便携式智能实时运动量测量仪的开发与应用

　　1 身体活动量测量的方法对比及理论依据

　　身体的活动作为人类行为的一个重要部分与人类各种健康和疾病的状况有着一定的关系。人在日常生活中要进行各种活动, 在活动过程中, 通过摄取物质而得到的能量又以热量和做功的形式消耗出去, 不同的人和不同的运动量, 能量消耗的程度也不一样。在临床医学中, 对有些疾病的治疗如甲亢就需要监测病人的能耗; 在体育训练中, 为使运动员训练效果最好也需要测定运动量。另外, 在营养学、劳动生理学等领域中, 运动量及能耗的研究都具有很重要的意义。

　　然而, 由于身体活动的性质甚为复杂, 很难对它进行测量, 使得这方面的研究困难而繁琐。很长一段时间以来, 观测法是估量运动量和能量消耗的唯一可行方法。然而这种方法不但代价昂贵, 而且免不了受观测者主观因素的影响。如果对大量的人进行研究, 这种方法就更难以实现。因此, 在临床、流行病、运动生理以及行为科学的研究中, 需要寻求一种更为实用、客观的方法来测量人体活动的能量消耗。过去由于运动量很难直接测量, 因此, 常用耗氧量(VO2)或能量消耗(EE) 来衡量运动量。对人体进行测试可看到, 在一定限度内, 受试者的耗氧量与单位时间内的肌肉做功成正比; 肌肉运动时的心输出量也与耗氧量成正比[3]。人体运动量及能量消耗的测量方法很多, 在生理学上采用间接卡路里计和直接卡路里计来测量人体的能量代谢, 在医学上目前也有了耗氧量的连续测定装置, 但这些方法都存在较大的局限性, 它们体积庞大, 有的装置还要求受试者带上呼吸面具, 无法使受试者在无拘束的条件下进行长时间的连续测定。因此, 需要研制一种便携式的, 能够实时、准确地对运动量及能量消耗进行连续计测的仪器。运动传感器的发展使得这一设想成为了可能。

　　2 仪器的原理及软硬件构成

　　纵观运动传感器的发展历史, 它经历了从机械式的计步器到电子加速度计的发展过程, 经过反复对比, 得出结论: 人体在自由活动的条件下, 要准确地测量运动量, 以最近发展起来的电子加速度计最为理想。经过查阅大量有关资料并引入一些实验数据, 从理论和实验两个方面论证了身体加速度绝对值对时间的积分与耗氧量及能量消耗存在的线性关系[2]。基于上述原理拟设计一套适用于高原野外运动的便携式能量消耗测量系统, 该系统采用最新集成式加速度传感器测量出人体运动的加速度信号[1], 经过信号整合处理并由 PIC 单片机采集数据后进行分时存储, 最终可以在液晶显示器上显示每分钟活动量即累计活动量, 该系统采用电池供电,体积小, 便于携带, 具有广泛的应用价值。