BodyEnergyExpenditure: Automatic Measurement of Energy Expenditure Associated to Physical Exercise

Abstract

The measurement of energy expenditure associated to physical exercise plays an important role in multiple fields. It can be used to help monitor energy requirements in athletes, in order to manage their physical effort, maintain energy balance during training and prevent injuries. It is also used for epidemiological studies and is extremely important in the global context of non-communicable diseases, such as diabetes, obesity, and cardiovascular diseases.The most widely accepted methods by the scientific community restrict data collection to controlled settings. Despite delivering the most accurate results, they are expensive, require qualified personnel and cannot be executed outside the laboratory environment. Alternative approaches, such as the use of accelerometers, heart rate monitors or armbands, are more practical, more economical, easy to use, and less intrusive, providing real-time information.Furthermore, they can be used anywhere while performing any type of workout.Based on the review of the different methods used to estimate energy expenditure associated to physical exercise, the main goal of this dissertation is to develop and validate a prototype for a low cost, non-intrusive wearable energy meter, based on the use of different sensors and sensor fusion methods. For validation purposes, three types of physical exercise were considered: running, indoor cycling and CrossFit. Depending on the type of exercise selected, the type and number of appropriate sensors are chosen, as well as their placement on the body. The sensor signals are subsequently processed and integrated into developed mathematical models for the estimation of energy expenditure. The results of the experiments carried out demonstrate that the developed prototype can be considered a cheaper and less intrusive solution compared to the reference methods used in the laboratory.

A medição do dispêndio energético associado ao exercício físico é relevante em vários domínios. No desporto de alto rendimento, permite monitorizar as necessidades energéticas de cada atleta e gerir o seu esforço físico durante o treino, ajudando na prevenção de lesões e na obtenção de melhores resultados desportivos. No contexto clínico, pode ajudar na prevençãodo aparecimento de diversas doenças crónicas, tais como diabetes, obesidade e doenças cardiovasculares.Os métodos de estimação de dispêndio energético usados em laboratório são os mais bem aceites pela comunidade científica. No entanto, devido ao seu custo, necessidade de pessoal qualificado e restrição a ambiente de laboratório, tornam-se pouco práticos. Alternativas como o uso de acelerómetros ou de cardiofrequencímetros têm maior interesse prático, por serem mais baratos, menos intrusivos e fornecerem informação em tempo real. Além disso, este tipo de abordagem pode ser usada em qualquer lugar, durante a realização de qualquer tipo de exercício físico.Tendo por base o estudo prévio dos métodos de estimação do dispêndio energético do corpo humano, pretende-se com esta dissertação de mestrado desenvolver e validar um protótipo de um medidor vestível de dispêndio energético associado ao exercício físico, baseado na utilização de diferentes sensores de baixo custo e em métodos de fusão sensorial. Para efeitos de validação, foram considerados três tipos de exercício físico: corrida, ciclismo indoor e CrossFit. Consoante o tipo de exercício, são escolhidos o tipo e número de sensores adequados,assim como a sua colocação no corpo. Os sinais produzidos pelos sensores são posteriormente processados e integrados em modelos matemáticos desenvolvidos para a estimação de dispêndio energético. Os resultados das experiências realizadas demonstram que a solução desenvolvida pode ser considerada uma alternativa mais barata e menos intrusiva comparativamente aos métodos de referência usados em laboratório.