基于智能功率車的心肺耐力測試與訓練方法研究.pdf

1、心肺耐力（Cardiorespiratory fitness，CRF）表征人體持續(xù)身體活動的能力，整個過程牽涉人體心臟泵血及肺部吸入氧氣的能力，體現(xiàn)了人體在一定運動強度下的心肺儲備功能水平。CRF與呼吸、體溫、脈搏、血壓共同構成五大人體生命體征參數(shù)，被認為是降低心血管疾病和死亡風險的重要預測指標。通過精確的CRF測試，并依據(jù)評估結(jié)果制定科學有效的訓練指導方案，被認為是提升大眾人群心肺功能水平、降低疾病風險最為有效的途徑。然而，目前這種由

2、“測試-評估-訓練”的CRF健康管理方法在大眾健康領域的普及程度仍然不高，其主要原因在于:(1)CRF測評設備依賴于進口，價格十分昂貴，只有專業(yè)體育院校、醫(yī)療康復機構才有經(jīng)濟能力配備;(2)CRF直接測量方式耗時較長，測試難度較大，而間接預測法測量的準確性又無法得到保證;(3)測試和訓練過程中由于人的主觀因素導致運動參數(shù)難以精確控制，測試和訓練的有效性難以保證?；谏鲜鲂枨螅疚囊怨β受嘋RF測評系統(tǒng)研制為基礎，圍繞CRF測試和訓練中的

3、關鍵技術，從提升CRF測試和訓練方法的有效性方面開展相關研究工作，主要研究內(nèi)容包括:
　　1.智能功率車CRF測評系統(tǒng)構建
　　首先，通過比較分析直線往復式和圓周往復式兩種運動形式的優(yōu)缺點，研究設計了兩種不同運動形式的功率車原理樣機;為滿足CRF測試評估過程中運動負荷的恒定控制要求，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)合心率測量單元，設計智能

4、化CRF測評軟件，構建具備恒功率輸出技術特點的智能功率車CRF測評系統(tǒng)，準確分析和評定受試人群的運動心肺儲備能力，并給出較為全面的測試評估報告。
　　2.智能功率車CRF測評系統(tǒng)有效性研究
　　通過對30名受試者與金標準Monark CRF測評系統(tǒng)進行最大運動能力測試實驗對比，分析自主研發(fā)系統(tǒng)和金標準系統(tǒng)HRmax、VO2max測量結(jié)果的相關性和一致性。研究結(jié)果表明，兩種系統(tǒng)HRmax、VO2max測量結(jié)果之間具有高度相關性

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），且在未達到受試者極限狀態(tài)之前的各級心率HRstage和攝氧量VO2stage測量結(jié)果均無顯著性差異(p＞0.05)，實驗結(jié)果驗證了自主研發(fā)系統(tǒng)進行CRF評估的有效性。
　　3.基于運動參數(shù)關系模型的CRF間接測試

6、方法研究
　　通過運動負荷（W）、運動心率（HR）以及攝氧量（VO2）三者之間運動關系模型的研究分析，并針對模型中存在的非線性區(qū)域，提出了一種以乳酸閾值(LT)臨界點為運動負荷劃分依據(jù)的兩級個性化CRF間接測試方法(TC-SMT)，用于間接估算VO2max。LT臨界點之后VO2以及HR與運動負荷W呈現(xiàn)非線性關系，因此選擇以LT臨界點作為前后兩級運動負荷的劃分依據(jù)。兩級運動負荷大小可通過最大攝氧量非運動參數(shù)回歸模型以及VO2-W代謝

7、方程估算求得。與傳統(tǒng)YMCA間接測試方法的對比實驗結(jié)果表明，與GXT VO2max實際測量值相比，TC-SMT VO2max預測結(jié)果的相關性更高(r=0.89)，估計標準誤差更低（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預測結(jié)果更為準確，提升了CRF間接評估的準確性。
　　4.基于運動強度控制的CRF訓練提升方法研究

8、>　　(1)基于心率控制的運動強度評估方法研究
　　運動強度的準確評估是執(zhí)行CRF訓練提升方法的前提與基礎，而心率則是運動強度的常用評估指標，本研究提出了一種基于心率閉環(huán)控制的運動強度精確評估方法，通過目標心率的跟蹤實現(xiàn)指定運動強度的準確評估。首先研究分析運動負荷測試中的心率動力學反應特征，并采用系統(tǒng)辨識方法建立了基于功率車運動測試的心率反應辨識模型，然后基于此模型，采用RST控制策略研究設計心率反饋控制器，實現(xiàn)目標心率跟蹤，并對

9、中等和高運動強度下的心率控制性能進行了評價。結(jié)果表明，兩種運動強度下，所有實驗對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，能夠滿足運動強度的精確量化評估要求。
　　(2)不同運動強度模式對CRF提升作用研究
　　選擇合適的運動強度訓練模式是提升CRF的核心要素?；谏鲜鲅芯拷⒌募夹g和方法，構建了精確化的CRF訓練指導流程，針對MICT和HIIT兩種運動強度模式開展運動干預實驗，對于兩種模