基于心率變異性的體育鍛煉負荷強度實時監(jiān)測研究

方曉峰

摘 要：以準確、實時監(jiān)測體育鍛煉負荷強度為目標，研究基于心率變異性的體育鍛煉負荷強度實時監(jiān)測方法。首先使用基于改進小波閾值函數(shù)的心率變異性信號去噪算法，去除心率變異性信號中噪聲信號;然后使用基于多尺度基本尺度熵和希爾伯特邊際譜熵的特征提取方法，提取去噪后心率變異性信號的波動特征;最后將所提取的特征信息作為基于支持向量機的體育鍛煉負荷強度實時監(jiān)測方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本，衡量體育鍛煉負荷強度是否超標，實現(xiàn)體育鍛煉負荷強度監(jiān)測。研究結(jié)果顯示：所提方法對多個運動員體育鍛煉負荷強度監(jiān)測結(jié)果的準確率高達95%，監(jiān)測結(jié)果的Kappa系數(shù)顯示具有完全一致性;在監(jiān)測體育鍛煉負荷強度是否超標時，監(jiān)測延遲時間最大值是0.15s，時間極短。

關(guān)鍵詞：心率變異性;體育鍛煉;負荷強度監(jiān)測;改進小波閾值;特征提取;支持向量機

中圖分類號：R-331;G806 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）04-0059-05

1 引言

體育鍛煉中，運動訓(xùn)練主要是為了提升運動員競技能力與運動成績，運動訓(xùn)練最為關(guān)鍵的調(diào)控內(nèi)容就是體育鍛煉負荷[1，2]。伴隨運動員競技水平逐漸增強，體育鍛煉的精細化控制十分關(guān)鍵，而因為運動員個體存在差異性，就算是同一訓(xùn)練負荷，不同運動員的身體內(nèi)部負荷也存在一定差異[3]。研究一些能夠高精度體現(xiàn)運動員內(nèi)部負荷的生理指標，為教練員設(shè)置個性化訓(xùn)練方案，優(yōu)化訓(xùn)練水平十分重要[4，5]。當下國內(nèi)外評估訓(xùn)練負荷的指標大多是心率、血乳酸。心率、血乳酸即使能夠十分客觀地評估運動負荷強度，但是未能量化負荷狀態(tài)。

近年來，心率變異性分析成為自主神經(jīng)興奮性的常用監(jiān)測方法，心理變異指標對疲勞、心理以及生理等反應(yīng)十分敏感，能夠在差異運動員體育鍛煉負荷強度監(jiān)測中使用[6]。

綜上所述，提出了心率變異性的體育鍛煉負荷強度實時監(jiān)測方法，以期為運動生理學(xué)提供應(yīng)用方法。

2 基于心率變異性的體育鍛煉負荷強度實時監(jiān)測方法

2.1 基于改進小波閾值函數(shù)的心率變異性信號去噪算法

心率變異性信號采集過程中難免存在一定程度的噪聲信號，這對心率變異性信號純凈度存在一定影響[7]。設(shè)置一個存在有限長度的含噪心率變異性信號是f（k），將f（k）實施小波變換，獲取i層h點位置的分解小波系數(shù)i，h。按照小波變換的稀疏性與去相關(guān)性，通過小波變換后，有用信號能量將聚集在小波域有限小波系數(shù)里，噪聲能量聚集在整個小波域里[8-10]。選擇合適閾值并設(shè)置合理閾值對分解后小波系數(shù)？覣i，h實施閾值量化處理后，將處理完畢的小波系數(shù)i，h實施小波逆變換重構(gòu)，便可實現(xiàn)心率變異性信號去噪。

閾值函數(shù)屬于小波系數(shù)閾值量化處理的核心因素，直接影響重構(gòu)信號的精度與連續(xù)性，以往常用的閾值函數(shù)分別是硬閾值、軟閾值，詳情如下式：

綜上所述，基于改進小波閾值函數(shù)的心率變異性信號去噪算法的步驟是：

（1）將心率變異性信號實施小波分解，獲取每層小波系數(shù)？覣i，h。

（2）估計噪聲，設(shè)置每層閾值，使用改進閾值函數(shù)將小波數(shù)？覣i，h實施閾值量化處理，獲取處理后小波系數(shù)i，h。

（3）將處理后小波系數(shù)i，h實施重構(gòu)獲取去噪后心率變異性信號r（k）。

2.2 基于多尺度基本尺度熵和希爾伯特邊際譜熵的特征提取方法

2.2.1 多尺度基本尺度熵提取

綜上所述，本文使用基于多尺度基本尺度熵和希爾伯特邊際譜熵的特征提取方法，可以獲取去噪后心率變異性信號的波動特征，將此特征整理為一個數(shù)據(jù)樣本，作為2.3小節(jié)的測試樣本。

2.3 基于支持向量機的體育鍛煉負荷強度實時監(jiān)測方法

在通過2.2小節(jié)所提取的心率變異性信號波動特征監(jiān)測體育鍛煉負荷強度時，若存在k個特征樣本G（g，t），那么，使用支持向量機分類體育鍛煉負荷強度時的最優(yōu)超平面是：

通過此決策函數(shù)，便可實現(xiàn)體育鍛煉負荷強度分類，完成體育鍛煉負荷強度監(jiān)測。

3 實驗結(jié)果

MIT-BIH數(shù)據(jù)庫里存儲大量心律失常的數(shù)據(jù)，為測試本文方法應(yīng)用效果，使用本文方法在MATLAB仿真平臺中進行測試，主要應(yīng)用MIT-BIH數(shù)據(jù)庫里8個運動員的心率數(shù)據(jù)作為本文方法測試數(shù)據(jù)。

3.1 心率變異性信號去噪效果

為測試本文方法在監(jiān)測體育鍛煉負荷強度時，對運動員心率變異性信號去噪效果，使用信噪比SNR、均方根誤差RMSE、兩個指標進行衡量。計算方法分別是：

其中，M是信號長度;j是去噪次數(shù)。

本文方法的去噪效果如圖1、圖2所示。

圖1、圖2顯示，本文方法在監(jiān)測體育鍛煉負荷強度時，對運動員心率變異性信號去噪后，心率變異性信號的信噪比高于0.9;去噪后心率變異性信號與原信號的均方根誤差低于0.2，和心率變異性原信號信息不存在較大偏差。則本文方法在監(jiān)測體育鍛煉負荷強度時，對運動員心率變異性信號去噪效果較好，本文為方法可提升心率變異性信號純度。

3.2 心率變異性信號特征提取效果

使用查全率測試本文方法對運動員心率變異性信號特征提取效果。查全率（pecision）計算方法是：

其中，本文方法準確提取的心率變異性信號特征量是Uij;Ui是心率變異性信號特征量總數(shù)。

本文方法對運動員心率變異性信號特征的查全率測試結(jié)果如圖3所示。

圖3顯示，本文方法對運動員心率變異性信號特征提取后，心率變異性信號特征查全率大于95%，由此可知，本文方法在監(jiān)測體育鍛煉負荷強度時，對運動員心率變異性信號特征的提取效果極好。

3.3 體育鍛煉負荷強度監(jiān)測效果

在經(jīng)過心率變異性信號去噪、心率變異性信號特征提取之后，本文方法對8個運動員的體育鍛煉負荷強度監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1顯示，本文方法對8個運動員體育鍛煉負荷強度監(jiān)測結(jié)果與MIT-BIH數(shù)據(jù)庫中所記載的實際情況一致，表示本文方法能夠準確監(jiān)測運動員體育鍛煉負荷強度。

為進一步驗證本文方法監(jiān)測結(jié)果的可信度，測試本文方法對運動員體育鍛煉負荷強度監(jiān)測結(jié)果的準確率（accuracy）、Kappa系數(shù)。準確率（accuracy）、Kappa系數(shù)運算方法如下：

其中，TP是被正確監(jiān)測負荷強度的運動員數(shù)量;TN是被錯誤監(jiān)測負荷強度的運動員數(shù)量;M是運動員數(shù)量總值;p0、pe分別是監(jiān)測準確率與監(jiān)測錯誤率。

Kappa系數(shù)的分析標準如表2所示。

本文方法監(jiān)測結(jié)果的準確率與Kappa系數(shù)測試結(jié)果如圖4、表3所示。

圖4、表3顯示，本文方法對多個運動員體育鍛煉負荷強度監(jiān)測結(jié)果的準確率高達95%，監(jiān)測結(jié)果的Kappa系數(shù)顯示具有完全一致性，表示本文方法監(jiān)測結(jié)果可信。

在MATLAB仿真平臺中，隨機提取1位運動員的心率變異性數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)，測試本文方法在監(jiān)測此運動員體育鍛煉負荷強度的實時性，結(jié)果如表4所示。

表4顯示，本文方法在監(jiān)測此運動員體育鍛煉負荷強度是否超標時，監(jiān)測延遲時間最大值是0.15s，時間極短，驗證本文方法可實時監(jiān)測運動員體育鍛煉負荷強度情況。

4 結(jié)論

以往在監(jiān)測體育鍛煉負荷強度問題時，通過整理鍛煉數(shù)據(jù)、分析鍛煉數(shù)據(jù)的過程實現(xiàn)體育鍛煉負荷強度監(jiān)測。因數(shù)據(jù)量較大，人工分析難度較大。本文提出基于心率變異性的體育鍛煉負荷強度實時監(jiān)測方法，并通過實驗驗證其應(yīng)用效果。經(jīng)驗證，本文方法在監(jiān)測體育鍛煉負荷強度時，對運動員心率變異性信號去噪效果、運動員心率變異性信號特征提取效果都極為顯著，并且可以實時，準確地監(jiān)測體育鍛煉負荷強度。

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