甲烷和氢呼气检测设备

甲烷和氢呼气检测设备
丁文京博士
北美医学教育基金会
前言
甲烷和氢呼气检测是了解人体胃肠功能和代谢的一个重要无创检查方法，也是了解由于肠道微生态变化所导致的疾病的一个有实用价值的方法。

甲烷和氢呼气检测的原理
甲烷和氢呼气检测之所以可以用于临床检验的基本是基于以下几个基本要素：
第一、人体的新陈代谢虽然可以产生氢离子，但是不产生分子状态的氢气和也不能产生甲烷气体。

我们呼出气中的甲烷和氢气全部来自于胃肠道的细菌在酵解碳水化合物过程中产生的代谢产物。

第二、胃肠道产生甲烷和氢气必须基于两个最基本的条件，即胃肠道要有碳水化合和可以酵解碳水化合物的细菌，这两个因素缺一不可。

所以可以认为甲烷和氢呼气主要是反映与胃肠道细菌和胃肠道对碳水化合物消化吸收有关的疾病。

第三、正常情况下，胃肠道细菌酵解碳水化合物后产生包括甲烷和氢在内的气体，其中大约有14-21%的气体可以通过肠粘膜屏障进入血液循环，经血液循环到达肺泡，通过气体交换呼出体外。

呼出气中的甲烷和氢含量很低，在ppm水平。

ppm是英文Parts Per Million的缩写，称百万分率，表示百万分之几。

在某些疾病情况时，肠粘膜的通透性变化，甲烷好氢通过率增加，有报导肠道甲烷和氢的通过率可以达到50%。

第四、正常情况下小肠内的细菌非常少，所以在甲烷和氢呼气曲线在小肠段呼出的量很少，当小肠内细菌增加时，临床上称为小肠细菌过度生长，在小肠段代谢产生的甲烷好氢就会增加，甲烷和氢呼气曲线会明显上升。

第五、某些肠道细菌可以利用氢，使2个氢分子与1个碳原子结合生产甲烷。

不同的文献报道，大约有15-35%的人群由于上述原因，在疾病时呼出气中氢的浓度没有变化，会出现假阴性结果。

中国人大约有65%左右的人群没有产甲烷的细菌，或只有很少产甲烷的细菌，其呼出其中或者没有甲烷，或者只有很少量的甲烷。

鉴于这两个因素，现在临床日益认识到有必要同时测量呼出气中的甲烷和氢，整合这两个参数的变化以减少假阴性。

甲烷和氢呼气可以检查的项目
碳水化合物吸收不良：甲烷和氢呼气试验可以检测各种由于先天性或后天性糖类分解酶分泌不足造成的碳水化合物吸收不良。

中国人常见的先天性糖类分解酶不足有乳糖酶缺乏导致的乳糖不耐受。

不常见，但是传统方法比较难以诊断的果糖酶缺乏导致的果糖不耐受、蔗糖酶缺乏导致的蔗糖不耐受等，以及山梨醇酶缺乏导致的山梨醇不耐受等。

后天性糖类分解酶不足，多由于疾病导致。

常见的有由于腹泻导致的乳糖酶缺乏，慢性胰腺疾病导致的胰淀粉酶缺乏等。

检验时给受试者服用特定的糖（常用50g糖，儿童根据每kg体重1g计算），当肠道缺乏相应的酶时，小肠不能完全吸收这些糖，那些不能被吸收的糖进入结肠后被细菌酵解产生甲烷和氢，由此可以
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判断是否存在酶缺乏。

对于由于慢性胰腺疾病导致的胰淀粉酶缺乏，可以服用100g淀粉或米粉，胰淀粉酶缺乏导致小肠不能完全吸收淀粉或米粉，在结肠段出现甲烷和氢呼气高峰。

小肠细菌过度生长：正常人体小肠部分细菌很少，当服用糖类后尽产生很少的甲烷和氢，基本在基线水平。

当小肠有细菌后，可以酵解糖产生甲烷和氢，当氢呼气值高于基线值12ppm，或者氢气值加甲烷值高于基线值15ppm时表示小肠内有高于正常数量的细菌，临床上称为小肠细菌过度生长（Small Intestinal Bacteria Overgrowth,简称SIBO,欧洲常用Small Bowel Bacteria Overgrowth,简称SBBO）。

用甲烷和氢呼气检测小肠细菌过度生长，可以帮助了解肠道微生态的变化，在诊断和治疗由于菌群移位和菌群失调导致的疾病方面提供有重要价值的帮助。

国内外有大量研究证明肠道菌群失调可以导致人体多个系统的病变。

通过检测小肠细菌过度生长可以打开了解包括糖尿病、心血管、肝脏等疾病的新思路。

口盲时间：即从糖入口到达盲肠的时间，又称口盲传输时间（Orocecal Transit Time, OCTT），用以反映胃肠蠕动速度，检测多种与胃肠传输速度有关的疾病，或者评估某些疾病状态在胃肠传输的功能。

常用的方法是在空腹情况下口服一定剂量的人体不能吸收的碳水化合物（临床常用10-20g乳果糖），每间隔10-30分钟检测一次呼出气中甲烷和氢气的浓度，当氢呼气值高于基线值12ppm，或者氢气值加甲烷值高于基线值15ppm时表示乳果糖进入盲肠，从口服乳果糖到这个节点的时间表示口盲传输时间。

影响口盲时间的因素较多，不同底物和食物胃肠传输速度不一样，还有鉴别小肠细菌过度生长。

胃酸分泌量：口服足够剂量的金属镁后，它在胃内可与盐酸产生反应而产生氢分子，经胃粘膜弥散进入血液循环通过呼气排出。

呼气中氢的排出量与胃内盐酸的量呈正相关。

因此，可以通过检测呼出气中氢的浓度帮助了解胃酸分泌功能。

国内外在正常人和胃十二指肠溃疡的病人的研究，均证明用金属镁的方法与五肽胃泌素刺激试验和99m Tc胃γ照相法比较都呈现高度的相关性。

测量胃酸分泌对胃和十二指肠溃疡，萎缩性胃炎和胃癌的治疗提供有益的帮助。

产甲烷菌的分布：产甲烷菌是一种古老的厌氧菌，广泛存在于反刍动物的胃，可以分解植物纤维产生能量。

在大约三分之一的人群中也发现有两种产甲烷菌存在。

正常情况下，人体产甲烷菌主要存在于降结肠，病理情况下有可能会移位到胃肠道的其它部位。

目前关于产甲烷菌对人体生理和病理的机制还不十分清楚，有研究发现，产甲烷菌与肥胖、便秘和结肠癌存在高度的相关性。

通过测量呼出气中甲烷浓度有助于我们更多地了解肠道菌群失调导致的疾病。

常用的几种检查方法
依照采用不同底物，甲烷和氢呼气检测方法有多种，临床上比较常用的有以下几种：
乳糖呼气试验：主要用于检测乳糖酶缺乏症、小肠细菌过增长和口盲传输时间。

常用剂量为儿童每kg体重1g，最多不超过25g。

成人用量常用50g。

取样间隔时间为每30分钟一次，亦有使用每小时一次取样，结果相似。

诊断标准是氢浓度大于基线20ppm，或者甲烷浓度大于基线12ppm，或者甲烷与氢上升之和大于基线15ppm。

乳果糖呼气试验：主要用于检测小肠细菌过增长和口盲传输时间。

还可以用于了解是否存在回盲瓣关闭障碍。

常用剂量为儿童每kg体重1g，最多不超过10g。

成人用量常用10g。

取样间隔时间为每20或30分钟一次。

诊断标准是氢浓度大于基线20ppm，或者甲烷浓度大于基线
12ppm，或者甲烷与氢上升之和大于基线15ppm。

葡萄糖呼气试验：主要用于检测小肠细菌过增长和口盲传输时间。

常用剂量为儿童每kg 体重1g，最多不超过25g。

成人用量常用50g。

取样间隔时间为每20或30分钟一次。

诊断标准
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是氢浓度大于基线12ppm，或者甲烷浓度大于基线12ppm，或者甲烷与氢上升之和大于基线
15ppm。

糖尿病的病人不能用葡萄糖呼气试验，需要用乳果糖做为底物检测。

果糖呼气试验：用于检测果糖不耐受。

常用剂量为儿童每kg体重1g，最多不超过25g。

成人用量常用50g。

取样间隔时间为每30分钟一次，亦有使用每小时一次取样，结果相似。

诊断标准是氢浓度大于基线20ppm，或者甲烷浓度大于基线12ppm，或者甲烷与氢上升之和大于基线15ppm。

蔗糖呼气试验：用于检测蔗糖不耐受。

常用剂量为儿童每kg体重2g，最多不超过50g。

成人用量常用50g。

取样间隔时间为每30分钟一次。

诊断标准是氢浓度大于基线20ppm，或者甲烷浓度大于基线12ppm，或者甲烷与氢上升之和大于基线15ppm。

支链淀粉呼气试验：主要用于测定胰腺淀粉酶，通过胰腺淀粉酶的分泌了解胰腺的外分泌功能，临床上常用于慢性胰腺炎和其它胰腺相关疾病的辅助检查。

常用剂量为100g支链淀粉，亦有文献报道服用100g米粉做为底物。

取样间隔时间为每30分钟一次。

诊断标准是氢浓度大于基线20ppm，或者甲烷浓度大于基线12ppm，或者甲烷与氢上升之和大于基线15ppm。

当呼气氢含量高于基线10-20ppm并伴相关临床症状时，诊断为胰腺外分泌功能轻度降低。

当呼气氢含量高于基线20-30ppm并伴相关临床症状时，诊断为胰腺外分泌功能中度降低。

当呼气氢含量高于基线
30ppm并伴相关临床症状时，诊断为胰腺外分泌功能重度降低。

目前还没有见到用甲烷呼气评判的文献。

常用的几种设备使用的技术
从检测设备的技术原理，检测呼出气体中甲烷和氢气的技术主要有气相色谱技术、电化学技术和固态传感器技术。

各技术的特点简述如下：
气相色谱技术：气相色谱仪是一种用于分离复杂样品中的化合物的化学分析仪器。

James 和Martin在1952年提出了气相色谱的理论，同时发明了世界第一台气相色谱检测设备。

在上世纪60年代开始，由于技术的发展，陆续出现了一些高灵敏度和高选择性的检测器。

1962年美国Quintron仪器公司根据乌拉圭一个医生的设想，开发了世界第一台用于检查呼出气氢浓度的设备。

气相色谱仪中有一根流通型的狭长色谱柱。

在色谱柱中，不同的样品因为具有不同的物理和化学性质，与特定的柱填充物（固定相）有着不同的相互作用而被气流（载气，流动相）以不同的速率带动。

当化合物从柱的末端流出时，它们被检测器检测到，产生相应的信号，并被转化为电信号输出。

气相色谱仪由于设备复杂和昂贵，且检查时间慢，难以在大面积临床推广使用。

电化学技术：电化学气体检测设备主要由传感器、电子电路和呼气前处理系统三部分组成。

电化学技术使用的氢气传感器是一种化学燃料电池，利用呼出气体中的氢与其中的化学物质发生反应产生能量，即利用水电解的逆反应，把能量转化成电流。

通过检测电压的变化，推算出氢的浓度。

与气相色谱技术相比，电化学技术使用方便，检测简单快速。

但是由于在检测氢气时要消耗传感器内的化学物质，随着检测次数的增加，其结果的稳定性和敏感性逐渐降低。

根据中国研发者文献介绍在一粒pp3工业电池的驱动下设备可以工作大约3个月，根据英国制造厂家的保修规定，保修期仅为6个月。

固态传感器技术：固态传感器技术又叫半导体传感器技术。

上世纪80年代开始了传感器的革命时代，半导体技术的发展推动了从过去非固态传感器向半导体固态传感器的革命，进入了现代传感器时代。

在应用技术上实现了微机电一体化，从功能上实现了从单一测量量到复合测量。

美国Quintron公司采用了先进的半导体传感器技术和领先的计算机软件算法，制造出目前世界唯一的同时测量甲烷、氢和二氧化碳浓度的固态传感器检测设备。

这个设备兼具了快速方便、数据准确和性能稳定的优点，由于Quintron固态传感器技术可以同时检测甲烷、氢和二氧化碳，避免
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了假阳性率和确保检测数据的稳定性和可重复性，是现在国际临床和科研使用的主流设备，在重要的临床文献都广泛采用这个技术做为研究的手段。

由来自世界多个国家的专家2009年在《营养药物学和治疗学（Alimentary Pharmacology & Therapeutics）》发表的“氢呼气试验在胃肠病的方法学和适应症：罗马共识（Methodology and indications of H2-breath testing in gastrointestinal diseases: the Rome Consensus Conference）”，文章中指出“电化学的方法的稳定性缺少数据支持”，“电化学设备的样机表现出好的可重复性，但是在实际使用的设备（stationary instrument）的结果与此相反，…在文献中没有报告其长期稳定的科学报告”。

芬兰赫尔辛基大学生物医学研究所1998年在《斯堪的纳维亚临床实验室调查》发表文章，报道了他们比较采用电化学技术的氢呼气检测设备和用固态传感器技术的甲烷和氢呼气检测设备得出结论：电化学设备的准确性不如固态传感器设备，虽然前者也可以用于临床诊断，但是用于研究就不可靠了。

小结
甲烷和氢呼气检测时一种简便、无创、重复性好、特异性高的胃肠功能检查方法。

尽管还存在很多需要改进的方面，在目前仍不失为一种便于临床方法使用的方法。

为临床的诊断和治疗提供有力的帮助。

随着这个技术的普及，将会帮助我们日益深入了解过去难以诊断的疾病，并帮助我们更科学合理地制定治疗方案。

参考文献
K. PEUHKURI, et al., Comparison of a portable breath hydrogen analyser (Micro H2) with a Quintron MicroLyzer in measuring lactose maldigestion, and the evaluation of a Micro H2 for diagnosing hypolactasia, Scand J Clin Lab Invest 1998; 58: 217.224.
A. GASBARRINI,et al., Methodology and indications of H2-breath testing in gastrointestinal diseases: the Rome Consensus Conference, Aliment Pharmacol Ther 29 (Suppl. 1), 1–49.
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作者简介：
丁文京博士毕业于美国波士顿大学，先后在美国哈佛大学和农业部人类抗衰老营养研究中心从事医学和健康科学领域的研究工作。

与旅美的海外科学家共同创立北美医学教育基金会，侧重于向中国医疗界介绍欧美先进的临床实用技术和先进的医学理念。

多年来先后向中国引进了多种开创性的临床适宜技术，在中国医学界引起很大反响，在促进中国临床医学与国际的接轨方面做出了杰出的贡献。

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联系方式：wenjing.ding@
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