小型化、可移動(dòng)式傳感器監(jiān)測人體新陳代謝健康

Miniaturized, Portable Sensors Monitor Metabolic Health

▲ PUMA采用了小型化的傳感器來測量人體的新陳代謝速率

在地球上，重力可能會(huì)使人感覺負(fù)重，但是，重力也會(huì)增強(qiáng)人的體質(zhì)。對于長期在太空中生活與工作的宇航員來說，失重環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致一系列危害健康的后果，例如骨質(zhì)流失和肌肉萎縮等。其中，心血管功能失調(diào)也是失重環(huán)境下易發(fā)生的常見的副作用之一。

測量心血管功能的一種方法是分析人的新陳代謝速率，即在給定時(shí)間內(nèi)能量的消耗量，而分析新陳代謝速率的關(guān)鍵方法是分析一個(gè)人在呼吸作用中的氧氣消耗量和二氧化碳產(chǎn)生量。除了遺傳因素外，人體消耗氧氣的能力與其健康水平息息相關(guān)。一顆健壯的心臟能泵出更多的含氧血，而健康的肌肉組織可以更有效地吸收血氧。

傳統(tǒng)的新陳代謝速率分析方法是采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的新陳代謝儀器。這種儀器由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、顯示器和呼吸管安裝在1個(gè)推車上組成，體積龐大、非常笨重，不適合在太空中應(yīng)用。

為了開發(fā)一種可用于國際空間站的輕質(zhì)、便攜的新陳代謝檢測儀器，2002年，美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心與凱斯西儲(chǔ)大學(xué)和克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心進(jìn)行了合作，并于2006年成功開發(fā)出了新陳代謝分析便攜單元（PUMA）。

PUMA具有傳統(tǒng)新陳代謝測量儀的大部分功能，但是可集成入1臺(tái)便攜式、可穿戴系統(tǒng)中。每臺(tái)PUMA包含1個(gè)帶有面罩的頭盔，面罩上連接著傳感器，可以測定氧氣和二氧化碳分壓、體積流率、心率、氣壓和溫度。氧氣和二氧化碳傳感器位于面罩的左側(cè)，流量傳感器位于右側(cè)，均通過光纖或電線與1個(gè)電子器件箱連接。其采用便攜式攝像機(jī)的電池供能，并集成入1個(gè)小型的可穿戴包里。計(jì)算機(jī)可對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些基本的計(jì)算，然后將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地?zé)o線傳輸?shù)?臺(tái)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上進(jìn)行新陳代謝數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示。據(jù)介紹，PUMA與其它同類產(chǎn)品的不同之處在于其傳感器的高品質(zhì)，其不僅能夠測量人體的新陳代謝速率，還能非常靈敏地監(jiān)控人體的特定健康情況。

位于美國克利夫蘭的軌道研究公司曾與NASA合作開發(fā)出一種使用干電極的心電圖測量儀。后來，軌道研究公司了解到了PUMA的信息，意識(shí)到了其在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和病人監(jiān)控方面的應(yīng)用前景。軌道研究公司與NASA進(jìn)行商洽，以將這種技術(shù)商業(yè)化。但是，軌道研究公司率先計(jì)劃將PUMA拓展應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，因?yàn)樵摴精@知海軍航空系統(tǒng)司令部（NAVAIR）正在尋求飛行中飛行員的健康評(píng)價(jià)方案。因此，軌道研究公司計(jì)劃開發(fā)一種增強(qiáng)型新陳代謝監(jiān)控系統(tǒng)，用于檢測NAVAIR飛行員呼出的氧氣和二氧化碳水平。

需要對飛行員進(jìn)行監(jiān)控的原因是，空軍飛行員在高空飛行時(shí)需要利用氧氣面罩進(jìn)行呼吸，有時(shí)會(huì)面臨缺氧的風(fēng)險(xiǎn)。缺氧時(shí)，飛行員可能會(huì)出現(xiàn)頭痛、疲勞、氣短、惡心等多種癥狀，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)灥?。而通過監(jiān)測飛行員呼吸的氧氣和二氧化碳水平就可以確定飛行員是否缺氧，并對可能出現(xiàn)的嚴(yán)重情況發(fā)出預(yù)警信息。在拓展PUMA的地面應(yīng)用和空中應(yīng)用的過程中，軌道研究公司在2009年與NASA簽署了1項(xiàng)太空法案協(xié)議。

為了讓空軍飛行員能穿戴上這種新陳代謝監(jiān)控系統(tǒng)，所有的部件必須盡量小而且輕，也就是說，必須研發(fā)更便攜的電子器件箱，也必須研發(fā)更輕的傳感器以改裝飛行員的氧氣面罩。原PUMA的傳感器和電子器件箱重約0.45kg，這對于飛行應(yīng)用來說已經(jīng)超重了。因?yàn)楫?dāng)飛行員以88.2m/s2的加速度拉升時(shí)，面罩上0.45kg的重量就會(huì)對脖子產(chǎn)生2kg的作用力。

通過與格倫研究中心的合作，軌道研究公司進(jìn)一步改進(jìn)了PUMA的設(shè)計(jì)，包括：在保證性能的前提下，采用了更小的電子組件來為二氧化碳傳感器上的LED設(shè)備供電，既節(jié)省了空間，又降低了能耗。

▲ F-22戰(zhàn)斗機(jī)飛行員佩戴著采用了改進(jìn)的PUMA技術(shù)的氧氣面罩

與NAVAIR的合作完成之后，軌道研究公司開發(fā)出了改進(jìn)的新陳代謝監(jiān)控系統(tǒng)，稱為“飛行員生理評(píng)價(jià)系統(tǒng)”（PPAS）。改進(jìn)的傳感器重量不足0.028kg，電子器件箱小到可以裝進(jìn)救生衣的口袋中。

新陳代謝監(jiān)控技術(shù)的改進(jìn)時(shí)機(jī)恰到好處。2011年5月，美國空軍命令F-22戰(zhàn)斗機(jī)的飛行員隊(duì)伍全部停飛，因?yàn)轱w機(jī)上的氧氣生成系統(tǒng)存在潛在的失靈風(fēng)險(xiǎn)。通過另外1項(xiàng)合同，軌道研究公司利用其平臺(tái)技術(shù)，開發(fā)了一系列傳感器，其中就包括飛行員面罩上的二氧化碳傳感器。F-22戰(zhàn)斗機(jī)上的飛行員佩戴帶有二氧化碳傳感器的面罩之后，收集到了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)，可將飛行員在執(zhí)行F-22飛行任務(wù)時(shí)的身體狀態(tài)與F-22戰(zhàn)斗機(jī)的生命支持系統(tǒng)的性能關(guān)聯(lián)起來。

軌道研究公司長期致力于拓展PUMA的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，該公司正在為美國海軍開發(fā)一種軟件，可根據(jù)收集的傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測飛行員可能會(huì)缺氧的狀況，督促飛行員盡早采取措施，避免發(fā)生嚴(yán)重事故。

軌道研究公司還在研究1項(xiàng)類似的技術(shù)，以服務(wù)于海軍潛水員。潛水員潛水時(shí)也需要使用水下呼吸器，以利用循環(huán)空氣產(chǎn)生再生氧氣，而不使氣泡浮上水面。在該項(xiàng)應(yīng)用中，傳感器硬件可以保證氧氣再生系統(tǒng)有效地凈化空氣，在潛水過程中為潛水員提供適量的氧氣。

醫(yī)療護(hù)理是可能用到PUMA技術(shù)的另一個(gè)領(lǐng)域。因?yàn)檫@種傳感器比目前的其它類似技術(shù)更精確，即使在氧氣濃度比較高的情況下，其也能夠監(jiān)測出氧氣量的微小變化。這對于需要補(bǔ)充定量氧氣來實(shí)現(xiàn)健康恢復(fù)的病人來說非常重要，因?yàn)檠鯕膺^多或過少都不利于恢復(fù)。采用該傳感器，醫(yī)護(hù)人員可以精確地確定病人所需要的氧氣量，而不是主觀推測。

軌道研究公司通過與NASA開展的合作，獲得了NASA在校準(zhǔn)系統(tǒng)和優(yōu)化性能方面的支持，實(shí)現(xiàn)了較快的發(fā)展。 (楠 譯)