介紹一種可實時檢測脫水情況的無線柔性傳感器系統

?

背景介紹

傳感技術的創新有助于創造舒適、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防。這種個人實時監測健康狀況的趨勢，最終可能導致疾病的自我診斷。為了實現這一目標，一種多模式、可穿戴的傳感器系統是必不可少的技術。附著在皮膚上的可穿戴傳感器能夠實時檢測生物信息，例如皮膚溫度、心功能（心電圖）、呼吸、汗液和汗液中的化學物質。與傳統的個人使用的醫療設備不同，連續的實時生物信息可以跟蹤生物參數的節律。汗液中的化學物質包含大量關于電解質、代謝產物、pH、尿酸和氨基酸等的信息，作為生物標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、實時監測。

出汗可能是由高溫、經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，它發生在皮膚表面，而不是汗腺。高環境溫度或體育鍛煉引起的熱排汗有助于通過蒸發冷卻恢復身體核心溫度。然而，過度出汗會導致水分和電解質流失，從而導致脫水、心臟和神經系統異常。雖然補充因出汗而損失的水分和電解質的重要性已被廣泛理解，但在快速出汗期間，仍很難長時間連續監測汗液成分。

為了監測汗液中的出汗率和電解質，已經報道了柔性膜上的流體通道結構。這些設備可以連續分析汗液的量、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，由于設備暴露在大氣中，蒸發是不可避免的，導致測量不準確。此外，液滴形成所需的汗液收集網絡需要大面積。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，大多數報告都集中在出汗率或汗液中的電解質上。由于難以同時應對所有挑戰，尚未實現同時自主、高精度和長期連續測量出汗率和電解質含量。

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，該系統可以長時間實時連續測量這些參數。對所提出的傳感器進行了系統的表征，并使用機器學習來預測設備傾斜角度以校準傳感器輸出信號。

2. 使用傳感器設計在流體通道中形成水滴，可連續監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、連續的汗液阻抗和速率中提取的汗液節律變化來確認對攝入運動飲料的生理反應。

圖文解析

圖1 無線集成離子和排汗率傳感器系統。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域的放大圖像，以及c）無線集成傳感器的整個系統。d） 測量過程中智能手機應用程序的顯示。

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之間的循環測試。d） 在從（c）中提取的不同Na?濃度的多個循環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時的連續電阻監測。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的間隔。j） 作為傾斜角度函數的間隔。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測。a） 預測傾斜角度的算法示意圖。b） 加速度傳感器輸出作為訓練數據集的傾斜角度的函數。c） 加速度傳感器X軸結果的預測角度。d） 每個試驗的交叉驗證準確性。

圖5 無線集成傳感器系統和演示。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的視圖。實時監測c）X軸加速度傳感器輸出，d）預測角度，e）出汗率，以及f）出汗過程中的歸一化阻抗。

審核編輯：劉清