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《中国科学技术大学》 2018年
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基于智能功率车的心肺耐力测试与训练方法研究

张茹斌  
【摘要】:心肺耐力(Cardiorespiratory fitness,CRF)表征人体持续身体活动的能力,整个过程牵涉人体心脏泵血及肺部吸入氧气的能力,体现了人体在一定运动强度下的心肺储备功能水平。CRF与呼吸、体温、脉搏、血压共同构成五大人体生命体征参数,被认为是降低心血管疾病和死亡风险的重要预测指标。通过精确的CRF测试,并依据评估结果制定科学有效的训练指导方案,被认为是提升大众人群心肺功能水平、降低疾病风险最为有效的途径。然而,目前这种由“测试-评估-训练”的CRF健康管理方法在大众健康领域的普及程度仍然不高,其主要原因在于:(1)CRF测评设备依赖于进口,价格十分昂贵,只有专业体育院校、医疗康复机构才有经济能力配备;(2)CRF直接测量方式耗时较长,测试难度较大,而间接预测法测量的准确性又无法得到保证;(3)测试和训练过程中由于人的主观因素导致运动参数难以精确控制,测试和训练的有效性难以保证。基于上述需求,本文以功率车CRF测评系统研制为基础,围绕CRF测试和训练中的关键技术,从提升CRF测试和训练方法的有效性方面开展相关研究工作,主要研究内容包括:1.智能功率车CRF测评系统构建首先,通过比较分析直线往复式和圆周往复式两种运动形式的优缺点,研究设计了两种不同运动形式的功率车原理样机;为满足CRF测试评估过程中运动负荷的恒定控制要求,利用模糊PID控制算法解决了一定范围内不受蹬踏速率影响的恒功率控制问题,获得了较高的控制精度以及较低的控制误差;最后,结合心率测量单元,设计智能化CRF测评软件,构建具备恒功率输出技术特点的智能功率车CRF测评系统,准确分析和评定受试人群的运动心肺储备能力,并给出较为全面的测试评估报告。2.智能功率车CRF测评系统有效性研究通过对30名受试者与金标准Monark CRF测评系统进行最大运动能力测试实验对比,分析自主研发系统和金标准系统HRmax、VO2max测量结果的相关性和一致性。研究结果表明,两种系统HRmax、VO2max测量结果之间具有高度相关性(HRmax:r=0.853,VO2max:r=0.892),一致性范围较窄(HRmax LoA:-6.8bpm-4.6bpm,VO2max LoA:-5.7 ml·kg-1·min-1-4.9ml·kg-1·min-1),且在未达到受试者极限状态之前的各级心率HRstage和摄氧量VO2stage测量结果均无显著性差异(p0.05),实验结果验证了自主研发系统进行CRF评估的有效性。3.基于运动参数关系模型的CRF间接测试方法研究通过运动负荷(W)、运动心率(HR)以及摄氧量(VO2)三者之间运动关系模型的研究分析,并针对模型中存在的非线性区域,提出了一种以乳酸阈值(LT)临界点为运动负荷划分依据的两级个性化CRF间接测试方法(TC-SMT),用于间接估算VO2max。LT临界点之后VO2以及HR与运动负荷W呈现非线性关系,因此选择以LT临界点作为前后两级运动负荷的划分依据。两级运动负荷大小可通过最大摄氧量非运动参数回归模型以及VO2-W代谢方程估算求得。与传统YMCA间接测试方法的对比实验结果表明,与GXT VO2max实际测量值相比,TC-SMT VO2max预测结果的相关性更高(r=0.89),估计标准误差更低(SEE=3.11 ml· kg-1 · min-1),一致性更好(LoA:-6.9 ml· kg-1 · min-1-5.3ml·kg-1 ·min-1),VO2max预测结果更为准确,提升了 CRF间接评估的准确性。4.基于运动强度控制的CRF训练提升方法研究(1)基于心率控制的运动强度评估方法研究运动强度的准确评估是执行CRF训练提升方法的前提与基础,而心率则是运动强度的常用评估指标,本研究提出了一种基于心率闭环控制的运动强度精确评估方法,通过目标心率的跟踪实现指定运动强度的准确评估。首先研究分析运动负荷测试中的心率动力学反应特征,并采用系统辨识方法建立了基于功率车运动测试的心率反应辨识模型,然后基于此模型,采用RST控制策略研究设计心率反馈控制器,实现目标心率跟踪,并对中等和高运动强度下的心率控制性能进行了评价。结果表明,两种运动强度下,所有实验对象心率跟踪均方根误差RMSEHR的总体平均值均小于3.5bpm,控制精度较高,能够满足运动强度的精确量化评估要求。(2)不同运动强度模式对CRF提升作用研究选择合适的运动强度训练模式是提升CRF的核心要素。基于上述研究建立的技术和方法,构建了精确化的CRF训练指导流程,针对MICT和HIIT两种运动强度模式开展运动干预实验,对于两种模式提升CRF的有效性以及内在生理机制进行探讨和分析。研究表明,两种模式在运动干预前后VO2max、体脂率Fat%以及阶段心率HRstage等指标均得到了显著性改善。相比MICT模式,HIIT对于CRF的提升作用更为明显,在得到该结论的同时也证明了本研究构建的由“测试-评估-训练”的CRF健康管理方法对于提升CRF水平的可行性。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:R318.6

【参考文献】
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