运动心肺功能测试设备的发展及技术要点

运动心肺功能测试设备的发展及技术要点

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速传感器、氧和二氧化碳分析器。

一、三大核心部件

1．流速传感器

发展过程：

第1阶段：闭合模式技术

第2阶段：开放模式技术

技术要点：

1）阻力要小。运动过程中的通气量很大，最高可达平静呼吸时的36倍，因此流速传感器的阻力略微增大都会给受试者带来不适。

【JAEGER】阻力＜0.1Kpa/L/S at 15L/S

2）采用开放模式设计并且体积要小、重量要轻。以便于运动，不会给受试者增加负荷和带来负担。

【JAEGER】采用开放模式设计

3）死腔量要尽量小。以避免因系统死腔过大而造成测试误差。

【JAEGER】死腔量少于 30 ml

4）对水蒸汽不敏感。运动过程中在呼吸面罩内会产生大量水蒸气甚至呼出口水，避免潮气对传感器测试精度产生影响是极其重要的。

【JAEGER】拥有太空材料的Twintube自动干燥（无干燥剂设计）管路和专用的湿气过滤器。5）自动容积(流速) 定标。仪器自动对高流速与低流速进行定标，保证测试的准确性。

2．氧分析器

发展过程：

第1阶段：差分顺磁技术

代表产品：

Oxycon Sigma（1989）

Oxycon Beta /Record（1989）

Oxycon Champion (Gamma) （1991）

响应时间：〈40ms

测量范围：0-25%

使用寿命：永久

早期的运动产品采用差分顺磁技术性能稳定、寿命长，目前很多用户依然可以正常使用，如：北大医院。但由于顺磁技术故障率较高现已被淘汰。

第2阶段：电化学技术（氧电池：氧化锆）

代表产品：

Oxycon Alpha（1993）

Oxycon Delta（1996）

响应时间：〈200ms

使用寿命：1年

前期的电化学技术响应时间较长、采样速度较慢，因此不是真正的每口气测试法，在剧烈运动呼吸频率快时会有延迟和样本点不足。

第3阶段：改进式电化学技术（氧电池：氧化锆）

Oxycon Mobile（2003）

CPX（2004）

Oxycon Pro（2007）

响应时间：〈80ms

测量范围：0-100%

使用寿命：2年

改进的电化学技术采用了长效的氧电池，大大提高了响应时间，得以实现真正的每口气测试。由于采样速度快，采集的样本点多，从而使测试数据更加准确，尤其适合极限运动测试。

技术要点：

1）响应时间：

响应时间的快慢，决定了采样是否会产生延迟，决定了所采集到的样本点的多少，从而决定了是否能够进行真正的每口气法测试，决定了是否能够满足极限运动测试的要求，最终决定了所测出的摄氧量数值，尤其是最大摄氧量值是否准确稳定而且重复性好。

2）测量范围：

决定了是否能够满足极限运动测试的要求。

3）使用寿命

目前，差分顺磁技术已被淘汰。而电化学技术除响应时间外的另一个重要的参数就是使用寿命，长效的氧电池能够保障设备相对长期稳定的运行。

3．二氧化碳分析器

发展过程：

第1阶段：红外热传导慧斯通电桥

如：

Oxycon Alpha（1993）

Oxycon Delta（1996）

Oxycon Mobile（2003）

CPX（2004）

响应时间：〈80ms

测量范围：0-100%

使用寿命：永久

第2阶段：红外光谱吸收

如：

Oxycon Pro（2004）

响应时间：〈40ms

使用寿命：永久

技术要点：

1）响应时间：

响应时间的快慢，决定了采样是否会产生延迟，决定了所采集到的样本点的多少，从而决定了是否能够进行真正的每口气法测试，决定了是否能够满足极限运动测试的要求，最终决定了所测出的二氧化碳排出量数值是否准确稳定而且重复性好。

2）测量范围：

决定了是否能够满足极限运动测试的要求。

二、测试方法

发展过程：

第一阶段、道格拉斯气袋法(Dagalas bag)

第二阶段、混合气袋法(Mixing bag)

第三阶段、每次呼吸气法

第1阶段：混合室法----闭合模式技术

第2阶段：微型混合室法----开放模式技术

第3阶段：数字混合室法------开放模式的最新发展

第四阶段、每口气法(Breath by Breath)

从目前来看，每口气法技术（Breath by Breath）是当今气体代谢测试技术的主流，而越来越快的Breath by Breath 肯定是将来发展的方向，因为更高的采样分析速度意味更加丰富的测试内容以及测试数据的更加精确。目前世界上最快的运动心肺功能仪Oxycon Pro就是采用每口气法的，采样速度已高达400次/秒了。

技术要点：

是否采用真正的每口气法测试，决定于氧和二氧化碳气体分析器的响应时间的快慢，只有快速采样保证有足够多的样本点，才能得到稳定准确的测试数据，尤其是极限测试。

三、运动心肺功能的评估完全一体化

1．数字化12导心电图，RS232 接口，既可独立使用，也可联合使用

2．采样频率高达500 Hz

3．气体代谢和十二导心电图同步，在运动心肺系统主机上实时显示12导的运动心电图4．内置12导联运动心功能评估设备选件

5．运动过程中自动进行ST段和QRS复合波测量和分析

6．所有的心电原始波形和测量数据同时保存在计算机上，并可分析打印出来。

四、与功率计的连接方式

与功率计的连接方式是指通过数字量传输还是通过模拟量传输。数字信号传输准确，功率计所显示的数据与计算机所接受的数据完全一致，而模拟信号的传输需要将功率计与计算机的数据进行定期校核，而且易产生误差。