一种人体能量代谢检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体样本采集与能量代谢分析技术领域，尤其涉及一种人体能量代谢 检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 气体代谢测试是基于间接测热法的原理，根据一定时间内氧消耗量、二氧化碳产 生量计算出人体的能量消耗，以及三大营养物质（碳水化合物、脂肪和蛋白质）在能量消耗 中的构成。其装置可与跑步机、功率车等负载设备配合，测试人体在不同运动负荷下的摄氧 量、二氧化碳排出量。气体代谢测试为心肺功能的评估、疾病的诊断治疗以及科学的营养供 给提供了参考。
[0003] 早期的气体代谢测试比较简单，一般采用道格拉斯气袋法。测试过程中将所有呼 出气体全部收集到气袋中，整个测试过程需要几十个气袋。测试完成后，先测量呼出气体的 体积，再使用化学分析方法分析气袋中氧气和二氧化碳的浓度，整个过程缓慢而且繁琐。由 于道格拉斯气袋法不能做到数据的实时分析，同时设备庞大，通气管路是封闭式的，呼气阻 力很大。微型混合室方法采集微量人体呼出气体进行分析，微型混合室与道格拉斯气袋法 相比，其最大的优点是可以在开放式呼吸模式下进行测量，使受试者彻底抛弃了笨重的呼 吸管道和单向阀，受试者可以自由自在地呼吸，微型混合室法成为目前气体代谢测试主要 方法之一。
[0004] 1994年12月7日公开的第EP0627195 A1号专利申请，其公开了一种微型混合室 法气体代谢测试装置，该装置利用微型混合装置实现了气体代谢测试。但是其装置存在一 些缺陷：微型混合室内气压随采样快慢发生波动，导致呼出气体流速进行等比例采样的精 度不高；气体流动会影响传感器浓度分析准确度，为静态获取微型混合室内气体浓度，需要 周期性关闭气体采集，导致部分气体漏采，限制了浓度数据获取的频率。
【发明内容】
[0005] 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种人体能量代谢检测装置及方 法。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种人体能量代谢检测装置，包括有气体采集混合部分、气体浓度分析部分、控制 单元和人机交互设备，所述的气体采集混合部分包括有依次通过连接管连接的呼吸面罩、 流量传感器、脉冲电磁阀一和微型混合室，在微型混合室左端内壁上固定有弹簧，在微型混 合室的上下内壁上分别固定有位置相对应的短挡板，在所述的弹簧的右端固定有移动挡 板，所述的移动挡板的上下端分别接触所述的两个短挡板，在微型混合室的底板上开有左、 右通孔，所述的左、右通孔分别位于短挡板的左右侧，在左、右通孔之间连接有抽气泵一，在 微型混合室的出口处连接有气管，所述的气体浓度分析部分包括有依次通过连接管连接的 气瓶、三通电磁阀、脉冲电磁阀二、氧传感器、二氧化碳传感器、节流阀和抽气泵二，其中三 通电磁阀的上端端口和右端端口分别与气瓶和脉冲电磁阀二连接，三通电磁阀的下端端口 与所述的微型混合室的取样出口连接，所述的流量传感器、脉冲电磁阀一、三通电磁阀、脉 冲电磁阀二、氧传感器和二氧化碳传感器均与控制单元电连接，控制单元还与人机交互设 备连接。
[0008] 一种人体能量代谢检测方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤一：打开气瓶的阀门进行氧传感器和二氧化碳传感器标定，三通电磁阀的上 端端口到右端端口通路打开，气瓶中的标定气体通过氧传感器和二氧化碳传感器对其进行 标定，待氧传感器和> 氧化碳传感器标定结束后，关闭气瓶的阀门；
[0010] 步骤二：三通电磁阀下端端口到右端端口通路打开，抽气泵二将测试环境中的空 气抽送到氧传感器和二氧化碳传感器，通气1分钟后，氧传感器和二氧化碳传感器测量出 空气中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度；
[0011] 步骤三：开始测量时，受试者带上呼吸面罩，受试者的呼出气体通过呼吸面罩进入 流量传感器，流量传感器测量呼出气体的流量，气体采集混合部分等比例采集呼出气体到 微型混合室内混合，气体浓度分析部分周期性获取微型混合室内气体浓度数据，流量传感 器、氧传感器和二氧化碳传感器分别将测试的数据上传给控制单元；
[0012] 步骤四：控制单元将接收到的数据上传给人机交互设备，人机交互设备根据控制 单元采集上传的数据，计算并显示测量结果，计算出tjlj 12时间段内的摄氧量和二氧化碳 排出量，计算过程如下：
【主权项】
1. 一种人体能量代谢检测装置，其特征在于：包括有气体采集混合部分、气体浓度分 析部分、控制单元和人机交互设备，所述的气体采集混合部分包括有依次通过连接管连接 的呼吸面罩、流量传感器、脉冲电磁阀一和微型混合室，在微型混合室左端内壁上固定有弹 簧，在微型混合室的上下内壁上分别固定有位置相对应的短挡板，在所述的弹簧的右端固 定有移动挡板，所述的移动挡板的上下端分别接触所述的两个短挡板，在微型混合室的底 板上开有左、右通孔，所述的左、右通孔分别位于短挡板的左右侧，在左、右通孔之间连接有 抽气泵一，在微型混合室的出口处连接有气管，所述的气体浓度分析部分包括有依次通过 连接管连接的气瓶、三通电磁阀、脉冲电磁阀二、氧传感器、二氧化碳传感器、节流阀和抽气 泵二，其中三通电磁阀的上端端口和右端端口分别与气瓶和脉冲电磁阀二连接，三通电磁 阀的下端端口与所述的微型混合室的取样出口连接，所述的流量传感器、脉冲电磁阀一、三 通电磁阀、脉冲电磁阀二、氧传感器和二氧化碳传感器均与控制单元电连接，控制单元还与 人机交互设备连接。
2. -种人体能量代谢检测方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一：打开气瓶的阀门进行氧传感器和二氧化碳传感器标定，三通电磁阀的上端端 口到右端端口通路打开，气瓶中的标定气体通过氧传感器和二氧化碳传感器对其进行标 定，待氧传感器和二氧化碳传感器标定结束后，关闭气瓶的阀门； 步骤二：三通电磁阀下端端口到右端端口通路打开，抽气泵二将测试环境中的空气抽 送到氧传感器和二氧化碳传感器，通气1分钟后，氧传感器和二氧化碳传感器测量出空气 中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度； 步骤三：开始测量时，受试者带上呼吸面罩，受试者的呼出气体通过呼吸面罩进入流量 传感器，流量传感器测量呼出气体的流量，气体采集混合部分等比例采集呼出气体到微型 混合室内混合，气体浓度分析部分周期性获取微型混合室内气体浓度数据，流量传感器、氧 传感器和二氧化碳传感器分别将测试的数据上传给控制单元； 步骤四：控制单元将接收到的数据上传给人机交互设备，人机交互设备根据控制单元 采集上传的数据，计算并显示测量结果，计算出&到12时间段内的摄氧量和二氧化碳排出 量，计算过程如下： 呼出气体体积
呼出气体中氮气浓度Fen2= I-Fekk-Feq2; 吸入气体中氮气浓度Fin2= I-F謂-F102; 吸入气体体积Vin= V 摄氧里 V〇2 - V in X Fg02-Vout X F102； 二氧化碳排出量 Vro2= V QUtXFraj2-VinXFec02; 其中：v(t)为受试者呼出气体流速；h为脉冲电磁阀一采样开始的时间点；t2为脉冲 电磁阀一采样结束的时间点；FEa)2为呼出气体中平均二氧化碳浓度；FE()2为呼出气体中平均 氧气浓度；F m2为吸入气体中平均氧气浓度；Fkm2为吸入气体中平均二氧化碳浓度。
3. 根据权利要求2所述的一种人体能量代谢检测方法，其特征在于：所述的气体采集 混合部分等比例采集呼出气体到微型混合室内混合，实现过程如下：在每一次受试者呼吸 中，开始时采样的次数η = 0,首先确定呼吸状态，判断呼气是否开始，如果流速v连续三次 大于〇,则判断为呼气开始，如果不能满足流速V连续三次大于0,则继续确定呼吸状态，呼 吸状态判断为呼气开始后，在每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，呼出气体的体积
其中t气体呼出时间，再算出
其中k为脉冲电磁阀 一比例系数，Δ V为脉冲电磁阀一每次打开采集气体的体积，如果
，则脉冲电 磁阀一阀门打开采样一次，采样次数η加1 ;如果
重新计算呼出气体体积 V ;接下来判断呼气是否结束，如果不能满足流速V连续三次小于等于〇,则重新计算呼出气 体体积V，如果流速V连续三次小于或等于0,则判断为呼气结束，一次呼吸过程中，脉冲电 磁阀一采样结束，呼出气体的流速越快，脉冲电磁阀一开关频率越大，采集的气体越多，取 样气体速度正比于呼出气体速度。
【专利摘要】本发明公开了一种人体能量代谢检测装置及方法，包括有气体采集混合部分、气体浓度分析部分、控制单元和人机交互设备，所述的气体采集混合部分包括有依次通过连接管连接的呼吸面罩、流量传感器、脉冲电磁阀一和微型混合室，所述的气体浓度分析部分包括有依次通过连接管连接的气瓶、三通电磁阀、脉冲电磁阀二、氧传感器、二氧化碳传感器、节流阀和抽气泵二，其中三通电磁阀的上端端口和右端端口分别与气瓶和脉冲电磁阀二连接。本发明具有人体呼出气体等比例采样精度高、采样过程不间断的优点。
【IPC分类】A61B5-083
【公开号】CN104665835
【申请号】CN201510059060
【发明人】王远, 汪锡, 周多奇, 余洪龙, 徐玉兵, 刘洁云, 杨念恩, 李阳, 李冕, 钱振宇, 占礼葵, 龚莉, 何子军, 孙怡宁, 马祖长
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院, 安庆师范学院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月4日