李傳雄　黃育姑　余遠(yuǎn)波

關(guān)鍵詞：肺活量檢測(cè)；用力肺活量；最大攝氧量

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(biāo)相關(guān)并存在較大的個(gè)體差異。肺活量監(jiān)測(cè)是學(xué)生體質(zhì)測(cè)試的必測(cè)項(xiàng)目之一，通常需要用肺活量測(cè)試儀等電子儀器設(shè)備進(jìn)行肺活量檢測(cè)，由于受限于檢測(cè)所需的電子儀器設(shè)備，不能隨時(shí)便捷地檢測(cè)了解自己的肺活量。智慧醫(yī)療研究建立在計(jì)算機(jī)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(jī)正在越來越多地應(yīng)用于管理人體健康數(shù)據(jù)，例如對(duì)生命體征數(shù)據(jù)的管理[2]、肺活量計(jì)的電子式檢測(cè)裝置及用手機(jī)軟件對(duì)檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)測(cè)試值進(jìn)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(shí)現(xiàn)心電圖[4]信息管理等。近些年，有研究使用智能手機(jī)的攝像頭、麥克風(fēng)等傳感器進(jìn)行呼氣時(shí)的氣流聲檢測(cè)并識(shí)別出某些疾病，例如通過智能手機(jī)攝像頭的肺活量測(cè)量[5]，麻省理工學(xué)院Auto-ID Labs研究小組研發(fā)了一個(gè)基于語音的新冠肺炎AI檢測(cè)工具[6]區(qū)分出用戶是否感染了COVID -19，基于特征級(jí)聯(lián)的肺炎咳嗽聲識(shí)別[7]，與專業(yè)的醫(yī)療檢查設(shè)備相比，使用智能手機(jī)進(jìn)行檢測(cè)使用便捷、準(zhǔn)確率也隨著算法改進(jìn)而不斷提升。

本研究設(shè)計(jì)“肺”常測(cè)微信小程序，其核心功能是肺活量檢測(cè)，通過調(diào)用手機(jī)麥克風(fēng)獲取音頻進(jìn)行頻譜分析計(jì)算出分貝值，通過模擬肺活量檢測(cè)指標(biāo)FVC計(jì)算出用力肺活量、最大攝氧量以及在人群中的百分位，對(duì)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(cè)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(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

“肺”常測(cè)微信小程序，作為一款人體肺活量檢測(cè)與肺科普小程序，設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是：1） 肺活量檢測(cè)科學(xué)、準(zhǔn)確性較高，便于用戶了解自身肺活量水平；2） 人機(jī)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(jiǎn)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(kù)、云存儲(chǔ)及WXS語言等微信小程序原生技術(shù)。

2.3 需求分析

精準(zhǔn)的肺活量、最大攝氧量等肺功能檢測(cè)，應(yīng)到醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)，本研究針對(duì)用戶使用智能手機(jī)麥克風(fēng)設(shè)備，開發(fā)肺活量檢測(cè)為核心功能的小程序，通過多次測(cè)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(bǔ)肺良方這些需求。

用智能手機(jī)檢測(cè)肺活量，便捷性是其重要的特點(diǎn)，通過多次檢測(cè)了解自身肺活量在人群中的百分位，彌補(bǔ)檢測(cè)精準(zhǔn)度不足的問題。

肺活量檢測(cè)為小程序，通過監(jiān)測(cè)用戶呼氣時(shí)智能手機(jī)的麥克風(fēng)檢測(cè)到氣流聲音分貝值計(jì)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(biāo)顯著相關(guān)[8]，并把身高、體重納入肺活量檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行最大攝氧量的計(jì)算。

核心用戶是近期需要準(zhǔn)備檢測(cè)肺活量的大學(xué)生，可以自測(cè)了解自身肺活量水平、認(rèn)識(shí)肺生理結(jié)構(gòu)，促進(jìn)肺活量百分位較低的學(xué)生加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)提高肺活量、增強(qiáng)體質(zhì)。

2.4 功能設(shè)計(jì)

“肺”常測(cè)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(cè)，監(jiān)測(cè)用戶在智能手機(jī)麥克風(fēng)附近持續(xù)吹氣時(shí)的聲音分貝并進(jìn)行頻譜分析與計(jì)算；3） 最大攝氧量計(jì)算，對(duì)男性用戶依據(jù)肺活量和許文生氏公式計(jì)算體表面積推算最大攝氧量；4） 百分位計(jì)算，記錄并對(duì)用戶肺活量數(shù)據(jù)排序，統(tǒng)計(jì)得出個(gè)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(shí)現(xiàn)

3.1 算法設(shè)計(jì)

肺活量檢測(cè)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(jì)算。

首先，數(shù)據(jù)初始化，獲取用戶輸入身高、體重，設(shè)定計(jì)時(shí)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(jìn)制數(shù)組。

停止采集后，對(duì)音頻二進(jìn)制數(shù)組計(jì)算，通過數(shù)組長(zhǎng)度獲取數(shù)組數(shù)值累加和，計(jì)算音量力度公式得出音量力度強(qiáng)度，再計(jì)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(cè)功能實(shí)現(xiàn)

肺活量檢測(cè)功能的實(shí)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(jì)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(jìn)行頻譜分析計(jì)算出分貝值

首先要申請(qǐng)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(jìn)制數(shù)組對(duì)象frameBuffer。關(guān)鍵代碼如下：

3.3 功能介紹

用戶打開“肺”常測(cè)微信小程序，主要有首頁、檢測(cè)、我的、養(yǎng)護(hù)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(diǎn)擊肺模型的某個(gè)部位，可以打開肺部分區(qū)域結(jié)構(gòu)列表，見圖4，點(diǎn)擊列表中某項(xiàng)肺結(jié)構(gòu)可查看詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖，見圖5；2） 肺活量檢測(cè)首頁，見圖6，授權(quán)登錄后點(diǎn)擊“開始”，可以設(shè)置“身高體重”，點(diǎn)擊開始檢測(cè)，然后檢測(cè)當(dāng)前肺活量、分貝值、最大攝氧量和持續(xù)吹氣的時(shí)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(cè)后，把肺活量和最大攝氧量更新進(jìn)云開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)全體用戶的肺活量進(jìn)行排序，可見到肺活量、最大攝氧量和百分位等檢測(cè)報(bào)告結(jié)果，見圖8，點(diǎn)擊查看更多詳細(xì)數(shù)據(jù)可查看詳細(xì)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

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