小型化、可移动式传感器监测人体新陈代谢健康

　　测量心血管功能的一种方法是分析人的新陈代谢速率，即在给定时间内能量的消耗量，而分析新陈代谢速率的关键方法是分析一个人在呼吸作用中的氧气消耗量和二氧化碳产生量。除了遗传因素外，人体消耗氧气的能力与其健康水平息息相关。一颗健壮的心脏能泵出更多的含氧血，而健康的肌肉组织可以更有效地吸收血氧。

　　传统的新陈代谢速率分析方法是采用工业标准的新陈代谢仪器。这种仪器由计算机系统、显示器和呼吸管安装在1个推车上组成，体积庞大、非常笨重，不适合在太空中应用。

　　为了开发一种可用于国际空间站的轻质、便携的新陈代谢检测仪器，2002年，美国国家航空航天局（NASA）格伦研究中心与凯斯西储大学和克利夫兰医学中心进行了合作，并于2006年成功开发出了新陈代谢分析便携单元（PUMA）。

　　PUMA具有传统新陈代谢测量仪的大部分功能，但是可集成入1台便携式、可穿戴系统中。每台PUMA包含1个带有面罩的头盔，面罩上连接着传感器，可以测定氧气和二氧化碳分压、体积流率、心率、气压和温度。氧气和二氧化碳传感器位于面罩的左侧，流量传感器位于右侧，均通过光纤或电线与1个电子器件箱连接。其采用便携式摄像机的电池供能，并集成入1个小型的可穿戴包里。计算机可对监测到的数据进行一些基本的计算，然后将数据实时地无线传输到1台远程计算机上进行新陈代谢数据的存储与显示。据介绍，PUMA与其它同类产品的不同之处在于其传感器的高品质，其不仅能够测量人体的新陈代谢速率，还能非常灵敏地监控人体的特定健康情况。

　　位于美国克利夫兰的轨道研究公司曾与NASA合作开发出一种使用干电极的心电图测量仪。后来，轨道研究公司了解到了PUMA的信息，意识到了其在运动训练和病人监控方面的应用前景。轨道研究公司与NASA进行商洽，以将这种技术商业化。但是，轨道研究公司率先计划将PUMA拓展应用于军事领域，因为该公司获知海军航空系统司令部（NAVAIR）正在寻求飞行中飞行员的健康评价方案。因此，轨道研究公司计划开发一种增强型新陈代谢监控系统，用于检测NAVAIR飞行员呼出的氧气和二氧化碳水平。

    需要对飞行员进行监控的原因是，空军飞行员在高空飞行时需要利用氧气面罩进行呼吸，有时会面临缺氧的风险。缺氧时，飞行员可能会出现头痛、疲劳、气短、恶心等多种症状，严重时甚至会晕倒。而通过监测飞行员呼吸的氧气和二氧化碳水平就可以确定飞行员是否缺氧，并对可能出现的严重情况发出预信息。在拓展PUMA的地面应用和空中应用的过程中，轨道研究公司在2009年与NASA签署了1项太空法案协议。

　　为了让空军飞行员能穿戴上这种新陈代谢监控系统，所有的部件必须尽量小而且轻，也就是说，必须研发更便携的电子器件箱，也必须研发更轻的传感器以改装飞行员的氧气面罩。原PUMA的传感器和电子器件箱重约0.45kg，这对于飞行应用来说已经超重了。因为当飞行员以的加速度拉升时，面罩上0.45kg的重量就会对脖子产生2kg的作用力。

　　通过与格伦研究中心的合作，轨道研究公司进一步改进了PUMA的设计，包括：在保证性能的前提下，采用了更小的电子组件来为二氧化碳传感器上的LED设备供电，既节省了空间，又降低了能耗。

　　与NAVAIR的合作完成之后，轨道研究公司开发出了改进的新陈代谢监控系统，称为“飞行员生理评价系统”（PPAS）。改进的传感器重量不足0.028kg，电子器件箱小到可以装进救生衣的口袋中。新陈代谢监控技术的改进时机恰到好处。2011年5月，美国空军命令F-22战斗机的飞行员队伍全部停飞，因为飞机上的氧气生成系统存在潜在的失灵风险。通过另外1项合同，轨道研究公司利用其平台技术，开发了一系列传感器，其中就包括飞行员面罩上的二氧化碳传感器。F-22战斗机上的飞行员佩戴带有二氧化碳传感器的面罩之后，收集到了大量有价值的数据，可将飞行员在执行F-22飞行任务时的身体状态与F-22战斗机的生命支持系统的性能关联起来。

　　轨道研究公司长期致力于拓展PUMA的应用领域。目前，该公司正在为美国海军开发一种软件，可根据收集的传感器数据预测飞行员可能会缺氧的状况，督促飞行员尽早采取措施，避免发生严重事故。轨道研究公司还在研究1项类似的技术，以服务于海军潜水员。潜水员潜水时也需要使用水下呼吸器，以利用循环空气产生再生氧气，而不使气泡浮上水面。在该项应用中，传感器硬件可以保证氧气再生系统有效地净化空气，在潜水过程中为潜水员提供适量的氧气。

　　医疗护理是可能用到PUMA技术的另一个领域。因为这种传感器比目前的其它类似技术更精确，即使在氧气浓度比较高的情况下，其也能够监测出氧气量的微小变化。这对于需要补充定量氧气来实现健康恢复的病人来说非常重要，因为氧气过多或过少都不利于恢复。采用该传感器，医护人员可以精确地确定病人所需要的氧气量，而不是主观推测。

　　轨道研究公司通过与NASA开展的合作，获得了NASA在校准系统和优化性能方面的支持，实现了较快的发展。