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间接测热法能量代谢测试关键技术研究

王远  
【摘要】:营养不良是一种不平衡的营养状态。在公共卫生领域,营养过剩导致慢病发病率居高不下;在临床上,营养不足造成患者感染风险增加、伤口愈合受损等问题。营养支持根据人体能量消耗进行合理的营养补充,是解决营养不良的重要手段。但能量消耗个体差异性较大,易受病情影响,准确的能量消耗评估是营养支持的一个难题。近年来,间接测热法在测量人体能量代谢消耗方面表现出巨大的应用前景,但在测量实时性、准确性方面尚存在一些不足,且缺乏国产化自主仪器。为此,论文对间接测热法能量代谢测试关键技术进行了深入研究,具体内容包括:1、逐口气式间接测热法及其误差分析研究针对现有间接测热法测量系统测量实时性低、呼气阻力大等问题,提出了一种逐口气式间接测热法,构建了能量代谢参数计算模型,分析了误差传递特性。新方法采用面罩上的流量传感器分析呼吸流量,流量传感器末端开放,呼气阻力低。主机中安装了采样泵和气体浓度传感器,实时采集流量传感器中的气体并分析02和CO2浓度。根据能量代谢计算模型计算能量消耗速率、呼吸熵等能量代谢参数。针对影响系统精度的三个主要参数:流量、气体浓度和传输延时(浓度信号与流量信号间的时间差),采用偏微分和数值模拟方法研究误差传递特性。结果表明:流量、O2浓度和CO2浓度误差对能量消耗速率误差的灵敏度分别为1、0.88、0.48;5ms采样延时误差会造成1.26%的能量消耗速率误差。误差传递特性分析为后续误差控制提供了理论依据。2、逐口气式间接测热法测量误差控制研究测量系统设计时,要求能量消耗速率测量误差不超过5%,结合各误差源的传递特性,得到流量、O2浓度、CO2浓度和传输延时的容许误差分别为1.5%、1%、1%和9ms。以此作为目标,进行了误差控制研究。(1)呼吸流量测量误差控制。基于毕托管原理,设计了新型一字梁结构双向流量测量模块。经流量场仿真优化与实际测试,在±3 L/s量程范围内,呼吸流量检测误差低于1.33%。(2)气体浓度测量误差控制。当前电化学O2传感器和红外CO2传感器得到广泛应用,但受压力变化影响,静态测量误差很容易超过5%,且响应速度不能满足呼吸浓度实时测量。对此,在静态特性方面,研究了传感器分析腔内气体压力变化与传感器输出的关系特性,设计了等比例法传感器压力补偿,补偿后O2和CO2浓度测量误差分别低于0.38%、0.82%。在动态特性方面,研究了气体传感器的阶跃响应特性,设计了一种基于浓度多阶微分特性的响应速度提升方法,降低传感器动态响应时间50%以上。(3)传输延时提取误差控制。传统的固定延时时间法,受测试过程中采样速率等因素变化,误差很容易达到30ms以上。通过深入分析人体呼吸过程中流量与浓度的特征对应关系,提出了一种基于波形特征匹配的传输延时提取方法,通过实验优化了新方法中的系数,将传输延时提取误差控制在6ms以下。3、基于能量代谢振荡特性的RMR快速测量方法研究传统的RMR测量协议时间耗时过长,制约了间接测热法的普及应用。现有间隔简化协议直接取第二个五分钟代谢数据的平均值作为RMR,将RMR测量时间缩短到10min,但准确性不足。本研究通过实验发现:静息能量代谢存在低频振荡现象,振荡频率约在0.003到0.03Hz之间。第二个五分钟不能包含完整振荡周期是现有间隔简化协议准确性不足的重要原因。为此,提出了一种基于能量代谢振荡特性的RMR快速测量协议(简称波峰协议)。通过两个连续的完整振荡波提取RMR,降低了低频振荡对RMR提取的影响。经与现有的间隔简化协议对比证实,波峰协议、间隔简化协议与传统测量协议间差值的一致性限(LoA)分别为(-7.817%至 8.509%)、(-16.06%至 12.62%),波峰协议可明显提升测量的准确性。4、逐口气式间接测热法测量系统有效性验证研制了逐口气式间接测热法能量代谢测试仪,开展了体外模拟验证实验与临床试验。首先,基于本文的研究成果,开发了具有自主知识产权的样机。其次,为了便于样机体外验证,设计了基于高浓度CO2注入的呼吸气体交换体外模拟方法,研制了一种体外呼吸代谢模拟装置。体外模拟验证表明样机VO2、VCO2测量误差低于5%,符合设计预期。最后,分别在两家临床试验机构开展了临床试验,样机和对照仪器测得主要指标RMR相关系数r均为0.999,误差均值分别为-12.22kcal/day(-0.62%)、-12.42kcal/day(-0.72%),一致性界限范围(LoA)分别为-62.2 至 37.7kcal/day(-3.61%至 2.38%)、-57.6 至 32.8kcal/day(-3.19%至1.75%)。一致性界限范围(LoA)远在临床可接受的10%误差以内。临床试验期间,无不良事件和副作用发生,表明新仪器安全可靠,适合临床推广应用。


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