強(qiáng)，使用者可以通過查看及時(shí)心率與目標(biāo)心率的差距來對自己的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度做出調(diào)整；缺點(diǎn)在于信號采集不夠穩(wěn)定，易受干擾，使用者也不可能頻繁地查看目標(biāo)心率達(dá)成度，且主觀調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度并不容易。加速度信號則大多用來計(jì)步以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的評估[8]，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于信號采集簡單，缺點(diǎn)是計(jì)步的算法不夠精確，而且運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度靠計(jì)步累積起來，實(shí)時(shí)性不夠強(qiáng)。

本研究采用控制心跳的方法來讓使用者達(dá)到合理運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度（本文以腳踏車轉(zhuǎn)速代表運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度），并建立運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與心跳模型（運(yùn)動(dòng)心跳模型），實(shí)現(xiàn)通過目標(biāo)心率推算出運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，讓使用者不再需要靠主觀感覺去盲目調(diào)節(jié)?？紤]到部分研究提出音樂節(jié)拍可調(diào)節(jié)人體動(dòng)作[9]、改變訓(xùn)練者運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)[10,11]、增進(jìn)身體協(xié)調(diào)性。本文建立音樂速度與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度模型（音樂運(yùn)動(dòng)模型），實(shí)現(xiàn)以音樂控制運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，讓運(yùn)動(dòng)者可以安心的投入到健身中，不再需要反復(fù)的查看心率表。結(jié)合心跳帶、智能手機(jī)、運(yùn)動(dòng)耳機(jī)和Web服務(wù)器，研制一種智慧健身教練系統(tǒng)，讓使用者可以隨時(shí)隨地的享受科學(xué)健身。

1 智慧健身教練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.1 教練系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的原理在于通過音樂速度控制人體的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度以達(dá)到目標(biāo)心率，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)心跳控制。所以需要建立兩個(gè)模型：（1）運(yùn)動(dòng)心跳模型，量化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與心跳變化的關(guān)系，用以計(jì)算目標(biāo)心率所需的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度；（2）音樂運(yùn)動(dòng)模型，量化音樂速度與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)通過目標(biāo)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算音樂速度。

1.1.1運(yùn)動(dòng)心跳模型

運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率難以保持穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度及心肺耐力狀況所致。本研究探尋各心肺耐力人群的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與心跳變化的關(guān)系，并建立運(yùn)動(dòng)心跳模型。預(yù)測心率與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系如式（1），其中HR表示運(yùn)動(dòng)心率，Div表示不同心肺耐力群體差異常數(shù)，OnSet為初始化常數(shù)，RPM（轉(zhuǎn)/每分）為腳踏車轉(zhuǎn)速，用來表示運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

1.1.2音樂運(yùn)動(dòng)模型

運(yùn)動(dòng)心跳模型可以計(jì)算不同心率對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，但要想借助音樂的節(jié)拍來引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)者達(dá)到某一運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，還需要建立音樂運(yùn)動(dòng)模型來計(jì)算對應(yīng)的音樂速度。

音樂速度（單位：拍每分鐘，BPM）一般都會以文字或數(shù)字標(biāo)記于一首樂曲的開端。如圖1中的Allegro英文記號，其括號內(nèi)的120是BPM值，表示每分鐘演奏120個(gè)四分音符，即每個(gè)四分音符的長度等于0.5秒（1分鐘除以120等分），1小節(jié)就是2秒長（0.5秒乘以4拍）。BPM的數(shù)值越大代表速度越快。

所有的正規(guī)節(jié)拍中，每小節(jié)第一下為強(qiáng)拍，第三下為弱強(qiáng)拍，其余節(jié)拍為弱拍。因此，如果訓(xùn)練者每次將慣用腳都踩在每小節(jié)的重拍上（強(qiáng)拍和弱強(qiáng)拍），那么訓(xùn)練者踩踏完兩圈的時(shí)間就等于每小節(jié)演奏完的時(shí)間，如此即可引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，達(dá)到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。假設(shè)目標(biāo)心率需要轉(zhuǎn)速30 RPM，也就是2秒1轉(zhuǎn)，選擇4/4音樂的話，每個(gè)音符演奏時(shí)間應(yīng)為1秒（2秒除以2），則需要推薦的音樂速度等于60拍（1分鐘/1秒）。得到腳踏車轉(zhuǎn)速與音樂節(jié)拍數(shù)的關(guān)系：

1.2 健身教練系統(tǒng)架構(gòu)與工作流程

1.2.1系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由四部分組成（如圖2所示）：（1）Web服務(wù)器，提供注冊、運(yùn)動(dòng)歷史瀏覽、音樂數(shù)據(jù)庫管理、運(yùn)動(dòng)心跳模型和音樂運(yùn)動(dòng)模型的實(shí)現(xiàn)等功能，可以依據(jù)使用者的心肺耐力等級給予推薦的音樂。（2）智能平臺，執(zhí)行Web服務(wù)器所提供的音樂，同時(shí)通過計(jì)算運(yùn)動(dòng)中即時(shí)心率與目標(biāo)心率差距來對音樂速度微調(diào)，引導(dǎo)使用者的運(yùn)動(dòng)速度，使其向目標(biāo)心率靠近，并于運(yùn)動(dòng)結(jié)束后將數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器。（3）穿戴式設(shè)備， 包括心率感測器和高品質(zhì)運(yùn)動(dòng)耳機(jī)。心率感測器用于對運(yùn)動(dòng)者進(jìn)行實(shí)時(shí)心率監(jiān)測，基于藍(lán)牙4.0傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)。（4）健身設(shè)備，腳踏車或者跑步機(jī)。

1.2.2系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。（1）運(yùn)動(dòng)者進(jìn)行簡單的心肺耐力分級，以確定其所屬的心肺耐力人群；（2）匹配數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)人群的運(yùn)動(dòng)心跳模型，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的心率，計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度；（3）通過音樂運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算音樂速度，并推薦相應(yīng)速度的音樂給運(yùn)動(dòng)者；（4）根據(jù)實(shí)時(shí)心率與目標(biāo)心率差距對音樂速度進(jìn)行調(diào)整，若當(dāng)前心率大于目標(biāo)心率3分鐘，則選擇更低速的音樂；當(dāng)前心率小于目標(biāo)心率3分鐘，則選擇更高速的音樂。

通常一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期分為三個(gè)階段：暖身期、訓(xùn)練期和緩和期。各個(gè)階段可以設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，式（3）通過設(shè)定的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度及年齡計(jì)算各階段的目標(biāo)心率，式中：age為年齡，I為訓(xùn)練期強(qiáng)度百分比。例如一個(gè)40歲成年人，訓(xùn)練期強(qiáng)度百分比設(shè)定為70～80%，則此人訓(xùn)練期理想心率應(yīng)介于126～144之間。假如該使用者所在人群的運(yùn)動(dòng)心跳模型為HR=1.2*PPM+50，將126～144帶入HR，得到RPM約為每分鐘63.3～78.3轉(zhuǎn)左右，將RPM帶入式（2）可知：將音樂速度設(shè)為126～156拍，使用者會更容易達(dá)到理想心率。

1.3 實(shí)驗(yàn)

1.3.1實(shí)驗(yàn)對象與實(shí)驗(yàn)裝置

通過半年的實(shí)驗(yàn)共收集17位男性自愿者數(shù)據(jù)，所有的自愿者皆已告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并簽署同意書，平均年齡為22.45±1.66歲。采用45公分臺階進(jìn)行HST[12]測試（如圖4(a)所示），利用原地腳踏車（Monark 839e，如圖4(b)所示）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測驗(yàn)過程中皆需穿戴心率感測器（miCoach，如圖4(c)所示）進(jìn)行心率收集。過程中需注意受試者的體能狀況，使用者心肺耐力分級以及運(yùn)動(dòng)心跳模型建立不得于同一天進(jìn)行，但需在15天內(nèi)完成，避免時(shí)間拉長導(dǎo)致心肺耐力產(chǎn)生過大變化。

1.3.2實(shí)驗(yàn)流程

（1）使用者篩選

使用體育活動(dòng)準(zhǔn)備量表[13]（Physical Activity Readiness Questionnaire(PAR-Q)）進(jìn)行病史及身體狀況的調(diào)查，PAR-Q問卷共有七題，受試者每題皆需填寫。由此可以將一般人群與高危險(xiǎn)人群進(jìn)行區(qū)分，只要有一項(xiàng)相符，就不讓該使用者參與，以免發(fā)生意外。

（2）使用者心肺耐力分級

在眾多的心肺耐力評估方式中，HST為一簡單、好量測又具有很高可信度的工具。因此，本研究選用這項(xiàng)評估工具來進(jìn)行使用者的心肺耐力分級。其原理在于檢測運(yùn)動(dòng)后的心跳恢復(fù)能力，心肺耐力好的人應(yīng)有較低心率，心跳恢復(fù)能力也較快。受試者在45公分高臺階上，每分鐘上下頻率30次，進(jìn)行5分鐘的登階測驗(yàn)，并且記錄受試者測驗(yàn)結(jié)束后1分至1分30秒、2分至2分30秒、3分至3分30秒的總心跳數(shù)，通過公式（4）計(jì)算心肺耐力指數(shù)，式中：En為心肺耐力，T為運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間（秒），Sum為三次心跳數(shù)的和；基于文獻(xiàn)[14,15]，將受測者心肺耐力等級分為不好、稍差、普通、尚好以及很好共五級。

（3）運(yùn)動(dòng)心跳模型建立

讓通過HST分級的各心肺耐力人群參加固定時(shí)間與轉(zhuǎn)速漸增的腳踏車測驗(yàn)，記錄心率變化后進(jìn)行分析，建立各人群運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與心率關(guān)系模型。固定時(shí)間與轉(zhuǎn)速漸增的腳踏車測驗(yàn)流程如表1：

A. 一開始以阻力0 watts、轉(zhuǎn)速為65轉(zhuǎn)每分進(jìn)行熱身5分鐘。

B. 將阻力變更至112 watts，該阻力不會使測試者過度疲勞，同時(shí)也能達(dá)到運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的效果。以轉(zhuǎn)速30～40轉(zhuǎn)每分為起始，每2分鐘增加轉(zhuǎn)速10，最高轉(zhuǎn)速為110～120轉(zhuǎn)每分，過程中持續(xù)記錄受試者心率。

C. 每次轉(zhuǎn)速改變前詢問RPE[16]（Rated perceived exertion）。過程中若發(fā)生下述狀況將認(rèn)定為心肺耐力極限并停止實(shí)驗(yàn)：(i) 受試者低于指定轉(zhuǎn)速10以上；(ii) RPE達(dá)19或20；(iii)主觀疲勞或衰竭。

2 結(jié)果與分析

2.1 運(yùn)動(dòng)心跳模型構(gòu)建結(jié)果

17位志愿者中，通過HST可以分出五種心肺耐力人群，包含不好（1人）、稍差（3人）、普通（3人）、尚好（3人）、很好（7人）。根據(jù)固定時(shí)間與轉(zhuǎn)速漸增的腳踏車測驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過線性回歸求出各人群公式（1）對應(yīng)的Div和OnSet值如表2。由表可知，各人群都具有不同的Div和OnSet值，這也說明各人群的運(yùn)動(dòng)心跳模型是獨(dú)立的。

2.2 各運(yùn)動(dòng)心跳模型的心率預(yù)測評估

探究對于不同心肺耐力人群是否存在通用運(yùn)動(dòng)心跳模型。對于不同人群分別采用表2中的對應(yīng)人群模型參數(shù)和平均模型參數(shù)兩種方式，來進(jìn)行不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的心率預(yù)測，其結(jié)果如表3所示。其中“人群”代表使用對應(yīng)人群模型參數(shù)，“通用”代表使用平均模型參數(shù)，由最后一欄可知，五種人群采用對應(yīng)人群參數(shù)預(yù)測誤差都要小于采用平均參數(shù)的預(yù)測誤差。說明各人群采用其對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)心跳模型預(yù)測效果會更好。

2.3 教練系統(tǒng)測試

圖5為測試人員使用教練系統(tǒng)參加實(shí)際健身的效果圖，預(yù)先設(shè)定暖身期和緩和期的目標(biāo)心率為（100～140次/分），訓(xùn)練期的目標(biāo)心率為（140～160次/分），其中心率曲線為通過音樂引導(dǎo)后的實(shí)際心率，可見其在三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段都被較好的控制在目標(biāo)心率段內(nèi)，驗(yàn)證了健身教練系統(tǒng)的有效性。

3 總結(jié)

本研究通過HST和腳踏車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了不同心肺耐力人群運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和心跳的關(guān)系模型。并通過理論推導(dǎo)，建立了音樂速度與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系模型?；诖┐魇皆O(shè)備、移動(dòng)智能平臺以及Web技術(shù)研制出一種智慧教練系統(tǒng)，有望解決目前市場上健身教練需要使用者不停查看心率達(dá)成度和需要靠主觀感覺調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的問題。

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