肺活量計(jì)的電子式檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與模擬研究*

胡振禹，王 鵬，劉寶亮

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州350007）

在我國(guó)的學(xué)生體質(zhì)監(jiān)測(cè)中,肺活量是必測(cè)項(xiàng)目之一。尤其是國(guó)家體育總局提出全民健身計(jì)劃以后，以及教育部關(guān)于《國(guó)家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》試行方案出臺(tái)以來(lái)，全國(guó)大面積的學(xué)生體質(zhì)測(cè)試已全面展開(kāi)，再加上全民健身計(jì)劃的全面推行，市場(chǎng)上對(duì)肺活量計(jì)的需求也急劇增長(zhǎng)。由于進(jìn)行肺活量測(cè)試時(shí)，需使用者使用漏斗式吹嘴向測(cè)試的儀器用力呼氣，而目前市面上的電子式肺活量測(cè)試計(jì)，由于采用的電子感應(yīng)器的原理不同、生產(chǎn)商不同，即使同一品牌同一型號(hào)的肺活量計(jì)，使用幾個(gè)月后，因?yàn)殡娮恿悴考匣⑼饬φ饎?dòng)使感應(yīng)器的敏感性能降低等原因，導(dǎo)致同一個(gè)人使用不同的肺活量計(jì)測(cè)試時(shí)，采集的肺活量數(shù)值有幾百毫升的偏差。如果在沒(méi)有對(duì)肺活量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)操作的情況下，檢測(cè)者直接進(jìn)行肺活量檢測(cè)，可能會(huì)導(dǎo)致肺活量測(cè)試數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，無(wú)法準(zhǔn)確地反映肺功能狀態(tài)。為克服上述問(wèn)題，本研究提供了一種肺活量計(jì)的檢測(cè)裝置及其使用方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)肺活量計(jì)進(jìn)行有效的檢測(cè)校準(zhǔn)，來(lái)克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。大量新型電子肺活量計(jì)出現(xiàn)了良莠不齊的現(xiàn)實(shí)狀況，需要我們推出一種適合市場(chǎng)需求，檢測(cè)精準(zhǔn)、簡(jiǎn)單便攜、性能優(yōu)良的產(chǎn)品檢測(cè)裝置。

1 肺活量計(jì)檢測(cè)裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)與使用說(shuō)明

1.1 設(shè)計(jì)方案

本肺活量計(jì)的檢測(cè)裝置整體架構(gòu)主要由以下幾部分組成（如圖1所示）：包括透明儲(chǔ)氣筒和推桿，推桿貫穿于透明儲(chǔ)氣筒內(nèi)部，且推桿前端設(shè)置有用在透明儲(chǔ)氣筒內(nèi)腔左右滑動(dòng)的活塞；透明儲(chǔ)氣筒左端面設(shè)置有出氣管，透明儲(chǔ)氣筒的容量為500ml-5000ml，出氣管的外周側(cè)表面設(shè)置有外螺紋，出氣管的末端螺旋套設(shè)有用于連接肺活量計(jì)進(jìn)氣口的出氣嘴，出氣嘴內(nèi)周側(cè)表面設(shè)置有與外螺紋相配合的內(nèi)螺紋，出氣管的外周側(cè)表面有用于密封出氣嘴和出氣管之間縫隙的第一密封圈；透明儲(chǔ)氣筒外筒壁上設(shè)有刻度條；透明儲(chǔ)氣筒右端設(shè)置有推氣裝置，推氣裝置包括一盒體，推桿外周側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有外螺紋；盒體的內(nèi)左側(cè)面中部設(shè)置有第一軸承，盒體內(nèi)右側(cè)面中部設(shè)置有第二軸承，盒體內(nèi)設(shè)置有一蝸輪，推桿依次穿過(guò)第一軸承、蝸輪和第二軸承延伸至盒體外部；盒體上表面開(kāi)設(shè)有一開(kāi)口，開(kāi)口一端鉸接設(shè)置有顯示屏，以利于顯示屏可折疊設(shè)置于開(kāi)口內(nèi)。

圖1 整體架構(gòu)示意圖

所述盒體內(nèi)右上角設(shè)置有電機(jī)，電機(jī)的輸出軸與蝸輪嚙合，盒體內(nèi)左側(cè)面上設(shè)置有第三軸承，電機(jī)的輸出軸末端設(shè)置于第三軸承內(nèi)圈；盒體內(nèi)下側(cè)面設(shè)置有電路板和為電路板供電的蓄電池，蓄電池位于盒體內(nèi)右下角，蓄電池下方設(shè)置有為蓄電池充電的充電口，電路板上設(shè)置有MCU，MCU連接有電機(jī)、充放電電路、顯示屏驅(qū)動(dòng)電路和無(wú)線通信模塊，電路原理圖如圖2所示。

肺活量計(jì)的檢測(cè)裝置出氣嘴為套筒，套筒內(nèi)開(kāi)設(shè)有用于插入肺活量計(jì)進(jìn)氣管的出氣口，套筒內(nèi)周側(cè)表面設(shè)置有第二密封圈，且第二密封圈設(shè)置于出氣口處。出氣嘴的設(shè)計(jì)由右至左口徑縮小形成漏斗狀，以利于出氣嘴插入肺活量計(jì)的進(jìn)氣管中。在透明儲(chǔ)氣筒下方設(shè)置有扶手，扶手上端為開(kāi)口向上的半弧形，透明儲(chǔ)氣筒架設(shè)在扶手上端的半弧形內(nèi)。根據(jù)市面上大多數(shù)電子肺活量計(jì)的容量，將透明儲(chǔ)氣筒的容量設(shè)定為500ml-5000ml。

1.2 工作原理

首先，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)蝸輪，蝸輪帶動(dòng)推桿向右移動(dòng)，將氣體充入透明出氣筒中；關(guān)閉電機(jī)后，工作人員通過(guò)觀看顯示屏顯示的數(shù)量，來(lái)確認(rèn)充入氣體的量，工作人員記錄該數(shù)值為Q1；將出氣嘴與肺活量計(jì)的出氣管進(jìn)氣口連接，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)蝸輪，蝸輪帶動(dòng)推桿向左移動(dòng)，將氣體充入肺活量計(jì)中；氣體全部充入肺活量計(jì)后，關(guān)閉電機(jī)，工作人員將肺活量計(jì)所顯示的數(shù)值記作Q2；將Q1和Q2的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，若Q1=Q2，判斷該肺活量計(jì)合格。

1.3 使用說(shuō)明

該檢測(cè)裝置的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，且步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與氣筒容量值對(duì)應(yīng)；顯示屏的背面設(shè)置有一攝像頭，攝像頭與MCU連接；檢測(cè)裝置與設(shè)置于用戶手機(jī)上的APP相匹配，APP具備自動(dòng)檢測(cè)模式，具體使用方法如下：

步驟S01：打開(kāi)APP,提示輸入測(cè)試人員身份信息，在輸入結(jié)束后，提示采集測(cè)試人員頭像信息，APP則自動(dòng)打開(kāi)手機(jī)的前置攝像頭對(duì)測(cè)試人員進(jìn)行拍照。

步驟S02：在APP上設(shè)置測(cè)試值。

步驟S03：APP根據(jù)測(cè)試值通過(guò)手機(jī)發(fā)送指令給無(wú)線通信模塊；無(wú)線通信模塊將收到的指令傳輸給MCU，MCU則控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，讓推桿將對(duì)應(yīng)的氣體推入被測(cè)試的肺活量計(jì)。

步驟S04：攝像頭采集被測(cè)試的肺活量計(jì)當(dāng)前的顯示數(shù)值以及活塞所處的位置，并傳輸給APP。

步驟S05：APP收到圖片信息后，進(jìn)行分析處理，獲取顯示數(shù)值、透明儲(chǔ)氣筒與設(shè)置值進(jìn)行比較，從而判斷該肺活量計(jì)是否合格。

其中，在步驟S02中，APP上應(yīng)標(biāo)定多個(gè)氣體量測(cè)試值；每個(gè)測(cè)試值都依據(jù)步驟S03-步驟S05進(jìn)行。

2 具體實(shí)施步驟分析

如圖1所示，肺活量計(jì)的電子式檢測(cè)裝置的具體實(shí)施步驟如下：透明儲(chǔ)氣筒1和推桿2，推桿2貫穿于透明儲(chǔ)氣筒1內(nèi)部，且推桿2前端設(shè)置有用于在透明儲(chǔ)氣筒1內(nèi)腔左右滑動(dòng)的活塞3，使得通過(guò)活塞3的滑動(dòng)方向可進(jìn)行判斷充入氣體和放出氣體；透明儲(chǔ)氣筒1左端面設(shè)置有出氣管11，用于進(jìn)氣和出氣，出氣管11的外周側(cè)表面設(shè)置有外螺紋，出氣管11的末端螺旋套設(shè)有用于連接肺活量計(jì)進(jìn)氣口的出氣嘴4，出氣嘴4內(nèi)周側(cè)表面設(shè)置有與外螺紋相配合的內(nèi)螺紋，使得出氣嘴4能夠通過(guò)螺旋固定在出氣管11的末端；出氣管11的外周側(cè)表面有用于密封出氣嘴4和出氣管11之間縫隙的第一密封圈12，使得氣體不會(huì)漏出；透明儲(chǔ)氣筒1外筒壁上設(shè)有刻度條13，使得工作人員可通過(guò)活塞3所在的刻度條13位置來(lái)判斷氣體量；透明儲(chǔ)氣筒1右端設(shè)置有推氣裝置5，推氣裝置5包括一盒體51，用于將氣體推入肺活量計(jì)內(nèi)，推桿2外周側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有外螺紋21；盒體51的內(nèi)左側(cè)面中部設(shè)置有第一軸承52（外圈固定，內(nèi)圈可轉(zhuǎn)動(dòng)），盒體51內(nèi)右側(cè)面中部設(shè)置有第二軸承53（外圈固定，內(nèi)圈可轉(zhuǎn)動(dòng)），盒體51內(nèi)設(shè)置有一蝸輪54，推桿2依次穿過(guò)第一軸承52、蝸輪54和第二軸承53延伸至盒體51外部，使得推桿2可在蝸輪54的帶動(dòng)下，在第一軸承52和第二軸承53內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)，將氣體輸送至肺活量計(jì)內(nèi)；盒體51上表面開(kāi)設(shè)有一開(kāi)口55，開(kāi)口55一端鉸接設(shè)置有顯示屏56，以利于顯示屏56可折疊設(shè)置于開(kāi)口55內(nèi)，顯示屏56可以顯示透明儲(chǔ)氣筒1內(nèi)氣體量；盒體51內(nèi)右上角設(shè)置有電機(jī)57，電機(jī)57的輸出軸58與蝸輪54嚙合，使得通過(guò)電機(jī)57的正轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)，電機(jī)57的輸出軸58就會(huì)帶動(dòng)蝸輪54轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪54就會(huì)帶動(dòng)推桿2向左移動(dòng)或向右移動(dòng)；盒體51內(nèi)左側(cè)面上設(shè)置有第三軸承59，電機(jī)57的輸出軸58末端設(shè)置于第三軸承59（外圈固定，內(nèi)圈可轉(zhuǎn)動(dòng)）內(nèi)圈；盒體51內(nèi)下側(cè)面設(shè)置有電路板6和為電路板6供電的蓄電池7，蓄電池7位于盒體51內(nèi)右下角，蓄電池7下方設(shè)置有為蓄電池7充電的充電口，電路板6上設(shè)置有MCU，MCU連接有電機(jī)、充放電電路、顯示屏驅(qū)動(dòng)電路和無(wú)線通信模塊。盒體51下表面固定設(shè)置有一手握扶手8。使得在使用該檢測(cè)裝置時(shí)，使用人員的手可握在手握扶手8上，能夠更好的穩(wěn)定裝置進(jìn)行檢測(cè)。

3 檢測(cè)儀模擬測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)

模擬測(cè)試方法：通過(guò)簡(jiǎn)易套件組裝的氣容量可設(shè)置為1500ml（檢1）和3000ml（檢2）規(guī)格的標(biāo)刻度充氣筒，實(shí)驗(yàn)采用人工手動(dòng)模式的慢速檔和快速檔兩檔勻速對(duì)肺活量計(jì)進(jìn)行充氣數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：如圖3所示，隨機(jī)抽取現(xiàn)用的不同品牌、不同型號(hào)、不同使用年限的肺活量測(cè)試儀分別編號(hào)①②③④⑤⑥，均為采用氣體壓力感應(yīng)氣流量的儀器。

實(shí)驗(yàn)方法：對(duì)每一臺(tái)肺活量測(cè)試儀分別進(jìn)行了慢速檔（15秒）檢1和快速檔（8秒）檢2的兩檔測(cè)試充氣，測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同檢測(cè)容量和檢測(cè)檔的6個(gè)肺活量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)

本文主要對(duì)肺活量?jī)x器進(jìn)行功能性的檢驗(yàn)，通過(guò)本設(shè)計(jì)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的肺活量測(cè)試儀器測(cè)試數(shù)據(jù)由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理不同、使用頻率、設(shè)備老化等原因存在較大差別。通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表2：通過(guò)設(shè)置的兩種不同容量1500ml和3000ml的氣容量檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)試的數(shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)試的測(cè)量數(shù)值都少于1500ml和3000ml，說(shuō)明在測(cè)試過(guò)程中部分氣體通過(guò)肺活量計(jì)時(shí)，因氣體壓力感應(yīng)器靈敏性或密封性等方面原因氣體有所消耗和泄露，總體數(shù)值都低于應(yīng)正常顯示的數(shù)據(jù)。1500ml容量的檢1檔和檢2檔，總體平均值為1436ml和1428ml，其1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)肺活量計(jì)數(shù)均值高于總體均值，4號(hào)、5號(hào)肺活量計(jì)數(shù)低于總體均值；3000ml容量的檢1檔和檢2檔，總體平均值為2866ml和2840ml，其1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)肺活量計(jì)數(shù)均值高于總體均值，2號(hào)肺活量計(jì)數(shù)據(jù)與均值相當(dāng)，4號(hào)、5號(hào)肺活量計(jì)數(shù)低于總體均值。其中3號(hào)肺活量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定與標(biāo)定氣體量相差不大，5號(hào)肺活量計(jì)在3000ml檢1檔時(shí)檢測(cè)均值為2611ml、在檢2檔時(shí)檢測(cè)的均值為2580ml，所顯示數(shù)據(jù)與測(cè)試檔位的氣體容量偏差近400ml。

表2 不同檢測(cè)容量和檢測(cè)檔的6個(gè)肺活量計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均值情況（N=72）

說(shuō)明通過(guò)本設(shè)計(jì)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)肺活量測(cè)試時(shí)因儀器的原因?qū)е碌牟杉瘮?shù)據(jù)的失真，能更客觀反映學(xué)生非機(jī)能身體素質(zhì)的情況，提高學(xué)生體質(zhì)健康監(jiān)測(cè)的有效性，真實(shí)反映學(xué)生的肺活功能情況。本檢測(cè)裝置僅可檢測(cè)肺活量計(jì)與標(biāo)定氣體量的偏差值，但是如何具體確定偏差值多大算合理誤差值還需要進(jìn)一步的研究和論證。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)肺活量計(jì)的電子式檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的肺活量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)采集及對(duì)比分析。本檢測(cè)裝置測(cè)量準(zhǔn)確性高、便攜性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能夠滿足市場(chǎng)對(duì)體質(zhì)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生等領(lǐng)域的需求，對(duì)肺活量測(cè)量?jī)x的檢測(cè)裝置進(jìn)行評(píng)估和使用，可以有效地檢測(cè)現(xiàn)有肺活量測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)采集時(shí)數(shù)據(jù)的有效性和真實(shí)性。為今后肺活量測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)方面的研發(fā)提供硬件支撐，進(jìn)一步為肺活量計(jì)儀器業(yè)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供產(chǎn)品依據(jù)。