【作 者】金睿，黃海宏，王遠 ，陳焱焱 ，曹慶慶 ，劉睿德 ，何子軍 ，孫怡寧 ，馬祖長

1 合肥工業(yè)大學，合肥市，230031

2 中國科學院 合肥智能機械研究所，合肥市，230031

0 引言

靜息代謝率（resting energy metabolism，REE）是指維持人體在安靜休息狀態(tài)下心跳、呼吸等基本生理功能所需消耗的能量[1]，占人體每日總能量消耗的60%～75%，REE的測量是研究人類能量消耗和營養(yǎng)支持的基礎。近年來，大量醫(yī)療研究表明營養(yǎng)支持不僅可以促進患者的恢復，還可以降低術后并發(fā)癥出現(xiàn)的概率[2]。同時，營養(yǎng)支持也與重癥病人的死亡率直接掛鉤[3-4]。在新冠病毒（COVID-19）疫情防控期間，相當一部分患者因厭食導致呼吸衰竭[5]。顯然，代謝測量儀的研究具有重要的臨床價值。

REE的精準測量的主要方法有直接測熱法和間接測熱法。直接測熱法設備復雜笨重、造價昂貴，推廣應用受限。間接測熱法（indirect calorimetry，IC）通過測量人體呼出氣體中氧氣、二氧化碳濃度，得到靜息代謝率，具有簡單便捷、準確可靠等優(yōu)點。相較于國內外研究者提出的REE預測公式，IC的準確率要高出很多，更加可靠[6-7]。目前市場上基于IC的代謝測量設備主要有美國麥加菲的MGC-Diagnositcs系列和意大利COSMED的Quark RMR系列等，但這些設備由于壟斷，國內市場價格過高，不便于在全國范圍內普及。而我國在此類設備的自主研制起步晚，長期處于空白狀態(tài)。

針對目前國內代謝測量設備被國外公司壟斷的現(xiàn)狀和高精度代謝測量的臨床需求，基于STM32平臺從硬件電路設計入手展開研究，研制了一種基礎代謝測量設備。代謝測量設備是高精密裝置，其準確性研究是難點也是熱點[8-9]，進一步我們將本設備與進口的MGC-Diagnositcs設備進行有效性對比驗證。

1 測量原理

系統(tǒng)呼吸氣體采集裝置使用的是通風頭罩，代謝測量方法如圖1所示。代謝測量過程中，人體頭部位于通風頭罩內，頭罩有一個進氣口和一個出氣口，出氣口端由氣泵抽氣，新鮮空氣從進氣口進入頭罩，人體呼出的氣體與空氣混合，二者同時被抽出采樣，然后進行流量和組分分析，進而計算耗氧速度VO2和二氧化碳產(chǎn)生速度VCO2。

圖1 代謝測量模型Fig.1 The model of metabolic measurement

VO2和VCO2的計算公式為：

其中，Vi為頭罩進氣口流速；Ve為頭罩出氣口流速；f1、f2和f3分別為空氣進入頭罩時的O2濃度、CO2濃度和N2濃度，為已知量；F1、F2和F3分別為頭罩出氣口端氣體的O2濃度、CO2濃度和N2濃度。基于代謝過程中氮平衡的原理，即

將式(3)代入式(1)和式(2)，得

由以上推導可知，本系統(tǒng)VO2和VCO2的獲取只與頭罩出氣口的流速Ve、出氣口O2濃度F1和出氣口CO2濃度F2有關?；赩O2和VCO2的計算結果，可由Weir公式計算得到RQ和REE：

2 軟硬件設計

2.1 硬件系統(tǒng)概述

整個系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖2 所示，系統(tǒng)以STM32F103ZET6為代謝測量的開發(fā)平臺，O2傳感器和CO2傳感器為氣體成分分析儀器，壓差傳感器為流量采集器，分別對相應參數(shù)進行采樣，由上位機進行結果顯示。電磁閥電路控制氣體管路的切換，環(huán)境傳感器（大氣壓傳感器和溫濕度傳感器）負責環(huán)境參數(shù)的采集。設備總供電為220 V市電，硬件電路板供電為12 V直流電。

圖2 系統(tǒng)結構框架Fig.2 System block diagram

2.2 呼吸信號特征

正常人的呼吸信號的波形和頻譜，如圖3所示，可見呼吸信號的帶寬一般為0.1～2 Hz，因此要求各傳感器的響應時間應小于t，其中t=0.35/2 s=125 ms。模擬信號的濾波器截止頻率應該大于2 Hz，因此凡涉及濾波電路的設計，截止頻率均設置為10 Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為保證采樣后的數(shù)字信號完整保留原始信號的信息，MCU的采樣頻率設置為100 Hz。

圖3 呼吸信號波形Fig.3 The waveform of the respiratory signal

2.3 流量采集

選擇合適的流量計是流量采集的關鍵，經(jīng)測試，該系統(tǒng)正常工作時管道最大壓力為5 kPa左右。因此流量計應滿足以下要求：①量程大于5 kPa；②相對誤差小于1%；③響應時間低于20 ms。綜合以上要求和成本考慮，選用差壓流量計。差壓流量計相較于熱線式流量計和超聲波流量計，具有準確度高、抗干擾能力強、漂移小、壽命長等優(yōu)點，熱線式流量計易受環(huán)境溫度和氣體成分的影響，超聲波流量計抗干擾能力差且價格高、壽命短。差壓流量計原理，如圖4所示，氣體在管道內經(jīng)過節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差與體積流量的平方成正比，因此差壓流量計是非線性傳感器，故在測試前需使用3 L的精密定標桶以三種速度分別對其標定。

圖4 差壓流量計原理Fig.4 The principle of the differential flowmeter

本設計的差壓流量計選用NXP公司的MPX5010DP傳感器，傳感器輸出0～4 V直流電壓，流量信號調理和濾波電路如圖5所示?？紤]到集成硅壓阻式差壓傳感器自身的高阻抗，在前級使用醫(yī)用級運放OP196組成電壓跟隨器作為緩沖，起阻抗匹配的作用，目的是使電壓信號最大功率化和無反射傳輸。后級濾波電路設計有Sallen Key二階有源低通濾波器，該濾波器截止頻率，經(jīng)計算確定R1=R2=5.1 kΩ，C1=100 nF，C2=1 μF。最后MCU以100 Hz采樣頻率對流量信號采樣。

圖5 流速信號調理和濾波電路Fig.5 Processing and filtering circuit of flow signal

2.4 氧氣濃度采集

本系統(tǒng)要求氧氣傳感器測量誤差小于±0.03%，響應時間小于125 ms，測量范圍為0～99.99%。由于滿足該要求的氧氣傳感器過少，中科院合肥智能機械研究所自主研制了一款各項指標均滿足該要求的氧化鋯氧氣傳感器。在一定的反應條件下，當進入傳感器的氣體氧氣濃度不同于空氣氧氣濃度時，傳感器兩個鉑電極之間形成電勢差，此電勢差只與氧氣濃度有關。傳感器的輸出與氧氣濃度關系如圖6所示，可見氧傳感器輸出為毫伏級微弱信號，需要先放大到伏級再對其濾波；信號由電纜傳輸，傳感器和電路板之間的確會存在一定的電勢差，因此在放大的同時需要消除共模干擾。

圖6 氧氣傳感器的輸出電壓與濃度的關系Fig.6 Relationship between output voltage and concentration of oxygen sensor

綜上分析，本設計選用精密儀表放大器AD620對氧氣信號放大，因儀表運放具有高共模抑制比，有效去除了共模干擾；儀表放大器低輸入阻抗的特性也確保了信號大功率傳輸。氧氣信號調理和濾波電路，如圖7所示，Rg為增益調節(jié)電阻，參考電平REF由高精度電壓基準芯片輸出。信號經(jīng)前級放大后，后級濾波電路設計和流量采集模塊相同，最后MCU以100 Hz采樣頻率對氧氣信號采樣。

圖7 氧氣信號調理和濾波電路Fig.7 Processing and filtering circuit of oxygen signal

2.5 二氧化碳濃度采集

該系統(tǒng)要求二氧化碳傳感器測量誤差小于±0.03%，響應時間小于125 ms，測量范圍為0～5.5%。常用的二氧化碳測量儀器有紅外分析儀和質譜儀，質譜儀雖然響應快、精度高，但是過于笨重且使用復雜，呼吸成分分析系統(tǒng)通常使用紅外分析傳感器。為滿足系統(tǒng)需求，選用了非分散紅外（non dispersive infrared ray，NDIR）二氧化碳傳感器AmartGAS-CO2。該傳感器相對誤差小于0.02%，相應速度為98 ms，測量范圍為0～100%，是極少數(shù)同時擁有快響應和高精度的二氧化碳傳感器之一，傳感器自帶恒溫控制，且內置串口芯片，本系統(tǒng)在使用時直接與其USART串口連接。

2.6 環(huán)境參數(shù)采集和氣路控制

溫濕度和大氣壓也是氣體濃度的影響因素之一，為控制測量結果的準確性，在成分測量之前還需對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，環(huán)境參數(shù)正常，代謝測量才能開始。其中，大氣壓傳感器選用BMP280，與微控制單元（microcontroller unit，MCU）使用串行外圍設備接口（serial peripheral interface，SPI）連接；溫濕度傳感器選用AM1011A，與MCU使用串口連接。

使用單片機控制電磁閥的通斷完成氣路的切換，因為電磁閥是感性元件，在開關瞬間會產(chǎn)生很強的反向電動勢，如果不在控制電路中加入光耦則會損壞MCU。電磁閥控制電路，如圖8所示，光耦選用TLP2355。

圖8 電磁閥控制電路Fig.8 Solenoid control circuit

2.7 軟件流程圖

下位機軟件流程，如圖9所示，在代謝測試之前下位機需對預熱程度、標定、環(huán)境參數(shù)進行判斷，在所有條件滿足之后才可開始測試。在測試過程中，MCU先判斷采樣到的數(shù)據(jù)是否屬于正常范圍，如不正常則視為無效數(shù)據(jù)不予計算，數(shù)據(jù)正常才計算，參數(shù)計算完成后由串口發(fā)送至上位機，由上位機完成顯示功能，直至測試結束。

圖9 系統(tǒng)工作流程Fig.9 System work flow chart

3 結果與分析

為了驗證本系統(tǒng)測量結果的準確性，我們招募了60名受試者，使用Bland-Altman法評估本設備與MGC-Diagnositcs的一致程度。Bland-Altman法是醫(yī)學領域研究兩種測量方法一致性的標準方法[10-11]。本設計使用SPSS 26.0作為數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件。首先計算出本設備（IIM-100）與MGCDiagnositcs測量結果的差值和均值，分別以均值為橫軸、以差值為縱軸做散點圖，并畫出一致性界限（limits of agreement，LOA），其中臨床一致性界限為95%。Bland-Altman分析圖，如圖10所示，VO2、VCO2、RQ和REE的一致性結果均有超過96%的點落在一致性區(qū)間內，因此兩種代謝測試方法具有互換性。代謝測量設備是復雜的高精密設備，設備的復雜程度決定了系統(tǒng)誤差的多樣性，而驗證結果表明本設備與全球市場廣泛使用的MGC-Diagnositcs設備依然具有超過96%的一致性，這正是得益于電路設計的嚴謹性與合理性。

圖10 IIM-100與MGC-Diagnositcs的Bland-Altman圖Fig.10 The Bland-Altman picture of IIM-100 and MGC-Diagnositcs

本團隊研制的基于STM32系統(tǒng)的代謝測量設備，從硬件設計出發(fā)提高了代謝指標的測量精度，Bland-Altman法驗證結果表明該設備滿足臨床標準。同時該代謝測量儀具有測量精度高、操作簡單、受試者舒適等優(yōu)點，為大眾健康營養(yǎng)研究和臨床營養(yǎng)干預提供了一種科學的解決方案，實物，如圖11所示。

圖11 代謝測量系統(tǒng)實物Fig.11 Physical diagram of metabolic measurement system