肺活量计的电子式检测装置设计与模拟研究*

胡振禹，王 鹏，刘宝亮

（福建船政交通职业学院，福建 福州350007）

在我国的学生体质监测中,肺活量是必测项目之一。尤其是国家体育总局提出全民健身计划以后，以及教育部关于《国家学生体质健康标准》试行方案出台以来，全国大面积的学生体质测试已全面展开，再加上全民健身计划的全面推行，市场上对肺活量计的需求也急剧增长。由于进行肺活量测试时，需使用者使用漏斗式吹嘴向测试的仪器用力呼气，而目前市面上的电子式肺活量测试计，由于采用的电子感应器的原理不同、生产商不同，即使同一品牌同一型号的肺活量计，使用几个月后，因为电子零部件老化、外力震动使感应器的敏感性能降低等原因，导致同一个人使用不同的肺活量计测试时，采集的肺活量数值有几百毫升的偏差。如果在没有对肺活量计进行校准操作的情况下，检测者直接进行肺活量检测，可能会导致肺活量测试数据的不准确，无法准确地反映肺功能状态。为克服上述问题，本研究提供了一种肺活量计的检测装置及其使用方法，能够实现对肺活量计进行有效的检测校准，来克服现有技术的不足。大量新型电子肺活量计出现了良莠不齐的现实状况，需要我们推出一种适合市场需求，检测精准、简单便携、性能优良的产品检测装置。

1 肺活量计检测装置的详细设计与使用说明

1.1 设计方案

本肺活量计的检测装置整体架构主要由以下几部分组成（如图1所示）：包括透明储气筒和推杆，推杆贯穿于透明储气筒内部，且推杆前端设置有用在透明储气筒内腔左右滑动的活塞；透明储气筒左端面设置有出气管，透明储气筒的容量为500ml-5000ml，出气管的外周侧表面设置有外螺纹，出气管的末端螺旋套设有用于连接肺活量计进气口的出气嘴，出气嘴内周侧表面设置有与外螺纹相配合的内螺纹，出气管的外周侧表面有用于密封出气嘴和出气管之间缝隙的第一密封圈；透明储气筒外筒壁上设有刻度条；透明储气筒右端设置有推气装置，推气装置包括一盒体，推杆外周侧壁上开设有外螺纹；盒体的内左侧面中部设置有第一轴承，盒体内右侧面中部设置有第二轴承，盒体内设置有一蜗轮，推杆依次穿过第一轴承、蜗轮和第二轴承延伸至盒体外部；盒体上表面开设有一开口，开口一端铰接设置有显示屏，以利于显示屏可折叠设置于开口内。

图1 整体架构示意图

所述盒体内右上角设置有电机，电机的输出轴与蜗轮啮合，盒体内左侧面上设置有第三轴承，电机的输出轴末端设置于第三轴承内圈；盒体内下侧面设置有电路板和为电路板供电的蓄电池，蓄电池位于盒体内右下角，蓄电池下方设置有为蓄电池充电的充电口，电路板上设置有MCU，MCU连接有电机、充放电电路、显示屏驱动电路和无线通信模块，电路原理图如图2所示。

肺活量计的检测装置出气嘴为套筒，套筒内开设有用于插入肺活量计进气管的出气口，套筒内周侧表面设置有第二密封圈，且第二密封圈设置于出气口处。出气嘴的设计由右至左口径缩小形成漏斗状，以利于出气嘴插入肺活量计的进气管中。在透明储气筒下方设置有扶手，扶手上端为开口向上的半弧形，透明储气筒架设在扶手上端的半弧形内。根据市面上大多数电子肺活量计的容量，将透明储气筒的容量设定为500ml-5000ml。

1.2 工作原理

首先，启动电机，电机反转，电机的输出轴带动蜗轮，蜗轮带动推杆向右移动，将气体充入透明出气筒中；关闭电机后，工作人员通过观看显示屏显示的数量，来确认充入气体的量，工作人员记录该数值为Q1；将出气嘴与肺活量计的出气管进气口连接，启动电机，电机正转，电机的输出轴带动蜗轮，蜗轮带动推杆向左移动，将气体充入肺活量计中；气体全部充入肺活量计后，关闭电机，工作人员将肺活量计所显示的数值记作Q2；将Q1和Q2的数值进行比对，若Q1=Q2，判断该肺活量计合格。

1.3 使用说明

该检测装置的电机为步进电机，且步进电机的转动圈数与气筒容量值对应；显示屏的背面设置有一摄像头，摄像头与MCU连接；检测装置与设置于用户手机上的APP相匹配，APP具备自动检测模式，具体使用方法如下：

步骤S01：打开APP,提示输入测试人员身份信息，在输入结束后，提示采集测试人员头像信息，APP则自动打开手机的前置摄像头对测试人员进行拍照。

步骤S02：在APP上设置测试值。

步骤S03：APP根据测试值通过手机发送指令给无线通信模块；无线通信模块将收到的指令传输给MCU，MCU则控制步进电机转动，让推杆将对应的气体推入被测试的肺活量计。

步骤S04：摄像头采集被测试的肺活量计当前的显示数值以及活塞所处的位置，并传输给APP。

步骤S05：APP收到图片信息后，进行分析处理，获取显示数值、透明储气筒与设置值进行比较，从而判断该肺活量计是否合格。

其中，在步骤S02中，APP上应标定多个气体量测试值；每个测试值都依据步骤S03-步骤S05进行。

2 具体实施步骤分析

如图1所示，肺活量计的电子式检测装置的具体实施步骤如下：透明储气筒1和推杆2，推杆2贯穿于透明储气筒1内部，且推杆2前端设置有用于在透明储气筒1内腔左右滑动的活塞3，使得通过活塞3的滑动方向可进行判断充入气体和放出气体；透明储气筒1左端面设置有出气管11，用于进气和出气，出气管11的外周侧表面设置有外螺纹，出气管11的末端螺旋套设有用于连接肺活量计进气口的出气嘴4，出气嘴4内周侧表面设置有与外螺纹相配合的内螺纹，使得出气嘴4能够通过螺旋固定在出气管11的末端；出气管11的外周侧表面有用于密封出气嘴4和出气管11之间缝隙的第一密封圈12，使得气体不会漏出；透明储气筒1外筒壁上设有刻度条13，使得工作人员可通过活塞3所在的刻度条13位置来判断气体量；透明储气筒1右端设置有推气装置5，推气装置5包括一盒体51，用于将气体推入肺活量计内，推杆2外周侧壁上开设有外螺纹21；盒体51的内左侧面中部设置有第一轴承52（外圈固定，内圈可转动），盒体51内右侧面中部设置有第二轴承53（外圈固定，内圈可转动），盒体51内设置有一蜗轮54，推杆2依次穿过第一轴承52、蜗轮54和第二轴承53延伸至盒体51外部，使得推杆2可在蜗轮54的带动下，在第一轴承52和第二轴承53内圈转动，来实现左右移动，将气体输送至肺活量计内；盒体51上表面开设有一开口55，开口55一端铰接设置有显示屏56，以利于显示屏56可折叠设置于开口55内，显示屏56可以显示透明储气筒1内气体量；盒体51内右上角设置有电机57，电机57的输出轴58与蜗轮54啮合，使得通过电机57的正转或翻转，电机57的输出轴58就会带动蜗轮54转动，蜗轮54就会带动推杆2向左移动或向右移动；盒体51内左侧面上设置有第三轴承59，电机57的输出轴58末端设置于第三轴承59（外圈固定，内圈可转动）内圈；盒体51内下侧面设置有电路板6和为电路板6供电的蓄电池7，蓄电池7位于盒体51内右下角，蓄电池7下方设置有为蓄电池7充电的充电口，电路板6上设置有MCU，MCU连接有电机、充放电电路、显示屏驱动电路和无线通信模块。盒体51下表面固定设置有一手握扶手8。使得在使用该检测装置时，使用人员的手可握在手握扶手8上，能够更好的稳定装置进行检测。

3 检测仪模拟测试对比实验分析与评价

模拟测试方法：通过简易套件组装的气容量可设置为1500ml（检1）和3000ml（检2）规格的标刻度充气筒，实验采用人工手动模式的慢速档和快速档两档匀速对肺活量计进行充气数据采集。

实验对象：如图3所示，随机抽取现用的不同品牌、不同型号、不同使用年限的肺活量测试仪分别编号①②③④⑤⑥，均为采用气体压力感应气流量的仪器。

实验方法：对每一台肺活量测试仪分别进行了慢速档（15秒）检1和快速档（8秒）检2的两档测试充气，测量结果数据见表1。

表1 不同检测容量和检测档的6个肺活量计测量数据

本文主要对肺活量仪器进行功能性的检验，通过本设计产品实验采集的数据对比分析，发现现有的肺活量测试仪器测试数据由于产品设计原理不同、使用频率、设备老化等原因存在较大差别。通过数理统计分析，见表2：通过设置的两种不同容量1500ml和3000ml的气容量检测装置进行测试的数据，实际测试的测量数值都少于1500ml和3000ml，说明在测试过程中部分气体通过肺活量计时，因气体压力感应器灵敏性或密封性等方面原因气体有所消耗和泄露，总体数值都低于应正常显示的数据。1500ml容量的检1档和检2档，总体平均值为1436ml和1428ml，其1号、3号、6号肺活量计数均值高于总体均值，4号、5号肺活量计数低于总体均值；3000ml容量的检1档和检2档，总体平均值为2866ml和2840ml，其1号、3号、6号肺活量计数均值高于总体均值，2号肺活量计数据与均值相当，4号、5号肺活量计数低于总体均值。其中3号肺活量计测试数据较为稳定与标定气体量相差不大，5号肺活量计在3000ml检1档时检测均值为2611ml、在检2档时检测的均值为2580ml，所显示数据与测试档位的气体容量偏差近400ml。

表2 不同检测容量和检测档的6个肺活量计数据统计平均值情况（N=72）

说明通过本设计可以及时发现肺活量测试时因仪器的原因导致的采集数据的失真，能更客观反映学生非机能身体素质的情况，提高学生体质健康监测的有效性，真实反映学生的肺活功能情况。本检测装置仅可检测肺活量计与标定气体量的偏差值，但是如何具体确定偏差值多大算合理误差值还需要进一步的研究和论证。

4 结论

通过对肺活量计的电子式检测装置的设计，对市场上现有的肺活量计进行检测数据采集及对比分析。本检测装置测量准确性高、便携性强、设计简单，能够满足市场对体质检测、运动医学、卫生等领域的需求，对肺活量测量仪的检测装置进行评估和使用，可以有效地检测现有肺活量测量仪数据采集时数据的有效性和真实性。为今后肺活量测量仪校准方面的研发提供硬件支撑，进一步为肺活量计仪器业制定行业标准提供产品依据。