SISTEMA EXPERTO PARA DETERMINAR LA FRECUENCIA CARDIACA MÁXIMA EN DEPORTISTAS CON FACTORES DE RIESGO

EXPERT SYSTEM FOR DETERMINING THE HEART RATE MAXIMUM IN ATHLETES WITH RISK FACTORS

SISTEMA ESPECIALISTA PARA DETERMINAR A TAXA CORAÇAO MAXIMO EM ATLETAS COM FATORES DE RISCO

Hugo Cristancho Chinome¹, Jorge Enrique Otalora Luna¹, Mauro Callejas Cuervo¹

1 Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Dirección para correspondencia: jorge.otalora@uptc.edu.co.

RESUMEN

En este trabajo se presenta un sistema experto (SE) que permite establecer la frecuencia cardiaca máxima en términos de porcentaje de intensidad, la duración de una sesión de entrenamiento y la frecuencia en días por semana. La base del SE es el conocimiento de profesionales en el área de medicina y del deporte, que ayuda a los deportistas con padecimiento de enfermedades o factores de riesgo a tomar mejores decisiones al momento de realizar ejercicio físico. Este sistema se desarrolló en un ambiente web para facilitar la adquisición de los datos por parte de los profesionales, permitiendo así, la incorporación de varios criterios donde la aplicación del algoritmo del SE y de minería de datos proveen a los deportistas resultados con soporte médico. El SE ha sido incorporado a un software que se encarga de monitorizar la frecuencia cardiaca en tiempo real en una disciplina deportiva, donde se evidenció el buen funcionamiento del SE.

PALABRAS CLAVE: Deporte; factores de riesgo; frecuencia cardiaca; sesión de entrenamiento; sistema experto.

ABSTRACT

This paper presents an expert system (SE) that establishes the maximum heart rate in percentage terms of intensity, duration of a training session and frequency in days per week is presented. The base SE is the knowledge of professionals in the field of medicine and sport that helps athletes suffering from diseases or risk factors make better decisions at the time of exercise. This system was developed in a web environment to facilitate the acquisition of data by professionals, thus allowing the incorporation of several criteria where application of the algorithm SE and mining provide athletes results with medical support. The SE has been incorporated into software that is responsible for monitoring the heart rate in real time in a sport where the proper functioning of the SE was evident.

KEYWORDS: Sport; Diseases; Factor risk; Heart rate; Workout; Expert system.

RESUMO

Este trabalho apresenta um sistema especialista (SE), que estabelece a frequência cardíaca máxima em termos percentuais de intensidade, a duração de uma sessão de treinamento ea freqüência em dias por semana é apresentado. A base de SE é o conhecimento de profissionais no campo da medicina e esporte, que ajuda atletas que sofrem de doenças ou factores de risco a tomar melhores decisões no momento do exercício. Este sistema foi desenvolvido em um ambiente web para facilitar a aquisição de dados por profissionais, permitindo a incorporação de vários critérios, quando a aplicação do algoritmo SE e mineração oferecer aos atletas resultados com apoio médico. A SE foi incorporado no software que é responsável por monitorar o ritmo cardíaco em tempo real em um esporte onde o bom funcionamento da SE foi evidente.

PALAVRAS-CHAVE: Esporte; Doenças; Factores de risco; Frequência cardíaca; Exercício; Sistema especialista.

I. INTRODUCCIÓN

Diversos estudios han determinado que la actividad física está directamente relacionada con el cuidado de enfermedades y factores de riesgo, esto se evidencia en [1-11], dando a conocer así, la existencia de procedimientos y lineamientos que los médicos o deportólogos pueden tener en cuenta al momento de preinscribir a los deportistas. Por ejemplo [12], dice que la actividad física esta inversamente relacionada con el riesgo de sufrir una enfermedad cardiaca coronaria y establece unas pautas para una preinscripción adecuada del ejercicio físico [13-17], sin embargo, la mala realización de esta preinscripción representa un alto riesgo para la población, una de las consecuencia de lo anterior se puede verificar en [18-21]. Los factores de riesgo y enfermedades pueden limitar la aptitud física y aumentar el riesgo de acontecimientos adversos durante la práctica del ejercicio [22]. Es por lo anterior, que algunas investigaciones en inteligencia artificial, desarrollo de sistemas expertos y proceso de minería de datos, se han enfocado en la implementación de guías, procedimientos y herramientas evidenciadas en [23-31], que aportan a los deportistas a tomar buenas decisiones al momento de realizar actividades físicas con respecto a enfermedades o factores de riesgo que éstos pueden padecer.

El presente trabajo aporta un sistema experto basado en conocimiento que determina una de muchas fórmulas indirectas para calcular la frecuencia máxima basado en la edad del deportista, frecuencia cardiaca máxima en porcentaje de intensidad, duración apta en minutos de la sesión de entrenamiento y la frecuencia en días por semana recomendada según la enfermedad o factor de riesgo.

Teniendo en cuenta la viabilidad de desarrollar el sistema experto en un ambiente web como lo fue en [32], éste se desarrolló de tal manera que los profesionales médicos tuvieran acceso a la interfaz de alimentación de datos por medio de tablas con herramientas de selección, donde especifica la fórmula, el nombre de la enfermedad, la frecuencia máxima recomendada en términos de porcentaje de intensidad, la duración del entrenamiento y los días por semana. Según lo anterior, el sistema experto por medio de un proceso de minería de datos se encarga de mostrar la mejor opción a cada deportista según su padecimiento o características propias, basado en el criterio de varios profesionales médicos o deportólogos.

II. MATERIALES Y MÉTODOS

De acuerdo a lo investigado en [33-35], fueron necesarios algunos elementos, métodos y conceptos para el desarrollo del sistema experto los cuales se mencionan a continuación:

Método de Karvonen

Según el método Karvonen la frecuencia cardiaca esperada (FCesperada) es igual a la diferencia de la frecuencia cardiaca máxima (FCmax) y la frecuencia cardiaca en reposo (FCreposo) por el porcentaje de intensidad más la frecuencia cardiaca en reposo (FCreposo) [36], es decir:

Para calcular la frecuencia cardiaca esperada, Se analizará en detalle cada una de las tres variables que componen el método Karvonen.

A) Frecuencia cardiaca máxima

Puede calcularse de manera indirecta con la ayuda de fórmulas predictivas. Se eligieron cinco fórmulas de acuerdo a los estudios realizados en [35, 37-41]:

• ACSM: FCmax = 220 - edad
• Tanaka: FCmax = 208 - (0,7 × edad)
• Engels: FCmax = 214 - (0,65 × edad)
• Whaley Hombres: FCmax = 214 - (0,79 × edad)
• Whaley Mujeres: FCmax = 209 - (0,72 × edad).

B) Frecuencia cardiaca en reposo

También denominada frecuencia cardiaca basal, es aquella que se obtiene en estado de absoluta quietud, Vivian Heyward recomienda descansar de cinco a diez minutos previos a la sesión de entrenamiento en decúbito supino o sentado, este valor debe calcularse de manera precisa, ya que, de lo contrario la frecuencia cardiaca esperada puede no ser la indicada [42].

C) Porcentaje de trabajo

Está ligada a la intensidad, y es preciso especificar que la escala de percepción de esfuerzo de Borg y la clasificación que realizó ACSM del porcentaje de intensidad en 1998, tienen un papel importante en esta variable.

La clasificación de la intensidad del esfuerzo se implementó de acuerdo a la escala de percepción de esfuerzo de Borg [43], que se muestra en la Tabla 1 y está basada en un entrenamiento aeróbico de 20 a 60 minutos [44].

D) Duración

Se tuvo en cuenta el trabajo de [45] y [46], referente a la cantidad de minutos de una sesión de entrenamiento, este tiempo puede oscilar entre 10 y 60 minutos según la intensidad. Los expertos recomiendan realizar sesiones mínimo de 30 minutos a intensidad moderada, en el caso de personas con baja condición física deben realizar sesiones con series cortas de 10 minutos [47].

E) Frecuencia

Se incluyó este elemento de acuerdo a [45], [48] y [49]. La frecuencia es la cantidad de días por semana en la que una persona realiza ejercicio físico, la recomendación es entrenar de 3 y 5 días por semana según la característica del deportista [47].

III. RESULTADOS

A continuación se establece el resultado de esta investigación, partiendo desde el aspecto tecnológico, hasta las características conceptuales del sistema expuestas en los materiales y métodos, junto con una prueba que se le aplicó a una persona sedentaria de 35 años.

En las Tablas 2, 3, 4, 5 y 6, se observan los factores tenidos en cuenta como insumo para la implementación del sistema experto.

A) Fórmula de frecuencia cardiaca máxima

Figura 1

B) Frecuencia cardiaca en reposo

C) Porcentaje de trabajo

Figura 2

Figura 3

Figura 4

En la cuarta columna (Fig. 5) se encuentra el nivel de intensidad cualitativo teniendo en cuenta la Tabla 2, puesto que es la escala que plantea el American College of Sports Medicine (ACSM) de acuerdo al porcentaje de trabajo. El profesional tiene la opción de seleccionar la opción (N/A) en caso que considere que la persona no debe realizar ejercicio físico.

Figura 5

El insumo de este sistema experto proviene de profesionales médicos seleccionados. Las enfermedades y factores de riesgo que son reconocidas a nivel científico son ingresadas por administradores y profesionales en medicina al sub-modulo para su respectiva evaluación.

Prueba realizada a una persona sedentaria de 35 años

Hasta el momento se han ingresado 5 enfermedades o factores de riesgo que fueron evaluados por 10 profesionales de la salud que se han incorporado hasta la fecha, en este caso sólo se mostrará el resultado para el sedentarismo, los resultados se pueden observar de manera gráfica en las Figs. 6, 7, 8 y 9.

La fórmula de Tanaka es la más recomendada por los profesionales.

La mayoría de los profesionales recomiendan a las personas sedentarias realizar ejercicio físico máximo al 50% de trabajo.

La duración recomendada es de 30 minutos en personas sedentarias.

La frecuencia recomendada es de 4 días por semana en sedentarios.

Aplicando el método karvonen a una persona sedentaria de 35 años de sexo masculino y con frecuencia cardiaca basal de 84 pulsaciones por minuto:

La intensidad de trabajo máxima es de 133,75 pulsaciones por minuto, con duración de 30 minutos cada sesión y con una frecuencia de 4 días por semana de ejercicio físico para esta persona sedentaria.

IV. DISCUSIÓN

Este sistema experto se implantó a un software encargado de monitorizar variables fisiológicas de deportistas que practican ciclismo bajo techo, y que fue desarrollado por el grupo de investigación GIS de la Universidad Pedagógica y Tecnológica. En pruebas de simulación a una persona sedentaria, el software es capaz de lanzar una alarma visual y una auditiva cuando su frecuencia cardiaca excede el 35% de su intensidad, evidenciando así el aporte que el sistema experto brinda en aplicaciones de ambiente real.

En la Fig. 10, se puede observar dos vistas, la izquierda muestra los ciclistas que están realizando la sesión de entrenamiento y a la derecha la vista del ciclista 2. Se puede evidenciar en la vista del ciclista que la intensidad está en el 44%, indicando así que su frecuencia cardiaca está por encima un 9% de lo recomendado por el sistema experto. En la vista izquierda del administrador de la sesión de entrenamiento se puede apreciar que el estado del ciclista 2 indica que esta fuera del rango recomendado dando la alarma visual y auditiva esperada cuando estos casos se presentan.

Figura 10

Así como la monitorización de la frecuencia cardiaca en tiempo real, el sistema experto genera información sobre el tiempo de la sesión de entrenamiento y los días por semana recomendados.

V. CONCLUSIONES

• El sistema experto puede ser implantado en diferentes aplicaciones informáticas que impliquen el uso de monitorización de frecuencia cardiaca, ya que es un sistema basado en conocimiento bajo el método Karvonen que es avalado científicamente y se desarrolló bajo una arquitectura que es fácilmente adaptable.
• En [18], realizaron un estudio a una persona sedentaria de 41 años sometiéndolo a un esfuerzo de trabajo utilizando el protocolo de Bruce, aplicando el sistema experto propuesto por esta investigación se concluye que por sugerencia, esta persona debió estar en una intensidad máxima de 125,65 pulsaciones por minuto y no de 185 ppm momento en el cual tuvo dificultades de salud.
• A pesar de que el sistema experto está siendo aplicado a un software cuya disciplina es el ciclismo bajo techo, puede aplicarse a cualquier disciplina deportiva que frecuencia cardiaca.
• El sistema experto busca sugerir una intensidad máxima de trabajo basado en conceptos de profesionales médicos, sin embargo, el sistema experto no pretende solucionar en un 100% situaciones adversas que se puedan presentar en el ejercicio físico.

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