運(yùn)動心率采集技術(shù)的發(fā)展*

張 威， 王培勇， 傅蘭英， 蔡佳妮

(1.清華大學(xué) 體育部，北京 100084； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 體育部，河南 新鄉(xiāng)453003；3.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 三全學(xué)院體育部，河南 新鄉(xiāng)453003)

綜述與評論

運(yùn)動心率采集技術(shù)的發(fā)展*

張 威1， 王培勇1， 傅蘭英2,3， 蔡佳妮1

(1.清華大學(xué) 體育部，北京 100084； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 體育部，河南 新鄉(xiāng)453003；3.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 三全學(xué)院體育部，河南 新鄉(xiāng)453003)

心臟是維持人體生命的重要器官之一，心率攜帶了大量反映人體健康狀況的信息。運(yùn)動中通過采集和分析心率能夠判斷運(yùn)動強(qiáng)度是否合理，并了解運(yùn)動對人體生理的影響。40年來，無線心率采集技術(shù)經(jīng)歷了6個發(fā)展階段，在元件、頻率、穩(wěn)定性等諸多領(lǐng)域取得了卓越的突破，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于專業(yè)運(yùn)動訓(xùn)練和大眾健身中。同時，這項(xiàng)技術(shù)還保持著快速的發(fā)展勢頭。

無線心率采集； 技術(shù)發(fā)展；運(yùn)動

0 引 言

心臟是一個強(qiáng)有力的肌肉系統(tǒng)，它將血液(包含氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)、激素和抗體)通過循環(huán)系統(tǒng)送達(dá)全身、維持生命；它攜帶著諸多與人體健康相關(guān)的信息，準(zhǔn)確描述和辨析脈搏所含有的信息，對人類健康具有舉足輕重的影響。另外，血液也能將產(chǎn)生的廢物運(yùn)送到腎臟然后排泄掉。

本文深入研究體育鍛煉對心率的影響，這對提高人們的健康水平具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

1 運(yùn)動中心率的作用

如何科學(xué)地進(jìn)行鍛煉，使之成為增強(qiáng)體質(zhì)、促進(jìn)健康的有效因子，掌握好運(yùn)動強(qiáng)度是關(guān)鍵所在，只有在適宜的運(yùn)動強(qiáng)度條件下，才能保證人體各組織中血液供應(yīng)達(dá)到最佳值，且不產(chǎn)生疲勞積累，這時，體育鍛煉才能獲得最大效果。所以，心率常被用于評定運(yùn)動強(qiáng)度是否適宜的一個客觀指標(biāo)。

在運(yùn)動訓(xùn)練和健康鍛煉領(lǐng)域，運(yùn)用心率控制訓(xùn)練強(qiáng)度，提高訓(xùn)練效果，以此為依據(jù)，出現(xiàn)了多種訓(xùn)練方法。在群眾健身領(lǐng)域，國內(nèi)外僅就運(yùn)動適宜的心率計(jì)算公式就有8種之多，見表1。

表1 用心率計(jì)算運(yùn)動負(fù)荷方法與公式表
Tab 1 Method and formula for calculating exercise load by heart rate

方法公式年齡減算法180(或170)-年齡心率百分比法最高心率(220-年齡)×(70～85)%庫柏(Cooper)最佳心率法(最大心率-安靜時心率)×70%+安靜時心率卡沃南計(jì)算運(yùn)動心率法(年齡預(yù)計(jì)最大心率-靜息時心率)×60%+靜息時心率卡爾森(Karlson)心率測定法(最高心率-安靜心率)÷2+安靜心率美國運(yùn)動醫(yī)學(xué)會推薦儲備心率法220-年齡-安靜心率靶心率測定法(220-年齡-安靜心率)×最大心率%+安靜心率芬蘭JKarvonen心率儲備法安靜心率+(最高心率-安靜心率)×60%

2 歷史上心率采集的探索歷程[1～5]

在我國，中醫(yī)看病講究望、聞、問、切四診(其中切診主要指切脈，也就是老白姓說的“把脈”或者“號脈”)。診脈在公元前五世紀(jì)左右由“神醫(yī)”扁鵲發(fā)明，至今已有兩千多年歷史。我國切脈法的文字記載始見于《黃帝內(nèi)經(jīng)》。中醫(yī)切脈的原理，見圖1。

圖1 中醫(yī)切脈的原理示意圖Fig 1 Principle diagram of pulse feeling in traditional Chinese Medicine

1903年，荷蘭生物學(xué)家，Leiden大學(xué)的教授Einothven，發(fā)明了世界第一臺弦線型心電圖記錄儀，準(zhǔn)確描記出心臟每個心動周期的心電變化曲線，這個曲線被命名為心電圖(electrocardiograph, ECG)。之后，心電圖被廣泛應(yīng)用于臨床，診斷各種心臟類疾。Einthoven被譽(yù)為“心電圖之父”，并于1924年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。

動態(tài)心電圖在1957年由美國物理學(xué)博士Norman J Holter首創(chuàng)，稱Holter心電圖。Holter系統(tǒng)在1961年首次應(yīng)用于臨床。第一臺Holter系統(tǒng)在1965年實(shí)現(xiàn)商用。之后，Holter心電圖技術(shù)迅速成為心臟相關(guān)疾病范疇內(nèi)實(shí)用、無創(chuàng)、高效、安全、準(zhǔn)確、且可重復(fù)的普及診斷方法。我國開始引入動態(tài)心電圖技術(shù)是1978年[6,7]，見圖2。

圖2 Holter系統(tǒng)的示意圖Fig 2 Schematic diagram of Holter system

3 無線心率采集技術(shù)的發(fā)展歷程[8～12]

3.1 無線運(yùn)動心率采集的第一階段(1961～1994年)

1961年，蘇聯(lián)的舒瓦托夫發(fā)明了微型無線電生理機(jī)能記錄儀，其發(fā)射機(jī)采用半導(dǎo)體和電子管混合形式。1962年，日本崗芳包、宇都山等人發(fā)表了《運(yùn)動中の心電圖の短波無線電搬送法》。1964年,北京體育大學(xué)賈冰懷教授成功研制出心率無線電遙測裝置。

心率無線電遙測裝置由心率無線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。其中，心率無線發(fā)射機(jī)的任務(wù)是將心率以無線電波的形式發(fā)射出來，它由三部分組成：1)心電放大器，將微弱的心電信號放大；2)副載頻振蕩器，可產(chǎn)生與心率相應(yīng)變化的振蕩信號；3)載波振蕩器，可產(chǎn)生88～108 HMz的高頻振蕩信號，原理見圖3。

圖3 無線心率發(fā)射器的原理框圖Fig 3 Principle block diagram of wireless heart rate transmitter

接收機(jī)的任務(wù)是將含有心率信息的88～108 HMz無線電波接收下來,實(shí)現(xiàn)心率信息遙測。

心率無線發(fā)射器使用了兩個心電電極，電極引線長度約30 cm。電極安裝需要先用無水乙醇對皮膚表面進(jìn)行清潔和去脂處理，涂抹導(dǎo)電膏并用膠布粘貼在胸部，電極的插頭插到心率發(fā)射器的盒子上，采用9V層疊電池供電。發(fā)射距離40～50 m，借助秒表和紙筆可以記錄下每分鐘的心率數(shù)據(jù)，見圖4。

圖4 心率無線電遙測裝置的佩戴與安裝圖Fig 4 Adorn and installation diagram of heart rate radio telemetry device

無線心率發(fā)射器的出現(xiàn)，突破了觸摸法不能動態(tài)測試心率的瓶頸。此后關(guān)于運(yùn)動負(fù)荷和運(yùn)動量的研究成果不斷涌現(xiàn)，這一先進(jìn)技術(shù)在1966年2月被國家科學(xué)技術(shù)委員會登記認(rèn)證，編號為1432。該項(xiàng)技術(shù)先后被運(yùn)用于國家女籃、國家乒乓球隊(duì)、國家游泳隊(duì)等隊(duì)伍的訓(xùn)練和比賽中。之后，國家體育總局科研所儀器室的技術(shù)人員，從全國的需求出發(fā)，將這一技術(shù)改進(jìn)后做成產(chǎn)品推廣，直到1996年。

3.2 無線運(yùn)動心率采集的第二階段(1977～1984年)

芬蘭Polar公司成立于1977年，于1984年推出PE3000無線心率套件[11]，套件的基本單元是一個心率帶和一個心率表。心率帶的主要功能類似于一個心率傳感器，它采集心電信號并以5 kHz模擬信號的形式無線發(fā)射，發(fā)射有效距離約80 cm。心率表是一個配套的接收裝置，在80 cm的半徑內(nèi)接收心率帶的信號，并將這一信號數(shù)字化處理、提供顯示與存儲功能，見圖5。

圖5 PE3000 無線心率套件的佩戴方式Fig 5 The way to wear PE3000 wireless heart rate kit

PE3000心率采集裝置在技術(shù)上的一個大的突破，主要表現(xiàn)在穩(wěn)定性、低功耗、數(shù)字化、微型化以及實(shí)時計(jì)算與顯示。其不足則表現(xiàn)在測試結(jié)果不能遠(yuǎn)距離傳送，全程的變化要在訓(xùn)練結(jié)束后，使用特定的后續(xù)裝置，通過心率表背部的8孔插座將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)而打印和顯示。

3.3 無線運(yùn)動心率采集的第三階段(1996前后)

1996年前后，數(shù)字化2.4 GHz心率帶傳感器和心率表套件進(jìn)入中國[12]，具有代表性的是芬蘭POLAR和SUUNTO這兩個公司。這個階段的技術(shù)特點(diǎn)是對心率帶向心率表的信息傳遞方式進(jìn)行了改進(jìn)，將之前的5 kHz模擬傳送方式提高到2.4 GHz的數(shù)字傳送，集成度和可靠性進(jìn)一步提升，有效接收距離從以前的80 cm提高到3 m(理論值10 m)。

將芬蘭POLAR或者SUUNTO原裝的心率帶稱為有源心電傳感器，該傳感器由微型貼片元件和2.4 GHz無線收發(fā)芯片設(shè)計(jì)，核心部件固定在心電傳感器中部，鋰電池供電。該傳感器將心電信號經(jīng)放大、濾波、R波提取、脈沖整形后，以2.4 GHz的頻率發(fā)送到半徑為3 m的有效范圍內(nèi)。使用時，可以綁定在胸部外側(cè)，緊貼胸廓，不易滑落，數(shù)字化2.4 GHz無線心率采集系統(tǒng)的套件，見圖6。

圖6 數(shù)字化2.4 GHz無線心率采集系統(tǒng)的套件Fig 6 Kit of digital 2.4 GHz wireless heart rate acquisition system

POLAR控制分析軟件可以將心率傳輸帶的心率數(shù)據(jù)儲存進(jìn)計(jì)算機(jī)檢測訓(xùn)練進(jìn)度,透過不同的測試檢測體能,實(shí)現(xiàn)人機(jī)溝通對話。

這個階段的產(chǎn)品，心率帶(有源心電傳感器)的信號是經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行了數(shù)字信號算法處理的，心率帶發(fā)出的無線信息中已經(jīng)包含有即刻心率(通過兩個R波間期計(jì)算出來的心率)和平均心率,每秒提供4次數(shù)據(jù)更新,在無線數(shù)據(jù)幀中還包含有心率帶ID編碼等多種信息。

3.4 無線運(yùn)動心率采集的第四階段(2008-2010年)

2008年11月后，POLAR和SUUNTO兩個公司相繼推出了團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)，支持10人以上的運(yùn)動團(tuán)隊(duì)同時進(jìn)行無線心率測試[13～15]，見圖7。

圖7 無線運(yùn)動心率測試的團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)Fig 7 Team system for wireless sports heart rate measurement

其中,Polar推出Team2團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)，同時供10個運(yùn)動員使用，如果擴(kuò)展心率帶數(shù)量，最大可同時監(jiān)測28個運(yùn)動員的心率。心率帶可以將心率儲存在心率帶中，之后分析，也可以同時發(fā)射，供實(shí)時監(jiān)控用，運(yùn)動員只要佩帶心率帶就可以，無須佩帶轉(zhuǎn)發(fā)器，通過這套心率訓(xùn)練系統(tǒng)，可以更深入了解個別隊(duì)員和整個團(tuán)隊(duì)的體能狀態(tài)與水平。

該系統(tǒng)使用2.4 GHz無線頻段，相互之間的串?dāng)_采用ID編號進(jìn)行區(qū)分，無線發(fā)射距離從過去的理論值10 m，提高到100 m以上。號稱絕對保證150 m無障礙發(fā)射接收距離，確保運(yùn)動員在400 m田徑場內(nèi)或場外休息區(qū)均可以穩(wěn)定接收到心率信號。實(shí)際測試結(jié)果表明，可以覆蓋整個標(biāo)準(zhǔn)田徑場地，但是投擲圍網(wǎng)對這一信號有極大的屏蔽和衰減作用，會形成心率無線信號接收盲區(qū)。

在技術(shù)上，POLAR團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)借助世界上著名的一個藍(lán)牙模塊生產(chǎn)公司和一個ARM生產(chǎn)公司，實(shí)現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)心率無線實(shí)時遠(yuǎn)距離測試的產(chǎn)品需求。Team2系統(tǒng)的藍(lán)牙連接由Bluegiga公司的WT11—A Class 1模塊提供，該模塊采用CSR公司的BlueCore4芯片和Bluegiga的iWRAP藍(lán)牙連接固件。Bluegiga公司的接入服務(wù)器是基于CSR公司的多個BlueCore4芯片，使系統(tǒng)能夠通過無線方式同步地收集和分析來自多達(dá)28名選手的數(shù)據(jù)。當(dāng)使用藍(lán)牙時，心率監(jiān)測器能夠?qū)崿F(xiàn)長達(dá)30 h的電池使用時間。

值得注意的是，2009年，POLAR公司接受了前期老用戶的建議，推出了一種5 kHz和2.4 GHz 同時存在的(模擬+數(shù)字)雙路無線信號發(fā)射的心率帶，型號為H2，以兼顧前期老用戶和新用戶的需要。2012年推出H2的更新產(chǎn)品H7。

3.5 無線運(yùn)動心率采集的第五階段(2011～2013年)

2011年之后，POLAR公司和一些手機(jī)制造商，把研發(fā)重點(diǎn)集中在多參數(shù)綜合方面，尤其是GPS空間定位技術(shù)與實(shí)時心率采集相結(jié)合方面有較大的突破。

2013年春，POLAR推出H6心率帶，運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)了心率帶與手機(jī)的無縫連接，在手機(jī)上可以實(shí)時獲得無線心率信號[16]。在手機(jī)上還能實(shí)現(xiàn)GPS運(yùn)動軌跡定位等多種功能，見圖8。

圖8 POLAR H6心率帶與手機(jī)和平板的結(jié)合應(yīng)用Fig 8 Combined application of POLAR H6 with mobile phone and tablet

3.6 無線運(yùn)動心率采集的第六階段(2013年后)

2013年，RC3 GPS心率表問世，在心率表內(nèi)，嵌入了GPS定位功能。RC3心率表，定位高端，功能全面，支持跑步、騎行等多種訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄。也是POLAR心率表中內(nèi)置GPS功能的，可追蹤訓(xùn)練路徑、速度和距離，并支持通過Google Maps顯示海拔,可記錄平均、最高心率,電池在GPS開啟情況下可使用12 h。

2014年，V800 GPS心率表上市[16～18]。這是一款針對跑步、單車、游泳項(xiàng)目設(shè)計(jì)的心率表，與H7心率帶相匹配。其主要功能是：內(nèi)置GPS以監(jiān)測速度、距離及追蹤路線，全天候追蹤你的活動，GPS在省電模式下可使用50 h，見圖9。

圖9 含有GPS功能的V800心率表Fig 9 V800 heart rate meter with GPS function

在國內(nèi)，清華大學(xué)在2014年推出了無線心率數(shù)據(jù)采集和視頻圖像疊加系統(tǒng)，將無線心率采集和運(yùn)動視頻圖像兩種類型的信號予以同步結(jié)合，將當(dāng)前心率數(shù)據(jù)同運(yùn)動圖像疊加，在新生成的視頻圖像中，嵌入了時間和心率，新生成的視頻圖像被存儲在計(jì)算機(jī)中備查。該技術(shù)在2009年6月3日獲得國家專利(ZL 2008 2 0127130.1)[19]，圖10是無線心率數(shù)據(jù)采集和視頻圖像疊加模塊原理示意圖。

圖10 無線心率數(shù)據(jù)采集和視頻圖像疊加模塊原理示意圖Fig 10 Principle diagram of wireless heart rate data acquisition and video image overlay module

該模塊的視頻字符疊加功能使用NEC公司的專用字符疊加芯片uPD6450。以此芯片為核心設(shè)計(jì)的字符疊加電路，具有可靠性高、顯示編輯功能強(qiáng)、硬件電路簡化等優(yōu)點(diǎn)。視頻疊加模塊前端信號源來自一臺普通的攝像頭，攝像頭輸出的視頻信號進(jìn)入uPD6450芯片，由數(shù)字化心率傳感器采集的心率信號，通過單片機(jī)的處理也進(jìn)入到uPD6450芯片，在uPD6450芯片內(nèi)部完成了心率數(shù)據(jù)與視頻信號的數(shù)據(jù)疊加，到達(dá)USB視頻采集卡的信號已經(jīng)混合有心率和視頻兩種信息。

在終端的PC上，獲得兩路數(shù)據(jù)，一路是通過串行接口進(jìn)入計(jì)算機(jī)的運(yùn)動心率數(shù)據(jù)，每秒更新4次，確保采樣速率達(dá)到240次/min。另一路是通過USB接口進(jìn)入計(jì)算機(jī)的運(yùn)動視頻信號，該圖像信號已經(jīng)被嵌入了當(dāng)前的運(yùn)動圖像、運(yùn)動心率和時間。兩路數(shù)據(jù)信號不僅可以在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時顯示，而且可以保存和回放。

3.7 無線運(yùn)動心率采集技術(shù)發(fā)展歷程[16,17,20]

回顧無線心率采集的技術(shù)發(fā)展歷程，具有如下幾個特點(diǎn)：

1)元件：經(jīng)歷電子管→晶體管分立元件→貼片元件為主→集成電路為主→專用集成電路為主；2)無線頻率：經(jīng)歷5 kHz→2.4 GHz→5 kHz+2.4 GHz→藍(lán)牙；3)測試對象：經(jīng)歷單一個體→ID鑒別，集群測試；4)心率傳感器信號發(fā)射距離上：經(jīng)歷80 cm無線→150 m→150 m以上；5)供電電源：經(jīng)歷交流電→9 V層疊電池→CR2032紐扣型3V鋰電池→新型高能電池；6)數(shù)據(jù)特點(diǎn)：經(jīng)歷單一數(shù)據(jù)→多參數(shù)幀數(shù)據(jù)傳輸；7)拓展性：與運(yùn)動視頻結(jié)合→與GPS位置檢測結(jié)合→與速度、加速度、溫度、海拔高度等多參數(shù)結(jié)合；8)數(shù)據(jù)存儲：人工記錄→心率表有限數(shù)據(jù)記錄→計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程海量數(shù)據(jù)存儲；9)后續(xù)數(shù)據(jù)處理：人工處理→計(jì)算機(jī)智能分析→多因素分析與運(yùn)動方案反饋；10)精確度和穩(wěn)定性：發(fā)展到R波間期的精確測量，數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收二者的有效性校驗(yàn)。

4 結(jié) 論

回顧近40多年來，心率無線測試呈現(xiàn)了一個快速發(fā)展的勢頭，從數(shù)據(jù)采集和處理、發(fā)射距離、可靠性、抗干擾、功耗以及綜合參數(shù)的同步處理方面都有了顯著的、階梯性的變化,為運(yùn)動訓(xùn)練、人體健康提供了定量的科學(xué)數(shù)據(jù)。可以預(yù)見，今后一段時間，其技術(shù)發(fā)展將會集中在多參數(shù)，尤其是心率結(jié)合環(huán)境因素的綜合采集與實(shí)時快速處理上。多參數(shù)的監(jiān)控手段、對心血管系統(tǒng)疾病的早期監(jiān)測與病影前兆撲捉特性，將會為人類健康起到穩(wěn)固的保駕護(hù)航作用。

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[19] 張 鑫.運(yùn)動過程中人體心率的實(shí)時無線采集和運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測[D].北京：清華大學(xué),2006:5.

[20] 王培勇.運(yùn)動心率的實(shí)時檢測和視頻數(shù)據(jù)疊加系統(tǒng):中國,ZL 2008 2 0127130.1 [P]. 2009-06-03.

傅蘭英，通訊作者，E—mail：hns007511@126.com。

Development of exercise heart rate aquisition technology*

ZHANG Wei1， WANG Pei-yong1， FU Lan-ying2,3， CAI Jia-ni1

(1. Department of Sports,Tsinghua University，Beijing 100084,China;2.Department of Sports,Xinxiang Medical University,Xinxiang 453003,China;3.Department of Sports,Sanquan College,Xinxiang Medical University,Xinxiang 453003,China)

Heart is one of the important organs to maintain human life，and heart rate carries a lot of information that reflect health level. During exercise, by collecting and analyzing heart rate, whether the exercise intensity is reasonable can be determined, and know effects of exercise on human body. In 40 years, technology of wireless heart rate acquisition has experienced 6 stages of development, and has made many remarkable breakthrough in components, frequency,stability, etc. Now it has been widely used in professional sports training and sports physical culture. At the same time, this technology still maintains a momentum of rapid development.

wireless heart rate acquisition; technology development;exercise

10.13873/J.1000—9787(2015)12—0001—04

2015—10—19

國家社會科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BLA100100)

G 305

: A

: 1000—9787(2015)12—0001—04

張 威(1955-)，男，北京人，碩士，教授，研究方向?yàn)轶w育電子工程。