低運動風(fēng)險的健身車心肺耐力測試系統(tǒng)*

，，，

(1.安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，合肥 230601；2.中科院合肥技術(shù)創(chuàng)新工程院；3.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所)

引　言

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

然而，當(dāng)前大眾健康領(lǐng)域心肺耐力測試并不普及，對其測試方法也知之甚少。專業(yè)領(lǐng)域的Monark功率自行車很好地實現(xiàn)了心肺耐力的測試，廣泛應(yīng)用于競技體育中，為運動員訓(xùn)練提供指導(dǎo)，同時在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，對病人的康復(fù)訓(xùn)練也有重要指導(dǎo)意義。但是，由于其復(fù)雜的測試方法，普通大眾缺乏專業(yè)人士的指導(dǎo)，存在較高的運動風(fēng)險。另外，其高昂的價格決定了其主要面向?qū)I(yè)領(lǐng)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(yōu)點，但不具備心肺耐力測試功能，缺乏科學(xué)性和有效性，因而并不能滿足科學(xué)健身運動的指導(dǎo)。因此，本文提出了一種操作簡便、科學(xué)有效的可面向大眾家庭的心肺耐力測試系統(tǒng)。

1　研究內(nèi)容

根據(jù)以上概述，本文所提出的心肺耐力測試系統(tǒng)，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(fù)荷間接測試方案，預(yù)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(shè)計，基于傳統(tǒng)健身車的改造，增加功率控制、測量以及心率監(jiān)測裝置,實現(xiàn)健身車阻力實時調(diào)控，功率測量和測量及受試者心率監(jiān)測。

③ 軟件設(shè)計，主要包括上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件，以及上下位機(jī)間的通信。其中下位機(jī)基于STM32的阻力與轉(zhuǎn)速的采集、功率的計算，心率的采集。上位機(jī)軟件主要包括基于Android系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計、測試數(shù)據(jù)顯示、用戶信息與測試記錄管理等。

2　方案設(shè)計

本系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的健身車車體進(jìn)行改造，增加功率計算裝置，實現(xiàn)對輸出功率的精確計算與調(diào)節(jié)，心率的實時監(jiān)控。系統(tǒng)采用二級負(fù)荷測試方案[3]，測試過程中記錄兩級負(fù)荷大小以及受試者每級負(fù)荷所對應(yīng)的心率。由美國運動醫(yī)學(xué)指南中提及的運動功率與心率間的線性關(guān)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(tǒng)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(shè)計，軟件部分為單片機(jī)的下位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)以及基于Android APP實現(xiàn)的心肺耐力測試方案。下面將對硬件與軟件部分做詳細(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險高、運動強(qiáng)度大，難以在大眾人群中普及，本系統(tǒng)采用了間接測量法來預(yù)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(jù)美國醫(yī)學(xué)運動指南ACSM提出的運動心率與運動負(fù)荷間具有線性關(guān)系的理論[4]，通過二級負(fù)荷測試[3]得到最大攝氧量。受試者在兩級負(fù)荷下使用本系統(tǒng)進(jìn)行測試，并記錄下兩級負(fù)荷下受試者的運動心率，得到圖1的線性關(guān)系。

圖1　運動負(fù)荷與心率線性關(guān)系

由心率——負(fù)荷這一線性關(guān)系可知，最大運動強(qiáng)度Pmax與最大心率HRmax呈現(xiàn)相同的線性關(guān)系，預(yù)測出受試者的最大運動強(qiáng)度Pmax如下：

(1)

HRmax=208-0.7×age

(2)

其中,HRmax最大心率可根據(jù)Tanaka所推測公式(2)得到。由下肢功率車的功率負(fù)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(yù)測出受試者的最大運動強(qiáng)度后，由式(3)可得到最大攝氧量VO2max的值。

根據(jù)上述測試原理，本方案設(shè)定了兩級不同功率大小的運動負(fù)荷，并分別記錄兩級負(fù)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(fù)荷Pmax，并預(yù)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(tǒng)采用的兩級測試法相較傳統(tǒng)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(zhǔn)確性的同時，降低了測試的運動風(fēng)險，實現(xiàn)了簡潔、有效、低風(fēng)險的心肺耐力測試。

2.2　硬件設(shè)計

2.2.1硬件總體設(shè)計

該測試系統(tǒng)硬件總體設(shè)計包括心率測量模塊、功率測量模塊、阻力調(diào)控模塊、WIFI通信模塊以及基于ARM架構(gòu)的STM32F103系列處理器。本系統(tǒng)電氣框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)電氣圖

2.2.2心率測量模塊設(shè)計

為獲取受試者心率，本系統(tǒng)還設(shè)計了心率測量裝置，主要包括心率信號的采集、MCU數(shù)據(jù)處理部分。

醫(yī)學(xué)研究表明，心臟在跳動前，心肌會產(chǎn)生興奮，在興奮的同時會產(chǎn)生微弱的電流，在體表上產(chǎn)生有規(guī)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(jù)美國心電學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)，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(jīng)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(tǒng)同時研發(fā)了Android APP操作軟件，軟件研發(fā)時兼?zhèn)淞斯怆娛叫穆释蟊頊y量心率，使用藍(lán)牙傳輸心率數(shù)據(jù)。

2.2.3功率測量模塊設(shè)計

該系統(tǒng)另一個重要的數(shù)據(jù)指標(biāo)功率負(fù)荷如下所示：

P=ω×T

(4)

其中ω為轉(zhuǎn)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(tǒng)中使用磁控開關(guān)來檢測速度，利用磁控開關(guān)內(nèi)部常開型干簧管接近磁鐵吸附導(dǎo)通的特性，計算出轉(zhuǎn)速ω。使用懸臂梁壓力傳感器測量克服的阻力，結(jié)構(gòu)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(jìn)而測得系統(tǒng)的功率負(fù)荷。

圖4　結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4阻力調(diào)控模塊設(shè)計

阻力調(diào)控模塊由力矩電機(jī)和角度電位器構(gòu)成，實現(xiàn)阻力調(diào)節(jié)和功率控制。力矩電機(jī)具有轉(zhuǎn)速低、扭矩大、過載能力強(qiáng)、響應(yīng)快等特點，角度電位器記錄了力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動的范圍。

通過力矩電機(jī)控制磁鐵與飛輪間距離達(dá)到控制阻力的效果，調(diào)節(jié)速率通過MCU中PWM調(diào)節(jié)實現(xiàn)。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(diào)節(jié)的依據(jù)。

該阻力調(diào)控模塊同時實現(xiàn)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(fù)荷即目標(biāo)功率，并要求系統(tǒng)處于恒定負(fù)荷狀態(tài)。然而測試過程中難以保持蹬踏速率的穩(wěn)定，功率負(fù)荷也隨著改變，難以保持功率的恒定。恒功率調(diào)節(jié)通過實時比較當(dāng)前功率和目標(biāo)功率，利用阻力調(diào)控模塊調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻力，使運動負(fù)荷相對恒定的保持在目標(biāo)功率范圍內(nèi)以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5　恒功率調(diào)節(jié)

2.3　軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括下位機(jī)和上位機(jī)設(shè)計，下位機(jī)設(shè)計使用硬件設(shè)計部分實現(xiàn)心率、功率等數(shù)據(jù)采集，運動負(fù)荷的控制。上位機(jī)軟件采用基于Android的應(yīng)用軟件，用于用戶信息管理，并且設(shè)計了心肺耐力測試方案，便于自主進(jìn)行心肺耐力測試。

2.3.1下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件基于ARM架構(gòu)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(diào)控模塊調(diào)節(jié)運動負(fù)荷。包括以下幾個方面：

① 系統(tǒng)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(guān)，測量轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得到克服系統(tǒng)所做功。

② 心率信號采集。經(jīng)心率測量模塊得到一系列方波，對其進(jìn)行濾波、預(yù)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(dāng)測試過程中，出現(xiàn)蹬踏速率等因素造成功率不穩(wěn)定導(dǎo)致測試結(jié)果誤差時，由圖5提供的恒功率調(diào)節(jié)，使運動負(fù)荷保持相對恒定。

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

圖6　心率信號處理

2.3.2上位機(jī)軟件設(shè)計

為了提供直觀的運動狀態(tài)監(jiān)測信息，便捷的測試心肺耐力數(shù)據(jù)，面向使用人員的操作軟件必不可少，因此設(shè)計的上位機(jī)主要包括了用戶信息管理和測試方案設(shè)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(jié)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(jìn)入個人數(shù)據(jù)管理，便于查看個人的測試數(shù)據(jù)，實現(xiàn)用戶對個人信息的管理。

(2)心肺耐力測試

根據(jù)上述二級心肺耐力測試方案，軟件設(shè)計部分將系統(tǒng)設(shè)定為兩級負(fù)荷阻力，預(yù)測受試者最大運動強(qiáng)度，并推算出最大攝氧量，并生成監(jiān)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(tǒng)測試的準(zhǔn)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(tǒng)以及作為金標(biāo)準(zhǔn)的Monark功率自行車進(jìn)行了心肺耐力測試，測試結(jié)果如表1、表2所列。

使用統(tǒng)計軟件SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最大攝氧量值使用均值±標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行描述，使用皮爾森相關(guān)系數(shù)[12]驗證結(jié)果為r=0.938, 顯著性p<0.05。表明本系統(tǒng)所預(yù)測的最大攝氧量值同Monark功率車的預(yù)測值之間無顯著差異，相關(guān)性較高。同時繪制了本心肺耐力測試系統(tǒng)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(nèi)，測試結(jié)果一致性較強(qiáng)，從而驗證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖8　該系統(tǒng)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(tǒng)292.50±71.8949.91±7.77

表2　Monark功率車心肺耐力測試結(jié)果(mean±SD),N=20

結(jié)　語

本文開發(fā)出了一套適于大眾人群的心肺耐力測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有功率測量功能，同時實現(xiàn)了功率負(fù)荷的控制與調(diào)節(jié)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(fā)了基于交互性較好的安卓系統(tǒng)的應(yīng)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(xué)有效、運動風(fēng)險低的心肺耐力檢測系統(tǒng)。

當(dāng)然，該心肺耐力測試系統(tǒng)還有需要改進(jìn)的地方，下步的研究中，將從以下兩方面優(yōu)化：

① 提高心肺耐力測試的準(zhǔn)確性,從硬件和算法上進(jìn)行優(yōu)化，提高心率和功率測量的準(zhǔn)確性。

[1] 鄒遠(yuǎn)強(qiáng),鄭旗. 科學(xué)健身素養(yǎng)的相關(guān)研究述評[J].體育科技文獻(xiàn)通報,2013,21(5):131-132.

[2] 謝敏豪,李紅娟,王正珍,等. 心肺耐力:體質(zhì)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(xué)學(xué)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(fù)荷方案的研制[D].北京：北京體育大學(xué)，2016.

[4] 董亞南,覃飛,瞿超藝,等. 最大攝氧量評定與應(yīng)用的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國運動醫(yī)學(xué)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(yīng)用[J]. 中國運動醫(yī)學(xué)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(yù)處理與心電信號分析[J]. 現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)生物工程學(xué)雜志,2005(4):264-267.

[10] 李正軍, 李國強(qiáng), 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(xué)術(shù)年會,2007.

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

[12] 張宇鐳,黨琰,賀平安.利用 Pearson 相關(guān)系數(shù)定量分析生物親緣關(guān)系[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2005(33):79-82.