CN110720920A - 一种营养代谢综合测试仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种营养代谢综合测试仪及其检测方法，测试仪的采集控制部分分别与舱体测试部分、呼吸气体采集部分和气体浓度分析部分连接；人机交互部分与采集控制部分连接，控制着阀门与抽气泵的工作并且收集上述传感器所检测到的数据从而进行上传。人机交互部分与采集控制部分连接，接收其传来的各部分数据并进行分析处理和结果的显示。利用间接测热法的原理，通过测试舱与平衡舱内的压强变化间接测量出在一定时间内根据氧气消耗量和二氧化碳的产生量来计算出人体的能量消耗，以及三大营养物质在能量消耗中的构成，并可以准确测量出人体的脂肪含量以及非脂肪含量，其测量结果准确可靠。

Description

一种营养代谢综合测试仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及气体样本采集分析以及人体脂肪含量分析技术领域，具体涉及一种营养代谢综合测试仪及其检测方法。

背景技术

蛋白质、脂肪和碳水化合物是人体所需的三大营养物质，三大营养物质的代谢情况直接关系到人体的健康。代谢测试系统通过对人体摄氧量、二氧化碳排出量的测量来得出人体呼吸商、基础代谢率、静息能耗等关键参数，进而评估人体的营养代谢情况。医护人员可以根据患者的测试参数制定最佳的健康干预方案，为患者提供合理有效的营养支持，促进患者的代谢平衡。

目前的代谢测试系统是根据间接测热法原理研制出来的，能够测量人体营养代谢情况，指导人体营养摄入与健康运动。间接测热法主要经历了三个主要阶段，第一阶段为经典的“道格拉斯气袋法(Douglas bag)”，将人体一段时间内呼吸的气体收集在大容积的袋子中进行测量，测量结果准确，为代谢测试的“金标准”，但是操作过程极其复杂。第二阶段为“混合气袋法(Mixing-bag)”，计算机可以在测试的过程中对气体进行分析，实现了气体代谢测试质的飞跃。第三阶段为“每口气测试法”，提高了混合气袋法动态性能，实现了实时测量。

当前市场上的气体代谢测试多数采用了基于“每口气测试法”的头罩式间接能量代谢测试法，该方法测试的过程时间较长且受试者需要一直佩戴头罩，给受试者的体验感相对较差。头罩式能量代谢测试法可间接测量出人体的能量消耗以及三大营养物质在能量消耗中的构成，但无法准确测量出人体的营养物质的含量，从而分析出对能量消耗的影响。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种营养代谢综合测试仪及其检测方法，以解决上述背景技术中提出的头罩式间接能量代谢测试法测试的过程时间较长且受试者需要一直佩戴头罩，给受试者的体验感相对较差。头罩式能量代谢测试法可间接测量出人体的能量消耗以及三大营养物质在能量消耗中的构成，但无法准确测量出人体的营养物质的含量，从而分析出对能量消耗的影响的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种营养代谢综合测试仪，包括舱体测试部分、呼吸气体采集部分、气体浓度分析部分、采集控制部分和人机交互部分，其中，

所述舱体测试部分包括测试舱、座椅、称重传感器、气压传感器、平衡舱、阀门二和阀门一，所述测试舱内部设置有座椅和气压传感器，所述测试舱外侧底部连接有称重传感器，所述测试舱通过阀门二与平衡舱连接，且测试舱上安装有控制空气流通的阀门一；

所述的呼吸气体采集部分包括气体采集管路、流量传感器、阻尼器和抽气泵一，所述气体采集管路依次连接测试舱与流量传感器的进口，且气体采集管路与测试舱的连接处为呼吸气体的进出口，所述流量传感器的出口与阻尼器的进口连接，所述阻尼器的出口与抽气泵一相连接；

所述的气体浓度分析部分包括四通电磁阀、高浓度标定气瓶、低浓度标定气瓶、氧气传感器、二氧化碳传感器和抽气泵二，所述四通电磁阀的上端口连接流量传感器与阻尼器之间的气体管路，所述四通电磁阀的下端口分别连接高浓度标定气瓶和低浓度标定气瓶，所述四通电磁阀的左端口用于抽取环境中空气，所述四通电磁阀的右端口分别连接氧气传感器和二氧化碳传感器的入口，氧气传感器与二氧化碳传感器的出口均与抽气泵二连接，从四通电磁阀的上端口、左端口和下端口抽取的气体均通过此右端口分别进入氧气传感器和二氧化碳传感器中；

所述的采集控制部分分别与舱体测试部分、呼吸气体采集部分和气体浓度分析部分连接；

所述的人机交互部分与采集控制部分连接。

作为本发明的进一步改进，所述的舱体测试部分中的平衡舱体积为40L-50L，其与测试舱用气体管路相连接，通过阀门控制两者之间的气体流通。

本发明还提供了一种营养代谢综合测试仪的检测方法，步骤如下：

(I)在受试者开始测量之前，首先打开四通电磁阀的下端口与右端口以及低浓度标定气瓶的阀门，四通电磁阀的其余两个端口关闭，抽气泵二进行抽气处理，低浓度标定气瓶中的气体分别经过氧气传感器和二氧化碳传感器，3-10分钟后完成对氧气传感器和二氧化碳传感器的低浓度标定，随后关闭低浓度标定气瓶的阀门以及抽气泵二；紧接着打开高浓度标定气瓶的阀门，保持四通电磁阀的上端口与右端口的打开状态，再次打开抽气泵二，使其进行抽气处理，高浓度标定气瓶中的气体分别经过氧气传感器和二氧化碳传感器，通气后3-10分钟完成对氧气传感器和二氧化碳传感器的高浓度标定，待高低气体浓度标定结束后，关闭各阀门；

(II)打开四通电磁阀的左端口与右端口以及抽气泵二，抽气泵二将抽取到的测试环境中的空气分别传输给氧气传感器和二氧化碳传感器，在3-10分钟后，氧气传感器和二氧化碳传感器分别测试出环境中空气的平均氧气浓度与二氧化碳的浓度；

(III)受试者进入测试舱前，称重传感器测量出舱体的重量G₁，受试者进入之后，称重传感器再次测量出人体与舱体的整体重量G₂，打开阀门一，使得受试者在内部正常呼吸并处于静息状态；5-20分钟后，打开四通电磁阀的上端口与右端口，受试者的呼吸气体通过流量传感器进入阻尼器后进入空气中，抽气泵二从流量传感器和阻尼器中间部分的气管中抽取呼吸气体进入四通电磁阀的上端并传输至氧气传感器和二氧化碳传感器；流量传感器测量出呼出气体的流量数据，气体浓度分析部分周期性地抽取气体，测量出氧气和二氧化碳的平均浓度数据，采集控制部分将测量的数据进行收集与处理；

(IV)气体部分测量结束后，关闭阀门一，打开抽气泵一进行抽气处理30秒，气压传感器测量出测试舱内的压强为P_A，打开阀门二，使得两舱之间气体可以正常流通，标定3分钟稳定后，测试舱内的气压传感器再次测量此时舱内的压强为P_B，平衡舱内压强也与测试舱压强相等为P_B，采集控制部分将上述各项数据进行收集与处理；

(V)人机交互部分在接收到采集控制装置传来的数据后，进行分析计算并以报表形式显示测量结果。

(三)有益效果

与现有技术相比，采用上述技术方案后，本发明有益效果为：

1、本发明中的营养代谢综合测试仪，测试的过程中受试者无需佩戴头罩，可自由呼吸新鲜空气，测试的环境相对轻松舒适，相较于目前市场相对主流的头罩式气体代谢测量装置，本测试仪受试者可在舱内自由活动，因此是一种简单便捷且又舒适的间接能量代谢综合测试方法。

2、本发明中设计一个已知体积的平衡舱与测试舱相连，通过抽气泵对测试舱进行抽气处理，气压传感器先后测量出测试舱内的压强大小，间接的计算出人体的体脂肪含量，计算过程相对简单、准确。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的气体部分结构示意图；

图3是本发明的工作流程图；

附图标记说明：

1、测试舱；2、座椅；3、称重传感器；4、气压传感器；5、平衡舱；6、阀门二；7、阀门一；8、呼吸气体采集部分；9、气体浓度分析部分；10、采集控制部分；11、人机交互部分；12、流量传感器；13、阻尼器；14、抽气泵一；15、四通电磁阀；16、高浓度标定气瓶；17、低浓度标定气瓶；18、氧气传感器；19、二氧化碳传感器；20、抽气泵二；21、舱体测试部分。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3，本发明提供的一种实施例：一种营养代谢综合测试仪，包括舱体测试部分21、呼吸气体采集部分8、气体浓度分析部分9、采集控制部分9和人机交互部分11，所述舱体测试部分21包括测试舱1、座椅2、称重传感器3、气压传感器4、平衡舱5、阀门二6和阀门一7，所述测试舱1内部设置有座椅2和气压传感器4，所述测试舱1外侧底部连接有称重传感器3，所述测试舱1通过阀门二6与平衡舱5连接，且测试舱1上安装有控制空气流通的阀门一7；所述的呼吸气体采集部分8包括气体采集管路、流量传感器12、阻尼器13和抽气泵一14，所述气体采集管路依次连接测试舱1与流量传感器12的进口，且气体采集管路与测试舱1的连接处为呼吸气体的进出口，所述流量传感器12的出口与阻尼器13的进口连接，所述阻尼器13的出口与抽气泵一14相连接，所述抽气泵一14通过此气体管路抽取测试舱内受试者的呼吸气体，并最终排出至空气中，阻尼器13用于抽气时稳定气流，流量传感器12用于测量流速；所述的气体浓度分析部分9包括四通电磁阀15、高浓度标定气瓶16、低浓度标定气瓶17、氧气传感器18、二氧化碳传感器19和抽气泵二20，所述四通电磁阀15的上端口连接流量传感器12与阻尼器13之间的气体管路，用来抽取气体管路中的空气，所述四通电磁阀15的下端口分别连接高浓度标定气瓶16和低浓度标定气瓶17，所述四通电磁阀15的左端口用于抽取环境中空气，所述四通电磁阀15的右端口分别连接氧气传感器18和二氧化碳传感器19的入口，氧气传感器18与二氧化碳传感器19的出口均与抽气泵二20连接，从四通电磁阀15的上端口、左端口和下端口抽取的气体均通过此右端口分别进入氧气传感器18和二氧化碳传感器19中。所述的采集控制部分10分别与舱体测试部分21、呼吸气体采集部分8和气体浓度分析部分9连接，控制着上述阀门与抽气泵的工作并且收集上述传感器所检测到的数据从而进行上传。所述的人机交互部分11与采集控制部分10连接，接收其传来的各部分数据并进行分析处理和结果的显示。

本实施例还提供了一种营养代谢综合测试仪的检测方法，步骤如下：

(I)在受试者开始测量之前，首先打开四通电磁阀15的下端口与右端口以及低浓度标定气瓶17的阀门，四通电磁阀15的其余两个端口关闭，抽气泵二20以稳定的速度进行抽气处理，低浓度标定气瓶17中的气体分别经过氧气传感器18和二氧化碳传感器19，一段时间(3-10分钟)后完成对氧气传感器18和二氧化碳传感器19的低浓度标定，随后关闭低浓度标定气瓶17的阀门以及抽气泵二20；紧接着打开高浓度标定气瓶16的阀门，保持四通电磁阀15的上端口与右端口的打开状态，再次打开抽气泵二20，使其进行稳定的抽气处理，高浓度标定气瓶16中的气体分别经过氧气传感器18和二氧化碳传感器19，通气后一段时间(3-10分钟)完成对氧气传感器18和二氧化碳传感器19的高浓度标定，待高低气体浓度标定结束后，关闭各阀门；

(II)打开四通电磁阀15的左端口与右端口以及抽气泵二20，抽气泵二20将抽取到的测试环境中的空气分别传输给氧气传感器18和二氧化碳传感器19，在一段时间(3-10分钟)后，氧气传感器18和二氧化碳传感器19分别测试出环境中空气的平均氧气浓度与二氧化碳的浓度；

(III)受试者进入测试舱1前，称重传感器3测量出舱体的重量G₁，受试者进入之后，称重传感器3再次测量出入体与舱体的整体重量G₂，打开阀门一7，使得受试者在内部正常呼吸并处于静息状态；一段时间(5-20分钟)后，打开四通电磁阀15的上端口与右端口，受试者的呼吸气体通过流量传感器12进入阻尼器13后进入空气中，抽气泵二20从流量传感器12和阻尼器13中间部分的气管中抽取呼吸气体进入四通电磁阀15的上端并传输至氧气传感器18和二氧化碳传感器19；流量传感器12测量出呼出气体的流量数据，气体浓度分析部分9周期性地抽取气体，测量出氧气和二氧化碳的平均浓度数据，采集控制部分10将测量的数据进行收集与处理；

(IV)气体部分测量结束后，关闭阀门一7，打开抽气泵一14进行抽气处理30秒，气压传感器4测量出测试舱内的压强为P_A，打开阀门二6，使得两舱之间气体可以正常流通，标定3分钟稳定后，测试舱1内的气压传感器4再次测量此时舱内的压强为P_B，平衡舱5内压强也与测试舱1压强相等为P_B，采集控制部分10将上述各项数据进行收集与处理；

(V)人机交互部分11在接收到采集控制装置10传来的数据后，进行分析计算并以报表形式显示测量结果；

(VI)人机交互部分11对呼吸气体中的摄氧量和二氧化碳排出量的推算过程如下：

排出测试舱的混合气体体积：

排出测试舱的混合气体中氮气浓度：F_EN2＝1-F_ECO2-F_EO2

环境空气中氮气浓度：F_IN2＝1-F_ICO2-F_IO2

抽入测试舱中空气体积：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)为气体的瞬时流速；t₁为采样开始的时间点；t₂为采样结束的时间点；F_ECO2为排出测试舱的混合气体中的平均二氧化碳浓度；F_EO2为排出测试舱的混合气体中平均氧气浓度；F_IO2为抽入空气中平均氧气浓度；F_ICO2为抽入空气中平均二氧化碳浓度。

(VII)人机交互部分11对体脂肪与非脂肪的体积的推算过程如下：

人体的体重：G＝G₂-G₁＝ρ₁V₁+ρ₂V₂

人体的总体积：V＝V₁+V₂

测试舱内体积：V_A＝V+V_B

抽气泵抽气前两舱：P_AV_B+P_大V_C＝nRT (1)

抽气泵抽气后两舱：P_BV_B+P_BV_C＝nRT (2)

由(1)(2)两式可得：

由上述可计算出人体总体积：

人体中的脂肪体积：

人体中非脂肪的体积：

其中：ρ₁为人体脂肪密度；ρ₂为人体非脂肪密度；V₁为体脂肪体积；V₂为非脂肪体积；V_A为测试舱内的体积(已知)；V_B为测试舱内空余体积；V_C为平衡舱体积(已知)；P_A为测试舱抽气后的压强，P_B为测试舱抽气后测试舱与平衡舱的压强。

本实施例中的气体代谢测试是利用间接测热法的原理，在一定时间内根据氧气消耗量和二氧化碳的产生量来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，并可以准确测量出人体的脂肪含量以及非脂肪含量。相较于头罩式间接能量测试法，受试者可以在测试舱内自由活动，测试环境相对轻松舒适；本实施例的营养代谢综合测试仪可通过测试舱与平衡舱内的压强变化间接测量出人体的体脂肪含量与非脂肪的含量，从而分析出人体脂肪对于能量消耗的影响，其测量结果准确可靠。故此综合测试仪在人体的疾病诊断、营养指导等方面提供了指导意见。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种营养代谢综合测试仪，其特征在于，包括舱体测试部分、呼吸气体采集部分、气体浓度分析部分、采集控制部分和人机交互部分，其中，

所述舱体测试部分包括测试舱、座椅、称重传感器、气压传感器、平衡舱、阀门二和阀门一，所述测试舱内部设置有座椅和气压传感器，所述测试舱外侧底部连接有称重传感器，所述测试舱通过阀门二与平衡舱连接，且测试舱上安装有控制空气流通的阀门一；

所述的呼吸气体采集部分包括气体采集管路、流量传感器、阻尼器和抽气泵一，所述气体采集管路依次连接测试舱与流量传感器的进口，且气体采集管路与测试舱的连接处为呼吸气体的进出口，所述流量传感器的出口与阻尼器的进口连接，所述阻尼器的出口与抽气泵一相连接；

所述的气体浓度分析部分包括四通电磁阀、高浓度标定气瓶、低浓度标定气瓶、氧气传感器、二氧化碳传感器和抽气泵二，所述四通电磁阀的上端口连接流量传感器与阻尼器之间的气体管路，所述四通电磁阀的下端口分别连接高浓度标定气瓶和低浓度标定气瓶，所述四通电磁阀的左端口用于抽取环境中空气，所述四通电磁阀的右端口分别连接氧气传感器和二氧化碳传感器的入口，氧气传感器与二氧化碳传感器的出口均与抽气泵二连接，从四通电磁阀的上端口、左端口和下端口抽取的气体均通过此右端口分别进入氧气传感器和二氧化碳传感器中；

所述的采集控制部分分别与舱体测试部分、呼吸气体采集部分和气体浓度分析部分连接；

所述的人机交互部分与采集控制部分连接。

2.根据权利要求1所述的一种营养代谢综合测试仪，其特征在于，所述的舱体测试部分中的平衡舱体积为40L-50L。

3.一种营养代谢综合测试仪的检测方法，其特征在于，步骤如下：

(I)在受试者开始测量之前，首先打开四通电磁阀的下端口与右端口以及低浓度标定气瓶的阀门，四通电磁阀的其余两个端口关闭，抽气泵二进行抽气处理，低浓度标定气瓶中的气体分别经过氧气传感器和二氧化碳传感器，3-10分钟后完成对氧气传感器和二氧化碳传感器的低浓度标定，随后关闭低浓度标定气瓶的阀门以及抽气泵二；紧接着打开高浓度标定气瓶的阀门，保持四通电磁阀的上端口与右端口的打开状态，再次打开抽气泵二，使其进行抽气处理，高浓度标定气瓶中的气体分别经过氧气传感器和二氧化碳传感器，通气后3-10分钟完成对氧气传感器和二氧化碳传感器的高浓度标定，待高低气体浓度标定结束后，关闭各阀门；

(II)打开四通电磁阀的左端口与右端口以及抽气泵二，抽气泵二将抽取到的测试环境中的空气分别传输给氧气传感器和二氧化碳传感器，在3-10分钟后，氧气传感器和二氧化碳传感器分别测试出环境中空气的平均氧气浓度与二氧化碳的浓度；

(III)受试者进入测试舱前，称重传感器测量出舱体的重量G₁，受试者进入之后，称重传感器再次测量出人体与舱体的整体重量G₂，打开阀门一，使得受试者在内部正常呼吸并处于静息状态；5-20分钟后，打开四通电磁阀的上端口与右端口，受试者的呼吸气体通过流量传感器进入阻尼器后进入空气中，抽气泵二从流量传感器和阻尼器中间部分的气管中抽取呼吸气体进入四通电磁阀的上端并传输至氧气传感器和二氧化碳传感器；流量传感器测量出呼出气体的流量数据，气体浓度分析部分周期性地抽取气体，测量出氧气和二氧化碳的平均浓度数据，采集控制部分将测量的数据进行收集与处理；

(IV)气体部分测量结束后，关闭阀门一，打开抽气泵一进行抽气处理30秒，气压传感器测量出测试舱内的压强为P_A，打开阀门二，使得两舱之间气体可以正常流通，标定3分钟稳定后，测试舱内的气压传感器再次测量此时舱内的压强为P_B，平衡舱内压强也与测试舱压强相等为P_B，采集控制部分将上述各项数据进行收集与处理；

(V)人机交互部分在接收到采集控制装置传来的数据后，进行分析计算并以报表形式显示测量结果。

4.根据权利要求3所述的一种营养代谢综合测试仪的检测方法，其特征在于，所述的人机交互部分对呼吸气体中的摄氧量和二氧化碳排出量的推算过程如下：

排出测试舱的混合气体体积：

排出测试舱的混合气体中氮气浓度：F_EN2＝1-F_ECO2-F_EO2

环境空气中氮气浓度：F_IN2＝1-F_ICO2-F_IO2

抽入测试舱中空气体积：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)为气体的瞬时流速；t₁为采样开始的时间点；t₂为采样结束的时间点；F_ECO2为排出测试舱的混合气体中的平均二氧化碳浓度；F_EO2为排出测试舱的混合气体中平均氧气浓度；F_IO2为抽入空气中平均氧气浓度；F_ICO2为抽入空气中平均二氧化碳浓度。

5.根据权利要求3所述的一种营养代谢综合测试仪的检测方法，其特征在于，人机交互部分对体脂肪与非脂肪的体积的推算过程如下：

人体的体重：G＝G₂-G₁＝ρ₁V₁+ρ₂V₂

人体的总体积：V＝V₁+V₂

测试舱内体积：V_A＝V+V_B

抽气泵抽气前两舱：P_AV_B+P_大V_C＝nRT (1)

抽气泵抽气后两舱：P_BV_B+P_BV_C＝nRT (2)

由(1)(2)两式可得：

由上述可计算出人体总体积：

人体中的脂肪体积：

人体中非脂肪的体积：

其中：ρ₁为人体脂肪密度；ρ₂为人体非脂肪密度；V₁为体脂肪体积；V₂为非脂肪体积；V_A为测试舱内的体积；V_B为测试舱内空余体积；V_C为平衡舱体积；P_A为测试舱抽气后的压强，P_B为测试舱抽气后测试舱与平衡舱的压强。

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