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头罩式人体代谢测试系统的设计①

2018-12-27,

关键词:头罩热法受试者

,

(安徽新华学院,安徽 合肥 230000)

0 引 言

临床营养支持与科学指导能够提供能量平衡和营养平衡[1]。人体能量代谢测试方法主要有直接测热法和间接测热法[2]。直接测热法由于测试环境的特殊性,受到限制,应用较少。间接测热法根据人体呼吸气体和代谢气体的关系测量人体的能量代谢情况[3]。

该人体营养代谢测试系统就是根据间接测热法原理所研制的成果,它能够有效测量人体营养代谢情况,从而科学有效的指导人体营养摄入与健康运动。间接测热法主要经历了三个主要阶段,第一阶段为经典的“道格拉斯气袋法(Douglas bag)”,将人体一段时间内呼吸的气体收集在大容积的袋子中进行测量,测量结果准确,为代谢测试的“金标准”,但是操作过程极其复杂。第二阶段为“混合气袋法”(Mixing-bag),计算机可以在测试的过程中对气体进行分析,实现了气体代谢测试质的飞跃。第三阶段为“每口气测试法”,提高了混合气袋法动态性能,实现了实时测量。头罩式人体代谢测试系统基于“每口气测试法”,具有测量简便、稳定性好、准确性高等优点[4]。

1 系统测试原理

头罩式人体代谢测试系统在测试的过程中,受试者平躺在测量床上,头部位于头罩中,头罩含有一个进气端和一个出气端,进气端直接和空气相通,出气端通过连接管道和测试装置相连。测量原理如图1所示,进气端气体流速为VI;FIO2为进入头罩气体的O2浓度,即空气中O2浓度;FICO2分别为进入头罩的CO2浓度即空气中CO2浓度;VE为出气端气体流速,即气体通过管道中的流速;FEO2和FECO2头罩中流出气体的O2浓度;FECO2头罩中流出气体的CO2浓度;FIN2为流入头罩N2浓度;FEN2流出头罩的N2浓度。

图1 测量原理图

能量代谢参数计算公式如下:

摄氧量:

VO2=[(VI×FIO2)-(VE×FEO2)]dt;

二氧化碳产生量:

VCO2=[(VE×FECO2)-(VI×FICO2)]dt;

由氮平衡原理

联合以上式子,可得:

VCO2=[(VE×(FECO2-×FICO2)]dt

利用Weir公式,得到基础代谢率和能量代谢相关参数,从而评估人体能量代谢情况[5]。

图2 系统结构图

图3 电路结构图

2 系统设计

头罩式人体代谢测试系统结构设计如图2所示,包括温湿度传感器、气压传感器、抽气泵、混合室、气体过滤器、标定气罐、电磁阀、稳压阀、稳流阀、分流阀、缓冲室、采样泵、O2传感器、CO2传感器。标定气罐用于标定气体,稳流阀用于稳定气流。抽气泵将空气抽入头罩,气体在混合室中混合均匀后通过气体传感器,O2传感器、CO2传感器测量出O2和CO2的浓度,气压传感器测量出气体流速。

头罩式人体代谢测试系统电路结构图如图3所示,主要包括供电模块、数据采集模块、电机控制模块等。供电模块负责对温湿度传感器、气压传感器、抽气泵、电磁阀、采样泵、O2传感器、CO2传感器提供稳定的电压。数据采集模块用于湿度传感器、气压传感器、O2传感器、CO2传感器采集气体温湿度、气压、浓度等参数。电机控制模块用于控制电机转速。

图4 软件流程图

图5 抽气速度调节流程图

图6 测试系统实物图

头罩式人体代谢测试系统软件图如图4所示,主要完成上下位的通信,对信号进行预处理,获取环境参数以及每口气的气体浓度、气体流速并对稳定程度进行判断,若达到标准计算混合室内O2浓度和CO2浓度,从而得到REE(静息能量消耗)和RQ(呼吸熵)等参数并生成报表。

以前的头罩式人体代谢测试系统往往都是设置一个恒定的抽气速度,然而随着人体的体重、身高、身体状态的不同,往往难以有一个合适的抽气标准,造成受试者体验度差,影响测量的准确度。系统的抽气速度调节流程图如图5所示,通过检测头罩内的CO2浓度值,完成对抽气速度的自适应调节。可以有效改善受试者体验度,提高测量的准确度。

3 实验验证及分析

头罩式人体代谢测试系统实物图如图6所示,在实验中选取30位受试者作为测试样本。受试者样本信息如表1所示。测试环境参数如下:室内温度为24℃,湿度为40%-60%,室内噪声≤30db,受试者在进食2h之后。

表1 受试者样本信息表

3.1 系统的稳定性验证

通过头罩式人体代谢测试系统和VO2000测试系统对受试者能力代谢相关参数VO2、VCO2和RE进行重复测试,结果显著相关:头罩式人体代谢测试系统(VO2:r=0.94,VCO2:r=0.93,REE:r=0.94;p<0.001);VO2000 (VO2:r=0.91,VCO2:r=0.89,REE:r=0.92;p<0.001)。如表2和表3所示,头罩式人体代谢测试系统和VO2000各自的两次重复性测试相关参数差异性也并不明显。两种测试系统的VO2、VCO2、RQ和REE的变异系数为:头罩式人体代谢测试系统(VO2: 6.1%,VCO2: 7.8%,RQ:6.8%,REE: 5.7%);VO2000(VO2: 9.8%,VCO2: 12.5%,RQ: 7.1%,REE: 9.6%)。

表2 本系统和VO2000测量参数对比

表3 平均值差异和变异系数

3.2 系统的准确性验证

通过对上述两种系统平均值的对比,可以得出头罩式人体代谢测试系统仪器测量得出的主要参数与VO2000的测量参数显著相关:VO2(r=0.92,p<0.001)、VCO2(r=0.91,p<0.001)、REE(r=0.92,p<0.001)。用Bland-Altman对测量数据进行评价,得到主要参数平均差异如图7所示:VO2(10.6ml/min,6.23%)、VCO2(8.7ml/min,4.98%)、RQ(-0.003,0.495%)、REE(79.8Kcal/day,5.91%)。

图7 头罩式人体代谢测试系统和VO2000测量的参数平均值

4 结 语

通过基于间接测热法,设计了这种头罩式人体代谢测试系统,可以测量人体的O2、CO2、REE、RQ等能量代谢参数,并设计实验验证了本系统的稳定性和准确性,通过和进口仪器VO2000进行了对比,发现两种一起测试结果一致性好,从而得到本系统稳定性好、准确性高。

然而系统测试样本有限,下一步需要提高测试样本的数量以及样本范围来作进一步验证。在进行对比实验时可以和作为“金标准”的“道格拉斯气袋法”进行对比,能更好的的验证其结果的准确性。

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