低运动风险的健身车心肺耐力测试系统*

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(1.安徽大学电子信息工程学院，合肥 230601；2.中科院合肥技术创新工程院；3.中国科学院合肥智能机械研究所)

引　言

近年来，随着生活质量的提高，人们开始关注个人的运动健康。科学健身成为广大运动爱好者和研究人员关注的热点话题[1]，但对于大多数运动爱好者，运动仍然缺乏科学的指导，运动存在一定的盲目性。科学运动需要对自身的体能状况有所了解，以制定科学的健身指导。因此，心肺耐力功能也逐渐被大家认知，心肺耐力功能[2]泛指由循环系统通过肺呼吸和心脏活动推动血液循环,向机体输送氧气和营养物质的能力，它表征了人体持续身体活动的能力,被认为是体能健康评价指标体系中重要的指标之一。

然而，当前大众健康领域心肺耐力测试并不普及，对其测试方法也知之甚少。专业领域的Monark功率自行车很好地实现了心肺耐力的测试，广泛应用于竞技体育中，为运动员训练提供指导，同时在医疗康复领域，对病人的康复训练也有重要指导意义。但是，由于其复杂的测试方法，普通大众缺乏专业人士的指导，存在较高的运动风险。另外，其高昂的价格决定了其主要面向专业领域，难以在大众人群推广使用。而较常见的健身车虽然具有价格低廉、操作简单等优点，但不具备心肺耐力测试功能，缺乏科学性和有效性，因而并不能满足科学健身运动的指导。因此，本文提出了一种操作简便、科学有效的可面向大众家庭的心肺耐力测试系统。

1　研究内容

根据以上概述，本文所提出的心肺耐力测试系统，主要从以下三个方面展开研究：

① 心肺耐力测试方案，采用二级负荷间接测试方案，预测受试者的最大摄氧量值VO2max，评估测试者的心肺耐力水平。

② 硬件设计，基于传统健身车的改造，增加功率控制、测量以及心率监测装置,实现健身车阻力实时调控，功率测量和测量及受试者心率监测。

③ 软件设计，主要包括上位机软件与下位机软件，以及上下位机间的通信。其中下位机基于STM32的阻力与转速的采集、功率的计算，心率的采集。上位机软件主要包括基于Android系统的人机交互界面设计、测试数据显示、用户信息与测试记录管理等。

2　方案设计

本系统基于传统的健身车车体进行改造，增加功率计算装置，实现对输出功率的精确计算与调节，心率的实时监控。系统采用二级负荷测试方案[3]，测试过程中记录两级负荷大小以及受试者每级负荷所对应的心率。由美国运动医学指南中提及的运动功率与心率间的线性关系，以及运动功率与摄氧量间的代谢公式得到受试者的最大摄氧量VO2max[4]，以此评价测试者的心肺耐力水平[5]。

本系统主要包含硬件和软件两个部分，硬件部分主要包括各功能模块设计，软件部分为单片机的下位机程序实现以及基于Android APP实现的心肺耐力测试方案。下面将对硬件与软件部分做详细介绍。

2.1　心肺耐力测试方案

作为评估心肺耐力测试的重要标准之一——最大摄氧量VO2max，目前主要测量方法分为直接测量法与间接测量法，由于直接测量法运动风险高、运动强度大，难以在大众人群中普及，本系统采用了间接测量法来预测最大摄氧量VO2max[6]，评估测量者的心肺耐力水平。

本测试方案主要根据美国医学运动指南ACSM提出的运动心率与运动负荷间具有线性关系的理论[4]，通过二级负荷测试[3]得到最大摄氧量。受试者在两级负荷下使用本系统进行测试，并记录下两级负荷下受试者的运动心率，得到图1的线性关系。

图1　运动负荷与心率线性关系

由心率——负荷这一线性关系可知，最大运动强度Pmax与最大心率HRmax呈现相同的线性关系，预测出受试者的最大运动强度Pmax如下：

(1)

HRmax=208-0.7×age

(2)

其中,HRmax最大心率可根据Tanaka所推测公式(2)得到。由下肢功率车的功率负荷与摄氧量间存在的代谢公式如下：[7]

VO2=7.0+(10.8×功率)/体重

(3)

预测出受试者的最大运动强度后，由式(3)可得到最大摄氧量VO2max的值。

根据上述测试原理，本方案设定了两级不同功率大小的运动负荷，并分别记录两级负荷下受试者的心率，利用上述公式分别计算出最大心率HRmax、最大负荷Pmax，并预测出最大摄氧量值VO2max，同时使用ACSM运动指南给出的心肺功能评估参考表[8]，对测试者的心肺耐力做出评估。

该系统采用的两级测试法相较传统方法测试心肺耐力，避免了受试者的力竭测试等局限性[3]，在保证测试的准确性的同时，降低了测试的运动风险，实现了简洁、有效、低风险的心肺耐力测试。

2.2　硬件设计

2.2.1硬件总体设计

该测试系统硬件总体设计包括心率测量模块、功率测量模块、阻力调控模块、WIFI通信模块以及基于ARM架构的STM32F103系列处理器。本系统电气框图如图2所示。

图2　系统电气图

2.2.2心率测量模块设计

为获取受试者心率，本系统还设计了心率测量装置，主要包括心率信号的采集、MCU数据处理部分。

医学研究表明，心脏在跳动前，心肌会产生兴奋，在兴奋的同时会产生微弱的电流，在体表上产生有规律的电信号变化。心率采集部分使用金属手握电极采集接触部位的心电信号，然而心电信号非常微弱，根据美国心电学会的标准，心电信号的幅值范围在10 μv～4 mV之间，心电信号的频率较低，主频范围在0.05～100 Hz之间[9]。因此必须经过采集模块放大滤波，硬件处理电路包括放大器电路、滤波电路、R波的提取及整形电路[10]得到方波输出信号，如图3所示。此时使用MCU的脉冲捕获读取每个方波信号的周期即可计算出心率值的大小。

图3　心率采集框图

由于该系统同时研发了Android APP操作软件，软件研发时兼备了光电式心率腕表测量心率，使用蓝牙传输心率数据。

2.2.3功率测量模块设计

该系统另一个重要的数据指标功率负荷如下所示：

P=ω×T

(4)

其中ω为转速(rad/s)，T为扭矩(N·m)。因此，功率测量部分由测速传感器和压力传感器组成。

本系统中使用磁控开关来检测速度，利用磁控开关内部常开型干簧管接近磁铁吸附导通的特性，计算出转速ω。使用悬臂梁压力传感器测量克服的阻力，结构示意图如图4所示。通过悬臂梁压力传感器可计算出金属从动飞轮与永磁铁间的磁场力，该磁场力可近似等于健身车的阻力，而扭矩T则由阻力和力臂与传动比乘积得到(力臂长度为0.147 m，传动比为6.8)。进而测得系统的功率负荷。

图4　结构示意图

2.2.4阻力调控模块设计

阻力调控模块由力矩电机和角度电位器构成，实现阻力调节和功率控制。力矩电机具有转速低、扭矩大、过载能力强、响应快等特点，角度电位器记录了力矩电机转动的范围。

通过力矩电机控制磁铁与飞轮间距离达到控制阻力的效果，调节速率通过MCU中PWM调节实现。角度电位器的作用在于实时记录，反馈磁铁和金属飞轮之间的相对位置，以此作为阻力调节的依据。

该阻力调控模块同时实现了恒功率控制，如5所示。测试过程中，需要保持要求的功率负荷即目标功率，并要求系统处于恒定负荷状态。然而测试过程中难以保持蹬踏速率的稳定，功率负荷也随着改变，难以保持功率的恒定。恒功率调节通过实时比较当前功率和目标功率，利用阻力调控模块调节系统阻力，使运动负荷相对恒定的保持在目标功率范围内以保证测试结果的准确性。

图5　恒功率调节

2.3　软件设计

软件设计包括下位机和上位机设计，下位机设计使用硬件设计部分实现心率、功率等数据采集，运动负荷的控制。上位机软件采用基于Android的应用软件，用于用户信息管理，并且设计了心肺耐力测试方案，便于自主进行心肺耐力测试。

2.3.1下位机软件设计

下位机软件基于ARM架构的STM32F103系列处理器完成的，用于硬件部分所采集的心率，功率信号的处理计算并控制阻力调控模块调节运动负荷。包括以下几个方面：

① 系统功率测量。使用A/D采集模块HX711获得蹬踏阻力，利用MCU外部中断捕获磁控开关，测量转速，进而得到克服系统所做功。

② 心率信号采集。经心率测量模块得到一系列方波，对其进行滤波、预测等算法处理得到心率值，算法流程如图6所示。

③ 恒功率控制。当测试过程中，出现蹬踏速率等因素造成功率不稳定导致测试结果误差时，由图5提供的恒功率调节，使运动负荷保持相对恒定。

④ 无线WIFI通信方式。本系统采用WIFI方式与Android上位机通信[11]。无线通信的过程中，上位机作为服务器端，下位机作为客户端，与无线路由器组成局域网，并建立TCP连接。

图6　心率信号处理

2.3.2上位机软件设计

为了提供直观的运动状态监测信息，便捷的测试心肺耐力数据，面向使用人员的操作软件必不可少，因此设计的上位机主要包括了用户信息管理和测试方案设计。

(1)用户信息管理

用户信息管理模块主要包括用户的登录/注册、个人信息查询、测试结果查询。用户初次使用时注册个人账户并记录用户名、姓名、年龄、性别、体重等个人信息。用户拥有个人账户，再次使用时进入个人数据管理，便于查看个人的测试数据，实现用户对个人信息的管理。

(2)心肺耐力测试

根据上述二级心肺耐力测试方案，软件设计部分将系统设定为两级负荷阻力，预测受试者最大运动强度，并推算出最大摄氧量，并生成监测报表，测试方案流程如图7所示。

图7　心肺耐力测试流程

3　实验验证

为验证本系统测试的准确性，对20名年龄在20～25岁间的测试者分别以本心肺耐力测试系统以及作为金标准的Monark功率自行车进行了心肺耐力测试，测试结果如表1、表2所列。

使用统计软件SPSS进行数据分析，最大摄氧量值使用均值±标准差进行描述，使用皮尔森相关系数[12]验证结果为r=0.938, 显著性p<0.05。表明本系统所预测的最大摄氧量值同Monark功率车的预测值之间无显著差异，相关性较高。同时绘制了本心肺耐力测试系统和Monark功率车测得最大摄氧量VO2max之间的Bland-Altman图，如图8所示，图中表明，两者差值落在95%的可接受的一致性界限内，测试结果一致性较强，从而验证了该系统的准确性。

图8　该系统与Monark测试VO2max Bland-Altman

编 号最大功率/Watt最大摄氧量/ml/(kg·min)本系统292.50±71.8949.91±7.77

表2　Monark功率车心肺耐力测试结果(mean±SD),N=20

结　语

本文开发出了一套适于大众人群的心肺耐力测试系统。该系统具有功率测量功能，同时实现了功率负荷的控制与调节以及心率的测量，并融合了一种简单、安全的心肺耐力测试方案，同时开发了基于交互性较好的安卓系统的应用软件，提高了用户的使用体验,为用户提供了简单便捷、科学有效、运动风险低的心肺耐力检测系统。

当然，该心肺耐力测试系统还有需要改进的地方，下步的研究中，将从以下两方面优化：

① 提高心肺耐力测试的准确性,从硬件和算法上进行优化，提高心率和功率测量的准确性。

[1] 邹远强,郑旗. 科学健身素养的相关研究述评[J].体育科技文献通报,2013,21(5):131-132.

[2] 谢敏豪,李红娟,王正珍,等. 心肺耐力:体质健康的核心要素——以美国有氧中心纵向研究为例[J].北京体育大学学报,2011,34(2):1-7.

[3] 王众.评价20-39岁人群心肺耐力的功率车二级定量负荷方案的研制[D].北京：北京体育大学，2016.

[4] 董亚南,覃飞,瞿超艺,等. 最大摄氧量评定与应用的研究现状与展望[J].中国运动医学杂志，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] 姜文凯. 用功率车间接测VO2max的可靠性及其在运动员选材中的应用[J]. 中国运动医学杂志,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] 张帷,张石,鲍喜荣,等. 心电信号预处理与心电信号分析[J]. 现代临床医学生物工程学杂志,2005(4):264-267.

[10] 李正军, 李国强, 韩修恒. 健身器材手握式电子心率计的研制[C] //全国测控、计量、仪器仪表学术年会,2007.

[11] 梁霄霄,秦会斌. 基于STM32的WiFi局域控制模块的实现[J]. 科技信息,2013(26):39-41.

[12] 张宇镭,党琰,贺平安.利用 Pearson 相关系数定量分析生物亲缘关系[J].计算机工程与应用,2005(33):79-82.