CN108175412B - 一种头罩式间接能量测试方法及装置 - Google Patents

一种头罩式间接能量测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种头罩式间接能量测试方法及装置，可用于对人体能量代谢率的简单、准确测量。本发明中运用负压头罩收集分析人体呼出气体，使得计算能量代谢率时无需考虑面罩和生理死腔误差修正，无需考虑流速与浓度间延迟校对，简化了测试数据分析计算复杂度，提高了测量的精度；通过设计负压头罩的结构和对应的自适应抽气速度调整算法，减少浓度稀释比例；同时还采用了一种泄压装置，平衡标定气和测量气间压力差，提高了测量结果准确性。本发明可用于人体静息能量消耗测量，具有舒适、安全、测量精度高的优点。

Description

一种头罩式间接能量测试方法及装置
技术领域
本发明涉及气体样本采集分析领域，具体涉及一种头罩式间接能量测试方法及装置。
背景技术
气体代谢分析仪器通过测试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，用于营养代谢评估。另外该装置还可与跑步机、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，用于评估人体心肺耐力测试与心肺循环***疾病无创诊断。因此气体代谢测试在营养膳食指导、疾病诊断与康复领域具有重要的应用价值。
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，呼气阻力很大。微型混合室方法采集微量人体呼出气体进行分析，微型混合室与道格拉斯气袋法相比，其最大的优点是可以在开放式呼吸模式下进行测量，但受采样误差和呼吸死腔影响，其准确度仍有待提高。
头罩式间接能量测试方法是一种开放式能量代谢测试方法，相对于闭合式能量代谢测试，测试过程受试者可以自由呼吸环境空气，没有管道阻力，因此测试过程更加舒适，更加人性化；头罩式能量代谢测试采样负压头罩收集人体呼出气体，利用氮气平衡分析计算，不需要相关通气死腔的误差修正，另外与人体呼出气体流速实时变化不同，头罩抽气速度恒定，头罩中的气体浓度分析不需要与流速关联，即不需要修正流速、浓度传感器的反映延迟，因此测量结果更加准确可靠。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种新型头罩式间接能量测试方法及装置，提高了测试者在测试过程中的舒适度和安全性。实现了对人体呼出气体更加精确的测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的方案为：
一种头罩式间接能量测试装置，该装置由头罩、流量传感器、阻尼器、第一抽气泵组成的气体采集混合部分实现了人体呼出气体和空气组成混合气体的采集与混合，其中第一抽气泵、阻尼器、流量传感器、头罩抽气口依此通过气管连接，第一抽气泵经该通路抽取头罩中人体呼出气体，最后排除到空气中，阻尼器用于稳定抽气气流，流量传感器用于抽气流速测量；由第一气瓶、第二气瓶、四通阀、氧传感器、二氧化碳传感器、第二抽气泵组成的气体浓度分析部分实现了气体浓度分析，其中四通阀B端连接阻尼器与流量传感器间的气管，用于抽取气管中的气体，四通阀A端连通环境空气，用于抽取环境气体，第一气瓶中高浓度标定气由导管依此经第一双级减压阀、第一电磁阀连接到溢出接口，第二气瓶中低浓度标定气由导管依此经第二双级减压阀、第二电磁阀连接到溢出接口一端，溢出口另一端经稳压阀连接到四通阀D端，四通阀可选择打开A-C、B-C、D-C任一通路，第二抽气泵连接缓冲装置，同时经氧传感器和二氧化碳传感器抽取四通阀C端气体；由控制单元负责检测装置中泵和阀的控制、数据的采集与上传；人机交互设备用于数据处理、分析和显示。
其中，通过一个部分开放的透明头罩收集人体呼出气体，该面罩通过包含一个用于密封的软质围边、一个空气进气口和一个抽气口，测试抽气时，头罩内部形成负压，进气口与出气口之间形成对流，将人呼出气体抽入风机管路中。
其中，在对氧传感器和二氧化碳传感器进行标定时，先将气瓶中的高压标定气体通过溢出接口进行压力释放，再通过第二抽气泵将标定气体抽入氧传感器和二氧化碳传感器进行浓度标定。
一种头罩式间接能量测试方法，在测试开始时，分析头罩中二氧化碳的浓度来自适应调整第一抽气泵的抽气速度，第一抽气泵的速度分成若干档位，起始时根据体重预设第一抽气泵的抽气速度档位，其后每隔50秒分析该呼吸周期中头罩内二氧化碳浓度的最小值与最大值，并与预设的阈值比较，调整风机档位，当阈值条件满足后，抽气速度档位保持恒定。
一种头罩式间接能量测试方法，步骤如下：
步骤一：在受试者测试之前打开四通阀D-C方向的阀门，关闭四通阀其余方向的阀门，先进行传感器高浓度部分的标定，打开第一气瓶和第一双级减压阀的阀门，其中第一气瓶为高浓度气瓶，第二抽气泵以恒定的速度抽取气体，第一气瓶中标定气体通过溢出接口，一部分通过稳压阀进入氧传感器和二氧化碳传感器，对氧传感器和二氧化碳传感器进行标定，另一部分排向空气中，一段时间后，氧传感器和二氧化碳传感器高浓度部分标定结束，关闭第一电磁阀，接下来进行传感器低浓度部分的标定，打开第二气瓶和第二双级减压阀的阀门，第二气瓶为低浓度气瓶，第二抽气泵以恒定的速度抽取气体，第二气瓶中标定气体通过溢出接口，一部分通过稳压阀进入氧传感器和二氧化碳传感器，对氧传感器和二氧化碳传感器进行标定，另一部分排向空气中，一段时间后，氧传感器和二氧化碳传感器低浓度部分标定结束，关闭第二电磁阀；
步骤二：打开四通阀A-C方向的阀门，关闭四通阀其余方向的阀门，第二抽气泵以恒定速度将测试环境中的空气抽送到氧传感器和二氧化碳传感器，氧传感器和二氧化碳传感器测量出一段时间内空气中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度；
步骤三：受试者在人机交互设备上进行信息注册，完成注册后，测试人员帮助受试者带上头罩并告知受试者测量过程中的注意事项，让受试者休息半个小时左右以便进入静息状态；
步骤四：打开四通阀B-C方向的阀门，关闭四通阀其余方向的阀门，点击开始按钮，测量开始风机根据预算速度开始抽气，头罩中形成负压，吸入头罩的环境气体与人体呼出的代谢气体被一同吸入抽气管路中，此时根据二氧化碳浓度，每隔50秒风机的抽气速度会自适应调整，当达到设定的二氧化碳浓度要求后，第一抽气泵以恒定档位速度抽取气体，抽出的混合气体进入流量传感器，流量传感器测量混合气体的流量，控制单元通过流量传感器采集气体流量数据，第二抽气泵以恒定速度对管路中的气体取样，取样的一部分混合气体进入气体浓度分析部分，气体浓度分析部分获取管路中气体实时浓度数据；
步骤五：人机交互设备根据控制单元采集上传的数据，推算出一段时间内摄氧量、二氧化碳排出量，推算过程如下：
排出头罩的混合气体体积：
Figure BDA0001516333550000031
排出头罩的混合气体中氮气浓度：FEN2＝1-FECO2–FEO2
环境空气中氮气浓度：FIN2＝1-FICO2–FIO2
抽入头罩中空气体积：Vin＝Vout×FEN2/FIN2
摄氧量：VO2＝Vin×FEO2-Vout×FIO2
二氧化碳排出量：VCO2＝Vout×FICO2-Vin×FECO2
其中：v(t)为抽气管路中混合气体瞬时流速；t1为采样开始的时间点；t2为采样结束的时间点；FECO2为排出头罩的混合气体中平均二氧化碳浓度；FEO2为排出头罩的混合气体中平均氧气浓度；FIO2为抽入空气中平均氧气浓度；FICO2为抽入空气中平均二氧化碳浓度。
本发明取得的有益效果：
1、本发明一种头罩式间接能量测试方法，测试过程受试者不需要佩戴面罩，呼出气体不会泄露，同时不需要面罩相关的死腔修正，另测试过程可自由呼吸新鲜空气，因此是一种简单便捷、准确的间接能量代谢测试方法。
2、本发明一种头罩式间接能量测试方法，开始测试时，每隔50秒调整一次风机速度，当二氧化碳浓度达到预设浓度范围时，抽气速度档位不再变化，即在后续测试过程风机抽气速度保持恒定，因此计算人体摄氧量和二氧化碳排放量时，不需要流速与浓度对齐，即不用校正流速与浓度分析间的延迟时间，计算过程简单、准确。
3、通过设计头罩的形状和气体进出口位置，在测量抽气过程中,使空气从人头顶进气口进入，与人体呼出气体混合后，被吸入鼻下方抽气管路16，抽气形成的气流与人呼出气流方向相同，提高了抽气效率，减少气体浓度的稀释比例，最终提高浓度分析的精度。
4、对传感器标定时，使用压力溢出接口释放气罐中标定气体的正压，通过这样的压力调整来，保持标定时与测试时氧传感器10和二氧化碳传感器11内压力相等，除去了传统测试过程压力补偿造成的误差，提高了气体浓度测量的准确性。
5.在测试前，先通过分析头罩18中二氧化碳的浓度来确定第一抽气泵14的抽气速度，实现了第一抽气泵14在最小抽气速度下将受试者呼出的气体完全抽取分析，一方面防止了抽气速度过小使头罩18内二氧化碳多次累积导致二氧化碳溢出，影响测量结果的准确性，同时防止人体吸入过高二氧化碳造成不适；一方面在传感器精度有限的情况下，防止了抽气速度过大导致人体呼出气体被空气过分稀释，导致传感器检测到的氧气二氧化碳浓度过低，影响浓度检测精度。
附图说明
图1是本发明一种头罩式间接能量测试装置的结构示意图。
图2是本发明一种头罩式间接能量测试装置的工作流程图。
图3是本发明中溢出接口结构示意图。
图4是本发明中用于人体气体收集的头罩结构示意图。
图5是本发明中人体呼出气体二氧化碳浓度变化曲线。
图6是本发明中第一抽气泵14风速自适应调节方法流程图。
图中：1、第一气瓶；2、第二气瓶；3、第一双级减压阀；4、第二双级减压阀；5、第一电磁阀；6、第二电磁阀；7、溢出接口；8、稳压阀；9、四通阀；10、氧传感器；11、二氧化碳传感器；12、缓冲装置；13、第二抽气泵；14、第一抽气泵；15、阻尼器；16、抽气管道；17、流量传感器；18、头罩。
具体实施方式
本发明的具体实施方案一种头罩式间接能量测试装置如图1所示，包括：第一气瓶1、第二气瓶2、第一双级减压阀3、第二双级减压阀4、第一电磁阀5、第二电磁阀6、溢出接口7、稳压阀8、四通阀9、氧传感器10、二氧化碳传感器11、缓冲装置12、第二抽气泵13、第一抽气泵14、阻尼器15、抽气管道16、流量传感器17和头罩18。
一种头罩式间接能量测试装置中由头罩18、流量传感器17、阻尼器15、第一抽气泵14组成的气体采集混合部分实现了人体呼出气体和空气组成混合气体的采集与混合，其中第一抽气泵14、阻尼器15、流量传感器17、头罩18抽气口依此通过气管连接，第一抽气泵14经该通路抽取头罩中人体呼出气体，最后排除到空气中，阻尼器15用于稳定抽气气流，流量传感器17用于抽气流速测量；由第一气瓶1、第二气瓶2、四通阀9、氧传感器10、二氧化碳传感器11、第二抽气泵13组成的气体浓度分析部分实现了气体浓度分析，其中四通阀9的B端连接阻尼器15与流量传感器17间的气管，用于抽取气管中的气体，四通阀9的A端连通环境空气，用于抽取环境气体，第一气瓶1高浓度标定气由导管依此经第一双级减压阀3、第一电磁阀5连接到溢出接口7，第二气瓶2低浓度标定气由导管依此经第二双级减压阀4、第二电磁阀6连接到溢出接口7一端，溢出口另一端经稳压阀8连接到四通阀9的D端，四通阀9可选择打开A-C、B-C、D-C任一通路，第二抽气泵13连接缓冲装置12，同时经氧传感器10和二氧化碳传感器11抽取四通阀9的C端气体；由控制单元负责检测装置中泵和阀的控制、数据的采集与上传；人机交互设备用于数据处理、分析和显示。
本发明一种头罩式的人体呼出气体采集装置工作流程如图2所示，具体如下：
步骤一：如图1所示，在受试者测试之前打开四通阀9的D-C方向的阀门，关闭四通阀9其余方向的阀门。先进行传感器高浓度部分的标定。打开包含高浓度标定气得第一气瓶1和第一双级减压阀3的阀门。第二抽气泵13以恒定的速度抽取气体。第一气瓶1中标定气体通过溢出接口7，一部分通过稳压阀进入氧传感器10和二氧化碳传感器11，对氧传感器10和二氧化碳传感器11进行标定，另一部分排向空气中。一段时间后，氧传感器10和二氧化碳传感器11高浓度部分标定结束，关闭第一电磁阀5。接下来进行传感器低浓度部分的标定。打开包含低浓度标定气的第二气瓶2和第二双级减压阀4的阀门。第二抽气泵13以恒定的速度抽取气体。第二气瓶2中标定气体通过溢出接口7，一部分通过稳压阀进入氧传感器10和二氧化碳传感器11，对氧传感器10和二氧化碳传感器11进行标定，另一部分排向空气中。一段时间后，氧传感器10和二氧化碳传感器11低浓度部分标定结束，关闭第二电磁阀6。
步骤二：打开四通阀9A-C方向的阀门，关闭四通阀9其余方向的阀门。第二抽气泵13以恒定速度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，氧传感器10和二氧化碳传感器11测量出一段时间内空气中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度。
步骤三：受试者在人机交互设备上进行信息注册。完成注册后，测试人员帮助受试者带上头罩18并告知受试者测量过程中的注意事项。让受试者休息半个小时左右以便进入静息状态。
步骤四：打开四通阀9B-C方向的阀门，关闭四通阀9其余方向的阀门。点击开始按钮，测量开始风机根据预算速度开始抽气，头罩18中形成负压，吸入头罩的环境气体与人体呼出的代谢气体被一同吸入抽气管路16中。此时根据二氧化碳浓度，每隔50秒风机的抽气速度会自适应调整，当达到设定的二氧化碳浓度要求后，第一抽气泵14以恒定档位速度抽取气体。抽出的混合气体进入流量传感器17，流量传感器17测量混合气体的流量。控制单元通过流量传感器17采集气体流量数据。第二抽气泵13以恒定速度对管路16中的气体取样。取样的一部分混合气体进入气体浓度分析部分，气体浓度分析部分获取管路中气体实时浓度数据。
步骤五：人机交互设备根据控制单元采集上传的数据，推算出一段时间内摄氧量、二氧化碳排出量，推算过程如下：
排出头罩的混合气体体积：
Figure BDA0001516333550000061
排出头罩的混合气体中氮气浓度：FEN2＝1-FECO2-FEO2
环境空气中氮气浓度：FIN2＝1-FICO2-FIO2
抽入头罩中空气体积：Vin＝Vout×FEN2/FIN2
摄氧量：VO2＝Vin×FEO2-Vout×FIO2
二氧化碳排出量：VCO2＝Vout×FICO2-Vin×FECO2。
其中：v(t)为抽气管路16中混合气体瞬时流速；t1为采样开始的时间点；t2为采样结束的时间点；FECO2为排出头罩的混合气体中平均二氧化碳浓度；FEO2为排出头罩的混合气体中平均氧气浓度；FIO2为抽入空气中平均氧气浓度；FICO2为抽入空气中平均二氧化碳浓度。
人机交互设备显示出测量结果。
在步骤一中：本装置中使用的氧传感器10为电化学式传感器，二氧化碳传感器11为红外传感器均属于快速分析传感器。反应非常灵敏，一般对流速、压力、温度敏感、甚至对气体组分敏感。由于测试时第二抽气泵13是从抽气管道16中采集气体，管路中气体气压近似于大气压，为了保证标定时采集气体的压力与测试时采集气体的压力相等，标定时，首先打开气瓶经过双级减压阀减小气压，标定气体通过溢出接口7后，如图3所示。气压进一步降低，近似于大气压，这样标定时采集气体的压力与测试时采集气体的压力相等，均约等于大气压。溢出阀7与空气相连的溢出管道长度大于20cm，且要保证流入溢出阀7的标定气体量大于，被抽出溢出阀7的气体量，从溢出管道排向空气中的标定气体流速大于250ML每分钟，防治空气扩散进入标定气中。在气体标定和气体测量过程中均由第二抽气泵13产生的负压抽取气体。这样，除去了传统测试过程压力补偿造成的误差，提高了气体浓度测量的准确性。
本发明一种头罩式的人体呼出气体采集装置，其使用的头罩如图4所示，根据头罩内部容积分大、中、小三种，容积分别为10L、20L、35L左右，分别用于体重10kg～20kg、20kg～40kg、40kg以上受试者测试，测试时抽气口位于鼻出气口下方，风机抽气量一般是人体呼出气体量的数倍，因此在头罩内会形成负压，脖子周边开放部分用软质材料包裹覆盖，让大部分气体从位于人体头顶的进气口流入，形成气体对流，目的是希望通过较低的抽气速度将人体呼出气体尽快抽入管路16。头罩18一般用透明亚克力材料制作，一方面可以观察受试者的状态，提供测试过程的安全性，一方面受试者也不觉得压抑和无聊，更加人性化。
本发明一种头罩式的人体呼出气体采集装置，步骤四中采用的风机速度自适应控制算法如下：
如图5所示为人体呼出气体中二氧化碳浓度的变化，二氧化碳传感器11获取的实时浓度为管路16中的气体浓度，是人体呼出气体浓度和吸入空气混合的结果。管路中气体浓度状况随抽气速度而变化，表现为：抽气速度越快，空气进入头罩的流量越大，与人体呼吸气体混合后，混合气体中二氧化碳最大浓度越小，同时二氧化碳浓度值变化范围即浓度峰峰值越小。相反，抽气速度越小，空气进入头罩流量越小，混合气体中二氧化碳最大浓度和浓度信号峰峰值也越大。
头罩内气体浓度状况对代谢测量被测试者舒适度和测量准确性等有一定影响。一方面，如果头罩内二氧化碳浓度较高(超过1％)，导致血液中二氧化碳浓度升高，较高的血液二氧化碳浓度刺激人体中枢和外周的化学感受器，促使呼吸中枢兴奋，进而导致呼吸努力增加，即呼吸加深、加快，被测试者舒适度降低，能量消耗也随之增加。此外，头罩内二氧化碳浓度较高，头罩内与环境二氧化碳浓度差增大，这对头罩与人体接触部分的密封性提出了更高的要求。另一方面，如果抽气速度过快，头罩内二氧化碳浓度信号峰峰值较低(如小于0.5％)，则浓度信号信噪比降低，测量准确性下降。
根据上述分析，为协调代谢测试的舒适性与准确性，需要动态调整抽气速度以将二氧化碳浓度需要控制在一定范围内，其控制目标是：
(1)平均二氧化碳浓度峰值≤1％；
(2)平均二氧化碳浓度信号峰峰值≥0.5％
风机速度范围为0到60L每分钟，其中增加一档位速度增加5L每分钟，开始测试时，风机的初始速度设置是根据人体输入体重信息推算的，一般体重是体重10kg以下为10L每分钟，10kg～20kg为20L每分钟，20kg以上为35L每分钟，风机速度设置后，进入风机速度判断流程，首先等待30秒等流速、二氧化碳浓度稳定后，采集获取后面20秒内的平均二氧化碳浓度峰值与平均二氧化碳浓度信号峰峰值，然后判断平均二氧化碳浓度峰值大于1％，大于则增加一档风机速度，重新进入风机速度判断流程，若不大于1％再判断平均二氧化碳浓度信号峰峰值是否小于0.5％，小于则减少一档风机速度，重新进入风机速度判断流程，不小于0.5％，则说明二氧化碳浓度变化范围在控制目标范围内，保持恒定的抽气速度，不再调整，直到测试结束，如图6所示。

Claims (1)

1.一种头罩式间接能量测试方法，该方法利用头罩式间接能量测试装置，该装置由头罩(18)、流量传感器(17)、阻尼器(15)、第一抽气泵(14)组成的气体采集混合部分实现了人体呼出气体和空气组成混合气体的采集与混合，其中第一抽气泵(14)、阻尼器(15)、流量传感器(17)、头罩(18)抽气口依此通过气管连接，形成第一通路，第一抽气泵(14)经该第一通路抽取头罩中人体呼出气体，最后排除到空气中，阻尼器(15)用于稳定抽气气流，流量传感器(17)用于抽气流速测量；由第一气瓶(1)、第二气瓶(2)、四通阀(9)、氧传感器(10)、二氧化碳传感器(11)、第二抽气泵(13)组成的气体浓度分析部分实现了气体浓度分析，其中四通阀(9)B端连接阻尼器(15)与流量传感器(17)间的气管，用于抽取气管中的气体，四通阀(9)A端连通环境空气，用于抽取环境气体，第一气瓶(1)中高浓度标定气由导管依此经第一双级减压阀(3)、第一电磁阀(5)连接到溢出接口(7)，第二气瓶(2)中低浓度标定气由导管依此经第二双级减压阀(4)、第二电磁阀(6)连接到溢出接口(7)一端，溢出口另一端经稳压阀(8)连接到四通阀(9)D端，四通阀(9)可选择打开A-C、B-C、D-C任一通路，第二抽气泵(13)连接缓冲装置(12)，同时经氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)抽取四通阀(9)C端气体；由控制单元负责检测装置中泵和阀的控制、数据的采集与上传；人机交互设备用于数据处理、分析和显示；
通过一个部分开放的透明头罩(18)收集人体呼出气体，该头罩通过包含一个用于密封的软质围边、一个空气进气口和一个抽气口，测试抽气时，头罩内部形成负压，进气口与出气口之间形成对流，将人呼出气体抽入风机管路(16)中；
在对氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)进行标定时，先将气瓶中的高压标定气体通过溢出接口进行压力释放，再通过第二抽气泵(13)将标定气体抽入氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)进行浓度标定；其特征在于：
该头罩式间接能量测试方法包括：在测试开始时，分析头罩中二氧化碳的浓度来自适应调整第一抽气泵(14)的抽气速度，第一抽气泵(14)的速度分成若干档位，起始时根据体重预设第一抽气泵(14)的抽气速度档位，其后每隔50秒分析呼吸周期中头罩(18)内二氧化碳浓度的最小值与最大值，并与预设的阈值比较，调整风机档位，当阈值条件满足后，抽气速度档位保持恒定；
该方法具体步骤如下：
步骤一：在受试者测试之前打开四通阀(9)D-C方向的阀门，关闭四通阀(9)其余方向的阀门，先进行传感器高浓度部分的标定，打开第一气瓶(1)和第一双级减压阀(3)的阀门，其中第一气瓶(1)为高浓度气瓶，第二抽气泵(13)以恒定的速度抽取气体，第一气瓶(1)中标定气体通过溢出接口(7)，一部分通过稳压阀进入氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)，对氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)进行标定，另一部分排向空气中，一段时间后，氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)高浓度部分标定结束，关闭第一电磁阀(5)，接下来进行传感器低浓度部分的标定，打开第二气瓶(2)和第二双级减压阀(4)的阀门，第二气瓶(2)为低浓度气瓶，第二抽气泵(13)以恒定的速度抽取气体，第二气瓶(2)中标定气体通过溢出接口(7)，一部分通过稳压阀进入氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)，对氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)进行标定，另一部分排向空气中，一段时间后，氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)低浓度部分标定结束，关闭第二电磁阀(6)；
步骤二：打开四通阀(9)A-C方向的阀门，关闭四通阀(9)其余方向的阀门，第二抽气泵(13)以恒定速度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)，氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)测量出一段时间内空气中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度；
步骤三：受试者在人机交互设备上进行信息注册，完成注册后，测试人员帮助受试者带上头罩(18)并告知受试者测量过程中的注意事项，让受试者休息半个小时左右以便进入静息状态；
步骤四：打开四通阀(9)B-C方向的阀门，关闭四通阀(9)其余方向的阀门，点击开始按钮，测量开始风机根据预算速度开始抽气，头罩(18)中形成负压，吸入头罩的环境气体与人体呼出的代谢气体被一同吸入抽气管路(16)中，此时根据二氧化碳浓度，每隔50秒风机的抽气速度会自适应调整，当达到设定的二氧化碳浓度要求后，第一抽气泵(14)以恒定档位速度抽取气体，抽出的混合气体进入流量传感器(17)，流量传感器(17)测量混合气体的流量，控制单元通过流量传感器(17)采集气体流量数据，第二抽气泵(13)以恒定速度对管路(16)中的气体取样，取样的一部分混合气体进入气体浓度分析部分，气体浓度分析部分获取管路中气体实时浓度数据；
步骤五：人机交互设备根据控制单元采集上传的数据，推算出一段时间内摄氧量、二氧化碳排出量，推算过程如下：
排出头罩的混合气体体积：
Figure FDA0002982977650000021
排出头罩的混合气体中氮气浓度：FEN2＝1-FECO2–FEO2
环境空气中氮气浓度：FIN2＝1-FICO2–FIO2
抽入头罩中空气体积：Vin＝Vout×FEN2/FIN2
摄氧量：VO2＝Vin×FEO2-Vout×FIO2
二氧化碳排出量：VCO2＝Vout×FICO2-Vin×FECO2
其中：v(t)为抽气管路(16)中混合气体瞬时流速；t1为采样开始的时间点；t2为采样结束的时间点；FECO2为排出头罩的混合气体中平均二氧化碳浓度；FEO2为排出头罩的混合气体中平均氧气浓度；FIO2为抽入空气中平均氧气浓度；FICO2为抽入空气中平均二氧化碳浓度；
为协调代谢测试的舒适性与准确性，需要动态调整抽气速度以将二氧化碳浓度需要控制在一定范围内，其控制目标是：
(1)平均二氧化碳浓度峰值≤1％；
(2)平均二氧化碳浓度信号峰峰值≥0.5％
风机速度范围为0到60L每分钟，其中增加一档位速度增加5L每分钟，开始测试时，风机的初始速度设置是根据人体输入体重信息推算的，一般体重是体重10kg以下为10L每分钟，10kg～20kg为20L每分钟，20kg以上为35L每分钟，风机速度设置后，进入风机速度判断流程，首先等待30秒等流速、二氧化碳浓度稳定后，采集获取后面20秒内的平均二氧化碳浓度峰值与平均二氧化碳浓度信号峰峰值，然后判断平均二氧化碳浓度峰值大于1％，大于则增加一档风机速度，重新进入风机速度判断流程，若不大于1％再判断平均二氧化碳浓度信号峰峰值是否小于0.5％，小于则减少一档风机速度，重新进入风机速度判断流程，不小于0.5％，则说明二氧化碳浓度变化范围在控制目标范围内，保持恒定的抽气速度，不再调整，直到测试结束。
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