0引言
心臟是一個強有力的肌肉系統，它將血液（包含氧氣、營養物質、激素和抗體）通過循環系統送達全身、維持生命；它攜帶著諸多與人體健康相關的信息，準確描述和辨析脈搏所含有的信息，對人類健康具有舉足輕重的影響。另外，血液也能將產生的廢物運送到腎臟然后排泄掉。
本文深入研究體育鍛煉對心率的影響，這對提高人們的健康水平具有重要而深遠的意義。
1運動中心率的作用
如何科學地進行鍛煉，使之成為增強體質、促進健康的有效因子，掌握好運動強度是關鍵所在，只有在適宜的運動強度條件下，才能保證人體各組織中血液供應達到最佳值，且不產生疲勞積累，這時，體育鍛煉才能獲得最大效果。所以，心率常被用于評定運動強度是否適宜的一個客觀指標。
在運動訓練和健康鍛煉領域，運用心率控制訓練強度，提高訓練效果，以此為依據，出現了多種訓練方法。在群眾健身領域，國內外僅就運動適宜的心率計算公式就有8種之多，見表1.
2歷史上心率采集的探索歷程
在我國，中醫看病講究望、聞、問、切四診（其中切診主要指切脈，也就是老白姓說的"把脈"或者"號脈"）。診脈在公元前五世紀左右由"神醫"扁鵲發明，至今已有兩千多年歷史。我國切脈法的文字記載始見于《黃帝內經》。中醫切脈的原理。
1903年，荷蘭生物學家，Leiden大學的教授Einothven,發明了世界第一臺弦線型心電圖記錄儀，準確描記出心臟每個心動周期的心電變化曲線，這個曲線被命名為心電圖（electrocardiograph,ECG）。之后，心電圖被廣泛應用于臨床，診斷各種心臟類疾。Einthoven被譽為"心電圖之父",并于1924年獲得諾貝爾醫學和生理學獎。
動態心電圖在1957年由美國物理學博士NormanJHolter首創，稱Holter心電圖。Holter系統在1961年首次應用于臨床。第一臺Holter系統在1965年實現商用。之后，Holter心電圖技術迅速成為心臟相關疾病范疇內實用、無創、高效、安全、準確、且可重復的普及診斷方法。我國開始引入動態心電圖技術是1978年.
3無線心率采集技術的發展歷程
3.1無線運動心率采集的第一階段（1961~1994年）
1961年，蘇聯的舒瓦托夫發明了微型無線電生理機能記錄儀，其發射機采用半導體和電子管混合形式。1962年，日本崗芳包、宇都山等人發表了《運動中の心電圖の短波無線電搬送法》。1964年，北京體育大學賈冰懷教授成功研制出心率無線電遙測裝置。
心率無線電遙測裝置由心率無線發射機和接收機組成。其中，心率無線發射機的任務是將心率以無線電波的形式發射出來，它由三部分組成：1）心電放大器，將微弱的心電信號放大；2）副載頻振蕩器，可產生與心率相應變化的振蕩信號；3）載波振蕩器，可產生88~108HMz的高頻振蕩信號。
接收機的任務是將含有心率信息的88~108HMz無線電波接收下來，實現心率信息遙測。
心率無線發射器使用了兩個心電電極，電極引線長度約30cm.電極安裝需要先用無水乙醇對皮膚表面進行清潔和去脂處理，涂抹導電膏并用膠布粘貼在胸部，電極的插頭插到心率發射器的盒子上，采用9V層疊電池供電。發射距離40~50m,借助秒表和紙筆可以記錄下每分鐘的心率數據。
無線心率發射器的出現，突破了觸摸法不能動態測試心率的瓶頸。此后關于運動負荷和運動量的研究成果不斷涌現，這一先進技術在1966年2月被國家科學技術委員會登記認證，編號為1432.該項技術先后被運用于國家女籃、國家乒乓球隊、國家游泳隊等隊伍的訓練和比賽中。之后，國家體育總局科研所儀器室的技術人員，從全國的需求出發，將這一技術改進后做成產品推廣，直到1996年。
3.2無線運動心率采集的第二階段（1977~1984年）
芬蘭Polar公司成立于1977年，于1984年推出PE3000無線心率套件[11],套件的基本單元是一個心率帶和一個心率表。心率帶的主要功能類似于一個心率傳感器，它采集心電信號并以5kHz模擬信號的形式無線發射，發射有效距離約80cm.心率表是一個配套的接收裝置，在80cm的半徑內接收心率帶的信號，并將這一信號數字化處理、提供顯示與存儲功能，見圖5.
PE3000心率采集裝置在技術上的一個大的突破，主要表現在穩定性、低功耗、數字化、微型化以及實時計算與顯示。其不足則表現在測試結果不能遠距離傳送，全程的變化要在訓練結束后，使用特定的后續裝置，通過心率表背部的8孔插座將數據導出，進而打印和顯示。
3.3無線運動心率采集的第三階段（1996前后）
1996年前后，數字化2.4GHz心率帶傳感器和心率表套件進入中國[12],具有代表性的是芬蘭POLAR和SUUN-TO這兩個公司。這個階段的技術特點是對心率帶向心率表的信息傳遞方式進行了改進，將之前的5kHz模擬傳送方式提高到2.4GHz的數字傳送，集成度和可靠性進一步提升，有效接收距離從以前的80cm提高到3m（理論值10m）。
將芬蘭POLAR或者SUUNTO原裝的心率帶稱為有源心電傳感器，該傳感器由微型貼片元件和2.4GHz無線收發芯片設計，核心部件固定在心電傳感器中部，鋰電池供電。該傳感器將心電信號經放大、濾波、R波提取、脈沖整形后，以2.4GHz的頻率發送到半徑為3m的有效范圍內。
使用時，可以綁定在胸部外側，緊貼胸廓，不易滑落，數字化2.4GHz無線心率采集系統的套件。POLAR控制分析軟件可以將心率傳輸帶的心率數據儲存進計算機檢測訓練進度，透過不同的測試檢測體能，實現人機溝通對話。
這個階段的產品，心率帶（有源心電傳感器）的信號是經過單片機進行了數字信號算法處理的，心率帶發出的無線信息中已經包含有即刻心率（通過兩個R波間期計算出來的心率）和平均心率，每秒提供4次數據更新，在無線數據幀中還包含有心率帶ID編碼等多種信息。
3.4無線運動心率采集的第四階段（2008-2010年）
2008年11月后，POLAR和SUUNTO兩個公司相繼推出了團隊系統，支持10人以上的運動團隊同時進行無線心率測試[13~15],見圖7.
其中，Polar推出Team2團隊訓練系統，同時供10個運動員使用，如果擴展心率帶數量，最大可同時監測28個運動員的心率。心率帶可以將心率儲存在心率帶中，之后分析，也可以同時發射，供實時監控用，運動員只要佩帶心率帶就可以，無須佩帶轉發器，通過這套心率訓練系統，可以更深入了解個別隊員和整個團隊的體能狀態與水平。
該系統使用2.4GHz無線頻段，相互之間的串擾采用ID編號進行區分，無線發射距離從過去的理論值10m,提高到100m以上。號稱絕對保證150m無障礙發射接收距離，確保運動員在400m田徑場內或場外休息區均可以穩定接收到心率信號。實際測試結果表明，可以覆蓋整個標準田徑場地，但是投擲圍網對這一信號有極大的屏蔽和衰減作用，會形成心率無線信號接收盲區。
在技術上，POLAR團隊系統借助世界上著名的一個藍牙模塊生產公司和一個ARM生產公司，實現了團隊心率無線實時遠距離測試的產品需求。Team2系統的藍牙連接由Bluegiga公司的WT11-AClass1模塊提供，該模塊采用CSR公司的BlueCore4芯片和Bluegiga的iWRAP藍牙連接固件。Bluegiga公司的接入服務器是基于CSR公司的多個BlueCore4芯片，使系統能夠通過無線方式同步地收集和分析來自多達28名選手的數據。當使用藍牙時，心率監測器能夠實現長達30h的電池使用時間。
值得注意的是，2009年，POLAR公司接受了前期老用戶的建議，推出了一種5kHz和2.4GHz同時存在的（模擬+數字）雙路無線信號發射的心率帶，型號為H2,以兼顧前期老用戶和新用戶的需要。2012年推出H2的更新產品H7.
3.5無線運動心率采集的第五階段（2011~2013年）
2011年之后，POLAR公司和一些手機制造商，把研發重點集中在多參數綜合方面，尤其是GPS空間定位技術與實時心率采集相結合方面有較大的突破。2013年春，POLAR推出H6心率帶，運用藍牙技術實現了心率帶與手機的無縫連接，在手機上可以實時獲得無線心率信號[16].在手機上還能實現GPS運動軌跡定位等多種功能，見圖8.
3.6無線運動心率采集的第六階段（2013年后）
2013年，RC3GPS心率表問世，在心率表內，嵌入了GPS定位功能。RC3心率表，定位高端，功能全面，支持跑步、騎行等多種訓練數據記錄。也是POLAR心率表中內置GPS功能的，可追蹤訓練路徑、速度和距離，并支持通過GoogleMaps顯示海拔，可記錄平均、最高心率，電池在GPS開啟情況下可使用12h.
2014年，V800GPS心率表上市[16~18].這是一款針對跑步、單車、游泳項目設計的心率表，與H7心率帶相匹配。
其主要功能是：內置GPS以監測速度、距離及追蹤路線，全天候追蹤你的活動，GPS在省電模式下可使用50h.
在國內，清華大學在2014年推出了無線心率數據采集和視頻圖像疊加系統，將無線心率采集和運動視頻圖像兩種類型的信號予以同步結合，將當前心率數據同運動圖像疊加，在新生成的視頻圖像中，嵌入了時間和心率，新生成的視頻圖像被存儲在計算機中備查。該技術在2009年6月3日獲得國家專利（ZL200820127130.1）[19],圖10是無線心率數據采集和視頻圖像疊加模塊原理示意圖。
該模塊的視頻字符疊加功能使用NEC公司的專用字符疊加芯片uPD6450.以此芯片為核心設計的字符疊加電路，具有可靠性高、顯示編輯功能強、硬件電路簡化等優點。
視頻疊加模塊前端信號源來自一臺普通的攝像頭，攝像頭輸出的視頻信號進入uPD6450芯片，由數字化心率傳感器采集的心率信號，通過單片機的處理也進入到uPD6450芯片，在uPD6450芯片內部完成了心率數據與視頻信號的數據疊加，到達USB視頻采集卡的信號已經混合有心率和視頻兩種信息。
在終端的PC上，獲得兩路數據，一路是通過串行接口進入計算機的運動心率數據，每秒更新4次，確保采樣速率達到240次/min.另一路是通過USB接口進入計算機的運動視頻信號，該圖像信號已經被嵌入了當前的運動圖像、運動心率和時間。兩路數據信號不僅可以在計算機屏幕上實時顯示，而且可以保存和回放。
3.7無線運動心率采集技術發展歷程
回顧無線心率采集的技術發展歷程，具有如下幾個特點：1）元件：經歷電子管→晶體管分立元件→貼片元件為主→集成電路為主→專用集成電路為主；2）無線頻率：經歷5kHz→2.4GHz→5kHz+2.4GHz→藍牙；3）測試對象：經歷單一個體→ID鑒別，集群測試；4）心率傳感器信號發射距離上：經歷80cm無線→150m→150m以上；5）供電電源：經歷交流電→9V層疊電池→CR2032紐扣型3V鋰電池→新型高能電池；6）數據特點：經歷單一數據→多參數幀數據傳輸；7）拓展性：與運動視頻結合→與GPS位置檢測結合→與速度、加速度、溫度、海拔高度等多參數結合；8）數據存儲：人工記錄→心率表有限數據記錄→計算機遠程海量數據存儲；9）后續數據處理：人工處理→計算機智能分析→多因素分析與運動方案反饋；10）精確度和穩定性：發展到R波間期的精確測量，數據幀發送和接收二者的有效性校驗。
4結論
回顧近40多年來，心率無線測試呈現了一個快速發展的勢頭，從數據采集和處理、發射距離、可靠性、抗干擾、功耗以及綜合參數的同步處理方面都有了顯著的、階梯性的變化，為運動訓練、人體健康提供了定量的科學數據?？梢灶A見，今后一段時間，其技術發展將會集中在多參數，尤其是心率結合環境因素的綜合采集與實時快速處理上。多參數的監控手段、對心血管系統疾病的早期監測與病影前兆撲捉特性，將會為人類健康起到穩固的保駕護航作用。
參考文獻：
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