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摘要传统的系统生理学通常将人体分成呼吸、循环、代谢、神经、血液、运动等几大系统。但是人体的各个系统间是相互联系的，经典的以单一系统为基础的系统生理学体系已经不能满足医学科研和临床医疗的需要，以呼吸、循环、代谢等为主的多系统功能活动进行整体联合调控的科研得以开展[1,2]。人体呼吸气代谢分析装置，通过对人体呼吸中O2浓度和CO2浓度的检测，可准确测量人体能量物质的代谢速度，评价心肺循环系统的功能状况，在临床医学和大众健康领域具有广阔的应用前景。<br>　　目前，比较常用的两种人体代谢测试方法为数字混合室法和微型混合室法。数字混合室法直接用快速气体传感器，实时获取受试者呼吸瞬间的气体浓度和气体流量，最大的优点是分析实时性高。但目前气体浓度分析传感器响应速度不够快，造成了较大的误差。微型混合室法借助动态等比例采样技术，实现了开放式代谢测试。但是深入研究当前微型混合室代谢测量方法发现，一方面，目前使用的等比例采样技术是依靠动态控制抽气泵的抽气速度实现等比例采样，抽气泵的动态性能限制了等比例采样的精度;另一方面，微型混合室的设计仍存在缺陷，一段时间混合后获取的浓度不能准确代表这段时间气体的平均浓度。<br>　　针对上述问题，本文设计了一种应用于代谢分析的人体呼吸气采集装置。具体工作如下:<br>　　首先，本文深入地分析了呼吸气采集与代谢分析的原理。从微型混合室呼吸气采集装置的设计原理中得出:气体在混合室内快速均匀的混合和对气体的等比例取样是装置设计的两个重要技术。从代谢分析的原理中得到摄氧量（VO2）和二氧化碳排出量(VCO2)是进行代谢分析的两个关键参数。<br>　　其次，针对传统装置的缺点，对收集装置的结构重新进行了设计。其中主要改进的地方包括:对传统的混合室结构进行了改进，采用双混合室结构，可以对气体进行快速均匀的混合;设计了多孔孔板流量计，可以实现对人体呼吸气流速的精确测量，并且可以拆卸，便于清洗。<br>　　然后，针对基于微型混合室采集装置的要求，对系统硬件和软件进行了研究。在硬件设计上，对系统电路的模块结构进行了总体设计，并对重要模块进行了分析。在软件设计上，首先从算法上实现了对气体的等比例取样，然后对VO2和VCO2的计算方法进行了研究。<br>　　最后，为了验证本收集装置进行代谢分析的效果，本文分别从体积和浓度两方面对装置进行了验证。在体积验证试验中，验证了本装置可以对气体实现精确的等比例采样。在浓度方面，分别从静息状态下和不同运动强度下，将本装置和道格拉斯气袋装置进行了对比试验，两种装置获得的CO2和O2平均浓度均显著相关，测量结果一致性好。结果表明本文设计的装置能够对气体进行精确的等比例取样，混合室可以对气体实现快速均匀的混合，该装置能够用于基础代谢测试和心肺运动试验(CPET)。