RU2787349C1

RU2787349C1 - Apparatus for monitoring the metabolism by means of a mos sensor and corresponding method

Info

Publication number: RU2787349C1
Application number: RU2021130936A
Authority: RU
Inventors: Владислав Валерьевич Лычагов; Артур Амирович МАННАНОВ; Артём Андреевич Долгобородов; Кирилл Геннадиевич БЕЛЯЕВ; Янпъо ПАК; Вон Джон ЁН
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-01-09

Abstract

FIELD: medical equipment.

SUBSTANCE: invention relates to an apparatus and a method for monitoring the metabolism of the user based on a metal oxide semiconductor (MOS) sensor and can be used for personal hygiene, monitoring the physical shape, and dietary nutrition of the user. Apparatus for monitoring the metabolism comprises a metal oxide semiconductor (MOS) sensor placed in the flow of the air exhaled by the user in order to issue a signal corresponding to the ratio of the carbon dioxide concentration in the exhaled air to the oxygen concentration in the inhaled air; an electronic processing unit configured to: read the output signal of the MOS sensor and retrieve the respiratory exchange ratio (RER) value constituting a metabolism parameter, issue the result of monitoring the metabolism to the user in text or digital form.

EFFECT: stable operation and smaller size of the sensor.

22 cl, 6 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее решение относится к ультра-компактному недорогому устройству для измерения, отслеживания и анализа изменений в выдыхаемом воздухе, ассоциированных с метаболизмом, физической активностью и/или потреблением еды человеком, и соответствующему способу. Предложенное решение предназначено для личной гигиены, отслеживания физической формы и диетического питания пользователя.The present solution relates to an ultra-compact, low-cost device for measuring, tracking, and analyzing changes in exhaled air associated with human metabolism, physical activity, and/or food intake, and a corresponding method. The proposed solution is intended for personal hygiene, tracking the user's fitness and dietary intake.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время предпринимаются попытки измерения и анализа выдыхаемого воздуха и изменений в составе выдыхаемого воздуха, которые могут быть связаны с метаболизмом, с физической активностью или рационом питания пользователя.Efforts are currently being made to measure and analyze exhaled air and changes in the composition of exhaled air that may be related to the user's metabolism, physical activity, or diet.

Одним из известных способов оценки параметров метаболизма является непрямая (косвенная) калориметрия, при которой измеряется соотношение между концентрацией кислорода, потребленного человеком, и концентрацией углекислого газа, произведенного в процессе метаболизма. Однако, для непрямой калориметрии, как правило, используются громоздкие и дорогостоящие устройства.One of the well-known methods for assessing metabolic parameters is indirect (indirect) calorimetry, which measures the ratio between the concentration of oxygen consumed by a person and the concentration of carbon dioxide produced during metabolism. However, for indirect calorimetry, as a rule, bulky and expensive devices are used.

Например, известно устройство, описанное в документе US 2009227887 (2009). Данное устройство представляет собой переносной преобразователь-анализатор метаболизма, содержащий корпус, в котором содержится множество аналоговых датчиков, аналого-цифровой конвертер, микроконтроллер и источник питания, оперативно подключенный к нему, при этом микроконтроллер запрограммирован для вычисления минутной вентиляции, поглощения кислорода (O₂) и производства углекислого газа (CO₂) субъектом. Данное устройство имеет достаточно большие размеры, потребляет много энергии и ввиду этого не подходит для использования в портативных устройствах. В устройстве используется NDIR датчик (недиспергирующая инфракрасная спектроскопия) в качестве датчика CO₂. NDIR датчик - это оптический датчик, представляющий собой одну или несколько оптопар, при этом элементы NDIR датчика разнесены друг от друга, что является недостатком в связи с чувствительностью данного датчика к их расположению, поскольку NDIR датчик является, по существу, многопроходной кюветой, и любые деформации, которые неизбежны при эксплуатации данного датчика, приводят к снижению производительности устройства. Кроме того, устройства на основе NDIR датчиков ограничены в размерах, поскольку уменьшить их размеры невозможно ввиду размеров самого NDIR датчика.For example, the device described in US 2009227887 (2009) is known. This device is a portable metabolism transducer-analyzer, containing a housing that contains a plurality of analog sensors, an analog-to-digital converter, a microcontroller and a power source operatively connected to it, while the microcontroller is programmed to calculate minute ventilation, oxygen uptake (O ₂ ) and production of carbon dioxide (CO ₂ ) by the subject. This device is quite large and consumes a lot of power and is therefore not suitable for use in portable devices. The device uses an NDIR sensor (non-dispersive infrared spectroscopy) as a CO ₂ sensor. An NDIR sensor is an optical sensor that consists of one or more optocouplers, while the elements of the NDIR sensor are separated from each other, which is a disadvantage due to the sensitivity of this sensor to their location, since the NDIR sensor is essentially a multi-pass cuvette, and any deformations, which are inevitable during the operation of this sensor, lead to a decrease in the performance of the device. In addition, devices based on NDIR sensors are limited in size, since it is impossible to reduce their size due to the size of the NDIR sensor itself.

Также известно устройство, описанное в US10078074 (2018). Данное устройство представляет собой колориметрический датчик газа, являющийся оптическим датчиком. Устройство имеет источник и приемник, которые расположены по разные стороны трубки, по которой проходит анализируемый воздух. При этом на одну из сторон трубки нанесено химическое покрытие, изменяющее свой цвет при контакте с анализируемым газом. Недостатком этого решения является то, что химическое покрытие неустойчиво, деградирует со временем, загрязняется и качество работы данного устройства может ухудшаться. Also known is the device described in US10078074 (2018). This device is a colorimetric gas sensor, which is an optical sensor. The device has a source and a receiver, which are located on opposite sides of the tube through which the analyzed air passes. At the same time, a chemical coating is applied to one of the sides of the tube, which changes its color upon contact with the analyzed gas. The disadvantage of this solution is that the chemical coating is unstable, degrades over time, gets dirty and the performance of this device may deteriorate.

Еще одно решение описано в WO 200789328 (2007). Данное решение обеспечивает систему и способ для мониторинга концентрации эндогенного соединения в крови посредством обнаружения маркеров, таких как запахи, при выдохе пациента, при этом маркеры представляют собой само эндогенное соединение или являются продуктом этого эндогенного соединения. Данная система имеет большой размер и является неудобной для применения в мобильных устройствах для рынка массового потребления. Another solution is described in WO 200789328 (2007). This solution provides a system and method for monitoring the concentration of an endogenous compound in the blood by detecting markers such as odors when a patient exhales, whether the markers are the endogenous compound itself or are a product of the endogenous compound. This system is large and inconvenient for use in mobile devices for the mass market.

В еще одном устройстве, описанном в документе US7108659 (2006) используется флуоресцентный датчик кислорода. Однако, флуоресцентные датчики нестабильны, подвержены влиянию температуры, влажности и т.д.Another device, described in US7108659 (2006), uses a fluorescent oxygen sensor. However, fluorescent sensors are unstable, affected by temperature, humidity, etc.

В настоящее время имеется необходимость обеспечить недорогие и энергоэффективные устройства для отслеживания метаболизма пользователя, обеспечивающие помощь в планировании физической нагрузки и рациона питания для балансирования и оптимизации потребляемой энергии и расхода этой энергии в процессе жизнедеятельности пользователя.There is currently a need to provide low cost and energy efficient user metabolic tracking devices to assist in exercise and diet planning to balance and optimize energy intake and energy expenditure during the user's life.

Из уровня техники известно определение концентрации газов при помощи оксидных полупроводниковых датчиков, которое сводится к измерению изменения электрического сопротивления поликристаллического элемента сенсорного устройства, произошедшего в результате его взаимодействия с определяемым газом. From the prior art it is known to determine the concentration of gases using oxide semiconductor sensors, which is reduced to measuring the change in the electrical resistance of the polycrystalline element of the sensor device, which occurred as a result of its interaction with the gas to be determined.

Для решения описанной выше проблемы предлагается настоящее изобретение, которое предназначено для оценки индивидуальных параметров метаболизма пользователя посредством метало-оксидного полупроводникового (MOS) датчика. In order to solve the problem described above, the present invention is proposed, which is designed to evaluate the user's individual metabolic parameters by means of a metal oxide semiconductor (MOS) sensor.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Основные и дополнительные аспекты будут изложены частично в последующем описании, а частично будут очевидны из описания или могут быть изучены при помощи применения представленных примерных вариантов осуществления.Basic and additional aspects will be set forth in part in the following description, and in part will be obvious from the description or can be learned using the presented exemplary embodiments.

В соответствии с одним аспектом примерного варианта осуществления, обеспечена система отслеживания метаболизма, содержащая: метало-оксидный полупроводниковый (MOS) датчик для отслеживания отношения концентрации углекислого газа к концентрации кислорода в выдыхаемом воздухе; и блок обработки, выполненный с возможностью обработки считанного сигнала MOS датчика. Блок обработки может быть заключен в единый корпус совместно с MOS-датчиком, а может быть реализован во внешнем по отношению к MOS-датчику устройстве.In accordance with one aspect of an exemplary embodiment, a metabolic tracking system is provided, comprising: a metal oxide semiconductor (MOS) sensor for monitoring the ratio of carbon dioxide concentration to oxygen concentration in exhaled air; and a processing unit configured to process the read MOS signal of the sensor. The processing unit can be enclosed in a single package together with the MOS sensor, or it can be implemented in a device external to the MOS sensor.

При этом блок обработки выполнен с возможностью выделения из сигнала по меньшей мере одного признака, затем, при помощи алгоритма или на основании калибровочной кривой, сопоставления упомянутого признака с определенным значением RER, или отношением объема произведенного углекислого газа к объему потребленного кислорода. At the same time, the processing unit is configured to extract at least one feature from the signal, then, using an algorithm or based on a calibration curve, to compare the said feature with a certain RER value, or the ratio of the volume of carbon dioxide produced to the volume of oxygen consumed.

В соответствии с аспектом другого примерного варианта осуществления обеспечен способ отслеживания метаболизма, содержащий этапы, на которых помещают MOS датчик в поток выдыхаемого воздуха; считывают сигнал MOS датчика; определяют коэффициент дыхательного газообмена (RER); и выдают результат отслеживания метаболизма пользователя на основе определенного RER. In accordance with an aspect of another exemplary embodiment, there is provided a metabolic tracking method comprising: placing a MOS sensor in an exhaled air stream; reading the MOS sensor signal; determine the coefficient of respiratory gas exchange (RER); and outputting a metabolic tracking result of the user based on the determined RER.

Полученные значения RER или временная динамика изменения RER в процессе физической нагрузки или после приема определенного типа пищи, например, содержащей преимущественно жиры или углеводы, затем используются для вычисления дополнительных параметров метаболизма блоком обработки (аппаратным, программным или программно-аппаратным и т.п.), входящим в состав предложенного устройства.The obtained RER values or the temporal dynamics of RER changes during exercise or after taking a certain type of food, for example, containing mainly fats or carbohydrates, are then used to calculate additional metabolic parameters by a processing unit (hardware, software or firmware, etc.) included in the proposed device.

В соответствии с аспектом другого примерного варианта осуществления способ содержит отслеживание метаболизма при использовании нескольких MOS датчиков.In accordance with an aspect of another exemplary embodiment, the method comprises tracking metabolism using multiple MOS sensors.

В соответствии с аспектом другого примерного варианта осуществления способ содержит отслеживание метаболизма с использованием дополнительных датчика давления и/или датчика потока.In accordance with an aspect of another exemplary embodiment, the method comprises monitoring metabolism using an additional pressure sensor and/or flow sensor.

В соответствии с аспектом другого примерного варианта осуществления способ содержит отслеживание метаболизма с использованием дополнительных параметров, например, расхода энергии в покое, скорости сжигания жиров, скорости сжигания углеводов для вычисления параметра RER метаболизма. In accordance with an aspect of another exemplary embodiment, the method comprises monitoring metabolism using additional parameters such as resting energy expenditure, fat burning rate, carbohydrate burning rate to calculate a metabolic RER parameter.

В соответствии с аспектом другого примерного варианта осуществления способ содержит отслеживание метаболизма с использованием преконцентратора для предварительного накопления выдыхаемого воздуха.In accordance with an aspect of another exemplary embodiment, the method comprises monitoring metabolism using a preconcentrator to pre-accumulate exhaled air.

В соответствии с аспектом другого примерного варианта осуществления способ содержит отслеживание метаболизма с использованием методов машинного обучения. In accordance with an aspect of another exemplary embodiment, the method comprises tracking metabolism using machine learning techniques.

В соответствии с аспектом другого примерного варианта осуществления способ содержит отслеживание метаболизма с использованием предварительно введенных пользователем данных, используя интеллектуальное устройство.In accordance with an aspect of another exemplary embodiment, the method comprises monitoring metabolism using user-pre-entered data using a smart device.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Эти и другие аспекты станут более очевидными и более понятными из нижеследующего описания примерных вариантов осуществления, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:These and other aspects will become more apparent and better understood from the following description of exemplary embodiments, in conjunction with the accompanying drawings, in which:

Фиг. 1 иллюстрирует типы кривых, отображающих скорость сжигания (окисления) жиров в зависимости от типа метаболизма пользователя. Fig. 1 illustrates the types of curves showing the rate of burning (oxidation) of fats depending on the type of metabolism of the user.

Фиг. 2. иллюстрирует принцип работы MOS датчика.Fig. 2. illustrates the working principle of MOS sensor.

Фиг. 3 иллюстрирует идеальную реакцию MOS датчика на изменение концентраций CO₂ и O₂ в одном выдохе.Fig. 3 illustrates the ideal response of a MOS sensor to changes in CO ₂ and O ₂ concentrations in one breath.

Фиг. 4. иллюстрирует искаженный реальный сигнал MOS датчика, состоящий из нескольких перекрывающихся импульсов, каждый из которых соответствует отдельному выдоху при свободном непрерывном дыхании.Fig. 4. illustrates a distorted real MOS sensor signal consisting of several overlapping pulses, each of which corresponds to a separate exhalation during free continuous breathing.

Фиг. 5. иллюстрирует временную зависимость параметра RER, вычисленного для каждого импульса из импульсов, полученных в результате разбиения сигнала MOS датчика.Fig. 5. illustrates the time dependence of the RER parameter calculated for each pulse from the pulses obtained as a result of splitting the MOS signal of the sensor.

Фиг. 6. иллюстрирует зависимость скорости сжигания жиров от интенсивности физических упражнений.Fig. 6. illustrates the dependence of the rate of fat burning on the intensity of exercise.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Примерные варианты осуществления будут более подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые ссылочные номера на чертежах обозначают одинаковые компоненты или элементы, которые выполняют одинаковые функции.Exemplary embodiments will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals throughout the drawings designate like components or elements that perform the same functions.

Следует понимать, что термины «первый», «второй», и т.д., могут быть использованы в настоящем документе, чтобы описать различные элементы, эти элементы не должны быть ограничены этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент из другого. К примеру, первый элемент может быть назван вторым элементом, и, таким же образом, второй элемент может быть назван первым элементом, не ограничивая объем примерных вариантов осуществления. В целях настоящего документа, термин "и/или", включает в себя любые и все сочетания одного или нескольких соответствующих перечисленных элементов.It should be understood that the terms "first", "second", etc., can be used in this document to describe various elements, these elements should not be limited to these terms. These terms are only used to distinguish one element from another. For example, the first element may be referred to as the second element, and similarly, the second element may be referred to as the first element, without limiting the scope of the exemplary embodiments. For the purposes of this document, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the relevant listed elements.

Терминология, используемая здесь, предназначена только для описания примерных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения примерных вариантов осуществления. Кроме того, следует понимать, что термины "содержит", "содержащий", "включает в себя" и/или "включающий в себя", при использовании в целях настоящего документа, оговаривают наличие указанных признаков, чисел, этапов, действий, элементов, компонентов, и/или их групп, но не исключают наличие или добавление одного или нескольких других признаков, чисел, этапов, действий, элементов, компонентов, и/или их групп.The terminology used here is only intended to describe the exemplary embodiments and is not intended to limit the exemplary embodiments. In addition, it should be understood that the terms "comprises", "comprising", "includes" and/or "comprising", when used for the purposes of this document, stipulate the presence of the specified signs, numbers, steps, actions, elements, components, and/or groups thereof, but do not exclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, actions, elements, components, and/or groups thereof.

В целях настоящего документа термин "и/или" включает в себя любые и все сочетания одного или нескольких соответствующих перечисленных элементов. Такие выражения, как "по меньшей мере, одно из", когда они предшествуют списку элементов, изменяют весь список элементов и не изменяют отдельные элементы списка.For the purposes of this document, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the relevant listed elements. Expressions such as "at least one of", when they precede a list of elements, modify the entire list of elements and do not modify individual elements of the list.

В примерном варианте осуществления настоящего изобретения "модуль" или "блок" выполняют по меньшей мере одну функцию или действие, и могут быть реализованы в аппаратном обеспечении, программном обеспечении, или сочетании аппаратного и программного обеспечений. Кроме того, множество "модулей" или множество "блоков" может быть интегрировано, по меньшей мере, в один модуль, за исключением "модуля" или "блока", который должен быть реализован специальным аппаратным обеспечением, и может быть реализован по меньшей мере одним процессором.In an exemplary embodiment of the present invention, a "module" or "unit" performs at least one function or action, and may be implemented in hardware, software, or a combination of hardware and software. In addition, a plurality of "modules" or a plurality of "blocks" may be integrated into at least one module, except for a "module" or "block", which must be implemented by dedicated hardware, and may be implemented by at least one processor.

Описание предложенного изобретения представлено ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.The description of the proposed invention is presented below with reference to the accompanying drawings.

Планирование физической нагрузки и рациона питания пользователя сводится к обеспечению балансирования и оптимизации потребляемой энергии и расхода этой энергии в процессе жизнедеятельности пользователя. Этот баланс зависит от ряда факторов, а именно от питания, активности и от такого параметра, как индивидуальный метаболизм каждого пользователя.The planning of the physical activity and diet of the user is reduced to ensuring the balancing and optimization of the energy consumed and the consumption of this energy in the course of the user's life activity. This balance depends on a number of factors, namely nutrition, activity and such a parameter as the individual metabolism of each user.

Один вариант осуществления предложенного изобретения основан на использовании метало-оксидного полупроводникового датчика (MOS), который позволяет выполнять функцию непрямой калориметрии. Предложенное решение основано на том факте, что сигнал MOS датчика пропорционален соотношению между окисляющими и восстанавливающими газами, находящимися в непосредственной близости от этого MOS датчика, и при помещении MOS датчика в некоторые условия в поток выдыхаемого воздуха, в котором присутствуют углекислый газ и кислород, концентрация которых превалирует над всеми остальными газами, выходной сигнал MOS датчика, находящегося в выдыхаемом воздухе, по существу, пропорционален соотношению концентрации кислорода O₂ и углекислого газа CO₂.One embodiment of the proposed invention is based on the use of a metal oxide semiconductor sensor (MOS) which allows the function of indirect calorimetry to be performed. The proposed solution is based on the fact that the signal of the MOS sensor is proportional to the ratio between the oxidizing and reducing gases in the immediate vicinity of this MOS sensor, and when the MOS sensor is placed under certain conditions in the exhaled air stream in which carbon dioxide and oxygen are present, the concentration which prevails over all other gases, the output signal of the MOS sensor, located in the exhaled air, is essentially proportional to the ratio of the concentration of oxygen O ₂ and carbon dioxide CO ₂ .

В данном изобретении рассматривается следующий подход.The present invention considers the following approach.

В типичном составе выдыхаемого воздуха наибольшую концентрацию имеет кислород и углекислый газ. Два других газа в составе выдыхаемого воздуха, а именно азот и водород, имеют, по существу, несущую функцию, и их концентрация существенно не меняется в процессе метаболизма, поэтому их концентрацию можно принять за постоянную величину (константу). Это позволяет сделать предположение, на котором основано предложенное решение, а именно, в настоящем изобретении считается, что все изменения в выдыхаемом воздухе, которые воспринимаются с помощью MOS датчика, связаны в первую очередь с изменением концентрации CO₂ и O₂.In the typical composition of exhaled air, oxygen and carbon dioxide have the highest concentration. The other two gases in exhaled air, namely nitrogen and hydrogen, have an essentially carrier function, and their concentration does not change significantly during metabolism, so their concentration can be taken as a constant value (constant). This makes it possible to make the assumption on which the proposed solution is based, namely, in the present invention it is considered that all changes in exhaled air that are perceived by the MOS sensor are primarily associated with a change in the concentration of CO ₂ and O ₂ .

Кроме того, ввиду малых размеров MOS датчиков, изготовленных по MEMS технологии, размеры которых типично не превышают 2 мм х 2 мм х 1 мм, существенно упрощается их монтаж в какое-либо портативное устройство, например, маску, телефон, часы. При этом предложенное устройство в типичной реализации содержит только MOS датчик и блок обработки, который выдает на выходе исходный сигнал MOS датчика, или выделенные из сигнала MOS датчика признаки, или сразу искомые параметры метаболизма.In addition, due to the small size of MOS sensors manufactured using MEMS technology, the dimensions of which typically do not exceed 2 mm x 2 mm x 1 mm, their installation in any portable device, such as a mask, phone, watch, is greatly simplified. At the same time, the proposed device in a typical implementation contains only a MOS sensor and a processing unit that outputs the original MOS sensor signal, or features extracted from the MOS sensor signal, or immediately sought metabolic parameters.

В дополнительном варианте осуществления изобретение реализуется в виде системы, в которой MOS датчик передает свой выходной сигнал на конечное устройство, имеющее блок обработки и являющееся внешним по отношению к MOS датчику, например, мобильный телефон, который в соответствующем блоке выполняет обработку исходного сигнала MOS датчика. При этом между MOS датчиком и внешним устройством осуществляют беспроводную и/или проводную связь. In a further embodiment, the invention is implemented as a system in which the MOS sensor sends its output signal to an end device having a processing unit external to the MOS sensor, such as a mobile phone, which in the corresponding unit performs processing of the original MOS sensor signal. At the same time, wireless and/or wired communication is carried out between the MOS sensor and the external device.

Примеры использования непрямой калориметрииExamples of using indirect calorimetry

В упрощенном виде метаболический процесс может быть описан формулой In a simplified form, the metabolic process can be described by the formula

Очевидно, что метаболический процесс может быть проанализирован посредством прямого измерения тепла, выделяющегося в процессе окисления еды (прямая калориметрия), этот способ широко используется, однако, является ресурсозатратным. Второй способ - это способ непрямой калориметрии, который измеряет соотношение между кислородом, который потрачен на окисление пищи, и углекислым газом, который выделился в результате этого окисления. Для этой цели используется предложенное решение на основе MOS датчика, которое позволяет выполнять функцию непрямой калориметрии.Obviously, the metabolic process can be analyzed by direct measurement of the heat released during the oxidation of food (direct calorimetry), this method is widely used, however, is resource intensive. The second method is the method of indirect calorimetry, which measures the ratio between the oxygen that is spent on the oxidation of food, and the carbon dioxide that is released as a result of this oxidation. For this purpose, the proposed solution based on the MOS sensor is used, which allows performing the function of indirect calorimetry.

Одним из основных индикаторов метаболизма является коэффициент дыхательного газообмена (Respiratory Exchange Ratio) (RER), который описывается следующим соотношением.One of the main indicators of metabolism is the Respiratory Exchange Ratio (RER), which is described by the following ratio.

, (1)

где величины

₎ и

- это объемы, соответственно, произведенного в процессе метаболизма углекислого газа и потребленного кислорода. Эти объемы связаны в свою очередь с концентрациями соответствующих газов и общими объемами выдыхаемого и вдыхаемого воздуха следующим образом:where the quantities

₎ and

are the volumes of carbon dioxide produced in the process of metabolism and oxygen consumed, respectively. These volumes are in turn related to the concentrations of the respective gases and the total volumes of exhaled and inhaled air as follows:

, (2)

где

и

- это объемы выдыхаемого и вдыхаемого воздуха соответственно,

и

- концентрации углекислого газа в выдыхаемом и вдыхаемом воздухе соответственно,

и

- концентрации кислорода в выдыхаемом и вдыхаемом воздухе соответственно. В то же время преобразование Халдейна позволяет связать между собой общие объемы выдыхаемого и вдыхаемого воздуха

и

через соответствующие концентрации углекислого газа и кислорода

,

и

следующим образом:where

and

are the volumes of exhaled and inhaled air, respectively,

and

are the concentrations of carbon dioxide in the exhaled and inhaled air, respectively,

and

are the concentrations of oxygen in the exhaled and inhaled air, respectively. At the same time, the Haldane transformation makes it possible to relate the total volumes of exhaled and inhaled air

and

through appropriate concentrations of carbon dioxide and oxygen

,

and

in the following way:

, (3)

Полагая, что суммарная концентрация углекислого газа и кислорода остается постоянной,

, уравнения (2) и (3) позволяют выразить коэффициент дыхательного газообмена RER в терминах концентраций:Assuming that the total concentration of carbon dioxide and oxygen remains constant,

, equations (2) and (3) allow expressing the respiratory gas exchange coefficient RER in terms of concentrations:

(4)

(four)

Поскольку концентрация углекислого газа в выдыхаемом воздухе намного выше концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе,

<<

, а концентрация кислорода во вдыхаемом воздухе меняется незначительно, уравнение (4) можно редуцировать:Since the concentration of carbon dioxide in exhaled air is much higher than the concentration of carbon dioxide in inhaled air,

<<

, and the oxygen concentration in the inhaled air changes insignificantly, equation (4) can be reduced:

, (5)

, (five)

где

- некоторая константа, пропорциональная концентрации кислорода в окружающем воздухе. Таким образом, уравнение (5) позволяет оценить коэффициент дыхательного газообмена RER как отношение концентраций углекислого газа и кислорода в выдыхаемом воздухе без необходимости непосредственно измерять объемы выдыхаемого углекислого газа и вдыхаемого кислорода.where

- some constant proportional to the concentration of oxygen in the surrounding air. Thus, equation (5) makes it possible to estimate the respiratory gas exchange coefficient RER as the ratio of the concentrations of carbon dioxide and oxygen in the exhaled air without the need to directly measure the volumes of exhaled carbon dioxide and inhaled oxygen.

В зависимости от того, сжигает ли человек жиры или углеводы в процессе жизнедеятельности, энергия выделяется по-разному, в результате чего получаются разные продукты реакции (Jeukendrup A. E., Wallis G. A. Int J Sports Med 2005, 26, S28-S37):Depending on whether a person burns fats or carbohydrates in the process of life, energy is released in different ways, resulting in different reaction products (Jeukendrup A. E., Wallis G. A. Int J Sports Med 2005, 26, S28-S37):

Таким образом, при преимущественном сжигании углеводов соотношение объема углекислого газа, произведенного в процессе жизнедеятельности, к объему потребленного кислорода близко к 1, а при преимущественном сжигании жиров это соотношение близко к 0.7. Значения 1 и 0.7 - это теоретические пределы, которые выводятся из самих уравнений реакции: 6СО₂/6О₂=1; 16СО₂/23О₂=0.7.Thus, in the case of preferential burning of carbohydrates, the ratio of the volume of carbon dioxide produced in the process of life activity to the volume of oxygen consumed is close to 1, while in the case of preferential burning of fats, this ratio is close to 0.7. The values 1 and 0.7 are the theoretical limits that are derived from the reaction equations themselves: 6CO ₂ /6O ₂ =1; 16СО ₂ /23О ₂ = 0.7.

Реально измеренные значения стремятся к этим пределам, но могут быть не равны им. Могут также иметь место значения ниже 0.7 или больше 1, что может говорить о каких-либо нестандартных состояниях, или патологиях, которые уже не описываются приведенными уравнениями. Подробнее ситуации, при которых RER может выходить за указанные пределы, рассмотрены, например, в Schutz Y., Ravussin E. The American Journal of Clinical Nutrition 1980, 33(6), 1317-1319; Jeukendrup A. E., Wallis G. A. Int J Sports Med 2005, 26, S28-S37; или Triathlon Science, Joe Friel.Really measured values tend to these limits, but may not be equal to them. There may also be values below 0.7 or greater than 1, which may indicate some non-standard conditions, or pathologies that are no longer described by the above equations. For more details on situations in which RER may go beyond these limits, see, for example, Schutz Y., Ravussin E. The American Journal of Clinical Nutrition 1980, 33(6), 1317-1319; Jeukendrup A. E., Wallis G. A. Int J Sports Med 2005, 26, S28-S37; or Triathlon Science, Joe Friel.

Соответственно, если измерять параметр RER, можно сделать вывод о том, что именно является основным источником энергии для пользователя - углеводы или жиры. Полученные значения RER используются для выработки рекомендаций по планированию и дозированию физической нагрузки и питания пользователю. Выдача рекомендаций пользователю может производиться, например, в цифровом либо текстовом виде.Accordingly, if we measure the RER parameter, we can conclude what exactly is the main source of energy for the user - carbohydrates or fats. The obtained RER values are used to develop recommendations for planning and dosing physical activity and nutrition to the user. The issuance of recommendations to the user can be made, for example, in digital or text form.

Другой важный параметр, характеризующий метаболизм пользователя, - скорость сжигания жиров (Fat oxidation rate или просто

). Цель любых занятий фитнесом - сжигание жиров. Соответственно, необходимо подбирать физическую нагрузку таким образом, чтобы процесс сжигания жиров был эффективен, чтобы максимально стимулировать сжигание жиров в процессе выполнения физических упражнений. Параметр

(окисление жиров) показывает скорость сжигания (окисления) жиров. Этот параметр можно приблизительно вывести в зависимости от интенсивности нагрузки в виде: Another important parameter that characterizes the user's metabolism is the fat burning rate (Fat oxidation rate or simply

). The goal of any fitness activity is to burn fat. Accordingly, it is necessary to select physical activity in such a way that the fat burning process is effective in order to maximize the stimulation of fat burning during exercise. Parameter

(fat oxidation) shows the rate of burning (oxidation) of fats. This parameter can be roughly derived depending on the intensity of the load in the form:

(6)

где V_CO2 и V_O2 - объем выработанного (произведенного) углекислого газа и объем потребленного кислорода, соответственно (Jeukendrup A. E., Wallis G. A. Int J Sports Med 2005, 26, S28-S37). where V _CO2 and V _O2 are the volume of carbon dioxide produced (produced) and the volume of oxygen consumed, respectively (Jeukendrup AE, Wallis GA Int J Sports Med 2005, 26, S28-S37).

При этом формула (6) является лишь одним из примеров вычисления параметра Fat oxidation.In this case, formula (6) is only one example of calculating the Fat oxidation parameter.

На Фиг. 1 показано шесть типов кривых, отражающих сжигание (окисление) жиров в зависимости от типа метаболизма. По осям абсцисс на этих графиках отображена интенсивность нагрузки, которая оценивается по частоте сердцебиений, по осям ординат - скорость сжигания жиров. В процессе физических упражнений целесообразно достичь состояния расхода энергии, которое характеризуется максимально интенсивным сжиганием жиров и которое соответствует точке с максимальным значением, показанной на каждом из графиков. Для разных людей и при разных уровнях нагрузки это состояние будет различным. При этом, если нагрузка ниже некоторого уровня, человек не сжигает жиры в достаточной степени для поддержания своей физической формы, и, аналогично, если нагрузка слишком велика, то сжигание жиров не увеличивается, а уменьшается. Тот факт, что при неразумном увеличении нагрузки сжигание жиров уменьшается, в то время как сжигание углеводов увеличивается, является общеизвестным в фитнесе. При высокой интенсивности физических упражнений скорость окисления жирных кислот в плазме крови уменьшается, так как кровяного потока становится недостаточно для переноса жирных кислот от жировой ткани в системную циркуляцию. Углеводы обладают вдвое большей скоростью передачи энергии по сравнению с жирными кислотами, поэтому при интенсивных нагрузках их окисление в большей степени замещает процесс окисления жиров. (Lorber B., Fischer F., Bailly M., Roy H., Kern D. Biochemistry and molecular biology education, 2012, 40(6), 372-382; Hodgetts V., Coppack S. W., Frayn K.N., Hockaday T.D., J Appl Physiol, 1991, 71(2), 445-51). Поэтому характер зависимости скорости сжигания жиров от физической нагрузки необходимо учитывать для дозирования нагрузки в фитнесе.On FIG. 1 shows six types of curves that reflect the burning (oxidation) of fats depending on the type of metabolism. The abscissa axes on these graphs show the intensity of the load, which is estimated by heart rate, the ordinate axes show the rate of fat burning. In the process of physical exercise, it is advisable to achieve a state of energy expenditure, which is characterized by the most intensive fat burning and which corresponds to the point with the maximum value shown in each of the graphs. For different people and at different levels of load, this state will be different. At the same time, if the load is below a certain level, a person does not burn fat enough to maintain his physical form, and, similarly, if the load is too high, then fat burning does not increase, but decreases. The fact that with an unreasonable increase in load, fat burning decreases, while carbohydrate burning increases, is well known in fitness. With a high intensity of exercise, the rate of fatty acid oxidation in the blood plasma decreases, as the blood flow becomes insufficient to transfer fatty acids from adipose tissue into the systemic circulation. Carbohydrates have twice the rate of energy transfer compared to fatty acids, so during intense exercise, their oxidation to a greater extent replaces the process of fat oxidation. (Lorber B., Fischer F., Bailly M., Roy H., Kern D. Biochemistry and molecular biology education, 2012, 40(6), 372-382; Hodgetts V., Coppack S. W., Frayn K. N., Hockaday T. D., J Appl Physiol, 1991, 71(2), 445-51). Therefore, the nature of the dependence of the rate of fat burning on physical activity must be taken into account for dosing the load in fitness.

Для измерения перечисленных выше параметров необходимо соответствующее клиническое устройство. В настоящее время помимо больших установок, требующих участия медицинского персонала, существуют попытки предложить устройство, подходящее для потребительского рынка, но такие устройства, как правило, используют определенного типа газовые датчики для измерения концентраций (или объемных долей) кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе и последующего расчета коэффициента дыхательного газообмена RER на базе уравнения (5). Например, для измерения концентрации углекислого газа могут использоваться датчики на основе недиспергирующей инфракрасной спектроскопии (NDIR) или датчики на основе фотоакустической спектроскопии (PA). Оба типа датчиков используют источники излучения достаточно большой интенсивности, что может приводить к большому потреблению энергии и нагреву устройства. Электрохимический датчик, который можно использовать для измерения концентрации кислорода, деградирует со временем (типичный срок жизни электрохимического датчика не превышает 1-1.5 года), и имеет высокую стоимость. Все перечисленные типы датчиков ограничены в размерах, их нельзя сделать меньше ввиду их конструктивных особенностей. Кроме того, использование селективных датчиков, предназначенных для измерения концентрации конкретного газа, подразумевает, что для измерения RER потребуются два отдельных газовых датчика: один для измерения концентрации углекислого газа и один для измерения кислорода.To measure the parameters listed above, an appropriate clinical device is required. Currently, in addition to large installations requiring the participation of medical personnel, there are attempts to provide a device suitable for the consumer market, but such devices usually use some type of gas sensor to measure the concentrations (or volume fractions) of oxygen and carbon dioxide in exhaled air and subsequent calculation of the coefficient of respiratory gas exchange RER on the basis of equation (5). For example, sensors based on non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR) or sensors based on photoacoustic spectroscopy (PA) can be used to measure the concentration of carbon dioxide. Both types of sensors use radiation sources of sufficiently high intensity, which can lead to high power consumption and heating of the device. An electrochemical sensor that can be used to measure oxygen concentration degrades over time (typical life of an electrochemical sensor does not exceed 1-1.5 years), and is expensive. All listed types of sensors are limited in size, they cannot be made smaller due to their design features. In addition, the use of selective sensors designed to measure the concentration of a specific gas implies that two separate gas sensors are required to measure RER: one for carbon dioxide and one for oxygen.

Для решения вышеупомянутой проблемы предложено изобретение, основанное на использовании MOS датчика.In order to solve the above problem, an invention based on the use of a MOS sensor has been proposed.

Предлагаемый MOS датчик содержит полупроводниковый слой с интегрированными в него электродами, изолированный от нагревателя некоторой подложкой, и сам нагреватель (см. Фиг. 2). В условно чистом воздухе без каких-либо примесей или газов молекулы кислорода связываются с свободными носителями (электронами) на поверхности и внутри полупроводникового слоя, при этом сопротивление полупроводникового слоя возрастает, и сила тока через полупроводниковый слой снижается. Когда в воздухе появляются молекулы другого газа, который способен связываться с кислородом, то есть молекулы восстанавливающего газа, который сам окисляется, его молекулы связываются с кислородом, свободные носители (электроны) освобождаются, появляются носители зарядов в полупроводниковом слое, его сопротивление падает, и сила тока через полупроводник увеличивается. Таким образом, количество зарядов, сопротивление и величина тока, который течет через полупроводниковый слой, связаны напрямую с соотношением между концентрациями восстанавливающих и окисляющих газов. The proposed MOS sensor contains a semiconductor layer with electrodes integrated into it, isolated from the heater by some substrate, and the heater itself (see Fig. 2). In conditionally clean air without any impurities or gases, oxygen molecules bind to free carriers (electrons) on the surface and inside the semiconductor layer, while the resistance of the semiconductor layer increases, and the current through the semiconductor layer decreases. When molecules of another gas appear in the air that are capable of bonding with oxygen, that is, molecules of a reducing gas that is itself oxidized, its molecules bind to oxygen, free carriers (electrons) are released, charge carriers appear in the semiconductor layer, its resistance drops, and the force current through the semiconductor increases. Thus, the number of charges, the resistance and the amount of current that flows through the semiconductor layer are directly related to the ratio between the concentrations of reducing and oxidizing gases.

Типичные размеры MOS датчика, изготовленного по MEMS технологии, составляют примерно 2 мм × 2 мм ×1 мм, что упрощает его монтаж в какое-либо портативное устройство, например, в маску, любое мобильное устройство, например, телефон, часы. То есть он может быть встроен в практически любое устройство даже малых размеров.Typical dimensions of a MOS sensor made using MEMS technology are approximately 2 mm × 2 mm × 1 mm, which makes it easy to mount it in any portable device, such as a mask, any mobile device, such as a phone, watch. That is, it can be built into almost any device, even small ones.

Принцип работы предложенного устройстваThe principle of operation of the proposed device

Принцип работы MOS датчика можно описать двумя уравнениями (7) и (8) ниже, см. также Фиг. 2.The working principle of MOS sensor can be described by two equations (7) and (8) below, see also FIG. 2.

, (7)

, (8)

где α, β - стехиометрические коэффициенты уравнения химической реакции на активной поверхности MOS датчика. Индекс (ad) помечает адсорбированный на поверхности элемент. е^- - свободный электрон в полупроводниковом материале датчика.where α, β are stoichiometric coefficients of the chemical reaction equation on the active surface of the MOS sensor. The index (ad) marks the element adsorbed on the surface. e ^- - free electron in the semiconductor material of the sensor.

В чистом воздухе электроны в полупроводниковом слое связаны с кислородом (уравнение (7)), следовательно, отсутствуют свободные носители заряда, поэтому в полупроводниковом слое отсутствует ток, а сопротивление полупроводникового слоя является высоким. В присутствии восстановительных газов (уравнение (8)) кислород связан с его молекулами, и электроны могут свободно перемещаться, следовательно, сопротивление полупроводникового слоя падает, и через него начинает течь ток. В общем случае сопротивление MOS-датчика пропорционально балансу между восстановительными газами и кислородом. При этом в выдыхаемом воздухе концентрация CO₂ преобладает над таковой всех других восстановительных газов.In pure air, the electrons in the semiconductor layer are bound to oxygen (Eq. (7)), therefore, there are no free charge carriers, so there is no current in the semiconductor layer, and the resistance of the semiconductor layer is high. In the presence of reducing gases (equation (8)) oxygen is bound to its molecules, and electrons can move freely, therefore, the resistance of the semiconductor layer drops, and current begins to flow through it. In general, the resistance of a MOS sensor is proportional to the balance between reducing gases and oxygen. At the same time, the concentration of CO ₂ in the exhaled air prevails over that of all other reducing gases.

Фактически в предложенном решении измеряется сопротивление полупроводникового слоя, при этом аналитически можно записать сигнал MOS датчика, то есть значение сопротивления, при помощи двух уравнений (9) и (10):In fact, in the proposed solution, the resistance of the semiconductor layer is measured, while it is analytically possible to record the MOS sensor signal, that is, the resistance value, using two equations (9) and (10):

(9)

(nine)

(10), где

(10), where

R_baseline - исходное сопротивление полупроводникового слоя датчика при нулевой концентрации CO₂. k_i - коэффициент адсорбции i-й компоненты газовой смеси, изменение концентрации

которой имеет значимое влияние на сопротивление датчика. RH, T - соответственно относительная влажность и температура анализируемой газовой смеси. a, b, c - коэффициенты аппроксимации реальной зависимости сопротивления полупроводникового слоя датчика от влажности и температуры газовой смеси (N. Yamazoe et al. Sensors and Actuators B: Chemical, 163(1), 2012; R. Huerta et al. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 157(15), 2016).R _baseline - the initial resistance of the semiconductor layer of the sensor at zero concentration of CO ₂ . k _i - adsorption coefficient of the i-th component of the gas mixture, change in concentration

which has a significant effect on the resistance of the sensor. RH, T - relative humidity and temperature of the analyzed gas mixture, respectively. a, b, c - coefficients of approximation of the actual dependence of the resistance of the semiconductor layer of the sensor on the humidity and temperature of the gas mixture (N. Yamazoe et al. Sensors and Actuators B: Chemical, 163(1), 2012; R. Huerta et al. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 157(15), 2016).

На фиг. 2 проиллюстрирован график зависимости сопротивления полупроводникового слоя от баланса между CO₂ и O₂. На левой половине графика Фиг. 2 показано, что, когда электроны захватываются молекулами O₂, сопротивление R датчика высокое, а когда молекулы CO₂ реагируют с молекулами O₂(на правой стороне графика Фиг.2), электроны высвобождаются, и сопротивление R датчика падает.In FIG. 2 illustrates a plot of semiconductor layer resistance versus balance between CO ₂ and O ₂ . On the left half of the graph in Fig. 2 shows that when electrons are captured by O ₂ molecules, the resistance R of the sensor is high, and when CO ₂ molecules react with O ₂ molecules (on the right side of the graph of Fig. 2), electrons are released and the resistance R of the sensor drops.

Данный процесс зависит от концентрации не только CO₂, любой газ, способный связываться с кислородом и восстанавливать полупроводниковый слой, будет приводить к изменению сопротивления полупроводника. Вышеупомянутый принцип действия является общим для всех полупроводниковых датчиков.This process depends on the concentration of not only CO ₂ , any gas that can bind with oxygen and restore the semiconductor layer will lead to a change in the resistance of the semiconductor. The above operating principle is common to all semiconductor sensors.

В соответствии с предложенным решением, MOS датчик устанавливается в какое-либо местоположение в непосредственной близости от потока (среды) выдыхаемого воздуха. Предложенное решение основано на нескольких ключевых особенностях. In accordance with the proposed solution, the MOS sensor is installed in some location in close proximity to the flow (environment) of exhaled air. The proposed solution is based on several key features.

Одной особенностью предложенного решения является учет того факта, что вычисленное значение RER согласно уравнению (5) пропорционально соотношению концентраций CO₂ и O₂. В то же время и сигнал MOS датчика также пропорционален соотношению концентраций CO₂ и O₂. Следовательно, сигнал MOS датчика позволяет напрямую получать значение RER без необходимости измерения объемов CO₂ в выдыхаемом воздухе и O₂ во вдыхаемом воздухе по-отдельности, как это требует определение коэффициента дыхательного газообмена согласно уравнению (1). То есть выходной сигнал MOS датчика сразу позволяет получить значение RER. One feature of the proposed solution is to take into account the fact that the calculated value of RER according to equation (5) is proportional to the ratio of the concentrations of CO ₂ and O ₂ . At the same time, the MOS sensor signal is also proportional to the ratio of CO ₂ and O ₂ concentrations. Therefore, the MOS sensor signal allows the RER value to be obtained directly without the need to measure the volumes of CO ₂ in exhaled air and O ₂ in inhaled air separately, as required by the determination of the respiratory gas exchange ratio according to equation (1). That is, the output signal of the MOS sensor immediately allows you to get the RER value.

Следовательно, значение RER можно определить с использованием одного сигнала от одного датчика, и нет необходимости в использовании двух датчиков и измерении отдельно концентрации двух газов.Therefore, the RER value can be determined using one signal from one sensor, and there is no need to use two sensors and measure the concentration of two gases separately.

Уравнения (9) и (10), аналитически описывающие сопротивление MOS датчика, могут быть объединены в одно уравнение (11):Equations (9) and (10), which analytically describe the resistance of the MOS sensor, can be combined into one equation (11):

(11), где

(11), where

R_baseline - исходное сопротивление полупроводникового слоя датчика при нулевой концентрации CO₂; RH, T - соответственно относительная влажность и температура анализируемой газовой смеси; a, c - коэффициенты аппроксимации реальной зависимости сопротивления полупроводникового слоя датчика от влажности и температуры газовой смеси;

и

- коэффициенты аппроксимации, пропорциональные коэффициентам адсорбции

в уравнении (3). Вследствие перехода от суммирования по нескольким газам к одному окисляющему (

) и одному восстанавливающему газу (

), в уравнении (5) участвуют соответственно концентрации только этих газов,

и

, выраженные в любых принятых единицах измерения концентрации, например parts per million, parts per billion, parts per trillion и т.д. (ppm, ppb, ppt).R _baseline - initial resistance of the semiconductor layer of the sensor at zero concentration of CO ₂ ; RH, T - relative humidity and temperature of the analyzed gas mixture, respectively; a, c - coefficients of approximation of the actual dependence of the resistance of the semiconductor layer of the sensor on the humidity and temperature of the gas mixture;

and

- approximation coefficients proportional to adsorption coefficients

in equation (3). Due to the transition from summation over several gases to one oxidizing one (

) and one reducing gas (

), in equation (5) only the concentrations of these gases are involved, respectively,

and

, expressed in any accepted concentration unit, such as parts per million, parts per billion, parts per trillion, etc. (ppm, ppb, ppt).

Поскольку сопротивление датчика пропорционально соотношению восстанавливающих и окисляющих газов, и концентрация CO₂ и O₂является наибольшей из всех присутствующих восстанавливающих и окисляющих газов в потоке выдыхаемого воздуха, то в производимых измерениях из всех газов в данном уравнении учитываются только CO₂ и O₂, поскольку измеренное сопротивление 𝑅 датчика пропорционально соотношению CO₂/O₂, и параметр RER пропорционален отношению концентраций CO₂/O₂. Следовательно, сопротивление R для MOS датчика пропорционально параметру RER. В общем случае для определения RER по измеренному сигналу MOS датчика можно использовать калибровочную кривую, уравнение, описывающее эту кривую, или модель машинного обучения с соответствующими коэффициентами, ставящие в соответствие признаки, выделенные из сигнала MOS датчика, конкретным значениям RER. В простейшем случае в качестве признака выступает измеренное сопротивление R MOS датчика. Since the resistance of the sensor is proportional to the ratio of reducing and oxidizing gases, and the concentration of CO ₂ and O ₂ is the largest of all reducing and oxidizing gases present in the exhaled air stream, only CO ₂ and O ₂ are taken into account in the measurements made of all gases in this equation, since the measured resistance 𝑅 of the sensor is proportional to the CO ₂ /O ₂ ratio, and the RER parameter is proportional to the CO ₂ /O ₂ concentration ratio. Therefore, the resistance R for a MOS sensor is proportional to the RER parameter. In general, to determine the RER from the measured sensor MOS signal, a calibration curve, an equation describing this curve, or a machine learning model with appropriate coefficients that associate features extracted from the sensor MOS signal with specific RER values can be used. In the simplest case, the measured resistance R MOS of the sensor acts as a feature.

В общем случае, когда сигнал MOS датчика представляет собой последовательность импульсов, как показано на Фиг. 4, признаки могут включать в себя как сопротивление R MOS датчика, измеренное в определенных точках импульса (например, максимум или минимум импульса), так и производные величины, например, скорость нарастания или затухания фронтов импульса. Коэффициенты уравнения или модели машинного обучения имеют размерность, необходимую для перевода соответствующего признака в безразмерную величину RER. Операция по переводу признаков, выделенных из сигнала MOS датчика, в значение RER может выполняться как блоком обработки, входящим в состав предлагаемого решения, так и внешним устройством при условии, что устройство имеет доступ к выходным данным MOS датчика (сопротивление).In general, when the MOS sensor signal is a pulse train, as shown in FIG. 4, the features may include both the sensor resistance R MOS measured at certain points in the pulse (eg, pulse maximum or minimum) and derived quantities, such as the rate of rise or fall of the pulse edges. The coefficients of a machine learning equation or model have the dimension necessary to translate the corresponding feature into a dimensionless RER. The operation of translating features extracted from the MOS sensor signal into the RER value can be performed both by the processing unit included in the proposed solution and by an external device, provided that the device has access to the MOS sensor output data (resistance).

Согласно известным из уровня техники решениям, получали два разных значения RER с использованием двух разных датчиков, где один датчик использовался для измерения концентрации CO₂ и второй датчик использовался для измерения концентрации O₂, с последующим нахождением соотношения упомянутых концентраций. В данном изобретении с помощью только одного MOS датчика можно сразу получать соотношение CO₂/O₂ для по меньшей мере двух случаев с различным соотношением CO₂ и O₂при изменении концентрации этих газов в выдыхаемом воздухе. Таким образом, при изменении концентрации кислорода или углекислого газа при выдохе не требуется отдельный датчик для измерения концентрации каждого из них по-отдельности. According to prior art solutions, two different RER values were obtained using two different sensors, where one sensor was used to measure the concentration of CO ₂ and the second sensor was used to measure the concentration of O ₂ , and then finding the ratio of these concentrations. In the present invention, with only one MOS sensor, the CO ₂ /O ₂ ratio can be immediately obtained for at least two cases with different CO ₂ and O ₂ ratios when the concentration of these gases in the exhaled air changes. Thus, when the concentration of oxygen or carbon dioxide changes during exhalation, a separate sensor is not required to measure the concentration of each of them separately.

При получении RER возможно отслеживать его изменение с течением времени. Параметр RER зависит от многих условий, например, RER меняется в течении суток при приеме пищи. При приеме пищи организм пользователя начинает сжигать углеводы, прекращая сжигать жиры, что ведет к изменению параметра RER. То, насколько хорошо организм адаптируется к изменениям в рационе питания и/или физической активности, отслеживается с помощью параметра «метаболическая гибкость» (metabolic flexibility). С помощью параметра «метаболическая гибкость» можно оценить способность организма адаптировать окисление жиров или углеводов к наличию в организме. Кроме того, время переваривания пищи зависит от метаболической гибкости. Три типичных значения метаболической гибкости включают в себя высокую гибкость, нормальную гибкость и негибкость метаболизма пользователя в зависимости от изменения рациона питания. Чем лучше метаболическая гибкость, тем эффективнее и быстрее организм переключается между сжиганием жиров и сжиганием углеводов. Таким образом, измеряя параметр RER в течение некоторого времени после приема пищи, можно определить, что организм перешел от сжигания жиров к сжиганию углеводов. Степень метаболической гибкости можно определить по тому, на сколько (амплитуда) и за какое время (скорость) изменился параметр RER после некоторого воздействия на пищеварительную систему. Одна из основных проблем при измерении гибкости метаболизма является именно стандартизация этого воздействия, будь то внутривенное введение питательных веществ или стандартизованное питание с определенным соотношение белков, жиров и углеводов. При отсутствии установленных стандартов и протоколов, примеры возможных подходов можно найти в литературе, например (D.H. McDougal et al, Obesity, 2020, 28(11); J.E. Galgani et al, Am J Physiol Endocrinol Metab, 2008, 295).Upon receipt of the RER, it is possible to track its change over time. The RER parameter depends on many conditions, for example, RER changes during the day when eating. When eating, the user's body begins to burn carbohydrates, stopping burning fat, which leads to a change in the RER parameter. How well the body adapts to changes in diet and/or physical activity is monitored using the metabolic flexibility parameter. Metabolic flexibility measures the body's ability to adapt the oxidation of fats or carbohydrates to the body's availability. In addition, food digestion time depends on metabolic flexibility. Three typical metabolic flexibility values include high flexibility, normal flexibility, and the inflexibility of the user's metabolism depending on dietary changes. The better the metabolic flexibility, the more efficiently and quickly the body switches between burning fat and burning carbohydrates. Thus, by measuring the RER parameter for some time after a meal, it can be determined that the body has switched from burning fat to burning carbohydrates. The degree of metabolic flexibility can be determined by how much (amplitude) and how long (speed) the RER parameter has changed after some impact on the digestive system. One of the main problems in measuring metabolic flexibility is precisely the standardization of this effect, whether it is intravenous administration of nutrients or a standardized diet with a certain ratio of proteins, fats and carbohydrates. In the absence of established standards and protocols, examples of possible approaches can be found in the literature, for example (D.H. McDougal et al, Obesity, 2020, 28(11); J.E. Galgani et al, Am J Physiol Endocrinol Metab, 2008, 295).

Дополнительно, настоящее изобретение может использоваться, например, для определения анаэробного порога пользователя с помощью параметра RER. Анаэробный порог - это скорость метаболизма, при которой выработка лактата в активной мускулатуре превышает скорость системного клиренса лактата. Системный клиренс - это удаление лактата из крови путем его переработки в печени и почках. Определение анаэробного порога может использоваться для определения того, сжигает человек жиры или углеводы. Например, RER измеряют в процессе выполнения человеком физических упражнений при контролируемой физической нагрузке. Если значение RER начинает превышать 1, анаэробный порог достигнут. Соответственно, интенсивность и продолжительность нагрузки, при которой этот порог достигается, будет разной для людей с различной комплекцией. То есть для людей с разной комплекцией анаэробный порог разный и его превышение для пользователя с полным телосложением является желательным в процессе тренировок для похудения, тогда как превышение анаэробного порога для худощавого пользователя в данной ситуации является нежелательным, поскольку он начинает сжигать углеводы, а не жиры. Таким образом определение анаэробного порога необходимо для специалистов в фитнесе и при спортивных тренировках. Можно констатировать, что анаэробный порог - это объективное измерение, которое не зависит от комплекции человека, однако то, как интерпретировать это измерение, зависит от комплекции человека.Additionally, the present invention can be used, for example, to determine the user's anaerobic threshold using the RER parameter. The anaerobic threshold is the metabolic rate at which lactate production in active muscle exceeds the rate of systemic lactate clearance. Systemic clearance is the removal of lactate from the blood by its processing in the liver and kidneys. Anaerobic threshold determination can be used to determine if a person is burning fat or carbohydrates. For example, RER is measured while a person is exercising under controlled exercise. If the RER value starts to exceed 1, the anaerobic threshold has been reached. Accordingly, the intensity and duration of the load at which this threshold is reached will be different for people with different builds. That is, for people with different builds, the anaerobic threshold is different and exceeding it for a user with a full physique is desirable in the process of training for weight loss, while exceeding the anaerobic threshold for a lean user in this situation is undesirable, since he begins to burn carbohydrates, not fats. Thus, the determination of the anaerobic threshold is necessary for professionals in fitness and sports training. It can be stated that the anaerobic threshold is an objective measurement that does not depend on the body build of a person, however, how to interpret this measurement depends on the body build of a person.

В идеальном случае используемая в настоящем изобретении кривая отношения концентраций CO₂ и O₂в выдыхаемом воздухе представляет собой импульс, показанный на Фиг. 3, где сигнал датчика представлен в относительных нормированных единицах, но может иметь, в зависимости от конкретного способа включения MOS датчика в электрическую цепь, размерность сопротивления, напряжения, или тока, протекающего через полупроводниковый слой. Импульс имеет передний фронт, так называемый dead space, возрастающий экспоненциально, пока пользователь выдыхает воздух из верхних дыхательных путей (переходный процесс), и доходящий до некоторого состояния насыщения, при котором выдыхается воздух преимущественно из нижних дыхательных путей, так называемый end tidal. Этот участок кривой соответствует некоторому установившемуся состоянию, при котором сопротивление датчика (максимальное значение или амплитуда импульса) с достаточно хорошим приближением дает искомое соотношение концентраций углекислого газа и кислорода в выдыхаемом воздухе пропорциональное RER. Когда выдох прекращается, концентрация газов снижается, и тогда MOS датчик сбрасывает свое состояние, что описывается следующим переходным процессом с затухающим экспоненциально задним фронтом импульса кривой отношения концентраций. Форма этого импульса может быть описана аналитически при помощи различных уравнений, например, при помощи уравнения (12) Ideally, the exhaled CO ₂ to O ₂ ratio curve used in the present invention is the pulse shown in FIG. 3, where the sensor signal is presented in relative normalized units, but may have, depending on the specific method of connecting the MOS sensor to the electrical circuit, the dimension of resistance, voltage, or current flowing through the semiconductor layer. The impulse has a leading edge, the so-called dead space, increasing exponentially while the user exhales air from the upper respiratory tract (transient), and reaching a certain saturation state, in which air is exhaled mainly from the lower respiratory tract, the so-called end tidal. This section of the curve corresponds to a certain steady state, in which the resistance of the sensor (maximum value or pulse amplitude) with a fairly good approximation gives the desired ratio of carbon dioxide and oxygen concentrations in the exhaled air proportional to RER. When the exhalation stops, the concentration of gases decreases, and then the MOS sensor resets its state, which is described by the following transient with a decaying exponentially trailing edge of the pulse of the concentration ratio curve. The shape of this pulse can be described analytically using various equations, for example, using equation (12)

(12)

(12)

В уравнении (12) представлены параметры, определяющие форму импульса: амплитуда

, время задержки переднего фронта

, время задержки заднего фронта

, скорость возрастания

, скорость затухания

. Equation (12) presents the parameters that determine the pulse shape: amplitude

, the delay time of the rising edge

, trailing edge delay time

, rate of increase

, decay rate

.

Иными словами, сигнал датчика или его сопротивление всегда пропорциональны соотношению концентраций углекислого газа и кислорода в окружении этого датчика, но параметр RER корректно измеряется только при достижении кривой уровня насыщения, показанного на фиг. 3 как «end tidal». Однако, идеальный случай не работает на практике ввиду того, что MOS-датчик имеет некоторую инерцию, то есть его реакция запаздывает, и кривая отношения может не успеть достигнуть уровня насыщения. In other words, the sensor signal or its resistance is always proportional to the ratio of carbon dioxide and oxygen concentrations in the environment of this sensor, but the RER parameter is correctly measured only when the saturation level curve shown in FIG. 3 as "end tidal". However, the ideal case does not work in practice due to the fact that the MOS sensor has some inertia, that is, its response is delayed, and the ratio curve may not have time to reach the saturation level.

Поскольку в реальной жизни дыхание является нестабильным, поверхностным, то каждый вдох-выдох пользователя описывается неидеальной кривой в форме одиночного импульса, а процесс дыхания в действительности характеризуется последовательностью искаженных сигналов, состоящей из перекрывающихся импульсов, каждый из которых соответствует отдельному выдоху при свободном, непрерывном дыхании. Такая последовательность показана на фиг. 4. Since in real life breathing is unstable, shallow, each inhalation-exhalation of the user is described by a non-ideal curve in the form of a single impulse, and the breathing process is actually characterized by a sequence of distorted signals, consisting of overlapping impulses, each of which corresponds to a separate exhalation during free, continuous breathing. . Such a sequence is shown in Fig. four.

Со ссылкой на Фиг. 3 для получения корректного значения RER из искаженного сигнала датчика, необходимо восстановить форму отдельного импульса и определить, какой максимальной амплитуды (величины сопротивления) относительно установившегося состояния после выдоха или до выдоха мог достигнуть сигнал датчика на участке насыщения. Для этого выполняется восстановление переднего фронта, показанного нарастающей пунктирной линией, заднего фронта, показанного спадающей пунктирной линией, по этим линиям восстанавливается корректно (более точно) измеренная амплитуда I. Подход, заключающийся в восстановлении переднего и заднего фронтов импульса и нахождении расстояния между базовым уровнем, показанным спадающей пунктирной линией, и уровнем насыщения, показанным нарастающей пунктирной линией, дает корректно измеренную амплитуду. При этом амплитуда I пропорциональна соотношению CO₂ и O₂ для конкретного импульса из последовательности импульсов. Точный коэффициент пропорциональности может быть определен на этапе калибровки датчика путем сравнения амплитуды I и значения RER, измеренного эталонным устройством. Для каждого из последующих импульсов данная операция коррекции амплитуды повторяется.With reference to FIG. 3, in order to obtain the correct RER value from the distorted sensor signal, it is necessary to restore the shape of an individual pulse and determine what maximum amplitude (resistance value) relative to the steady state after exhalation or before exhalation could reach the sensor signal in the saturation region. To do this, the leading edge, shown by the rising dotted line, the trailing edge, shown by the falling dotted line, are reconstructed, the correctly (more accurately) measured amplitude I is restored from these lines. The approach consists in restoring the leading and trailing edges of the pulse and finding the distance between the base shown as a falling dashed line, and the saturation level shown as a rising dashed line, gives the correct measured amplitude. In this case, the amplitude I is proportional to the ratio of CO ₂ and O ₂ for a particular pulse from the sequence of pulses. The exact proportionality factor can be determined during the sensor calibration step by comparing the I amplitude and the RER value measured by the reference device. For each of the subsequent pulses, this amplitude correction operation is repeated.

Таким образом, при вычислении скорости возрастания и скорости затухания и подстановки вычисленных результатов в уравнение (12) можно определить амплитуду I сигнала, при этом амплитуда I пропорциональна соотношению CO₂ и O₂и,следовательно, коэффициенту дыхательного газообмена RER. Thus, when calculating the rate of increase and rate of decay and substituting the calculated results into equation (12), one can determine the amplitudeI signal, while the amplitudeI proportional to the CO₂ and O₂and,hence, the respiratory gas exchange ratio RER.

Данные операции могут выполняться как блоком обработки предложенного устройства, так и программным обеспечением конечного устройства, например, мобильного телефона.These operations can be performed both by the processing unit of the proposed device and by the software of the end device, for example, a mobile phone.

На следующем этапе полученная последовательность импульсов, показанная на Фиг. 4, может быть обработана двумя подходами. Первый подход состоит в нарезке сигнала MOS датчика на отдельные импульсы, при этом для каждого из импульсов выполняется вышеупомянутая процедура, описанная посредством уравнения (12), и вычисляется амплитуда I. Для каждого из импульсов можно вычислить значение RER и соответственно построить временную зависимость вычисленных RER от времени, как показано на Фиг. 5, где по оси абсцисс указано время, а по оси ординат - значение RER. Каждая точка на кривой обозначает один импульс, который был обработан и для которого вычислен параметр RER. То есть, сигнал MOS датчика пропорционален отношению концентраций окисляющих и восстанавливающих газов (в нашем случае исключительно СО₂ и О₂), и при этом от концентрации зависит как скорость нарастания сигнала (фронты), так и максимальное значение, которое может принять сигнал, (то есть амплитуду). Калибровка или алгоритм машинного обучения показывает, что некоторое сочетание фронтов и амплитуды соответствует некоторому RER.In the next step, the resulting pulse train shown in FIG. 4 can be processed in two ways. The first approach is to slice the MOS sensor signal into individual pulses, whereby for each of the pulses, the above procedure described by equation (12) is performed and the amplitude I is calculated. For each of the pulses, the RER value can be calculated and the calculated RERs can be plotted against time accordingly, as shown in FIG. 5, where the abscissa indicates the time, and the ordinate indicates the RER value. Each point on the curve represents one pulse that has been processed and for which the RER parameter has been calculated. That is, the signal of the MOS sensor is proportional to the ratio of the concentrations of oxidizing and reducing gases (in our case, only CO ₂ and O ₂ ), and at the same time, both the rate of signal rise (fronts) and the maximum value that the signal can take depend on the concentration, ( i.e. amplitude). Calibration or machine learning algorithm shows that some combination of edges and amplitude corresponds to some RER.

В другой реализации исходный сигнал, принятый от MOS датчика, нарезается в блоке обработки или на конечном устройстве на импульсы, и вычисляется усредненный импульс за некоторый промежуток времени, затем для этого усредненного импульса выполняется процедура определения амплитуды, фронтов и т.д. и вычисляется средний RER за упомянутый некоторый промежуток времени, например, день, неделю и т.д. In another implementation, the original signal received from the MOS sensor is cut into pulses in the processing unit or on the final device, and the average pulse over a certain period of time is calculated, then for this average pulse, the procedure for determining the amplitude, fronts, etc. is performed. and the average RER is calculated for the mentioned some period of time, for example, a day, a week, etc.

Следует обратить внимание, что сопротивление MOS датчика, описанное уравнением (5), имеет экспоненциальную часть e ^a ^* ^RH ⁺ ^c ^* ^T, обозначенную T/RH (см уравнение ниже), которая ранее рассматривалась как некоторая константа, и все измерения выполнялись с точностью до этой константы.Note that the resistance of the MOS sensor described by equation (5) has an exponential part e ^a ^* ^RH ⁺ ^c ^* ^T , denoted T/RH (see equation below), which was previously considered to be some constant, and all measurements were made with accuracy up to this constant.

(13)

(13)

Поэтому в еще одном варианте осуществления предложенное изобретение на основе MOS датчика позволяет учесть этот множитель, поскольку предложенное устройство имеет нагревательный элемент, который может работать при разных температурах, что влияет на значение коэффициентов в уравнении (11), например, базовое сопротивление R_baseline,калибровочныекоэффициенты A, B. Соответственно, при разной температуре (Th1 и Th2) нагревательного элемента значения сопротивления R будут отличаться, и от MOS датчика будут получены разные сигналы. Therefore, in another embodiment, the proposed invention based on the MOS sensor allows this multiplier to be taken into account, since the proposed device has a heating element that can operate at different temperatures, which affects the value of the coefficients in equation (11), for example, the base resistance R_baseline,calibrationcoefficients A, B. Accordingly, at different temperatures (Th1 and Th2) of the heating element, the resistance values R will be different, and different signals will be received from the MOS sensor.

В результате измерения разных сигналов MOS датчика при разных температурах нагревательного элемента получается система (14) из двух уравнений, каждое для одного из по меньшей мере двух значений температуры Th нагревательного элемента.As a result of measuring different signals of the MOS sensor at different temperatures of the heating element, a system (14) of two equations is obtained, each for one of at least two values of the temperature Th of the heating element.

(14),

(fourteen),

где R’, R” - значения сопротивления MOS датчикаwhere R’, R” are the resistance values of the MOS sensor

С помощью системы (14) вычисляется параметр RER и экспоненциальный множитель из уравнения (11), который позволяет учесть влияние температуры и относительной влажности анализируемого воздушного потока, используя либо блок обработки, который входит в состав датчика, либо внешнее устройство, например, мобильный телефон.Using system (14), the RER parameter and the exponential factor from equation (11) are calculated, which allows taking into account the influence of temperature and relative humidity of the analyzed air flow, using either a processing unit that is part of the sensor, or an external device, such as a mobile phone.

В выдыхаемом воздухе относительная влажность может достигать примерно 100%, что является проблемой для большинства известных датчиков из-за возможной конденсации влаги и повреждения датчика, или насыщения датчика и выхода сигнала датчика за пределы динамического диапазона. Для устранения этой проблемы необходимы дополнительные устройства, чтобы удалить влагу из воздуха. Однако, для настоящего решения эта проблема отсутствует, во-первых, в силу принципа действия MOS датчика, в котором используется нагревательный элемент, поэтому при достаточно высокой температуре конденсация влаги не происходит. Во-вторых, несмотря на высокую относительную влажность воздуха выдоха и, соответственно, влияние второго множителя в уравнении (11) на измеряемый сигнал, можно непосредственно измерить степень этого влияния по алгоритму, описанному выше. In exhaled air, relative humidity can reach approximately 100%, which is a problem for most known sensors due to the possibility of moisture condensation and damage to the sensor, or saturation of the sensor and the sensor signal out of dynamic range. To eliminate this problem, additional devices are needed to remove moisture from the air. However, for the present solution, this problem is absent, firstly, due to the principle of operation of the MOS sensor, which uses a heating element, therefore, at a sufficiently high temperature, moisture condensation does not occur. Secondly, despite the high relative humidity of the expiratory air and, accordingly, the influence of the second factor in equation (11) on the measured signal, it is possible to directly measure the degree of this influence using the algorithm described above.

Таким образом, нет необходимости контролировать влажность в течение всего времени работы MOS датчика, при этом влажность выдыхаемого воздуха может достигать 100%. Thus, there is no need to control the humidity during the entire operation of the MOS sensor, while the humidity of the exhaled air can reach 100%.

Еще один вариант осуществления изобретения обеспечивает способ оценки метаболизма, который имеет преимущества предложенного решения, описанные выше относительно отсутствия необходимости контроля влажности выдыхаемого воздуха при использовании MOS датчика. Дополнительно, в этом варианте осуществления значение T/RH не вычисляется, а непосредственно измеряется дополнительным любым датчиком, который позволяет измерить влажность: например, оптическим, резистивным, электролитическим, термисторным, емкостным или любым другим, который может быть изобретен в будущем. Затем полученные результаты измерений используются для вычисления RER из уравнения (5).Yet another embodiment of the invention provides a method for assessing metabolism that has the advantages of the proposed solution described above regarding the absence of the need to control the humidity of the exhaled air when using a MOS sensor. Additionally, in this embodiment, the T/RH value is not calculated, but directly measured by any additional sensor that can measure humidity: for example, optical, resistive, electrolytic, thermistor, capacitive, or any other that may be invented in the future. The resulting measurements are then used to calculate the RER from Equation (5).

Еще один вариант осуществления обеспечивает способ оценки метаболизма при использовании не одного MOS датчика, а нескольких MOS датчиков. Yet another embodiment provides a method for assessing metabolism when using multiple MOS sensors rather than a single MOS sensor.

Сущность данного варианта осуществления состоит в том, что при измерении некоторой величины один раз или несколько раз разными датчиками, получают отличающиеся друг от друга значения, затем вычисляется некоторое среднее значение, при этом может быть вычислена погрешность измерений. Таким образом, при выполнении большего числа измерений можно получить более точное вычисление параметра RER. The essence of this embodiment is that when a certain value is measured once or several times by different sensors, values differ from each other, then an average value is calculated, and the measurement error can be calculated. Thus, when more measurements are taken, a more accurate calculation of the RER parameter can be obtained.

Поскольку различные датчики по-разному реагируют на одну и ту же активацию, некоторые из них более чувствительны и лучше обнаруживают низкие концентрации газов, некоторые имеют более широкий динамический диапазон и лучше обнаруживают высокие концентрации газов, при этом некоторые датчики имеют меньшую или большую инертность, за счет чего скорость реакции датчика совпадает с динамикой изменения концентрации газов в потоке выдыхаемого воздуха и, соответственно, с меньшей ошибкой измеряют переходные процессы, то измерение одновременно несколькими датчиками приравнивается к нескольким измерениям и получаются дополнительные данные для многомерного анализа. Таким образом комбинируя несколько датчиков с отличающимися характеристиками и обрабатывая их выходные сигналы, получают более точное вычисление параметра RER.Because different sensors respond differently to the same activation, some are more sensitive and better at detecting low gas concentrations, some have a wider dynamic range and better at detecting high concentrations of gases, while some sensors have less or more inertia, for due to which the reaction rate of the sensor coincides with the dynamics of changes in the concentration of gases in the exhaled air stream and, accordingly, transient processes are measured with a smaller error, then the measurement by several sensors simultaneously is equated to several measurements and additional data are obtained for multivariate analysis. Thus, by combining several sensors with different characteristics and processing their output signals, a more accurate calculation of the RER parameter is obtained.

В еще одном варианте осуществления обеспечен способ оценки метаболизма с использованием MOS датчика и дополнительного датчика давления или датчика потока. Использование этих датчиков позволяет, во-первых, контролировать объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, что дает в результате более точное вычисление параметра RER. Во-вторых, перейти от концентраций углекислого газа и кислорода к объемам этих газов, согласно уравнениям (2) и (3) и вычислить новые параметры, которые требуют точного значения объема. In yet another embodiment, a method for assessing metabolism using a MOS sensor and an additional pressure or flow sensor is provided. The use of these sensors allows, firstly, to control the volume of inhaled and exhaled air, which results in a more accurate calculation of the RER parameter. Secondly, go from the concentrations of carbon dioxide and oxygen to the volumes of these gases, according to equations (2) and (3) and calculate new parameters that require an accurate volume value.

При этом датчики давления или потока используются для оценки объемов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

и

, входящих в уравнение (6). Согласно любому известному уровню техники, например, объем выдыхаемого воздуха можно оценить как произведение потока, или расхода воздуха и времени выдоха. Расход воздуха или поток, в свою очередь, могут быть либо приблизительно измерены при помощи датчика потока, либо оценены пропорционально перепаду давления на двух участках воздушного потока, которое в свою очередь может быть измерено при помощи датчика давления. В большинстве случаев измерения датчики находятся в ограниченном объеме, прямое аналитическое решение задачи оценки объемов не требуется, бывает достаточно калибровки датчика или алгоритма машинного обучения, который учитывает в модели данные датчиков давления и/или потока и пр. In this case, pressure or flow sensors are used to assess the volumes of inhaled and exhaled air.

and

included in equation (6). According to any prior art, for example, the volume of exhaled air can be estimated as the product of flow, or air flow, and expiratory time. The air flow or flow, in turn, can either be approximately measured using a flow sensor, or estimated in proportion to the pressure difference in two sections of the air flow, which in turn can be measured using a pressure sensor. In most cases, the measurements of the sensors are in a limited volume, a direct analytical solution to the volume estimation problem is not required, it may be enough to calibrate the sensor or a machine learning algorithm that takes into account data from pressure and / or flow sensors in the model, etc.

Один из параметров, для вычисления которого требуется знание точных объемов углекислого газа и кислорода, REE (Resting energy expenditure) - представляет собой расход энергии в покое. Параметр REE вычисляется уравнением (15) Дж. Б. Д. Вейра, известным, например, из источника «New Methods For Calculating Metabolic Rate With Special Reference To Protein Metabolism». Лондонский журнал физиологии, Дж. Б. Д. Вейр (1949). 109 (1-2): 1-9. Параметр REE показывает энергию, потребленную в спокойном состоянии, в отличие от параметра RER, который быстро меняется в зависимости от внешних условий, например, принятия пищи, выполнения некоторого действия. Параметр REE не меняется быстро, но он необходим для того, чтобы охарактеризовать параметры метаболизма более точно, и вычисляется по формуле: One of the parameters that requires knowledge of the exact volumes of carbon dioxide and oxygen, REE (Resting energy expenditure) is the resting energy expenditure. The REE parameter is calculated by equation (15) of J. B. D. Weir, known, for example, from the source "New Methods For Calculating Metabolic Rate With Special Reference To Protein Metabolism". London Journal of Physiology, J. B. D. Weir (1949). 109(1-2): 1-9. The REE parameter shows the energy consumed in a calm state, in contrast to the RER parameter, which changes rapidly depending on external conditions, for example, eating, performing some action. The REE parameter does not change quickly, but it is necessary in order to characterize the metabolic parameters more accurately, and is calculated by the formula:

, (15)

где 1440 минут в сутках,

и

- объем вдыхаемого кислорода и объем выдыхаемого углекислого газа соответственно. (Jeukendrup A. E., Wallis G. A. Int J Sports Med 2005, 26, S28-S37). При этом формула (15) является лишь одним из примеров вычисления параметра REE.where 1440 minutes in a day,

and

- the volume of inhaled oxygen and the volume of exhaled carbon dioxide, respectively. (Jeukendrup AE, Wallis GA Int J Sports Med 2005, 26, S28-S37). In this case, formula (15) is only one example of calculating the REE parameter.

При использовании формул (1) - (5) и соответствующих допущений можно показать, что при использовании MOS датчика для измерения RER и дополнительно измеренных объемов

и

вдыхаемого и/или выдыхаемого воздуха параметр REE можно, с точностью до среднего типичного значения концентрации кислорода в выдыхаемом воздухе, оценить как:Using formulas (1) - (5) and the corresponding assumptions, it can be shown that when using a MOS sensor to measure RER and additionally measured volumes

and

of inhaled and/or exhaled air, the REE parameter can be estimated, to the accuracy of the average typical value of the oxygen concentration in exhaled air, as:

,

где из уравнения (15) следует: where from equation (15) it follows:

,

- константа, пропорциональная типичному значению концентрации кислорода в выдыхаемом воздухе в состоянии покоя, принятой для данной категории пользователя.

- a constant proportional to the typical value of the oxygen concentration in the exhaled air at rest, adopted for this category of user.

Следующий параметр, который можно вычислить, используя датчик давления или датчик потока для вычисления объемов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, это скорость сжигания жиров, Fat oxidation, описываемая уравнением (6). The next parameter that can be calculated using a pressure sensor or a flow sensor to calculate the volumes of inhaled and exhaled air is the fat burning rate, Fat oxidation, described by equation (6).

Аналогично параметру REE, можно показать, что в случае использования MOS датчика уравнение (6) можно представить виде:Similarly to the REE parameter, it can be shown that in the case of using a MOS sensor, equation (6) can be represented as:

.

Еще один дополнительный параметр, который может быть вычислен при известном объеме вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, это скорость сжигания углеводов. Данный параметр вычисляется по формуле: Another additional parameter that can be calculated with a known volume of inhaled and exhaled air is the rate of carbohydrate burning. This parameter is calculated by the formula:

(16)

(sixteen)

Аналогично параметру REE, можно показать, что в случае использования MOS датчика данное уравнение можно представить виде:Similar to the REE parameter, it can be shown that in the case of using a MOS sensor, this equation can be represented as:

где из уравнения (16):

,

- константа пропорциональная типичному значению концентрации кислорода в выдыхаемом воздухе в состоянии покоя, принятой для данной категории пользователя.where from equation (16):

,

Дополнительный вариант осуществления предоставляет способ оценки метаболизма с использованием преконцентратора для предварительного накопления выдыхаемого пользователем воздуха, то есть устройства, содержащего резервуар для сбора порции выдыхаемого воздуха. В данном случае измеряется не поток выдыхаемого воздуха в естественных условиях непосредственно во время дыхания, а сначала производится сбор некоторой порции выдыхаемого воздуха в некоторый резервуар, а затем собранный воздух прокачивается через устройство, содержащее газовые датчики. Этот способ позволяет стабилизировать условия измерения, избавиться от влаги в выдыхаемом воздухе, стабилизировать концентрацию газов в потоке воздуха, прокачиваемом через резервуар преконцентратора, тем самым повысить точность измерений.A further embodiment provides a method for assessing metabolism using a preconcentrator for pre-accumulation of exhaled air by a user, ie a device containing a reservoir for collecting a portion of exhaled air. In this case, not the flow of exhaled air under natural conditions is measured directly during breathing, but first a certain portion of exhaled air is collected into a certain reservoir, and then the collected air is pumped through a device containing gas sensors. This method allows you to stabilize the measurement conditions, get rid of moisture in the exhaled air, stabilize the concentration of gases in the air flow pumped through the preconcentrator tank, thereby increasing the measurement accuracy.

Дополнительный вариант осуществления обеспечивает способ оценки метаболизма вышеупомянутых вариантов осуществления с использованием методов машинного обучения. В одном подходе этого варианта осуществления из сигнала MOS датчика вручную вычисляют параметры импульса, например, амплитуду I, скорости подъема и затухания и задержки фронтов, и используя эти параметры в качестве признаков или переменных для моделей машинного обучения, классифицируют типы полученных сигналов от MOS датчика. В другом подходе, альтернативно, для вычисления параметров используется алгоритм для автоматического (слепого) выведения признаков из полученного сигнала MOS датчика, и затем автоматически вычисленные признаки посредством некоторого алгоритма поступают на вход другого алгоритма для классификации этого сигнала. An additional embodiment provides a method for estimating the metabolism of the above embodiments using machine learning techniques. In one approach of this embodiment, pulse parameters such as amplitude I, rise and fall rates, and edge delays are manually computed from the MOS sensor signal, and using these parameters as features or variables for machine learning models, classifies the types of received signals from the MOS sensor. In another approach, alternatively, an algorithm is used to calculate the parameters to automatically (blindly) derive features from the received MOS sensor signal, and then the automatically calculated features are fed through some algorithm to another algorithm to classify this signal.

Еще один вариант осуществления обеспечивает способ оценки метаболизма с использованием предварительно введенных пользователем данных об активности и физической нагрузке. Поскольку полные затраты энергии складываются из значения параметра REE, представляющего расход энергии в покое, который измеряется датчиком, и физической активностью пользователя, то для оценки физической активности требуется дополнительная информация, которая может быть получена интеллектуальным устройством, предоставляющим информацию об активности пользователя, например, умными часами со встроенным датчиком измерения сердцебиения, гироскопом, акселерометром. При этом интеллектуальное устройство хорошо определяет момент наступления активности пользователя, длительности этой активности и т.д. и физическую нагрузку. Затем полученная информация об активности пользователя корректируется при помощи таких персональных параметров как возраст, конституция пользователя, и при помощи этих полученных параметров может быть вычислен полный расход энергии. Дополнительно, используя интеллектуальное устройство (умные часы), подсчитывается количество приемов пищи, оценивается полученная энергия. Yet another embodiment provides a method for estimating metabolism using user pre-entered activity and exercise data. Since the total energy expenditure is the sum of the REE value representing the resting energy expenditure measured by the sensor and the user's physical activity, additional information is required to estimate the physical activity, which can be obtained by a smart device that provides information about the user's activity, for example, smart devices. watches with built-in heart rate measurement sensor, gyroscope, accelerometer. At the same time, the smart device well determines the moment of the onset of user activity, the duration of this activity, etc. and physical activity. Then, the obtained information about the activity of the user is corrected using such personal parameters as the age, constitution of the user, and using these obtained parameters, the total energy consumption can be calculated. Additionally, using an intelligent device (smart watch), the number of meals is counted, the energy received is estimated.

Другой тип данных, которые не представляется возможным измерить независимо от пользователя, и необходимо, чтобы пользователь сам вводил эти данные, это персональная информация, например, возраст, вес, рост и т.п. Эта информация необходима, чтобы скорректировать данные о физической активности пользователя.Another type of data that cannot be measured independently of the user and requires the user to enter this data himself is personal information, such as age, weight, height, etc. This information is needed to correct the user's physical activity data.

Например, такой параметр, как REE, может быть вычислен теоретически, исходя из данных о конституции пользователя (вес, рост) и его возраста при помощи уравнения Харриса-Бенедикта (J. A. Harris and F. G. Benedict, Proc Natl Acad Sci USA. 1918, 4(12)). Такой подход часто используется при планировании физических нагрузок или составлении плана питания: объем потребленных калорий должен находится в равновесии с интенсивностью физических нагрузок и энергией, которая требуется для поддержания функций организма в состоянии покоя. Однако, теоретически вычисленный REE может отличаться от реально измеренного REE как в большую, так и в меньшую сторону. Если фактический REE, измеренный датчиком, превышает теоретическую оценку, а расчет калорий для плана питания был выполнен именно по теоретическому REE, это означает, что пользователь потребляет меньше калорий, чем ему требуется. Наоборот, если фактический REE меньше теоретической оценки, а план питания по-прежнему составлен на основе теоретической оценки, это означает, что пользователь потребляет излишнее количество калорий и этот излишек будет накапливаться в организме, если не будет потрачен на дополнительную физическую активность. В целом расхождение между теоретически вычисленным REE и фактически измеренным при помощи датчика, т.е. фактически несоответствие между потреблением энергии в состоянии покоя и биометрическими данными пользователя, может говорить о нарушениях метаболизма и послужить поводом для более детального исследования профильным специалистом.For example, a parameter such as REE can be theoretically calculated based on the user's constitution (weight, height) and age using the Harris-Benedict equation (J. A. Harris and F. G. Benedict, Proc Natl Acad Sci USA. 1918, 4( 12)). This approach is often used when planning physical activities or drawing up a nutrition plan: the amount of calories consumed should be in balance with the intensity of physical activity and the energy required to maintain body functions at rest. However, the theoretically calculated REE may differ from the actually measured REE, either up or down. If the actual REE measured by the sensor exceeds the theoretical estimate, and the calorie calculation for the meal plan was based on the theoretical REE, this means that the user is consuming fewer calories than they need. Conversely, if the actual REE is less than the theoretical estimate, and the meal plan is still based on the theoretical estimate, this means that the user is consuming an excess amount of calories and this surplus will accumulate in the body if not spent on additional physical activity. In general, the discrepancy between the theoretically calculated REE and that actually measured with the sensor, i.e. in fact, the discrepancy between energy consumption at rest and the user's biometric data may indicate metabolic disorders and serve as a reason for a more detailed study by a specialized specialist.

Таким образом, можно непрерывно и без дополнительных усилий со стороны пользователя, не отвлекая пользователя, отслеживать энергетический баланс, то есть количество полученной и израсходованной энергии, используя дополнительные данные с другого устройства, либо вручную введенные пользователем. Thus, it is possible to continuously and without additional effort on the part of the user, without distracting the user, track the energy balance, that is, the amount of energy received and consumed, using additional data from another device, or manually entered by the user.

Таким образом, предлагаемое решение работает в различных условиях дыхания для измерения баланса жиров/углеводов выходным сигналом MOS датчика и не требует от пользователя каких-либо конкретных требований к отбору проб выдыхаемого воздуха.Thus, the proposed solution works under various breathing conditions to measure fat/carbohydrate balance with the MOS sensor output signal and does not require any specific requirements from the user for sampling exhaled air.

Различные иллюстративные логические блоки и схемы, описанные в вариантах осуществления этой заявки, могут реализовывать или управлять описанными функциями с помощью процессора общего назначения, процессора цифровых сигналов, специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA) или другого программируемого логического устройства, дискретной логики затвора или транзистора, дискретного аппаратного компонента или конструкция любой их комбинации. Процессор общего назначения может быть микропроцессором. Необязательно, процессор общего назначения может альтернативно быть любым обычным процессором, контроллером, микроконтроллером или конечным автоматом. В качестве альтернативы процессор может быть реализован посредством комбинации вычислительных устройств, например, процессора цифровых сигналов и микропроцессора, множества микропроцессоров, одного или нескольких микропроцессоров с ядром процессора цифровых сигналов или любой другой подобной конфигурации.The various illustrative logic blocks and circuits described in the embodiments of this application may implement or control the described functions using a general purpose processor, digital signal processor, application specific integrated circuit (ASIC), field programmable gate array (FPGA), or other programmable logic device, discrete gate or transistor logic, a discrete hardware component, or any combination of these. A general purpose processor may be a microprocessor. Optionally, a general purpose processor may alternatively be any conventional processor, controller, microcontroller, or state machine. Alternatively, the processor may be implemented by a combination of computing devices, such as a digital signal processor and a microprocessor, a plurality of microprocessors, one or more microprocessors with a digital signal processor core, or any other similar configuration.

Хотя эта заявка описана со ссылкой на конкретные функции и их варианты осуществления, очевидно, что в них могут быть внесены различные модификации и комбинации, не выходящие за рамки сущности и объема этой заявки. Соответственно, описание и сопроводительные чертежи представляют собой просто примерное описание этой заявки, определяемой прилагаемой формулой изобретения, и рассматриваются как любые или все модификации, вариации, комбинации или эквиваленты, которые охватывают объем этой заявки. Ясно, что специалист в данной области техники может внести различные модификации и изменения в эту заявку, не выходя за рамки этой заявки. Эта заявка предназначена для охвата этих модификаций и вариантов этой заявки при условии, что они подпадают под объем защиты, определенный следующей формулой изобретения и их эквивалентными технологиями.Although this application has been described with reference to specific functions and their embodiments, it is obvious that various modifications and combinations can be made to them without going beyond the essence and scope of this application. Accordingly, the description and accompanying drawings are merely an exemplary description of this application as defined by the appended claims and are construed as any or all modifications, variations, combinations or equivalents that fall within the scope of this application. It is clear that a person skilled in the art can make various modifications and changes to this application without going beyond the scope of this application. This application is intended to cover these modifications and variations of this application, provided that they fall within the scope of protection defined by the following claims and their equivalent technologies.

Будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено точной конструкцией, которая была описана выше и проиллюстрирована на сопровождающих чертежах, и, что различные модификации и изменения могут быть сделаны, не выходя за рамки его объема. Подразумевается, что рамки объема изобретения ограничены только прилагаемой формулой изобретения.It will be understood that the present invention is not limited to the precise construction as described above and illustrated in the accompanying drawings, and that various modifications and changes can be made without departing from its scope. The scope of the invention is intended to be limited only by the appended claims.

Claims

1. A metabolic tracking device, comprising:

a metal oxide semiconductor (MOS) sensor placed in the exhaled air flow of the user, for issuing a signal corresponding to the ratio of the carbon dioxide concentration in the exhaled air to the oxygen concentration in the inhaled air;

an electronic processing unit configured to:

reading the output signal of the MOS sensor and obtaining the value of the respiratory gas exchange ratio (RER), which is a metabolic parameter,

issuing to the user the result of tracking metabolism in text or digital form.

2. The metabolic tracking device according to claim 1, in which the processing electronic unit is configured to process the signal in the form of a pulse from the MOS sensor for each inhalation/exhalation by recovering the leading and trailing edges of the pulse of said signal and determining the amplitude value between the steady signal level sensor after exhalation or before exhalation and the signal saturation level, and the amplitude value corresponds to the ratio of carbon dioxide concentration in the exhaled air to the oxygen concentration in the inhaled air.

3. The metabolic tracking device according to claim 1, wherein the electronic processing unit is further configured to:

reading at least two output signals of the MOS sensor at different values of the temperature of the heating element and different values of the relative humidity of the analyzed exhaled air;

calculating a RER parameter based on said read at least two MOS sensor output signals.

4. Device for tracking metabolism according to any one of paragraphs. 1 2, and the device contains at least one additional MOS sensor, while

the electronic processing unit is additionally configured to:

read the output of said at least one additional MOS sensor placed in the user's exhaled air stream to obtain the corresponding RER values;

calculate an average RER value based on the obtained RER values of each of said MOS sensors.

5. Device for tracking metabolism according to any one of paragraphs. 1, 2, wherein the electronic processing unit is additionally configured to:

calculate an additional metabolic parameter representing the value of energy expenditure at rest (REE), based on the measured volumes of inhaled and exhaled air.

6. Device for tracking metabolism according to any one of paragraphs. 1, 2, wherein the electronic processing unit is additionally configured to:

calculate an additional metabolic parameter representing the value of the fat burning rate, based on the measured volumes of inhaled and exhaled air.

7. Device for tracking metabolism according to any one of paragraphs. 1, 2, wherein the electronic processing unit is additionally configured to:

calculate an additional metabolic parameter representing the value of the carbohydrate burning rate, based on the measured volumes of inhaled and exhaled air.

8. Device for tracking metabolism according to any one of paragraphs. 1, 2, wherein the electronic processing unit is additionally configured to:

obtaining several RER parameters for some time after the user has eaten;

determination of metabolic flexibility based on the obtained RER parameters, while

typical metabolic flexibility values include high flexibility, normal flexibility, and inflexibility of the user's metabolism;

tracking the user's adaptation to changes in diet and/or physical activity based on metabolic flexibility.

9. A device for tracking metabolism according to any one of paragraphs. 1, 2, wherein the electronic processing unit is additionally configured to:

obtaining multiple RER values while the user is exercising under controlled physical activity for some time;

determining the anaerobic threshold of the user based on the obtained RER values,

using the anaerobic threshold to determine whether a person is burning fat or carbohydrates.

10. A device for tracking metabolism according to any one of paragraphs. 1, 2, wherein the device further comprises a preconcentrator for preliminary accumulation of air exhaled by the user, and wherein the electronic processing unit is additionally configured to:

collect some portion of the air exhaled by the user in the preconcentrator reservoir;

pumping said portion of the collected exhaled air through the metabolic tracking device containing the MOS sensor.

11. A system comprising a metal oxide semiconductor (MOS) sensor placed in the user's exhaled air stream to provide a signal corresponding to the ratio of the carbon dioxide concentration in the exhaled air to the oxygen concentration in the inhaled air; and

an electronic processing unit configured to:

issuing to the user the result of tracking metabolism in text or digital form,

moreover, the electronic processing unit is external to the MOS sensor;

wherein the MOS sensor and said processing unit communicate with each other via wireless communication and/or wired communication.

12. A method for tracking metabolism, comprising the steps of:

placing a metal oxide semiconductor (MOS) sensor in the user's exhaled air stream to provide a signal corresponding to the ratio of carbon dioxide concentration in the exhaled air to the oxygen concentration in the inhaled air;

reading the output signal of the MOS sensor by the processing electronics and obtaining the value of the respiratory gas exchange coefficient RER, which is a metabolic parameter,

give the user the result of tracking metabolism in text or digital form.

13. The method for tracking metabolism according to claim 12, in which the signal is processed in the form of a pulse from the MOS sensor for each inhalation / exhalation by restoring the leading and trailing edges of the pulse of the said signal and determining the amplitude value between the steady level of the sensor signal after exhalation or before exhalation and signal saturation level, and the amplitude value corresponds to the ratio of carbon dioxide concentration in the exhaled air to the oxygen concentration in the inhaled air.

14. The metabolic tracking method of claim 12, further comprising the steps of:

read at least two output signals of the MOS sensor at different values of the temperature of the heating element and different relative humidity values of the analyzed exhaled air;

calculating the RER parameter based on said read at least two MOS sensor output signals.

15. The method according to any one of paragraphs. 12, 13, the method comprising the step of using an additional at least one MOS sensor;

read the output signal of at least one additional MOS sensor placed in the flow of air exhaled by the user, to obtain the corresponding RER values;

calculating an average RER value based on the obtained RER values of each of said sensors.

16. The method according to any one of paragraphs. 12, 13, the method further comprising the step of

an additional metabolic parameter representing a resting energy expenditure (REE) value is calculated based on the measured volumes of inhaled and exhaled air.

17. The method according to any one of paragraphs. 12, 13, the method further comprising the step of

an additional metabolic parameter is calculated representing the value of the fat burning rate based on the measured volumes of inhaled and exhaled air.

18. The method according to any one of paragraphs. 12, 13, the method further comprising the step of

calculate an additional metabolic parameter representing the value of the rate of burning of carbohydrates, based on the measured volumes of inhaled and exhaled air.

19. The method according to any one of paragraphs. 12, 13, the method further comprising the steps of

receiving multiple RER parameters for some time after the user has eaten;

determine metabolic flexibility based on the obtained RER parameters, while

track the user's adaptation to changes in diet and/or physical activity based on metabolic flexibility.

20. The method according to any one of paragraphs. 12, 13, the method further comprising the steps of

getting multiple RERs while the user is exercising under controlled physical activity for a period of time;

determining the user's anaerobic threshold based on the obtained RERs;

use the anaerobic threshold to determine whether a person is burning fat or carbohydrates.

21. The method according to any one of paragraphs. 12, 13, the method further comprising the steps of

using a preconcentrator to pre-accumulate air exhaled by the user;

pumping the mentioned portion of the collected exhaled air through the device for tracking metabolism, containing the MOS sensor.

22. A method for tracking metabolism, comprising the steps of:

transmitting the output of the MOS sensor via wireless and/or wired communication to an electronic processing unit external to said MOS sensor;

and get the value of the coefficient of respiratory gas exchange RER, which is a parameter of metabolism, through the mentioned electronic processing unit;

providing the user with a metabolic tracking result in text or digital form by means of said electronic processing unit.