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）

在我國的學(xué)生體質(zhì)監(jiān)測中,肺活量是必測項目之一。尤其是國家體育總局提出全民健身計劃以后，以及教育部關(guān)于《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》試行方案出臺以來，全國大面積的學(xué)生體質(zhì)測試已全面展開，再加上全民健身計劃的全面推行，市場上對肺活量計的需求也急劇增長。由于進(jìn)行肺活量測試時，需使用者使用漏斗式吹嘴向測試的儀器用力呼氣，而目前市面上的電子式肺活量測試計，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的肺活量計，使用幾個月后，因為電子零部件老化、外力震動使感應(yīng)器的敏感性能降低等原因，導(dǎo)致同一個人使用不同的肺活量計測試時，采集的肺活量數(shù)值有幾百毫升的偏差。如果在沒有對肺活量計進(jìn)行校準(zhǔn)操作的情況下，檢測者直接進(jìn)行肺活量檢測，可能會導(dǎo)致肺活量測試數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，無法準(zhǔn)確地反映肺功能狀態(tài)。為克服上述問題，本研究提供了一種肺活量計的檢測裝置及其使用方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對肺活量計進(jìn)行有效的檢測校準(zhǔn)，來克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。大量新型電子肺活量計出現(xiàn)了良莠不齊的現(xiàn)實狀況，需要我們推出一種適合市場需求，檢測精準(zhǔn)、簡單便攜、性能優(yōu)良的產(chǎn)品檢測裝置。

1 肺活量計檢測裝置的詳細(xì)設(shè)計與使用說明

1.1 設(shè)計方案

本肺活量計的檢測裝置整體架構(gòu)主要由以下幾部分組成（如圖1所示）：包括透明儲氣筒和推桿，推桿貫穿于透明儲氣筒內(nèi)部，且推桿前端設(shè)置有用在透明儲氣筒內(nèi)腔左右滑動的活塞；透明儲氣筒左端面設(shè)置有出氣管，透明儲氣筒的容量為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；透明儲氣筒外筒壁上設(shè)有刻度條；透明儲氣筒右端設(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，推桿依次穿過第一軸承、蝸輪和第二軸承延伸至盒體外部；盒體上表面開設(shè)有一開口，開口一端鉸接設(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，電機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、充放電電路、顯示屏驅(qū)動電路和無線通信模塊，電路原理圖如圖2所示。

肺活量計的檢測裝置出氣嘴為套筒，套筒內(nèi)開設(shè)有用于插入肺活量計進(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的進(jìn)氣管中。在透明儲氣筒下方設(shè)置有扶手，扶手上端為開口向上的半弧形，透明儲氣筒架設(shè)在扶手上端的半弧形內(nèi)。根據(jù)市面上大多數(shù)電子肺活量計的容量，將透明儲氣筒的容量設(shè)定為500ml-5000ml。

1.2 工作原理

首先，啟動電機，電機反轉(zhuǎn)，電機的輸出軸帶動蝸輪，蝸輪帶動推桿向右移動，將氣體充入透明出氣筒中；關(guān)閉電機后，工作人員通過觀看顯示屏顯示的數(shù)量，來確認(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的出氣管進(jìn)氣口連接，啟動電機，電機正轉(zhuǎn)，電機的輸出軸帶動蝸輪，蝸輪帶動推桿向左移動，將氣體充入肺活量計中；氣體全部充入肺活量計后，關(guān)閉電機，工作人員將肺活量計所顯示的數(shù)值記作Q2；將Q1和Q2的數(shù)值進(jìn)行比對，若Q1=Q2，判斷該肺活量計合格。

1.3 使用說明

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

步驟S01：打開APP,提示輸入測試人員身份信息，在輸入結(jié)束后，提示采集測試人員頭像信息，APP則自動打開手機的前置攝像頭對測試人員進(jìn)行拍照。

步驟S02：在APP上設(shè)置測試值。

步驟S03：APP根據(jù)測試值通過手機發(fā)送指令給無線通信模塊；無線通信模塊將收到的指令傳輸給MCU，MCU則控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，讓推桿將對應(yīng)的氣體推入被測試的肺活量計。

步驟S04：攝像頭采集被測試的肺活量計當(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、透明儲氣筒與設(shè)置值進(jìn)行比較，從而判斷該肺活量計是否合格。

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

2 具體實施步驟分析

如圖1所示，肺活量計的電子式檢測裝置的具體實施步驟如下：透明儲氣筒1和推桿2，推桿2貫穿于透明儲氣筒1內(nèi)部，且推桿2前端設(shè)置有用于在透明儲氣筒1內(nèi)腔左右滑動的活塞3，使得通過活塞3的滑動方向可進(jìn)行判斷充入氣體和放出氣體；透明儲氣筒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，使得氣體不會漏出；透明儲氣筒1外筒壁上設(shè)有刻度條13，使得工作人員可通過活塞3所在的刻度條13位置來判斷氣體量；透明儲氣筒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內(nèi)，推桿2外周側(cè)壁上開設(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），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），盒體51內(nèi)設(shè)置有一蝸輪54，推桿2依次穿過第一軸承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的帶動下，在第一軸承52和第二軸承53內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)左右移動，將氣體輸送至肺活量計內(nèi)；盒體51上表面開設(shè)有一開口55，開口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)置于開口55內(nèi)，顯示屏56可以顯示透明儲氣筒1內(nèi)氣體量；盒體51內(nèi)右上角設(shè)置有電機57，電機57的輸出軸58與蝸輪54嚙合，使得通過電機57的正轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)，電機57的輸出軸58就會帶動蝸輪54轉(zhuǎn)動，蝸輪54就會帶動推桿2向左移動或向右移動；盒體51內(nèi)左側(cè)面上設(shè)置有第三軸承59，電機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）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、充放電電路、顯示屏驅(qū)動電路和無線通信模塊。盒體51下表面固定設(shè)置有一手握扶手8。使得在使用該檢測裝置時，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。

3 檢測儀模擬測試對比實驗分析與評價

模擬測試方法：通過簡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，實驗采用人工手動模式的慢速檔和快速檔兩檔勻速對肺活量計進(jìn)行充氣數(shù)據(jù)采集。

實驗對象：如圖3所示，隨機抽取現(xiàn)用的不同品牌、不同型號、不同使用年限的肺活量測試儀分別編號①②③④⑤⑥，均為采用氣體壓力感應(yīng)氣流量的儀器。

實驗方法：對每一臺肺活量測試儀分別進(jìn)行了慢速檔（15秒）檢1和快速檔（8秒）檢2的兩檔測試充氣，測量結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同檢測容量和檢測檔的6個肺活量計測量數(shù)據(jù)

本文主要對肺活量儀器進(jìn)行功能性的檢驗，通過本設(shè)計產(chǎn)品實驗采集的數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的肺活量測試儀器測試數(shù)據(jù)由于產(chǎn)品設(shè)計原理不同、使用頻率、設(shè)備老化等原因存在較大差別。通過數(shù)理統(tǒng)計分析，見表2：通過設(shè)置的兩種不同容量1500ml和3000ml的氣容量檢測裝置進(jìn)行測試的數(shù)據(jù)，實際測試的測量數(shù)值都少于1500ml和3000ml，說明在測試過程中部分氣體通過肺活量計時，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、3號、6號肺活量計數(shù)均值高于總體均值，4號、5號肺活量計數(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、3號、6號肺活量計數(shù)均值高于總體均值，2號肺活量計數(shù)據(jù)與均值相當(dāng)，4號、5號肺活量計數(shù)低于總體均值。其中3號肺活量計測試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定與標(biāo)定氣體量相差不大，5號肺活量計在3000ml檢1檔時檢測均值為2611ml、在檢2檔時檢測的均值為2580ml，所顯示數(shù)據(jù)與測試檔位的氣體容量偏差近400ml。

表2 不同檢測容量和檢測檔的6個肺活量計數(shù)據(jù)統(tǒng)計平均值情況（N=72）

說明通過本設(shè)計可以及時發(fā)現(xiàn)肺活量測試時因儀器的原因?qū)е碌牟杉瘮?shù)據(jù)的失真，能更客觀反映學(xué)生非機能身體素質(zhì)的情況，提高學(xué)生體質(zhì)健康監(jiān)測的有效性，真實反映學(xué)生的肺活功能情況。本檢測裝置僅可檢測肺活量計與標(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

通過對肺活量計的電子式檢測裝置的設(shè)計，對市場上現(xiàn)有的肺活量計進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)采集及對比分析。本檢測裝置測量準(zhǔn)確性高、便攜性強、設(shè)計簡單，能夠滿足市場對體質(zhì)檢測、運動醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生等領(lǐng)域的需求，對肺活量測量儀的檢測裝置進(jìn)行評估和使用，可以有效地檢測現(xiàn)有肺活量測量儀數(shù)據(jù)采集時數(shù)據(jù)的有效性和真實性。為今后肺活量測量儀校準(zhǔn)方面的研發(fā)提供硬件支撐，進(jìn)一步為肺活量計儀器業(yè)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供產(chǎn)品依據(jù)。