柔性可穿戴式汗液传感器在运动监测中的研究进展

【作者】 孟令飞； 章碧玉； 梁建平；

【机构】 北京体育大学中国田径运动学院； 重庆师范大学体育与健康科学学院；

【摘要】 研究目的:运动员为了实现竞技能力和运动表现的最大化,越来越倾向于寻求先进的科学训练辅助仪器来监测训练和运动恢复情况。我国先后从国外引进Polar心率监测、肌氧监测、Cosmed气体代谢监测等先进的可穿戴式运动监测仪器,对运动员训练过程中的肌氧、血乳酸等生化指标进行实时监测,即时了解运动员疲劳程度和机能状态,防止训练损伤并制定科学的恢复与训练计划。虽然这些运动监测仪器是先进的,但是当前可穿戴式运动监测仪器需要在特定的环境中进行监测,其佩戴舒适性较差、灵敏度低,无法实时监测运动员机能状态和训练效果,存在一定局限性。新兴的可穿戴式汗液传感器,具备便携、易操作、实时测量等优势,无创地对汗液中电解质、代谢物、维生素、氨基酸等进行监测,通过建立汗液与血液生化指标的联系,便可从汗液中获取血的多种生化指标信息,有助于了解运动员在训练中的机能状况、能量代谢、运动强度等,在运动监测方面具有十分重要的实践意义。基于此,本研究旨在总结柔性可穿戴式汗液传感器在运动监测方面的最新研究进展,对可穿戴式汗液传感器在体育运动监测的应用前景、面临的挑战进行分析,对未来有可能取得突破性进展的方向进行展望。研究方法:通过在CNKI、Pubmed、Web of science、谷歌学术等网站检索"汗液传感器""运动监测""穿戴设备""Sweat Sensor""Sports Monitoring""Wearable Sensor"等关键词检索文献422篇,综述可穿戴式汗液传感器在体育运动监测的研究进展、应用前景和面临的挑战。研究结论:可穿戴式汗液传感器可以解决运动监测中存在的送检周期长、汗液收集分析程序繁杂、难以连续监测等难题。能够在不同的运动环境中对运动员的汗液进行实时监测,可动态了解运动员身体机能和训练效果。前人已经研发出多种应用于运动员汗液分析的非入侵式柔性汗液传感器,主要包括比色传感器、电化学传感器和荧光传感器。可穿戴式比色汗液传感器通过皮肤微流控系统,利用内置微流控通道的生物相容性弹性基质,结合比色法对汗液的成分进行定量分析;比色传感器由于操作过程简单、选择性好、响应快速、信息量大等优点,在汗液检测方面得到了广泛的应用。可穿戴式比色汗液传感器多基于纺织品,用于非入水项目的运动监测,随着汗液中目标分析物浓度(乳酸、葡萄糖等)的变化,检测分析单元会产生不同的信号反应;可穿戴式电化学汗液传感器是以汗液中的生物活性物质作为识别元件,电极作为信号转换器,以电压、电流、电导和阻抗作为检测信号的一种可穿戴式汗液传感器,电流型和电位型汗液传感器是常见的可穿戴式电化学汗液传感器类型。虽然电化学汗液传感器具有高选择性、可重复性、稳定性等优势,但是需要依赖昂贵且体积庞大的电源和数据记录电子设备。柔性可穿戴式汗液传感器可用于运动员训练过程、训练负荷等方面的监控,研究梳理了柔性可穿戴式汗液传感器用于监测运动员的排汗率、监测汗液中的乳酸、监测汗液中的皮质醇、监测汗液中的氨、监测汗液中离子等方面的最新研究进展。研究认为可穿戴式汗液传感器在运动监测的实际应用中仍面临以下挑战:1)续航能力。可穿戴式汗液传感器体积较小,而电池所占用的面积和重量是最关键的限制因素。柔性电池在这种情况下有一定的潜力,但成本较高。基于无电池的NFC无线数据传输技术很有前景,但需要较长的传输天线进行连续数据采集,续航能力面临重大挑战。2)高灵敏度、多参数、高稳定性、实时检测。运动员为了实现运动竞技能力能力的提升,在运动训练和竞赛过程中需要实时全面了解运动员多项生理生化指标,对运动员的身体状况进行准确评价,汗液传感器需要具备高灵敏度和快速响应的多项参数检测。3)实现高灵敏度的可穿戴式汗液传感器需要适恰地结合纳米结构材料,这将提供特定的电催化效应和增加可用表面积。考虑到这些纳米材料可能具有毒性,应研究这些纳米材料在人体传感应用中的生物相容性。4)现阶段可穿戴式汗液传感器性能越来越好,测试数据也越来越精确,但汗液分析还尚未建立金标准。研究结论:随着运动员运动机能、科学训练监测的需求增长,可穿戴式汗液传感器在运动监测方面有望在以下方面实现突破:(1)实现汗液监测。可穿戴式汗液传感器能对汗液中的乳酸、皮质醇、钠离子和钾离子等进行实时、精准测量,建立汗液分析结果和血液分析数据的联系,通过汗液分析就可得出曾经需要通过血液分析的结果,对运动员的运动强度、身体状态等进行客观评价。还可以通过可穿戴式汗液传感器逐步取代血样检测,实现真正的无创监测与分析。(2)与大众运动健康和数据结合。随着可穿戴式汗液传感器的发展,不仅在运动员的运动监测方面具有广阔的应用前景,还能在大众健身、运动健康方面广泛应用。当前诸多运动APP已经上市,包含运动处方、运动营养、训练健身等内容,可穿戴式汗液传感器能够将运动监测的数据通过无线技术传输至移动设备(手机、平板电脑等),如果建立汗液传感器的监测数据和运动处方、运动营养、科学健身等数据整合的APP或者数据库,完全能够实现针对体育健身者的运动监控数据、体适能数据等,根据不同运动个体的监控状况、身体素质等,在大数据库中精确匹配个性化的运动内容、运动强度、运动康复手段等具体信息。可以为全民科学健身、体医融合和"健康中国2030"提供有力的科技支撑。更多还原