CN110731753B - 一种代谢率的检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种代谢率的检测方法和检测装置，检测方法采用检测装置检测采样部位的氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的特征光，根据氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的吸光曲线，获取时间‑吸光度曲线和时间‑吸光度变化率，结合其他参数获取该采样部位的代谢率。检测装置包括调压装置、检测装置和中央处理器，调压装置和检测装置分别连接到中央处理器，检测装置用于检测采样部位的特征光，将特征光发送给中央处理器，中央处理器控制调压装置的加压和泄压。本发明能够通过间接法测定人体的代谢率，受干扰因素少，准确率高。

Description

一种代谢率的检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及人体代谢率的检测方法及装置。

背景技术

目前常用的测量代谢率的方法有直接测热、间接测热、双标水法、心率监测法、公式预测法等，直接测热的原理简单，结果精确，但造价昂贵，技术复杂，应用受到限制，间接测热法即通过测定气体代谢的方法，间接测定能量消耗，由于测量仪器相当昂贵，操作复杂，难以实现一般性应用，最典型的能量代谢测定系统(代谢车)是目前公认的临床上测定基础代谢率的金标准，但是其由于公式预测基础代谢率存在地域差异、人体个体差异等准确度难以保证，因此目前对于代谢率的准确监测尚无简单廉价的方法。

此外，现有技术中已有的间接测热法，通过测量人体体表(皮肤)散热量，建立人体蒸发散热方程，来获取人体的代谢率，这种方法具有一定的可操作性，但是，存在不小的理论误差，虽然人体的散热可以在一定程度上表征代谢速度，但是人体散热不仅通过皮肤温度辐射，还可以通过呼吸、皮肤蒸发、汗液等方式与环境进行热量交换，对每个不同的个体来说，每种方式的散热占比不一定是一个稳定值，而且，如果一旦检测传感变量多，每变量均存在操作和检测误差，最终都会叠加到结果代谢率的信号上，即误差源头多，测试准确性难以保证。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是提供一种代谢率的检测方法，能够通过间接法测定人体的代谢率，受干扰因素少，准确率高。

该检测方法包括以下步骤：

(1)确立代谢率场景；

(2)采用检测装置检测采样部位的氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的特征光；在本发明中，可以测量氧合血红蛋白的特征光，也可以测量脱氧血红蛋白的特征光，也可以同时测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对特征光的吸收率，其中，脱氧血红蛋白的特征强吸收波长大约在600nm～780nm，常用640nm左右；氧合血红蛋白强吸收特征波长在830～1100nm纳米左右，常用940nm左右；通过检测装置探测氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收率，并记录，以备后续处理。

(3)加压阻断动脉血流动。

(4)根据氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的吸光曲线，获取时间-吸光度曲线和时间-吸光度变化率，结合其他参数获取该采样部位的代谢率。

作为一种优选，其他参数可以包括血压和体表温度，其中，血压可以通过压力传感器获得，体表温度可以通过温度传感器获得。

作为一种优选，吸光度需要结合血压的数值来获得代谢率，具体来说，吸光度及其变化仅表示物质浓度及其变化，不能表征物质的量，而代谢率其实是单位时间能量相关物质的消耗量，要得到量，就是浓度和血脉容积的乘积，因此吸光度需要结合血压来计算得到代谢率。

作为一种优选，体表温度是能否进行检测以及检测结果是否准确的一个判断指标，体表温度不参与计算，但是体表温度的数值可以决定是否能够进行检测，例如，体表温度可以用来观察生化反应速率的，如果体温异常，生化反应一般就会变慢，则不能检测，或者检测结果可能会不准确。

进一步地，所述代谢率场景包括基础代谢率、静息代谢率、运动代谢率。

进一步地，当动脉血流动被阻断时，氧合血红蛋白的减少量速率或脱氧血红蛋白的增加量速率和代谢率形成映射关系。

进一步地，所述检测装置采用光检测器，所述光检测器包括光源和光电传感器。

作为一种优选，所述步骤(3)中，采用压力传感器可以检测加压程度，作为一种优选，加压程度要求所加压力超过动脉收缩压，此时才能够达到阻断动脉血流动的效果。作为一种优选，所述步骤(3)中通过气泵进行加压。作为一种优选，在步骤(4)中，所选取的参数是采样部位的血压和体温。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种代谢率的检测装置，通过该检测装置可以实现上述的检测方法。

本发明的检测装置包括调压装置、检测装置和中央处理器，调压装置和检测装置分别连接到中央处理器，检测装置用于检测采样部位的特征光，将特征光发送给中央处理器，中央处理器控制调压装置的加压和泄压。

进一步地，所述调压装置包括气泵、泄压阀、压力传感器和动脉压迫带，动脉压迫带能够包裹在人体体表的动脉所在部位，所述气泵通过管道连接至动脉压迫带，为动脉压迫带提供压力，所述气泵、压力传感器和泄压阀分别连接至中央处理器，中央处理器根据压力传感器的数值控制气泵和泄压阀的启闭。

进一步地，所述检测装置包括光学探头、驱动电路和检测电路，中央处理器通过驱动电路驱动光学探头进行探测，光学探头将探测结果通过检测电路反馈至中央处理器。

进一步地，所述检测装置还包括光学检测指套，所述光学检测指套包括套管、光学探头和数据传输部分，所述套管部分用于检测时套在指部，所述光学探头设置在套管内，所述光学探头连接至所述数据传输部分，所述数据传输部分通过有线或者无线的方式向中央处理器传输光学探头所探测到的信息。

进一步地，所述检测装置包括至少一个光学探头，当所述光学探头多于一个的时候，其分别设置在指部和动脉压迫部位，所述检测装置还包括至少一个参照光学探头，所述参照光学探头设置在非动脉压迫部位。

进一步地，所述检测装置包括显示装置，所述显示装置连接至中央处理器并能够用于显示检测结果。

本发明所依据的理论原理是，人体在代谢的时候，通过代谢循环路径，氧气与血红蛋白结合并且随血液运输给组织细胞，最终与能量物质反应，同时释放能量，通过代谢循环路径，不难发现，释放能量同时也与氧合血红蛋白的减少量(或脱氧血红蛋白的增加量)直接相关，根据这一生理过程，建立阻断情况下，通过检测氧合血红蛋白的减少量速率(或脱氧血红蛋白的增加量速率)来映射该状态下的代谢率。

本发明的有益效果是，本发明通过选取合适的参数来进行推导和演算，从而获得能够表征代谢率的多维曲线，将相应的参数代入该多维曲线中可以获得参数所对应的代谢率，本发明的方法是通过现有的数据建立起来的一个预估体系，相比较现有技术中的直接或者间接地检测法以及公式推导等方法来说，本发明的准确率可以极大提高，误差在5％以内，因此，本发明的方法是获取代谢率比较准确的方法，同时该方法不需要对人体皮肤进行刺破等损伤，操作简单方便，便于使用者随时进行自我检查，可以随时掌握自身的健康和康复状况。

附图说明

图1是本发明的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收特征光谱图。

图2是本发明的检测装置的整体示意图。

图3是本发明的检测装置的内部结构图。

图4是本发明的检测装置的使用状态示意图。

图5是本发明的光学检测指套的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当指出的是，实施例只是对本发明的具体实施方式的描述，其目的是为了让本领域人员更好地理解本发明，而不应视为对本发明的限制。

实施例1，检测方法，参照附图1。

本发明的检测方法具体包括以下步骤：

(1)将动脉加压袖带布置在上臂的动脉处，通过充气泵对动脉加压袖带进行加压，通过压力传感器进行检测，直到所加压力超过动脉舒张压。

(2)将手指部位和动脉加压部位作为采样部位，分别布置光学探头，光学探头可以由LED光源和光电传感器组成，可采用透射式检测手指或反射式检测手指皮肤等，光电传感器可以采用可见近红外CCD图像传感器，可见近红外CMOS图像传感器和其它队可见近红外波段具有光电响应的传感器，如光电二极管、PMT(光电倍增管)等。

(3)检测手指部位和动脉加压部位动脉浅表位置的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸光度，根据如图1所示的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的特征光吸收光谱图，分别采用波长为650nm和波长为950nm的检测光来检测脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收度。

(4)在动脉加压部位上部，不受加压影响的动脉上游部位设置参考部位，在检测采样部位的同时，也通过另一个光检测器检测参考部位，作为基础参考。

(5)建立吸光度和代谢率表征映射关系，代谢率的映射关系和多个参数有关，这些参数可以通过吸光度来获得，例如，

建立吸光度曲线：y＝A(t),氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸光度分别记作A1，A2；

建立吸光度曲线导数：

氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸光度曲线导数分别记作d1，d2；则，血氧吸光度比：K＝d1/d2；

此外，将血压记作P，检测点皮肤温度记作T；

则建立代谢率MR与以上参量映射关系：

MR(t)＝f(A1(t)，A2(t)，d1(t)，d2(t)，K(t)，P，T(t))；

如果将时间标准化为固定时长，例如30秒，

则可以采用各参量终末期与初始期的差值来表征这段时间内的代谢率MR：

MR＝f(ΔA1，ΔA2，Δd1，Δd2，ΔK，P，T(t)，ΔT)；

P(t)在加压和调压条件下，即为阻断动脉时候的收缩压，只要动脉被阻断，停止加压，在不泄露得情况下，此参量不发生变化，T(t)可能变化，一方面是检测位置和周边环境散热所致，另一方面影响生化反应速率。

在映射关系中，随时间的变化各个变量都会发生变化，从而模拟出不同时间段、不同状态下的，能够表征代谢率的多维曲线，多维曲线可以表征在不同的参数情况下不同的代谢率。

运动状态下，通过光电脉搏波，即血氧蛋白和脱氧血红蛋白的吸光度曲线，可以获得呼吸波曲线，利用呼吸波曲线的强度和频率来表征代谢率。

根据每个个体的差异可以对代谢率曲线进行修正，个性化建立代谢率(单位时间呼吸摄氧量)与以上参量的映射关系，此关系建立之后，针对个性化建立个性化参数，在非运动状态下，即可通过非运动状态下的相应的参量推算单位时间耗氧量。

本实施例中的检测方法可以采用实施例2中的检测装置来实现，当然，实施例2中的检测装置只是实现本发明的检测方法的其中一种具体实施方式，并不是限定本发明的检测方法只能采用实施例2中的装置。

实施例2，检测装置，参照附图2-5。

如图3-4所示，本发明的检测装置包括壳体1，壳体内设有调压装置、检测装置和中央处理器2，其中，调压装置包括气泵3、泄压阀4、压力传感器5和动脉压迫带6，动脉压迫带6能够包裹在人体体表的动脉所在部位，例如手臂上，气泵3可以通过管道8以及设置在壳体1上的接口通道7连接至动脉压迫带6，为动脉压迫带提供压力，所述气泵3、压力传感器和泄压阀4分别连接至中央处理器，中央处理器2根据压力传感器5的数值控制气泵和泄压阀的启闭，例如当压力传感器5的检测数值达到动脉舒张压，可以通过中央处理器2停止气泵加压，测量完毕后，可以通过中央处理器2通过泄压阀进行泄压。

在一些优选的方式中，为了提升检测装置的性能，在壳体1上还可以设置散热孔11，在一些优选的方式中，如图2所示，壳体1上可以设置上盖8，将壳体1内的部件盖住，形成完整闭合的装置。

如图5所示，在本发明的一种优选的方式中，检测装置可以采用光学检测指套，所述光学检测指套包括套管101、光学探头102和数据传输部分，所述套管101用于检测时套在指部，所述光学探头102设置在套管内，光学探头102包括光源和光电传感器，光源用于发射本发明的检测方法所需波长的光，光电传感器用于感知吸光度，光源和光电传感器都可以直接采用市售类型，只要选取合适的波长段即可。在本实施例中，所述数据传输部分包括蓝牙模块，所述蓝牙模块通过无线的方式向中央处理器传递数据，在一些优选的方式中，光学检测指套内可以设置储电模块，例如电池，电池可以采用充电电池或者干电池等，足以提供光学检测指套内的光学探头的用电即可。

在一些其他的方式中，数据传输部分还可以通过数据线连接到中央处理器，或者通过无线的方式向中央处理器传输光学探头所探测到的信息。

在一些其他的方式中，数据传输部分还可以采用USB接口的形式，光电传感器在光学检测指套的内部连接到USB接口，检测后，可以将USB接口连接到检测装置上，向中央处理器传输检测结果。

在一些优选的方式中，光学检测指套还可以设置固定结构103，例如固定结构103可以采用夹子，可以将光学检测指套固定在某个装置上。

在一些优选的方式中，本发明的检测装置除了光学检测指套外，还可以包括其他的光学探头，当所述光学探头多于一个的时候，其分别设置在指部和动脉压迫部位，所述检测装置还包括至少一个参照光学探头，所述参照光学探头设置在非动脉压迫部位，例如动脉压迫带包裹在手肘部位，则光学探头可以分别设置在指部和被压迫部位，而参照光学探头可以设置在被压迫部位以上的部位，用于获得可以进行对照和校准的吸光度数值。

在一些优选的方式中，壳体1内可以设置光源15，动脉压迫带上也可以设置光电传感器，直接检测动脉压迫带压迫部位的相关参数，例如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸光度等。

在一些优选的方式中，本发明的检测装置还可以包括显示装置，显示装置上设置显示屏，显示屏可以通过数据线连接至中央处理器，并且能够将中央处理器所获得的检测结果或者中间结果进行显示，便于使用者观察。

在一些优选的方式中，本发明的检测装置中还可以设置智能通讯模块，智能通讯模块可以建立中央处理器和智能设备(例如手机、平板等智能终端)之间的数据连接，从而将数据通过无线方式跟手机通讯，方便手机展示及与云服务器的通讯和处理，便于大数据采集分析。

Claims (3)

1.一种代谢率的检测方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）确立代谢率场景；

（2）检测采样部位的氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白对特征光的吸收度；

（3）加压阻断动脉血流动；当动脉血流动被阻断时，氧合血红蛋白的减少量速率或脱氧血红蛋白的增加量速率和代谢率形成映射关系；

（4）根据氧合血红蛋白或脱氧血红蛋白的吸光度，获取时间-吸光度曲线和时间-吸光度变化率，结合其他参数获取该采样部位的代谢率；

所述方法还包括：在不同的代谢率场景下，建立代谢率与多个参数之间的映射关系，其中，包括：

建立时间-吸光度曲线：

，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的时间-吸光度分别记 作A1(t)，A2(t)；

建立时间-吸光度曲线导数：

，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的时间-吸光度曲线导 数分别记作d1(t)，d2(t)；则，血氧吸光度比：K=d1(t)/d2(t)；

此外，将血压记作P，检测点皮肤温度记作T(t)；

则建立代谢率MR与以上多个参数之间的映射关系：

；

将时间标准化为固定时长，

则采用相关参数的终末期与初始期的差值来表征这段时间内的代谢率MR’：

；

血压P在加压和调压条件下，即为阻断动脉时候的收缩压，只要动脉被阻断，停止加压，在不泄露的情况下，血压P不发生变化，检测点皮肤温度T(t)可能变化，一方面是检测位置和周边环境散热所致，另一方面受生化反应速率影响；

在上述映射关系中，随时间的变化相关参数发生变化，从而模拟出不同时间段、不同状态下的能够表征代谢率的多维曲线，多维曲线表征在不同的参数情况下不同的代谢率；

其中，在非运动状态下，根据每个个体的差异对代谢率曲线进行修正，个性化建立代谢率与多个参数之间的映射关系，此关系建立之后，针对个性化的映射关系，即可通过非运动状态下的多个参数推算单位时间耗氧量；

在运动状态下，还通过血氧蛋白和脱氧血红蛋白的时间-吸光度曲线获得呼吸波曲线，将呼吸波曲线的强度和频率作为相关的参数增加到上述代谢率与多个参数之间的映射关系中来表征代谢率。

2.根据权利要求1所述的一种代谢率的检测方法，其特征是，所述代谢率场景包括基础代谢率、静息代谢率、运动代谢率。

3.根据权利要求1所述的一种代谢率的检测方法，其特征是，所述检测方法采用光学探头进行步骤（2）中的所述检测，所述光学探头包括光源和光电传感器。

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