运动气体代谢测试技术的发展

运动气体代谢测试技术的进展夏云运动气体代谢测试技术近年来有了很多的进展，表现为每口气法技术〔BreathbyBreath〕越来越成熟，而且派生出很多的争论内容。但其根本原理却始终没有变化，通过改进，逐步逐步使测量变得更加准确和舒适。根本原理运动心肺功能测试是指在一个运动规程下〔蹬车或跑步〕，同时进展运动气体代谢监测和运动心电图检测，从而全面评估心肺的综合运动力量。气体代谢主要获得通气量VE、摄氧量VO2、二氧化碳排出量VCO2、呼吸熵RER或RQ、无氧阈AT等重要参数。实际上测量的核心数据来自流量传感器、氧和二氧化碳气体分析器。1〕通气量〔VE〕等于潮气量〔VT〕与呼吸频率〔BF〕的乘积，即公式为VE=VT*BF2〕摄氧量〔VO2〕等于吸入和呼出氧总量的差，即吸入气体容积〔VI〕乘吸入气的氧浓度〔FiO2，一般大气为20.9%〕减去呼出气体容积〔VE〕乘呼出气的平均氧浓度〔FeO2，一般人体呼出气的氧浓度为15左右，所以计算公式为VO2=VI*FiO2-VE*FeO2其中VE比VI被加温到37摄氏度、100%饱和水蒸气，所以体积会增大。不过，通过环境参数测量，我们BPTS〔标准大气压、37摄氏度、100%饱和湿度〕的校正系数，这样使测量结果更加准确、重复性更好。3〕二氧化碳排出量〔VCO2〕同摄氧量的计算公式，等于吸入和呼出二氧化碳总量的差，整个公式可简化为呼出气体容量〔VE〕乘呼出气平均二氧化碳浓度〔FeCO2，一般人体呼出的二氧化碳浓度为5左右，即公式为VCO2=VE*FeCO24〕呼吸熵〔RQ〕也称气体交换率〔RER〕它是二氧化碳排出量和摄氧量的比值，安静状0.71.0之间，具体数据取决于食物底料。即公式为RER(RQ)=VCO2/VO25〕运动心电图是一个相对独立的局部，它给气体代谢局部供给心率〔HR〕一个指标，摄运动气体代谢测试技术的进展.doc 1氧量比心率就可得到氧脉搏O2pulse或VO2/HO2Pulse=VO2/HR这是反映心脏射血机能的一个重要指标。现在一些先进的仪器能做到十二导运动心电图和气体代谢同步记录同步回放，这样给心肺功能的综合评估带来不少便利。-(Dagalasbag)格拉斯霍尔顿气袋法〔Dagalasbag，需要一个三通的单向阀〔Y型单向阀门〕和一些气袋就可以了，受试者通过单向阀门吸入空气，再通过单向阀从另外管道呼出气体，全部的呼出气全部收集到道格拉斯气袋中，每隔肯定时间〔30秒或一分钟〕更换一个气袋，这样整个测试过程就需要几十个气袋。测试完成后，先测量呼出气体的容量，再使用化学分析方法分析气袋中的氧和二氧化碳的成分〔反映呼出气的平均浓度，整个过程缓慢而且格外繁琐。这样，通气量VE是直接测量得到，VO2和VCO2按以下计算公式获得：VO2=VI*FiO2-VE*FeO2VCO2=VE*FeCO2优缺点：这种方法，格外经典、被公认为气体代谢测量的金标准，但是非实时测量〔NoOnlineTes，在测量的当时是无法观看到数据的，而且测量完毕后，需要一个个气袋进展试验室测量再计算，后续工作繁多。还有，气体采样间隔事先固定好，比较呆板，事后评估时，当试，才用的采样间隔。所以比较不便利，现已经很少使用了。重的呼吸管道和大气袋。运动气体代谢测试技术的进展.doc 2(Mixingbag)由于经典的格拉斯-霍尔顿气袋法不能做到测试数据的实时〔On-line〕分析，于是有人就提出〔Mixing-ba时的苹果II测试的同时得到气体代谢的数据大的飞跃。这类的产品比较多，如早期耶格的EOSEOS-SprintGold和美国森2900等等。测量误差从混合气袋法开头，容量和气体浓度的测量消灭了分别，即容量是通过流量传感器获得，而气体浓度却并不完全是所测到容积下的呼出气浓度，而是当时气袋中的混合气浓度：成了低通气量和高通气量下，测试都是不准确的。为使测试能够准确，采样时间不能过短，3060能适合稳态功率负荷的试验或测试时间慢长的递增负荷试验得力不从心了，现已根本淘汰。(BreathbyBreath)解决混合气袋法的测量误差就要使容量测量和气体浓度测量统一，但由于承受了流量浓度，这样就彻底解决了混合气袋法的缺陷，这就是“每口气法〔BreathbyBreath〕”，她飞跃。现在目前市场上的全部产品都是每口气法的了。每口气技术进展又格外快速，从消灭到现在已经经受了好三个阶段了，从闭合模式到开放模式。早期的每口气法：混合室技闭合模式早期的“每口气法”与混合气袋法格外相像〔见以下图很多的混合室〔约为4升〕代替体积浩大的大气袋，并且将流量传感器前置，放在吸气管道上，这样的好处呼出气中的水蒸气再也不会对流量测量造成影响了，运动气体代谢测试技术的进展.doc 3流量传感器混合室应当说，这种方法从外表上看，似乎没什么改进，但实际上这是气体代谢测试技术上一个革命性的变革`。与以往测试方法相比，其优点是显著的：首先，它是第一个“每口气法”测试技术方法，每一口气采样分析一次，极大地丰富了测试样本，供给大量具体的测试信息。其次，由于是每一口气都采样分析，所以动态性能格外好，对快速功率负载递增试验也能胜任了，可以承受RampTest方案〔线性功率递增试验，这种方法能够在更短的时间连接的准确功率计。最终，这种早期的混合室法大大提高了在高通气和低通气下的测试精度。但是，这种早期的混合室法也存在着缺陷：首先，流量传感器在吸气管道上，所以它仅仅测量吸气容积，呼气容量是通过BTPS,其次，由于承受吸气和呼气两套管道系统，呼吸阻力是很大的，特别在呼吸频率高、〔200分？，受试者无法正常发挥其最大运动力量。再次，混合室物理混合均匀呼出气需要时间，但在高通量量下，混合室的气体可能还没有混合均匀，下一口气就进来了。所以在高通气量下，测量误差就很大。还有，混合室的大小最好能按呼吸的深浅进展变化，理论上混合室的大小应当正好等时误差比较大。最终，更致命的缺陷在于“延迟时间Delaytim时间的大小，由于，流速快、延迟时间就短；流速慢，延迟时间就长；在整个测试过程中，BreathbyBreath30%的测量误差！运动气体代谢测试技术的进展.doc 4改进其测量误差的方法：用数字式、对潮气不敏感的流量传感器代替传统的压差式流量传感器，并将其安放在呼气管道上，这样通气量的测量误差大为缩小。去掉吸气管道，削减50%呼吸管道阻力，在客观上削减高通气的限制因素。削减物理混合的时间，无非是削减混合室的容积大小〔实际上在这里是不行能的〕，或者是增加电动的搅拌装置〔增加仪器的本钱。用可调大小的动态混合室代替固定容积的混合室，削减呼吸不均匀的测量误差，但这需要简单的电动机械设备来实现，本钱很高。延迟时间问题也不行能彻底解决，只能通过大量试验，积存阅历，然后修正其不同通气时的测量误差〔实际上戴着笨重的管道不行能到达很高的通气量。由于闭合模式的种种缺陷，目前这种方法仅用于重症呼吸衰竭抢救中气体代谢的测MAX-II一种产品仍旧承受这种古老的运动测试技术。当前的每口气法：微型混合室开放模式技术我们在改进早期每口气法时觉察，由于通气量是通过流量传感器测量的，混合室仅仅是物理平均呼出气的成分然后送去分析其氧和二氧化碳浓度的微型混合室〔6ml〕中混合均匀，原理构造图如下，在这里按比例抽取气体的电动抽气泵格外重要，需要一个动态性能极佳的抽气泵，气流量快时，抽取地快；气流慢时，抽取地慢，但从技术角度上，永久也不行能完全按比例抽取。这种方法最大的好处是，气体分析器的速度要求不高，可以大大降低仪器的本钱市场上很多运动心肺功能仪都承受这种方法，如耶格的MasterScreenCPX,德国Cortex,美Medgraph等。微型混合室与传统的混合室相比，好处是明显的，如流量双向测量，使通气量VE侧量更加准确。去掉全部的呼吸管道，大大削减呼吸阻力，高通气不再困难了。运动气体代谢测试技术的进展.doc 5微型混合室的物理混合速度比混合室快很多，所以就不存在混合速度对测试精度的影响了。而且也不需要简单的装置，大大降低仪器的本钱气体采样由计算机掌握的伺服抽气泵完成，由于采样管道长度固定，抽气的速度也〔与流速正比地削减了这方面的误差，大大提高了大通气量下的测试精度。其实，微型混合室法最大的优点是开放模式下测量，使受试者彻底抛弃了笨重的呼吸管道和单向阀，仪器的系统死腔大大削减，受试者可以自由拘束地呼吸。这种方法在技术上对传感器要求也并不是很高，而且还可以测到潮气末二氧化碳分压和死腔，是目前应用最广泛的一种方法。最的每口气法：数字混合室开放模式的最进展开放模式的最进展是承受数字混合室代替真实存在的各种混合室，仪器上根本就不没有混合室了，承受快速气体分析器，直接分析口鼻处吸入和呼出的每一瞬间的气体成分，靠近道格拉斯气袋而从理论上无测量误差。由于这种方法对气体分析器的速度要求格外苛刻，所以实现本钱昂贵。上图是数字混合室技术的气路构造，这里的采样抽气泵是以稳定的流速抽取样本，所以准确的延迟时间可以事先通过定标获得。这样延迟时间问题被彻底解决。这种方法另外的好处是同时得到了潮气末的氧和二氧化碳气体分压以及实时的氧