介绍一种可实时检测脱水情况的无线柔性传感器系统

 

背景介绍

传感技术的创新有助于创造舒适、方便、健康的生活方式，智能的自我保健鼓励人们采取积极主动的方法进行早期疾病预防。这种个人实时监测健康状况的趋势，最终可能导致疾病的自我诊断。为了实现这一目标，一种多模式、可穿戴的传感器系统是必不可少的技术。附着在皮肤上的可穿戴传感器能够实时检测生物信息，例如皮肤温度、心功能（心电图）、呼吸、汗液和汗液中的化学物质。与传统的个人使用的医疗设备不同，连续的实时生物信息可以跟踪生物参数的节律。汗液中的化学物质包含大量关于电解质、代谢产物、pH、尿酸和氨基酸等的信息，作为生物标志物提供了有价值的见解。汗液是一种有吸引力的生物液体，因为与血液不同，它可以非侵入性获取，用于连续、实时监测。

出汗可能是由高温、经表皮失水或心理压力引起的。热出汗涉及汗腺开始分泌之前的一段时间滞后，而精神出汗发生得很快。与热排汗和精神排汗不同，表皮水分损失是看不见的，它发生在皮肤表面，而不是汗腺。高环境温度或体育锻炼引起的热排汗有助于通过蒸发冷却恢复身体核心温度。然而，过度出汗会导致水分和电解质流失，从而导致脱水、心脏和神经系统异常。虽然补充因出汗而损失的水分和电解质的重要性已被广泛理解，但在快速出汗期间，仍很难长时间连续监测汗液成分。

为了监测汗液中的出汗率和电解质，已经报道了柔性膜上的流体通道结构。这些设备可以连续分析汗液的量、总离子量和汗液中的离子浓度，但一旦流体通道充满，就不可能进行进一步的测量。另一种报道的方法是实时测量液滴流量。原则上，这种方法允许长期测量出汗率，而不必用汗水填充通道。然而，由于设备暴露在大气中，蒸发是不可避免的，导致测量不准确。此外，液滴形成所需的汗液收集网络需要大面积。另一种方法是排出通道中的汗液，但这需要手动操作。另一种方法使用棉纤维的毛细管作用来去除传感器中的旧汗液并提供新汗液。然而，由于棉纤维被聚氨酯覆盖，一旦棉纤维充满汗液，就无法进行进一步的测量。重要的是，大多数报告都集中在出汗率或汗液中的电解质上。由于难以同时应对所有挑战，尚未实现同时自主、高精度和长期连续测量出汗率和电解质含量。

本文亮点

1. 本工作介绍了一种无线、可穿戴、集成的微流体传感器系统，该系统可以长时间实时连续测量这些参数。对所提出的传感器进行了系统的表征，并使用机器学习来预测设备倾斜角度以校准传感器输出信号。

2. 使用传感器设计在流体通道中形成水滴，可连续监测高容量出汗率超过7000 s（总出汗量>170 µL）。

3. 通过对10名受试者进行测试，通过测量从实时、连续的汗液阻抗和速率中提取的汗液节律变化来确认对摄入运动饮料的生理反应。

图文解析

图1 无线集成离子和排汗率传感器系统。a） 带有集成离子传感器和出汗率传感器的柔性汗液传感器片的示意图。b）汗液传感器的照片和流体通道区域的放大图像，以及c）无线集成传感器的整个系统。d） 测量过程中智能手机应用程序的显示。

图2. 离子阻抗传感器。a） 离子传感器的横截面示意图。b） 离子传感器的俯视图。c） 离子传感器阻抗测量值在0和90×10⁻³ M NaCl之间的循环测试。d） 在从（c）中提取的不同Na⁺浓度的多个循环期间阻抗变化的趋势。e） 测量过程中使用/不使用运动饮料进行实时汗液阻抗监测。f） 运动饮料摄入后，有汗液阻抗变化（阳性）的志愿者和没有（阴性）的志愿者。

图3 出汗率传感器。a） 出汗率感应机制示意图。b） 传感器的照片。照片c）中没有液滴，照片d）中有液滴。e） 流量为0.6 µL/min时的连续电阻监测。插入是一个液滴过程中的电阻变化。f） 顶部通道之间的间隔长度为3 mm和6 mm。g） 每个腔室形状和形成的液滴的照片。h） 每个腔室不同形状的编译间隔。i） 使用不同形状的滤纸作为流速函数的间隔。j） 作为倾斜角度函数的间隔。k） 在1.4 µL/min下进行长期测量，并通过方程式计算流速。l） 使用商用出汗率传感器和本研究的传感器实时测量出汗率。

图4 使用逻辑回归进行倾斜角预测。a） 预测倾斜角度的算法示意图。b） 加速度传感器输出作为训练数据集的倾斜角度的函数。c） 加速度传感器X轴结果的预测角度。d） 每个试验的交叉验证准确性。

图5 无线集成传感器系统和演示。a）汗液传感器上表面和下表面的视图，以及b）佩戴在受试者前臂上的传感器系统的视图。实时监测c）X轴加速度传感器输出，d）预测角度，e）出汗率，以及f）出汗过程中的归一化阻抗。

审核编辑：刘清