CN108523845A - 便携式新陈代谢测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明通过监测人体实时呼出的二氧化碳流速、压强、浓度和温度参数，结合鼻孔面积计算得到人体较为平稳状态下的新陈代谢率。本发明装置结构小型化，便于携带。传感模块与数据处理模块集成后固定在鼻孔前方，由数据线连接固定在脑后的小型无线传输器。无线传输器将处理过后的信号发射至移动设备。移动设备通过拍照扫描确定鼻腔面积参数，结合鼻孔面积参数与接收到的数据再次处理得到实时的新陈代谢率曲线并呈现给使用者，并可求出任意一段时间内新陈代谢总量，由此监控人体的实时新陈代谢状况。

Description

便携式新陈代谢测量仪

技术领域

1本发明涉及一种新型便携式人体新陈代谢测量装置。

背景技术

2某些场合，需要精确的测量人体实时代谢情况作为健康评估的依据。目前已有的新陈代谢测量装置的测量方式有血液检测、步数心率检测、呼出总气体分析。血液检测类测量方法对人体有一定的伤害且不具有实时监控的功能；步数心率换算误差太大，得到的结果精确度不够；现有的通过测量呼出气体参数计算新陈代谢的测量装置又体积过大，使用不便，无法长时间跟踪测量。

3本发明为一种新型便携式新陈代谢测量装置。设备结构小巧，使用时佩戴在头部即可，它通过人的鼻孔面积参数和实时测量的人鼻处呼出的二氧化碳参数计算得到人体实时新陈代谢率，由移动设备进行新陈代谢率-时间曲线的绘制以及总新陈代谢量的计算，方便准确。适用于使用者任何较为平静的状态(步行、静坐等)。

发明内容

4本发明为外形小巧，可较精确地测定使用者在一段时间内的代谢量，提供一种随时可以测量与处理代谢量的便携式装置。

5代谢通常是通过测试二氧化碳的吸入和呼出差异计算得到的，基于该原理,如图1所示，本发明由传感-处理系统A、固定系统B、无线传输系统C和移动终端D组成：

(1)传感-处理系统A：

传感-处理系统A由流速传感模块1、压强传感模块2、温度传感模块3、二氧化碳浓度传感模块4、数据处理模块5组成。放置于受测者鼻孔前方，且不影响正常呼吸。

由流速传感模块1测出实时呼出气体流速。流速传感器位于鼻孔前方，垂直于气体呼出方向，可认为所测流速方向与气体流出方向一致。

通过压强传感模块2测量使用者从鼻孔呼出气体的压强，该传感器放置距鼻孔一定距离的位置，认为传感器表面与两鼻孔所在平面平行，即认为与呼出气流方向垂直。

通过温度传感模块3测量使用者从鼻孔呼出气体的温度，该传感器位于靠近鼻孔出气处，直接用于测定呼出气体的温度。

由二氧化碳浓度传感模块4测量实时二氧化碳浓度。传感器位于鼻孔前方，垂直于气体呼出方向，可认为所测浓度为呼出气柱内的二氧化碳浓度。

数据处理模块5接收到传感器系统的数据后计算得到进一步数据，并具有单次记忆功能。

(2)固定系统B：

固定系统B由前端固定器6、数据线7、后端固定器8组成，保证测量装置在一般运动中不会脱落或发生影响测量的位移。

前端固定器6由硅胶构成，紧密贴合人中部位，内含接口芯片和微型电源，给传感-处理芯片提供电动势，用于将传感-处理芯片垂直固定在鼻孔前方，并将数据处理模块5与数据线7连接。

数据线7由前端固定器6两侧引出分别经两颊至头后与后端固定器8相连。该数据线外包亲肤材料，具有固定装置和传输数据的作用。

后端固定器8为软胶构成，含有接口芯片，连结数据线7与无线传输器9并将无线传输器9固定在脑后。

(3)无线传输系统C：

无线传输系统C由无线传输器9构成，用于将处理好的信号传至移动设备10中。

(4)移动终端D：

移动终端D由移动设备10构成，移动设备10对使用者鼻孔进行分析，得到鼻孔面积。各测量所得数据经处理后可通过无线传输器9将最终结果传至移动设备10中，结合扫描得到的鼻孔面积作出最终新陈代谢率-时间曲线，并可求出任意一段时间内新陈代谢总量，让使用者直观地得到自己的代谢变化状况。

6测量得到的数据通过以下算法转换成实时新陈代谢率：

通过传感器所得数据：呼出气体的流速v、呼出气体的压强p、二氧化碳在呼出与吸入气体间浓度差值(c₂-c₁)，呼出气体温度T。

计算流程：

在平衡态下，单位时间到达传感器表面单位面积的气体为一个气柱。

体积V＝v*ds。设鼻孔的面积为2a(两个)，则单位时间喷出气体体积为2avdt。

设单位体积内空气分子数为n。

则n＝P/(kT)，(其中k为玻尔兹曼常量，约为1.38*10^-23J/K)。

空气的摩尔质量为29*10^-3kg/mol,分子平均质量为4.82*10^-26kg。

净产生CO₂的分子数为(c₂-c₁)*n*(2a)*vdt。

其中，空气中二氧化碳体积分数c₁约为0.03％。

折合R约为8.314J/(mol*K)。

由1mol葡萄糖彻底氧化生成6mol CO₂，释放能量2870KJ，可知，

代谢率与体表面积的乘积为

体表面积计算公式Adu＝0.202*Wb^0.425*Hb^0.725。

Wb——体重，kg。

Hb——身高，m。

则代谢率M＝α(P/(Adu))+β，单位为W/m²。

由于存在简化和数据的误差，在代谢计算中还补充修正系数α和β用于修正算法与实际测量所得的差异。

附图说明

7图1原理图1。

8图2原理图2。

9图3结构示意图。

10图4佩戴效果图。

11图5算法示意图。

12图3中1-流速传感模块；2-压强传感模块；3-温度传感模块；4-二氧化碳浓度传感模块；5-数据处理模块；6-前端固定器；7-数据线；8-后端固定器；9-无线传输器；10-移动设备。

图3中A-传感-处理系统；B-固定系统；C-无线传输系统；D-移动终端。

具体实施方式

13使用者在使用本发明装置获得新陈代谢率之前，需要用移动设备10扫描自己的鼻孔，以获取使用者的鼻孔面积参数。

14使用者可直接将本发明装置佩戴在头部，调整数据线7直至将传感-处理系统A贴合使用者面部的状态，即芯片在鼻孔前方并垂直于气体呼出方向，无线传输系统C在头后部，前端固定器6与后端固定器8分别贴合人中部分和后脑勺，确保在一般运动状态下本发明装置不会出现影响测量的明显位移，并且使用者无不适感。佩戴完成后打开电源和移动设备10，在无剧烈运动的状态下正常呼吸，通过无线传输器9将测得的实时数据传输到移动设备10中。

15根据预设算法，移动设备10中将其接收到的实时新陈代谢率绘制成直观的新陈代谢率-时间曲线，并可求出任意一段时间内新陈代谢总量，使用者可通过该曲线获知自身代谢情况。

Claims (4)

1.装置的结构

本测量装置包含一个小型传感-处理系统、固定系统、无线传输系统和专门的移动终端。

传感-处理系统由流速传感模块、压强传感模块、温度传感模块、二氧化碳浓度传感模块、数据处理模块组成，放置于受测者鼻孔前方，且不影响使用者的正常呼吸。流速传感模块、压强传感模块、温度传感模块、二氧化碳浓度传感模块直接从人鼻孔呼出的气体中获得流速、压强、温度、二氧化碳浓度这些数据。数据处理模块接收到传感器系统的数据后计算得到进一步数据，并具有单次记忆功能。固定系统由前端固定器、数据线、后端固定器组成，保证测量装置在一般运动中不会脱落或发生影响测量的位移。移动终端，即手机对使用者鼻孔进行分析，得到鼻孔面积。各测量所得数据经处理后可通过无线传输系统将最终结果传至移动终端，结合扫描得到的鼻孔面积作出最终新陈代谢率-时间曲线，并可求出任意一段时间内新陈代谢总量，让使用者直观地得到自己的代谢状况。

2.由测得数据换算新陈代谢率的算法

由权利1引出的关于人体新陈代谢率的算法，根据人体生理结构建立好的气体参数-新陈代谢率的模型，将传感器得到的信号转化成人体新陈代谢率。

3.传感-处理器集成芯片

由权利1、2引出，将气体流速、压强、温度及二氧化碳浓度传感器集成为一个小型的综合传感模块，用于获取实时气体流速、压强、温度、二氧化碳浓度相关信号。数据处理模块负责放大所测信号以及根据算法得到实时数据。

4.产品的外形设计

由权利1引出，本产品外形小巧，设计符合人体工效学，佩戴舒适，不影响日常运动。传感-处理芯片的设计符合人体工效学，贴近鼻腔减少外界因素干扰，能够放于鼻腔前部测量空气流速而不对使用者的呼吸造成影响。固定系统保证芯片垂直与鼻腔，给人的面部施以一定压力，使得芯片和无线传输系统能够固定在头部，并不随头部运动产生大幅度的位移。