运动气体代谢测试技术的发展.docx

运动气体代谢测试技术的发展夏云运动气体代谢测试技术近年来有了很多新的进展，表现为每口气法技术（ Breath by Breath）越来越成熟，而且派生出许多新的研究内容但其基本原理却一直没有变化，通过 对基本原理的深入理解，我们就可以了解每一种测试方法的弊端，以及我们又如何通过技术 改进，逐步逐步使测量变得更加精确和舒适基本原理 运动心肺功能测试是指在一个运动规程下（蹬车或跑步），同时进行运动气体代谢监 测和运动心电图检测，从而全面评估心肺的综合运动能力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, —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略大，因为，吸入的空气时环境温度和环境湿度下的体积，进入体内后， 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 也可以计算气体体积变化的比例，目前有不少先进的仪器自带环境参数测量模块，从而得到 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精确、 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， 但由于吸入气体一般为空气或高浓度氧气，其中二氧化碳浓度很低，所以可忽略不计，这样 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, —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 态下，其比值为0.7到1.0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部分，它给气体代谢部分提供心率HR） 一个指标，摄氧量比心率就可得到氧脉搏（O2pulse或VO2/HR）,即02Pulse = 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方便。

第一阶段、道格拉斯霍尔顿气袋法DagaZos bag）早期气体代谢测试比较简单、原始，一般采用道 格拉斯-霍尔顿气袋法（Dagalas bag），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，所有的呼出气全部收集到道格拉斯气袋 中，每隔一定时间（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），整个过程缓慢而且非常繁琐这样，通气量VE是直接测量得到，VO2和VCO2按下列计算公式获得:VO2 = VI*FiO2-VE*FeO2VCO2 = VE*FeCO2优缺点：这种方法，非常经典、被公认为气体代谢测量的金标准，但是非实时测量No Online Test），在测量的当时是无法观察到数据的，而且测量结束后，需要一个个气袋进行实验室 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 我们发现感兴趣阶段时，但由于当时采样的样本太少，就无法详细研究，我们不得不重复测 试，才用新的采样间隔。

所以比较不方便，现已经很少使用了图中为七十年代的道格拉斯气袋法测试现场，您可以看到既费时又费力，受试者带着笨 重的呼吸管道和大气袋第二阶段、混合气袋法bag)Y —¥0.1 WB OT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 呼出气的动态混合概念，即混合气 袋法(Mixing-bag)，这样借助于当 时的苹果II计算机、电子气体浓度 分析器和流速传感器，我们就能在 测试的同时得到气体代谢的数据 了这是气体代谢测试技术的一次 大的飞跃这类的产品比较多，如早期耶格的EOS和EOS-Sprint、还有荷兰固得Gold和美国森 迪斯的2900等等测量误差从混合气袋法开始，容量和气体浓度的测量出现了分离，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: 当通气量比较小时、气袋内可能有一部分的气体来自上一采样周期的残余气体；当通气量大 时，气袋内的气体是最后一部分的气体，前面的气体由于气袋装不下，而丢弃了这样就造 成了低通气量和高通气量下，测试都是不精确的为使测试能够精确，采样时间不能过短, 一般为30秒或60秒，所以混合气袋法动态性能是很差的，非常迟钝，而且测试样本少。

只 能适合稳态功率负荷的试验或测试时间慢长的递增负荷实验，对短时间快速精确的测量就显 得力不从心了，现已基本淘汰第三阶段、每口气法by Breath)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，但由于采用了流量 速传感器和气体分析器，容积和气体浓度的测量又不能像道格拉斯气袋法那样完全统一所 以解决的方法只能是缩短采样间隔、让仪器测量每一口呼出气的容量和这一口呼出气的气体 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(Breath by Breath)”，她 大大改善了系统的动态性能、极大地丰富测试样本，这是气体代谢测试技术上的又一次质的 飞跃现在目前市场上的所有产品都是每口气法的了每口气技术发展又非常迅速，从出现到现在已经经历了好三个阶段了，从闭合模式到 开放模式早期的每口气法：混合室技术一闭合模式早期的“每口气法”与混合气袋法非常相似(见下图)，只不过用比混合气袋容积小 很多的混合室(约为4升)代替体积庞大的大气袋，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，应该说，这种方法从表面上看，好像没什么改进，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，提供大量详细的测试信息其次，由于是每一口气都采样分析，所以动态性能非常好，对快速功率负载递增实验 也能胜任了，可以采用Ramp Test方案（线性功率递增实验，这种新方法能够在更短的时间 内获得更真实的无氧阈和最大摄氧量，而且受试者不至于太疲惫，但需要与心肺功能仪数字 连接的精确功率计）最后，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 系数推算的，并没有真实测量，如果心肺功能仪没有自动环境测量模块,那数据就一塌糊涂其次，由于采用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、 流速快时，这样，客观上就限制了高通气实际测量中，受试者很困难上到高的通气量200 升/分?），受试者无法正常发挥其最大运动能力再次，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行变化，理论上混合室的大小应该正好等 于呼出气的容积，否则，混合室的浓度就不是这一口气的浓度所以这种方法在呼吸不均匀 时误差比较大最后，更致命的缺陷在于“延迟时间Delay time）”，即通气测量与气体成分测量不同 步因为我们是在每一次呼气结束后，测量这一口的容量和该呼出气的浓度，但由于呼吸管 道的又粗又长，混合室内的气体浓度并不是这一口呼出气混合后的，实际上，混合室的气体 浓度总是滞后于流速测量的，他们之间存在着延迟时间而我们事先无法通过定标确认延迟 时间的大小，因为，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， 延迟时间总是不断的变化的！所以，在早期的运动医学杂志中，有不少文章报道“每口气法 （Breath by Breath ）”不适合体育，因为他们发现，这种延迟时间的误差，在很高的通气量 时，会使结果高达30%的测量误差！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，减少50%呼吸管道阻力，在客观上减少高通气的限制因素。

减少物理混合的时间，无非是减少混合室的容积大小（实际上在这里是不可能的）， 或者是增加电动的搅拌装置（增加仪器的成本）用可调大小的动态混合室代替固定容积的混合室，减少呼吸不均匀的测量误差，但这 需要复杂的电动机械设备来实现，成本很高延迟时间问题也不可能彻底解决，只能通过大量实验，积累经验，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可能达到很高的通气量）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 量，已很少在正规运动测试中使用了，目前市面上只有美国的MAX-II —种产品仍然采用这 种古老的运动测试技术当前的每口气法：微型混合室法-开放模式技术我们在改进早期每口气法时发现，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，那么就没有这个必要用混合 室物理收集所有的呼出气了，我们只要在口鼻处的流量传感器边上按比例抽取部分呼出气到 微型混合室（约6ml）中混合均匀，原理结构图如下，屯徹阀在这里按比例抽取气体的电动抽气泵非常重要，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，永远也不可能完全按比例抽 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成本目前 市场上很多运动心肺功能仪都采用这种方法，如耶格的MasterScreen CPX,德国Cortex,美 国 Medgraph 等微型混合室与传统的混合室相比，好处是明显的，如1） 流量双向测量，使通气量VE侧量更加精确2） 去掉所有的呼吸管道，大大减少呼吸阻力，高通气不再困难了3） 微型混合室的物理混合速度比混合室快许多，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复杂的装置，大大降低仪器的成本4） 气体采样由计算机控制的伺服抽气泵完成，由于采样管道长度固定，抽气的速度 也已知（与流速正比），所以流速和气体浓度的延迟时间也能计算确定，所以大大 地减少了这方面的误差，大大提高了大通气量下的测试精度5） 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减少，受试者可以自由自在地呼吸这 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新的每口气法：数字混合室法一-开放模式的最新发展开放模式的最新发展是采用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，采用快速气体分析器，直接分析口鼻处吸入和呼出的每一瞬间的气体成分, 再通过数学处理，即用数学的方法模拟物理混合，这样可以模。