CN104665835A - 一种人体能量代谢检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种人体能量代谢检测装置及方法

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一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。

一种人体能量代谢检测方法，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t₁到t₂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 $V_{\mathrm{out}=}\underset{t_1}{\overset{t_2}{\∫}}{v}_{\left(t\right)}\mathrm{dt}(v_{\left(t\right)}>0);$

呼出气体中氮气浓度F_EN2＝1-F_ECO2-F_EO2；

吸入气体中氮气浓度F_IN2＝1-F_ICO2-F_IO2；

吸入气体体积V_in＝V_out×F_EN2/F_IN2；

摄氧量V_O2＝V_in×F_EO2-V_out×F_IO2；

二氧化碳排出量V_CO2＝V_out×F_ICO2-V_in×F_ECO2；

其中：v(t)为受试者呼出气体流速；t₁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；F_ECO2为呼出气体中平均二氧化碳浓度；F_EO2为呼出气体中平均氧气浓度；F_IO2为吸入气体中平均氧气浓度；F_ICO2为吸入气体中平均二氧化碳浓度。

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n＝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0，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，△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n加1；如果则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0，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。

本发明的优点是：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。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的工作流程图。

图3是本发明的一次呼吸中气体等比例采集流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种人体能量代谢检测装置，包括有气体采集混合部分16、气体浓度分析部分17、控制单元18和人机交互设备20，所述的气体采集混合部分16包括有依次通过连接管连接的呼吸面罩1、流量传感器2、脉冲电磁阀一3和微型混合室7，在微型混合室7左端内壁上固定有弹簧4，在微型混合室7的上下内壁上分别固定有位置相对应的短挡板6，在所述的弹簧4的右端固定有移动挡板20，所述的移动挡板20的上下端分别接触所述的两个短挡板6，在微型混合室7的底板上开有左、右通孔，所述的左、右通孔分别位于短挡板6的左右侧，在左、右通孔之间连接有抽气泵一5，在微型混合室7的出口处连接有气管8，所述的气体浓度分析部分17包括有依次通过连接管连接的气瓶9、三通电磁阀10、脉冲电磁阀二11、氧传感器12、二氧化碳传感器13、节流阀14和抽气泵二15，其中三通电磁阀10的上端端口和右端端口分别与气瓶9和脉冲电磁阀二11连接，三通电磁阀10的下端端口与所述的微型混合室7的取样出口连接，所述的流量传感器2、脉冲电磁阀一3、三通电磁阀10、脉冲电磁阀二22、氧传感器12和二氧化碳传感器13均与控制单元18电连接，控制单元18还与人机交互设备19连接。

如图2所示，一种人体能量代谢检测方法，包括以下步骤：

步骤一：打开气瓶9的阀门进行氧传感器12和二氧化碳传感器13标定，三通电磁阀10的上端端口到右端端口通路打开，气瓶9中的标定气体通过氧传感器12和二氧化碳传感器13对其进行标定，待氧传感器12和二氧化碳传感器13标定结束后，关闭气瓶9的阀门；

步骤二：三通电磁阀10下端端口到右端端口通路打开，抽气泵二15将测试环境中的空气抽送到氧传感器12和二氧化碳传感器13，通气1分钟后，氧传感器12和二氧化碳传感器13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1，受试者的呼出气体通过呼吸面罩进入流量传感器2，流量传感器2测量呼出气体的流量，气体采集混合部分16等比例采集呼出气体到微型混合室7内混合，气体浓度分析部分周期性获取微型混合室7内气体浓度数据，流量传感器2、氧传感器12和二氧化碳传感器13分别将测试的数据上传给控制单元18；

步骤四：控制单元18将接收到的数据上传给人机交互设备19，人机交互设备19根据控制单元18采集上传的数据，计算并显示测量结果，计算出t₁到t₂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 $V_{\mathrm{out}=}\underset{t_1}{\overset{t_2}{\∫}}{v}_{\left(t\right)}\mathrm{dt}(v_{\left(t\right)}>0);$

呼出气体中氮气浓度F_EN2＝1-F_ECO2-F_EO2；

吸入气体中氮气浓度F_IN2＝1-F_ICO2-F_IO2；

吸入气体体积V_in＝V_out×F_EN2/F_IN2；

摄氧量V_O2＝V_in×F_EO2-V_out×F_IO2；

二氧化碳排出量V_CO2＝V_out×F_ICO2-V_in×F_ECO2；

其中：v(t)为受试者呼出气体流速；t₁为脉冲电磁阀一3采样开始的时间点；t₂为脉冲电磁阀一3采样结束的时间点；F_ECO2为呼出气体中平均二氧化碳浓度；F_EO2为呼出气体中平均氧气浓度；F_IO2为吸入气体中平均氧气浓度；F_ICO2为吸入气体中平均二氧化碳浓度。

如图3所示，所述的气体采集混合部分16等比例采集呼出气体到微型混合室7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n＝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0，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，△v为脉冲电磁阀一每次打开采集气体的体积，如果则脉冲电磁阀一3阀门打开采样一次，采样次数n加1；如果则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0，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，脉冲电磁阀一3采样结束，呼出气体的流速越快，脉冲电磁阀一3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。

上述等比例采样过程中，为保证脉冲电磁阀一3阀门打开采样一次采集的气体体积△v恒定，需要保证微型混合室7左端的气压稳定。微型混合室7中的抽气泵一不间断的抽气，流速为v₁。微型混合室7中的移动挡板一端受到弹簧4的弹力F1，另一端受到气体的压力F2，当F1＝F2时，移动挡板20和短挡6板正好合在一起；当微型混合室7内一端的气体抽送到另一边，F2逐渐变大以至于F1<F2时，移动挡板20被推开，右侧气体从移动挡板20和短挡板6间缝隙进入左侧。采样的过程中不断重复这个过程，微型混合室7内气体不间断循环流动，气体得到不断的混合。微型混合室7内左右两端端压力差等于弹簧4弹力。微型混合室7的右端通过一段长度适中的气管8和外界空气直接相通，气管8的长度不易太短，否则当采样速度较慢时，环境气体会扩散进入微型混合室7，建议气管内径不大于3毫秒，长度不小于40厘米，气管保证了微型混合室7右端的压力稳定，约等于大气压，同时由于微型混合室7左右两端压差恒定，所以微型混合室7左端气体也是恒定的，等于大气压减去弹簧4弹力。

本发明一种新型人体能量代谢检测装置步骤四中微型混合室气体浓度分析部分在获取气体浓度时，节流阀14、脉冲电磁阀二11关闭，静态获取传感器内气体浓度，脉冲电磁阀一3继续采样，呼出气体的采样过程无需中断，实现了对呼出气体的连续采样。在浓度获取后，节流阀14开启、脉冲电磁阀二11与脉冲电磁阀一3同步开启与关闭，将微型混合室7内气体抽入氧传感器12、二氧化碳传感器13内。

Claims (3)

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。

2.一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t₁到t₂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 $V_{\mathrm{out}}=\underset{t_1}{\overset{t_2}{\&Integral;}}{v}_{\left(t\right)}\mathrm{dt}(v_{\left(t\right)}>0);$

呼出气体中氮气浓度F_EN2＝1-F_ECO2-F_EO2；

吸入气体中氮气浓度F_IN2＝1-F_ICO2-F_IO2；

吸入气体体积V_in＝V_out×F_EN2/F_IN2；

摄氧量V_O2＝V_in×F_EO2-V_out×F_IO2；

二氧化碳排出量V_CO2＝V_out×F_ICO2-V_in×F_ECO2；

其中：v(t)为受试者呼出气体流速；t₁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；F_ECO2为呼出气体中平均二氧化碳浓度；F_EO2为呼出气体中平均氧气浓度；F_IO2为吸入气体中平均氧气浓度；F_ICO2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n＝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0，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，Δv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n加1；如果则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0，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。