基于便携式传感器技术的新型代谢率测量模型的开发与验证

《Sensors and Actuators A: Physical》：Development and Validation of a Novel Metabolic Rate Measurement Model with Portable Sensor Technology

可穿戴代谢率传感器设计及性能验证，基于皮肤电阻与热损失测量系统创新，结合心率数据实现非侵入式连续监测，提升便携性与精度，通过多通道校准优化汗液蒸发与传导效率。

　　人类代谢率是衡量热舒适性以及构建热平衡模型的重要参数。它代表了人体通过氧气消耗产生能量的过程，因此在评估人体对环境温度的适应能力方面具有核心地位。根据美国采暖、制冷与空调工程师协会（ASHRAE）的标准，代谢率通常被视为默认值。这一参数不仅与人体的热调节密切相关，还与多种疾病的预防和监测紧密相连，例如糖尿病、心脏病和中风等。相反，某些疾病如甲状腺功能减退症则可能降低人体的代谢水平，因为甲状腺激素分泌不足会直接影响基础代谢率。因此，准确评估代谢率对于医疗健康和热舒适性研究都至关重要。

然而，目前在开发可用于可穿戴设备的基本代谢率模型方面仍面临诸多挑战。传统的代谢率测量方法虽然在一定程度上能够提供准确的数据，但往往存在设备体积庞大、成本高昂、操作复杂以及难以日常使用等问题。这些限制使得研究人员在将代谢率监测技术应用于实际场景时感到困难。例如，直接测热法要求被测者在密闭且隔热的实验舱内停留超过24小时，虽然这种方法在静息状态下具有最高的准确性，但显然不适用于日常监测。间接测热法则通过分析吸入氧气和呼出二氧化碳的流量，以及平衡氮气的含量，来计算代谢率。这种方法在运动状态下的应用更为广泛，但同样依赖于专门的仪器和设备，如Cosmed Quark CPET、K4b、K5和Medgem?等，这些设备虽然在临床测试中被广泛应用，但它们的体积和成本对于长期连续监测而言并不理想。

除了实验方法，建立和评估代谢率模型的理论基础同样重要。早期的研究主要集中在基础代谢率（BMR）模型的构建上，这些模型通常基于人体的基本生理参数，如体重、年龄和身高。例如，Harris–Benedict方程、Mifflin St Jeor方程和Katch–McArdle方程等被广泛用于估算静息状态下的代谢率。然而，这些模型仅适用于热中性环境中的基础代谢率估算，无法准确反映人体在运动状态下的代谢变化。随着研究的深入，学者们发现，运动状态下的代谢率可以通过多种生理参数进行预测，如基础代谢率、心率和最大工作能力等。这些参数能够更全面地反映人体在不同活动状态下的能量消耗情况。

近年来，随着可穿戴传感器技术的迅速发展，人们对便携式、连续监测的代谢率测量设备产生了浓厚的兴趣。这类设备的应用范围非常广泛，包括血压监测、关节运动识别、脉搏检测以及汗液和代谢物的分析等。这些传感器不仅有助于热舒适性的评估，还能在疾病早期筛查中发挥重要作用。例如，SenseWear等臂带式监测设备通过机器学习算法，结合心率、皮肤热流和活动类型等参数，实现了对代谢率的估算，但其误差率仍高达10%。这表明，尽管现有的可穿戴设备在一定程度上能够满足日常监测的需求，但在准确性和稳定性方面仍有较大的提升空间。

在这一背景下，我们提出了一种新的代谢率测量方法，该方法结合了多个易于测量的指标，并设计了一种新型的可穿戴传感器。这一创新主要体现在两个方面：首先，我们采用了基于方波的皮肤电阻测量技术，以防止离子极化现象对测量结果的影响，从而提高了皮肤电阻测量的稳定性；其次，我们设计了一种新的皮肤热损失测量系统，并对其进行了校准和优化，以减少传感器的整体体积和重量。这种新型传感器实现了非侵入式、便携式、微型化和连续测量，且在不同个体和多种环境条件下均表现出良好的重复性、可靠性和通用性。此外，该设备还与Cosmed Quark CPET进行了联合校准，进一步验证了其测量精度。

我们的研究不仅为可穿戴代谢率测量技术提供了新的思路，也为未来医疗健康和热舒适性研究奠定了坚实的基础。通过引入新的测量指标和优化传感器设计，我们希望能够克服传统方法在设备体积、成本和实用性方面的局限，使代谢率监测更加贴近实际应用。此外，这种新型传感器的开发也为个性化健康管理提供了可能，使人们能够在日常生活中实时了解自己的代谢状态，从而更好地调节身体活动和环境适应。

为了实现这一目标，我们对代谢率模型进行了深入研究，并基于Fick方程构建了一个理论模型。该模型考虑了心率、皮肤热损失、基于方波的皮肤电阻以及身体肌肉率等多个关键参数。这些参数的选择不仅基于其在代谢过程中的重要性，还考虑了其在实际测量中的可行性和准确性。例如，心率能够直接反映人体在不同活动状态下的能量消耗情况，而皮肤热损失则与人体的热调节机制密切相关。此外，皮肤电阻的变化也能够提供有关代谢状态的重要信息，因为氧气需求的变化会影响皮肤的介电特性，从而导致皮肤电阻的波动。身体肌肉率则能够反映个体在不同活动水平下的能量消耗能力，为代谢率的个性化评估提供了依据。

在传感器系统的设计和制造过程中，我们对各个模块进行了优化，以确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。传感器整体重量仅为99.52克，由五个主要部分组成：（a）基于方波的皮肤电阻测量系统；（b）微控制器单元（MCU）；（c）皮肤热损失测量系统；（d）心率芯片；（e）丙烯酸骨架支架。其中，皮肤电阻测量系统采用了方波激励技术，以减少离子极化现象对测量结果的影响，从而提高数据的准确性。同时，皮肤热损失测量系统经过精心设计和校准，以降低传感器的整体体积和重量，使其更易于佩戴和使用。

在测试过程中，我们对三种不同的皮肤热损失测量通道进行了校准，包括直线、蛇形和圆形通道。测试结果显示，随着单位面积上的出汗量增加，三种通道的热损失测量值均呈上升趋势。这一结果表明，我们的传感器系统能够有效捕捉皮肤热损失的变化，并且在不同测量通道之间表现出良好的一致性。此外，我们还对传感器的性能进行了全面评估，确保其在不同环境条件下均能够稳定工作。例如，在高温、低温和不同湿度条件下，传感器均能提供可靠的代谢率数据，这为其在实际场景中的应用提供了保障。

除了技术上的创新，我们还关注了传感器的用户友好性和实用性。由于可穿戴设备需要长期佩戴，因此其舒适性和耐用性是影响用户接受度的重要因素。我们通过优化传感器的结构设计和材料选择，使其更加轻便和舒适，同时确保其在长时间使用过程中不会出现性能下降或数据失真。此外，我们还对传感器的软件算法进行了改进，使其能够自动处理和分析数据，并提供直观的用户界面，方便用户随时查看和理解自身的代谢状态。

在实际应用中，这种新型代谢率传感器可以用于多种场景，包括医疗健康监测、运动训练指导和环境适应性研究等。在医疗健康领域，该传感器能够帮助医生和研究人员更准确地评估患者的代谢状态，从而为疾病的预防和治疗提供科学依据。在运动训练方面，该传感器可以实时监测运动员的代谢率变化，帮助他们优化训练计划和提高运动表现。在环境适应性研究中，该传感器能够提供关于人体在不同环境条件下热调节机制的重要数据，为改善建筑环境和户外装备设计提供参考。

尽管我们已经取得了一定的进展，但在实际应用中仍存在一些挑战和改进空间。例如，皮肤热损失和皮肤电阻的测量仍然需要进一步优化，以提高其在不同个体和环境条件下的准确性。此外，传感器的长期稳定性和数据处理能力也需要不断改进，以确保其在实际使用中的可靠性和有效性。我们相信，通过不断的技术创新和实验验证，这些挑战是可以克服的，并且能够推动代谢率测量技术向更加精准和实用的方向发展。

综上所述，我们提出的代谢率测量方法和可穿戴传感器为代谢率的非侵入式、便携式和连续监测提供了新的解决方案。这一研究不仅在理论上拓展了代谢率模型的应用范围，还在技术上实现了传感器的小型化和智能化。未来，我们计划进一步优化传感器的性能，并探索其在更广泛领域的应用潜力。通过持续的研究和改进，我们希望能够为医疗健康和热舒适性研究带来更多的创新和突破，使代谢率监测技术真正服务于人们的日常生活和健康管理。