Page 85 - 《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

二氧化碳传感器的浓度标定；控制模块负责气路切 主管路组成。在测试时，受试者佩戴面罩连接主管
换、气体浓度测量模块中的旁路抽气采样、人体呼 路，以实现与空气进行气体交换的气流通路。其
出气水汽滤除和传感器防冷凝等工作；气体浓度测 中，通过安装在主管路上的压差式流量传感器实现
量模块基于顺磁式氧气传感器和非分散红外二氧化 呼吸流量检测。
碳传感器，结合旁路抽气采样方式，实现人体呼吸 气体浓度采样单元通过气管依次连接干燥管、
气的实时氧气浓度和二氧化碳浓度测量；环境参数 比例阀、二氧化碳传感器、氧气传感器、缓冲罐和
测量模块通过环境传感器获取环境中的温湿度和气 抽气泵，为二氧化碳传感器和氧气传感器提供分析
压参数；主控模块主要用于各传感器信号的采集和 气流通路。在进行代谢测试时，首先，抽气泵产生
气路的控制；上位机用于主控模块通信、代谢指标 负压，受试者部分呼吸气经气路切换器被抽入气体
计算及结果展示。 浓度采样单元；其次，呼吸气经Nafion膜式干燥管

2.2 气路结构设计
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进行水汽滤除后，流至比例阀 ；然后，呼吸气经
为实现基于逐口气法的人体呼吸气收集，为后
比例阀进入二氧化碳传感器的进气口；接着，呼吸
续流量、氧气浓度和二氧化碳浓度检测提供气流通
气经二氧化碳传感器和氧气传感器分析，分别得到
路，本文设计的系统气路结构主要由流量采样主路
呼吸气中的二氧化碳浓度和氧气浓度；最后，呼吸
单元和气体浓度采样单元组成，如图2所示。
气经缓冲罐缓冲，被抽气泵抽出排放至环境中，实
流量采样主路单元 现人体呼吸气的旁路抽气采样。

压差式流量传感器 2.3 硬件设计
面罩 主管路 选用Cortex-M4内核单片机（GD32F405）为主
控模块，实现呼吸气流量和浓度信号的采集及气路
气路切换器 标定模块
控制。

二氧化碳传感器 恒温盒
氧气传感器 2.3.1 流量信号采集电路
比例阀
Nafion 为实现受试者呼吸气的流量信号采集，首先，
膜式 缓冲罐 抽气泵
干燥管 由压差式流量传感器检测受试者的呼吸流量，并输出
模拟信号；其次，基于精密运算放大器（RS8554），
对输出的模拟电压信号进行低通除噪滤波处理，并
气体浓度采样单元
按一定比例放大；最后，通过无误码16位ADC转
图2 人体能量代谢检测系统气路结构
Fig.2 Gas path structure of human energy metabolism detection system 换器，将模拟信号转换为数字信号，并通过SPI接
流量采样主路单元由面罩、压差式流量传感器、 口传输至主控模块。流量信号采集电路如图3所示。

图3 流量信号采集电路
Fig.3 Flow signal acquisition circuit

2.3.2 氧气浓度信号采集电路 气的氧气浓度信号。氧气传感器输出的模拟信号
为实现受试者呼吸气的氧气浓度信号采集，选 先经一阶RC低通滤波处理，再通过高精度24位差分
用顺磁式氧气传感器（测量范围为0%~100%O ， 输入的ADC芯片（MS5194T，采样频率为100 Hz）
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测量精度为±0.1%，响应时间为200 ms）采集呼吸 完成模数转换，最后由主控模块将该数字信号传输

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