一個肺活量檢測微信小程序的設(shè)計與實現(xiàn)

李傳雄　黃育姑　余遠波

關(guān)鍵詞：肺活量檢測；用力肺活量；最大攝氧量

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0037-03

1 引言

肺活量，是人體重要生命體征之一，是指最大吸氣后盡力呼氣的氣量，與性別、身高、體重、地域等指標相關(guān)并存在較大的個體差異。肺活量監(jiān)測是學(xué)生體質(zhì)測試的必測項目之一，通常需要用肺活量測試儀等電子儀器設(shè)備進行肺活量檢測，由于受限于檢測所需的電子儀器設(shè)備，不能隨時便捷地檢測了解自己的肺活量。智慧醫(yī)療研究建立在計算機科學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上，與其他學(xué)科融合發(fā)展是智慧醫(yī)療研究和發(fā)展的方向[1]，智能手機正在越來越多地應(yīng)用于管理人體健康數(shù)據(jù)，例如對生命體征數(shù)據(jù)的管理[2]、肺活量計的電子式檢測裝置及用手機軟件對檢測裝置的實時測試值進行調(diào)試和記憶[3]，使用微信小程序獲取某些傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)心電圖[4]信息管理等。近些年，有研究使用智能手機的攝像頭、麥克風(fēng)等傳感器進行呼氣時的氣流聲檢測并識別出某些疾病，例如通過智能手機攝像頭的肺活量測量[5]，麻省理工學(xué)院Auto-ID Labs研究小組研發(fā)了一個基于語音的新冠肺炎AI檢測工具[6]區(qū)分出用戶是否感染了COVID -19，基于特征級聯(lián)的肺炎咳嗽聲識別[7]，與專業(yè)的醫(yī)療檢查設(shè)備相比，使用智能手機進行檢測使用便捷、準確率也隨著算法改進而不斷提升。

本研究設(shè)計“肺”常測微信小程序，其核心功能是肺活量檢測，通過調(diào)用手機麥克風(fēng)獲取音頻進行頻譜分析計算出分貝值，通過模擬肺活量檢測指標FVC計算出用力肺活量、最大攝氧量以及在人群中的百分位，對人們尤其是大學(xué)生了解自身肺活量以及在人群中的肺活量水平提供便捷的檢測工具，另外提供人體肺部結(jié)構(gòu)虛擬展示等科普功能。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 設(shè)計目標

“肺”常測微信小程序，作為一款人體肺活量檢測與肺科普小程序，設(shè)計目標主要是：1） 肺活量檢測科學(xué)、準確性較高，便于用戶了解自身肺活量水平；2） 人機交互界面美觀、使用邏輯清晰。

2.2 技術(shù)框架

微信小程序依托微信生態(tài)，是一種連接用戶與服務(wù)的全新模式，其提供的豐富組件和API，使小程序的開發(fā)更加簡單、高效。該小程序的開發(fā)基于微信官方提供的MINA 框架，微信云開發(fā)數(shù)據(jù)庫、云存儲及WXS語言等微信小程序原生技術(shù)。

2.3 需求分析

精準的肺活量、最大攝氧量等肺功能檢測，應(yīng)到醫(yī)療機構(gòu)使用專業(yè)的檢測設(shè)備進行精準的檢測，本研究針對用戶使用智能手機麥克風(fēng)設(shè)備，開發(fā)肺活量檢測為核心功能的小程序，通過多次測量得出用戶肺活量在人群中的百分位，了解自身肺活量水平，以及了解人體肺部生理結(jié)構(gòu)和補肺良方這些需求。

用智能手機檢測肺活量，便捷性是其重要的特點，通過多次檢測了解自身肺活量在人群中的百分位，彌補檢測精準度不足的問題。

肺活量檢測為小程序，通過監(jiān)測用戶呼氣時智能手機的麥克風(fēng)檢測到氣流聲音分貝值計算出肺活量，據(jù)研究表明男大學(xué)生最大攝氧量與身高、體重等指標顯著相關(guān)[8]，并把身高、體重納入肺活量檢測指標進行最大攝氧量的計算。

核心用戶是近期需要準備檢測肺活量的大學(xué)生，可以自測了解自身肺活量水平、認識肺生理結(jié)構(gòu)，促進肺活量百分位較低的學(xué)生加強運動提高肺活量、增強體質(zhì)。

2.4 功能設(shè)計

“肺”常測微信小程序，主要功能包括：1） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，錄入登錄用戶的身高體重等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2） 肺活量檢測，監(jiān)測用戶在智能手機麥克風(fēng)附近持續(xù)吹氣時的聲音分貝并進行頻譜分析與計算；3） 最大攝氧量計算，對男性用戶依據(jù)肺活量和許文生氏公式計算體表面積推算最大攝氧量；4） 百分位計算，記錄并對用戶肺活量數(shù)據(jù)排序，統(tǒng)計得出個人最大肺活量的百分位；5） 肺生理結(jié)構(gòu)展示；6） 授權(quán)登錄、養(yǎng)肺經(jīng)典等功能。系統(tǒng)總體功能模塊，見圖1。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 算法設(shè)計

肺活量檢測算法是本系統(tǒng)的核心算法，算法流程圖見圖2，算法處理后的數(shù)據(jù)用于最大攝氧量和百分位的計算。

首先，數(shù)據(jù)初始化，獲取用戶輸入身高、體重，設(shè)定計時器變量count等各變量初始值。采集數(shù)據(jù)，用麥克風(fēng)錄音功能開始錄音并返回音頻二進制數(shù)組。

停止采集后，對音頻二進制數(shù)組計算，通過數(shù)組長度獲取數(shù)組數(shù)值累加和，計算音量力度公式得出音量力度強度，再計算出分貝值。

輸出結(jié)果，包括肺活量、最大攝氧量和百分位。

3.2 肺活量檢測功能實現(xiàn)

肺活量檢測功能的實現(xiàn)，主要使用微信小程序的錄音設(shè)備wx.getRecorderManager（）、RecorderManager.onFrameRecorded（）等API獲取麥克風(fēng)權(quán)限、錄音、頻譜分析，計算出分貝值、肺活量、最大攝氧量、百分位等。

1） 調(diào)用麥克風(fēng)音頻進行頻譜分析計算出分貝值

首先要申請調(diào)用麥克風(fēng)，獲取麥克風(fēng)權(quán)限組API。關(guān)鍵代碼如下：

this.rec = wx.getRecorderManager（）;

在獲取麥克風(fēng)權(quán)限組API后調(diào)用麥克風(fēng)錄音功能，通過調(diào)用函數(shù)wx.getRecorderManager（）和函數(shù)on?FrameRecorded（）獲取麥克風(fēng)音頻，開始錄音并返回音頻二進制數(shù)組對象frameBuffer。關(guān)鍵代碼如下：

3.3 功能介紹

用戶打開“肺”常測微信小程序，主要有首頁、檢測、我的、養(yǎng)護和挑戰(zhàn)，包括如下主要功能：1） 首頁瀏覽人體肺模型，見圖3，點擊肺模型的某個部位，可以打開肺部分區(qū)域結(jié)構(gòu)列表，見圖4，點擊列表中某項肺結(jié)構(gòu)可查看詳細結(jié)構(gòu)圖，見圖5；2） 肺活量檢測首頁，見圖6，授權(quán)登錄后點擊“開始”，可以設(shè)置“身高體重”，點擊開始檢測，然后檢測當(dāng)前肺活量、分貝值、最大攝氧量和持續(xù)吹氣的時間，見圖7，在距離麥克風(fēng)約3～5厘米持續(xù)呼氣，結(jié)束檢測后，把肺活量和最大攝氧量更新進云開發(fā)數(shù)據(jù)庫，對全體用戶的肺活量進行排序，可見到肺活量、最大攝氧量和百分位等檢測報告結(jié)果，見圖8，點擊查看更多詳細數(shù)據(jù)可查看詳細數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文主要介紹“肺”常測微信小程序的設(shè)計及實現(xiàn)，該小程序能為用戶提供便捷的肺活量自測，但是由于依據(jù)智能手機的麥克風(fēng)檢測用戶呼氣時的氣流聲音進行頻譜分析得出分貝值計算出肺活量，因此使用者在呼氣時距離麥克風(fēng)的距離、角度和環(huán)境噪音都對檢測結(jié)果均有影響，因此適用于通過多次或長期監(jiān)測了解自身肺活量水平，一定程度上促進用戶了解肺部健康與加強肺活量鍛煉。目前“肺常測”微信小程序已上線運營，下一步將對現(xiàn)有檢測算法檢測的結(jié)果與肺活量電子儀器檢測設(shè)備的檢測結(jié)果做對照實驗，并在此基礎(chǔ)上改進，例如采用年齡、性別、地域等更多肺活量相關(guān)指標，改進麥克風(fēng)聲音采樣分析智能算法，提高肺活量檢測準確率，提供更有效的肺活量檢測工具軟件。