低運動風險的健身車心肺耐力測試系統*

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(1.安徽大學電子信息工程學院，合肥 230601；2.中科院合肥技術創新工程院；3.中國科學院合肥智能機械研究所)

引　言

近年來，隨著生活質量的提高，人們開始關注個人的運動健康。科學健身成為廣大運動愛好者和研究人員關注的熱點話題[1]，但對于大多數運動愛好者，運動仍然缺乏科學的指導，運動存在一定的盲目性。科學運動需要對自身的體能狀況有所了解，以制定科學的健身指導。因此，心肺耐力功能也逐漸被大家認知，心肺耐力功能[2]泛指由循環系統通過肺呼吸和心臟活動推動血液循環,向機體輸送氧氣和營養物質的能力，它表征了人體持續身體活動的能力,被認為是體能健康評價指標體系中重要的指標之一。

然而，當前大眾健康領域心肺耐力測試并不普及，對其測試方法也知之甚少。專業領域的Monark功率自行車很好地實現了心肺耐力的測試，廣泛應用于競技體育中，為運動員訓練提供指導，同時在醫療康復領域，對病人的康復訓練也有重要指導意義。但是，由于其復雜的測試方法，普通大眾缺乏專業人士的指導，存在較高的運動風險。另外，其高昂的價格決定了其主要面向專業領域，難以在大眾人群推廣使用。而較常見的健身車雖然具有價格低廉、操作簡單等優點，但不具備心肺耐力測試功能，缺乏科學性和有效性，因而并不能滿足科學健身運動的指導。因此，本文提出了一種操作簡便、科學有效的可面向大眾家庭的心肺耐力測試系統。

1　研究內容

根據以上概述，本文所提出的心肺耐力測試系統，主要從以下三個方面展開研究：

① 心肺耐力測試方案，采用二級負荷間接測試方案，預測受試者的最大攝氧量值VO2max，評估測試者的心肺耐力水平。

② 硬件設計，基于傳統健身車的改造，增加功率控制、測量以及心率監測裝置,實現健身車阻力實時調控，功率測量和測量及受試者心率監測。

③ 軟件設計，主要包括上位機軟件與下位機軟件，以及上下位機間的通信。其中下位機基于STM32的阻力與轉速的采集、功率的計算，心率的采集。上位機軟件主要包括基于Android系統的人機交互界面設計、測試數據顯示、用戶信息與測試記錄管理等。

2　方案設計

本系統基于傳統的健身車車體進行改造，增加功率計算裝置，實現對輸出功率的精確計算與調節，心率的實時監控。系統采用二級負荷測試方案[3]，測試過程中記錄兩級負荷大小以及受試者每級負荷所對應的心率。由美國運動醫學指南中提及的運動功率與心率間的線性關系，以及運動功率與攝氧量間的代謝公式得到受試者的最大攝氧量VO2max[4]，以此評價測試者的心肺耐力水平[5]。

本系統主要包含硬件和軟件兩個部分，硬件部分主要包括各功能模塊設計，軟件部分為單片機的下位機程序實現以及基于Android APP實現的心肺耐力測試方案。下面將對硬件與軟件部分做詳細介紹。

2.1　心肺耐力測試方案

作為評估心肺耐力測試的重要標準之一——最大攝氧量VO2max，目前主要測量方法分為直接測量法與間接測量法，由于直接測量法運動風險高、運動強度大，難以在大眾人群中普及，本系統采用了間接測量法來預測最大攝氧量VO2max[6]，評估測量者的心肺耐力水平。

本測試方案主要根據美國醫學運動指南ACSM提出的運動心率與運動負荷間具有線性關系的理論[4]，通過二級負荷測試[3]得到最大攝氧量。受試者在兩級負荷下使用本系統進行測試，并記錄下兩級負荷下受試者的運動心率，得到圖1的線性關系。

圖1　運動負荷與心率線性關系

由心率——負荷這一線性關系可知，最大運動強度Pmax與最大心率HRmax呈現相同的線性關系，預測出受試者的最大運動強度Pmax如下：

(1)

HRmax=208-0.7×age

(2)

其中,HRmax最大心率可根據Tanaka所推測公式(2)得到。由下肢功率車的功率負荷與攝氧量間存在的代謝公式如下：[7]

VO2=7.0+(10.8×功率)/體重

(3)

預測出受試者的最大運動強度后，由式(3)可得到最大攝氧量VO2max的值。

根據上述測試原理，本方案設定了兩級不同功率大小的運動負荷，并分別記錄兩級負荷下受試者的心率，利用上述公式分別計算出最大心率HRmax、最大負荷Pmax，并預測出最大攝氧量值VO2max，同時使用ACSM運動指南給出的心肺功能評估參考表[8]，對測試者的心肺耐力做出評估。

該系統采用的兩級測試法相較傳統方法測試心肺耐力，避免了受試者的力竭測試等局限性[3]，在保證測試的準確性的同時，降低了測試的運動風險，實現了簡潔、有效、低風險的心肺耐力測試。

2.2　硬件設計

2.2.1硬件總體設計

該測試系統硬件總體設計包括心率測量模塊、功率測量模塊、阻力調控模塊、WIFI通信模塊以及基于ARM架構的STM32F103系列處理器。本系統電氣框圖如圖2所示。

圖2　系統電氣圖

2.2.2心率測量模塊設計

為獲取受試者心率，本系統還設計了心率測量裝置，主要包括心率信號的采集、MCU數據處理部分。

醫學研究表明，心臟在跳動前，心肌會產生興奮，在興奮的同時會產生微弱的電流，在體表上產生有規律的電信號變化。心率采集部分使用金屬手握電極采集接觸部位的心電信號，然而心電信號非常微弱，根據美國心電學會的標準，心電信號的幅值范圍在10 μv～4 mV之間，心電信號的頻率較低，主頻范圍在0.05～100 Hz之間[9]。因此必須經過采集模塊放大濾波，硬件處理電路包括放大器電路、濾波電路、R波的提取及整形電路[10]得到方波輸出信號，如圖3所示。此時使用MCU的脈沖捕獲讀取每個方波信號的周期即可計算出心率值的大小。

圖3　心率采集框圖

由于該系統同時研發了Android APP操作軟件，軟件研發時兼備了光電式心率腕表測量心率，使用藍牙傳輸心率數據。

2.2.3功率測量模塊設計

該系統另一個重要的數據指標功率負荷如下所示：

P=ω×T

(4)

其中ω為轉速(rad/s)，T為扭矩(N·m)。因此，功率測量部分由測速傳感器和壓力傳感器組成。

本系統中使用磁控開關來檢測速度，利用磁控開關內部常開型干簧管接近磁鐵吸附導通的特性，計算出轉速ω。使用懸臂梁壓力傳感器測量克服的阻力，結構示意圖如圖4所示。通過懸臂梁壓力傳感器可計算出金屬從動飛輪與永磁鐵間的磁場力，該磁場力可近似等于健身車的阻力，而扭矩T則由阻力和力臂與傳動比乘積得到(力臂長度為0.147 m，傳動比為6.8)。進而測得系統的功率負荷。

圖4　結構示意圖

2.2.4阻力調控模塊設計

阻力調控模塊由力矩電機和角度電位器構成，實現阻力調節和功率控制。力矩電機具有轉速低、扭矩大、過載能力強、響應快等特點，角度電位器記錄了力矩電機轉動的范圍。

通過力矩電機控制磁鐵與飛輪間距離達到控制阻力的效果，調節速率通過MCU中PWM調節實現。角度電位器的作用在于實時記錄，反饋磁鐵和金屬飛輪之間的相對位置，以此作為阻力調節的依據。

該阻力調控模塊同時實現了恒功率控制，如5所示。測試過程中，需要保持要求的功率負荷即目標功率，并要求系統處于恒定負荷狀態。然而測試過程中難以保持蹬踏速率的穩定，功率負荷也隨著改變，難以保持功率的恒定。恒功率調節通過實時比較當前功率和目標功率，利用阻力調控模塊調節系統阻力，使運動負荷相對恒定的保持在目標功率范圍內以保證測試結果的準確性。

圖5　恒功率調節

2.3　軟件設計

軟件設計包括下位機和上位機設計，下位機設計使用硬件設計部分實現心率、功率等數據采集，運動負荷的控制。上位機軟件采用基于Android的應用軟件，用于用戶信息管理，并且設計了心肺耐力測試方案，便于自主進行心肺耐力測試。

2.3.1下位機軟件設計

下位機軟件基于ARM架構的STM32F103系列處理器完成的，用于硬件部分所采集的心率，功率信號的處理計算并控制阻力調控模塊調節運動負荷。包括以下幾個方面：

① 系統功率測量。使用A/D采集模塊HX711獲得蹬踏阻力，利用MCU外部中斷捕獲磁控開關，測量轉速，進而得到克服系統所做功。

② 心率信號采集。經心率測量模塊得到一系列方波，對其進行濾波、預測等算法處理得到心率值，算法流程如圖6所示。

③ 恒功率控制。當測試過程中，出現蹬踏速率等因素造成功率不穩定導致測試結果誤差時，由圖5提供的恒功率調節，使運動負荷保持相對恒定。

④ 無線WIFI通信方式。本系統采用WIFI方式與Android上位機通信[11]。無線通信的過程中，上位機作為服務器端，下位機作為客戶端，與無線路由器組成局域網，并建立TCP連接。

圖6　心率信號處理

2.3.2上位機軟件設計

為了提供直觀的運動狀態監測信息，便捷的測試心肺耐力數據，面向使用人員的操作軟件必不可少，因此設計的上位機主要包括了用戶信息管理和測試方案設計。

(1)用戶信息管理

用戶信息管理模塊主要包括用戶的登錄/注冊、個人信息查詢、測試結果查詢。用戶初次使用時注冊個人賬戶并記錄用戶名、姓名、年齡、性別、體重等個人信息。用戶擁有個人賬戶，再次使用時進入個人數據管理，便于查看個人的測試數據，實現用戶對個人信息的管理。

(2)心肺耐力測試

根據上述二級心肺耐力測試方案，軟件設計部分將系統設定為兩級負荷阻力，預測受試者最大運動強度，并推算出最大攝氧量，并生成監測報表，測試方案流程如圖7所示。

圖7　心肺耐力測試流程

3　實驗驗證

為驗證本系統測試的準確性，對20名年齡在20～25歲間的測試者分別以本心肺耐力測試系統以及作為金標準的Monark功率自行車進行了心肺耐力測試，測試結果如表1、表2所列。

使用統計軟件SPSS進行數據分析，最大攝氧量值使用均值±標準差進行描述，使用皮爾森相關系數[12]驗證結果為r=0.938, 顯著性p<0.05。表明本系統所預測的最大攝氧量值同Monark功率車的預測值之間無顯著差異，相關性較高。同時繪制了本心肺耐力測試系統和Monark功率車測得最大攝氧量VO2max之間的Bland-Altman圖，如圖8所示，圖中表明，兩者差值落在95%的可接受的一致性界限內，測試結果一致性較強，從而驗證了該系統的準確性。

圖8　該系統與Monark測試VO2max Bland-Altman

編 號最大功率/Watt最大攝氧量/ml/(kg·min)本系統292.50±71.8949.91±7.77

表2　Monark功率車心肺耐力測試結果(mean±SD),N=20

結　語

本文開發出了一套適于大眾人群的心肺耐力測試系統。該系統具有功率測量功能，同時實現了功率負荷的控制與調節以及心率的測量，并融合了一種簡單、安全的心肺耐力測試方案，同時開發了基于交互性較好的安卓系統的應用軟件，提高了用戶的使用體驗,為用戶提供了簡單便捷、科學有效、運動風險低的心肺耐力檢測系統。

當然，該心肺耐力測試系統還有需要改進的地方，下步的研究中，將從以下兩方面優化：

① 提高心肺耐力測試的準確性,從硬件和算法上進行優化，提高心率和功率測量的準確性。

[1] 鄒遠強,鄭旗. 科學健身素養的相關研究述評[J].體育科技文獻通報,2013,21(5):131-132.

[2] 謝敏豪,李紅娟,王正珍,等. 心肺耐力:體質健康的核心要素——以美國有氧中心縱向研究為例[J].北京體育大學學報,2011,34(2):1-7.

[3] 王眾.評價20-39歲人群心肺耐力的功率車二級定量負荷方案的研制[D].北京：北京體育大學，2016.

[4] 董亞南,覃飛,瞿超藝,等. 最大攝氧量評定與應用的研究現狀與展望[J].中國運動醫學雜志，2017(8).

[5] Thompson P, Pescatello L, Pescatello L S, et al. ACSM's guidelines for exercise testing and prescription[J]. Physiotherapy, 2013, 12(4):311.

[6] 姜文凱. 用功率車間接測VO2max的可靠性及其在運動員選材中的應用[J]. 中國運動醫學雜志,1992(3):164-165.

[7] Glass S, Dwyer G B. ACSM'S metabolic calculations handbook /American College of Sports Medicine; editors Stephen Glass, Gregory B. Dwyer[M]. Philadelphia：Lippincott Williams & Wilkins, 2007.

[8] Ofusa Y, Golding L A. YMCA fitness testing and assessment manual[M]. USA: Human Kinetics, 2000.

[9] 張帷,張石,鮑喜榮,等. 心電信號預處理與心電信號分析[J]. 現代臨床醫學生物工程學雜志,2005(4):264-267.

[10] 李正軍, 李國強, 韓修恒. 健身器材手握式電子心率計的研制[C] //全國測控、計量、儀器儀表學術年會,2007.

[11] 梁霄霄,秦會斌. 基于STM32的WiFi局域控制模塊的實現[J]. 科技信息,2013(26):39-41.

[12] 張宇鐳,黨琰,賀平安.利用 Pearson 相關系數定量分析生物親緣關系[J].計算機工程與應用,2005(33):79-82.