基于自適應(yīng)閾值的最大攝氧量計(jì)算方法

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(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 體育文化分公司，山東 濟(jì)南 250001,2.山東魯能軟件技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250001；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 科信部，山東 濟(jì)南 250001)

基于自適應(yīng)閾值的最大攝氧量計(jì)算方法

林慶陽(yáng)1，孟瑜2，于凌霞1，焦洋3，孫海濤2

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 體育文化分公司，山東 濟(jì)南 250001,2.山東魯能軟件技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250001；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 科信部，山東 濟(jì)南 250001)

最大攝氧量是評(píng)定運(yùn)動(dòng)員心肺機(jī)能、監(jiān)控訓(xùn)練方法效果的一項(xiàng)科學(xué)的量化指標(biāo)。利用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行最大攝氧量測(cè)量時(shí)從氣體分析儀中所獲取的攝氧量粒度數(shù)據(jù)帶有很多的噪聲，如何科學(xué)有效地去噪進(jìn)而計(jì)算出相對(duì)準(zhǔn)確的最大攝氧量是一個(gè)重要的課題。目前，在計(jì)算最大攝氧量時(shí)常用實(shí)踐方法主要包括專家經(jīng)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等；基于機(jī)體呼吸特點(diǎn)，采用自適應(yīng)閾值法進(jìn)行攝氧量粒度數(shù)據(jù)的去噪，該方法處理后的攝氧量曲線符合機(jī)體運(yùn)動(dòng)特性，由此計(jì)算得出最大相對(duì)攝氧量。

最大攝氧量；去噪；自適應(yīng)閾值

1 最大攝氧量求取方法簡(jiǎn)介

最大攝氧量[1]是人體在進(jìn)行有大量肌群參加的長(zhǎng)時(shí)間激烈運(yùn)動(dòng)中，心肺功能和肌肉利用氧的能力達(dá)到本人極限水平時(shí)單位時(shí)間所攝取的氧氣量，是人體在極量運(yùn)動(dòng)負(fù)荷時(shí)心肺功能水平以及評(píng)定人體有氧工作能力的重要指標(biāo)。最大攝氧量的表示方法有兩種，即絕對(duì)值和相對(duì)值[2]。本文選用最大攝氧量的相對(duì)值作為研究對(duì)象。

綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)最大攝氧量測(cè)量方法的研究[3-7]，發(fā)現(xiàn)常用于測(cè)量最大攝氧量的方法有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩種。直接測(cè)量法是指運(yùn)動(dòng)員在實(shí)驗(yàn)室或者在訓(xùn)練場(chǎng)地利用功率計(jì)等進(jìn)行極限運(yùn)動(dòng)，使用氣體代謝分析儀直接測(cè)量最大攝氧量；間接測(cè)量法是受試者進(jìn)行亞極限運(yùn)動(dòng)，根據(jù)攝氧量、心率等數(shù)值推測(cè)最大攝氧量的方法。

使用直接測(cè)量法可以在氣體分析儀中得出攝氧量粒度數(shù)據(jù)，但由于測(cè)量過(guò)程中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)呼吸不均勻或者偶爾突發(fā)的咳嗽、說(shuō)話等情況，攝氧量粒度數(shù)據(jù)存在一定的噪聲，因此在求最大攝氧量之前需要對(duì)粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。目前，常用的去噪方法主要包括專家經(jīng)驗(yàn)法[8]和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[9]兩大類。其中，專家經(jīng)驗(yàn)法是指通過(guò)專業(yè)人員觀察數(shù)據(jù)去掉根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷為不合理的數(shù)據(jù)，通常選用一組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量(均值、標(biāo)準(zhǔn)差)設(shè)定閾值，去掉數(shù)據(jù)中的尖點(diǎn)；基于統(tǒng)計(jì)量的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法則是指根據(jù)統(tǒng)計(jì)量(均值、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、四分位數(shù)等)計(jì)算出數(shù)據(jù)集中區(qū)間進(jìn)而設(shè)立閾值。雖然這兩類方法都有很強(qiáng)的可操作性，但是也存在明顯的不足：依賴于專家的先驗(yàn)知識(shí)，并且完全取決于個(gè)人的處理和操作；依賴于本組數(shù)據(jù)的離散程度，如果所選統(tǒng)計(jì)量并不能較好地反映數(shù)據(jù)集中規(guī)律則會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

2 自適應(yīng)閾值方法

為符合機(jī)體呼吸的攝氧量數(shù)據(jù)特性并避免專家經(jīng)驗(yàn)法和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)法所帶來(lái)的弊端，利用自適應(yīng)閾值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[10]，得出去噪后的攝氧量數(shù)據(jù)，進(jìn)而求取最大攝氧量。

2.1自適應(yīng)閾值算法實(shí)現(xiàn)步驟

已知輸入量：數(shù)據(jù)序列xi、采樣時(shí)間間隔t0、區(qū)段窗口τ；輸出量：數(shù)據(jù)xi是否異常。算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step1:數(shù)據(jù)采集

按照時(shí)間間隔t0采集數(shù)據(jù)序列xi，其中xi=(xi(1),…,xi(n))，n代表數(shù)據(jù)維度i=1,…,N。

Step2:正規(guī)化

時(shí)間序列xi利用式(1)被正規(guī)化為Zi。

Step3:自適應(yīng)濾波器預(yù)測(cè)

自適應(yīng)濾波器通過(guò)獲取給定時(shí)刻的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)刻處的數(shù)據(jù)。自適應(yīng)濾波器可以選用卡爾曼濾波器、衰減多項(xiàng)式存儲(chǔ)濾波器(FMP)、自回歸濾波器(AR)、向前一步預(yù)測(cè)器等方法。其中，濾波器是遞歸的并且不在批量模式下操作，而是每個(gè)濾波器使用先前預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果以及新的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)下一個(gè)數(shù)據(jù)。

Step4:計(jì)算比較分值

計(jì)算i處預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的余差如下式

計(jì)算i處的比較分值可以根據(jù)公式

Step5:判斷輸入數(shù)據(jù)的積累是否符合要求

若(i-1)·t0≥τ，則執(zhí)行Step6；否則i=i+1，返回執(zhí)行Step1。

Step6:區(qū)段窗口內(nèi)正常范圍的設(shè)置

要判斷i處的值xi是否異常，首先需要確定時(shí)刻i處在區(qū)段窗口τ內(nèi)的正常范圍。正常范圍的設(shè)置規(guī)則有多個(gè)，可以結(jié)合數(shù)據(jù)的特點(diǎn)或者判定結(jié)果的效果進(jìn)行設(shè)置。

下四分位Q1、上分位數(shù)Q3，計(jì)算四分位數(shù)間距IQR3-Q1，則正常值范圍為[Q1-1.5IQR,Q3+1.5IQR]。

Step7:正異常的判定

2.2自適應(yīng)閾值算法流程框圖

圖1 自適應(yīng)閾值算法流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)源

采用試驗(yàn)法， 讓一名足球運(yùn)動(dòng)員作為受試者在功率計(jì)(運(yùn)動(dòng)跑臺(tái))上進(jìn)行遞增負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，本次所采用的具體的負(fù)荷遞增方式為遞增負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，每級(jí)負(fù)荷的持續(xù)時(shí)間為5分鐘。得到的受試者攝氧量粒度數(shù)據(jù)集(本文所取攝氧量為其相對(duì)值)如圖2所示。

圖2 攝氧量粒度數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)處理

利用本文所述的專家經(jīng)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和自適應(yīng)閾值法分別對(duì)3.1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪，結(jié)果如下：

1)基于專家經(jīng)驗(yàn)法的閾值算法具體的閾值邊界線如圖3中所示的兩條直線，測(cè)試數(shù)據(jù)的正異常數(shù)據(jù)分別為圖4中的灰色點(diǎn)和黑色點(diǎn)。

圖3 示例測(cè)試數(shù)據(jù)及上下邊界線

圖4 示例測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)集及上下邊界線

2)若取窗口τ為100，設(shè)i處的置信區(qū)間為[μi-σi,μi+σi]，則測(cè)試數(shù)據(jù)集及正常范圍上下限如圖5所示。

為可視化正異常數(shù)據(jù)分類的效果，圖6中黑色點(diǎn)是正常數(shù)據(jù)，灰色點(diǎn)是異常數(shù)據(jù)，上方和下方兩條折線代表數(shù)據(jù)的上下閾值線。

圖5 示例測(cè)試數(shù)據(jù)及上下邊界線

圖6 示例測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)集及上下邊界線

3)若取窗口τ為100，比較分值和正常值范圍[Q1-1.5IQR,Q3+1.5IQR]如圖7所示，其中上方折線代表比較分值，下方折線代表正常范圍邊界線。

圖7 示例比較分值及正常范圍

測(cè)試數(shù)據(jù)集及正常范圍如圖8所示，其中黑色折線代表測(cè)試數(shù)據(jù)集，上方代表正常范圍的上限，下方折線代表正常范圍的下限。

為可視化正異常數(shù)據(jù)的分類的效果，圖9中黑色點(diǎn)是正常數(shù)據(jù)，灰色點(diǎn)是異常數(shù)據(jù)，上下方折線代表數(shù)據(jù)的上下閾值線。

圖8 示例測(cè)試數(shù)據(jù)及上下邊界線

圖9 示例測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)集及上下邊界線

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)3.2中三種不同的算法對(duì)攝氧量粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出去噪后的數(shù)據(jù)，進(jìn)而求出運(yùn)動(dòng)員最大攝氧量分別為56.7、58.9、57.7，作為評(píng)價(jià)其身體機(jī)能狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。從最大攝氧量結(jié)果來(lái)看，三種方法得出的結(jié)果均不同；從三種算法處理后的攝氧量曲線(如圖10～12所示)可以得出以下結(jié)論：圖10和圖11中中存在更多的尖點(diǎn)，結(jié)合其去噪過(guò)程(圖4、5)可知專家經(jīng)驗(yàn)法和滑動(dòng)窗口統(tǒng)計(jì)量方法具有較大的局限性，無(wú)法較好地?cái)M合數(shù)據(jù)趨勢(shì)；而圖12中的數(shù)據(jù)較為平滑，再結(jié)合其去噪過(guò)程(圖6)和算法設(shè)計(jì)，可知基于自適應(yīng)閾值算法具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)整閾值區(qū)間，從而使得去噪后的數(shù)據(jù)更好地?cái)M合數(shù)據(jù)趨勢(shì)。

圖10 專家經(jīng)驗(yàn)法處理后的攝氧量曲線

圖11 滑動(dòng)窗口統(tǒng)計(jì)量法處理后的攝氧量曲線

圖12 自適應(yīng)閾值處理后的攝氧量曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比不同類型的方法對(duì)攝氧量粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理求取最大攝氧量的過(guò)程可以得出以下結(jié)論：自適應(yīng)閾值算法可以對(duì)機(jī)體呼吸的攝氧量數(shù)據(jù)進(jìn)行較好的去噪，其效果明顯優(yōu)于目前常用的專家經(jīng)驗(yàn)法和統(tǒng)計(jì)量法。

本文中所討論的自適應(yīng)閾值算法主要是針對(duì)攝氧量等相鄰時(shí)刻數(shù)據(jù)具有延續(xù)性的數(shù)據(jù)集提出的，該算法應(yīng)用于其他場(chǎng)合的有效性以及改進(jìn)方法正在進(jìn)一步研究中。

[1]李桂沂,陳錫泉,肖俊偉,等. 最大攝氧量、乳酸閾、通氣閾和心率在監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果中的應(yīng)用[J]. 體育學(xué)刊,2010, 17(12):107-111.

[2]曹澤亮. 最大攝氧量判定指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)的研究[D].重慶：西南大學(xué),2012.

[3]N P Buller,P A Poole-Wilson. Extrapolated maximal oxygen consumption: a new method for the objective analysis of respiratory gas exchange during exercise[J] . British heart journal, 1988, 59(2): 212 - 217.

[4]B L Ho. A study of maximal oxygen consumption in Chinese males[J] . Aviation, space, and environmental medicine,1984, 55(3): 222 - 225.

[5]劉宏強(qiáng). 最大攝氧量測(cè)定方法的研究與應(yīng)用[D].太原：山西大學(xué),2005.

[6]張迪. 對(duì)國(guó)家優(yōu)秀男子馬拉松運(yùn)動(dòng)員最大攝氧量和無(wú)氧閾測(cè)試的研究[J]. 吉林體育學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 24(6):69-70.

[7]韓云峰. 運(yùn)動(dòng)員最大攝氧量間接測(cè)定法的比較研究[D].北京:北京體育大學(xué),2010.

[8]李永瑞. 運(yùn)動(dòng)員注意能力綜合評(píng)價(jià)初探[C]. 第六屆全國(guó)體育科學(xué)大會(huì)論文摘要匯編(二),中國(guó)體育科學(xué)學(xué)會(huì),2000.

[9]柯朝甫,張濤,武曉巖,等. 代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[J]. 中國(guó)衛(wèi)生統(tǒng)計(jì),2014, 31(2):357-359,365.

[10]何文浩,原魁,鄒偉. 自適應(yīng)閾值的邊緣檢測(cè)算法及其硬件實(shí)現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009, 31(1):233-237.

Calculationofmaximumoxygenuptakebasedonadaptivethresholdvalue

LIN Qing-yang1, MENG Yu2, YU Ling-xia1, JIAO Yang3, SUN Hai-tao2

(1.SportsCultureBranch,StateGridShandongElectricPowerCompany,Jinan250001,Shandong,China; 2.ShandongLunengSoftwareTechnologyCo.Ltd.,Jinan250001,Shandong,China; 3.Dept.ofScienceInformation,StateGridShandongElectricPowerCompany,Jinan250001,Shandong,China)

The maximum oxygen uptake is a scientific quantitative parameter to evaluate the performance of athletes' cardiopulmonary function and training performance monitoring. The measurement of the maximum oxygen uptake via experimental method brings a large amount of noise when the oxygen uptake data obtained from the gas analyzer, and then how to develop a scientific and effective de-noise way to calculate the relatively accurate maximum oxygen uptake is an important topic. Up to now, the methods of calculating the maximal oxygen uptake mainly include expert experience method, statistical method etc. Based on the characteristics of body respiration, an adaptive threshold method is adopted in this paper to de-noise the oxygen uptake data. After processed with adaptive threshold method, the oxygen uptake curve conforms to the physical characteristics of the body, and thus the maximum oxygen uptake is derived.

maximum oxygen uptake; de-noising; adaptive threshold

2017-02-10

國(guó)家電網(wǎng)公司“基于大數(shù)據(jù)的身體機(jī)能分析管理技術(shù)研究及試點(diǎn)應(yīng)用”(編號(hào)：520600116001F)。

林慶陽(yáng)(1974- )，男，碩士，高級(jí)職稱，研究方向體育大數(shù)據(jù)。

G804.7

：A

：1009-9840(2017)04-0059-05