Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
MOŽNOSTI ODHADU ENERGETICKÉHO VÝDEJE V RÁMCI INTELIGENTNÍCH DOMŮ Tomáš Veselý1), Lukáš Kučera2), Martin Vítězník2), Pavel Smrčka1), Vít Janovský1), Karel Hána1), Jan Mužík1), Jan Kašpar1) 1)
2)
Fakulta biomedicínského inženýrství, ČVUT v Praze, Kladno Laboratoř osobních zdravotnických systémů, UCEEB, ČVUT v Praze, Buštěhrad
ANOTACE Článek se zabývá možností sledovat energetický výdej jedince v rámci inteligentních budov. Jsou prezentovány různé metody a postupy pro určení energetického výdeje včetně vlastního HW a SW řešení s příslušným algoritmem.
SUMMARY The article deals with possibility of monitoring individual energy expenditure in smart homes. They presented different methods and procedures for determining energy expenditure, including custom hardware and software solutions with an appropriate algorithm.
ÚVOD Energetický výdej jedince (EE z angl. Energy expenditure) je velmi důležitý indikátor, který najde uplatnění v mnoha odvětvích, jako například výcvik sportovců, vojáků, hasičů či řešení současných populačních nemocí, jako je obezita [1] ale i domácí fitness a wellness. Existuje několik konvenčních metod, dle kterých lze poměrně přesně určit energetický výdej jedince (přímá kalorimetrie, nepřímá kalorimetrie, metoda dvojitě značené vody). Tyto metody jsou však díky svým nárokům a ceně zcela nepoužitelné v běžném, každodenním životě. Přesto by však bylo v některých případech více než vhodné každodenně sledovat energetický výdej některých jedinců. S rozvojem nositelné elektroniky a bezdrátových monitorovacích systémů se nabízí možnost nenáročného a levného odhadu energetického výdeje. Pro tento odhad jsou využívány veličiny jako například tepová frekvence, pohybová aktivita, teplota těla a okolí, nadmořská výška či GPS poloha. Mnohé studie posledních let ukazují, že takto lze opravdu odhadovat energetický výdej bez značného zatížení pro měřenou osobu. Podobné systémy jsou stále zdokonalovány, čímž se odhad EE více blíží skutečné hodnotě.
TEORIE Energetický výdej jedince lze rozdělit do čtyř základních složek: Bazální metabolismus je energie nutná k pokrytí základních životních funkcí za definovaných podmínek, kdy je osoba v klidu. Nejedná se však o nejnižší možný energetický výdej. U mužů se pohybuje okolo 7000 kJ/den, u žen je asi o 10 % nižší. Termický efekt potravy je energetický výdej vynaložený na příjem, trávení, vstřebání, transport a přeměnu živin 3-5 hodin po příjmu potravy. Třetí součástí je energie vynaložená na termoregulaci. Nejčastěji se pohybuje mezi 5-15 % z celkového energetického výdeje. Nároky na termoregulaci jsou nejnižší v tzv. termoneutrální zóně, tedy 20 °C pro osobu oblečenou a 27 °C pro osobu svlečenou. Při snižování i zvyšování okolní teploty nároky na termoregulaci rostou. Poslední složkou 319
energetického výdeje je práce. Jedná se o energii potřebnou k činnosti kosterního svalstva, srdce, dýchacího a nervového systému. Jedná se o nejvíce variabilní složku EE, může tvořit jeho pouhé zlomky, ale také ho může i desetinásobně zvýšit při vrcholových sportovních výkonech [2]. Energetický výdej lze měřit několika konvenčními způsoby. Tyto metody jsou velmi často využívány jako metody referenční. Přímá kalorimetrie využívá principu kalorimetru tvořeného celou místností. Předpokládá, že energie uvolněná organizmem je rovna vytvořenému teplu a vykonané práci. Nevýhody jsou jasné, měření je nutné provádět uvnitř kalorimetrické místnosti a vykonanou práci je nutno měřit například pomocí bicyklového ergometru. Je tedy zřejmé, že tuto metodu nelze aplikovat při běžné činnosti. Nepřímá kalorimetrie využívá lineárnosti mezi spotřebou kyslíku a energií uvolněnou z živin, jelikož je více než 95 % energie získáváno aerobním zpracováním potravy. Při této metodě se počítá s průměrnou hodnotou energetického ekvivalentu kyslíku 20,1 kJ/l O2. Nevýhodu této metody je nutnost použití obličejové masky včetně analyzátoru plynů a příslušné elektroniky. Využití této metody při běžných lidských činnostech je sice teoreticky možné, ale prakticky jen stěží představitelné. Metoda dvojitě značené vody je založena na produkci CO2 na základě eliminace vodíku a kyslíku. Po podání dvojitě značené vody 2H218O se měří rychlost eliminace obou izotopů v moči, krvi a slinách. Metoda dává průměrný výsledek za dobu 1-2 týdnů a je poměrně finančně náročná. Přesto je metoda dosti přesná, zcela neinvazivní a nijak neomezuje měřeného probanda. Základním způsobem odhadu energetického výdeje pomocí nositelné elektroniky je metoda založená na měření tepové frekvence [3]. Metoda je založena na lineárnosti mezi spotřebou kyslíku a tepovou frekvencí při středních a vyšších zátěžích [4]. Ze spotřeby kyslíku a znalosti jeho energetického ekvivalentu lze pak odhadnout EE podobně jako u nepřímé kalorimetrie. Tepovou frekvenci lze snadno měřit sport testerem, nebo v rámci úzce vymezeného prostoru (židle, postel) UWB radarem. Měření tepové frekvence UWB radarem v rámci celé místnosti či domu bude pravděpodobně možné v blízké budoucnosti, nicméně v současné době tato metoda zatím není připravena ke komerčnímu užití. Nepřesnost výše popsané metody při nízkých zátěžích lze úspěšně eliminovat použitím senzorů pohybu [4]. Ze znalosti hmotnosti těla či jeho části a pohybu lze odhadnout energii vynaloženou k práci. Při jedno-senzorovém měření se nejčastěji využívá akcelerometru umístěného na hrudníku, jako místě nejblíže těžiště. Toto umístění má zároveň výhodu v možnosti integrace akcelerometrického a tepového senzoru do jednoho hrudního pásu. Pro odhad EE a jeho zpřesnění lze použít i další sensory [1]. Senzor tlaku zaznamenávající nadmořskou výšku může být použit pro odhad energie potřebné ke konání práce vůči zemské gravitaci. Systém GPS může být použit k výpočtu práce nutné pro přesun jedince (za předpokladu znalosti způsobu přesunu, pěšky, na kole, autem, …). Teplotní čidla měřící okolní a tělesnou teplotu mohou být využita k výpočtu energie potřebné pro termoregulaci. Najdou se i další podobné senzory, které mohou být použity pro výpočet EE, nicméně vždy jen jako doplňkové k tepové frekvenci či pohybové aktivitě. Samostatně mají tyto senzory nízkou až žádnou výpovědní hodnotu.
320
METODY Jednou z pokročilých metod měření EE pomocí nositelné elektroniky je využití vlastního systému FlexiGuard. Systém sestává ze tří hlavních funkčních bloků. Na začátku řetězce je bezdrátový WBAN sensor. V současnosti máme k dispozici senzory následujících biosignálů:
tepová frekvence včetně HRV analýzy
pohybová aktivita ve 3 osách
teplota
rektální teplota
vlhkost
dechová frekvence
myopotenciály
atmosférický tlak
Tyto senzory odesílají naměřená data do centrální jednotky skrze bezdrátové rozhraní krátkého dosahu. Data jsou v centrální jednotce dále zpracovávána, ukládána na vestavěnou paměťovou kartu a odesílána na vizualizační jednotku pomocí sítě středního dosahu pracující na frekvenci 2,4 GHz nebo 868 MHz, kde jsou následně zobrazena v grafické a číselné podobě. Jedna z možností softwaru na vizualizační jednotce je právě sledování EE spočteného z dat poskytnutých jednotlivými senzory. Vizualizační jednotka může být tvořena libovolným zařízením s operačním systémem Windows, Mac OS, Linux či Android. V rámci využití v inteligentním domě se naskýtá možnost použít vizualizační jednotku zároveň jako kanál pro odesílání měřených dat skrze internet na dohledové centrum v reálném čase.
Obr. 1 Monitorovací Sada systému FlexiGuard
321
Vlastní algoritmus pro výpočet EE využívá tzv. kaskádního modelu, který je schopen v závislosti na znalosti jednotlivých vstupních parametrů odhadovat EE převážně z tepové frekvence a pohybové aktivity [1]. Tento model lze adaptovat na jednotlivé případy, dle toho, jaké vstupní parametry známe.
Obr. 2 Schéma kaskádního modelu na určení energetického výdeje
ZÁVĚR Měření energetického výdeje je velmi aktuální a má v medicíně široké využití. Možnost měřit či odhadovat EE při běžných lidských činnostech, například při denním pobytu v inteligentním domě je velmi žádaná. Klasické metody pro měření jako přímá a nepřímá kalorimetrie a metoda dvojitě značené vody jsou sice poměrně přesné avšak v praxi téměř nevyužitelné. Oproti tomu metody založené na využití nositelné elektroniky, jako je například systém FlexiGuard s vlastním kaskádním algoritmem, jsou cestou, jak poměrně nenáročně a levně odhadovat EE s dostačující přesností.
LITERATURA [1]
[2] [3]
VESELÝ, Tomáš. Optimalizace metod odhadu energetického výdeje za pomoci bezdrátových senzorových sítí. Praha, 2014. Odborná studie. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta Biomedicínského inženýrství. Vedoucí práce Doc. Ing. Jaroslav Průcha, CSc., Ph.D. HOLEČEK, Milan. Regulace metabolizmu cukrů, tuků, bílkovin a aminokyselin. 1. vyd. Praha: Grada, 2006, 286 s. ISBN 80-247-1562-7.. SCHRACK, Jennifer A., Vadim ZIPUNNIKOV, Jeff GOLDSMITH, Karen BANDEEN-ROCHE, Ciprian M. CRAINICEANU, Luigi FERRUCCI a Martin Gerbert FRASCH. Estimating Energy
322
[4]
Expenditure from Heart Rate in Older Adults: A Case for Calibration. PLoS ONE. 2014-430, vol. 9, issue 4, e93520-. DOI: 10.1371/journal.pone.0093520. Dostupné z: http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0093520. BEDNÁŘ, Adam. Implementace, kalibrace a experimentální ověření algoritmů pro odhad fyzického výdeje energie a zátěže při výcviku členů IZS. Kladno, 2013. Bakalářská práce. ČVUT, FBMI. Vedoucí práce Ing. Pavel Smrčka, Ph.D..
PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
323
VaVpI
