在激烈的运动竞赛和日常训练中，脱水是影响运动员表现乃至健康的一大隐患。它不仅会引发口渴、疲劳、头晕，降低运动耐力，在情况恶化时，甚至可能导致热损伤、心血管功能不稳定等严重后果。为了保障运动员的安全与表现，及时、准确地监测脱水状态至关重要。然而，传统的“金标准”方法，如测量体重变化、分析尿液或血液，往往需要在特定条件下、间歇性地采样，无法在运动员挥洒汗水的运动场边提供连续、实时的脱水情况反馈。这一“监测盲区”使得教练和医护人员难以及时做出补水决策。为了攻克这一难题，科学家们将目光投向了可穿戴传感技术。汗液，作为运动中身体水分流失的主要途径，其成分变化能直接反映体内的水分调节状态，因而成为了一个理想的、非侵入式的实时监测窗口。但如何设计一个能紧密贴合皮肤、耐受剧烈运动和大量出汗、并能稳定输出多种生理信号的设备，是横亘在研究者面前的挑战。发表在《Biosensors and Bioelectronics: X》上的一项研究，正致力于为运动员打造这样一位全天候的“贴身健康管家”。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，他们设计并制造了一种“可穿戴运动软胸贴”，其核心是一个集成了多种传感器（用于心电图的ADS1292、用于汗液渗透压的AD5933阻抗转换器、用于运动的ICM20948惯性测量单元IMU、用于温度的TMP117）的柔性印刷电路板（fPCB），并由nRF52840微控制器单元（MCU）控制，实现低功耗（约23.1 mW，使用110-mAh电池可运行约4小时）运行。其次，在设备组装上，采用了具有抗脱落和透气孔图案的医用胶带（3M-4076）作为皮肤粘附层，并使用激光打孔技术来增强汗液排出，同时利用柔性金电极和Ecoflex 00-30硅胶阻尼层来确保设备在运动形变下的电气稳定性和佩戴舒适性。最后，研究通过人体受试者实验（遵循机构审查委员会IRB批准的协议H23170和IRB2025-736）来验证设备性能，招募了包括大学橄榄球运动员在内的健康志愿者，在受控跑步和真实训练场景下，将设备信号与商用设备（如Polar HR心率计、MX3唾液渗透压计）及身体质量损失百分比（%BML）进行比较验证。
3.1. 柔性可穿戴生物传感器贴片概述
本文介绍了一种用于运动期间健康与性能监测的柔性可穿戴生物传感器套件。该设备完全可穿戴且无线，可连续传输信号。它将心电图、皮肤温度、汗液渗透压、加速度计和陀螺仪的测量功能集成于一体，安装在胸骨中心，旨在通过同步监测基于汗液的脱水指标和相关的生理信号，为脱水测量提供一个全面的多模态方案。
3.2. 设备表征
为量化脱水相关动态，胸贴通过在皮肤界面测量汗液导纳，并利用已知渗透压的人工流体进行校准，将其转换为导纳衍生的汗液渗透压指数。该指数适用于运动期间的连续、可逆监测。传感器在60至240 mOsm的渗透压范围内表现出线性响应，且金电极在长达15天的测试中保持稳定。此外，研究人员优化了粘附层设计：通过激光打出孔隙（优化间距为2毫米）以增强透气性和汗液排出，防止汗液积聚导致粘附失效；采用矩形抗脱落边缘图案来增强在干燥和湿润皮肤表面的粘附力，确保设备在剧烈运动中保持原位。
3.3. 性能验证
在受控跑步协议中，受试者佩戴该胸贴与商用参考设备进行对比验证。设备测得的加速度在各次运动中一致。其心电图信号在运动前后均显示清晰的QRS波群，信噪比（SNR）高于商用凝胶电极，计算出的心率与Polar HR设备的一致性高达97.6%，并能准确捕捉运动中心率上升和休息时下降的趋势。皮肤温度变化也呈现与心率相似的模式。在脱水监测方面，该胸贴能够连续测量汗液渗透压变化，而商用MX3唾液渗透压计只能提供运动间歇的单点数据。两者在补水前后的变化趋势一致：补水前升高，补水后降低。胸贴还能监测到补水期间的下降趋势，而唾液渗透压因直接受饮水影响，在补水后立即变化，无法准确反映补水状态的变化过程。身体质量损失百分比（%BML）的变化趋势与汗液渗透压相似。尽管受试者初始状态存在差异，但最大心率、体温与汗液渗透压之间仍显示出线性相关趋势，表明该设备不仅能连续监测脱水，还能用于基于多模态信号的生理研究。
3.4. 在运动员中的设备演示
在大学橄榄球运动员的真实训练场景中，该胸贴展示了其实用性。设备平均可运行231 ± 46分钟，成功从15名参与者中的8人收集了数据。失败原因包括SD卡记录问题、电池充电不足及一名参与者因胸毛过密导致贴片脱落。通过对不同运动员数据的分析，设备能够显示他们在团体训练期间脱水程度逐渐增加，而在个人训练期间脱水水平下降并波动的个体化趋势。通过快速傅里叶变换（FFT）分析汗液渗透压数据，可以计算出不同运动员的补水周期，例如，脱水严重的运动员补水更频繁（周期约6-7分钟），而水分充足的运动员补水间隔较长（周期约17分钟）。与只能在训练前后测量的MX3设备相比，该胸贴能够在不干扰训练的情况下连续监测，显示出合理的变化，有助于及时监控和调整补水策略。
研究结论与重要意义
本研究成功开发并验证了一种柔性可穿戴生物传感器套件，它通过集成心电图、皮肤温度、运动和汗液渗透压传感器，实现了在运动过程中对脱水的连续、无线监测。该胸贴采用透气粘附层、抗脱落设计和柔性电子元件，确保了在剧烈活动中的可靠性。无线数据传输和板载存储保障了野外操作的稳健性。实验表明，该设备能够线性、稳定地响应生理范围内的渗透压变化。在跑步试验中，它能追踪汗液渗透压、心率和体温的实时变化，并检测到补水后的部分恢复。与间歇性的商用唾液渗透压读数相比，该贴片能提供更精细的水合动态分辨率。在大学橄榄球运动员的实地测试中，该设备证实了其实用性，并揭示了个体脱水和补水模式，这些是标准方法无法捕捉的。这项工作的重要意义在于，它首次将连续的、基于汗液渗透压的脱水传感与同步的、运动相关的生理信号（心电、温度、运动）监测相结合，形成了一个真正多模态的运动健康监测平台。这为在真实世界的运动环境中，实现连续的脱水监测和生理状态评估提供了可行的技术方案。未来，通过增强设备的鲁棒性、延长电池寿命、改进数据集成，并结合机器学习算法对多模态数据进行融合分析，该平台有望实现更精准、个性化的补水指导，并对更大群体进行定量效益评估，在竞技体育、体力劳动职业健康监护乃至大众健康管理领域都具有广阔的应用前景。
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