一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法与流程

本发明涉及一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法，属于静息代谢率测试技术领域。

背景技术：

静息代谢率为人体静息状态下每日能量消耗，主要用于维持血液循环、电解质平衡、体温、心跳等基本生理活动，约占人体每日能量消耗总量的70％，是人体能量需求评估、营养膳食干预和能量代谢平衡构建的核心参数。受年龄、瘦体重、遗传等影响，静息代谢率具有较大的个体差异性，对处于临床应激状态病人，静息代谢率则会发生更显著的变化，利用经验公式无法准确估算静息代谢率。静息能量代谢测试可准确测定人体静息代谢率，是营养状况评估、个性化营养与运动干预等相关科学研究和成果推广应用的支撑工具。

高精度静息代谢率测试主要有直接测热法和间接测热法，其中间接测热法静息代谢率测试具有精度高、成本低等特点，技术发展迅速，但是该方法存在测试耗时过长的缺点，影响了其推广应用。目前现有技术为了获取静息代谢率，测试前需要测试者安静三十分钟左右，等待进入静息状态之后再采集三十分钟的静息状态能量代谢率数据，计算获得静息代谢率，整改过程耗时太长。本发明不需要等待进入静息状态再开始测试，可大幅度缩短测试时间。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法，解决当前测量方法耗时过长的问题，可用于人体静息代谢率测量，根据人体摄氧量动态响应模型，从临静息态数据中获取静息代谢率，省去静息代谢率测试前的等待时间，可大幅度缩短测量时间。

本发明一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：首先人体安静下来，用间接能量代谢测试仪获取实时临静息态摄氧量数据；

步骤2：利用获取的临静息态摄氧量数据在线辨识摄氧量动态响应模型中的参数；

步骤3：所述步骤2的参数获取成功后，可用摄氧量动态响应模型直接推算静息摄氧量；

步骤4：利用静息摄氧量计算获得静息代谢率。

所述步骤1中：临静息态摄氧量数据是指人体安静下来，但未达到静息状态前的实时摄氧量数据，所述静息摄氧量是指人体达到静息状态时的摄影量，人体需要安静三十分钟才能达到静息状态。

所述的摄氧量动态响应模型为人体安静下来后摄氧量下降过程数学模型，描述为单指数函数，具体如下：

vo2(t)＝vo2(off)-a1*[1-e^-(t-δ)/τ]

式中vo2(t)为安静下来后的实时摄氧量，vo2(off)安静下来停止运动后起始摄氧量，其中幅度a1、延迟时间δ、时间常数τ为模型参数。

所述摄氧量动态响应模型中的模型参数与个体心肺功能、初始状态有关，可通过部分临静息态摄氧量数据，用非线性最小二乘法拟合获取。

本发明相对于现有方法具有如下的优点和效果：

(1)本发明在现有间接能量测试技术上，充分利用之前被弃用的静息状态到达前的能量代谢率数据，利用数学模型，从临静息态能量代谢率数据变化趋势模型中预测静息代谢率，而不需要传统静息代谢率测量前近30分钟的等待时间(等待人体进入静息状态再开始采集数据)，能够大幅度缩短静息代谢率测量时间。

(2)传统的人体静息能量代谢率测试等待时间过长，开始数据采集时往往发生受试者入睡或烦躁的情况，影响静息代谢率的测量结果可靠性，本方法患者安静后立即开始能量代谢率数据采集，测试时间较短，获得数据过程测试者的状态平稳，因此测量静息代谢率的结果更加可靠。

附图说明

图1是本发明一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法示意图；

图2是本发明一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

本发明的具体实施方案如图1所示，图中：1、根据临静息态摄氧量数据拟合的曲线；2、人体安静后摄氧量随时间的变化数据；3、临静息态摄氧量拟合曲线符合的模型。

如图2所示，一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法，包括以下步骤：

首先人体安静下来(如坐下、躺下)，用间接能量代谢测试仪获取实时临静息态摄氧量数据。传统静息能量代谢率测试需要让被测者先躺下安静三十分钟，三十分钟后被测者进入静息状态，然后用间接能量代谢测试仪测试三十分钟的静息态实时能量代谢率数据，并从中提取静息代谢率。由于刚躺下的前三十分钟氧气消耗逐步下降，被测者没有达到静息状态，称这个状态为临静息态，传统静息代谢测试不采集这段时间的能量代谢率数据或采集数据但不使用，也正是这个等待过程造成整个测试耗时过长。本发明一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法在被测者刚刚躺下就开始运用间接能量代谢测试仪采集该临静息态的实时能量代谢率数据。

利用获取的临静息态摄氧量数据在线辨识摄氧量动态响应模型中的参数。临静息态本质上是被测者从日常活动状态到静息状态的过度过程，在这个过程中人体氧气消耗速率逐渐下降，摄氧量的这个变化过程为符合单指数模型，公式如下：

vo2(t)＝f(t,a1,δ,τ)＝vo2(off)-a1*[1-e^-(t-δ)/τ](1)

式中vo2(t)为安静下来后的实时摄氧量，vo2(off)安静下来停止活动后起始摄氧量，其中幅度a1、延迟时间δ、时间常数τ为模型参数，这些参数与个体心肺功能、初始状态有关，随着仪器采集临静息态能量代谢率数据的积累，例如十分钟的数据积累，就可通过非线性最小二乘法迭代求解获得a1、δ和τ三个参数的最优取值。

参数获取成功后，用摄氧量动态响应模型直接推算静息摄氧量。参数获取成功代入公式(1)，计算获得任意时刻的摄影量，取t>30分钟的任意某时刻摄影量作为静息态摄氧量。

利用静息摄氧量计算获得静息代谢率。人体静息能量代谢消耗能量主要是三大营养物质碳水化合物、脂肪与蛋白质氧化分解产生，因此知道静息态摄氧量就可以推算三大营养物质消耗的量，再根据公式(2)所示计算出静息能量代谢率ree。

ree(kcal/d)＝6.96×vo2(ml/min)(2)

式中vo2为静息态摄氧量，单位为ml/min。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于数学模型的静息代谢率快速测量方法，在传统的间接测热法能量代谢测试基础上，依据摄氧量动态变化数学模型，基于参数辨识算法利用安静后的临静息态摄氧量数据在线辨识模型中解动态模型中的参数，参数获取成功后利用模型直接推定静息摄氧量，进而计算静息代谢率。该方法可以从临静息状态直接获取静息代谢率，省去传统静息代谢率测试前近半个小时的等待时间，可大幅度提高静息代谢率测试速度。

技术研发人员：王远;孙怡宁;马祖长;何子军;陈焱焱;徐玉兵;许杨;杨先军;周旭
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2018.12.29
技术公布日：2019.03.08