基于智能功率車(chē)的心肺耐力測(cè)試與訓(xùn)練方法研究.pdf

1、心肺耐力（Cardiorespiratory fitness，CRF）表征人體持續(xù)身體活動(dòng)的能力，整個(gè)過(guò)程牽涉人體心臟泵血及肺部吸入氧氣的能力，體現(xiàn)了人體在一定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的心肺儲(chǔ)備功能水平。CRF與呼吸、體溫、脈搏、血壓共同構(gòu)成五大人體生命體征參數(shù)，被認(rèn)為是降低心血管疾病和死亡風(fēng)險(xiǎn)的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)。通過(guò)精確的CRF測(cè)試，并依據(jù)評(píng)估結(jié)果制定科學(xué)有效的訓(xùn)練指導(dǎo)方案，被認(rèn)為是提升大眾人群心肺功能水平、降低疾病風(fēng)險(xiǎn)最為有效的途徑。然而，目前這種由

2、“測(cè)試-評(píng)估-訓(xùn)練”的CRF健康管理方法在大眾健康領(lǐng)域的普及程度仍然不高，其主要原因在于:(1)CRF測(cè)評(píng)設(shè)備依賴(lài)于進(jìn)口，價(jià)格十分昂貴，只有專(zhuān)業(yè)體育院校、醫(yī)療康復(fù)機(jī)構(gòu)才有經(jīng)濟(jì)能力配備;(2)CRF直接測(cè)量方式耗時(shí)較長(zhǎng)，測(cè)試難度較大，而間接預(yù)測(cè)法測(cè)量的準(zhǔn)確性又無(wú)法得到保證;(3)測(cè)試和訓(xùn)練過(guò)程中由于人的主觀(guān)因素導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)參數(shù)難以精確控制，測(cè)試和訓(xùn)練的有效性難以保證。基于上述需求，本文以功率車(chē)CRF測(cè)評(píng)系統(tǒng)研制為基礎(chǔ)，圍繞CRF測(cè)試和訓(xùn)練中的

3、關(guān)鍵技術(shù)，從提升CRF測(cè)試和訓(xùn)練方法的有效性方面開(kāi)展相關(guān)研究工作，主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　1.智能功率車(chē)CRF測(cè)評(píng)系統(tǒng)構(gòu)建
　　首先，通過(guò)比較分析直線(xiàn)往復(fù)式和圓周往復(fù)式兩種運(yùn)動(dòng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了兩種不同運(yùn)動(dòng)形式的功率車(chē)原理樣機(jī);為滿(mǎn)足CRF測(cè)試評(píng)估過(guò)程中運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的恒定控制要求，利用模糊PID控制算法解決了一定范圍內(nèi)不受蹬踏速率影響的恒功率控制問(wèn)題，獲得了較高的控制精度以及較低的控制誤差;最后，結(jié)合心率測(cè)量單元，設(shè)計(jì)智能

4、化CRF測(cè)評(píng)軟件，構(gòu)建具備恒功率輸出技術(shù)特點(diǎn)的智能功率車(chē)CRF測(cè)評(píng)系統(tǒng)，準(zhǔn)確分析和評(píng)定受試人群的運(yùn)動(dòng)心肺儲(chǔ)備能力，并給出較為全面的測(cè)試評(píng)估報(bào)告。
　　2.智能功率車(chē)CRF測(cè)評(píng)系統(tǒng)有效性研究
　　通過(guò)對(duì)30名受試者與金標(biāo)準(zhǔn)Monark CRF測(cè)評(píng)系統(tǒng)進(jìn)行最大運(yùn)動(dòng)能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析自主研發(fā)系統(tǒng)和金標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)HRmax、VO2max測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性和一致性。研究結(jié)果表明，兩種系統(tǒng)HRmax、VO2max測(cè)量結(jié)果之間具有高度相關(guān)性

5、（HRmax:r=0.853，VO2max:r=0.892），一致性范圍較窄（HRmax LoA:-6.8bpm-4.6bpm，VO2max LoA:-5.7ml·kg-1·min-1-4.9ml·kg-1·min-1），且在未達(dá)到受試者極限狀態(tài)之前的各級(jí)心率HRstage和攝氧量VO2stage測(cè)量結(jié)果均無(wú)顯著性差異(p＞0.05)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了自主研發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行CRF評(píng)估的有效性。
　　3.基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)關(guān)系模型的CRF間接測(cè)試

6、方法研究
　　通過(guò)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷（W）、運(yùn)動(dòng)心率（HR）以及攝氧量（VO2）三者之間運(yùn)動(dòng)關(guān)系模型的研究分析，并針對(duì)模型中存在的非線(xiàn)性區(qū)域，提出了一種以乳酸閾值(LT)臨界點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)負(fù)荷劃分依據(jù)的兩級(jí)個(gè)性化CRF間接測(cè)試方法(TC-SMT)，用于間接估算VO2max。LT臨界點(diǎn)之后VO2以及HR與運(yùn)動(dòng)負(fù)荷W呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系，因此選擇以L(fǎng)T臨界點(diǎn)作為前后兩級(jí)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的劃分依據(jù)。兩級(jí)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷大小可通過(guò)最大攝氧量非運(yùn)動(dòng)參數(shù)回歸模型以及VO2-W代謝

7、方程估算求得。與傳統(tǒng)YMCA間接測(cè)試方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與GXT VO2max實(shí)際測(cè)量值相比，TC-SMT VO2max預(yù)測(cè)結(jié)果的相關(guān)性更高(r=0.89)，估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差更低（SEE=3.11ml·kg-1·min-1），一致性更好（LoA:-6.9ml·kg-1·min-1-5.3ml·kg-1·min-1），VO2max預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，提升了CRF間接評(píng)估的準(zhǔn)確性。
　　4.基于運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度控制的CRF訓(xùn)練提升方法研究

8、>　　(1)基于心率控制的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度評(píng)估方法研究
　　運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的準(zhǔn)確評(píng)估是執(zhí)行CRF訓(xùn)練提升方法的前提與基礎(chǔ)，而心率則是運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的常用評(píng)估指標(biāo)，本研究提出了一種基于心率閉環(huán)控制的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度精確評(píng)估方法，通過(guò)目標(biāo)心率的跟蹤實(shí)現(xiàn)指定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的準(zhǔn)確評(píng)估。首先研究分析運(yùn)動(dòng)負(fù)荷測(cè)試中的心率動(dòng)力學(xué)反應(yīng)特征，并采用系統(tǒng)辨識(shí)方法建立了基于功率車(chē)運(yùn)動(dòng)測(cè)試的心率反應(yīng)辨識(shí)模型，然后基于此模型，采用RST控制策略研究設(shè)計(jì)心率反饋控制器，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)心率跟蹤，并對(duì)

9、中等和高運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的心率控制性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，兩種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下，所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象心率跟蹤均方根誤差RMSEHR的總體平均值均小于3.5bpm，控制精度較高，能夠滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的精確量化評(píng)估要求。
　　(2)不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度模式對(duì)CRF提升作用研究
　　選擇合適的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度訓(xùn)練模式是提升CRF的核心要素?；谏鲜鲅芯拷⒌募夹g(shù)和方法，構(gòu)建了精確化的CRF訓(xùn)練指導(dǎo)流程，針對(duì)MICT和HIIT兩種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度模式開(kāi)展運(yùn)動(dòng)干預(yù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于兩種模