自给式可穿戴代谢分析仪

技术领域

本公开涉及一种用于基于间接测热法测定代谢率和呼吸商的可穿戴独立式全集成代谢分析仪。

背景技术

测量代谢率的意义

静息代谢率占人体总消耗能量的80％，在判断人体能量平衡方面起着非常重要的作用。静息代谢率被广泛应用于减肥、营养、健身及慢性病管理。虽然哈里斯-本尼迪克特方程(Harris-Benedict equation)和米夫林-圣约尔方程(Mifflin-St.Jeor equation)等已用于根据用户体重、身高、性别和年龄计算静息代谢率，但此等方程式是基于平均人口数进行估计，而不是针对个体进行准确测量，其误差率大于50％。为了获得更好的健康结果并更有效地控制体重，需要一种可准确可靠测量个体代谢率的装置。除代谢率外，呼吸商(RQ)是另一个有助于评估身体氧化脂肪酸和/或碳水化合物的灵活性的参数。该参数在糖尿病、甲状腺功能减退和代谢综合征等不同的慢性疾病中会发生变化。RQ指示能量来源，其无法通过方程式估算，但可基于间接测热法通过测量确定(如下文中所述)。

间接测热法是测量代谢率的金标准

有两种公认的测量个体代谢率的方法：直接测热法和间接测热法。前者要求受试者在受控环境下待在密闭室内24小时，同时监测其产生的热量，通过产生的热量确定其代谢率。该方法可准确测量代谢率，但由于实用性原因而不再使用。后者通过分析呼气中的耗氧率和二氧化碳产生率测量代谢率。间接测热法还可通过二氧化碳产量和耗氧量之间的比值来测定个体的呼吸商。将测得的参数与堰流方程式(Weir Equation)一起使用即可计算出代谢率。该方法被广泛应用于代谢率的无创和准确测量，是临床环境中测量耗能量的金标准。

当前基于间接测热法的代谢分析仪

为了通过间接测热法测量代谢率和呼吸商，传感器被用于测量呼气中的氧气和二氧化碳浓度以及呼气流速。一些被广泛使用的代谢分析仪示例包括代谢车，如麦加菲(MGCDiagnostics)公司的Ultima CCM

此外，还开发出了其他的便携式间接热量仪，通过使用连接至能够测量耗氧率和二氧化碳产生率的装置的面罩来评估运动过程中的能量消耗和乳酸阈值。这些装置通过固定仪器的带子附接到人体上，仪器连接至面罩入口和出口，以抽取一部分吸入或呼出气体。这一系统的示例包括Cosmed的K4b和K5可穿戴设备、CareFusion的Oxycon Mobile便携式运动心肺功能仪和Vacumed公司的Turbo Trainer系统。

对自给式可穿戴代谢分析仪的需求

上面所描述的代谢车和便携式代谢分析仪解决了测量代谢率的某些需求，但却价格昂贵、复杂且难以在用户家中或资源匮乏的环境中使用。需要一种简单、方便、对用户友好且具有成本效益的代谢率测量装置。本公开通过提供一种突破技术的新产品设计，利用测量代谢率和呼吸商的创新型可穿戴技术来满足了这一需求。

利用面罩作为测量生理参数的平台

在传统意义上，面罩用于运动员训练、病患护理和环境保护。最近，已开始尝试将不同的传感器引入面罩，用以监测生理参数。例如，专利号为4,875,477的美国专利中描述了一种用于监测生命机能的具有内置式传感器的面罩。这些传感器包括安装在面罩内部用于检测穿戴者生命机能的温度传感器和心率监测器。2007年4月17日授予Burton的美国专利US7204250B1中描述的面罩包括其他传感器，例如血氧传感器、位置传感器、泄漏传感器、心电图(ECG)传感器和温度传感器，用于睡眠和呼吸障碍的治疗以及麻醉监测。该面罩连接至外部气体传输系统，以基于来自传感器的数据调整气体传输设置。在另一个示例中，专利号为7,575,005B2的美国专利描述了一种具有集成传感器的面罩组件，用于利用外部气源的持续正压(CPAP)治疗阻塞性睡眠呼吸暂停。

其他示例包括2005年5月31日授予Mault等人的专利号为US6899683B2的美国专利，该专利公开了一种呼吸分析仪，其适于利用面罩或通过James Mault等人发明的接口管和鼻夹附接至人的脸部。上面所描述的所有面罩都有一个共同的局限性，即必须连接外部设备才能运行。因此，这些设备并非自给式独立设备，不能作为脸部上的自给式可穿戴分析仪运行。

在大部分公开的教导中，用于评估运动过程中能量消耗的便携式间接热量议(如Cosmed、Vacumed和CareFusion的仪器)都缺失了另一个重要元素，即解决卫生问题的实用性设计。热量仪的面罩及连接器(通常为涡轮传感器)在使用后必须经由特殊程序并以清洁溶液消毒，然后下一位用户才可使用。这使热量仪的使用不具实用性，且削弱了其可用性。

虽然一些公开的教导中已经考虑到了部分卫生问题(例如，专利号为6899683B2的美国专利)，但是这些设备依赖于使用具有卫生隔垫的一次性面罩衬垫，其中的隔垫附接至检测单元，吸入和呼出空气二者均通过其中。尽管如此，例如在6899683B2专利中，一次性过滤器显然旨在提供一次性使用。此外，所公开的过滤器不能确保阻止病毒传播。病毒大小通常在约0.004到0.1微米之间，并可透过衬垫通过呼吸传播，如3M公司制造的

最近，为了达到可穿戴性，已引入了品牌名称为VO

长期以来，兼顾卫生性与可穿戴性和可用性一直是一个难题。此外，微型间接热量仪要实现完全可穿戴并同时评估代谢率和呼吸商，则需要同时分析呼气中的氧气和二氧化碳及其温度、湿度和体积流量才能准确测定代谢率和呼吸商。

发明内容

本发明内容旨在以简化形式介绍精选概念，这些概念将在下面的具体实施方式中做进一步描述。本发明内容并非旨在用于标识出所要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

本发明公开了一种自给式可穿戴代谢分析装置，包括：装置主体，其包括用于同时测量氧和二氧化碳的集成比色传感器芯片和用于测量流量的集成流量传感器模块。一次性面罩附接至装置主体，且适于使用户通过无菌呼吸从环境空气中吸入空气并呼出到流量传感器模块中，从呼出气中摄取一小部分导入集成化学传感器模块。头带适于将装置主体附接至用户的头部。数据传输设备适于与外部电子设备通信。

附图说明

虽然在所附权利要求书中具体阐述了本发明某些实施例的新颖特征，但是根据下面结合附图所做的详细描述，将可更好地理解和认识本发明的组织和内容，以及本发明的其他目的和特征，其中：

图1是自给式可穿戴代谢分析仪的方框图；

图2是自给式可穿戴代谢分析仪示例的示图；

图3是比色传感模块示例的侧视图(a)、俯视图(b)和模拟流量分布图；

图4是一次性面罩的正视图(a)和侧视图(b)；

图5是自给式可穿戴代谢分析仪的头带示例的结构示图；

图6是自给式可穿戴代谢分析仪的组装装置主体的正视图；

图7是具有一次性面罩和头带的组装装置主体示例的俯视图；

图8是传感器芯片和QR码的示例的示意图；

图9是自给式可穿戴代谢分析仪示例的示图；

图10是使用自给式可穿戴代谢分析仪测量静息能量消耗(REE)和RQ的示例的示图；

图11是自给式可穿戴代谢分析仪用于监测环境温度的热敏电阻器的温度读数示例的示图；

图12是自给式可穿戴代谢分析仪用于监测呼气温度的热敏电阻器的温度读数示例的示图；

图13是自给式可穿戴代谢分析仪用于监测环境湿度的湿度传感器的湿度读数示例的示图；

图14是自给式可穿戴代谢分析仪用于监测环境气压的气压计的气压读数示例的示图；

图15是以不同呼气曲线示出自给式可穿戴代谢分析仪和参考方法测得的呼气流量的相关性示例的示图；

图16是包含在自给式可穿戴代谢分析仪中的比色化学传感器和参考方法测得的氧气及二氧化碳吸入浓度的相关性示例的示图；

图17是自给式可穿戴代谢分析仪和参考方法测得的耗氧率(VO

图18是自给式可穿戴代谢分析仪和参考方法测得的REE和RQ的相关性示例的示图；和

图19是自给式可穿戴代谢分析仪测得的丙酮读数示例的示图，除氧气和二氧化碳传感器外，该分析仪还包括化学传感器。

具体实施方式

自给式可穿戴代谢分析仪概述

前面的描述和附图是本发明的示例性实施例，并且可以在不脱离下面所附权利要求限定的本发明的概念、精神和范围的情况下进行任何变更和修改。

本发明的部分发明人的在先专利及申请、发布于2013年6月13日的专利US2013/0150746A1(已获准)以及Tsow等人发布于2018年9月18日的美国专利10,078,074中通过公开一种便携式代谢分析仪系统和单一集成比色传感器芯片来解决上述难题，其中，每个都由二氧化碳和氧气传感元件组成。US2013/0150746 A1(已获准)和美国专利10,078,074通过引入并入本文中。本公开从技术和用户界面两个方面提供了几个重要变化。

在化学传感技术方面，在本公开的新设计中引入了集成和模块化的化学传感单元，使其能够从部分呼气而不是全部呼气暴露中检测出氧气和二氧化碳。这种改进使得比色传感模块易于配置，并将传感器的使用寿命从2分钟延长到了10分钟以上。新设计采用了基于文丘里管的流量传感技术，可在不牺牲精度的情况下显着降低背压。使用了更多的环境传感器(如气压计、湿度传感器和陀螺仪)来补偿可能影响测量本身的环境因素，并适应用户舒适度，这是确保真实测量静息代谢率所必需的。在用户界面方面，不同于仅允许从嘴里收集呼气的手持式设备，面戴式设计推动从用户口鼻的自然呼吸中收集，这对于准确测量REE至关重要。

现参照图1，方框图中示出了自给、可穿戴、集成和独立的代谢分析仪的示例。自给式可穿戴代谢分析仪1的本实施例中的多个组件包括装置主体100、一次性面罩101、头带102和电话/平板电脑/计算机103。优选地，装置主体100是由机械部件、电子电路和传感器组成的集成单元，其提供呼气流量测量以及呼气中氧气和二氧化碳浓度检测的功能。一次性面罩101是由机械零件制成的呼气收集单元，其通过气密密封覆盖用户口鼻，并将所有呼气导入装置主体100中，以对呼气进行化学分析并测量温度、湿度和流量。头带102是一组带有钩环扣件的织物带，可在测量过程中将组装好的装置主体100和一次性面罩101保持在用户头部周围。电话/平板电脑/计算机103装有应用程序121，其与装置主体100连接，以进行数据通信和数据管理，其中的应用程序121由以下模块组成：

1)账户模块122：允许用户创建、管理和删除账户并编辑用户配置文件；

2)测量模块123：其功能包括：在装置主体与手机/平板电脑/计算机之间传输数据，引导用户进行测量，以及指示测量进度和附件，如二维码扫描；

3)报告模块124：显示最终测试结果，包括REE、RQ、VO

4)历史记录模块125：存储、管理和显示测试结果的历史记录；

5)打印模块126：与外部打印机无线通信，以打印测试报告；

6)数据共享模块127：允许通过电子邮件、短信、社交媒体或其他健康平台与医生、专业人士、家庭成员及朋友等其他人员共享测试结果。

在一些实施例中，装置主体100和一次性面罩101集成或合并为一个单元。该合并基本上不会影响自给式可穿戴代谢分析仪的代谢率测量和呼气分析功能。但应执行消毒和清洁程序来清洁面罩和流道，以避免发生任何卫生问题。为了确保面罩与用户脸部之间紧密密封，避免代谢率测量期间漏气，可采用以下设计特征：1)在装置主体及其面罩上运用人体工学设计，使其符合用户面部的轮廓特征；2)沿面罩边缘采用柔性材料，例如硅橡胶，以便在戴上面罩时提供气密密封；3)提供不同尺寸的面罩，以供用户选择；4)确保吸气和呼气通道的开口足够大，以减少呼吸阻力。

装置主体100是与机械零件、电子电路和传感器完全集成的测量单元，用于检测呼气流量及其氧气和二氧化碳。在一个示例中，多个模块和组件集成在一起，包括流量模块104、比色传感模块105、微控制器106、电源模块107、显示模块108，热敏电阻器109、湿度传感器110、气压计111、多个LED指示灯112、蜂鸣器113、陀螺仪114、开关115、复位插件116、外部端口117、存储器118、时钟芯片119和传输装置120，例如，

流量模块104在测量期间监测用户的流量曲线。实时呼气流量由流量模块104监测，经数据处理后，根据该实时呼气流量确定呼吸频率、潮气量和分钟通气量(VE)。VE是测量静息能量消耗(REE)的关键参数。在传统的道格拉斯气袋法中，用户需要将气体呼入气袋中，以测定VE。气袋装满时，测定用户呼气量和呼满气袋的时长，根据呼气量和时长计算VE并将VE换算成STP(标准温度和压力)条件下的值。道格拉斯气袋法笨重、缓慢且不易操作。大多数用于代谢率测量的商用仪器都使用流量传感器来监测实时流量，并求出时间对呼气流量的积分，以计算总体积并确定VE。

需要快速、连续且准确监测呼气流量，以精确、可靠地测量VE。至少有三种公认的测量呼气流量的方法。第一种方法采用了涡轮流量计。在涡轮流量计中，气体(例如，呼气)流过涡轮转子并推动转子旋转，其中，旋转速度与气体流量成正比。通过光、电气或电磁读数监测转子转速，以确定气体流量。该方法可在高呼气流量下以相对较小的背压覆盖较大的流量范围，但由于转子的惯性，精度和响应时间受到了削弱。在呼气长时间暴露后，涡轮流量计也会受到污染，从而造成精度和卫生问题。

另一种测量呼气流量的方法采用了超声波流量计。超声波流量计利用多普勒效应通过检测流动气体中传播的超声波的频移来测量气体流量。超声波流量计可靠且需要的维护少，但其价格昂贵并且容易发生温度变化。

另一种方法采用了压差呼吸流速计法(differential pressure Pneumotachapproach)。在该方法中，气体通过固定节流孔或筛网形成压差。该压差与气体体积流量相关联。通过使用压力传感器测量压差，可确定呼气流量。该呼气流量测量方法简单、响应速度快且兼具成本效益。此外，由于在测量过程中无气体通过压力传感器，因此几乎不会存在呼气冷凝和污染问题，否则会影响传感器的稳定性和准确性。该方法已广泛用于呼吸用途，例如肺活量计、代谢车及其他临床用途。由于基于MEMS的压力传感器的尺寸非常小，因此，如果精心设计节流孔，则可以使整个流量测量模块小型化，从而测量呼气流量。因此，呼吸流速计法是进行呼气分析的首选方法。然而，关键是需要找到一种可实现流量测量模块的最佳方法，使其适用于本发明公开的自给式可穿戴代谢分析仪。

现参照图2，微型文丘里管200与电容式压力传感器201结合用于测量呼气流量。文丘里管广泛应用于流体流量测量，例如，水表、汽油计量表和气体流量计。通过沿流动路径(通道)形成横截面积可变的狭窄收缩段205来建立压差，以提高流量测量的准确性。压差与流速之间的关系由伯努利方程式给出：

ΔP＝1/2(ρV

式中，ΔP是压差，ρ是呼气密度，而V是节流孔处的流速。可通过节流孔处的流速和狭窄收缩段205的横截面积来确定体积流量。

此外，通过在狭窄收缩段205后设计锥形结构，可显著降低给定流量下的背压。背压最小化对帮助用户维持代谢率测量所需的自然和放松的呼吸条件非常重要。换句话说，背压大会改变用户的静息状态，导致代谢率测量不准确。然而，在通过增加文丘里管200狭窄收缩段205的直径来最小化背压的同时，必须考虑压力传感器的检测上限。如果直径太大，则气流产生的压差太小，压力传感器无法进行准确测量。根据本发明人在此进行的系统数值模拟和实验，对于大多数用户而言，静息代谢率的测量直径优选在约3-25mm的范围内。为了适应不同用途，例如，测量个体在体育锻炼过程中的代谢率或测试婴儿和儿童的静息代谢率，可使用具有不同直径狭窄伸缩段205的文丘里管作为可替换组件。例如，通过设计各种尺寸的文丘里管，例如小型、中型和大型文丘里管，以覆盖较宽的流量范围。在其他实施例中，文丘里管200也可由其他替代性机械设计代替，以沿气流产生压差，如筛网和节流孔。

压力传感器201的一个开口连接至文丘里管200中的流路203的上游，而压力传感器201的另一开口连接至文丘里管200中的流路204的下游。一次性面罩101连接至上游203，使得可在气体流经文丘里管200时测量呼气的流量。通过文丘里管后，呼气直接排到环境空气中。在文丘里管200的上游有另一个开口202。该开口202设计成将全部呼气中的一小部分引入比色传感模块105，用以分析用户呼气中的氧气和二氧化碳浓度。

为了将测得的呼气流量换算成STP流量以进行VE和REE的计算，将热敏电阻器109安装在文丘里管200狭窄收缩段处的小孔中，以监测呼气温度。热敏电阻器109还用于在开始代谢测量之前监测环境温度。

比色传感模块105监测呼气中的氧气及二氧化碳浓度。氧气及二氧化碳浓度与VE一起用于根据以下公式计算VO

VO

VCO

式中，0.2093是吸入氧气的分数，FO

根据VO

REE(千卡/日)＝1.44×[3.9×VO

式中，REE表示静息状态下24小时的能量消耗，单位为千卡/日；耗氧率VO

呼吸商(RQ)定义为VCO

RQ＝VCO

RQ是一个表示能量消耗来源(脂肪或碳水化合物)的指标，其生理范围为在0.67-1.3之间。根据能量来源，RQ值为：

脂肪：0.70

碳水化合物：1.00

对于长期酮症用户，RQ等于或小于0.70。另一方面，对于肥胖用户，RQ大于1.00。

氧气和二氧化碳的传感器与检测：

对于准确测定REE和RQ而言，氧气和二氧化碳传感器与流量传感器一样重要。至少有三种氧气传感器被广泛用于呼吸含氧量的检测：电化学、顺磁和荧光猝灭氧气传感器。最常见的是基于燃料原电池的电化学氧气传感器，其通过监测铅电极的氧化电流来测量氧气浓度。电化学氧气传感器是一项成熟的技术且已在代谢车广泛使用。虽然很受欢迎，但电化学氧气传感器容易发生温度变化且使用寿命有限(通常为6个月到1年)。顺磁式氧气传感器是基于氧气顺磁性原理的传感器，其精度高、使用寿命长、响应快，但容易出现湿度变化。顺磁式氧气传感器也容易出现机械振动，并且其体积大、价格昂贵，不适用于便携式或自给式可穿戴代谢分析仪。荧光猝灭氧气传感器基于氧气可猝灭金属有机染料发出的荧光的原理。虽然荧光猝灭氧气传感器灵敏且快速，但氧气的猝灭效果对温度高度敏感。此外，对于在自给式可穿戴代谢分析仪中使用，荧光猝灭氧气传感器还存在成本高且使用寿命有限的附加缺点。

对于呼气二氧化碳的检测，使用最广泛的传感技术是非分散红外(NDIR)二氧化碳传感器。该传感器通过测量特定波长红外光的吸收率来检测二氧化碳浓度。由于4.26pm波长处的二氧化碳吸收较强，因此通常用该波长来检测二氧化碳浓度。使用NDIR二氧化碳传感器的一个问题是水蒸气会引起光谱干扰。因此，必须调节或去除呼气中的湿度，以便使用此种二氧化碳传感器实现准确和可重复的呼气二氧化碳检测。

氧气和二氧化碳传感器基于不同的信号转导原理，因此是两个独立的单元，难以将其集成到可穿戴设备的单一单元中。更具体地说，使用已公开教导中所描述的氧气和二氧化碳传感器将面临以下难题：1)氧气和二氧化碳传感器的尺寸大；2)氧气和二氧化碳的重量较重；3)输出信号完全不同，增加了信号调节、放大电路及处理软件的负担；以及4)将呼气样本均匀输送到两个独立的传感器所需的流量设计较复杂。

如上所述，本发明部分发明人的在先专利及申请、公开专利US2013/0150746 A1(已获准)以及美国专利10,078,074中通过公开一种单片集成比色传感器芯片来解决上述难题，其中，每个芯片都由二氧化碳和氧气传感元件组成。与传统的化学传感器相比，该传感器芯片可通过感探针阵列检测多种分析物(例如，二氧化碳和氧气)，每个探针均针对一种化学分析物。由于两个传感元件均基于比色法，因此信号读取简单，仅需要一个光源(LED)和一个光电探测器阵列。尽管取得了成功，但传感器芯片直接暴露于充足的呼气中，并与热敏电阻器、流量计和光电检测单元(包括LED和光电探测器阵列)一起沿呼气路径流集成。该种设计容易受到水冷凝、温度变化和呼气气流湍流的影响。所有这些都将有损二氧化碳和氧气分析的准确性，必须使用精密硬件对其进行校正，如用于将传感器附连至传感腔室内以缓冲呼气气流湍流的特殊机构，以及每次测量后使用机械风扇吹干冷凝水等。这种附加硬件导致设计复杂、体积笨重、环境噪声(风扇运行时)以及能源消耗。另一方面，本发明公开的模块化方法使其设计变得极易组装和校准，并且极易找出问题并修复或更换组件。

在使用基于现有技术的设备进行了数千次测试之后，发明人针对上述问题开发了具有创新解决方案的新设计并对其进行了测试。在一个示例中，本公开的特征在于比色传感模块105(图3)，该比色传感模块105是自给式可穿戴代谢分析仪的组成部分，但其用作传感单元，用以同时对呼气中的二氧化碳和氧气进行分析。附加的传感元件可包含在传感器芯片上，用以检测其他化学分析物。检测模块使用常见的消费电子组件，如LED和光电二极管，而传感器芯片则由可通过打印和塑料成型法制成的常见化学品和塑料制成。传感器模块由一个微型检测器腔室组成，传感器芯片插入其中。检测器腔室具有入口和出口，用于在不使用机械泵或风扇的情况下，经由200上游处的开口202引导来自文丘里管组件200的一小部分呼气。

现参照图3A和图3B，图中示出了比色传感模块105侧视图和俯视图的示意图示例。比色传感模块具有多个组件，包括LED阵列304和电路305、顶部支撑件306、光电二极管310和电路309、底部支撑件308、腔室盖301以及传感器芯片307。LED阵列304为传感器芯片307提供均匀照明。在一个实施例中，四个传感区域每个一个LED，包括二氧化碳传感区域311、氧气传感区域312、二氧化碳参照区域313和氧气参照区域314，共计4个LED。由于在传感区域氧气和二氧化碳反应引起的颜色变化对红光更为敏感，因此，在本实施例中，使用了照明波长为630nm的LED，并且因此对两种气体的测量均在单吸收波长下进行。LED电路305组装在顶部支撑件306上(图3a)。入口303是直径约为～1mm的呼气(气体)通道，从顶部支撑件306的一侧开始，直至顶部支撑件306的中心附近为止，向下旋转90°以引导呼气均匀地流过传感器芯片307的全部四个传感区域。在顶部件306的四个角有四个出口302，使呼气排出而不引起大量的水冷凝。

比色传感模块105设计成使得：1)在顶部支撑件306的底表面与传感器芯片307的顶表面之间形成1-3mm的间隙；以及2)一个呼气入口位于顶部支撑件306的中心，四个出口对称地位于四个角的位置。如图3C中的模拟流量分布所示，该几何形状使得比色传感模块105内的呼气样本充分混合和流量对称分布，并且使得化学分析物与传感探针在传感器芯片307的每个传感区域中都发生有效反应。另外，该模块设计避免了湍流，湍流可加速传感器反应并阻止传感器的使用寿命更长(例如，10分钟)。

光电检测器组件包括光电二极管电路309和光电二极管阵列310。在本实施例中，使用至少四个光电二极管，每个传感区域一个。四个LED 304、传感区域和光电二极管310在比色传感模块105中对齐。光电二极管电路309安装在底部件308上，该底部件308具有传感器芯片“锁定”和“弹出”机构，使用L形支架315和弹簧316实现，如图3B所示。

传感器芯片307是由惰性聚合物制成的模塑塑料基板，并且包覆有氧气和二氧化碳传感探针。传感器芯片307上有四个传感区域：二氧化碳传感区域311、氧气传感区域312、二氧化碳参照区域313和氧气参照区域314。二氧化碳传感区域311和氧气传感区域312均匀包覆有一定量数量的二氧化碳和氧气传感探针，分别与呼气中的二氧化碳和氧气发生特异性反应。二氧化碳参照区域313和氧气参照区域314用于校正测量期间因光强度变化和非化学反应导致的光信号漂移。腔室盖301是由橡胶塑料制成的盖子。一旦将传感器芯片307插入比色传感模块105，则使用腔室盖301对比色传感模块105进行气密密封。腔室盖301应该是不透明的，能够阻挡环境光，避免对比色检测产生任何光学干扰。

混合室技术是一种广泛应用的代谢率测量方法，呼气通过无重复呼吸(单向)阀进入混合室均匀混合，以避免分析物浓度出现短期波动。然而，混合室的体积通常较大(4-6L)，不适于可穿戴设备。本公开直接在一次性面罩101上引入了吸气和呼气单向阀，以确保不会重复呼吸呼气。其还仅使用了传送到比色传感模块105的全部呼气中的一小部分(少于1％)，其中，将呼气样本混合后，与传感探针反应，以进行二氧化碳和氧气分析。这样是可行的，因为本发明公开的结构可确保传送到比色传感模块105的呼气量与通过文丘里管呼出的呼气量成正比。为了在比色传感模块105中实现气体有效混合，已实施模拟以评估不同几何形状和尺寸下的化学反应的流量分布、压力、湍流、流体动力学和物质传输。

现参照图6A和6B，图中示出了优化设计示例的示图，其性能已通过图6C中的模拟结果以及图16中所示的氧气和二氧化碳浓度的测量精度两者进行了验证。发明了一种校准机构，以直接关联流量模块104测得的流量和比色传感模块105中检测到的流量。该校准机构利用了传感区域显色依赖于分析物浓度和物质传输的规律。

代谢分析仪的设计、零件、组件及可穿戴性：

现参照图4A和图4B，图中示出了一次性面罩101的正视图和侧视图的示例的示意图。一次性面罩具有至少五个主要部件，包括沿边缘具有软垫层402的面罩主体401、呼气单向阀403、吸气单向阀404和连接转接器405。面罩主体401是具有凹陷形状的塑模件，其适于人脸轮廓。软垫层402由软质材料制成，以在测量期间为面部提供舒适且气密的密封。呼气阀403是位于面罩主体401中间的无重复呼吸(单向)阀，其允许呼气自由地从一次性面罩101流出，到达文丘里管202。为了使呼气流阻力最小化，呼气单向阀403的直径应在20-40mm的范围内。对于吸气，使用吸气单向阀404，以使用户将新鲜环境空气吸入面罩。可提供多个吸气单向阀404，以最小化吸气流阻力。连接转接器405是一次性面罩101的一部分，用以在一次性面罩101与装置主体100组装在一起时向文丘里管202提供气密连接。对于脸型及脸型大小不同的用户，优选不同尺寸的一次性面罩，如小型、中型、大型面罩。一次性面罩101可从装置主体100上拆下消毒。一次性面罩101的无重复呼吸特征，避免了不同用户之间发生交叉污染。

现参照图5，图中示出了用于将一次性面罩101与装置主体100紧固连接的头带102的示例的示意图。头带包括用于包裹用户头部的织物带503。为了使装置主体定位平衡且稳定，在一个实施例中，使用了双织物带，并与装置主体形成了四个接触点。在一个实施例中，使用了钩(501)和环(502)扣件，以便为用户提供简单容易且可调整的佩戴方式。

现参照图6，图中示出了装置主体100的一个实施例的前视图示例的示意图。装置主体100为弧形，与人脸形状匹配。装置主体100包括左、中及右部。机械和电气组件根据其功能以及装置内的重量平衡而分布在不同的部分。例如，所有组件都通过紧固元件(如螺钉等)固定在装置的后面板602上。

左部组装有印刷电路板组件(PCBA)601。微控制单元(MCU)106控制其他电子组件并处理来自不同传感器的信号。在一个示例中，传输模块120，例如，

1)湿度传感器110，用于监测环境湿度。如果环境湿度高于允许的工作湿度。在一示例中，显示警示消息以提醒用户遵守操作条件。

2)气压计111，监测环境气压。如果环境气压超出允许的工作气压范围，则使用来自气压计的数据警示用户。气压读数还用于将呼气体积流量换算成标准温度和压力(STP)条件下的体积流量。

3)蜂鸣器113，测量期间执行某些动作，例如打开/关闭装置时，或完成测量时，向用户提供声音反馈。

4)陀螺仪，安装用以在测量期间检测装置主体的方位。该信息用于校正压力传感器的方位诱导基线变化。陀螺仪可用加速度计或其他传感器代替，以确定装置的方位。

5)重置器116，允许用户在需要故障保护功能时将装置重置为默认状态。

6)存储器118，用于存储固件代码和测试数据。

7)时钟芯片119，用于创建测量时间戳。为了使时钟芯片能够长时间连续运行(例如，5-10年)，即使在装置主体关闭的情况下，也专门设有大功率容量的钱币型电池来驱动时钟芯片。

8)LED指示器112，向用户提供关于装置状态的视觉反馈，例如电池电量、充电状态和测量状态。

中部组装有显示模块108、文丘里管200和热敏电阻器109。在本实施例中，显示模块108是有机电激光显示器(OLED)，可显示文本、数字和图形。在其他实施例中，可使用其他显示器，如液晶显示器(LCD)、段式显示器和触摸屏显示器。显示器可在测量期间中向用户显示不同的信息，包括但不限于1)自给式可穿戴代谢分析仪的状态(准备、测量中和完成)；2)电池电量；3)充电状态；4)

右部组装有电源模块107和比色传感模块105。电源模块107由电池和充电电路组成。比色传感模块105的开口与壳体上的插槽对齐，用于推入和弹出传感器芯片307。比色传感模块105的呼气入口与文丘里管200上的开口202连接。

现参照图7，图中示意性地示出了具有一次性面罩101和头带102的组装好的装置主体100的一个实施例的俯视图示例。头带102附接至在装置主体100的两侧上的头带连接器701，并且一次性面罩101通过面罩连接器702组装至装置主体100。装置主体100的前面板703和后面板602组装在一起以形成封闭壳体。前面板703设计成具有用于显示器108、LED指示器112、开关115、复位器116和外部端口117的相应窗口及开口。产品的徽标、型号名称和符号也可丝网印刷到前面板703上。为了控制装置主体100的重量，前面板703和后面板602由塑料材料制成。

现参照图8A，图中示出了传感器芯片307的一个实施例的示意图的示例。传感区域上刻有微特征元件，是在传感区域上均匀分散传感探针溶液以避免“咖啡环”效应的关键。如图8b所示，将每个传感器芯片的信息编码成QR码，由电话/平板电脑/计算机103读取并经

现参照图9，图中示意性地示出了组装有一次性面罩101和头带102的可穿戴、集成、自给式装置主体100的一个实施例的示例。

现参照图10，图中示意性地示出了在用户头部上使用完全组装好的自给式可穿戴代谢分析仪测量代谢率的示例。装置主体100的结构紧凑，一次性面罩101覆盖用户口鼻，头带102包裹用户头部并将整个自给式可穿戴代谢分析仪紧实而稳定地固定于面部上。

自给式可穿戴代谢分析仪的传感器性能：

现参照图11，图中示出了装置主体100用于监测环境温度的热敏电阻器109的温度读数示例。

现参照图13，图中示出了装置主体100用于监测环境湿度的湿度传感器110的湿度读数示例。

现参照图14，图中示出了装置主体100用于监测环境大气压的气压计111的气压读数示例。

现参照图15，图中以不同呼气曲线示出了装置主体100流量模块104与参考流量计(Sensirion)测得呼气流量之间的相关性的示例。

现参照图16，图中示出了装置主体100上的比色传感模块105与参考方法测得的呼气中氧气和二氧化碳浓度的相关性的示例。

现参照图17，图中示出了由装置主体100与参考方法测得的VO

现参照图18，图中示出了由装置主体100与参考方法测得的REE和RQ的相关性的示例。REE根据等式(4)计算得出，RQ根据等式(5)计算得出。

上面显示的结果充分证明了自给式可穿戴代谢分析仪的传感器性能(图11-图15)，以及与参考方法相比，O

传感器芯片和文丘里管流量计的稳定性：

就氧气和二氧化碳的检测而言，本公开的传感器芯片在室温下存放一年以上，以及在低温下存放两年以上都是高度稳定的。稳定性高主要有三个原因：1)传感器芯片封装于干燥及惰性环境中；2)制造后通过温度依赖性(temperature-dependent)工艺固化传感器芯片；以及3)生产后进行逐批校准，并利用QR码携带每个单独传感器芯片的校准系数。

关于文丘里管流量计的稳定性，流量校准已经证明其可保持稳定2年，并且可在无需重新校准的情况下进行数千次连续测量。这一性能可避免仪器维护问题，而目前已有的代谢设备、仪器及推车均需每年至少校准一次(如果每次使用前未进行校准)。

其他分析物的检测：

现参照图19，图中示出了自给式可穿戴代谢仪测得的丙酮读数示例，除氧气和二氧化碳传感器外，该分析仪还包括化学传感器。如前所述，丙酮是脂肪氧化指标，与呼吸商指标有关。该参数在检测到脂肪氧化率高于人体典型基准水平(通常在200ppb-1ppm之间)时，为判断人体脂肪氧化是否保持在显著水平提供了更多信息。

一方面，本公开描述了一种独立(全集成)的自给式可穿戴代谢分析仪，包括：小型且轻量的传感器，其用于同时分析多种代谢物(例如，氧气、二氧化碳和丙酮)；检测呼气的流量、温度和湿度；以及定向用于测量代谢率、呼吸商及其他代谢相关生理参数的装置。

在另一方面，本公开的特征在于采用了几种创新型化学传感及工程解决方案，克服了已知装置中存在的困难，并利用小型、轻量集成式可穿戴分析仪解决了同时检测多个代谢参数的需求，从而消除了附加仪器负荷，并解决了个人卫生问题和易用性问题。传统的代谢分析仪通常将电化学或荧光传感器用于氧气(O

在一个示例中，本发明公开的装置是一个面罩形状的独立、可穿戴、功能齐全且集成的代谢分析仪，其用于测量静息能量消耗(REE)、呼吸商(RQ)、耗氧率(VO

虽然通过测得的二氧化碳、氧气和流量获得的代谢率、呼吸商及其他生理参数是本公开中重点关注的主要参数，但自给式可穿戴代谢分析仪可配置并扩展用于其他医疗保健用途，包括：1)检测呼气中的生物标志物，例如丙酮(CH

本说明书中相当详细地描述了本发明的某些示例性实施例，以便符合专利法规并向本领域技术人员提供应用本发明新颖原理所需的信息，以及构造和使用所需示例性组件和专用组件所需的信息。然而，应当理解，本发明可通过不同的设备和装置来实施，并且可在不脱离本发明的真正精神和范围的情况下，对设备细节和操作程序进行各种修改。