CN107961008A - 一种静息代谢率快速获取的辅助装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静息代谢率快速获取的辅助装置及方法，通过在间接能量测试仪测试静息代谢率过程中，同步采集人体眼电、躺床压力分布信息，分析提取测试过程受试者眼部和四肢的动作特征，并进行特征信息编码，从而触发相应的语音、文字显示干预信号，引导受试者快速进入静息代谢率测试所需稳态。本发明实现静息代谢率获取中，对受试者测量状态监测、非正确状态动态提醒，达到静息代谢率快速获取的目的。

Description

一种静息代谢率快速获取的辅助装置及方法

技术领域

本发明涉及静息代谢率测量的技术领域，特别涉及一种静息代谢率快速获取的辅助装置及方法。

背景技术

静息代谢率(RMR)：是指维持人体正常功能和体内稳态，再加上交感神经系统活动所消耗的能量，RMR在每日能量总消耗中所占的比重最大(60％-75％)。在临床营养中，作为基础代谢率的近似，是临床营养中一个重要的指标。准确的测量RMR是为临床病人的营养支持和营养干预提供科学指导的前提，可以有效地减少临床并发症、缩短康复时间。

测量静息代谢率一般利用间接测热法，即根据不同营养底物供能时消耗的氧气和产生的二氧化碳量不同，通过测量人体处于安静、稳定状态下一段时间的平均摄氧量(VO2)和二氧化碳排出量(VCO2)，估算人体一天的静息代谢率。

间接测热法经历了从闭合模式到开放模式的演变，其中开放模式也经过了混合室法、微型混合室法和数字混合室法的逐渐改进历程。静息代谢率的获取越来越方便、舒适。但是，目前获取静息代谢率的方法都是利用测量短时间的代谢来计算一天的静息代谢率，因此短暂的测量时间的较小的误差，在估算的一天的代谢率时被线性放大，从而会产生有较大的误差。因此，在没有达到应有的稳定状态下获取的静息代谢率可能存在较大误差。

为了尽量避免上述误差，现有的静息代谢率获取一般采用如下两种方法：其一是采用较长的的测量时间，认为在静卧测量一定时间后，人体应该进入稳态；其二是判断耗氧量(VO2)、二氧化碳呼出量(VCO2)、静息能量消耗(REE)、呼吸商(RQ)这四个指标在一定时间段(一般为5min)内变化在一定范围(一般为10％)内，即认为人体进入稳态。

现有技术存在以下缺陷：

1.测量静息代谢率原本就相对耗时，如果反而采用较长的测量时间，则加剧了静息代谢率获取的耗时性；

2.采用较长的测量时间本身也无法保证人体最终处于静息状态，一个可能的弊端是：由于测量时间过长，使本身已经处于一段静息状态的人反而进入急躁的不稳定状态；

3.采用上述四个指标变化在一定范围内的方法从一定程度上可以保证人体处于稳定的状态，但时常有测量很长时间无法达到这种状态的情况出现，尤其对于具有代谢类疾病或重症的病人，其本身的代谢可能存在一定的波动，无法满足上述条件；

4.获取静息代谢率要求在人体处于清醒、安静、稳定、无肢体动作的状态下进行，测量静息代谢率的装置无法监测人体的状态，从而不能引导人体从不正确的测试状态尽快转变为应有的测试状态。

发明内容

本发明为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种静息代谢率快速获取的辅助装置及方法，可以自动判断受试者是否处于有肢体动作或者睡着状态，并引导为获取静息代谢率应有的正确状态，从而辅助静息代谢率测量装置快速、准确地完成测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种静息代谢率快速获取的辅助装置，包括柔性阵列力传感器模块、眼电(EOG)电极一、眼电(EOG)电极二、眼电(EOG)电极三、采集控制模块、显示器一、显示器二、语音播放模块、支架和USB数据接口；眼电(EOG)电极一、眼电(EOG)电极二和眼电(EOG)电极三采集眼电信号传入采集控制模块，柔性阵列压力传感器平铺测试床上面，采集的人体与床面接触压力信息传入采集控制模块，采集控制模块固定在支架，可监测提取测试过程的眼电、压力特征，并显示在显示器二上，且可同时输出到位于采集控制模块一侧的USB数据接口，语音播放模块安装在支架横杆靠床一侧末端，一个用于显示文字图片信息的显示器一安装在支架横杆，位于测试床头正上方，采集控制模块通过控制语音播放模块和显示器一引导纠正受试者的不正确测试状态。

其中，所述眼电(EOG)电极一、眼电(EOG)电极二、眼电(EOG)电极三和采集控制模块中的眼电调理电路构成了单极导联眼电测量单元，主要记录垂直方向的EOG信号。

其中，所述支架可手动调节高度，具体高度由测试环境中测试床的高度确定，使支架的横杆与躺床受试者距离合适。

其中，包括一个USB数据接口，间接能量测试仪可以通过此数据接口查询人体的实时状态，也可以通过此接口控制辅助装置的开始与结束。

其中，显示单元包括一个面向受试者的显示器一和一个面向操作者的显示器二，面向受试者的显示器一显示辅助装置自动产生的提醒与引导信息，面向操作者的显示器二显示受试者的状态信息。

其中，通过基于EOG信号获得的眨眼特征以及基于压力传感器信号获得的动作特征，对受试者进行自动状态判断与分类。

其中，通过对受试者进行状态的判断与分类，映射最佳的提醒与引导方式，并以此实施引导，既能确保提醒与引导能为受试者所接收到，又能对其稳定的状态干扰尽可能小，避免产生较大的状态波动。

一种静息代谢率快速获取的辅助方法，包括对受试者的状态判断与最佳引导方式的选择，具体步骤如下：

a.静息代谢率测量开始前进行仪器布置，包括柔性阵列力传感器布置，支架高度调节，显示器一与语音播放模块角度调节；

b.系统上电初始化，并进行自检，主要检查EOG信号与压力传感器阵列的压力信号，如有异常，通过语音播放模块进行报警提示，如果无异常，继续下述步骤；

c.采集控制模块内微处理器实时获取EOG信号以及柔性阵列传感器模块采集的压力信号，根据EOG信号提取眨眼特征，判断受试者是否可能睡着；同时，根据柔性阵列力传感器的压力信号，提取动作特征，并基于动作特征对肢体动作进行分级；由上述是否可能睡着的特征和肢体动作特征组成人体的整体状态信息，并据此对人体整体状态进行分类，得到相应的类别编码；

d.基于上述状态分类编码，根据一定的映射机制，得到相应的提醒与引导类别编码，如果生成的提醒与引导编码对应的是无需任何提醒与引导，则不做任何干预措施，继续监测，反之，则执行编码对应的提醒与引导措施，由采集控制模块内微控制器控制显示器一和语音播放模块执行；

e.如果不是第一次提醒与引导，则结合上次的状态的分类与时间间隔，若两次提醒的时间间隔较短，并且有非稳定状态位交集，则将原始的状态交集部分提高一个等级，再按照正常的映射规则得到最终的提醒与引导类别编码，并最终实施提醒与引导措施；

f.完成上述判断与引导后，等待30s，如果正在测量，则继续监测，如果测量结束，则初始化该装置。

本发明取得的有益效果：

(1)本发明基于状态识别自动选择提醒与否以及最佳引导方式，可以促使受试者尽快进入并保持获取静息代谢率所需的静息稳定状态，从而辅助静息代谢率获取装置，达到快速、准确地获取静息代谢率的效果；

(2)本发明可以根据实时监测受试者测量过程中的状态，自动判断是否需要提醒，以及最佳的提醒与引导的方式的选择，改辅助方法既能及时给予必要的提醒与引导，又不至于对受试者产生较大的干扰；

(3)本发明可识别受试者测试过程中的眨眼与肢体动作特征，并通过终端显示出，操作医师可以实时动态了解受试者的状态，并可根据该状态跟踪综合评估静息代谢率测试结果的可靠性。

附图说明

图1是本发明主要的结构示意图；图中，1为测试床，10为柔性阵列力传感器模块，20为采集控制模块，21为眼电极一，22为眼电极二，23为眼电极三，31为显示器一，32为显示器二，40为语音播放模块，50为支架，60为USB数据接口。

图2是一种静息代谢率快速获取的辅助方法的流程示意图；

图3是压力阵列传感器进行动作识别的流程图；

具体实施方式

下面结合附图及最佳实施例对本发明做进一步详尽的描述，应当理解，此处的最佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示：一种静息代谢率快速获取的辅助装置，包含柔性阵列力传感器模块10、眼电(EOG)电极一21、眼电(EOG)电极二22、眼电(EOG)电极三23、采集控制模块20、显示器一31、显示器二32、语音播放模块40、支架50、USB数据接口60。眼电(EOG)电极一21、眼电(EOG)电极二22和眼电(EOG)电极三23采集眼电信号传入采集控制模块20，柔性阵列压力传感器10平铺测试床1上面，采集的人体与床面接触压力信息传入采集控制模块20，采集控制模块20固定在支架50，可监测提取测试过程的眼电、压力特征，并显示在显示器二32上，且可同时输出到位于采集控制模块20一侧的USB数据接口60，语音播放模块40安装在支架50横杆靠床一侧末端，一个用于显示文字图片信息的显示器一31安装在支架50横杆，位于测试床头正上方，采集控制模块20通过控制语音播放模块40和显示器一31引导纠正受试者的不正确测试状态。

所述眼电为单极导联测量方式眼电，仅仅采集垂直通道上的EOG信号，采集的原始EOG信号经过采集控制模块20内调理电路放大、滤波，最后将滤波后的信号经过A/D转换器转换为数字信号给处理器处理。

所述压力传感器模块为一定密度柔性阵列力传感器10所组成的压力垫，其密度可以选为1个压力敏感点/dm²，压力垫由两个1m×1m的柔性阵列力传感器并接而成，大小为2m×1m。压力垫产生的输出原始压力信号同样经过放大器放大、低通滤波、A/D转换，最终将获得的数字信号发送给采集控制模块20。

所述显示模块包括一个面向受试者的显示器一31和一个面向操作者的显示器二32，面向受试者的显示器显示一31用于产生提醒引导信息，面向操作者的显示器二32用于显示受试者一段时间段内(一般取10分钟)的状态信息，例如显示：“8分钟前有长期闭眼，2分钟之前有小幅低频肢体动作”，操作者可以借此了解受试者一段时间内的状态。类似地，所述USB数据接口60输出用户的状态信息，格式为时间加状态类别编号，间接能量测试仪可以通过此端口随时查询受试者所处的状态。

所述语音播放模块40事先将需要提醒或引导的话录入系统，存放在固定的地址中，使用时，采集控制模块20内微处理器根据受试者所处状态选择需要播放的提醒引导语，是通过传递相应的地址/指令实现的。类似的，所述显示模块的控制也是通过传递响应的地址/指令来完成的。

所述支架50可以根据测试条件调整高度，调整的效果是支架50的横杆距离受试者面部约50cm。所述面向受试者的显示器一31的位置和角度也可根据受试者的位置而调整，可选择置于受试者躺下后目视的正前方。上述可调整的目的是保证提醒与引导能够为受试者所较好地接收到，并且对其产生的干扰尽量小。

实施一种静息代谢率快速获取的辅助方法，通过基于EOG信号获得的眨眼特征以及基于压力传感器信号获得的动作特征，对受试者进行自动状态判断与分类。通过对受试者进行状态的判断与分类，并判断是否需要提醒与引导，如果需要引导，可以自动选择最佳的引导方式，并以此实施引导，既能确保提醒与引导能为受试者所接收到，又能对其稳定的状态干扰尽可能小，避免产生较大的状态波动。如图2所示，具体步骤如下：

a.静息代谢率测量开始前进行仪器布置，包括柔性阵列力传感器10布置，支架50高度调节，显示器一31与语音播放模块40角度调节；

b.系统上电初始化，并进行自检，主要检查EOG信号与压力传感器阵列的压力信号，如有异常，通过语音播放模块进行报警提示，如果无异常，继续下述步骤；

c.采集控制模块20内微处理器实时获取眼电EOG信号以及柔性阵列传感器模块10的压力信号，根据EOG信号提取眨眼特征，判断受试者是否可能睡着；同时，根据柔性阵列力传感器的压力信号，提取动作特征，并基于动作特征对肢体动作进行分级；由上述是否可能睡着的特征和肢体动作特征组成人体的整体状态信息，并据此对人体整体状态进行分类，得到相应的类别编码；

d.基于上述状态分类编码，根据一定的映射机制，得到相应的提醒与引导类别编码，如果生成的提醒与引导编码对应的是无需任何提醒与引导，则不做任何干预措施，继续监测，反之，则执行编码对应的提醒与引导措施，由采集控制模块20控制显示一31和语音播放模块40执行；

e.如果不是第一次提醒与引导，则结合上次的状态的分类与时间间隔，若两次提醒的时间间隔较短，并且有非稳定状态位交集，则将原始的状态交集部分提高一个等级，再按照正常的映射规则得到最终的提醒与引导类别编码，并实施提醒与引导措施；

f.完成上述判断与引导后，等待30s，如果正在测量，则继续监测，如果测量结束，则初始化该装置。

所述利用EOG信号判断有无睡着的可能，具体步骤如下：取一定时间的滑动时间窗T_w，可以取时间跨度为40s，对滑动时间窗T_w内的垂直方向的EOG信号进行软件低通滤波，判断滤波后EOG信号的幅值，如果存在幅值大于一个固定阈值的波峰，则认为此时间窗内有眨眼信号，即受试者没有睡着，反之则认为受试者可能睡着。

所述根据实时压力阵列传感器信号判断受试者有无肢体动作，并进一步对动作分类，包括低频小幅度动作、低频大幅度动作、高频小幅度动作和高频大幅度动作，由此决定是否需要提醒与引导，并自动判断提醒与引导的方式；如图3所示，具体步骤为：将获取的压力阵列传感器信号解析为多个独立传感器压力信号序列P1、P2、…、Pn，n为压力敏感点的数量；对每个信号序列使用同样的软件低通滤波器进一步滤波，对滤波后的信号取相同的滑动时间窗下的信号段，时间窗可以取20s；对每个信号取其一阶差分信号；判断每个差分信号的幅度，如果某一差分信号幅度大于一固定阈值，并其相邻的压力传感器的一阶差分信号也有较大的幅度，则认为受试者有肢体动作；并根据信号变化幅度最大值以及超过阈值的差分信号序列数量判断是小幅度动作还是大幅度动作，根据每个序列中超过阈值的波峰数量判断动作的频率。

根据上述状态监测对人体总体状态进行分类与编号(十六进制表示)，具体如下：低频小幅动作0x01、低频大幅动作0x02、高频小幅动作0x04、高频大幅动作0x08、长时间闭眼0x10；既无长期闭眼也无肢体动作编号为0x00；如果同时具有多个特征的，将编号按位实施或操作；由此，可得到人体整体状态的分类编号。

提醒与引导的方式分类固化在采集控制模块20内微处理器中，分类与编号(十六进制表示)如下：一般文字提示0x01：黑色字体显示，无闪烁；显眼文字提示0x02：彩色字体显示，并闪烁三秒；一般语音提示0x04：语音提示，音量较小；加强语音提示0x08：语音提示，音量比一般语音提示扩大；如果同时有语音和文字提示，分类编号按位实施或操作即可；同样，无任何提醒与引导的分类编号是0x00。

最终根据获取的人体总体的状态分类编号，映射出最佳的提醒与引导的分类编号，微处理器据此控制显示器一31和语音播放模块40执行相应的提醒与引导；其中映射关系为：状态类0x00—>提醒类0x00；状态类0x01—>提醒类0x01；状态类0x02—>提醒类0x02；状态类0x04—>提醒类0x02；状态类0x08—>提醒类0x04；状态类0x10—>提醒类0x04；如果整体状态同时具有多个特征叠加而成，提醒与引导类别为按照同样的方法叠加而成，即状态类别由多个状态按位取或，映射得到的提醒类别由相应的多个状态映射后按位取或产生。

除此之外，如果本次的状态类别(非0x00类)与上次的状态类别(非0x00类)时间间隔小于一定的时间(可以取2Min)，并且两个状态位之间有交集，则在映射提醒类别时，将交集部分在原有映射基础上提高一个级别(乘以2)，再按照合成原则形成整体状态映射的提醒类。

Claims (8)

1.一种静息代谢率快速获取的辅助装置，其特征在于：包括柔性阵列力传感器模块(10)、眼电(EOG)电极一(21)、眼电(EOG)电极二(22)、眼电(EOG)电极三(23)、采集控制模块(20)、显示器一(31)、显示器二(32)、语音播放模块(40)、支架(50)和USB数据接口(60)，眼电(EOG)电极一(21)、眼电(EOG)电极二(22)和眼电(EOG)电极三(23)采集眼电信号传入采集控制模块(20)，柔性阵列压力传感器(10)平铺测试床(1)上面，采集的人体与床面接触压力信息传入采集控制模块(20)，采集控制模块(20)固定在支架(50)，可监测提取测试过程的眼电、压力特征，并显示在显示器二(32)上，且可同时输出到位于采集控制模块(20)一侧的USB数据接口(60)，语音播放模块(40)安装在支架(50)横杆靠床一侧末端，一个用于显示文字图片信息的显示器一(31)安装在支架(50)横杆，位于测试床头正上方，采集控制模块(20)通过控制语音播放模块(40)和显示器一(31)引导纠正受试者的不正确测试状态。

2.根据权利要求1所述的一种静息代谢率快速获取的辅助装置，其特征在于：所述眼电(EOG)电极一(21)、眼电(EOG)电极二(22)、眼电(EOG)电极三(23)和采集控制模块(20)中的眼电调理电路构成了单极导联眼电测量单元，主要记录垂直方向的EOG信号。

3.根据权利要求1所述的一种静息代谢率快速获取的辅助装置，其特征在于：所述支架(50)可手动调节高度，具体高度由测试环境中测试床(1)的高度确定，使支架(50)的横杆与躺床受试者距离合适。

4.根据权利要求1所述的一种静息代谢率快速获取的辅助装置，其特征在于：包括一个USB数据接口(60)，间接能量测试仪可以通过此数据接口查询人体的实时状态，也可以通过此接口控制辅助装置的开始与结束。

5.根据权利要求1所述的一种静息代谢率快速获取的辅助装置，其特征在于：显示单元包括一个面向受试者的显示器一(31)和一个面向操作者的显示器二(32)，面向受试者的显示器一(31)显示辅助装置自动产生的提醒与引导信息，面向操作者的显示器二(32)显示受试者的状态信息。

6.根据权利要求1所述的一种静息代谢率快速获取的辅助装置，其特征在于：通过基于EOG信号获得的眨眼特征以及基于压力传感器信号获得的动作特征，对受试者进行自动状态判断与分类。

7.根据权利要求1所述的一种静息代谢率快速获取的辅助装置，其特征在于：通过对受试者进行状态的判断与分类，映射最佳的提醒与引导方式，并以此实施引导，既能确保提醒与引导能为受试者所接收到，又能对其稳定的状态干扰尽可能小，避免产生较大的状态波动。

8.一种静息代谢率快速获取的辅助方法，其特征在于：包括对受试者的状态判断与最佳引导方式的选择，具体步骤如下：

a.静息代谢率测量开始前进行仪器布置，包括柔性阵列力传感器(10)布置，支架(50)高度调节，显示器一(31)与语音播放模块(40)角度调节；

b.系统上电初始化，并进行自检，主要检查EOG信号与压力传感器阵列的压力信号，如有异常，通过语音播放模块(40)进行报警提示，如果无异常，继续下述步骤；

c.采集控制模块(20)内微处理器实时获取EOG信号以及柔性阵列传感器模块采集的压力信号，根据EOG信号提取眨眼特征，判断受试者是否可能睡着；同时，根据柔性阵列力传感器(10)的压力信号，提取肢体动作特征，并基于动作特征对肢体动作进行分级；由上述是否可能睡着的特征和肢体动作特征组成人体的整体状态信息，并据此对人体整体状态进行分类，得到相应的类别编码；

d.基于上述状态分类编码，根据一定的映射机制，得到相应的提醒与引导类别编码，如果生成的提醒与引导编码对应的是无需任何提醒与引导，则不做任何干预措施，继续监测，反之，则执行编码对应的提醒与引导措施，由采集控制模块(20)内微控制器控制显示器一(31)和语音播放模块(40)执行；

e.如果不是第一次提醒与引导，则结合上次的状态的分类与时间间隔，若两次提醒的时间间隔较短，并且有非稳定状态位交集，则将原始的状态交集部分提高一个等级，再按照正常的映射规则得到最终的提醒与引导类别编码，并最终实施提醒与引导措施；

f.完成上述判断与引导后，等待30s，如果正在测量，则继续监测，如果测量结束，则初始化该装置。