运动心率采集技术的发展*

张 威， 王培勇， 傅兰英， 蔡佳妮

(1.清华大学 体育部，北京 100084； 2.新乡医学院 体育部，河南 新乡453003；3.新乡医学院 三全学院体育部，河南 新乡453003)

综述与评论

运动心率采集技术的发展*

张 威1， 王培勇1， 傅兰英2,3， 蔡佳妮1

(1.清华大学 体育部，北京 100084； 2.新乡医学院 体育部，河南 新乡453003；3.新乡医学院 三全学院体育部，河南 新乡453003)

心脏是维持人体生命的重要器官之一，心率携带了大量反映人体健康状况的信息。运动中通过采集和分析心率能够判断运动强度是否合理，并了解运动对人体生理的影响。40年来，无线心率采集技术经历了6个发展阶段，在元件、频率、稳定性等诸多领域取得了卓越的突破，现已广泛地应用于专业运动训练和大众健身中。同时，这项技术还保持着快速的发展势头。

无线心率采集； 技术发展；运动

0 引 言

心脏是一个强有力的肌肉系统，它将血液(包含氧气、营养物质、激素和抗体)通过循环系统送达全身、维持生命；它携带着诸多与人体健康相关的信息，准确描述和辨析脉搏所含有的信息，对人类健康具有举足轻重的影响。另外，血液也能将产生的废物运送到肾脏然后排泄掉。

本文深入研究体育锻炼对心率的影响，这对提高人们的健康水平具有重要而深远的意义。

1 运动中心率的作用

如何科学地进行锻炼，使之成为增强体质、促进健康的有效因子，掌握好运动强度是关键所在，只有在适宜的运动强度条件下，才能保证人体各组织中血液供应达到最佳值，且不产生疲劳积累，这时，体育锻炼才能获得最大效果。所以，心率常被用于评定运动强度是否适宜的一个客观指标。

在运动训练和健康锻炼领域，运用心率控制训练强度，提高训练效果，以此为依据，出现了多种训练方法。在群众健身领域，国内外仅就运动适宜的心率计算公式就有8种之多，见表1。

表1 用心率计算运动负荷方法与公式表
Tab 1 Method and formula for calculating exercise load by heart rate

方法公式年龄减算法180(或170)-年龄心率百分比法最高心率(220-年龄)×(70～85)%库柏(Cooper)最佳心率法(最大心率-安静时心率)×70%+安静时心率卡沃南计算运动心率法(年龄预计最大心率-静息时心率)×60%+静息时心率卡尔森(Karlson)心率测定法(最高心率-安静心率)÷2+安静心率美国运动医学会推荐储备心率法220-年龄-安静心率靶心率测定法(220-年龄-安静心率)×最大心率%+安静心率芬兰JKarvonen心率储备法安静心率+(最高心率-安静心率)×60%

2 历史上心率采集的探索历程[1～5]

在我国，中医看病讲究望、闻、问、切四诊(其中切诊主要指切脉，也就是老白姓说的“把脉”或者“号脉”)。诊脉在公元前五世纪左右由“神医”扁鹊发明，至今已有两千多年历史。我国切脉法的文字记载始见于《黄帝内经》。中医切脉的原理，见图1。

图1 中医切脉的原理示意图Fig 1 Principle diagram of pulse feeling in traditional Chinese Medicine

1903年，荷兰生物学家，Leiden大学的教授Einothven，发明了世界第一台弦线型心电图记录仪，准确描记出心脏每个心动周期的心电变化曲线，这个曲线被命名为心电图(electrocardiograph, ECG)。之后，心电图被广泛应用于临床，诊断各种心脏类疾。Einthoven被誉为“心电图之父”，并于1924年获得诺贝尔医学和生理学奖。

动态心电图在1957年由美国物理学博士Norman J Holter首创，称Holter心电图。Holter系统在1961年首次应用于临床。第一台Holter系统在1965年实现商用。之后，Holter心电图技术迅速成为心脏相关疾病范畴内实用、无创、高效、安全、准确、且可重复的普及诊断方法。我国开始引入动态心电图技术是1978年[6,7]，见图2。

图2 Holter系统的示意图Fig 2 Schematic diagram of Holter system

3 无线心率采集技术的发展历程[8～12]

3.1 无线运动心率采集的第一阶段(1961～1994年)

1961年，苏联的舒瓦托夫发明了微型无线电生理机能记录仪，其发射机采用半导体和电子管混合形式。1962年，日本岗芳包、宇都山等人发表了《运动中の心电图の短波无线电搬送法》。1964年,北京体育大学贾冰怀教授成功研制出心率无线电遥测装置。

心率无线电遥测装置由心率无线发射机和接收机组成。其中，心率无线发射机的任务是将心率以无线电波的形式发射出来，它由三部分组成：1)心电放大器，将微弱的心电信号放大；2)副载频振荡器，可产生与心率相应变化的振荡信号；3)载波振荡器，可产生88～108 HMz的高频振荡信号，原理见图3。

图3 无线心率发射器的原理框图Fig 3 Principle block diagram of wireless heart rate transmitter

接收机的任务是将含有心率信息的88～108 HMz无线电波接收下来,实现心率信息遥测。

心率无线发射器使用了两个心电电极，电极引线长度约30 cm。电极安装需要先用无水乙醇对皮肤表面进行清洁和去脂处理，涂抹导电膏并用胶布粘贴在胸部，电极的插头插到心率发射器的盒子上，采用9V层叠电池供电。发射距离40～50 m，借助秒表和纸笔可以记录下每分钟的心率数据，见图4。

图4 心率无线电遥测装置的佩戴与安装图Fig 4 Adorn and installation diagram of heart rate radio telemetry device

无线心率发射器的出现，突破了触摸法不能动态测试心率的瓶颈。此后关于运动负荷和运动量的研究成果不断涌现，这一先进技术在1966年2月被国家科学技术委员会登记认证，编号为1432。该项技术先后被运用于国家女篮、国家乒乓球队、国家游泳队等队伍的训练和比赛中。之后，国家体育总局科研所仪器室的技术人员，从全国的需求出发，将这一技术改进后做成产品推广，直到1996年。

3.2 无线运动心率采集的第二阶段(1977～1984年)

芬兰Polar公司成立于1977年，于1984年推出PE3000无线心率套件[11]，套件的基本单元是一个心率带和一个心率表。心率带的主要功能类似于一个心率传感器，它采集心电信号并以5 kHz模拟信号的形式无线发射，发射有效距离约80 cm。心率表是一个配套的接收装置，在80 cm的半径内接收心率带的信号，并将这一信号数字化处理、提供显示与存储功能，见图5。

图5 PE3000 无线心率套件的佩戴方式Fig 5 The way to wear PE3000 wireless heart rate kit

PE3000心率采集装置在技术上的一个大的突破，主要表现在稳定性、低功耗、数字化、微型化以及实时计算与显示。其不足则表现在测试结果不能远距离传送，全程的变化要在训练结束后，使用特定的后续装置，通过心率表背部的8孔插座将数据导出，进而打印和显示。

3.3 无线运动心率采集的第三阶段(1996前后)

1996年前后，数字化2.4 GHz心率带传感器和心率表套件进入中国[12]，具有代表性的是芬兰POLAR和SUUNTO这两个公司。这个阶段的技术特点是对心率带向心率表的信息传递方式进行了改进，将之前的5 kHz模拟传送方式提高到2.4 GHz的数字传送，集成度和可靠性进一步提升，有效接收距离从以前的80 cm提高到3 m(理论值10 m)。

将芬兰POLAR或者SUUNTO原装的心率带称为有源心电传感器，该传感器由微型贴片元件和2.4 GHz无线收发芯片设计，核心部件固定在心电传感器中部，锂电池供电。该传感器将心电信号经放大、滤波、R波提取、脉冲整形后，以2.4 GHz的频率发送到半径为3 m的有效范围内。使用时，可以绑定在胸部外侧，紧贴胸廓，不易滑落，数字化2.4 GHz无线心率采集系统的套件，见图6。

图6 数字化2.4 GHz无线心率采集系统的套件Fig 6 Kit of digital 2.4 GHz wireless heart rate acquisition system

POLAR控制分析软件可以将心率传输带的心率数据储存进计算机检测训练进度,透过不同的测试检测体能,实现人机沟通对话。

这个阶段的产品，心率带(有源心电传感器)的信号是经过单片机进行了数字信号算法处理的，心率带发出的无线信息中已经包含有即刻心率(通过两个R波间期计算出来的心率)和平均心率,每秒提供4次数据更新,在无线数据帧中还包含有心率带ID编码等多种信息。

3.4 无线运动心率采集的第四阶段(2008-2010年)

2008年11月后，POLAR和SUUNTO两个公司相继推出了团队系统，支持10人以上的运动团队同时进行无线心率测试[13～15]，见图7。

图7 无线运动心率测试的团队系统Fig 7 Team system for wireless sports heart rate measurement

其中,Polar推出Team2团队训练系统，同时供10个运动员使用，如果扩展心率带数量，最大可同时监测28个运动员的心率。心率带可以将心率储存在心率带中，之后分析，也可以同时发射，供实时监控用，运动员只要佩带心率带就可以，无须佩带转发器，通过这套心率训练系统，可以更深入了解个别队员和整个团队的体能状态与水平。

该系统使用2.4 GHz无线频段，相互之间的串扰采用ID编号进行区分，无线发射距离从过去的理论值10 m，提高到100 m以上。号称绝对保证150 m无障碍发射接收距离，确保运动员在400 m田径场内或场外休息区均可以稳定接收到心率信号。实际测试结果表明，可以覆盖整个标准田径场地，但是投掷围网对这一信号有极大的屏蔽和衰减作用，会形成心率无线信号接收盲区。

在技术上，POLAR团队系统借助世界上著名的一个蓝牙模块生产公司和一个ARM生产公司，实现了团队心率无线实时远距离测试的产品需求。Team2系统的蓝牙连接由Bluegiga公司的WT11—A Class 1模块提供，该模块采用CSR公司的BlueCore4芯片和Bluegiga的iWRAP蓝牙连接固件。Bluegiga公司的接入服务器是基于CSR公司的多个BlueCore4芯片，使系统能够通过无线方式同步地收集和分析来自多达28名选手的数据。当使用蓝牙时，心率监测器能够实现长达30 h的电池使用时间。

值得注意的是，2009年，POLAR公司接受了前期老用户的建议，推出了一种5 kHz和2.4 GHz 同时存在的(模拟+数字)双路无线信号发射的心率带，型号为H2，以兼顾前期老用户和新用户的需要。2012年推出H2的更新产品H7。

3.5 无线运动心率采集的第五阶段(2011～2013年)

2011年之后，POLAR公司和一些手机制造商，把研发重点集中在多参数综合方面，尤其是GPS空间定位技术与实时心率采集相结合方面有较大的突破。

2013年春，POLAR推出H6心率带，运用蓝牙技术实现了心率带与手机的无缝连接，在手机上可以实时获得无线心率信号[16]。在手机上还能实现GPS运动轨迹定位等多种功能，见图8。

图8 POLAR H6心率带与手机和平板的结合应用Fig 8 Combined application of POLAR H6 with mobile phone and tablet

3.6 无线运动心率采集的第六阶段(2013年后)

2013年，RC3 GPS心率表问世，在心率表内，嵌入了GPS定位功能。RC3心率表，定位高端，功能全面，支持跑步、骑行等多种训练数据记录。也是POLAR心率表中内置GPS功能的，可追踪训练路径、速度和距离，并支持通过Google Maps显示海拔,可记录平均、最高心率,电池在GPS开启情况下可使用12 h。

2014年，V800 GPS心率表上市[16～18]。这是一款针对跑步、单车、游泳项目设计的心率表，与H7心率带相匹配。其主要功能是：内置GPS以监测速度、距离及追踪路线，全天候追踪你的活动，GPS在省电模式下可使用50 h，见图9。

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

在国内，清华大学在2014年推出了无线心率数据采集和视频图像叠加系统，将无线心率采集和运动视频图像两种类型的信号予以同步结合，将当前心率数据同运动图像叠加，在新生成的视频图像中，嵌入了时间和心率，新生成的视频图像被存储在计算机中备查。该技术在2009年6月3日获得国家专利(ZL 2008 2 0127130.1)[19]，图10是无线心率数据采集和视频图像叠加模块原理示意图。

图10 无线心率数据采集和视频图像叠加模块原理示意图Fig 10 Principle diagram of wireless heart rate data acquisition and video image overlay module

该模块的视频字符叠加功能使用NEC公司的专用字符叠加芯片uPD6450。以此芯片为核心设计的字符叠加电路，具有可靠性高、显示编辑功能强、硬件电路简化等优点。视频叠加模块前端信号源来自一台普通的摄像头，摄像头输出的视频信号进入uPD6450芯片，由数字化心率传感器采集的心率信号，通过单片机的处理也进入到uPD6450芯片，在uPD6450芯片内部完成了心率数据与视频信号的数据叠加，到达USB视频采集卡的信号已经混合有心率和视频两种信息。

在终端的PC上，获得两路数据，一路是通过串行接口进入计算机的运动心率数据，每秒更新4次，确保采样速率达到240次/min。另一路是通过USB接口进入计算机的运动视频信号，该图像信号已经被嵌入了当前的运动图像、运动心率和时间。两路数据信号不仅可以在计算机屏幕上实时显示，而且可以保存和回放。

3.7 无线运动心率采集技术发展历程[16,17,20]

回顾无线心率采集的技术发展历程，具有如下几个特点：

1)元件：经历电子管→晶体管分立元件→贴片元件为主→集成电路为主→专用集成电路为主；2)无线频率：经历5 kHz→2.4 GHz→5 kHz+2.4 GHz→蓝牙；3)测试对象：经历单一个体→ID鉴别，集群测试；4)心率传感器信号发射距离上：经历80 cm无线→150 m→150 m以上；5)供电电源：经历交流电→9 V层叠电池→CR2032纽扣型3V锂电池→新型高能电池；6)数据特点：经历单一数据→多参数帧数据传输；7)拓展性：与运动视频结合→与GPS位置检测结合→与速度、加速度、温度、海拔高度等多参数结合；8)数据存储：人工记录→心率表有限数据记录→计算机远程海量数据存储；9)后续数据处理：人工处理→计算机智能分析→多因素分析与运动方案反馈；10)精确度和稳定性：发展到R波间期的精确测量，数据帧发送和接收二者的有效性校验。

4 结 论

回顾近40多年来，心率无线测试呈现了一个快速发展的势头，从数据采集和处理、发射距离、可靠性、抗干扰、功耗以及综合参数的同步处理方面都有了显著的、阶梯性的变化,为运动训练、人体健康提供了定量的科学数据。可以预见，今后一段时间，其技术发展将会集中在多参数，尤其是心率结合环境因素的综合采集与实时快速处理上。多参数的监控手段、对心血管系统疾病的早期监测与病影前兆扑捉特性，将会为人类健康起到稳固的保驾护航作用。

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傅兰英，通讯作者，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

国家社会科学基金资助项目(BLA100100)

G 305

: A

: 1000—9787(2015)12—0001—04

张 威(1955-)，男，北京人，硕士，教授，研究方向为体育电子工程。