一种有效运动量监测装置以及包含该装置的健康管理系统

摘要

本发明提供一种有效运动量监测装置以及包含该装置的健康管理系统，装置包括壳体、传感装置和单片机，所述单片机设于所述壳体内，所述传感装置与所述单片机相连接；其中：所述传感装置包括并列的运动传感装置和环境传感装置，所述单片机通过所述通信单元与云平台的数据库通讯；所述壳体上还设有与所述单片机相连接的按键、显示、存储单元；健康管理系统包括个人终端和云平台，所述个人终端通过无线通信的方式与所述云平台相连接。有效运动量监测装置对使用者的有效运动能量消耗进行运算，提高了健康管理系统对用户运动与膳食指导方案的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及健康管理领域，具体涉及一种有效运动量监测装置以及包含该装置的健康管理系统。

背景技术

研究表明，有规律、适量的运动可以使慢性病的发病相对危险性大大降低。通过对不同种类(糖尿病、肥胖症、高血压等)的慢性病患者采取不同的、更为科学、规范、量化的运动干预方式来指导和监督，可以起到明显的防治效果。而指导和监督的关键是对患者有效运动能量消耗、运动环境因素和身体健康状况的准确掌握，但是由于人体运动的形式多种多样，运动性质极为复杂，如何准确度量其有效的运动能量成为研究的难点之一。

目前用于测量人体运动的主要方法是采用人体运动状态垂直、侧向、前后敏感的三维加速度传感器进行测量，三维加速度传感器根据人体运动时加速度变化最大方向的输出信号频率计算出运动者的步数，再以运动者的步幅进行定标参考，将步数转换成行走的距离和能量消耗的卡路里值。这种方法计算出的运动步数是较为准确的，但根据运动的步数和步幅计算出的运动能量消耗值的精度并不能准确表达运动的强度和能耗。

对于既能反映不同的运动强度又能保证计算精确度的装置，则需由多种硬件组件和软件计算模块组成，不仅结构繁杂，而且其测量装置(如人体阻抗测定装置)需要在人体不同部位的皮肤上固定电极进行测量，并不适合在人们日常运动时的实时携带和监测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种有效运动量监测装置以及包含该装置的健康管理系统，旨在准确监测出反映使用者的有效运动能耗，并通过健康管理专家系统云平台对其进行生活方式干预治疗。

本发明采用的技术方案具体为：

一种有效运动量监测装置，包括壳体、传感装置和单片机，所述单片机设于所述壳体内，所述传感装置与所述单片机相连接；其中：

所述传感装置包括并列的运动传感装置和环境传感装置，所述单片机通过所述通信单元与云平台的数据库通讯；

所述壳体上还设有与所述单片机相连接的按键、显示、存储单元。

所述运动传感装置为三维加速度传感器，所述三维加速度传感器与所述单片机之间设有带通滤波器。

所述环境传感装置包括并列的温度传感器、湿度传感器和气压传感器。

一种有效运动量监测装置的有效运动量计算方法，具体包括如下步骤：

步骤一：根据以下公式计算出时间周期T内个体消耗的运动能量 E_t：

$E_t=f(m,\underset{t1}{\overset{t2}{\int }}|a_x|\mathrm{dt},\underset{t1}{\overset{t2}{\int }}|a_y|\mathrm{dt},\underset{t1}{\overset{t2}{\int }}|a_z\left|\mathrm{dt}\right),$其中：

m：受管理者的体重；

T：连续运动的时间周期(t₁-_t2)；

a_x：三维加速度传感器在x轴向的加速度值；

a_y：三维加速度传感器在y轴向的加速度值；

a_z：三维加速度传感器在z轴向的加速度值；

步骤二：结合环境因素，根据以下公式对运动能量E_t加以修正，为最终得到有效运动能量的消耗值E_t有效：

E_t有效＝f(E_T，T，C_T,P，C_p，R，C_R)，其中：

C_t：运动环境温度修正系数；

T：t时间周期内运动环境温度平均值；

C_P：运动环境气压修正系数；

P：t时间周期内运动环境气压平均值；

C_R：运动环境湿度修正系数；

R：t时间周期内运动环境湿度平均值。

一种健康管理系统，包括个人终端和云平台，所述个人终端通过无线通信的方式与所述云平台相连接；其中：所述个人终端包括体征测试装置、有效运动量监测装置和通信装置，所述体征测试装置将采集到的使用者的特定信息传输至所述云平台，所述有效运动量监测装置将根据传感装置采集到的数据得出的有效运动量以及环境传感装置 采集到的数据一并传输至所述云平台，所述通信装置与所述云平台双向通讯。

本发明产生的有益效果是：

通过独立的带通滤波器将三维加速度传感器的信号加以过滤，将其它频率的干扰噪声信号去除，只将反映人体运动主频范围(f₁,f₂)内的信号取出，确保了运动能量消耗运算的准确性；

通过温度、湿度、气压传感器提供的运动环境实时数据，并通过公式对运动能量消耗值加以修正，最终得到更为准确的有效运动能量消耗值。

通过本发明的能量监测装置结合其它特定慢性病的体征信息，以及通过通信装置将个人信息通过管理云平台，由健康管理专家系统对接受管理的慢性病患者反馈出运动和膳食指导非药物治疗方案信息，操作方便。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种有效运动量监测装置的结构示意图；

图2为本发明一种健康管理系统的结构示意图；

图3为本发明一种健康管理系统一种实施例的管理示意图；

图4为在运动状态下三维加速度传感器的轴信号输出示意图；

图5为人体运动时三维加速度传感器的输出频谱图；

图6-a为带通滤波器滤波前的输出信号波形图；

图6-b为带通滤波器滤波后的输出信号波形图；

图中：1、三维加速度传感器  2、带通滤波器  3、气压传感器  4、温度传感器  5、湿度传感器  6、单片机  7、按键、显示、存储单元  8、通信单元。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

对人体运动有效能量消耗计算过程中，三维加速度传感器的输出信号如图4所示，由于运动三维加速度传感器的输出信号不可避免的受到了人体的静态运动、重力加速度、外部振动、加速度计本身的共振以及在人体佩戴部位等非有效运动的影响，所以输出信号包含了严重的噪声干扰，这对能耗计算的误差影响有20-30％。

此外，在不同环境因素(温度、湿度和气压等)的影响下，进行一次相同的有氧代谢运动后，其体重、体脂百分比、耗氧量和静脉血液中Na⁺、Cl^-、K⁺浓度的升高值均是不同的，耗能差异很大，若不进行环境因素的修正，会使能量消耗计算的精度大大降低，会造成30-40％的误差。

如图1所示的有效运动量监测装置，包括壳体、设于壳体内的单片机6、设于壳体上的所述单片机相连接的按键、显示、存储单元7以及与单片机6相连接的传感装置，单片机6通过通信单元8与云平 台的数据库通讯，其中传感装置包括并列的三维加速度传感器1和环境传感装置；其中：三维加速度传感器1与单片机6之间设有带通滤波器2，环境传感装置包括并联的气压传感器3、温度传感器4和湿度传感器5。

三维加速度传感器1感应人体运动时在三维轴向上的加速度，并以三路数字信号输出到带通滤波器2，滤波后的三路加速度信号输出到单片机6；运动环境传感装置中的气压传感器3将感测到的运动环境中的气压信号传输到单片机6，同理，温度传感器4和湿度传感器5分别将所感测到的运动环境中的温度信号和湿度信号传输到单片机6，仪器的按键、显示、存储单元7，用于存储测量信号数据、存储并显示和计算结果以及对仪器进行功能变换和开关机等操作，RF-SIM通信单元8将监测到的运动强度数据以及运动环境中的温度、湿度数据和气压数据实时或定时传输到健康管理系统的云平台数据库。

由图2可以看出，在运动状态下，三维加速度传感器1由于受到了人体的静态运动、重力加速度、外部振动、加速度计本身的共振以及在人体佩戴部位等非有效运动的干扰，使其输出信号上叠加了许多噪声干扰信号，而研究表明，人体运动时输出信号的频谱如图5所示，可以看出，反映人体运动的主频集中在(f₁，f₂)的频率范围内，而其它干扰产生的信号频率则在该范围以外。带通滤波器2是一个由独立的数字信号处理器(DSP)组成的有限冲击响应数字滤波器(FIR)，特点是系统稳定、确保了线性相位、结构简单，实现了对加速度传感器1的输出干扰信号的实时滤波。加速度传感器1的输出信号经该带通滤 波器2滤波后，只将反映人体运动主频(f₁,f₂)范围内的信号取出，而将其它频率的干扰噪声信号去除，确保了运动能量消耗运算的准确性。带通滤波器2滤波前后对输出信号波形的影响如图6-a和6-b所示。

如图2所示的慢性病健康管理系统(以糖尿病为例)，包括个人终端和云平台，个人终端通过无线通信的方式与云平台相连接；个人终端包括体征测量装置(血糖仪)、有效运动量监测装置和通信装置(如具有接收和发送功能的智能手机)，血糖仪将采集到的血糖信息传输至云平台，通信单元8通过RF射频通信方式或者SIM卡移动通信网络方式实时或定时地将有效运动量监测装置测量计算出的人体有效运动量的消耗值上传到各类慢性病对应的健康管理云平台数据库，同时一并将气压传感器3、温度传感器4和湿度传感器5的测量值也上传到管理云平台数据库，体征测量装置通过自带的无线通信单元，或通过智能手机、平板电脑等将参数上传到健康管理云平台数据库。糖尿病管理云平台的一种实施例如图3所示，其中特定慢性病对应的个人血糖信息通过血糖仪发送至管理云平台，体重、血压、血脂、心电等体检信息，以及用药信息和膳食录入信息通过通信装置(如智能手机、平板电脑、PC机等)发送至管理云平台，智能管理专家系统或者专家在线管理系统接收到上述信息后，对患者进行运动目标、膳食生活方式干预治疗指导，在干预治疗过程中将根据不同个体的实际情况参考一并上传上来的环境因素，对其有效运动量目标进行相应的调整，并将运动和膳食指导方案反馈至通信装置，至此实现了用户与云平台的双向通讯。

有效运动量监测装置在时间周期T内的人体运动能量消耗值由下式计算得出：

$E_t=f(m,\underset{t1}{\overset{t2}{\int }}|a_x|\mathrm{dt},\underset{t1}{\overset{t2}{\int }}|a_y|\mathrm{dt},\underset{t1}{\overset{t2}{\int }}|a_z\left|\mathrm{dt}\right),$

m：受管理者的体重；

T：连续运动的时间周期(t₁-t₂)；

a_x：三维加速度传感器1在x轴向的加速度值；

a_y：三维加速度传感器1在y轴向的加速度值；

a_z：三维加速度传感器1在z轴向的加速度值。

表征运动环境的气压传感器3、温度传感器4和湿度传感器5，分别实时监测并将其测量的运动者所处环境的温度、湿度和大气压力与运动加速度测量输出值同步输入单片机6，作为进行运动能量消耗计算的修正参数，最终得出有效运动能量消耗值，即

E_t有效＝f(E_T，T，C_T，P，C_P，R,C_R)

如最简单的一种人体运动能量的计算公式可以是：

E_t有效＝E_T×C_t·T×C_P·P×C_R·R，其中：

T：t时间周期内运动环境温度平均值，单位：℃

C_t：运动环境温度修正系数，C_t＝e^0.01|t-20|；

修正范围：t＝-40-40；

C_t＝1-1.82；

C_P：运动环境气压修正系数，C_p＝(0.0098×P)^-1；

P:t时间周期内运动环境气压平均值，单位hPa；

修正范围：P＝101.3-61.6(0-4000m)；

C_P＝1-1.647；

C_R：运动环境湿度修正系数；

R-相对湿度单位：％RH；

修正范围：R＝0-100；

C_R＝1-1.718。

R：t时间周期内运动环境湿度平均值。

数据表明，通过采用本发明的健康管理系统对糖尿病、高血压、肥胖症和控烟症群进行管理(675家社区卫生服务机构，慢性病患者56625人。其中，完成三个月强化期管理的为47386人，在47386人员中，高血压患者18612人，占39.28％；糖尿病患者12095人，占25.52％；肥胖超重者4750人，占10.02％；其他为11929人，占25.17％。)，取得了如下的效果：

(1)糖尿病患者： 

在12095例糖尿病患者中：男性5023人，占41.52％，女性7072人，占58.48％；年龄段为20-89岁，其中20-39岁169人，40-49岁882人，50-59岁3738人，60-69岁4590人，70-79岁2456人，80岁以上260人(具体见表1)。

表1：年龄、性别分布情况

经强化管理3个月后，空腹血糖达标率为84.20％，比管理前提高了42.32％；餐后2h血糖控制达标率为91.10％，比管理前提高了37.32％；糖化血红蛋白控制达标率为77.80％，比管理前提高了40.50％。其中糖化血红蛋白下降≥1.0mmol/l的人数为2405，占糖尿病管理人数的18.64％(具体见表2)。

表2：管理前后血糖指标控制达标情况

备注：空腹血糖、餐后血糖、糖化血红蛋白达标指分别满足≤7.2mmol/L、≤10.0mmol/L、-7.0％者。

此外，糖尿病患者的各项理化检查指标均有较明显的变化，如：体重指数平均下降0.7kg/m²，腰围平均下降2.4cm，收缩压平均下降6.2mmHg，舒张压平均下降3.4mmHg，空腹血糖平均下降1mmol/l，餐后2小时血糖平均下降1.7mmol/l，糖化血红蛋白平均下降0.7 mmol/l，总胆固醇平均下降0.33mmol/l，甘油三脂平均下降0.24mmol/l，高密度脂蛋白平均升高0.04mmol/l，低密度脂蛋白平均下降0.22mmol/l，经统计学分析，各项指标管理前后间差异均有统计学意义(p-0.01，具体见表3)管理后有效运动量明显增加、实际摄入量下降，与管理前比较差异均有统计学意义(p-0.01，具体见表4)

表3：管理前后各项理化检查指标均值变化情况

表4：管理前后饮食和运动均均值变化情况

(2)高血压患者： 

在18612高血压病患者中：男性7615人，占40.91％；女性10997 人，占59.09％。年龄段18～94岁，18～39岁515人，40～49岁1792人，50～59岁6178人，60～69岁6520人，70～79岁3136人，80岁以上471人。(具体见表5)

表5：年龄、性别分布情况

经强化管理3个月后，血压控制达标率为93.50％，比管理前提高了65.82％；其中收缩压下降≥9mmHg的人数10401，占高血压管理人数的55.88％，舒张压下降≥4mmHg的人数10752人，占高血压管理人数的57.77％(具体见表6)。

表6：管理前后血糖指标控制达标情况

备注：血压达标指血压-140/90mmHg者。

各理化检查指标均有较明显的变化：体重指数平均下降0.8kg/m2，腰围平均下降2.6cm，收缩压平均下降9.7mmHg，舒张压平均下降5.9mmHg，空腹血糖平均下降0.2mmol/l，餐后2小时血糖平均下降0.4 mmol/l，糖化血红蛋白平均下降0.1mmol/l，总胆固醇平均下降0.32mmol/l，甘油三脂平均下降0.21mmol/l，高密度脂蛋白平均升高0.03mmol/l，低密度脂蛋白平均下降0.22mmol/l，经统计学分析，各项指标管理前后间差异均有统计学意义(p-0.01，具体见表7)管理后有效运动量明显增加、实际摄入量下降，与管理前比较差异均有统计学意义(p-0.01，具体见表8)

表7：管理前后各项理化检查指标均值变化情况

表8：管理前后饮食和运动均均值变化情况

(3)肥胖症患者： 

在4750肥胖超重患者中：男性1773人，占37.33％；女性2977人，占62.67％。年龄段1196岁，11-39岁1886人，40-49岁1047人，50-59岁998人，60-69岁657人，70-79岁150人，80岁以上12人。

(具体见表9)

表9：年龄、性别分布情况

经强化管理3个月后，超重肥胖比率由管理前的93.49％下降至83.45％，比管理前降低了10.74％；中心性肥胖比率由管理前的89.40％下降至76.25％，比管理前降低了14.70％。(具体见表10)

表10：管理前后体重变化情况

备注：超重：24≤BMI＜28、肥胖：BMI≥28、中心性肥胖：男性腰围≥85；女性腰围≥80

各理化检查指标均有较明显的变化：体重指数平均下降1.3kg/m2，腰围平均下降3.7cm，收缩压平均下降3.9mmHg，舒张压平均下降 3.2mmHg，空腹血糖平均下降0.1mmol/l，餐后2小时血糖平均下降0.2mmol/l，糖化血红蛋白平均下降0.1mmol/l，总胆固醇平均下降0.3mmol/l，甘油三脂平均下降0.18mmol/l，高密度脂蛋白平均升高0.03mmol/l，低密度脂蛋白平均下降0.18mmol/l，经统计学分析，各项指标管理前后间差异均有统计学意义(p-0.01，具体见表11)管理后有效运动量明显增加、实际摄入量下降，与管理前比较差异均有统计学意义(p-0.01，具体见表12)

表11：管理前后各项理化检查指标均值变化情况

表12：管理前后饮食和运动均均值变化情况

(4)控烟症群： 

参与者状况：2个单位共62名人员(参与者均为男性)，年龄最长者为56岁，最小者为23，平均年龄为32.8岁。烟龄最长者为36年，最短者为1年，平均烟龄为11.5年。

效果：经过6个月的管理，参与者的吸烟量大大下降，其中戒烟率为59.7％，、没完全戒烟的参与者的平均烟量减量率为40.3％。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，另外，本发明也可用于亚健康、高危人群的生活方式干预治疗。显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。