基于微型混合室的氣體代謝測(cè)試系統(tǒng)

余洪龍，王恩亮，劉毅強(qiáng)，金　建

（安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，安徽 合肥 230088）

基于微型混合室的氣體代謝測(cè)試系統(tǒng)

余洪龍，王恩亮，劉毅強(qiáng)，金建

（安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，安徽 合肥 230088）

氣體代謝檢測(cè)結(jié)果對(duì)臨床營(yíng)養(yǎng)方案的設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值。對(duì)氣體代謝測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了初步探討，根據(jù)基于微型混合室的氣體代謝測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了對(duì)呼出氣體等比例取樣的新方法。通過(guò)對(duì)高速脈沖電磁閥閥門的控制來(lái)達(dá)到精確的等比例取樣，從而準(zhǔn)確獲取呼出氣體中氧氣和二氧化碳平均濃度的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效地提高了氣體濃度測(cè)量的精度。

代謝測(cè)試；混合室；氣體取樣；電磁閥；等比例

氣體代謝測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)間接測(cè)熱法來(lái)測(cè)定機(jī)體靜息能量消耗，通過(guò)耗氧量和二氧化碳產(chǎn)生量來(lái)測(cè)算機(jī)體能量消耗［1-3］。目前，氣體代謝技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于慢性病與危重病的治療中，并且已經(jīng)從最原始的閉合模式發(fā)展到現(xiàn)在的開放模式。閉合模式的典型方法有Douglas氣袋法［4］和混合氣袋法［5］。開放模式的典型方法是每口氣法［6］，即對(duì)測(cè)試者的每次呼吸都進(jìn)行采樣分析，其裝置測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好，它按儀器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同又可被分為微型混合室法和數(shù)字混合室法［7］。目前，市場(chǎng)上主流的氣體代謝檢測(cè)產(chǎn)品大多是采用每口氣法，如美國(guó)的Medgraph代謝車［8］、德國(guó)的MasterScreen CPX代謝車［9］和Cortex代謝車［10］等。

由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)自主研發(fā)的代謝車，故在國(guó)內(nèi)的醫(yī)院和體檢機(jī)構(gòu)中，采用的基本都是國(guó)外的代謝車。這類代謝車不僅價(jià)格昂貴，且其數(shù)據(jù)模型主要是建立在歐美人群呼吸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，不適宜在國(guó)內(nèi)推廣使用。因此，研發(fā)符合國(guó)人生理特點(diǎn)的氣體代謝檢測(cè)技術(shù)，對(duì)我國(guó)在能量代謝研究和應(yīng)用方面具有積極的意義［11］。

1　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

氣體代謝測(cè)試是根據(jù)間接測(cè)熱法的原理，由一定時(shí)間內(nèi)人體的氧消耗量和二氧化碳產(chǎn)生量計(jì)算出人體的能量消耗情況，以此評(píng)估營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在人體內(nèi)的代謝和平衡情況。氣體代謝測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

氣體采集混合部分是系統(tǒng)的重要組成部分，選用高速脈沖電磁閥來(lái)采集氣體，并使用脈沖調(diào)制（PWM）對(duì)高速脈沖電磁閥進(jìn)行控制，以保證采集氣體體積的精確度。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2　氣體代謝測(cè)試系統(tǒng)

2.1重要參數(shù)的計(jì)算

2.2微型混合室法

微型混合室法是利用呼吸面罩上流量傳感器的數(shù)據(jù)控制氣泵等比例抽取呼出氣體，將取樣氣體在微型混合裝置中混合均勻后，再分析氣體中氧氣和二氧化碳的濃度的方法。此法需要獲取每口氣中氧氣和二氧化碳的平均濃度，因此，對(duì)呼出氣體的等比例取樣就非常重要，呼出氣體流量大時(shí)取樣的氣體多，流量小時(shí)取樣的氣體少。這樣的實(shí)現(xiàn)條件要求較為苛刻，很難完全等比例取樣，因而難以準(zhǔn)確獲取氧氣和二氧化碳的平均濃度，測(cè)量精度低。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于微型混合室的人體代謝測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)精確控制高速脈沖電磁閥閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)精確等比例取樣，有效提高呼出氣體中氧氣和二氧化碳平均濃度的測(cè)量精度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3等比例取樣的實(shí)現(xiàn)

呼出氣體的流速越快，脈沖電磁閥的開關(guān)頻率就越高，采集的氣體就越多。一次呼吸過(guò)程中，氣體等比例采集流程如圖3所示。采集過(guò)程如下。

（1）每一次呼吸開始時(shí)，設(shè)定采樣次數(shù)n=0。

（2）確定呼吸狀態(tài)，判斷呼氣是否開始。由氣體流量計(jì)得到流速v和時(shí)間t的對(duì)應(yīng)呼吸曲線，如果流速v在連續(xù)三次呼吸中都大于0，則判斷為呼氣開始；如果v大于0的次數(shù)小于3次，則繼續(xù)確定呼吸狀態(tài)。

（3）當(dāng)判斷為呼氣開始后，系統(tǒng)就在這一口氣的呼吸曲線上對(duì)流速v進(jìn)行積分，計(jì)算呼出氣體的體積，其中t為呼出氣體的時(shí)間。

（4）取樣 n次后，一口氣中剩余氣體的體積為。其中，k為脈沖電磁閥等比例取樣的比例系數(shù)，?V為每次打開閥門采集到的氣體體積。

（5）如果V1≥ΔV，則脈沖電磁閥的閥門打開并采樣一次，采樣次數(shù)n加1；如果V1＜ΔV，則重新計(jì)算呼出氣體體積V。

（6）判斷呼氣是否結(jié)束。如果流速v連續(xù)三次小于或等于0，則判斷為呼氣結(jié)束，采樣結(jié)束；如果不滿足流速v連續(xù)三次小于或等于0，則從步驟（1）開始重新計(jì)算呼出氣體體積V。

圖3　氣體等比例采集流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4　驗(yàn)證裝置實(shí)物圖

3.1體積驗(yàn)證

體積驗(yàn)證裝置原理如圖5所示。容積為3 L的標(biāo)定桶和呼吸面罩連接。用推拉標(biāo)定桶的把手來(lái)模擬人的呼吸，并用電機(jī)控制推拉速度。通過(guò)脈沖電磁閥等比例取樣。脈沖電磁閥后面增加了流量計(jì)2，用來(lái)得到取樣氣體的體積。

圖5　體積驗(yàn)證裝置原理圖

我們共進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)，分別在不同的比例系數(shù)k（1/30、1/20和1/10）下進(jìn)行取樣。每組實(shí)驗(yàn)都以不同速率（1～6級(jí)逐級(jí)增大）排出桶內(nèi)氣體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可見，取樣的氣體體積誤差在5%～10%之間。實(shí)驗(yàn)設(shè)備中管道接頭處存在少量漏氣的情況，因漏氣會(huì)造成取樣氣體體積減小，故取樣氣體的體積誤差比表中數(shù)據(jù)更小，即等比例取樣準(zhǔn)確度較高。

表1　體積驗(yàn)證

3.2濃度驗(yàn)證

我們對(duì)20位18～40歲的受試者進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)。由于Douglas氣袋法是氣體代謝測(cè)試的“金標(biāo)準(zhǔn)”［12］，因此我們將本研究對(duì)氣體濃度的檢測(cè)結(jié)果與Douglas氣袋法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)氣體濃度檢測(cè)的準(zhǔn)確度。過(guò)程如下。

第一步的原理如圖6所示。室溫下，14名受試者均處于靜息狀態(tài)。每次試驗(yàn)1人，采用容積為40 L的大氣袋，收集受試者呼出的氣體，分別收集到不同的袋子中，共收集14個(gè)大氣袋。在收集氣體的同時(shí)，脈沖電磁閥對(duì)呼出氣體取樣并將樣品充入到1 L的小氣袋中。氣體濃度分析部分測(cè)量出小氣袋中的氧氣和二氧化碳的濃度，即為基于微型混合室法測(cè)得的氣體濃度。

圖6　濃度驗(yàn)證結(jié)構(gòu)圖

第二步，重新連接管道，用抽氣泵將大氣袋中的剩余氣體抽出。由氣體濃度分析部分測(cè)量出的大氣袋氣體中O2和CO2的濃度，即為Douglas氣袋法測(cè)得的氣體濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

利用本裝置和Douglas氣袋法測(cè)得的CO2濃度顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R=0.793 4，概率P=0.000 4見圖7 （a）；O2濃度顯著相關(guān)，R=0.904 5，P＜0.000 1見圖7 （c）。SPSS軟件分析表明：本裝置和Douglas裝置測(cè)得的CO2濃度平均差異為-0.21，標(biāo)準(zhǔn)差為0.14，使用Bland-Altman比較兩種方法后得到圖7（b）；本裝置和Douglas裝置測(cè)得的O2濃度平均差異為-0.15，標(biāo)準(zhǔn)差為0.094，使用Bland-Altman比較兩種方法后得到圖7（d）。

圖7　Douglas裝置與本裝置測(cè)得氣體濃度之間的相關(guān)性和一致性

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于微型混合室的氣體代謝測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)控制高速脈沖電磁閥來(lái)精確等比例取樣，從而準(zhǔn)確獲取呼出氣體中氧氣和二氧化碳的平均濃度。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)等比例取樣準(zhǔn)確度和氣體濃度測(cè)量精度均較高，但收集裝置尚處于研發(fā)初期，需要進(jìn)一步增加實(shí)驗(yàn)的樣本量和樣本范圍。

目前，我國(guó)自主研制代謝測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)尚未成熟，本系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)我國(guó)代謝測(cè)試系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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【責(zé)任編輯梅欣麗】

Metabolic Testing System Based on Miniature Gas Mixing Chamber

YU Honglong，WANG Enliang，LIU Yiqiang，JIN Jian
（College of Electronics and Communications Engineering，Xinhua University，Hefei 230088，China）

The results of gas metabolism testing were important for the design of clinical nutrition program.How to realizegas metabolism testing system was discussed in this paper.Based on the characteristics of the micro-mixing chamber for gas metabolic testing system，a new method for sampling human exhaled gas in proportion was proposed.The accurate proportionally sampling gas was achieved through control of single-chip high-speed-pulse solenoid valves，thereby the average concentration of oxygen and carbon dioxide in exhaled gas was accurately obtained.The results of the tests showed this method could effectively improve the precision and accuracy of gas concentration measurement.

metabolic testing；mixing chamber；gas sampling；solenoid valve；equal proportion

TN911.73

A

2095-7726（2016）09-0053-05

2016-04-12

安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2016A306）

余洪龍（1989－），男，安徽合肥人，碩士，研究方向：信號(hào)與信息處理。