CN104713989B - 一种基于混合室技术的气体代谢检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合室技术的气体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呼吸面罩、T型阀、流量传感器、混合室一和混合室二，所述的气体浓度分析部分包括有低浓度标定气瓶、高浓度标定气瓶、四通电磁阀、氧传感器、二氧化碳传感器和抽气泵二。本发明前置的混合室一极大地加速了呼出气体的混合速度，消除了呼出的一口气内氧气、二氧化碳浓度的较大波动，缩短了气体混合所需要的时间，提高了分析的实时性；后置的混合室二借助挡板有效地截取并混合了五口呼出气体，可准确得到混合室二气体中氧气、二氧化碳的平均浓度。

Description

一种基于混合室技术的气体代谢检测装置及方法

技术领域

本发明涉及气体样本采集分析技术领域，尤其涉及一种基于混合室技术的气体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，随着气袋内气体的增加，呼气的阻力变大。混合室法通过一个缓冲混合室截取一段时间人体呼出气进行分析，与道格拉斯气袋法相比，其最大的优点是通气管路末端是开放的，大大减小了呼气的阻力，另外混合室法可以以一定的时间间隔实时获取浓度数据。

如何快速准确地从混合室内获取一段时间间隔内呼出气体的平均浓度是混合室法气体代谢检测装置设计的关键问题，传统的单个混合室存在混合不均匀，混合时间长等缺点，影响了测量结果的准确性与实时性。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于混合室技术的气体代谢检测装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于混合室技术的气体代谢检测装置，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呼吸面罩、T型阀、流量传感器、混合室一和混合室二，所述的呼吸面罩的进出口与T型阀的下端端口连接，T型阀的右端端口与流量传感器的进口连接，流量传感器的出口与混合室一的进口连接，混合室一的出口与混合室二的进气口连接，在混合室一的底部开有左、右通孔，左、右通孔之间连接有抽气泵一，混合室二的排气口连接有排气管，在混合室二内设有多个交叉挡板，所述的气体浓度分析部分包括有低浓度标定气瓶、高浓度标定气瓶、四通电磁阀、氧传感器、二氧化碳传感器和抽气泵二，所述的混合室二的取样口连接四通电磁阀的下端端口，四通电磁阀的上端端口分别与低浓度标定气瓶和高浓度标定气瓶连接，四通电磁阀的右端端口分别连接氧传感器和二氧化碳传感器的进口，氧传感器和二氧化碳传感器的出口均与抽气泵二连接，所述的抽气泵一、抽气泵二、流量传感器、四通电磁阀、氧传感器和二氧化碳传感器均与控制单元连接，控制单元与人机交互设备连接。

一种基于混合室技术的气体代谢检测方法，步骤如下：

(1)打开所述的低浓度标定气瓶的阀门进行氧传感器和二氧化碳传感器的标定，四通电磁阀上端端口到右端端口通路打开，低浓度标定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，关闭低浓度标定气瓶的阀门；再打开所述的高浓度标定气瓶的阀门进行氧传感器和二氧化碳传感器的再一次的标定，四通电磁阀上端端口到右端端口通路打开，高浓度标定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，关闭高浓度标定气瓶的阀门；

(2)将四通电磁阀左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，测量出测试环境中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度，在测试之前获取周围环境中空气浓度从而消除环境中空气浓度变化带来的误差；

(3)受试者带上呼吸面罩，将四通电磁阀下端端口到右端端口通路打开，若测试者使用气体代谢测试装置对受试者进行静息能耗测试，则需要让受试者休息半个小时左右以便进入静息状态，若测试者使用气体代谢测试装置对受试者进行运动心肺测试，则将该装置与跑步机、功率车等负载设备连接起来。受试者通过T型阀的左端端口吸入空气，呼出气体从T型阀的右端端口先后通过流量传感器、混合室一、混合室二，最后排入空气中；其中流量传感器测量呼出气体的流量，气体浓度分析部分周期性地从混合室二抽取部分样气，获取混合室二内氧气、二氧化碳的平均浓度数据；

(4)控制单元采集流量传感器、氧传感器和二氧化碳传感器测量出的数据并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，其中五口气时间摄氧量、二氧化碳排出量推算过程如下：

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)为呼出气体瞬时流速；t₁为第一口气吸气开始的时间点；t₂为第五口气呼气结束的时间点；F_ECO2为五口呼出气体中平均二氧化碳浓度；F_EO2为五口呼出气体中平均氧气浓度；F_IO2为吸入空气中平均氧气浓度；F_ICO2为吸入空气中平均二氧化碳浓度。

本发明的优点是：本发明独创地采用了双混合室结构设计，前置的混合室一极大地加速了呼出气体的混合速度，消除了呼出的一口气内氧气、二氧化碳浓度的较大波动，缩短了气体混合所需要的时间，提高了分析的实时性；后置的混合室二借助挡板有效地截取并混合了五口呼出气体，再通过混合室二中间部位进行气体取样分析，可准确得到混合室二气体中氧气、二氧化碳的平均浓度。

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是本发明中混合室二结构图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，一种基于混合室技术的气体代谢检测装置，包括有气体采集混合部分17、气体浓度分析部分16、控制单元14和人机交互设备15，所述的气体采集混合部分17包括有呼吸面罩1、T型阀2、流量传感器3、混合室一4和混合室二6，所述的呼吸面罩1的进出口与T型阀2的下端端口连接，T型阀2的右端端口与流量传感器3的进口连接，流量传感器3的出口与混合室一4的进口连接，混合室一4的出口与混合室二6的进气口连接，在混合室一4的底部开有左、右通孔，左、右通孔之间连接有抽气泵一5，混合室二6的排气口连接有排气管7，在混合室二6内设有多个交叉挡板18，所述的气体浓度分析部分16包括有低浓度标定气瓶8、高浓度标定气瓶13、四通电磁阀9、氧传感器10、二氧化碳传感器11和抽气泵二12，所述的混合室二6的取样口连接四通电磁阀9的下端端口，四通电磁阀9的上端端口分别与低浓度标定气瓶8和高浓度标定气瓶13连接，四通电磁阀9的右端端口分别连接氧传感器10和二氧化碳传感器11的进口，氧传感器10和二氧化碳传感器11的出口均与抽气泵二12连接，所述的抽气泵一5、抽气泵二12、流量传感器3、四通电磁阀9、氧传感器10和二氧化碳传感器11均与控制单元14连接，控制单元14与人机交互设备15连接。

一种基于混合室技术的气体代谢检测方法，步骤如下：

(1)打开所述的低浓度标定气瓶8的阀门进行氧传感器10和二氧化碳传感器11的标定，四通电磁阀9上端端口到右端端口通路打开，低浓度标定气瓶8中的标定气体通过氧传感器10和二氧化碳传感器11对其进行标定，待氧传感器10和二氧化碳传感器11标定结束，关闭低浓度标定气瓶8的阀门；再打开所述的高浓度标定气瓶13的阀门进行氧传感器10和二氧化碳传感器11的再一次的标定，四通电磁阀9上端端口到右端端口通路打开，高浓度标定气瓶13中的标定气体通过氧传感器10和二氧化碳传感器11对其进行标定，待氧传感器10和二氧化碳传感器11标定结束，关闭高浓度标定气瓶13的阀门；

(2)将四通电磁阀9左端端口到右端端口通路打开，抽气泵二12将测试环境中的空气抽送到氧传感器10和二氧化碳传感器11，通气1分钟后，测量出测试环境中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度，在测试之前获取周围环境中空气浓度从而消除环境中空气浓度变化带来的误差；

(3)受试者带上呼吸面罩1，将四通电磁阀9下端端口到右端端口通路打开，若测试者使用气体代谢测试装置对受试者进行静息能耗测试，则需要让受试者休息半个小时左右以便进入静息状态，若测试者使用气体代谢测试装置对受试者进行运动心肺测试，则将该装置与跑步机、功率车等负载设备连接起来。受试者通过T型阀2的左端端口吸入空气，呼出气体从T型阀2的右端端口先后通过流量传感器3、混合室一4、混合室二6，最后排入空气中；其中流量传感器3测量呼出气体的流量，气体浓度分析部分16周期性地从混合室二6抽取部分样气，获取混合室二6内氧气、二氧化碳的平均浓度数据；

(4)控制单元14采集流量传感器3、氧传感器10和二氧化碳传感器11测量出的数据并上传给人机交互设备15，人机交互设备15根据控制单元14采集上传的数据，计算并显示测量结果，其中五口气时间摄氧量、二氧化碳排出量推算过程如下：

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)为呼出气体瞬时流速；t₁为第一口气吸气开始的时间点；t₂为第五口气呼气结束的时间点；F_ECO2为五口呼出气体中平均二氧化碳浓度；F_EO2为五口呼出气体中平均氧气浓度；F_IO2为吸入空气中平均氧气浓度；F_ICO2为吸入空气中平均二氧化碳浓度。

气体混合、取样的具体实现过程如下：

受试者呼出的一口气通过流量传感器3后进入混合室一4中。混合室一4用于快速混合呼出气体，其容积约为0.8L左右，相当于正常人呼出的一口气的体积。呼出气体从混合室一4左端流入右端，抽气泵一5将混合室一4右端气体抽送到左端，抽气泵一5让气体在混合室一4内快速流动，呼出气体在混合室一4内得到快速混合。快速混合有效消除了人体呼出的一口气中氧气和二氧化碳的浓度较大的变化。由于混合室一4的体积是恒定的，在抽气泵一5的作用下虽然可以加速混合，但是由于混合室一4在混合的过程中伴随着气体的流入与流出，快速混合后混合室一4内的气体浓度无法代表气体的平均浓度，越早进入混合室的气体在混合后存留的越少，越迟进入混合室的气体存留的越多，即先进入混合室的气体浓度对混合后混合室内气体浓度影响小，后进入混合室的气体浓度对混合后混合室内气体浓度影响大。另外由于人体处于稳态时，人体耗氧量变化不大，呼出气体中前一口气与后一口气之间氧气、二氧化碳的平均浓度变化很小，所以经过混合室一4混合后气体的浓度变化很小，不再需要快速混合，因此本发明在快速混合室一4后接入一个慢速混合室二6，通过混合室二6内交叉挡板18的阻隔作用，可以在混合室内很好的截留住约五口呼出气体，同时交叉挡板对气体的阻隔有利于气体形成涡流，促进所截留的五口呼出气体之间的混合，再从混合室二6的中间部位抽取部分气体到传感器读取浓度值，该浓度值就可以准确反映五口呼出气体的平均浓度值。

Claims (1)

1.一种基于混合室技术的气体代谢检测方法，其特征在于：所述的基于混合室技术的气体代谢检测方法所使用的装置，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呼吸面罩、T型阀、流量传感器、混合室一和混合室二，所述的呼吸面罩的进出口与T型阀的下端端口连接，T型阀的右端端口与流量传感器的进口连接，流量传感器的出口与混合室一的进口连接，混合室一的出口与混合室二的进气口连接，在混合室一的底部开有左、右通孔，左、右通孔之间连接有抽气泵一，混合室二的排气口连接有排气管，在混合室二内设有多个交叉挡板，所述的气体浓度分析部分包括有低浓度标定气瓶、高浓度标定气瓶、四通电磁阀、氧传感器、二氧化碳传感器和抽气泵二，所述的混合室二的取样口连接四通电磁阀的下端端口，四通电磁阀的上端端口分别与低浓度标定气瓶和高浓度标定气瓶连接，四通电磁阀的右端端口分别连接氧传感器和二氧化碳传感器的进口，氧传感器和二氧化碳传感器的出口均与抽气泵二连接，所述的抽气泵一、抽气泵二、流量传感器、四通电磁阀、氧传感器和二氧化碳传感器均与控制单元连接，控制单元与人机交互设备连接；混合室一容积为0.8L左右；

所述的基于混合室技术的气体代谢检测方法，步骤如下：

（1）打开所述的低浓度标定气瓶的阀门进行氧传感器和二氧化碳传感器的标定，四通电磁阀上端端口到右端端口通路打开，低浓度标定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，关闭低浓度标定气瓶的阀门；再打开所述的高浓度标定气瓶的阀门进行氧传感器和二氧化碳传感器的再一次的标定，四通电磁阀上端端口到右端端口通路打开，高浓度标定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，关闭高浓度标定气瓶的阀门；

（2）将四通电磁阀左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，测量出测试环境中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度；

（3）受试者带上呼吸面罩，将四通电磁阀下端端口到右端端口通路打开，受试者通过T型阀的左端端口吸入空气，呼出气体从T型阀的右端端口先后通过流量传感器、混合室一、混合室二，最后排入空气中；其中流量传感器测量呼出气体的流量，气体浓度分析部分周期性地从混合室二抽取部分样气，获取混合室二内氧气、二氧化碳的平均浓度数据；

（4）控制单元采集流量传感器、氧传感器和二氧化碳传感器测量出的数据并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，其中五口气时间摄氧量、二氧化碳排出量推算过程如下：

呼出气体体积；

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)为呼出气体瞬时流速；t₁为第一口气吸气开始的时间点；t₂为第五口气呼气结束的时间点； F_ECO2为五口呼出气体中平均二氧化碳浓度；F_EO2为五口呼出气体中平均氧气浓度；F_IO2为吸入空气中平均氧气浓度；F_ICO2为吸入空气中平均二氧化碳浓度，V_out为呼出气体体积，V_in为吸入气体体积，V_O2为摄氧量，V_CO2为二氧化碳排出量。