Page 84 - 《中国医疗器械杂志》2025年第2期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2025 年 第49卷 第2期

设 计 与 制 造

目前，临床上常用的人体能量代谢检测设备有 F eH 2 O 为人体呼出气中的水蒸气浓度，即37 ℃时饱
意大利Q-NRG间接测热计、美国MGC ULTIMA 和水蒸气浓度。
SYSTEM PFX CARDIO2代谢车和芬兰Deltatrae Ⅱ 每分钟氧气消耗量 V O 2 、每分钟二氧化碳产生
代谢车等 [4-6] 。国内的间接测热设备尚处于起步阶 量 V CO 2 的计算公式如式(5)、式(6)所示。
r
[7]
段 ，无法满足对实时性要求较高的应用场景下的 V e dt
= ×
人体代谢测量需求。进口设备价格昂贵，操作及维 T
V O 2
[ r r ]
护复杂，导致基于代谢检测的人体营养评估普及困 k × (F iO 2 ×V i )dt (F eO 2 ×V e )dt
r − r (5)
难。《国民营养计划（2017—2030年）》已将营养 V i dt V e dt
r
监测与评估的相关技术列为重点研究对象之一。因 V e dt
V CO 2 = ×
此，需要研制一种实时性高且易于推广的人体能量 T
[ r r ]
代谢检测设备。 (F eCO 2 ×V e )dt − k × (F iCO 2 ×V i )dt (6)
r
r
V e dt V i dt
针对营养监测与评估的迫切需求，本文设计了
式中： 、 分别为实时吸入气的氧气浓度
一套基于逐口气法的人体能量代谢检测系统。针对 F iO 2 F iCO 2
和二氧化碳浓度； 、 分别为实时呼出气
逐口气法中普遍存在的水蒸气冷凝严重影响测量 F eO 2 F eCO 2
的氧气浓度和二氧化碳浓度；V 和V 分别为吸气和
精度和稳定性难题，采用基于比例、积分、微分反 i e
呼气时的实时流量；T为单次呼吸周期。
馈控制算法（proportional integral derivative, PID）
根据Weir公式，可计算人体的能量代谢指标：
的恒温控制方法实现防冷凝，并对该系统的有效性
静息能量消耗（resting energy expenditure, REE）、
进行验证，为临床营养监测及评估提供可靠的工具
呼吸商（respiratory quotient, RQ） 。两个指标的
[10]
和装备。

计算公式分别如式(7)、式(8)所示。
1 测量原理
REE = (3.94 V O 2 +1.11 V CO 2 )×1.44 (7)
逐口气法通过实时测量受试者每口呼吸气的氧 RQ = V CO 2 (8)
V O 2
气消耗量和二氧化碳产生量，实现人体能量代谢检
测。其中，每口呼吸气的氧气消耗量 Q O 2 、二氧化碳 2 系统设计
产生量 Q CO 2 [8] 的计算公式分别如式(1)、式(2)所示。
2.1 整体设计
× Q e (1)
根据上述测量原理，计算代谢指标需要测量的
Q O 2 = F iO 2 × Q i − F eO 2
(2)
Q CO 2 = F eCO 2 × Q e − F iCO 2 × Q i 主要指标，包括受试者呼吸气的流量、氧气浓度、
式中： F iO 2 、 F eO 2 分别为一次呼吸周期中吸入气和 二氧化碳浓度和环境参数。
呼出气的平均氧气浓度； F iCO 2 、 F eCO 2 分别为一次 为完成上述指标的测量，本文设计的基于逐口
呼吸周期中吸入气和呼出气的平均二氧化碳浓度； 气法的人体能量代谢检测系统主要包括流量测量模
Q 、Q 分别为一次呼吸周期中吸入气和呼出气的体积。 块、标定模块、控制模块、气体浓度测量模块、环
i
e
由于呼出气和吸入气的气压、温度、湿度等不 境参数测量模块、主控模块、上位机。整体结构如
同，直接测量Q 和Q 会引入较大的误差。为了避免 图1所示。
e
i

这个问题，通常基于氮平衡原理测量流量，将Q 转 环境参数测量模块
i
[9]
换为Q 。计算公式如式(3)、式(4)所示。
e
流量测量模块 主控模块 上位机
× Q e (3)
F iN 2 × Q i = F eN 2
标定模块 气体浓度测量模块 控制模块
Q i 1− F eO 2 − F eCO 2 − F eH 2 O
k = = (4) 图1 人体能量代谢检测系统整体结构
Q e
1− F iO 2 − F iCO 2 − F iH 2 O
Fig.1 Overall structure of the human energy metabolism detection
式中： 、 分别为一次呼吸周期中吸入气和 system
F eN 2
F iN 2

呼出气中不参与人体呼吸交换的惰性气体平均浓 其中，流量测量模块基于压差式流量传感器测
度，主要由氮气等组成；k为Q 、Q 的转换系数； F iH 2 O 量人体呼吸气的实时流量；标定模块主要通过高压
i
e
为人体吸入气中的水蒸气浓度，即环境水蒸气浓度， 标准气源、减压阀及配套气路，实现氧气传感器和
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