CN114593769A - 数字化能量代谢监测平台及其环境模拟代谢舱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境模拟代谢舱，该代谢舱设有进风口和出风口，分别用于代谢舱气流的流入和流出。代谢舱还包括第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪，该第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪通过切换开关同时接入进风口的通路或者出风口的通路，对代谢舱的流入气流和代谢舱的流出气流进行交替的实时采样、监测和分析。在进风口通路上，按照新风流入的方向，设有第一过滤器、第一缓冲腔，氧洗涤器、第二缓冲腔、在第二缓冲腔处通过所述切换开关依次连接第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪。本发明实现了不同海拔高度的氧分压状态的精准模拟，为高海拔环境下能量代谢的研究提供了更优化的手段。
Description
技术领域
本发明属于医学研究技术领域，特别涉及一种数字化能量代谢监测平台及其环境模拟代谢舱。
背景技术
同一申请人在申请号为202110535040，名称为“一种人体代谢状态量化管理分析系统及方法”的中国专利申请文件中公开了“一种人体代谢状态量化管理分析系统，其特征在于，包括：数据采集模块，用于对人体医学信息进行自动化采集，得到数据源，其中，所述数据源包括表征层数据和多组学数据；数据整合模块，用于对所述数据采集模块采集到的数据源进行质控、清洗、并进行数据结构化处理，得到包含代谢表型及多组学数据的标准化代谢数据集；数据分析模块，用于对所述标准化代谢数据集进行分析处理，得到标准化后的表征层数据及多组学数据的关联关系，并对所述关联关系以及所述标准化代谢数据集采用算法模型进行训练，构建人体代谢模型”。
同时，在该文件中还指出该申请文件的技术方案“包括将人体代谢舱、生理监测设备、行为表情识别、基础医学特征等数据源进行自动化采集与整合，并对采集的数据进行质控、清洗、并将数据结构化得到标准化数据，对标准化数据建模分析处理，得到标准化后的表征层数据以及多组学数据的关联关系；对关联关系以及处理后的标准化数据进行算法训练，搭建人体代谢模型，所述的人体代谢模型的内容为描述人体代谢状态的数据包”。
进一步的，在该文件说明书中提及“能量代谢是细胞及机体能量与物质转换的重要生命过程，其稳态平衡是机体应对内外时空环境变化的重要保障。能量代谢失衡导致的各类代谢性疾病严重威胁人类健康。能量代谢研究需要从分子水平向表观互作、从静态到动态、从单维度到多维度监测等方面的纵深发展。
代谢舱使用间接测热法即测定氧气消耗及二氧化碳生成量，并结合尿氮排泄量，通过weir公式计算实时的能量消耗并可推算三大宏观营养素消耗占比，是人体能量测定的金标准。而人体数字化能量代谢监测平台以代谢舱为基础，整合多项智能环境控制系统，涵盖氧气、光照、温度、湿度、声音、视频等；集成各类先进人体医疗监测设备，可以实时监测舱内受试者的能量消耗、呼吸商、血糖、血压、心率、呼吸率、心电、脑电、肌电、皮电、体温、核心体温等多项生理参数；结合人工智能技术可实时判别并收集舱内受试者的行为姿势，动作，以及各种微表情等参数”。可见，在该文件中并未提供关于代谢舱的实现方案，影响了关于代谢分析的整体研究目的的达成。
发明内容
本发明实施例之一，一种环境模拟代谢舱，该代谢舱包括，
密闭门、观察窗、采血口、双层通道。以及床、桌椅、洗脸池、坐便器。
该环境模拟代谢舱设有温湿度控制器，与代谢舱内的温度传感器和湿度传感器连接，用于控制代谢舱内的温度与湿度。
可穿戴设备，被穿戴在受试者的身体上，用于获取测试所需的受试者的生理参数；健身器材，用于受试者的运动锻炼；摄像头，用于观察受试者的状态；拾音器，用于获取代谢舱内的声音或者噪声信号；照明灯，用于代谢舱按照测试所需的光照强度的照明。
代谢舱设有进风口、进风口管道、出风口、出风口管道，在进风口管道和出风口管道上均设有水蒸气分析仪、CO2分析仪和O2分析仪。
在所述进风口管道上，按照新风流入的方向，设有第一过滤器、第一缓冲腔、氧洗涤器、第二缓冲腔、在所述第二缓冲腔处依次连接有第一采样泵、第一气体干燥器、第一流量控制器、第一CO2分析仪、第一O2分析仪。
本发明实施例提供的环境模拟代谢舱的有益效果之一是，实现了不同海拔高度的氧分压状态的精准模拟，为高海拔环境下能量代谢的研究提供了更优化的手段。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1根据本发明实施例之一的环境模拟代谢舱组成示意图。
图2根据本发明实施例之一的环境模拟代谢舱控制系统示意图。
100——标准代谢舱，101——代谢舱壁，102——代谢舱密闭门，103——观察窗，104——采血口，105——双层通道，106——床，107——桌椅，108——洗脸池，109——坐便器，110——温湿度控制器，111——可穿戴设备，113——摄像头，114——拾音器，115——照明灯，116——温度传感器，117——湿度传感器，118——跑步机，
120——第一过滤器，121——第一缓冲腔，122——第一采样泵，123——第一气体干燥器，124——第一流量控制器，125——第一CO2分析仪，126——第一O2分析仪，127——氧洗涤器，128——第二缓冲腔，
130——第二过滤器，131——流量计，132——第二采样泵，133——第二气体干燥器，134——第二流量控制器，135——CO2分析仪，136——第二O2分析仪。
具体实施方式
能量代谢(Energy Metabolism)是细胞及机体能量与物质调控的核心生命过程，是生命最基本的特征之一，机体内营养物质被氧化而产生能量的过程称为能量消耗。能量代谢与健康息息相关，近年来，多项研究已经表明，能量代谢失衡与糖尿病、肥胖、心血管疾病、癌症等一系列重大慢性非传染性疾病(慢性病)以及老龄化密切相关，加强对机体能量代谢调控机制的基础研究，是应对慢病挑战的关键所在。
人体能量代谢舱是一个相对封闭的空间，被测者可以在相对舒适的舱内自由活动24小时至几天，根据不同外部干预刺激引起人体呼出CO2和吸人O2含量的微弱变化被精准的采集、分析，利用间接热量法测定人体动态代谢率。代谢舱是目前测定人体能量消耗的金标准之一，但现有代谢舱仅能通过测量密闭舱体内空气中氧气和二氧化碳含量的变化，计算一段时间内人体能量消耗。还无法实现同时实时监测人体能量消耗和人体各系统的生理变化，无法满足对人体能量消耗与人体生理参数的进一步研究需要。
根据一个或者多个实施例，一种环境模拟代谢舱，该代谢舱设有进风口和出风口，分别用于所述代谢舱气流的流入和流出。
所述代谢舱还包括第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪，该第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三02分析仪通过切换开关同时接入所述进风口的通路或者所述出风口的通路，对所述代谢舱的流入气流和所述代谢舱的流出气流进行交替的实时采样、监测和分析。
在所述进风口通路上，按照新风流入的方向，设有第一过滤器、第一缓冲腔，氧洗涤器、第二缓冲腔、在所述第二缓冲腔处通过所述切换开关依次连接所述第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪。
在所述出风口通路上，按照气流流出的方向，设有第二过滤器、流量计，在所述流量计的输出端通过所述切换开关依次连接所述第三水蒸气分析仪、第三C02分析仪和第三O2分析仪。
在所述第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪形成的检测通路上依次包括第三采样泵、第三气体干燥器、第三流量控制器。
本发明实施例，使用一套第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三02分析仪实现了对于环境模拟代谢舱的进风口管路和出风口管路的气流检测分析，不仅降低了成本，简化了仪器校准工作量，有利于保证对于以进风口管路气流作为代谢分析计算基准的气体检测，也没有影响到对于气流的检测精度。
根据一个或者多个实施例，如图1所示。一种环境模拟代谢舱，包括，密闭门，该密闭门具有气密功能，用于封闭代谢舱空间；观察窗，设在代谢舱舱壁上，用于观察受试者状态；采血口，设在代谢舱舱壁上，用于对受试者的采血；双层通道，设在代谢舱舱壁上，一层用于传递受试者的食物，一层用于传递受试者的生物样本。舱内设有床，桌椅，洗脸池，坐便器。
代谢舱设有温湿度控制器(系统)，与代谢舱内的温度传感器和湿度传感器连接，用于控制所述代谢舱内的温度与湿度。受试者穿戴可穿戴设备，例如手环、手表，用于获取测试所需的受试者的生理参数，包括心率、血压、血糖。代谢舱设有健身器材，用于受试者的运动锻炼。健身器材可以是自行车健身器，或者跑步机，或者椭圆机。
代谢舱内设有摄像头，用于观察受试者的状态。摄像头包括行为摄像头组和表情摄像头组，行为摄像头组，包括多个摄像头，每个摄像头由RGB、深度、热感传感器构成，用于捕捉并识别任何光照条件下的受试者的行为姿态，包括身体姿态、进餐行为、睡眠、运动。表情摄像头组，包括多个摄像头，用于捕捉并识别受试者微表情与情绪。
拾音器，用于获取代谢舱内的声音或者噪声信号。拾音器连接舱内声音测试仪，结合舱外播放器，实现对代谢舱噪声的监测。
照明灯，用于代谢舱按照测试所需的光照强度的照明。照明灯可以是LED灯组，包括多个LED灯，可受控设置在多个光照强度上。
代谢舱设有进风口、进风口管道、出风口、出风口管道，在进风口管道和出风口管道上均设有水蒸气分析仪、CO2分析仪和O2分析仪。在所述进风口管道上，按照新风流入的方向，设有第一过滤器、第一缓冲腔、氧洗涤器、第二缓冲腔、在所述第二缓冲腔处依次连接有第一采样泵、第一气体干燥器、第一流量控制器、第一CO2分析仪、第一02分析仪。氧洗涤器采用分子筛技术来吸附空气中的氧分子，作用是设定、控制空气中氧的含量，用以模拟设定的海拔高度的大气含氧量。通过降低空气中的氧含量，用以模拟高海拔的大气。
在所述出风口管道上，按照气流流出的方向，设有第二过滤器、流量计、第二采样泵、第二气体干燥器、第二流量控制器、第二C02分析仪、第二02分析仪。
如图2所示，可穿戴设备、健身器材、摄像头、拾音器、照明灯，与一主控制器连接。主控制器接收所述可穿戴设备、健身器材、摄像头、拾音器、照明灯的输出数据，并向所述可穿戴设备、健身器材、摄像头、拾音器、照明灯发送控制指令。同时，主控制器连接氧洗涤器、水蒸气分析仪、C02分析仪和02分析仪，获取各分析仪的输出数据，并向氧洗涤器、各分析仪发送控制指令。主控制器是数字化能量代谢监测平台的组成部分，将采集的数据各种传送到平台，通过平台的计算，将计算结果，以及受试者的状态参数呈现在数字看板上。
根据一个或者多个实施例，数字化能量代谢监测平台包括标准代谢舱、静息代谢舱以及环境模拟代谢舱。其中，
标准代谢舱，面积约为10平方米，体积为30000升，受试者可以在舱内自由活动，进餐、睡眠、运动，通过无感的方式采集不同状态下的动态代谢率。每个舱体配有环境模拟与控制系统，通过精细调节光照、声音、温度、湿度等参数，模拟海平面各种地域环境，测试其对机体能量代谢的影响。一般实验时长为24-72小时。
静息代谢舱，又称为“食物热效应代谢舱”，面积为4平方米，体积为10000升，可快速检测人体微弱代谢率的变化。一般实验时长半小时到2小时。
环境模拟代谢舱，是低氧代谢舱体，除了有标准代谢舱全部功能外，还可通过氧气浓度控制装置，精准模拟不同海拔高度的氧分压状态，从而实现机体在纵向空间环境下能量代谢的相关研究。
本发明实施例通过整合多个生物学传感器与时间序列分析方式，通过本发明的数字化标准代谢舱，实现能量消耗、心率、血压、血糖、呼吸率、血氧饱和度的实时采集和整合。环境模拟代谢舱涉及到的计算包括以下内容，
VO2＝-d(FeO2)/dt*RoomVolume*room_correction_coefficient*60+FiO2*FRi-FeO2*Fre (1)
VCO2＝dFeCO2/dt*RoomVolume*room_correction_coefficient*60-FiCO2*FRi+FeCO2*Fre (2)
其中，
VO2氧气消耗率，
VCO2二氧化碳产生速率，
FeO2出口氧气浓度，
FeCO2出口二氧化碳浓度，
RoomVolume房间大小，
room_correction_coefficient房间体积调整系数，
FiO2入口氧气浓度，
FiCO2入口二氧化碳浓度，
FRi进口气流速率(在标况温湿度下)，
FRe出口气流速率(在标况温湿度下)，
又根据，霍尔丹转换
FRi*(1-FiCO2-FiO2)＝FRe*(1-FeCO2-FeO2) (3)
为确定room_correction_coefficient房间体积调整系数，通过空舱实验，记录清洗过程当中的气体浓度变化，将记录的指数函数曲线拟合，通过以下公式
FeCO2＝A*exp(b*t)+C (4)
b＝-FRe/(RoomVolume*room_correction_coefficient) (5)
拟合出来的曲线，得到一个估算出来的房间体积调整系数room_correction_coefficient。
上述关于环境模拟代谢舱的代谢计算，是基于本发明的环境模拟代谢舱气流采集分析系统，对于现有代谢计算的进一步优化，应用于本发明的数字化能量代谢检测研究平台，在实践中获得了满意的计算结果。因此，本发明能量代谢监测平台，实现了人体高维度的数据采集和高精度的时序队列分析，其中包括环境数据、外界暴露刺激数据、人体静态检验检查数据、人体动态生理数据、心理数据以及行为数据等。通过该检测平台的数据建立的代谢计算分析数学模型，正被应用于航天、极地科考、运动等领域的人员训练之中。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (10)
1.一种环境模拟代谢舱，其特征在于，该代谢舱设有进风口和出风口，分别用于所述代谢舱气流的流入和流出，
所述代谢舱还包括第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪，该第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪通过切换开关同时接入所述进风口的通路或者所述出风口的通路，对所述代谢舱的流入气流和所述代谢舱的流出气流进行交替的实时采样、监测和分析，
在所述进风口通路上，按照新风流入的方向，设有第一过滤器、第一缓冲腔，氧洗涤器、第二缓冲腔、在所述第二缓冲腔处通过所述切换开关依次连接所述第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪。
2.根据权利要求1所述的环境模拟代谢舱，其特征在于，在所述出风口通路上，按照气流流出的方向，设有第二过滤器、流量计，在所述流量计的输出端通过所述切换开关依次连接所述第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪。
3.根据权利要求1或2所述的环境模拟代谢舱，其特征在于，在所述第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪形成的检测通路上依次包括第三采样泵、第三气体干燥器、第三流量控制器。
4.根据权利要求1所述的环境模拟代谢舱，其特征在于，所述代谢舱设有摄像头，用于观察受试者状态。
5.根据权利要求4所述的环境模拟代谢舱，其特征在于，所述摄像头是一个摄像头组，该摄像头组包括行为摄像头组和表情摄像头组，
所述行为摄像头组，包括多个摄像头，每个摄像头由RGB、深度、热感传感器构成，用于捕捉并识别任何光照条件下的受试者的行为姿态，包括身体姿态、进餐行为、睡眠、运动，
所述表情摄像头组，包括多个摄像头，用于捕捉并识别受试者微表情与情绪。
6.根据权利要求1所述的环境模拟代谢舱，其特征在于，所述代谢舱设有健身器材，用于受试者的运动锻炼。
7.根据权利要求1所述的环境模拟代谢舱，其特征在于，所述代谢舱设有照明灯，用于代谢舱按照测试所需的光照强度的照明。
8.根据权利要求1所述的环境模拟代谢舱，其特征在于，所述代谢舱设有拾音器，用于获取代谢舱内的声音或者噪声信号。
9.根据权利要求1所述的环境模拟代谢舱，其特征在于，所述环境模拟代谢舱包括可穿戴设备、健身器材、摄像头、拾音器、照明灯，与一主控制器连接，
主控制器接收所述可穿戴设备、健身器材、摄像头、拾音器、照明灯的输出数据，并向所述可穿戴设备、健身器材、摄像头、拾音器、照明灯发送控制指令，同时，
主控制器连接氧洗涤器、第三水蒸气分析仪、第三CO2分析仪和第三O2分析仪，获取各分析仪的输出数据，并向氧洗涤器、各分析仪发送控制指令。
10.一种数字化能量代谢监测平台，其特征在于，包括如权利要求1所述的环境模拟代谢舱。
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