小型化、可移動式傳感器監(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，重力可能會使人感覺負重，但是，重力也會增強人的體質。對于長期在太空中生活與工作的宇航員來說，失重環(huán)境可能會導致一系列危害健康的后果，例如骨質流失和肌肉萎縮等。其中，心血管功能失調也是失重環(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，即在給定時間內能量的消耗量，而分析新陳代謝速率的關鍵方法是分析一個人在呼吸作用中的氧氣消耗量和二氧化碳產生量。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。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)標準的新陳代謝儀器。這種儀器由計算機系統(tǒng)、顯示器和呼吸管安裝在1個推車上組成，體積龐大、非常笨重，不適合在太空中應用。

為了開發(fā)一種可用于國際空間站的輕質、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大學和克利夫蘭醫(yī)學中心進行了合作，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臺便攜式、可穿戴系統(tǒng)中。每臺PUMA包含1個帶有面罩的頭盔，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，流量傳感器位于右側，均通過光纖或電線與1個電子器件箱連接。其采用便攜式攝像機的電池供能，并集成入1個小型的可穿戴包里。計算機可對監(jiān)測到的數(shù)據進行一些基本的計算，然后將數(shù)據實時地無線傳輸?shù)?臺遠程計算機上進行新陳代謝數(shù)據的存儲與顯示。據介紹，PUMA與其它同類產品的不同之處在于其傳感器的高品質，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，意識到了其在運動訓練和病人監(jiān)控方面的應用前景。軌道研究公司與NASA進行商洽，以將這種技術商業(yè)化。但是，軌道研究公司率先計劃將PUMA拓展應用于軍事領域，因為該公司獲知海軍航空系統(tǒng)司令部（NAVAIR）正在尋求飛行中飛行員的健康評價方案。因此，軌道研究公司計劃開發(fā)一種增強型新陳代謝監(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。

需要對飛行員進行監(jiān)控的原因是，空軍飛行員在高空飛行時需要利用氧氣面罩進行呼吸，有時會面臨缺氧的風險。缺氧時，飛行員可能會出現(xiàn)頭痛、疲勞、氣短、惡心等多種癥狀，嚴重時甚至會暈倒。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)的嚴重情況發(fā)出預警信息。在拓展PUMA的地面應用和空中應用的過程中，軌道研究公司在2009年與NASA簽署了1項太空法案協(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，這對于飛行應用來說已經超重了。因為當飛行員以88.2m/s2的加速度拉升時，面罩上0.45kg的重量就會對脖子產生2kg的作用力。

通過與格倫研究中心的合作，軌道研究公司進一步改進了PUMA的設計，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設備供電，既節(jié)省了空間，又降低了能耗。

▲ F-22戰(zhàn)斗機飛行員佩戴著采用了改進的PUMA技術的氧氣面罩

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

新陳代謝監(jiān)控技術的改進時機恰到好處。2011年5月，美國空軍命令F-22戰(zhàn)斗機的飛行員隊伍全部停飛，因為飛機上的氧氣生成系統(tǒng)存在潛在的失靈風險。通過另外1項合同，軌道研究公司利用其平臺技術，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，收集到了大量有價值的數(shù)據，可將飛行員在執(zhí)行F-22飛行任務時的身體狀態(tài)與F-22戰(zhàn)斗機的生命支持系統(tǒng)的性能關聯(lián)起來。

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

軌道研究公司還在研究1項類似的技術，以服務于海軍潛水員。潛水員潛水時也需要使用水下呼吸器，以利用循環(huán)空氣產生再生氧氣，而不使氣泡浮上水面。在該項應用中，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)療護理是可能用到PUMA技術的另一個領域。因為這種傳感器比目前的其它類似技術更精確，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。這對于需要補充定量氧氣來實現(xiàn)健康恢復的病人來說非常重要，因為氧氣過多或過少都不利于恢復。采用該傳感器，醫(yī)護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在校準系統(tǒng)和優(yōu)化性能方面的支持，實現(xiàn)了較快的發(fā)展。 (楠 譯)