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(安徽新華學(xué)院,安徽 合肥 230000)
臨床營養(yǎng)支持與科學(xué)指導(dǎo)能夠提供能量平衡和營養(yǎng)平衡[1]。人體能量代謝測試方法主要有直接測熱法和間接測熱法[2]。直接測熱法由于測試環(huán)境的特殊性,受到限制,應(yīng)用較少。間接測熱法根據(jù)人體呼吸氣體和代謝氣體的關(guān)系測量人體的能量代謝情況[3]。
該人體營養(yǎng)代謝測試系統(tǒng)就是根據(jù)間接測熱法原理所研制的成果,它能夠有效測量人體營養(yǎng)代謝情況,從而科學(xué)有效的指導(dǎo)人體營養(yǎng)攝入與健康運動。間接測熱法主要經(jīng)歷了三個主要階段,第一階段為經(jīng)典的“道格拉斯氣袋法(Douglas bag)”,將人體一段時間內(nèi)呼吸的氣體收集在大容積的袋子中進行測量,測量結(jié)果準確,為代謝測試的“金標準”,但是操作過程極其復(fù)雜。第二階段為“混合氣袋法”(Mixing-bag),計算機可以在測試的過程中對氣體進行分析,實現(xiàn)了氣體代謝測試質(zhì)的飛躍。第三階段為“每口氣測試法”,提高了混合氣袋法動態(tài)性能,實現(xiàn)了實時測量。頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)基于“每口氣測試法”,具有測量簡便、穩(wěn)定性好、準確性高等優(yōu)點[4]。
頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)在測試的過程中,受試者平躺在測量床上,頭部位于頭罩中,頭罩含有一個進氣端和一個出氣端,進氣端直接和空氣相通,出氣端通過連接管道和測試裝置相連。測量原理如圖1所示,進氣端氣體流速為VI;FIO2為進入頭罩氣體的O2濃度,即空氣中O2濃度;FICO2分別為進入頭罩的CO2濃度即空氣中CO2濃度;VE為出氣端氣體流速,即氣體通過管道中的流速;FEO2和FECO2頭罩中流出氣體的O2濃度;FECO2頭罩中流出氣體的CO2濃度;FIN2為流入頭罩N2濃度;FEN2流出頭罩的N2濃度。
圖1 測量原理圖
能量代謝參數(shù)計算公式如下:
攝氧量:
VO2=[(VI×FIO2)-(VE×FEO2)]dt;
二氧化碳產(chǎn)生量:
VCO2=[(VE×FECO2)-(VI×FICO2)]dt;
由氮平衡原理
聯(lián)合以上式子,可得:
VCO2=[(VE×(FECO2-×FICO2)]dt
利用Weir公式,得到基礎(chǔ)代謝率和能量代謝相關(guān)參數(shù),從而評估人體能量代謝情況[5]。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 電路結(jié)構(gòu)圖
頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示,包括溫濕度傳感器、氣壓傳感器、抽氣泵、混合室、氣體過濾器、標定氣罐、電磁閥、穩(wěn)壓閥、穩(wěn)流閥、分流閥、緩沖室、采樣泵、O2傳感器、CO2傳感器。標定氣罐用于標定氣體,穩(wěn)流閥用于穩(wěn)定氣流。抽氣泵將空氣抽入頭罩,氣體在混合室中混合均勻后通過氣體傳感器,O2傳感器、CO2傳感器測量出O2和CO2的濃度,氣壓傳感器測量出氣體流速。
頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,主要包括供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機控制模塊等。供電模塊負責(zé)對溫濕度傳感器、氣壓傳感器、抽氣泵、電磁閥、采樣泵、O2傳感器、CO2傳感器提供穩(wěn)定的電壓。數(shù)據(jù)采集模塊用于濕度傳感器、氣壓傳感器、O2傳感器、CO2傳感器采集氣體溫濕度、氣壓、濃度等參數(shù)。電機控制模塊用于控制電機轉(zhuǎn)速。
圖4 軟件流程圖
圖5 抽氣速度調(diào)節(jié)流程圖
圖6 測試系統(tǒng)實物圖
頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)軟件圖如圖4所示,主要完成上下位的通信,對信號進行預(yù)處理,獲取環(huán)境參數(shù)以及每口氣的氣體濃度、氣體流速并對穩(wěn)定程度進行判斷,若達到標準計算混合室內(nèi)O2濃度和CO2濃度,從而得到REE(靜息能量消耗)和RQ(呼吸熵)等參數(shù)并生成報表。
以前的頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)往往都是設(shè)置一個恒定的抽氣速度,然而隨著人體的體重、身高、身體狀態(tài)的不同,往往難以有一個合適的抽氣標準,造成受試者體驗度差,影響測量的準確度。系統(tǒng)的抽氣速度調(diào)節(jié)流程圖如圖5所示,通過檢測頭罩內(nèi)的CO2濃度值,完成對抽氣速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。可以有效改善受試者體驗度,提高測量的準確度。
頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)實物圖如圖6所示,在實驗中選取30位受試者作為測試樣本。受試者樣本信息如表1所示。測試環(huán)境參數(shù)如下:室內(nèi)溫度為24℃,濕度為40%-60%,室內(nèi)噪聲≤30db,受試者在進食2h之后。
表1 受試者樣本信息表
通過頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)和VO2000測試系統(tǒng)對受試者能力代謝相關(guān)參數(shù)VO2、VCO2和RE進行重復(fù)測試,結(jié)果顯著相關(guān):頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)(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,頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)和VO2000各自的兩次重復(fù)性測試相關(guān)參數(shù)差異性也并不明顯。兩種測試系統(tǒng)的VO2、VCO2、RQ和REE的變異系數(shù)為:頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)(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 本系統(tǒng)和VO2000測量參數(shù)對比
表3 平均值差異和變異系數(shù)
通過對上述兩種系統(tǒng)平均值的對比,可以得出頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)儀器測量得出的主要參數(shù)與VO2000的測量參數(shù)顯著相關(guān):VO2(r=0.92,p<0.001)、VCO2(r=0.91,p<0.001)、REE(r=0.92,p<0.001)。用Bland-Altman對測量數(shù)據(jù)進行評價,得到主要參數(shù)平均差異如圖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%)。
圖7 頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)和VO2000測量的參數(shù)平均值
通過基于間接測熱法,設(shè)計了這種頭罩式人體代謝測試系統(tǒng),可以測量人體的O2、CO2、REE、RQ等能量代謝參數(shù),并設(shè)計實驗驗證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性,通過和進口儀器VO2000進行了對比,發(fā)現(xiàn)兩種一起測試結(jié)果一致性好,從而得到本系統(tǒng)穩(wěn)定性好、準確性高。
然而系統(tǒng)測試樣本有限,下一步需要提高測試樣本的數(shù)量以及樣本范圍來作進一步驗證。在進行對比實驗時可以和作為“金標準”的“道格拉斯氣袋法”進行對比,能更好的的驗證其結(jié)果的準確性。