RU140166U1 - Устройство для определения физической работоспособности человека - Google Patents

Abstract

1. Устройство для определения физической работоспособности человека, содержащее блок измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС), блок ввода исходных данных, первый выход которого соединен с первым входом блока определения физической работоспособности, выходы которого соединены с блоком отображения информации, а второй вход - с выходом блока задания темпа подъема, а также последовательно соединенный цифровой акселерометр и блок предварительной обработки сигнала, блок задания темпа подъема, первым входом подключенный ко второму выходу блока ввода исходных данных, соединенному со вторым входом блока предварительной обработки сигнала, отличающееся тем, что оно снабжено блоком расчета критического уровня ЧСС, блоком сравнения, четырьмя регистрами, блоком обработки исходных данных, логическим блоком ИЛИ и степ-платформой с изменяемой высотой ступеней, снабженной приводом, при этом вход блока расчета критического уровня ЧСС соединен с первым выходом блока ввода исходных данных, а выход его соединен с первым входом блока сравнения, вторым входом соединенного с выходом блока измерения ЧСС и первыми входами первого и второго регистров, вторые входы которых подключены к первому и второму выходам блока задания темпа подъема, соединенным также соответственно со вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого регистров, с третьим и четвертым входами блока предварительной обработки сигнала, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого регистров, при этом выходы регистров соединены с соответствующими входами блока определения физической работоспособности, выход первого регистра со

Description

Полезная модель относится к медицине и физической культуре, а именно к устройствам для определения физической работоспособности человека и может быть использовано для мониторинга функционального состояния, работоспособности и резервов здоровья людей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для оценки физической работоспособности человека [см. патент RU 2447834 от 08.12.2010 г. кл. МПК A61B 5/02], содержащее блок измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС), блок ввода исходных данных, первый выход которого соединен с первым входом блока определения физической работоспособности, выходы которого соединены с блоком отображения информации, а второй вход - с выходом блока задания темпа вставания, а также последовательно соединенное цифровой акселерометр и блок предварительной обработки сигнала, блок задания темпа вставания, первым входом подключенный ко второму выходу блока ввода исходных данных, соединенному со вторым входом блока предварительной обработки сигнала.

Недостатком известного устройства является ограниченность комплекса выполняемых движений и групп мышц, вовлеченных в двигательную деятельность, поскольку нагрузка в нем задается в виде перемещения центра тяжести тела испытуемого при вставании с сидения определенной высоты на расстояние, равное разности между ростом испытуемого в положении стоя и его ростом в положении сидя, который регистрирует с помощью акселерометра закрепленного на туловище человека, что не позволяет получить точные и достоверные данные при комплексном обследовании населения.

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении диапазона измерения, его точности и объективности при проведении комплексного тестирования резервов физического здоровья людей с использованием степ-платформы.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для определения физической работоспособности человека содержит блок измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС), блок ввода исходных данных, первый выход которого соединен с первым входом блока определения физической работоспособности, выходы которого соединены с блоком отображения информации, а второй вход - с выходом блока задания темпа подъема, а также последовательно соединенный цифровой акселерометр и блок предварительной обработки сигнала, блок задания темпа подъема, первым входом подключенный ко второму выходу блока ввода исходных данных, соединенному со вторым входом блока предварительной обработки сигнала, снабжено блоком расчета критического уровня ЧСС, блоком сравнения, четырьмя регистрами, блоком обработки исходных данных, логическим блоком ИЛИ и степ-платформой с изменяемой высотой ступеней снабженной приводом, при этом, вход блока расчета критического уровня ЧСС соединен с первым выходом блока ввода исходных данных, а выход его соединен с первым входом блока сравнения, вторым входом соединенного с выходом блока измерения ЧСС и первыми входами первого и второго регистров, вторые входы которых подключены к первому и второму выходам блока задания темпа подъема, соединенного также соответственно со вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого регистров, с третьим и четвертым входами блока предварительной обработки сигнала, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого регистров, при этом выходы регистров соединены с соответствующими входами блока определения физической работоспособности, выход первого регистра соединен со вторым входом блока обработки исходных данных, входом подключенного к выходу блока обработки исходных данных, а двумя выходами соединенного с блоком отображения информации, с четвертым и пятым входами блока определения физической работоспособности и с приводом степ-платформы, логический блок ИЛИ соединен первым входом с первым входом блока задания темпа подъема, вторым входом - с выходом блока сравнения, а выходом - с третьим входом блока задания темпа подъема.

При этом блок предварительной обработки сигнала содержит последовательно соединенные фильтр низкой частоты, фильтр высокой частоты, компаратор и счетчик импульсов, выход которого является выходом этого блока, второй вход - вторым входом, а третий и четвертый - третьим и четвертым его входами.

Кроме того, блок задания темпа подъема содержит последовательно соединенные генератор импульсов, делитель частоты и счетчик импульсов, а также ритмозадающий модуль, звуковой усилитель и блок воспроизведения звука, при этом выход генератора соединен также с первым входом ритмозадающего модуля, второй вход которого является первым входом блока задания темпа подъема, а третий его вход - третьим входом этого блока, выход делителя частоты соединен с третьим входом ритмозадающего модуля, второй вход счетчика импульсов является вторым входом блока задания темпа подъема, а оба выхода счетчика соединены, соответственно, с третьим и четвертым входами ритмозадающего модуля и являют третьим и четвертым входами блока задания темпа подъема, при этом первый выход ритмозадающего модуля является первым выходом блока задания темпа подъема, второй его выход соединен со вторым входом звукового усилителя, первый вход которого является четвертым входом блока задания темпа подъема, третий его вход - третьим входом этого блока, а выход соединен со входом блока воспроизведения звука.

Блок обработки исходных данных содержит блок сравнения и селекции, семь блоков памяти таблиц с первой по седьмую соответственно, соединенных параллельно, входы которых соединены с соответствующими выходами блока ввода исходных данных и блока деления посредством блока сравнения и селекции и блока деления, а выход первого блока памяти таблицы 1 соединен с первыми входами блока определения высоты ступени для 6-7 лет и блока определения высоты ступени для 8-13 лет, второй вход этого блока связан с выходом первого блока определения минимальной высоты ступени, оба выхода которого связаны с соответствующими выходами блока памяти таблицы 2, а выход блока определения высоты ступени для 6-7 лет соединен со входом логического блока ИЛИ, оба выхода блока памяти таблицы 3 соединены со входами блока выбора максимального значения высоты ступени выходом подключенного ко второму входу блока определения высоты ступени для 8-13 лет, выход которого соединен со вторым входом логического блока ИЛИ при этом выходы блоков памяти таблицы 4 и таблицы 5 соединены со входами блока коррекции, выход которого соединен с первым входом блока определения высоты ступеней для 14-60 лет, выход которого соединен с третьим входом логического блока ИЛИ, а второй вход - с выходом второго блока определения минимальной высоты ступени, двумя входами соединенного с соответствующими выходами блока памяти таблицы 6 при этом выход блока памяти таблицы 7 соединен со вторым входом сумматора, первый вход которого соединен с выходом блока памяти таблицы 7 и с выходом логического блока ИЛИ, являющегося выходом блока обработки исходных данных, вход которого соединен с выходом блока ввода исходных данных.

Блок определения физической работоспособности содержит блоки вычисления мощности нагрузки на первой и второй ступенях соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока вычисления физической работоспособности, выход которого является первым выходом блока определения физической работоспособности и соединен со входами блока вычисления максимального потребления кислорода и блока вычисления максимального ударного объема крови, выход которого соединен с первым входом блока вычисления минутного объема крови, второй вход которого и третий вход блока вычисления физической работоспособности является шестым, а четвертый вход блока вычисления физической работоспособности -седьмым входами блока определения физической работоспособности, входы блоков вычисления мощности нагрузки на первой и второй ступенях - входами блока определения физической работоспособности, выходы блока вычисления физической работоспособности, блока вычисления максимального потребления кислорода, блока вычисления минутного объема крови, и блока вычисления ударного объема крови являются выходами блока определения физической работоспособности.

На фиг. 1 чертежей представлен общий вид устройства для определения работоспособности человека.

На фиг. 2 - выполнение блока обработки исходных данных.

На фиг. 3 - выполнение блока расчета физической работоспособности.

Предлагаемое согласно настоящей полезной модели устройство используют в способе определения физической работоспособности человека, в котором определяется возраст обследуемого, измеряется рост и вес обследуемого, ЧСС в покое и артериальное давление (АД), производится тест Руфье. По результатам определяется первая нагрузка (высота первой ступени).

Для диапазона возрастов 6-13 лет первоначальный расчет высоты первой ступени выполняется на основе ЧСС в покое (таблица 1).

Полученная высота 1-й ступени корректируется в зависимости от систолического АД и массо-ростового коэффициента в соответствии с таблицами 2, 3. Массо-ростовой коэффициент вычисляется на основании роста и массы тела по известной формуле [Патент RU 2441580]:

где МРК - массо-ростовой коэффициент,

Масса - масса в граммах,

Рост - рост в сантиметрах.

Таблица 1
Возраст, лет	Юноши, ЧСС пок., уд./мин	Девушки, ЧСС пок., уд./мин	Высота 1-й ступени, см
6-7	<100	<99	10
	>=100	>=99	5
8-9	<88	<87	15
	88-99	87-97	10
	>=99	>=98	5
10-11	<87	<86	15
	87-96	86-95	10
	>=97	>=96	5
12-13	<86	<85	15
	86-96	85-95	10
	>=97	>=96	5

Для возраста 6-7 лет коррекция сводится к выбору наименьшего значения из трех возможных.

Например, юноша 7 лет имеет рост 124 см, вес 47 кг (массо-ростовой коэффициент 379), ЧСС в покое 95 уд./мин, систолическое АД 118 мм рт. ст. Тогда из таблицы 1 имеем высоту 1-й ступени 10 см, из таблицы 2 высоты 5 см и 5 см. В итоге получаем высоту 5 см.

Для остальных поддиапазонов возрастов коррекция сводится к вычитанию значений таблицы 3 из значений таблицы 1. Причем вычитается только одно, максимальное, из двух значений.

Таблица 2
Возраст, лет	Юноши	Девушки	Высота 1-й ступени, см
6-7	Сист. АД <83 или >116 мм рт. ст.	Сист. АД <82 или >115 мм рт. ст.	5
	Массо-рост. коэфф. >370	Массо-рост. коэфф. >365	5

Таблица 3
Возраст, лет	Юноши	Девушки	Снижение высоты 1-й ступени, см
8-9	Сист. АД <84 или >118 мм рт. ст.	Сист. АД <83 или >117 мм рт. ст.	5
	Массо-рост. коэфф. >415	Массо-рост. коэфф. >410	5
10-11	Сист. АД <85 или >125 мм рт. ст.	Сист. АД <84 или >123 мм рт. ст.	5
	Массо-рост. коэфф. >460	Массо-рост. коэфф. >455	5
12-13	Сист. АД <88 или >130 мм рт. ст.	Сист. АД <87 или >129 мм рт. ст.	5
	Массо-рост. коэфф. >495	Массо-рост. коэфф. >490	5

Для диапазона возраста 14-60 первоначальный расчет высоты первой ступени выполняется на основе ЧСС в пробе Руфье (значение максимальной ЧСС сразу после приседаний), (см. таблицу 4):

Таблица 4
Возраст, лет	Мужчины, ЧСС Руфье, уд./мин	Женщины, ЧСС Руфье, уд./мин	Высота 1-й ступени, см
14-19	<120		25
	120-137	<136	20
	138-150	137-148	15
	151-160	149-158	10
	>160	>158	5
20-32	<118		25
	118-135	<132	20
	136-148	132-146	15
	149-158	147-156	10
	>158	>156	5
33-39	<116		25
	116-133	<131	20
	134-146	131-144	15
	147-156	145-154	10
	>156	>154	5
40-49	<131	<130	20
	131-143	130-141	15
	144-153	142-152	10
	>153	>152	5
50-60	<128	<126	15
	129-142	126-140	10
	>142	>140	5

Полученная из таблицы 4 высота 1-й ступени корректируется в зависимости от ЧСС в покое, в соответствии с таблицей 5.

Таблица 5
Возраст, лет	Мужчины, ЧСС пок., уд./мин	Женщины, ЧСС пок., уд./мин	Высота 1-й ступени, см
14-19	<64		25
	64-69	<62	20
	70-88	62-85	15
	89-100	86-99	10
	>100	>99	5
20-39	<62		25
	62-69	<61	20
	70-88	61-85	15
	89-98	86-97	10
	>98	>97	5
40-49	<61	<60	20
	61-82	60-79	15
	83-92	80-93	10
	>92	>93	5
50-60	<61	<61	15
	61-85	61-85	10
	>85	>85	5

При этом основным показателем является тест Руфье, кроме случаев, когда расхождение высот ступеней высчитанных по результатам Руфье и ЧСС в покое более чем на 15 см. Если высота ступени, высчитанная по пробе Руфье выше на 15 и более см (например, 20 см), чем по ЧСС в покое (например, 5 см), то в этом случае необходимо снизить высоту ступени по результатам Руфье на 5 см (тогда в приведенном примере окончательно будет выбрана ступень высотой 15 см).

В остальных случаях ориентироваться необходимо только на пробу Руфье.

Затем полученная высота 1-й ступени подвергается еще одной коррекции в зависимости от систолического АД и массо-ростового коэффициента в соответствии с таблицей 6.

Таблица 6
Возраст, лет	Мужчины	Женщины	Снижение высоты 1-й ступени в см
14-19	Сист. АД <90 или >140 мм рт. ст.	Сист. АД <90 или >137 мм рт. ст.	5
	Массо-рост. коэфф. >530	Массо-рост. коэфф. >520	5
20-39	Сист. АД <90 или >145 мм рт. ст.	Сист. АД <90 или >140 мм рт. ст.	5
	Массо-рост. коэфф. >550	Массо-рост. коэфф. >535	5
40-49	Сист. АД <90 или >150 мм рт. ст.	Сист. АД <87 или >145 мм рт. ст.	5
	Массо-рост. коэфф. >550	Массо-рост. коэфф. >535	5
50-60	Сист. АД <90 или >155 мм рт. ст.	Сист. АД <87 или >150 мм рт. ст.	5
	Массо-рост. коэфф. >530	Массо-рост. коэфф. >520	5

Из таблицы 6 выбирается минимальное значение для выполнения коррекции.

Процедура тестирования заключается в том, что исследуемый выполняет в течение 3 мин подъем на 1-ю ступеньку. Во время нашагивания темп задается ритмозадающим устройством. Во время выполнения теста фиксируется в реальном времени ЧСС (возможна фиксация ЭКГ в одном отведении), регистрируются и обрабатываются сигналы акселерометров. В случае превышения ЧСС допустимого для данного обследуемого порога или грубого нарушения условий выполнения упражнения тестирование прерывается досрочно. Критическое значение ЧСС рассчитывается по известной формуле Миллера [Miller. Predicting max HR / Miller et al // Medicine & Science in Sports & Exercise. - 1993. - V. 25. - N.9. - P. 1077-1081.]:

Значение ЧСС после тестирования на первой ступеньке (P₁) участвует в расчете физической работоспособности после завершения нашагивания на все ступеньки. Кроме того, P₁ используется для расчета высоты 2-й ступени в соответствии с таблицей 7.

Таблица 7
Возраст, лет	P1 (мужчины, женщины), уд./мин	Увеличение высоты 2-й ступени, см
6-13	<146	15
	147-158	10
	159-165	5
14-39	<140	15
	140-158	10
	159-160	5
40-49	<135	15
	135-151	10
	152-158	5
50-60	<126	15
	126-135	10
	136-145	5

Затем с минимальной паузой продолжается нашагивание в течение 3-х мин на 2-ю ступеньку. Измерения и контроль выполняются аналогично. Темп нашагиваний сравнивается с задаваемым - 30 в минуту. В случае выявления незначительного нарушения темпа или качества выполнения упражнения возможна коррекция действий обследуемого с помощью аудио-визуальной информации, равно как и информации о его текущем состоянии и времени выполнения теста. По результатам выполнения теста производится расчет и оценка параметров физической работоспособности (минутного объема кровообращения, максимального потребления кислорода, ударного выброса крови), как важнейших компонентов состояния здоровья человека. Оценка показателей физической работоспособности человека при пульсе 150 или 170 уд./мин, а также определение максимальной аэробной мощности через измерение максимального уровня потребления кислорода позволяет с высокой точностью оценить состояние физиологических систем организма, наличие резервных возможностей (или их отсутствие), прежде всего сердечно-сосудистой, дыхательной и нервно-мышечной систем.

В первую очередь осуществляется расчет мощности нагрузки при нашагиваний на ступеньках по формуле, предложенной П.М. Амосовым:

где N - мощность нагрузки при нашагиваний на ступеньку в кгм/мин;

M - масса тела в кг;

H - высота ступеньки в метрах;

T - количество подъемов на ступеньку за 3 мин;

1.33 - поправочный коэффициент с учетом работы, выполняемой при спуске со ступеньки.

Если испытуемый выполнил степ-тест, то для расчетов используется формула, предложенная Карпманом В.П. (Тестирование в спортивной медицине. - М.: Физкультура и спорт, 1988):

где N₁ - мощность первой нагрузки; N₂ - мощность последней нагрузки; P₁ - ЧСС в конце первой нагрузки; P₂ - ЧСС в конце последней нагрузки.

Затем рассчитывается абсолютное значение максимального потребления кислорода (МПК) в л/мин. Многие авторы указывают на высокую корреляционную связь показателей PWC₁₇₀ и МПК. Для расчета величины МПК в данной разработке используется формула В.Л. Карпмана:

где PWC₁₇₀, выражается в абсолютном значении (кгм/мин).

Показатель PWC₁₇₀ и объем сердца также имеют достаточную сильную связь. Коэффициент корреляции между ними примерно достигает r=+0.62, а у высокотренированных спортсменов взаимосвязь между значениями PWC₁₇₀ и максимальным ударным объемом крови (Qmax) достигает значения r=+0.851. Это позволяет рассчитать максимальный ударный объем крови (мл/уд) по формуле:

Стандартная погрешность данной формулы составляет ±25 мл при 90%-ном уровне вероятности.

С известной степенью условности эту зависимость можно распространить на категорию нетренированных практически здоровых взрослых людей и вычислять ударный объем крови, ориентируясь на величину PWC₁₇₀, измеряемую в шаговом тесте. Максимальный ударный (систолический) объем крови хорошо иллюстрирует емкость левого желудочка и мощность сердечной мышцы, которая своим сокращением выбрасывает этот объем крови в аорту.

Дополнительно рассчитывается минутный объем крови кровообращения (л/мин), который связан с ударным объемом через частоту сердечных сокращений и измеряется по формуле:

Выполнение устройства для определения физической работоспособности человека поясняется чертежами.

Устройство для определения физической работоспособности человека (см. фиг. 1), содержит следующие блоки: блок определения физической работоспособности 1, блок измерения ЧСС 2, датчик ускорения 3, аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП), при этом блоки 3 и 4 образуют цифровой акселерометр 5, выход которого соединен со входом блока предварительной обработки сигнала 6, содержащего фильтр низкой частоты 7, фильтр высокой частоты 8, компаратор 9 и счетчик импульсов 10, а также устройство содержит блок ввода исходных данных 11 и блок отображения информации 12 (дисплей), звуковой усилитель 13, генератор 14, делитель частоты 15, ритмозадающий модуль 16, счетчик импульсов 17, логический блок ИЛИ 18, блок расчета критического уровня ЧСС 19, блок сравнения 20, блок воспроизведения звука 21, блок обработки исходных данных 22, регистры 23, 24, 25, 26 и блок задания темпа подъема 27, объединяющий блоки 14, 15, 16, 17, 13 и 21, степ-платформу 28 с изменяемой высотой ступеней за счет снабжения ее, например, приводом.

На фиг. 2 представлен пример выполнения блока обработки исходных данных 22, который включает: модуль сравнения и селекции 29, блоки памяти таблиц с 1 по 7 соответственно 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, блок деления 37, первый блок определения минимальной высоты ступени 38, блок выбора максимального значения высоты ступеней 39, блок коррекции 40, второй блок определения минимальной высоты ступеней 41, блок определения высоты ступеней для 6-7 лет 42, блок определения высоты ступеней для 8-13 лет 43, блок определения высоты ступени для 14-60 лет 44, блок суммирования (сумматор) 45, логический блок ИЛИ 46.

На фиг. 3 представлен пример выполнения блока определения физической работоспособности, который состоит из блоков вычисления мощности нагрузки на ступенях 47 и 48, блок вычисления физической работоспособности 49, блок вычисления максимального потребления кислорода (МПК) 50, блок вычисления максимального ударного объема крови (Qmax) 51, блок вычисления минутного объема крови 52.

Устройство согласно настоящей полезной модели работает следующим образом.

Перед началом тестирования устройство закрепляется на теле обследуемого, например, на поясе или на груди аналогично тому, как закрепляются мониторы ЧСС (типа Polar). Блок измерения ЧСС 2 начинает измерять значение ЧСС и передавать информацию о ЧСС обследуемого на первый вход блока сравнения 20. Датчик ускорения 3 начинает измерять значения ускорения по трем взаимно перпендикулярным осям.

С помощью блока ввода данных 11 в устройство вводятся значения роста, массы тела, возраста, АД, ЧСС в покое и результаты теста Руфье обследуемого. На основании этих данных в блоке обработки исходных данных 22 выполняется расчет высоты первой ступеньки. В блоке 22 расчет выполнятся на основании таблиц 1-4, указанных выше, с учетом пола обследуемого.

Схема блока 22 представлена на фиг. 2.

Значение возраста обследуемого поступает на 1-й вход блока сравнения и селекции 29. Выходы блока обеспечивают селективные сигналы для разных диапазонов возрастов. Так сигнал (6-13), соответствующий возрастам 6-13 лет, поступает на вход блока табличной функции 30, в котором на основании указанной выше таблицы 1, происходит выборка 1-го (предварительного) значения высоты первой ступеньки H_1.1. На 2-й и 3-й входы блока 30 также поступают логическое значение пола обследуемого «м/ж» и значение ЧСС в покое P₀.

Сигнал (6-7), соответствующий возрастам 6-7 лет, поступает на 1-й вход блока табличной функции 31, в котором на основании указанной выше таблицы 2, происходит выборка двух предварительных значений высоты первой ступеньки, из которых выбирается минимальное в блоке 38. Выход этого блока дает значение ступеньки H_1.2. На 2-й и 3-й входы блока 31 также поступают логическое значение пола обследуемого «м/ж» и значение систолического артериального давления (Сист. АД), соответственно. На 4-й вход блока 31 поступает значение массо-ростового коэффициента (МРК) с выхода блока расчета массо-ростового коэффициента 37. На 1-й вход блока 37 поступает значение массы тела обследуемого, а на 2-й вход - значение роста.

В блоке 42 из предварительных высот H_1.1 и H_1.2 выбирается минимальное значение, которое дает значение «H₁ для 6-7 лет». Это значение поступает на 1-й вход блока логического ИЛИ 46, с выхода которого снимается окончательное значение высоты первой ступеньки H₁. Этот сигнал является 1-м выходом блока 22.

Для возраста 8-13 лет значение (8-13) с выхода блока 29 поступает на 1-й вход блока табличной функции 32, на 2-й и 3-й входы которого поступает логическое значение пола обследуемого «м/ж» и значение систолического артериального давления (Сист. АД), соответственно. В блоке 32 на основании указанной выше таблицы 3 выполняется выборка двух значений, из которых выбирается максимальное в блоке 39. Выход блока 39 дает предварительное значение высоты первой ступеньки H_1.3. Значения H_1.1 и H_1.3 поступают соответственно на 1-й и 2-й входы блока вычитания 43, на выходе которого формируется значение высоты 1-й ступеньки «H₁ для 8-13 лет». Это значение поступает на 2-й вход блока ИЛИ 46, с выхода которого снимается окончательное значение высоты первой ступеньки H₁.

Для возраста 14-60 лет значение (14-60) с выхода блока 29 поступает на 1-й вход блока табличной функции 33, на 2-й и 3-й входы которого поступает соответственнно логическое значение пола обследуемого «м/ж» и значение ЧСС в пробе Руфье (значение максимальной ЧСС сразу после приседаний). В блоке 33 на основании указанной выше таблицы 4 выполняется выборка предварительного значения высоты первой ступеньки H_1.4.

Значение (14-60) поступает также на 1-е входы блоков табличной функции 34, 35, 41. На 2-е входы этих блоков поступает логическое значение пола обследуемого «м/ж». На 3-й вход блока 34 поступает значение ЧСС в покое P₀. В блоке 34 на основании указанной выше таблицы 5 выполняется выборка предварительного значения высоты первой ступеньки H_1.5. Предварительные значения высот H_1.4 и H_1.5 поступают соответственно на 1-й и 2-й входы блока коррекции 40, выход которого формирует значение высоты H_1.6. Если разность между высотой ступеньки H_1.4 и высотой ступеньки H_1.5 меньше или равна 15 см, то формируется значение высоты H_1.6 равное значению высоты первой ступеньки H_1.4. Если разность между высотой ступеньки H_1.4 и высотой ступеньки H_1.5 больше 15 см, то формируется значение высоты H_1.6, которое меньше на 5 см значения высоты первой ступеньки H_1.4.

На 3-й вход блока 35 поступает значение систолического артериального давления (Сист. АД). На 4-й вход блока 35 поступает значение массо-ростового коэффициента (МРК) с выхода блока расчета массо-ростового коэффициента 37. В блоке 35 на основании указанной выше таблицы 6 выполняется выборка двух предварительных значений высоты первой ступеньки, из которых выбирается минимальное значение H_1.7 в блоке 41.

Предварительные значения высот H_1.6 и H_1.7 поступают соответственно на 1-й и 2-й входы блок определения высоты ступени для 14-60 лет 44, выход которого выдает значение высоты 1-й ступеньки «H₁ для 14-60 лет», равное разности между значением высоты H_1.6 и значением высоты H_1.7. Это значение поступает на 3-й вход блока ИЛИ 46, с выхода которого снимается окончательное значение высоты первой ступеньки H₁.

В блоке табличной функции 36 определяется предварительная высота второй ступеньки. Для этого на 3-й вход блока 36 подается значение ЧСС P₁, измеренное на 3-й минуте по завершению нашагивания на 1-ю ступеньку. В блоке 36 на основании указанной выше таблицы 7 выполняется выборка предварительного значения высоты второй ступеньки H_2.1, которое поступает на 2-й вход блока суммирования 45, на 1-й вход которого поступает окончательное значение высоты первой ступеньки H₁. С выхода блока 45 снимается окончательное значение высоты второй ступеньки H₂, равное сумме окончательного значения высоты первой ступеньки H₁ и предварительного значения высоты второй ступеньки H_2.1. Этот сигнал является 2-м выходом блока 22.

Информация о высоте первой ступеньки отображается блоком отображения информации 12 и используется для расчета физической работоспособности блоком 1. Данные от блока обработки исходных данных 22 также поступают в модуль расчета критического уровня ЧСС 19. В блоке 19 расчет критического значения выполняется в соответствии с формулой (2), указанной выше. Критическое значение ЧСС поступает на второй вход блока сравнения 20. В случае превышения текущего значения ЧСС обследуемого над критическим значением блок сравнения 20 выдает сигнал остановки процедуры тестирования. Этот сигнал отображается блоком отображения информации 20 и, пройдя блок ИЛИ 18, передается через усилитель 13 в блок воспроизведения звука 21 и останавливает работу ритмозадающего модуля 16.

В случае, если превышения критического значения ЧСС не было, после завершения ввода блок 11 дает разрешение на работу счетчиков импульсов 10, 17 и ритмозадающего модуля 16. Кроме того, блок 11 подает звуковой сигнал через звуковой усилитель 13 на блок воспроизведения звука 21, информирующий обследуемого о начале тестирования. Блок 21 может быть выполнен либо в виде наушников, либо в виде акустической системы.

Импульсы, формируемые генератором 14, задают частоту дискретизации звукового сигнала ритмозадающего модуля 16 (для воспроизведения речевых сигналов обычно достаточно частоты дискретизации 11 кГц или даже 8 кГц). Кроме того, импульсы с выхода генератора 14 также поступают на делитель частоты 15, на выходе которого получается частота в два раза превышающая частоту нашагивания на ступеньку. Т.е. период следования импульсов на выходе делителя частоты 15 равен полупериоду нашагивания. Очевидно, для темпа нашагиваний - 30 подъемов в минуту, частота на выходе делителя 15 будет равна 1 Гц.

Эта частота поступает в ритмозадающий модуль 16. После поступления сигнала разрешения от блока 11 из этих сигналов в ритмозадающем модуле 16 формируются импульсы, поступающие в блок отображения 12 и соответствующие моментам восхождения на ступеньку и спуска со ступеньки. Кроме того, после поступления сигнала разрешения ритмозадающий модуль 16 разрешает прохождение звукового сигнала на звуковой усилитель 13. Звуковой сигнал с помощью модуля воспроизведения звука 21 передает информацию обследуемому о темпе нашагивания.

Датчик ускорения 3 измеряет ускорения (A_x, A_y, A_z) по трем взаимно перпендикулярным осям, изменяющие свою величину в процессе нашагивания на ступеньку. Электрические сигналы от датчика ускорения преобразуются с помощью АЦП 4 в цифровой код. Цифровой сигнал от АЦП последовательно проходит цифровой фильтр нижних частот 7, фильтр верхних частот 8 и поступает на вход компаратора 9. На второй вход компаратора подается нулевой опорный сигнал, в результате чего на выходе компаратора получается логический сигнал в виде импульсов. Период следования импульсов соответствует реальному периоду нашагивания на ступеньку обследуемым. Поэтому подсчет числа импульсов за время тестирования позволяет определить реальное число нашагиваний, выполненное обследуемым за время тестирования. Для подсчета числа импульсов используется счетчик импульсов 10, который начинает считать, получив сигнал разрешения от модуля 11, соответствующий моменту начала тестирования.

Счетчик импульсов 17, получив сигнал разрешения от блока 11, выполняет подсчет числа полупериодов нашагивания от момента начала тестирования. По истечении времени тестирования на первой ступеньке (обычно 3 минуты) счетчик 17 формирует сигнал, поступающий в ритмозадающий модуль 16 и в регистр 23, который сохраняет значение ЧСС после тестирования на первой ступеньке P₁ а в регистре 25 сохраняется число нашагиваний на первую ступеньку T₁. Полученное значение P₁ поступает на вход блока обработки исходных данных 22. На основании этого значения и исходных данных в блоке 22 выполняется расчет высоты второй ступеньки, значение которой поступает на вход блока 1 для дальнейшего расчета физической работоспособности. Сигнал с выхода счетчика 17 используется также ритмозадающим модулем 16 для формирования звукового сигнала через усилитель 13 и блок воспроизведения звука 21, оповещающий обследуемого о необходимости перейти на вторую ступеньку.

Обследуемый продолжает тестирование на второй ступеньке. Аналогичным образом происходит работа устройства при тестировании на второй ступеньке. По истечении времени тестирования на второй ступеньке счетчик 17 формирует сигнал, по которому в регистре 24 сохраняется значение ЧСС после тестирования на второй ступеньке P₂, в регистре 26 сохраняется число нашагиваний на вторую ступеньку T₂. По этому же сигналу формируется звуковой сигнал, информирующий обследуемого о завершении тестирования.

Счетчик 17 останавливает счет и выдает сигнал «финиш» в модули 18 и 1. Ритмозадающий модуль подает завершающий звуковой сигнал через усилитель 13 в модуль 21 и останавливает свою работу. Кроме того, сигнал счетчика 17 останавливает работу счетчика 10. В результате этого к моменту завершения тестирования на последней ступеньке (в данном случае на второй) в счетчике 17 содержится полное число нашагиваний, соответствующее заданному темпу, а в счетчике 10 - реальное число нашагиваний, выполненное обследуемым. Значения обоих счетчиков, масса тела, высоты первой и второй ступенек, показания P₁, P₂ поступают на вход модуля расчета физической работоспособности 1. Этот модуль, получив разрешающий сигнал «финиш», выдает итоговые результаты тестирования в модуль отображения информации 12. В блоке 1 выполняется расчет уровня физической работоспособности, минутного объема кровообращения, максимального потребления кислорода и ударного выброса крови на основе формул 3-7, указанных выше.

Схема блока расчета физической работоспособности 1 представлена на фиг. 3.

Значение массы тела поступает на 1-е входы блоков вычисления мощности нагрузки первой ступени 47 и нагрузки второй ступени 48. На 2-е входы блоков 47 и 48 соответственно поступают значения высот первой ступеньки H₁ и второй ступеньки H₂. На 3-е входы блоков 47 и 48 соответственно поступают значения числа нашагиваний на первую ступеньку T₁ и на вторую ступеньку T₂.

Блоки 47 и 48 выполняют расчет мощности нагрузки на первой и второй ступеньках, соответственно, по указанной выше формуле (2). С выхода блока 47 мощность нагрузки на первой ступеньке N₁ поступает на 1-й вход блока расчета физической работоспособности 49, на 2-й вход которого поступает мощность нагрузки на второй ступеньке N₂ с выхода блока 48. На 3-й и 4-й входы блока 49 поступают значения ЧСС на 3-й минуте P₁ и на 6-й минуте - P₂. Выход блока 49 выдает значение физической работоспособности PWC₁₇₀ на основании формулы 4, которое является первым выходом блока 1.

Кроме того, значение физической работоспособности PWC₁₇₀ поступает на входы блоков 50 и 51. Блок 50 выполняет расчет МПК по формуле 5. Выход МПК является 2-м выходом блока 1. Блок 51 выполняет расчет максимального ударного объема крови по формуле 6. Выход блока 51 является 3-м выходом блока 1. Значение Qmax с выхода блока 51 также поступает на 1-й вход блока расчета минутного объема кровообращения 52, который выполняет расчет по формуле (7). На 2-й вход блока 52 поступает значение ЧСС на 6-й минуте - P₂. Выход блока 52 является 4-м выходом блока 1.

На этом работа устройства завершается и оно готово для выполнения тестирования следующего обследуемого.

Таким образом, постоянное измерение ЧСС во время проведения тестирования, во-первых, обеспечивает безопасность обследуемого через постоянный контроль за ЧСС и контроль за возникновением аритмий, во-вторых, упрощает снятие информативных показателей и ускоряет проведение тестирования.

Подсчет в реальном времени числа нашагиваний за счет измерения и обработки сигналов ускорения перемещения центра масс обследуемого в реальном масштабе времени при заданной оптимальной для данного человека нагрузке позволяет оценивать качество выполнения каждого отдельного нашагивания и производить пересчеты развиваемой мощности в соответствие с качеством выполнения упражнения. Кроме того, сравнивая сигналы об ускорении перемещения центра масс с сигналом ритмозадающего устройства, можно выдавать обследуемому указания по изменению темпа или прерывания выполнения упражнения.

Использование данных человека при проведении тестирования способствует обеспечению безопасности, так как предотвращает ошибочное назначение тестируемому избыточной для его физического состояния нагрузки, обеспечивает повышение информативности, так как при назначении первой нагрузки, не превышающей, но близкой к максимальной осложняется назначение второго уровня нагрузки и практически исключается возможность проведения тестирования на 3 и более нагрузках, чем повышается вероятность «ухода расчетной кривой» в сторону от реальных показателей тестируемого.

Использование предлагаемого устройства для определения работоспособности человека обеспечивает повышение точности и достоверности измерений, а также повышение производительности труда персонала при массовом контроле населения.

Claims (5)

1. Устройство для определения физической работоспособности человека, содержащее блок измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС), блок ввода исходных данных, первый выход которого соединен с первым входом блока определения физической работоспособности, выходы которого соединены с блоком отображения информации, а второй вход - с выходом блока задания темпа подъема, а также последовательно соединенный цифровой акселерометр и блок предварительной обработки сигнала, блок задания темпа подъема, первым входом подключенный ко второму выходу блока ввода исходных данных, соединенному со вторым входом блока предварительной обработки сигнала, отличающееся тем, что оно снабжено блоком расчета критического уровня ЧСС, блоком сравнения, четырьмя регистрами, блоком обработки исходных данных, логическим блоком ИЛИ и степ-платформой с изменяемой высотой ступеней, снабженной приводом, при этом вход блока расчета критического уровня ЧСС соединен с первым выходом блока ввода исходных данных, а выход его соединен с первым входом блока сравнения, вторым входом соединенного с выходом блока измерения ЧСС и первыми входами первого и второго регистров, вторые входы которых подключены к первому и второму выходам блока задания темпа подъема, соединенным также соответственно со вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого регистров, с третьим и четвертым входами блока предварительной обработки сигнала, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого регистров, при этом выходы регистров соединены с соответствующими входами блока определения физической работоспособности, выход первого регистра соединен со вторым входом блока обработки исходной информации, входом подключенного к выходу блока обработки исходных данных, а двумя выходами соединенного с блоком отображения информации, с четвертым и пятым входами блока определения физической работоспособности и с приводом степплатформы, логический блок ИЛИ соединен первым входом с первым входом блока задания темпа подъема, вторым входом - с выходом блока сравнения, а выходом - с третьим входом блока задания темпа подъема.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок предварительной обработки сигнала содержит последовательно соединенные фильтр низкой частоты, фильтр высокой частоты, компаратор и счетчик импульсов, выход которого является выходом этого блока, второй вход - вторым входом, а третий и четвертый - третьим и четвертым его входами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок задания темпа подъема содержит последовательно соединенные генератор импульсов, делитель частоты и счетчик импульсов, а также ритмозадающий модуль, звуковой усилитель и блок

воспроизведения звука, при этом выход генератора соединен также с первым входом ритмозадающего модуля, второй вход которого является первым входом блока задания темпа подъема, а третий его вход - третьим входом этого блока, выход делителя частоты соединен с третьим входом ритмозадающего модуля, второй вход счетчика импульсов является вторым входом блока задания темпа подъема, а оба выхода счетчика соединены соответственно с третьим и четвертым входами ритмозадающего модуля и являются третьим и четвертым входами блока задавания темпа подъема, при этом первый выход ритмозадающего модуля является первым выходом блока задания темпа подъема, второй его выход соединен со вторым входом звукового усилителя, первый вход которого является четвертым входом блока задания темпа подъема, третий его вход - третьим входом этого блока, а выход соединен со входом блока воспроизведения звука.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки исходных данных содержит блок сравнения и селекции, семь блоков памяти таблиц с первой по седьмую соответственно, соединенных параллельно, входы которых соединены с соответствующими выходами блока ввода исходных данных и блока деления посредством блока сравнения и селекции и блока деления, а выход первого блока памяти таблицы 1 соединен первыми входами блока определения высоты ступени для 6-7 лет и блока определения высоты ступени для 8-13 лет, второй вход этого блока связан с выходом первого блока определения минимальной высоты ступени, оба выхода которого связаны с соответствующими выходами блока памяти таблицы 2, а выход блока определения высоты ступени для 6-7 лет соединен со входом логического блока ИЛИ, оба выхода блока памяти таблицы 3 соединены со входами блока выбора максимального значения высоты ступени, выходом подключенного ко второму входу блока определения высоты ступени для 8-13 лет, выход которого соединен со вторым входом логического блока ИЛИ, при этом выходы блоков памяти таблицы 4 и таблицы 5 соединены со входами блока коррекции, выход которого соединен с первым входом блока определения высоты ступеней для 14-60 лет, выход которого соединен с третьим входом логического блока ИЛИ, а второй вход - с выходом второго блока определения минимальной высоты ступени, двумя входами соединённого с соответствующими выходами блока памяти таблицы 6, при этом выход блока памяти таблицы 7 соединён со вторым входом сумматора, первый вход которого соединён с выходом блока памяти таблицы 7 и с выходом логического блока ИЛИ, являющегося выходом блока обработки исходных данных, вход которого соединен с выходом блока ввода исходных данных.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения физической работоспособности содержит блоки вычисления мощности нагрузки на первой и второй

ступенях соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока вычисления физической работоспособности, выход которого является первым выходом блока определения физической работоспособности и соединен со входами блока вычисления максимального потребления кислорода и блока вычисления максимального ударного объема крови, выход которого соединен с первым входом блока вычисления минутного объема крови, второй вход которого и третий вход блока вычисления физической работоспособности являются шестым, а четвертый вход блока вычисления физической работоспособности - седьмым входами блока определения физической работоспособности, входы блоков вычисления мощности нагрузки на первой и второй ступенях - входами блока определения физической работоспособности, выходы блока вычисления физической работоспособности, блока вычисления максимального потребления кислорода, блока вычисления минутного объема крови и блока вычисления ударного объема крови являются выходами блока определения физической работоспособности.

Images