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(安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

臨床營(yíng)養(yǎng)支持與科學(xué)指導(dǎo)能夠提供能量平衡和營(yíng)養(yǎng)平衡[1]。人體能量代謝測(cè)試方法主要有直接測(cè)熱法和間接測(cè)熱法[2]。直接測(cè)熱法由于測(cè)試環(huán)境的特殊性，受到限制，應(yīng)用較少。間接測(cè)熱法根據(jù)人體呼吸氣體和代謝氣體的關(guān)系測(cè)量人體的能量代謝情況[3]。

該人體營(yíng)養(yǎng)代謝測(cè)試系統(tǒng)就是根據(jù)間接測(cè)熱法原理所研制的成果，它能夠有效測(cè)量人體營(yíng)養(yǎng)代謝情況，從而科學(xué)有效的指導(dǎo)人體營(yíng)養(yǎng)攝入與健康運(yùn)動(dòng)。間接測(cè)熱法主要經(jīng)歷了三個(gè)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(shí)間內(nèi)呼吸的氣體收集在大容積的袋子中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，為代謝測(cè)試的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但是操作過(guò)程極其復(fù)雜。第二階段為“混合氣袋法”(Mixing-bag)，計(jì)算機(jī)可以在測(cè)試的過(guò)程中對(duì)氣體進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了氣體代謝測(cè)試質(zhì)的飛躍。第三階段為“每口氣測(cè)試法”，提高了混合氣袋法動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量。頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)基于“每口氣測(cè)試法”，具有測(cè)量簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

1 系統(tǒng)測(cè)試原理

頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試的過(guò)程中，受試者平躺在測(cè)量床上，頭部位于頭罩中，頭罩含有一個(gè)進(jìn)氣端和一個(gè)出氣端，進(jìn)氣端直接和空氣相通，出氣端通過(guò)連接管道和測(cè)試裝置相連。測(cè)量原理如圖1所示，進(jìn)氣端氣體流速為VI；FIO2為進(jìn)入頭罩氣體的O2濃度，即空氣中O2濃度；FICO2分別為進(jìn)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(guò)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(cè)量原理圖

能量代謝參數(shù)計(jì)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(píng)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(jì)

頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)濾器、標(biāo)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(biāo)定氣罐用于標(biāo)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(guò)氣體傳感器，O2傳感器、CO2傳感器測(cè)量出O2和CO2的濃度，氣壓傳感器測(cè)量出氣體流速。

頭罩式人體代謝測(cè)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(jī)控制模塊等。供電模塊負(fù)責(zé)對(duì)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(jī)控制模塊用于控制電機(jī)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(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)軟件圖如圖4所示，主要完成上下位的通信，對(duì)信號(hào)進(jìn)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(duì)穩(wěn)定程度進(jìn)行判斷，若達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(bào)表。

以前的頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)往往都是設(shè)置一個(gè)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(gè)合適的抽氣標(biāo)準(zhǔn)，造成受試者體驗(yàn)度差，影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)的抽氣速度調(diào)節(jié)流程圖如圖5所示，通過(guò)檢測(cè)頭罩內(nèi)的CO2濃度值，完成對(duì)抽氣速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)?？梢杂行Ц纳剖茉囌唧w驗(yàn)度，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示，在實(shí)驗(yàn)中選取30位受試者作為測(cè)試樣本。受試者樣本信息如表1所示。測(cè)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(jìn)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(yàn)證

通過(guò)頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)和VO2000測(cè)試系統(tǒng)對(duì)受試者能力代謝相關(guān)參數(shù)VO2、VCO2和RE進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，結(jié)果顯著相關(guān)：頭罩式人體代謝測(cè)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(cè)試系統(tǒng)和VO2000各自的兩次重復(fù)性測(cè)試相關(guān)參數(shù)差異性也并不明顯。兩種測(cè)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(cè)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(cè)量參數(shù)對(duì)比

表3 平均值差異和變異系數(shù)

3.2 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)上述兩種系統(tǒng)平均值的對(duì)比，可以得出頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)儀器測(cè)量得出的主要參數(shù)與VO2000的測(cè)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(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(cè)試系統(tǒng)和VO2000測(cè)量的參數(shù)平均值

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)基于間接測(cè)熱法，設(shè)計(jì)了這種頭罩式人體代謝測(cè)試系統(tǒng)，可以測(cè)量人體的O2、CO2、REE、RQ等能量代謝參數(shù)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，通過(guò)和進(jìn)口儀器VO2000進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種一起測(cè)試結(jié)果一致性好，從而得到本系統(tǒng)穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高。

然而系統(tǒng)測(cè)試樣本有限，下一步需要提高測(cè)試樣本的數(shù)量以及樣本范圍來(lái)作進(jìn)一步驗(yàn)證。在進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)可以和作為“金標(biāo)準(zhǔn)”的“道格拉斯氣袋法”進(jìn)行對(duì)比，能更好的的驗(yàn)證其結(jié)果的準(zhǔn)確性。