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摘要：最大摄氧量是评定运动员心肺机能、监控训练方法效果的一项科学的量化指标。利用实验法进行最大摄氧量测量时从气体分析仪中所获取的摄氧量粒度数据带有很多的噪声，如何科学有效地去噪进而计算出相对准确的最大摄氧量是一个重要的课题。目前，在计算最大摄氧量时常用实践方法主要包括专家经验法、统计学方法等；基于机体呼吸特点，采用自适应阈值法进行摄氧量粒度数据的去噪，该方法处理后的摄氧量曲线符合机体运动特性，由此计算得出最大相对摄氧量。
关键词：最大摄氧量；去噪；自适应阈值
中图分类号：G804.7文献标识码：A文章编号：1009-9840（2017）04-0059-05
Abstract：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.
Key words：maximum oxygen uptake； de-noising； adaptive threshold
1最大摄氧量求取方法简介
最大摄氧量[1]是人体在进行有大量肌群参加的长时间激烈运动中，心肺功能和肌肉利用氧的能力達到本人极限水平时单位时间所摄取的氧气量，是人体在极量运动负荷时心肺功能水平以及评定人体有氧工作能力的重要指标。最大摄氧量的表示方法有两种，即绝对值和相对值[2]。本文选用最大摄氧量的相对值作为研究对象。
综合国内外对最大摄氧量测量方法的研究[3-7]，发现常用于测量最大摄氧量的方法有直接测量法和间接测量法两种。直接测量法是指运动员在实验室或者在训练场地利用功率计等进行极限运动，使用气体代谢分析仪直接测量最大摄氧量；间接测量法是受试者进行亚极限运动，根据摄氧量、心率等数值推测最大摄氧量的方法。
使用直接测量法可以在气体分析仪中得出摄氧量粒度数据，但由于测量过程中会经常出现呼吸不均匀或者偶尔突发的咳嗽、说话等情况，摄氧量粒度数据存在一定的噪声，因此在求最大摄氧量之前需要对粒度数据进行去噪。目前，常用的去噪方法主要包括专家经验法[8]和统计学方法[9]两大类。其中，专家经验法是指通过专业人员观察数据去掉根据经验判断为不合理的数据，通常选用一组数据的统计量（均值、标准差）设定阈值，去掉数据中的尖点；基于统计量的统计学方法则是指根据统计量（均值、标准差、中位数、四分位数等）计算出数据集中区间进而设立阈值。虽然这两类方法都有很强的可操作性，但是也存在明显的不足：依赖于专家的先验知识，并且完全取决于个人的处理和操作；依赖于本组数据的离散程度，如果所选统计量并不能较好地反映数据集中规律则会出现较大的误差。
2自适应阈值方法
为符合机体呼吸的摄氧量数据特性并避免专家经验法和统计学习法所带来的弊端，利用自适应阈值算法进行数据处理[10]，得出去噪后的摄氧量数据，进而求取最大摄氧量。
2.1自适应阈值算法实现步骤
已知输入量：数据序列xi、采样时间间隔t0、区段窗口τ；输出量：数据xi是否异常。算法的实现步骤如下：
Step1：数据采集
按照时间间隔t0采集数据序列xi，其中xi=（xi（1），…，xi（n）），n代表数据维度i=1，…，N。
Step2：正规化
3结果与分析
3.1数据源
采用试验法， 让一名足球运动员作为受试者在功率计（运动跑台）上进行递增负荷实验，本次所采用的具体的负荷递增方式为递增负荷实验，每级负荷的持续时间为5分钟。得到的受试者摄氧量粒度数据集（本文所取摄氧量为其相对值）如图2所示。
3.3数据结果
根据3.2中三种不同的算法对摄氧量粒度数据进行处理，得出去噪后的数据，进而求出运动员最大摄氧量分别为56.7、58.9、57.7，作为评价其身体机能状态的一个重要指标。从最大摄氧量结果来看，三种方法得出的结果均不同；从三种算法处理后的摄氧量曲线（如图10～12所示）可以得出以下结论：图10和图11中中存在更多的尖点，结合其去噪过程（图4、5）可知专家经验法和滑动窗口统计量方法具有较大的局限性，无法较好地拟合数据趋势；而图12中的数据较为平滑，再结合其去噪过程（图6）和算法设计，可知基于自适应阈值算法具有较强的鲁棒性，能够根据数据自适应调整阈值区间，从而使得去噪后的数据更好地拟合数据趋势。 4结论
通过对比不同类型的方法对摄氧量粒度数据进行处理求取最大摄氧量的过程可以得出以下结论：自适应阈值算法可以对机体呼吸的摄氧量数据进行较好的去噪，其效果明显优于目前常用的专家经验法和统计量法。
本文中所讨论的自适应阈值算法主要是针对摄氧量等相邻时刻数据具有延续性的數据集提出的，该算法应用于其他场合的有效性以及改进方法正在进一步研究中。
参考文献：
[1]李桂沂，陈锡泉，肖俊伟，等. 最大摄氧量、乳酸阈、通气阈和心率在监测运动员训练效果中的应用[J]. 体育学刊，2010， 17（12）：107-111.
[2]曹泽亮. 最大摄氧量判定指标和标准的研究[D].重庆：西南大学，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]刘宏强. 最大摄氧量测定方法的研究与应用[D].太原：山西大学，2005.
[6]张迪. 对国家优秀男子马拉松运动员最大摄氧量和无氧阈测试的研究[J]. 吉林体育学院学报， 2008， 24（6）：69-70.
[7]韩云峰. 运动员最大摄氧量间接测定法的比较研究[D].北京：北京体育大学，2010.
[8]李永瑞. 运动员注意能力综合评价初探[C]. 第六届全国体育科学大会论文摘要汇编（二），中国体育科学学会，2000.
[9]柯朝甫，张涛，武晓岩，等. 代谢组学数据分析的统计学方法[J]. 中国卫生统计，2014， 31（2）：357-359，365.
[10]何文浩，原魁，邹伟. 自适应阈值的边缘检测算法及其硬件实现[J]. 系统工程与电子技术，2009， 31（1）：233-237.
关键词：最大摄氧量；去噪；自适应阈值
中图分类号：G804.7文献标识码：A文章编号：1009-9840（2017）04-0059-05
Abstract：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.
Key words：maximum oxygen uptake； de-noising； adaptive threshold
1最大摄氧量求取方法简介
最大摄氧量[1]是人体在进行有大量肌群参加的长时间激烈运动中，心肺功能和肌肉利用氧的能力達到本人极限水平时单位时间所摄取的氧气量，是人体在极量运动负荷时心肺功能水平以及评定人体有氧工作能力的重要指标。最大摄氧量的表示方法有两种，即绝对值和相对值[2]。本文选用最大摄氧量的相对值作为研究对象。
综合国内外对最大摄氧量测量方法的研究[3-7]，发现常用于测量最大摄氧量的方法有直接测量法和间接测量法两种。直接测量法是指运动员在实验室或者在训练场地利用功率计等进行极限运动，使用气体代谢分析仪直接测量最大摄氧量；间接测量法是受试者进行亚极限运动，根据摄氧量、心率等数值推测最大摄氧量的方法。
使用直接测量法可以在气体分析仪中得出摄氧量粒度数据，但由于测量过程中会经常出现呼吸不均匀或者偶尔突发的咳嗽、说话等情况，摄氧量粒度数据存在一定的噪声，因此在求最大摄氧量之前需要对粒度数据进行去噪。目前，常用的去噪方法主要包括专家经验法[8]和统计学方法[9]两大类。其中，专家经验法是指通过专业人员观察数据去掉根据经验判断为不合理的数据，通常选用一组数据的统计量（均值、标准差）设定阈值，去掉数据中的尖点；基于统计量的统计学方法则是指根据统计量（均值、标准差、中位数、四分位数等）计算出数据集中区间进而设立阈值。虽然这两类方法都有很强的可操作性，但是也存在明显的不足：依赖于专家的先验知识，并且完全取决于个人的处理和操作；依赖于本组数据的离散程度，如果所选统计量并不能较好地反映数据集中规律则会出现较大的误差。
2自适应阈值方法
为符合机体呼吸的摄氧量数据特性并避免专家经验法和统计学习法所带来的弊端，利用自适应阈值算法进行数据处理[10]，得出去噪后的摄氧量数据，进而求取最大摄氧量。
2.1自适应阈值算法实现步骤
已知输入量：数据序列xi、采样时间间隔t0、区段窗口τ；输出量：数据xi是否异常。算法的实现步骤如下：
Step1：数据采集
按照时间间隔t0采集数据序列xi，其中xi=（xi（1），…，xi（n）），n代表数据维度i=1，…，N。
Step2：正规化
3结果与分析
3.1数据源
采用试验法， 让一名足球运动员作为受试者在功率计（运动跑台）上进行递增负荷实验，本次所采用的具体的负荷递增方式为递增负荷实验，每级负荷的持续时间为5分钟。得到的受试者摄氧量粒度数据集（本文所取摄氧量为其相对值）如图2所示。
3.3数据结果
根据3.2中三种不同的算法对摄氧量粒度数据进行处理，得出去噪后的数据，进而求出运动员最大摄氧量分别为56.7、58.9、57.7，作为评价其身体机能状态的一个重要指标。从最大摄氧量结果来看，三种方法得出的结果均不同；从三种算法处理后的摄氧量曲线（如图10～12所示）可以得出以下结论：图10和图11中中存在更多的尖点，结合其去噪过程（图4、5）可知专家经验法和滑动窗口统计量方法具有较大的局限性，无法较好地拟合数据趋势；而图12中的数据较为平滑，再结合其去噪过程（图6）和算法设计，可知基于自适应阈值算法具有较强的鲁棒性，能够根据数据自适应调整阈值区间，从而使得去噪后的数据更好地拟合数据趋势。 4结论
通过对比不同类型的方法对摄氧量粒度数据进行处理求取最大摄氧量的过程可以得出以下结论：自适应阈值算法可以对机体呼吸的摄氧量数据进行较好的去噪，其效果明显优于目前常用的专家经验法和统计量法。
本文中所讨论的自适应阈值算法主要是针对摄氧量等相邻时刻数据具有延续性的數据集提出的，该算法应用于其他场合的有效性以及改进方法正在进一步研究中。
参考文献：
[1]李桂沂，陈锡泉，肖俊伟，等. 最大摄氧量、乳酸阈、通气阈和心率在监测运动员训练效果中的应用[J]. 体育学刊，2010， 17（12）：107-111.
[2]曹泽亮. 最大摄氧量判定指标和标准的研究[D].重庆：西南大学，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]刘宏强. 最大摄氧量测定方法的研究与应用[D].太原：山西大学，2005.
[6]张迪. 对国家优秀男子马拉松运动员最大摄氧量和无氧阈测试的研究[J]. 吉林体育学院学报， 2008， 24（6）：69-70.
[7]韩云峰. 运动员最大摄氧量间接测定法的比较研究[D].北京：北京体育大学，2010.
[8]李永瑞. 运动员注意能力综合评价初探[C]. 第六届全国体育科学大会论文摘要汇编（二），中国体育科学学会，2000.
[9]柯朝甫，张涛，武晓岩，等. 代谢组学数据分析的统计学方法[J]. 中国卫生统计，2014， 31（2）：357-359，365.
[10]何文浩，原魁，邹伟. 自适应阈值的边缘检测算法及其硬件实现[J]. 系统工程与电子技术，2009， 31（1）：233-237.