介紹一種可實時檢測脫水情況的無線柔性傳感器系統(tǒng)

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背景介紹

傳感技術(shù)的創(chuàng)新有助于創(chuàng)造舒適、方便、健康的生活方式，智能的自我保健鼓勵人們采取積極主動的方法進行早期疾病預(yù)防。這種個人實時監(jiān)測健康狀況的趨勢，最終可能導(dǎo)致疾病的自我診斷。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，一種多模式、可穿戴的傳感器系統(tǒng)是必不可少的技術(shù)。附著在皮膚上的可穿戴傳感器能夠?qū)崟r檢測生物信息，例如皮膚溫度、心功能（心電圖）、呼吸、汗液和汗液中的化學(xué)物質(zhì)。與傳統(tǒng)的個人使用的醫(yī)療設(shè)備不同，連續(xù)的實時生物信息可以跟蹤生物參數(shù)的節(jié)律。汗液中的化學(xué)物質(zhì)包含大量關(guān)于電解質(zhì)、代謝產(chǎn)物、pH、尿酸和氨基酸等的信息，作為生物標(biāo)志物提供了有價值的見解。汗液是一種有吸引力的生物液體，因為與血液不同，它可以非侵入性獲取，用于連續(xù)、實時監(jiān)測。

出汗可能是由高溫、經(jīng)表皮失水或心理壓力引起的。熱出汗涉及汗腺開始分泌之前的一段時間滯后，而精神出汗發(fā)生得很快。與熱排汗和精神排汗不同，表皮水分損失是看不見的，它發(fā)生在皮膚表面，而不是汗腺。高環(huán)境溫度或體育鍛煉引起的熱排汗有助于通過蒸發(fā)冷卻恢復(fù)身體核心溫度。然而，過度出汗會導(dǎo)致水分和電解質(zhì)流失，從而導(dǎo)致脫水、心臟和神經(jīng)系統(tǒng)異常。雖然補充因出汗而損失的水分和電解質(zhì)的重要性已被廣泛理解，但在快速出汗期間，仍很難長時間連續(xù)監(jiān)測汗液成分。

為了監(jiān)測汗液中的出汗率和電解質(zhì)，已經(jīng)報道了柔性膜上的流體通道結(jié)構(gòu)。這些設(shè)備可以連續(xù)分析汗液的量、總離子量和汗液中的離子濃度，但一旦流體通道充滿，就不可能進行進一步的測量。另一種報道的方法是實時測量液滴流量。原則上，這種方法允許長期測量出汗率，而不必用汗水填充通道。然而，由于設(shè)備暴露在大氣中，蒸發(fā)是不可避免的，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。此外，液滴形成所需的汗液收集網(wǎng)絡(luò)需要大面積。另一種方法是排出通道中的汗液，但這需要手動操作。另一種方法使用棉纖維的毛細(xì)管作用來去除傳感器中的舊汗液并提供新汗液。然而，由于棉纖維被聚氨酯覆蓋，一旦棉纖維充滿汗液，就無法進行進一步的測量。重要的是，大多數(shù)報告都集中在出汗率或汗液中的電解質(zhì)上。由于難以同時應(yīng)對所有挑戰(zhàn)，尚未實現(xiàn)同時自主、高精度和長期連續(xù)測量出汗率和電解質(zhì)含量。

本文亮點

1. 本工作介紹了一種無線、可穿戴、集成的微流體傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以長時間實時連續(xù)測量這些參數(shù)。對所提出的傳感器進行了系統(tǒng)的表征，并使用機器學(xué)習(xí)來預(yù)測設(shè)備傾斜角度以校準(zhǔn)傳感器輸出信號。

2. 使用傳感器設(shè)計在流體通道中形成水滴，可連續(xù)監(jiān)測高容量出汗率超過7000 s（總出汗量>170 μL）。

3. 通過對10名受試者進行測試，通過測量從實時、連續(xù)的汗液阻抗和速率中提取的汗液節(jié)律變化來確認(rèn)對攝入運動飲料的生理反應(yīng)。

圖文解析

圖1 無線集成離子和排汗率傳感器系統(tǒng)。a） 帶有集成離子傳感器和出汗率傳感器的柔性汗液傳感器片的示意圖。b）汗液傳感器的照片和流體通道區(qū)域的放大圖像，以及c）無線集成傳感器的整個系統(tǒng)。d） 測量過程中智能手機應(yīng)用程序的顯示。

圖2. 離子阻抗傳感器。a） 離子傳感器的橫截面示意圖。b） 離子傳感器的俯視圖。c） 離子傳感器阻抗測量值在0和90×10?3 M NaCl之間的循環(huán)測試。d） 在從（c）中提取的不同Na?濃度的多個循環(huán)期間阻抗變化的趨勢。e） 測量過程中使用/不使用運動飲料進行實時汗液阻抗監(jiān)測。f） 運動飲料攝入后，有汗液阻抗變化（陽性）的志愿者和沒有（陰性）的志愿者。

圖3 出汗率傳感器。a） 出汗率感應(yīng)機制示意圖。b） 傳感器的照片。照片c）中沒有液滴，照片d）中有液滴。e） 流量為0.6 μL/min時的連續(xù)電阻監(jiān)測。插入是一個液滴過程中的電阻變化。f） 頂部通道之間的間隔長度為3 mm和6 mm。g） 每個腔室形狀和形成的液滴的照片。h） 每個腔室不同形狀的編譯間隔。i） 使用不同形狀的濾紙作為流速函數(shù)的間隔。j） 作為傾斜角度函數(shù)的間隔。k） 在1.4 μL/min下進行長期測量，并通過方程式計算流速。l） 使用商用出汗率傳感器和本研究的傳感器實時測量出汗率。

圖4 使用邏輯回歸進行傾斜角預(yù)測。a） 預(yù)測傾斜角度的算法示意圖。b） 加速度傳感器輸出作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的傾斜角度的函數(shù)。c） 加速度傳感器X軸結(jié)果的預(yù)測角度。d） 每個試驗的交叉驗證準(zhǔn)確性。

圖5 無線集成傳感器系統(tǒng)和演示。a）汗液傳感器上表面和下表面的視圖，以及b）佩戴在受試者前臂上的傳感器系統(tǒng)的視圖。實時監(jiān)測c）X軸加速度傳感器輸出，d）預(yù)測角度，e）出汗率，以及f）出汗過程中的歸一化阻抗。

審核編輯：劉清