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CN109692000A - 便携式vo2检测设备 - Google Patents

便携式vo2检测设备 Download PDF

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CN109692000A
CN109692000A CN201811505422.9A CN201811505422A CN109692000A CN 109692000 A CN109692000 A CN 109692000A CN 201811505422 A CN201811505422 A CN 201811505422A CN 109692000 A CN109692000 A CN 109692000A
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China
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CN201811505422.9A
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Inventor
黄丽萍
张冷
张弓
陈静雯
王刚
周明
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Chinese PLA General Hospital
Original Assignee
Chinese PLA General Hospital
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Abstract

本发明实施例公开了便携式VO2检测设备，包括：用户接口、双向流量计、微型混合室、氧气传感器、氧合装置、心率采集装置、温度及气压传感器、微处理器、通信模块、显示屏；其中，所述氧气传感器、所述氧合装置、所述心率采集装置、所述温度及气压传感器、所述通信模块、所述显示屏连接至所述微处理器。本发明提出的便携式VO2检测设备在没有二氧化碳分析仪的情况下能够分别测量整体或者局部的氧气消耗并且准确地输出测量结果，并且是一种便携式设备，非常适合运动训练及辅导、科学研究和体育教育的应用场景。

Description

便携式VO2检测设备
技术领域
本发明涉及气体代谢测量技术领域，特别涉及便携式VO2检测设备。
背景技术
近几十年来，我国心血管疾病(Cardiovascular Disease，简称CVD)和肺部疾病发病率处于持续上升阶段，在老年人群中的发病率更高，这主要与社会发展，人们生活习惯改变，人口老龄化，环境恶化等因素相关，这些危险因素之间的交互作用使发病率成倍增加。心血管疾病和肺部疾病的防治负担日益严重，已经成为我国当今社会所面临的重要公共卫生问题，加强防治刻不容缓。
心血管疾病及肺部疾病发病过程缓慢、潜伏期长，因此需要合适的工具对其发病风险进行评估，再合理地进行干预，以达到预防事件发生的目的。越来越多的证明表明，心肺功能(Cardiorespiratory Fitness，简称CRF)指标是心血管疾病及肺部疾病及其他慢性病的有效预测因素，而且CRF还可以用于对于所有慢性病的不良后果进行重新分类，因此，美国心脏协会已经发表声明称心肺功能(CRF)指标可作为患者健康管理的重要临床标志，以降低心血管风险。
利用气体代谢测量方法测量心肺功能(CRF)指标的系统是一种代谢评估系统。心肺运动测试(Cardiopulmonary Exercise Testing，简称CPX)、氧气消耗(VO2)测量、以及呼吸运动测量已经在临床健康评估、健康培训、运动处方等领域中被广泛运用，主要应用于测量氧气消耗(VO2)、二氧化碳输出(VCO2)和呼吸量(VE)中。
在心肺功能(CRF)测量过程中测量氧气消耗反应，其中，最大摄氧量(VO2max)是测量心血管系统运输氧气能力的重要标准。最大摄氧量(VO2max)的值取决于运动方式、训练程度和心血管功能的完整性。在各种类型的心肺疾病中，患者的最大摄氧量(VO2max)的值通常会减少。在大多数情况下，除运动员外，正常或较高的最大摄氧量(VO2max)数值几乎可确保没有任何重大心血管疾病或肺部疾病。最大摄氧量(VO2max)数值可以采用ml/kg/min表示，该数值与个体的运动耐力有关。特定的无氧阈(AT)可以用来设计个性化健身计划，从而改善身体状况并最大化地消耗卡路里。最大摄氧量(VO2max)的测量可评估个体的真实健康水平。而同时，心肺功能(CRF)指标还可以用来鉴定老年患者在大型手术中是否具有高死亡率的风险。研究表明，术后心血管相关的死亡率可以由无氧阈(AT)<11ml/kg/min进行预测，而无氧阈(AT)可以通过测量氧气消耗(VO2)得到。
人体气体代谢测试是基于间接测热法的原理，根据一定时间内氧消耗量、二氧化碳产生量计算出人体的能量消耗，以及碳水化合物、脂肪和蛋白质在能量消耗中的构成。其装置可与跑步机、功率车等负载设备配合，测试人体在不同运动负荷下的摄氧量、二氧化碳排出量。气体代谢测试为心肺功能的评估、疾病的诊断治疗以及科学的营养供给提供了参考。
早期的人体气体代谢测试比较简单，一般采用道格拉斯气袋法。测试过程中将所有呼出气体全部收集到气袋中，整个测试过程需要几十个气袋。测试完成后，先测量呼出气体的体积，再使用化学分析方法分析气袋中氧气和二氧化碳的浓度，整个过程缓慢而且繁琐。由于道格拉斯气袋法不能做到数据的实时分析，同时设备庞大，通气管路是封闭式的，呼气阻力很大。微型混合室方法采集微量人体呼出气体进行分析，微型混合室与道格拉斯气袋法相比，其最大的优点是可以在开放式呼吸模式下进行测量，使受试者彻底抛弃了笨重的呼吸管道和单向阀，受试者可以自由自在地呼吸，微型混合室法成为目前气体代谢测试主要方法之一。
现有技术中，心肺功能(CRF)测量系统具有若干基本模块，包括氧气和二氧化碳分析仪、通风测量设备、接口电子设备、气体采样系统、数据采集系统和计算机，在所述计算机上运行相应的计算机程序。
然而，发明人经研究发现，现有技术中，在分析二氧化碳(CO2)输出(VCO2)时所需的二氧化碳(CO2)分析仪成本非常高昂，并且具有高功耗的缺点；而相比之下氧气(O2)分析仪通常比较便宜；同时，现有技术中的心肺功能(CRF)测量系统只能测量整体的氧气消耗(VO2)，而不能对个体的氧气消耗(VO2)进行测量。
发明内容
基于此，为解决现有技术中的技术问题，特提出了便携式VO2检测设备，包括：
用户接口、双向流量计、微型混合室、氧气传感器、氧合装置、心率采集装置、温度及气压传感器、微处理器、通信模块、显示屏；
其中，所述氧气传感器、所述氧合装置、所述心率采集装置、所述温度及气压传感器、所述通信模块、所述显示屏连接至所述微处理器；
其中，所述用户接口连接至所述双向流量计；
在一种实施例中，所述用户接口为呼吸面罩；用户戴上所述呼吸面罩，所述用户通过呼吸面罩呼出或者吸入的气体通过所述双向流量计进行计量；所述双向流量计可以对用户呼出或者吸入的气体进行流量的计量；
其中，所述微型混合室连接至所述双向流量计；所述微型混合室可以用于测量最大摄氧量；
其中，所述氧气传感器连接至所述微型混合室，所述氧气传感器用于测量整体摄氧量；
其中，所述氧合装置中包括近红外光谱传感器；所述近红外光谱传感器用于测量局部摄氧量；
其中，所述心率采集装置用于采集用户在运动过程中的心率数值，并将采集到的用户心率数值传输至所述微处理器；
在一种实施例中，所述心率采集装置包括戴在用户胸部正下方并与皮肤直接接触的心率监测带，所述心率监测带紧贴用户皮肤佩戴；
其中，所述温度及气压传感器用于采集大气压和温度，并将采集到的大气压和温度数值传输至所述微处理器；
其中，所述微处理器接收所述氧气传感器、所述氧合装置、所述心率采集装置、所述温度及气压传感器采集到的数据并进行计算和分析处理，获取用户的氧气消耗量数值；
在一种实施例中，所述微处理器包括存储器、USB接口；所述USB接口可以用于传输数据，包括上传、下载数据；所述存储器可以存储最长达90分钟的用户呼吸数据。
其中，所述通信模块连接至所述微处理器，所述通信模块将数据发送到外部设备；
在一种实施例中，所述外部设备包括移动电话、计算机、PDA；所述通信模块与外部设备之间采用蓝牙、WIFI进行通信。
其中，所述显示屏连接至所述微处理器，所述显示屏可以显示与用户氧气消耗量(VO2)相关的各种信息；
在一种实施例中，所述显示屏可以是触摸式显示屏，在显示氧气消耗量相关信息的同时允许用户进行触摸输入。
在一种实施例中，氧分压数值由氧气传感器采集获取并传输至所述微处理器；有氧饱和度、血红蛋白浓度由所述氧合装置中的所述近红外光谱传感器获取并传输至所述微处理器；心率数值由所述心率采集装置采集获取并传输至所述微处理器；
所述微处理器根据以下算式(1)、算式(2)、算式(3)运算得到用户的氧气消耗值；
VO2＝SV×HR×C(a-v)O2 (1)
SV＝C(1-e-0.0132(HR-.45)) (3)
其中，VO2为用户的氧气消耗值，SV为每搏输出量，HR为心率数值，Hb为血红蛋白浓度，PO2为氧分压数值，C(a-v)O2为动脉-静脉氧气含量差，SVO2为有氧饱和度，C为可调节参数。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明提供了改进的氧气消耗测量设备，该种氧气消耗测量设备在没有二氧化碳分析仪的情况下能够分别测量整体或者个体的氧气消耗并且准确地输出测量结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为本发明中的便携式VO2检测设备示意图；
图2为本发明中的氧合装置示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供便携式VO2检测设备，所述便携式VO2检测设备在不使用二氧化碳分析仪的情况下能够测量整体或者个体的氧气消耗(VO2)并且准确地输出相应的结果。
如图1所示，本发明中的便携式VO2检测设备包括用户接口1、氧合装置2、双向流量计3、微型混合室4、氧气传感器5、心率采集装置6、温度及气压传感器7、微处理器8、通信模块9、显示屏10。
其中，所述用户接口1连接至所述双向流量计3；所述用户接口1为呼吸面罩；用户戴上呼吸面罩，所述用户通过呼吸面罩呼出或者吸入的气体通过所述双向流量计3进行计量；所述双向流量计3可以对用户呼出或者吸入的气体进行流量的计量。
其中，所述微型混合室4连接至所述双向流量计3；所述微型混合室4可以用于测量最大摄氧量(VO2max)。在过去混合室技术复杂且昂贵，使得其只适用于训练专业运动员和研究部门；微型混合室技术的出现和应用使这种设备可行适用于拥有任何专业水平的健身房所有者和培训师。微型混合室方法采集微量人体呼出气体进行分析，微型混合室与道格拉斯气袋法相比，其最大的优点是可以在开放式呼吸模式下进行测量，使受试者彻底抛弃了笨重的呼吸管道和单向阀，受试者可以自由自在地呼吸，微型混合室法成为目前人体气体代谢测试主要方式。
其中，所述氧气(O2)传感器5连接至所述微型混合室4，所述氧气(O2)传感器5用于测量人体的整体摄氧量；所述氧气传感器5可以测量空气中的氧气浓度，并可以利用温度补偿在不同的环境中使用；所述氧气传感器具有较宽的测量范围。
其中，图2所示为所述便携式VO2检测设备中的氧合装置2；所述氧合装置2基于近红外光谱(near infrared spectroscopy，NIRS)技术；所述氧合装置2包括电极21、发射端LED 22，近侧传感器接收端23，远侧传感器接收端24，温度传感器25，USB接口26，近红外光谱(NIRS)传感器(图中未示出)。受到发射端LED 22温度和人体温度的影响，在静止状态下接收端的近红外光谱(NIRS)传感器所获得的电压会呈现下降趋势，需要根据温度传感器25获得的温补数据对所述近红外光谱(NIRS)传感器上获得的电压进行补偿。其中，所述USB接口26可以用于数据传输。
其中，所述近红外光谱(NIRS)传感器可以用于测量人体的局部摄氧量；所述近红外光谱(NIRS)传感器可以用于监测次最大和最大运动期间以及包括心血管疾病、败血症在内的病理生理条件下有氧血红蛋白饱和度以及血流的变化。在所述近红外光谱(NIRS)传感器工作期间，骨骼肌脱氧程度根据肌肉类型、运动类型和血流的变化而变化。
其中，所述心率采集装置6用于记录用户在运动过程中的心率变化；运动过程中的心率变化是获取最大摄氧量(VO2max)的重要参数之一；所述心率采集装置6包括戴在胸部正下方并与皮肤直接接触的心率监测带，所述心率监测带需要舒适地紧贴皮肤，即使剧烈运动也不会松脱滑落。
其中，所述温度及气压传感器7用于检测大气压力和温度；其中气压传感器元件的传感原理基于电容技术，可以在很宽的温度范围内保证气压测量的超高精度(±5cm)和相对精度(±0.6hPa)。所述温度及气压传感器内部的信号处理器将传感器元件的输出信号转换为24位的数字结果。每个传感器元件都经过单独校准，包含校准系数，在实际应用中使用所述校准系数将测量结果转换为真实气压值及真实温度值；所述温度及气压传感器7中的温度传感器元件可以用于氧气(O2)传感器的温度补偿，所述温度及气压传感器7中的气压传感器元件可以用于氧气(O2)传感器的气压补偿。
其中，所述微处理器8包括存储器、USB接口；所述氧气传感器5、所述氧合装置2、所述心率采集装置6、所述温度及气压传感器7、所述通信模块9、所述显示屏10连接至所述微处理器8；其中，所述氧气传感器5、所述氧合装置2、所述心率采集装置6、所述温度及气压传感器7将采集到的数据传输至所述微处理器8进行计算、分析处理；所述USB接口可以用于传输数据，包括上传、下载数据；所述存储器可以存储最长达90分钟的用户呼吸数据。
其中，用户的氧气消耗(VO2)值可以利用以下公式(1)及公式(2)在微处理器中进行计算获得：
VO2＝SV×HR×C(a-v)O2 (1)
其中，SV为每搏输出量，HR为心率，Hb为血红蛋白浓度，PO2为氧分压，C(a-v)O2为动脉-静脉氧气含量差(Arterial-venous oxygen content difference)，表示组织摄取氧气量的多寡，若该数值过大则反映出每搏输出量(SV)不敷所需；
其中，所述心率(HR)通过所述心率采集装置采集获取，并传输至所述微处理器；
其中，每搏输出量(Stroke Volume，简称SV)在训练和未训练的受试用户中逐渐增加直至最大摄氧量(VO2max)，并且每搏输出量(SV)与心率(HR)有关。根据特定人群在运动中心率(HR)与每搏输出量(SV)之间的关系建立模型，可以根据心率(HR)计算每搏输出量(SV)，根据公式(3)，其中该公式中的参数C针对不同性别进行调整：其中，可以设置为女性C＝0.096±0.018，男性C＝0.154±0.018。
SV＝C(1-e-0.0132(HR-27.45)) (3)
其中，氧分压(PO2)的数值由氧气传感器5采集获取并传输至所述微处理器8，且通过温度及气压传感器7连续测量的温度及大气压的数值来实现自动的气压及温度补偿，从而实现数值校准；所述气压及温度补偿处理在微处理器8中实现。
其中，根据有氧血红蛋白(HbO2)、脱氧血红蛋白(HHb)对近红外光谱的吸收特性，公式(2)中的有氧饱和度(SVO2)和血红蛋白浓度(Hb)由所述氧合装置2中的近红外光谱(NIRS)传感器测量得到，并传输至所述微处理器8。
其中，所述温度及气压传感器7连续测量的温度及大气压数据，并将采集到的温度及大气压数据传输至所述微处理器8。
利用微处理器8上运行的分析软件计算、分析所述便携式VO2检测设备所测量的呼吸数据。
在所述微处理器8中运行的软件具有以下功能：
可通过所述触摸式显示屏选择输入用户的个体信息，例如吸烟，酗酒和运动情况；记录和存储用户休息及运动状态下的肺功能状态、血压值、血脂值、心率值；
所述肺功能状态、血压数值、血脂数值、心率数值可来自运动监测设备，例如PolarWatch。
根据用户信息以及记录的数据，给出用户的健身分析报告，包括氧气消耗(VO2)实际值与预测值、心率和呼吸储备值、基于乳酸阈值的个性化训练心率、合理的体重范围和建议减重值。
根据用户信息以及记录的数据，给出用户的趋势分析；例如，在一个训练时间段内多次测量，然后绘制乳酸阈值图，氧气消耗(VO2)的峰值随着时间变化曲线以观察周围环境条件如何影响摄氧量。
所述软件可以在所述触摸式显示屏上交互式地显示温度、湿度和大气压变化以确定产生的精确的氧气浓度。
其中，所述通信模块9连接至所述微处理器8，所述通信模块9将数据、信息发送到外部设备，所述外部设备包括移动电话、计算机、PDA等；所述通信模块与外部设备之间采用蓝牙、WIFI等进行通信。
其中，所述显示屏10连接至所述微处理器8，所述显示屏10可以显示氧气消耗(VO2)的相关信息；所述显示屏10可以是触摸式显示屏，在显示氧气消耗相关信息的同时，允许用户进行触摸输入，从而提供更佳的人机交互体验。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明所提出的便携式VO2检测设备是一种便携式设备,其非常适合运动训练及辅导、科学研究和体育教育的应用场景。通过一个可用的交互式界面，在所述便携式VO2检测设备中存储的数据可才上传和下载到其他设备中，例如个人计算机中，以便用于用户进行分析、跟踪和编辑相应程序。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.便携式VO2检测设备，其特征在于，包括：
用户接口、双向流量计、微型混合室、氧气传感器、氧合装置、心率采集装置、温度及气压传感器、微处理器、通信模块、显示屏；其中，所述氧气传感器、所述氧合装置、所述心率采集装置、所述温度及气压传感器、所述通信模块、所述显示屏连接至所述微处理器；
所述用户接口连接至所述双向流量计；所述微型混合室连接至所述双向流量计；所述微型混合室用于测量最大摄氧量；所述氧气传感器连接至所述微型混合室，所述氧气传感器用于测量整体摄氧量；所述氧合装置中包括近红外光谱传感器，所述近红外光谱传感器测量局部摄氧量；所述心率采集装置采集用户在运动过程中的心率数值，并将采集到的用户心率数值传输至所述微处理器；所述温度及气压传感器用于采集大气压和温度，并将采集到的大气压和温度数值传输至所述微处理器；
所述微处理器接收所述氧气传感器、所述氧合装置、所述心率采集装置、所述温度及气压传感器采集到的数据并进行计算和分析处理，得到用户的氧气消耗值；所述通信模块连接至所述微处理器，所述通信模块将数据发送到外部设备；所述显示屏连接至所述微处理器，所述显示屏可以显示与用户的氧气消耗值相关的信息。
2.根据权利要求1所述的便携式VO2检测设备，其特征在于，
所述用户接口为呼吸面罩；用户戴上所述呼吸面罩后通过呼吸面罩呼出或者吸入气体；所述双向流量计可以对用户呼出或者吸入的气体进行流量的计量。
3.根据权利要求1所述的便携式VO2检测设备，其特征在于，
所述心率采集装置包括戴在用户胸部正下方并与皮肤直接接触的心率监测带，所述心率监测带紧贴用户皮肤佩戴。
4.根据权利要求1所述的便携式VO2检测设备，其特征在于，
所述微处理器包括存储器、USB接口；所述USB接口用于上传或者下载数据；所述存储器可以存储用户数据。
5.根据权利要求1所述的便携式VO2检测设备，其特征在于，
所述显示屏可以是触摸式显示屏，在显示氧气消耗相关信息的同时允许用户进行触摸输入。
6.根据权利要求1所述的便携式VO2检测设备，其特征在于，
所述外部设备包括移动电话、计算机、PDA中的一种或多种；所述通信模块与外部设备之间采用蓝牙或者WIFI进行通信。
7.根据权利要求1所述的便携式VO2检测设备，其特征在于，
所述微处理器接收所述氧气传感器、所述氧合装置、所述心率采集装置、所述温度及气压传感器采集到的数据并进行计算和分析处理，得到用户的氧气消耗值，具体包括，
氧分压数值由氧气传感器采集获取并传输至所述微处理器；有氧饱和度、血红蛋白浓度由所述氧合装置中的所述近红外光谱传感器获取并传输至所述微处理器；心率数值由所述心率采集装置采集获取并传输至所述微处理器；
所述微处理器根据以下算式(1)、算式(2)、算式(3)运算得到用户的氧气消耗值；
VO2＝SV×HR×C(a-v)O2 (1)
SV＝C(1-e-0.0132(HR-27.45)) (3)
其中，VO2为用户的氧气消耗值，SV为每搏输出量，HR为心率数值，Hb为血红蛋白浓度，PO2为氧分压数值，C(a-v)O2为动脉-静脉氧气含量差，SVO2为有氧饱和度，C为可调节参数。
8.根据权利要求1所述的便携式VO2检测设备，其特征在于，
可调节参数C针对不同用户的性别进行设置：其中，女性用户设置为C＝0.096±0.018；男性用户设置为C＝0.154±0.018。
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