Diodilasertekniikan soveltuvuus hengityskaasuanalysaattorin kaasumittauksiin

Abstract

Ingalsuo, Petri DIODILASERTEKNIIKAN SOVELTUVUUS HENGITYSKAASUANALYSAATTORIN KAASUMITTAUKSIIN, Pro gradu -tutkielma Jyväskylän yliopisto, Liikuntabiologian laitos, 2007. Hengityskaasuanalysaattoreita käytetään kunto- ja kilpaurheilussa maksimaalisen hapenottokyvyn (VO2max) määrittämiseen. Hengityskaasujen analysoinnissa tarvittavien suureiden perusmittaukset ovat hapen (O2) ja hiilidioksidin (CO2) pitoisuuksien sekä hengitystilavuuden (VE) mittaukset. Markkinoilla nykyisin olevissa hengityskaasuanalysaattoreissa on käytössä useita erityyppisiä hapen (galvaaninen polttokenno, paramagneettinen anturi ja elektrokemiallinen kenno) ja hiilidioksidin (infrapuna anturi) mittausmenetelmiä. Hapen ja hiilidioksidin mittaukset ovat nykyisissä laitteistoissa tyypillisesti mitattu erikseen, eri mittausperiaatteilla. Diodilasertekniikka tarjoaa mielenkiintoisen mahdollisuuden yhdistää hapen (O2) ja hiilidioksidin (CO2) mittaukset samaan mittausmenetelmään. Diodilasertekniikalla voidaan laserin aallonpituus säätää elektronisesti mitattavan kaasun absorptioalueelle. Tämä yhdessä diodilaserin kapean emissioviivan kanssa mahdollistaa hyvin selektiiviset mittaukset. Teoriassa diodilasertekniikalla on mahdollisuus päästä parempaan mittaustarkkuuteen, nopeampaan mittaukseen, pienempään fyysiseen laitekokoon, halvempaan hintaan, useampien kaasujen havaitsemiseen, parempaan stabiilisuuteen sekä ylläpidon ja kalibrointitarpeen vähentämiseen. Mittalaitekehityksen kannalta diodilasereiden etuja ovat myös hyvä hyötysuhde, pieni tehonkulutus, pieni koko ja mahdollisuus tehdä mittaus pienestä näytemäärästä. Tämän Pro gradu –tutkielman tarkoituksena oli selvittää diodilaser -tekniikan soveltuvuus hengityskaasuanalysaattorin O2 –mittauksessa. Mittauksissa käytettiin kahta keskenään identtistä hengityskaasuanalysaattoria. Molemmat laitteet olivat Medikron valmistamia 919 Ergospirometria –laitteita. Toisessa analysaattorissa O2 –mittaus oli muutettu diodilaser – tekniikalla toteutetuksi. Referenssilaitteena käytettiin Vuokatin urheiluopiston testiaseman hengityskaasuanalysaattoria. Kaksi keskenään identtistä laitteistoa valittiin, jotta muista tekijöistä kuin O2 –mittauksesta aiheutuvat eroavaisuudet voitiin minimoida. Mittaukset suoritettiin vertailumittauksena, jossa hengityskaasuanalysaattorit kytkettiin rinnakkain siten, että mittaukset oli mahdollista suorittaa yhtäaikaisesti samankaltaisista hengityskaasunäytteistä. Koehenkilöiksi valittiin 11 hyväkuntoista tervettä henkilöä (ikä 27-52 vuotta). Mittaustuloksista analysoitiin yhteensä 560 (30s ajalta keskiarvoistettua) ja 470 (henkäys-henkäykseltä) mittauspistettä. Mittausten tavoitteena oli selvittää diodilasertekniikan soveltuvuus hengityskaasuanalyysissä vertailumittausten avulla. Lisäksi selvitettiin Diodilaser - mittausmoduulilla varustetun Medikron hengityskaasuanalysaattorin suorituskykyä, toistettavuutta ja tarkkuutta kalibrointikaasujen ja koehenkilömittausten avulla. Tulosten analysoinnissa käytettiin Pearsonin korrelaatiokerrointa ja parittaista t-testiä. Menetelmien välistä luotettavuutta tarkasteltiin Bland-Altman analyysillä. Mittaukset osoittivat että true O2, true CO2 ja VE korreloivat merkitsevästi analysaattoreiden välillä (true O2: R2 = 0.995, p<0.001). Alhaiset Bland-Altman arvot kertovat, että vaihtelu kahden eri menetelmän välillä oli erittäin pientä (true O2: B-A = 0.21 (+0.35 – +0.08)). True CO2 ja VE tulokset analysoitiin mittausmenetelmän toimivuuden varmistamiseksi. Analysoidut tulokset varmistivat menetelmän toimivuuden (true CO2: R2 = 0.994, p<0.001) (true CO2: B-A = -0.05 (0.05 – -0.15)) ja vastaavasti (VE: R2 = 0.997, p<0.001) (VE: B-A = 0.36 (+2.16 – -1.44)). Diodilaser O2 -mittaus korreloi suoritettujen testien perusteella erittäin hyvin referenssilaitteessa käytetyn paramagneettisen mittausperiaatteen kanssa. Myös mittaustarkkuuden, -nopeuden ja – toistettavuuden osalta mittaustulokset vaikuttivat lupaavilta. Mittaustulosten perusteella voidaan todeta diodilaser -mittausperiaatteen soveltuvan hyvin hengityskaasuanalysaattorin kaasumittausten mittausperiaatteeksi. Laitteiden vertailumittauksissa saatujen CO2 ja VE mittaustulosten korrelaation perusteella voidaan varmistua mittausmenetelmänä käytetyn vertailumittauksen toimineen luotettavasti. Lisätutkimuksia tarvitaan happi- ja hiilidioksidimittausten yhdistämiseksi samaan laitteeseen, laitekokonaisuuden kehittämiseen sekä mahdollisten muiden kaasujen tunnistamiseen hengitysilmasta.