基于微型混合室的气体代谢测试系统

余洪龙，王恩亮，刘毅强，金　建

（安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥 230088）

基于微型混合室的气体代谢测试系统

余洪龙，王恩亮，刘毅强，金建

（安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥 230088）

气体代谢检测结果对临床营养方案的设计有重要的参考价值。对气体代谢测试系统的实现方法进行了初步探讨，根据基于微型混合室的气体代谢测试系统的特点，提出了对呼出气体等比例取样的新方法。通过对高速脉冲电磁阀阀门的控制来达到精确的等比例取样，从而准确获取呼出气体中氧气和二氧化碳平均浓度的目的。实验结果表明，该方法有效地提高了气体浓度测量的精度。

代谢测试；混合室；气体取样；电磁阀；等比例

气体代谢测试系统根据间接测热法来测定机体静息能量消耗，通过耗氧量和二氧化碳产生量来测算机体能量消耗［1-3］。目前，气体代谢技术被广泛地应用于慢性病与危重病的治疗中，并且已经从最原始的闭合模式发展到现在的开放模式。闭合模式的典型方法有Douglas气袋法［4］和混合气袋法［5］。开放模式的典型方法是每口气法［6］，即对测试者的每次呼吸都进行采样分析，其装置测量精度高、实时性好，它按仪器结构特点的不同又可被分为微型混合室法和数字混合室法［7］。目前，市场上主流的气体代谢检测产品大多是采用每口气法，如美国的Medgraph代谢车［8］、德国的MasterScreen CPX代谢车［9］和Cortex代谢车［10］等。

由于国内尚无自主研发的代谢车，故在国内的医院和体检机构中，采用的基本都是国外的代谢车。这类代谢车不仅价格昂贵，且其数据模型主要是建立在欧美人群呼吸数据的基础上，不适宜在国内推广使用。因此，研发符合国人生理特点的气体代谢检测技术，对我国在能量代谢研究和应用方面具有积极的意义［11］。

1　系统简介

气体代谢测试是根据间接测热法的原理，由一定时间内人体的氧消耗量和二氧化碳产生量计算出人体的能量消耗情况，以此评估营养物质在人体内的代谢和平衡情况。气体代谢测试系统的原理框图如图1所示。

气体采集混合部分是系统的重要组成部分，选用高速脉冲电磁阀来采集气体，并使用脉冲调制（PWM）对高速脉冲电磁阀进行控制，以保证采集气体体积的精确度。

图1　系统原理框图

2　气体代谢测试系统

2.1重要参数的计算

2.2微型混合室法

微型混合室法是利用呼吸面罩上流量传感器的数据控制气泵等比例抽取呼出气体，将取样气体在微型混合装置中混合均匀后，再分析气体中氧气和二氧化碳的浓度的方法。此法需要获取每口气中氧气和二氧化碳的平均浓度，因此，对呼出气体的等比例取样就非常重要，呼出气体流量大时取样的气体多，流量小时取样的气体少。这样的实现条件要求较为苛刻，很难完全等比例取样，因而难以准确获取氧气和二氧化碳的平均浓度，测量精度低。为此，我们设计了一种基于微型混合室的人体代谢测试系统。系统通过精确控制高速脉冲电磁阀阀门来实现精确等比例取样，有效提高呼出气体中氧气和二氧化碳平均浓度的测量精度。系统结构框图如图2所示。

图2　系统结构框图

2.3等比例取样的实现

呼出气体的流速越快，脉冲电磁阀的开关频率就越高，采集的气体就越多。一次呼吸过程中，气体等比例采集流程如图3所示。采集过程如下。

（1）每一次呼吸开始时，设定采样次数n=0。

（2）确定呼吸状态，判断呼气是否开始。由气体流量计得到流速v和时间t的对应呼吸曲线，如果流速v在连续三次呼吸中都大于0，则判断为呼气开始；如果v大于0的次数小于3次，则继续确定呼吸状态。

（3）当判断为呼气开始后，系统就在这一口气的呼吸曲线上对流速v进行积分，计算呼出气体的体积，其中t为呼出气体的时间。

（4）取样 n次后，一口气中剩余气体的体积为。其中，k为脉冲电磁阀等比例取样的比例系数，∆V为每次打开阀门采集到的气体体积。

（5）如果V1≥ΔV，则脉冲电磁阀的阀门打开并采样一次，采样次数n加1；如果V1＜ΔV，则重新计算呼出气体体积V。

（6）判断呼气是否结束。如果流速v连续三次小于或等于0，则判断为呼气结束，采样结束；如果不满足流速v连续三次小于或等于0，则从步骤（1）开始重新计算呼出气体体积V。

图3　气体等比例采集流程图

3　实验结果分析

图4　验证装置实物图

3.1体积验证

体积验证装置原理如图5所示。容积为3 L的标定桶和呼吸面罩连接。用推拉标定桶的把手来模拟人的呼吸，并用电机控制推拉速度。通过脉冲电磁阀等比例取样。脉冲电磁阀后面增加了流量计2，用来得到取样气体的体积。

图5　体积验证装置原理图

我们共进行了三组实验，分别在不同的比例系数k（1/30、1/20和1/10）下进行取样。每组实验都以不同速率（1～6级逐级增大）排出桶内气体，实验结果如表1所示。由表1可见，取样的气体体积误差在5%～10%之间。实验设备中管道接头处存在少量漏气的情况，因漏气会造成取样气体体积减小，故取样气体的体积误差比表中数据更小，即等比例取样准确度较高。

表1　体积验证

3.2浓度验证

我们对20位18～40岁的受试者进行气体浓度检测。由于Douglas气袋法是气体代谢测试的“金标准”［12］，因此我们将本研究对气体浓度的检测结果与Douglas气袋法的检测结果进行对比分析，以验证系统对气体浓度检测的准确度。过程如下。

第一步的原理如图6所示。室温下，14名受试者均处于静息状态。每次试验1人，采用容积为40 L的大气袋，收集受试者呼出的气体，分别收集到不同的袋子中，共收集14个大气袋。在收集气体的同时，脉冲电磁阀对呼出气体取样并将样品充入到1 L的小气袋中。气体浓度分析部分测量出小气袋中的氧气和二氧化碳的浓度，即为基于微型混合室法测得的气体浓度。

图6　浓度验证结构图

第二步，重新连接管道，用抽气泵将大气袋中的剩余气体抽出。由气体浓度分析部分测量出的大气袋气体中O2和CO2的浓度，即为Douglas气袋法测得的气体浓度。实验结果如图7所示。

利用本装置和Douglas气袋法测得的CO2浓度显著相关，相关系数R=0.793 4，概率P=0.000 4见图7 （a）；O2浓度显著相关，R=0.904 5，P＜0.000 1见图7 （c）。SPSS软件分析表明：本装置和Douglas装置测得的CO2浓度平均差异为-0.21，标准差为0.14，使用Bland-Altman比较两种方法后得到图7（b）；本装置和Douglas装置测得的O2浓度平均差异为-0.15，标准差为0.094，使用Bland-Altman比较两种方法后得到图7（d）。

图7　Douglas装置与本装置测得气体浓度之间的相关性和一致性

4　结束语

本文设计了一种基于微型混合室的气体代谢测试系统。系统通过控制高速脉冲电磁阀来精确等比例取样，从而准确获取呼出气体中氧气和二氧化碳的平均浓度。实验证明系统等比例取样准确度和气体浓度测量精度均较高，但收集装置尚处于研发初期，需要进一步增加实验的样本量和样本范围。

目前，我国自主研制代谢测试系统的技术尚未成熟，本系统的开发对我国代谢测试系统的研究具有重要的现实意义。

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【责任编辑梅欣丽】

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

安徽省高校自然科学研究重点项目（KJ2016A306）

余洪龙（1989－），男，安徽合肥人，硕士，研究方向：信号与信息处理。