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摘 要：医用运动平板是一种诊断冠心病的医疗器械，国内尚无检测其速度的装置。为此，根据浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》中提出的速度检测装置最大允许误差为±1.0%的要求。通过在运动平板表面粘贴白色色标，色标随跑步带经过两色标传感器，传感器的输出电平会发生跳变，单片机采集两次电平跳变的时间间隔来计算运动平板的速度；同时，该装置的调节机构能够调节两个传感器的高度和角度以满足不同高度和角度的运动平板。实验结果表明：该装置能够在不拆卸运动平板的前提下，实现对医用运动平板的速度检测，且装置的准确度达0.80%，符合运动平板速度检测装置的技术指标要求。
关键词：医学计量；速度检测；医用运动平板；色标传感器
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0073-04
0 引 言
随着物质水平的提高、生活节奏的加快以及体育运动时间的不足，冠心病已经成为当前威胁我国人民健康的主要疾病[1-3]。冠心病具有隐蔽性强的特点，在发病前无明显症状，易被忽视，必须通过“心电图运动试验”来诊断，它通过调节平板运动速度来增加心脏负荷，诱发心肌缺血，从而出现缺血性心电图改变的试验[4-6]。因此，医用运动平板速度的准确性将直接关系到“心电图运动试验”过程中运动量设定的准确性，影响诊断结果的可靠性和可信度，从而导致误诊、漏诊，甚至造成错误治疗和延误病情。同时，“心电图运动试验”过程中由于个体存在差异，每个人在试验过程中的安全速度不同。速度的检测，可以提高设定安全速度的准确性，从而保证试验过程中受试者的安全。
目前，对于医用运动平板的运动速度检测尚为空白，但对跑步机速度的测量已取得了一些成果。2013年，陈志华等[7]采用编码器对跑步机速度进行测量。同年，西安奥赛福科技有限公司李卫红等[8]通过测量滚轴转速来对跑步机速度进行测量。但现有方法都必须对跑步机进行拆卸，不符合医用运动平板速度检测的要求。本文根据浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》[9]，在不拆卸运动平板的前提下，研制了一种高准确度医用运动平板速度检测装置。
1 医用运动平板速度检测原理
通过色标传感器和白色色标来对医用运动平板速度进行检测，色标传感器型号为LX-111，该型号的传感器可以检测到与背景色仅有细微差别的色标，因此通过在医用运动平板跑步带表面粘贴与跑步带色差大的白色色标，可提高检测精度。当传感器未扫描到色标时，输出高电平信号；当传感器扫描到色标时，输出低电平信号[10-11]。因此，当传感器从跑步带扫描至色标时，产生下降沿；当传感器从色标扫描至跑步带时，产生上升沿。单片机捕获到传感器1输出的下降沿时，开始计时，捕获到传感器2输出的下降沿时，停止计时。由式（1）可得色标的运动速度，即医用运动平板的运动速度[12]
2 医用运动平板速度检测装置的实现
如图1所示，通过一对色标传感器识别跑步带上白色色标来检测运动平板的速度，两色标传感器安装在固定间距的悬臂上，色标随跑步带匀速运动，依次通过两色标传感器，通过测量两次下降沿的时间差计算运动平板的速度，实现对医用运动平板速度的检测。
2.1 电路设计
色标传感器输出的高电平信号为12 V，低电平信号为0 V，而选用的MSP430F149单片机能够捕获的高电平信号为3.3 V，低电平信号为0 V。因此，本文设计了如图2所示的传感器信号转换电路，对色标传感器输出的电平信号进行转换，保证输出高电平为3.3 V，低电平为0 V，可被MSP430F149单片机捕获。
2.2 机械设计
通过滚珠丝杆和直线导轨对两传感器的高度进行精密调节，以满足跑步台高度不同的医用运动平板。设计有弧形槽，配合偏心锁紧装置和螺栓轴承进行角度调节，保证两色标传感器所在的直线与跑步带表面保持平行。装置机械结构如图3所示。
3 实验设计与数据分析
3.1 检测装置相对误差测量
医用运动平板速度检测装置的相对误差无法直接测量，因此，需通过对长度和时间两个分量的测量，实现对医用运动平板速度检测装置相对误差的测量。选用SIERRA5型跑步机作为运动设备，跑步带表面贴白色标签，逐一通过两个色标传感器。长度测量选用Ⅱ级标准钢卷尺，时间测量选用DS4052型示波器，对两个传感器光斑间的距离进行了10次测量取平均值，数据如表1所示，得到两光斑之间的距离，即两色标传感器间的距离为485.1 mm。
依次设定跑步机速度范围从1.0～15.0 km/h，步进为1.0 km/h，每个速度点用示波器采集两色标传感器产生的下降沿波形，由两次下降沿的时间差及两色标传感器间距计算得到跑步机速度的真实值，由医用运动平板速度检测装置显示的速度测得值，可以得到检测装置的相对误差，实验数据如表2所示。
由表中实验数据可知，本文设计的医用运动平板速度检测装置的最大相对误差为0.80%。
3.2 检测装置线性度测量
利用表2中的速度真实值和速度测量值对本文设计的速度检测装置进行线性度测量，取两点（x0，y0）=（1.033，1.041），（x1，y1）=（15.215，15.335）进行直线拟合
将跑步机速度的所有真实值X={x0，x1，…，x14}代入直线拟合函数（3），得到拟合直线的输出值如表3所示，Y={1.041，2.088，…，15.337}，速度测得值与拟合直线间的最大偏差ΔYmax=-0.003 km/h，代入线性度计算公式（4），经计算可得速度检测装置的线性度为0.02%
3.3 检测装置重复性测量
同样利用跑步机作为运动设备，速度设定为5.0， 10.0，15.0 km/h，对速度检测装置做重复性实验。将表4中数据通过式（5）进行运算，可得3个特定速度点的重复性误差。
检测装置的线性度误差和重复性误差均属于微小误差，可不考虑其影响，因此，本文设计的速度检测装置的精度，即最大相对误差0.8%。
3.4 医用运动平板速度检测实验
用本文设计的医用运动平板速度检测装置对GE CASE PREMIUM型医用运动平板的速度进行检测。根据浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》，分别对5.0，10.0，15.0 km/h
3个速度值进行测量。医用运动平板设定速度先从低速加到高速，每个速度值各检测5次，然后从高速减到低速，每个速度值再各检测5次，对5次实测值取平均值作为速度的测得值，并根据运动平板速度设定值，计算得到运动平板速度的相对误差，实验数据如表5所示。
由表中实验数据可知，本文测试的医用运动平板最大误差为-2.31%，达到了浙江省医用运动平板校准规范中提出的指标：医用运动平板速度最大允许误差为±5%。
3.5 医用运动平板速度检测稳定性实验
利用本文设计的速度检测装置对不同角度下的医用运动平板速度进行测量，来评价装置测量的稳定性。调整运动平板角度到0°、5°和10°，分别测量5.0，10.0，15.0 km/h 3个速度点10次求平均值，数据如表6所示。
可得3个速度点在不同角度下最大示值误差分别为2.93%，1.59%和1.26%，均达到了浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》中规定的医用运动平板速度的最大允许误差为±5%的要求。通过式（7）计算可得最大稳定性误差为0.27%，表明本文设计的速度检测装置的测量稳定性较好。
4 结束语
医用运动平板是诊断冠心病的一种重要医疗器械，医用运动平板速度的准确性可以保证冠心病诊断的准确性。本课题结合浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》，设计了医用运动平板速度检测装置。通过对速度检测装置进行准确度评价，结合实验数据可知，本文设计的医用运动平板速度检测装置的准确度为0.80%，达到了速度检测装置的技术指标。同时，利用本文设计的速度检测装置对医用运动平板速度进行检测，稳定性较好。因此，该技术实现了医用运动平板速度的检测，也为冠心病的患者的治疗提供了保障。
参考文献
[1] 甘文奇. 冠心病危险因素的非药物治疗[J]. 国外医学（老年医学分册），2001（3）：103-105.
[2] 林娟. 八段锦对冠心病稳定型劳累性心绞痛患者康复效果的研究[D]. 南京：南京中医药大学，2012.
[3] LIU Y， YIN H J， CHEN K J. Research on the correlation between platelet gelsolin and blood-stasis syndrome of coronary heart disease[J]. Chinese Journal of Integrative Medicine，2011（8）：587-592.
[4] 赵欣.心电图运动负荷试验的临床研究[J]. 现代养生，2014（4）：73.
[5] 侯艳杰. 运动平板试验与动态心电图在老年冠心病诊断中的价值[J]. 中国老年学杂志，2013（7）：1508-1509.
[6] AIJAZ B， BABUIN L， SQUIRES R W， et al. Long-term mortality with multiple treadmill exercise test abnormalities： Comparison between patients with and without cardiovascular disease[J]. American Heart Journal，2008，
156（4）：783-789.
[7] 陈志华，赵禹，陆娇.跑步机测速装置.201320705729[P]. 2013.
[8] 李卫红. 一种跑步机测速装置.201320725514.4[P].2013.
[9] 运动平板分析仪校准规范：JJF 1104—2014[S]. 北京：中国质检出版社，2014.
[10] 王良，李鸿. 色标传感器工作原理初探[J]. 中国井矿盐，2008（6）：28-30.
[11] 杨青艳. 光电色标传感器的研究与应用[J]. 中国包装工业，2013（10）：84.
[12] 关贞珍，杨润泽，舒鑫，等. 高速运动目标速度测量系统[J].国外电子测量技术，2006（10）：14-16.
[13] 张剑锋，倪文波. 车辆冲击试验速度测量装置[J]. 中国测试，2011，38（1）：52-55.
[14] 费业泰. 误差理论与数据处理[M]. 6版. 北京：机械工业出版社，2010：76.
（编辑：刘杨）
关键词：医学计量；速度检测；医用运动平板；色标传感器
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0073-04
0 引 言
随着物质水平的提高、生活节奏的加快以及体育运动时间的不足，冠心病已经成为当前威胁我国人民健康的主要疾病[1-3]。冠心病具有隐蔽性强的特点，在发病前无明显症状，易被忽视，必须通过“心电图运动试验”来诊断，它通过调节平板运动速度来增加心脏负荷，诱发心肌缺血，从而出现缺血性心电图改变的试验[4-6]。因此，医用运动平板速度的准确性将直接关系到“心电图运动试验”过程中运动量设定的准确性，影响诊断结果的可靠性和可信度，从而导致误诊、漏诊，甚至造成错误治疗和延误病情。同时，“心电图运动试验”过程中由于个体存在差异，每个人在试验过程中的安全速度不同。速度的检测，可以提高设定安全速度的准确性，从而保证试验过程中受试者的安全。
目前，对于医用运动平板的运动速度检测尚为空白，但对跑步机速度的测量已取得了一些成果。2013年，陈志华等[7]采用编码器对跑步机速度进行测量。同年，西安奥赛福科技有限公司李卫红等[8]通过测量滚轴转速来对跑步机速度进行测量。但现有方法都必须对跑步机进行拆卸，不符合医用运动平板速度检测的要求。本文根据浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》[9]，在不拆卸运动平板的前提下，研制了一种高准确度医用运动平板速度检测装置。
1 医用运动平板速度检测原理
通过色标传感器和白色色标来对医用运动平板速度进行检测，色标传感器型号为LX-111，该型号的传感器可以检测到与背景色仅有细微差别的色标，因此通过在医用运动平板跑步带表面粘贴与跑步带色差大的白色色标，可提高检测精度。当传感器未扫描到色标时，输出高电平信号；当传感器扫描到色标时，输出低电平信号[10-11]。因此，当传感器从跑步带扫描至色标时，产生下降沿；当传感器从色标扫描至跑步带时，产生上升沿。单片机捕获到传感器1输出的下降沿时，开始计时，捕获到传感器2输出的下降沿时，停止计时。由式（1）可得色标的运动速度，即医用运动平板的运动速度[12]
2 医用运动平板速度检测装置的实现
如图1所示，通过一对色标传感器识别跑步带上白色色标来检测运动平板的速度，两色标传感器安装在固定间距的悬臂上，色标随跑步带匀速运动，依次通过两色标传感器，通过测量两次下降沿的时间差计算运动平板的速度，实现对医用运动平板速度的检测。
2.1 电路设计
色标传感器输出的高电平信号为12 V，低电平信号为0 V，而选用的MSP430F149单片机能够捕获的高电平信号为3.3 V，低电平信号为0 V。因此，本文设计了如图2所示的传感器信号转换电路，对色标传感器输出的电平信号进行转换，保证输出高电平为3.3 V，低电平为0 V，可被MSP430F149单片机捕获。
2.2 机械设计
通过滚珠丝杆和直线导轨对两传感器的高度进行精密调节，以满足跑步台高度不同的医用运动平板。设计有弧形槽，配合偏心锁紧装置和螺栓轴承进行角度调节，保证两色标传感器所在的直线与跑步带表面保持平行。装置机械结构如图3所示。
3 实验设计与数据分析
3.1 检测装置相对误差测量
医用运动平板速度检测装置的相对误差无法直接测量，因此，需通过对长度和时间两个分量的测量，实现对医用运动平板速度检测装置相对误差的测量。选用SIERRA5型跑步机作为运动设备，跑步带表面贴白色标签，逐一通过两个色标传感器。长度测量选用Ⅱ级标准钢卷尺，时间测量选用DS4052型示波器，对两个传感器光斑间的距离进行了10次测量取平均值，数据如表1所示，得到两光斑之间的距离，即两色标传感器间的距离为485.1 mm。
依次设定跑步机速度范围从1.0～15.0 km/h，步进为1.0 km/h，每个速度点用示波器采集两色标传感器产生的下降沿波形，由两次下降沿的时间差及两色标传感器间距计算得到跑步机速度的真实值，由医用运动平板速度检测装置显示的速度测得值，可以得到检测装置的相对误差，实验数据如表2所示。
由表中实验数据可知，本文设计的医用运动平板速度检测装置的最大相对误差为0.80%。
3.2 检测装置线性度测量
利用表2中的速度真实值和速度测量值对本文设计的速度检测装置进行线性度测量，取两点（x0，y0）=（1.033，1.041），（x1，y1）=（15.215，15.335）进行直线拟合
将跑步机速度的所有真实值X={x0，x1，…，x14}代入直线拟合函数（3），得到拟合直线的输出值如表3所示，Y={1.041，2.088，…，15.337}，速度测得值与拟合直线间的最大偏差ΔYmax=-0.003 km/h，代入线性度计算公式（4），经计算可得速度检测装置的线性度为0.02%
3.3 检测装置重复性测量
同样利用跑步机作为运动设备，速度设定为5.0， 10.0，15.0 km/h，对速度检测装置做重复性实验。将表4中数据通过式（5）进行运算，可得3个特定速度点的重复性误差。
检测装置的线性度误差和重复性误差均属于微小误差，可不考虑其影响，因此，本文设计的速度检测装置的精度，即最大相对误差0.8%。
3.4 医用运动平板速度检测实验
用本文设计的医用运动平板速度检测装置对GE CASE PREMIUM型医用运动平板的速度进行检测。根据浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》，分别对5.0，10.0，15.0 km/h
3个速度值进行测量。医用运动平板设定速度先从低速加到高速，每个速度值各检测5次，然后从高速减到低速，每个速度值再各检测5次，对5次实测值取平均值作为速度的测得值，并根据运动平板速度设定值，计算得到运动平板速度的相对误差，实验数据如表5所示。
由表中实验数据可知，本文测试的医用运动平板最大误差为-2.31%，达到了浙江省医用运动平板校准规范中提出的指标：医用运动平板速度最大允许误差为±5%。
3.5 医用运动平板速度检测稳定性实验
利用本文设计的速度检测装置对不同角度下的医用运动平板速度进行测量，来评价装置测量的稳定性。调整运动平板角度到0°、5°和10°，分别测量5.0，10.0，15.0 km/h 3个速度点10次求平均值，数据如表6所示。
可得3个速度点在不同角度下最大示值误差分别为2.93%，1.59%和1.26%，均达到了浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》中规定的医用运动平板速度的最大允许误差为±5%的要求。通过式（7）计算可得最大稳定性误差为0.27%，表明本文设计的速度检测装置的测量稳定性较好。
4 结束语
医用运动平板是诊断冠心病的一种重要医疗器械，医用运动平板速度的准确性可以保证冠心病诊断的准确性。本课题结合浙江省地方技术法规JJF 1104——2014《运动平板分析仪校准规范》，设计了医用运动平板速度检测装置。通过对速度检测装置进行准确度评价，结合实验数据可知，本文设计的医用运动平板速度检测装置的准确度为0.80%，达到了速度检测装置的技术指标。同时，利用本文设计的速度检测装置对医用运动平板速度进行检测，稳定性较好。因此，该技术实现了医用运动平板速度的检测，也为冠心病的患者的治疗提供了保障。
参考文献
[1] 甘文奇. 冠心病危险因素的非药物治疗[J]. 国外医学（老年医学分册），2001（3）：103-105.
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[4] 赵欣.心电图运动负荷试验的临床研究[J]. 现代养生，2014（4）：73.
[5] 侯艳杰. 运动平板试验与动态心电图在老年冠心病诊断中的价值[J]. 中国老年学杂志，2013（7）：1508-1509.
[6] AIJAZ B， BABUIN L， SQUIRES R W， et al. Long-term mortality with multiple treadmill exercise test abnormalities： Comparison between patients with and without cardiovascular disease[J]. American Heart Journal，2008，
156（4）：783-789.
[7] 陈志华，赵禹，陆娇.跑步机测速装置.201320705729[P]. 2013.
[8] 李卫红. 一种跑步机测速装置.201320725514.4[P].2013.
[9] 运动平板分析仪校准规范：JJF 1104—2014[S]. 北京：中国质检出版社，2014.
[10] 王良，李鸿. 色标传感器工作原理初探[J]. 中国井矿盐，2008（6）：28-30.
[11] 杨青艳. 光电色标传感器的研究与应用[J]. 中国包装工业，2013（10）：84.
[12] 关贞珍，杨润泽，舒鑫，等. 高速运动目标速度测量系统[J].国外电子测量技术，2006（10）：14-16.
[13] 张剑锋，倪文波. 车辆冲击试验速度测量装置[J]. 中国测试，2011，38（1）：52-55.
[14] 费业泰. 误差理论与数据处理[M]. 6版. 北京：机械工业出版社，2010：76.
（编辑：刘杨）