CN116763289A - 基于单一呼出气体的能量代谢评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供基于单一呼出气体的能量代谢评估方法及系统，属于健康检测评估检测技术领域，方法获取预设检测位置的呼入与呼出的二氧化碳和氧气气体成分比例，确定呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和；再单一采集用户呼出的氧气分量或二氧化碳分量，并基于氧气分量与二氧化碳分量之和计算出呼出的二氧化碳分量或氧气分量；基于用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量；最后依据氧气消耗量和二氧化碳生成量计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平。本申请仅采集用户的呼吸流量，以及呼出氧气分量或二氧化碳分量进行能量代谢评估，简化了能量代谢评估流程，降低了检测设备成本。
Description
技术领域
本申请属于健康检测评估检测技术领域，具体涉及一种基于人体口气中单一呼出气体进行能量代谢评估的方法及系统。
背景技术
间接测热法（indirect calorimetry）是人体能量消耗检测的金标准技术。该技术根据人体呼吸系统与外界交换的氧气与二氧化碳的绝对量及比例关系，推算出人体当下的能量消耗水平，以及为提供这些能量，人体实时消耗的脂肪及碳水水平。
目前能量代谢检测设备使用高频（传感器的t90通常小于120ms）流量传感器、高精度CO2传感器及高精度O2传感器进行口气数据采集。通过整合传感器收集到的数据，可以计算出实时人体消耗O2的速率和产生CO2的速率。并根据生理学公式，计算出人体实时的能耗水平。
现有技术中需要同时掌握氧气的实时进气分量FiO2和出气分量FeO2，以及二氧化碳的实时进气分量FiCO2和出气分量FeCO2，才可能推导出氧气消耗率VO2和二氧化碳产生率VCO2，能量代谢检测流程较为复杂繁琐。因此，需要设备同时拥有高精度氧气传感器及二氧化碳传感器，两种传感器的同时存在，使得设备的成本较高。
发明内容
为此，本申请提供基于单一呼出气体的能量代谢评估方法及系统，有助于解决现有技术能量代谢检测流程较为繁琐，且检测设备成本较高的问题。
为实现以上目的，本申请采用如下技术方案：
第一方面，本申请提供一种基于单一呼出气体的能量代谢评估方法，包括：
获取预设检测位置的呼入与呼出的气体成分比例；
采集用户在预设检测位置处的呼吸气体流量，并依据所述气体成分比例确定所述呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和；
采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，或，
采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量；
基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量；
依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平。
进一步地，所述采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，具体包括：
采集用户在预设检测位置处呼出气体中的氧气分量，并基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的二氧化碳分量；
所述第一换算公式具体为：
FiCO2+FiO2+k=FeCO2+FeO2
其中，FiCO2+FiO2是用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和；FeCO2是用户呼出气体中的二氧化碳分量；FeO2是用户呼出气体中的氧气分量；k是预设的固定检测系数。
进一步地，所述采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量，具体包括：采集用户在预设检测位置处呼出气体中的二氧化碳分量，并基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的氧气分量。
进一步地，所述基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量，具体包括：
根据用户的呼吸气体流量计算出用户每分钟进气量Vi和每分钟出气量Ve；
依据所述气体成分比例确定用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量和二氧化碳的进气量；
基于计算出的用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，计算出用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量和二氧化碳的出气量；
通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗率和二氧化碳产生率；
所述第二换算公式具体为：
VO2=Vi(FiO2)-Ve(FeO2)；
VCO2=Ve(FeCO2)-Vi(FiCO2)
其中，VO2是用户每分钟的氧气消耗量，ml min-1；Vi(FiO2)是用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量；Vi(FiCO2)是用户每分钟进气量Vi中二氧化碳的进气量；VCO2是用户每分钟的二氧化碳产生率，ml min-1；Ve(FeO2)是用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量；Ve(FeCO2)是用户每分钟出气量Ve中二氧化碳的出气量。
进一步地，所述依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平，具体包括：
依据计算出的用户每分钟的氧气消耗量VO2和二氧化碳产生率VCO2，通过生理学公式计算出用户每分钟的实时消耗的总能量，具体的计算过程如下式所示：
TEE = [0.0039 x VO2(ml min-1)] + [0.0011 x VCO2(ml min-1)]
其中，TEE是用户每分钟的实时消耗的总能量，kcal min-1；
根据预设的人体能量熵，通过用户每分钟的实时消耗的总能量评估用户的健康状态。
第二方面，本申请提供一种基于单一呼出气体的能量代谢评估系统，包括：
环境参数采集模块，用于获取预设检测位置的呼入与呼出的气体成分比例；
流量采集分析模块，用于采集用户在预设检测位置处的呼吸气体流量，并依据所述气体成分比例确定所述呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和；
气体含量分析模块，用于采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，或，采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量；
耗氧量分析模块，用于基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量；
能量代谢评估模块，用于依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平。
进一步地，所述气体含量分析模块具体包括第一换算单元和气体传感器，流量采集模块与气体传感器连接，气体传感器与第一换算单元连接；气体传感器具体为氧气传感器或二氧化碳传感器；氧气传感器用于采集用户在预设检测位置处呼出气体中的氧气分量；二氧化碳传感器用于采集用户在预设检测位置处呼出气体中的二氧化碳分量；第一换算单元用于基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的二氧化碳分量或氧气分量。
进一步地，所述耗氧量分析模块具体包括依次顺序连接的呼吸速率计算单元、进气量计算单元、出气量计算单元和耗氧量计算单元；呼吸速率计算单元用于根据用户的呼吸气体流量计算出用户每分钟进气量Vi和每分钟出气量Ve；进气量计算单元用于依据所述气体成分比例确定用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量和二氧化碳的进气量；出气量计算单元用于基于计算出的用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，计算出用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量和二氧化碳的出气量；耗氧量计算单元用于通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗率和二氧化碳产生率。
本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
通过本申请提供的一种基于单一呼出气体的能量代谢评估方法，方法先获取预设检测位置的呼入与呼出的气体成分比例；然后采集用户在预设检测位置处的呼吸气体流量，并依据所述气体成分比例确定所述呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和；同时采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，或，采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量；再基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量；最后依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平。本申请通过仅采集用户的呼吸流量和呼出氧气分量，或呼吸流量和呼出二氧化碳分量来进行能量代谢评估，可以计算出人体在静息状态和运动状态下消耗氧气的速率和产生二氧化碳的速率，进一步计算出个体的实时、真实能量代谢水平和对应的供能物质消耗水平，评估出个体对应的健康状态，在保证能量代谢检测精度的同时简化了检测流程。此外，由于只需采集两种呼吸参数，对应减少了检测仪器的种类，即降低了检测设备成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是根据一示例性实施例示出的基于单一呼出气体的能量代谢评估方法流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的基于单一呼出气体的能量代谢评估系统架构图；
图3是根据一示例性实施例示出的基于单一呼出气体的能量代谢评估系统控制逻辑示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。
在人体人体能量代谢水平计算过程中，需要计算人的耗氧量和二氧化碳产生率。人的氧气消耗率VO2(ml min-1) =Vi(FiO2)-Ve(FeO2)，其中Vi和Ve分别是每分钟进气量和出气量（Vi=volume of inspired air per minute，Ve=volume of expired air perminute），FiO2和FeO2分别是进气氧气分量和出气氧气分量（FiO2=fraction of inspiredO2，FeO2=fraction of expired O2）。
人的二氧化碳产生率VCO2(ml min-1) =Ve(FeCO2)-Vi(FiCO2)，其中FeCO2和FiCO2分别是出气二氧化碳分量和进气二氧化碳分量（FeCO2=fraction of expired CO2，FiCO2=fraction of inspired O2）。
碳水、脂肪及蛋白质等三种类型的分子，因为其化学组成的特点（C，H，O的比例不同），在人体内完全代谢供能时，单位质量分子消耗的氧气和产生的二氧化碳量及释放的能量是特定的。因此，不仅可以根据氧气的消耗率VO2(ml min-1)和二氧化碳的产生率VCO2(mlmin-1)，逆推出人体当前实时消耗的不同类型分子比例和绝对量，而且可以推算出人体实时释放（消耗）的总能量，其简化公式为
TEE (Total Energy Expenditure, kcal min-1) = [0.0039 x VO2(ml min-1)] +[0.0011 x VCO2(ml min-1)]
为了能够便携地检测或者计算人体能量代谢水平，现有技术方案分为三类：
1. 通过经验公式，将人体的心率、身高、性别、年龄、甚至南北方差异的指标代入公式中，计算出个人的理论，具体计算过程参考现有文献1：Mao Q, Wu JH, Huang CY, LiKJ, Liu XL, Zhang SL, Wang YL, Chen W, Li M, Yang XG, Piao JH. Basal EnergyExpenditure of Chinese Healthy Adults: Comparison of Measured and PredictedValues. Biomed Environ Sci. 2020 Aug 20;33(8):566-572. doi: 10.3967/bes2020.075. PMID: 32933608.，以及现有文献2：[1] Camps S G ,Wang N X ,Tan W ,et al. Estimation of basal metabolic rate in Chinese: are the currentprediction equations applicable?[J]. Nutrition Journal, 2015, 15(1):79.。此种方法通过大数据规律，机械化地用规律代替真实的个体数据，虽然被广泛用于当前的智能手表、智能健康检测设备，但实际上，计算出的数据并不是每个用户自身的实时、真实代谢数据，不具有指导进一步干预手段的价值。
2. 通过简化的流量传感器和二氧化碳传感器，计算静息状态基础能耗，如Lumen代谢检测设备。此类设备因为过度追求小型化，将流量传感器过度压缩，导致流量检测不准，且无法在高速气流模式下使用（运动状态）。失真的检测数据导致计算出的代谢数据与真实值偏差较大，产品力不足。
3. 通过优化的流量传感器、氧气传感器和二氧化碳传感器，计算运动及静息状态的基础能耗，如Cosmed公司的COSMED K5遥测新陈代谢测试仪。此类设备较好地将标准的间接量热法能量代谢检测设备缩小，但为了数据精准，使用的传感器较多，个体较大，一是结构复杂，导致开发成本较高和单价较贵；二是便携程度很难进一步缩小，全重加上面罩，超过1kg。
基于该技术生产的医疗级检测设备，传统情况下，需要同时拥有流量传感器、高精度CO2传感器及高精度O2传感器，售价较高，工作原理复杂，且体型较大。
本申请通过能量代谢评估方法优化，仅使用流量传感器和O2传感器，或者流量传感器和CO2传感器的双传感器组合，就能实现以往三个传感器才能完成的功能，在保证高检测精度的同时，使得设备更加轻便，并有效降低成本，扩展了应用场景。
请参阅图1，图1是根据一示例性实施例示出的一种基于单一呼出气体的能量代谢评估方法流程图，如图1所示，该方法包括：
S1：获取预设检测位置的呼入与呼出的气体成分比例；
S2：采集用户在预设检测位置处的呼吸气体流量，并依据所述气体成分比例确定所述呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和；
S3：采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量；
S4：基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量；
S5：依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平。
其中，方法也可以通过采集用户呼出二氧化碳分量进行分析，因此步骤S3可以替换为步骤S3’，步骤S3’具体包括：采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量。
在一定时间内，人体呼出的气体总量与吸入的气体总量是相等的，静息状态和不同强度的运动状态，在气流上主要体现在单位时间内的气流流速，但不会改变在一定时间内从呼吸道进入和排出气体总量相等的事实。
在一个确定的地理位置，海拔是固定的，该地区的含氧量和二氧化碳含量在较短的时间内也可以看作固定值。在绝大多数低海拔地区，人体呼吸作用中的气体成分主要包括：
吸入的气体成分主要为78%的N2，21%的O2，1%的其他气体（其中CO2大约占0.04%）；
呼出的气体成分主要为78%的N2，17%的O2，1%的其他气体及4%的CO2。
因此，无法被人体利用的N2进出人体时的分量FiN2和FeN2不变，1%的其他气体分量也不变。在固定地理位置，吸入的气体中氧气分压和二氧化碳分压FiO2和FiCO2是固定值，他们之和Fi（O2+CO2）也是固定值。呼出气体中氧气和二氧化碳分量FeO2和FeCO2之和Fe（O2+CO2）也是固定值，即采集到氧气和二氧化碳分量之和后不需要额外计算二者的分量和。根据前述推导，与吸入气体Fi（O2+CO2）相等。虽然，在不同的状态下，FeO2和FeCO2这两个指标是变量，但只需要通过氧气传感器获取其中氧气分量FeO2的数值，二氧化碳的分量FeCO2即可以通过[Fe（O2+CO2）- FeO2]计算获得。同理，只需要通过二氧化碳传感器获取其中二氧化碳分量FeCO2的数值，氧气的分量FeO2即可以通过[Fe（O2+CO2）- FeCO2]计算获得。
其中，FiCO2是CO2原始数据波谷值，通过归一化算法处理后，即为吸入气CO2浓度。FeCO2：取CO2原始数据波峰值，即为呼出气CO2浓度。FiO2：O2原始数据波峰值，通过归一化算法处理后，即为吸入气O2浓度。FeO2：取氧气曲线波谷值，即为呼出气O2浓度。
进一步地，在一个实施例中，所述采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，具体包括：
采集用户在预设检测位置处呼出气体中的氧气分量，并基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的二氧化碳分量；
所述第一换算公式具体为：
FiCO2+FiO2+k=FeCO2+FeO2
其中，FiCO2+FiO2是用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和；FeCO2是用户呼出气体中的二氧化碳分量；FeO2是用户呼出气体中的氧气分量；k是预设的固定检测系数。
进一步地，在另一个实施例中，所述采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量，具体包括：采集用户在预设检测位置处呼出气体中的二氧化碳分量，并基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的氧气分量。
进一步地，在一个实施例中，所述基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量，具体包括：
根据用户的呼吸气体流量计算出用户每分钟进气量Vi和每分钟出气量Ve；
依据所述气体成分比例确定用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量和二氧化碳的进气量；
基于计算出的用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，计算出用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量和二氧化碳的出气量；
通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗率和二氧化碳产生率；
所述第二换算公式具体为：
VO2=Vi(FiO2)-Ve(FeO2)；
VCO2=Ve(FeCO2)-Vi(FiCO2)
其中，VO2是用户每分钟的氧气消耗量，ml min-1；Vi(FiO2)是用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量；Vi(FiCO2)是用户每分钟进气量Vi中二氧化碳的进气量；VCO2是用户每分钟的二氧化碳产生率，ml min-1；Ve(FeO2)是用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量；Ve(FeCO2)是用户每分钟出气量Ve中二氧化碳的出气量。
进一步地，在一个实施例中，所述依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平，具体包括：
依据计算出的用户每分钟的氧气消耗量VO2和二氧化碳产生率VCO2，通过生理学公式计算出用户每分钟的实时消耗的总能量，具体的计算过程如下式所示：
TEE = [0.0039 x VO2(ml min-1)] + [0.0011 x VCO2(ml min-1)]
其中，TEE是用户每分钟的实时消耗的总能量，kcal min-1；该公式具体参考现有文献3：[1] Schoeller D A ,Cook C M ,Raman A . ENERGY EXPENDITURE | IndirectCalorimetry[J]. Encyclopedia of Human Nutrition, 2005, 1(7):139-145.。
根据预设的人体能量熵，通过用户每分钟的实时消耗的总能量评估用户的健康状态。
为验证以上本申请方法的逻辑，使用南京瀚雅公司心肺运动测试系统进行数据采集分析，具体的分析过程如下：
1. 根据多名个体数据分析，发现如下规律：
FiCO2+FiO2+k=FeCO2+FeO2，其中k在每次检测中为固定系数，通常小于0.5%，针对某台设备，其数值k可以经多人次检测求均值的方法获得。
2. 得知空气中二氧化碳及氧气浓度（分别对应FiCO2及FiO2），当检测出呼出气中CO2分压（FeCO2）时，O2分压（FeO2）即可通过上述流程1中的等式计算得出。同理，当检测出呼出气体中O2分压（FeO2）时，CO2分压（FeCO2）也可以计算得出。
3. 经过验证，分别对比FeO2及FeCO2的计算值与实测值，在95分钟的变速运动中，偏差均值约等于0（为0.001），偏差均值与实测均值的比例均小于0.04%（分别为0.008%及0.032%）。其中，本申请采集了用户在一段时间内心肺运动测试数据验证，部分FeO2及FeCO2的计算值与实测值对比情况如下表1和表2所示：
表1 部分FeO2及FeCO2的实测值情况表（仅供参考）
表2 部分FeO2及FeCO2的计算值情况表（仅供参考）
按照上述分析出的计算逻辑，可在只使用流量传感器和氧气传感器，或者流量传感器和二氧化碳传感器的情况下，可以计算出人体在静息状态和运动状态下消耗氧气的速率VO2(ml min-1)和产生二氧化碳的速率VCO2(ml min-1)，进一步计算出个体的实时、真实能量代谢水平，和对应的供能物质消耗水平。
参照图2所示，本申请还提供一种基于单一呼出气体的能量代谢评估系统，系统包括：
环境参数采集模块，用于获取预设检测位置的呼入与呼出的气体成分比例；
流量采集分析模块，用于采集用户在预设检测位置处的呼吸气体流量，并依据所述气体成分比例确定所述呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和；
气体含量分析模块，用于采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，或，采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量；
耗氧量分析模块，用于基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量；
能量代谢评估模块，用于依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平。
进一步地，在一个实施例中，所述流量采集分析模块具体包括流量传感器和浓度计算单元，流量传感器与浓度计算单元连接；流量传感器用于采集用户在预设检测位置处的呼吸气体流量；浓度计算单元用于依据所述气体成分比例计算确定所述呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和。
进一步地，在一个实施例中，所述气体含量分析模块具体包括第一换算单元和气体传感器，流量采集模块与气体传感器连接，气体传感器与第一换算单元连接；气体传感器具体为氧气传感器或二氧化碳传感器；氧气传感器用于采集用户在预设检测位置处呼出气体中的氧气分量；二氧化碳传感器用于采集用户在预设检测位置处呼出气体中的二氧化碳分量；第一换算单元用于基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的二氧化碳分量或氧气分量。
进一步地，在一个实施例中，所述耗氧量分析模块具体包括依次顺序连接的呼吸速率计算单元、进气量计算单元、出气量计算单元和耗氧量计算单元；呼吸速率计算单元用于根据用户的呼吸气体流量计算出用户每分钟进气量Vi和每分钟出气量Ve；进气量计算单元用于依据所述气体成分比例确定用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量和二氧化碳的进气量；出气量计算单元用于基于计算出的用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，计算出用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量和二氧化碳的出气量；耗氧量计算单元用于通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗率和二氧化碳产生率。
其中，流量采集分析模块具体可以设置为流量传感器，采集用户呼吸流量数据。气体含量分析模块中的气体传感器可以设置为氧气传感器，采集用户呼出气O2浓度。在本申请的另一些实施例中，也可以将气体传感器替换为二氧化碳传感器，通过收集用户呼出CO2浓度进行分析。环境参数采集模块可以设置为气体传感器，将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息。
参照图3所示，本申请采用呼吸面罩来收集用户呼吸气体。系统的工作原理具体包括：
先通过环境参数采集模块，计算出FiCO2+FiO2之和（通过传感器测量和当地气体成分比例计算得出，后续计算过程不必重复测量计算），并通过呼吸面罩采集用户呼吸气体，通过流量传感器和氧气传感器/二氧化碳传感器分析用户呼吸气体，获得呼吸流量数据，以及呼出气中O2或CO2的浓度。
然后将上述FiCO2+FiO2之和、呼吸流量数据、O2或CO2的浓度通过本申请方法进行分析和计算处理，通过气体含量分析模块计算出呼出气CO2或O2浓度，并通过耗氧量分析模块进一步计算出氧气消耗量和二氧化碳生成量。
最后，依据计算出的氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过能量代谢评估模块计算出呼吸熵、能量代谢参数等数据，评估出用户的能量代谢水平。
与现有技术相比，本申请可以真实、实时地获取个体能量代谢数据，数据精准度显著提升，且方法能够适用运动状态。通过本申请实现的系统，能够较大地优化采集设备结构，降低设备重量，成本和售价，扩展使用场景。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种基于单一呼出气体的能量代谢评估方法，其特征在于，包括：
获取预设检测位置的呼入与呼出的气体成分比例；
采集用户在预设检测位置处的呼吸气体流量，并依据所述气体成分比例确定所述呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和；
采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，或，
采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量；
基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量；
依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平。
2.根据权利要求1所述的基于单一呼出气体的能量代谢评估方法，其特征在于，所述采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，具体包括：
采集用户在预设检测位置处呼出气体中的氧气分量，并基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的二氧化碳分量；
所述第一换算公式具体为：
FiCO2+FiO2+k=FeCO2+FeO2
其中，FiCO2+FiO2是用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和；FeCO2是用户呼出气体中的二氧化碳分量；FeO2是用户呼出气体中的氧气分量；k是预设的固定检测系数。
3.根据权利要求1所述的基于单一呼出气体的能量代谢评估方法，其特征在于，所述采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量，具体包括：采集用户在预设检测位置处呼出气体中的二氧化碳分量，并基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的氧气分量。
4.根据权利要求1所述的基于单一呼出气体的能量代谢评估方法，其特征在于，所述基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量，具体包括：
根据用户的呼吸气体流量计算出用户每分钟进气量Vi和每分钟出气量Ve；
依据所述气体成分比例确定用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量和二氧化碳的进气量；
基于计算出的用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，计算出用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量和二氧化碳的出气量；
通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗率和二氧化碳产生率；
所述第二换算公式具体为：
VO2 =Vi (FiO2)-Ve (FeO2)；
VCO2 =Ve (FeCO2)-Vi (FiCO2)
其中，VO2是用户每分钟的氧气消耗量，ml min-1；Vi (FiO2)是用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量；Vi (FiCO2)是用户每分钟进气量Vi中二氧化碳的进气量；VCO2是用户每分钟的二氧化碳产生率，ml min-1；Ve (FeO2)是用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量；Ve (FeCO2)是用户每分钟出气量Ve中二氧化碳的出气量。
5.根据权利要求1所述的基于单一呼出气体的能量代谢评估方法，其特征在于，所述依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平，具体包括：
依据计算出的用户每分钟的氧气消耗量VO2和二氧化碳产生率VCO2，通过生理学公式计算出用户每分钟的实时消耗的总能量，具体的计算过程如下式所示：
TEE = [0.0039 x VO2 (ml min-1)] + [0.0011 x VCO2 (ml min-1)]
其中，TEE是用户每分钟的实时消耗的总能量，kcal min-1；
根据预设的人体能量熵，通过用户每分钟的实时消耗的总能量评估用户的健康状态。
6.一种基于单一呼出气体的能量代谢评估系统，其特征在于，包括：
环境参数采集模块，用于获取预设检测位置的呼入与呼出的气体成分比例；
流量采集分析模块，用于采集用户在预设检测位置处的呼吸气体流量，并依据所述气体成分比例确定所述呼吸气体流量中氧气分量与二氧化碳分量之和；
气体含量分析模块，用于采集用户呼出的氧气分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的二氧化碳分量，或，采集用户呼出的二氧化碳分量，并基于所述氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出的氧气分量；
耗氧量分析模块，用于基于所述用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗量和二氧化碳生成量；
能量代谢评估模块，用于依据所述氧气消耗量和二氧化碳生成量，通过生理学公式计算出用户实时的能耗数据，并根据能耗数据评估出用户的能量代谢水平。
7.根据权利要求5所述的基于单一呼出气体的能量代谢评估系统，其特征在于，所述气体含量分析模块具体包括第一换算单元和气体传感器，流量采集模块与气体传感器连接，气体传感器与第一换算单元连接；气体传感器具体为氧气传感器或二氧化碳传感器；氧气传感器用于采集用户在预设检测位置处呼出气体中的氧气分量；二氧化碳传感器用于采集用户在预设检测位置处呼出气体中的二氧化碳分量；第一换算单元用于基于用户呼吸气体中的氧气分量与二氧化碳分量之和，通过第一换算公式计算出用户呼出气体中的二氧化碳分量或氧气分量。
8.根据权利要求5所述的基于单一呼出气体的能量代谢评估系统，其特征在于，所述耗氧量分析模块具体包括依次顺序连接的呼吸速率计算单元、进气量计算单元、出气量计算单元和耗氧量计算单元；呼吸速率计算单元用于根据用户的呼吸气体流量计算出用户每分钟进气量Vi和每分钟出气量Ve；进气量计算单元用于依据所述气体成分比例确定用户每分钟进气量Vi中氧气的进气量和二氧化碳的进气量；出气量计算单元用于基于计算出的用户呼出的氧气分量和二氧化碳分量，计算出用户每分钟出气量Ve中氧气的出气量和二氧化碳的出气量；耗氧量计算单元用于通过第二换算公式计算出用户的氧气消耗率和二氧化碳产生率。
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Cited By (1)
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| CN117796788A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-04-02 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 一种呼吸气体分析方法及代谢仓 |
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- 2023-05-04 CN CN202310487857.XA patent/CN116763289A/zh active Pending
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