頭罩式人體代謝測試系統(tǒng)的設(shè)計①

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(安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

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]。

1 系統(tǒng)測試原理

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

2 系統(tǒng)設(shè)計

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。

3 實驗驗證及分析

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

3.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性驗證

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)

3.2 系統(tǒng)的準確性驗證

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

4 結(jié) 語

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。