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    背景

    汗液,含有各种各样的生化标记物,能为我们提供与运动以及健康相关的许多信息。

    传感器

    手臂上的汗珠(图片来源:维基百科)

    例如,它不仅可以告诉我们电解质失衡程度、乳酸指数、葡萄糖水平、脱水状况、卡路里燃烧值等信息,还可以辅助诊断一些疾病,比如汗液中的盐浓度可能与囊包性纤维症有关。因此,世界各国的科学家们都在积极研发针对汗液的各种创新型电子设备。

    汗液酸碱度传感器

    一款可贴在皮肤上的柔性微流体设备能测量汗液成分。(图片来源:John A. Rogers / 美国西北大学)

    可穿戴传感器

    一款可穿戴传感器,可测量汗液中酒精含量,并发送至用户手机。(图片来源:美国化学会)

    生物传感器

    一款汗液传感器,能在用户保持凉爽的状态下,获取汗液并分析用户健康状况。(图片来源:辛辛那提大学)

    今天,我们要重点关注汗液中的一个非常重要的指标:pH值。

    汗液的pH值(即酸碱度)的变化,能告诉我们身体是否缺水,还能帮助诊断皮肤症状,例如皮炎、痤疮和其他皮肤感染。对于糖尿病患者来说,汗液pH值可作为一个很好的指标,来指示其他危及生命的症状,例如过度出汗和盗汗期间的汗液pH值高,可能是由长期低血糖引起的,而这种低血糖需要医疗干预。

    一款石墨烯柔性腕带可检测患者汗液温度和pH值。(图片来源:Hui Won Yun, 首尔大学)

    创新

    新加坡国立大学(NUS)的一支科研团队提出为可穿戴健康监测装置增添一个“附加物”,该“附加物”可通过汗液告诉用户与他们健康状况相关的信息。

    这款新型汗液pH值监测器,能以非常低的成本,很容易地集成到现有的健身追踪器或者智能手表中,并能持续监测用户汗液的酸碱度水平、心率和氧浓度。用户通过这种方式,可以享受昼夜不停、个性化、非侵入式的健康评估。

    研究团队由新加坡国立大学电气与计算机工程系博士生 Ananta Narayanan Balaji 先生、新加坡国立大学健康创新研究所(iHealthtech)和生物医学工程系博士生 Chen Yuan 女士、助理教授 Shao Huilin、新加坡国立大学计算机科学系的博士 Wang Bo 和教授 Peh Li-Shiuan 组成。

    下图从左到右:Wang Bo 博士、Chen Yuan 女士、Ananta Narayanan Balaji 先生、Shao Huilin 助理教授。

    (图片来源:新加坡国立大学)

    Ananta 先生表示:“如今大多数的健身追踪器和智能手表可以测量健康指标,例如心率、血氧饱和度、步数甚至睡眠周期,但它们无法追踪分子水平上的健康指标。因此,我们创造了这款pH值手表,因为汗液是一种容易获取的体液,由各种各样的生化标记物组成,能以非侵入性的方式监测个体健康状况。”

    技术

    汗液的pH值为什么重要?

    “pH”这个词的意思是“酸碱度”。pH值的范围是从0到14,指示了一种物质的酸碱度。pH值等于7表示中性,小于7表示酸性,大于7表示碱性。一般来说,健康皮肤的pH值为5.5。

    Ananta 先生解释道:“当身体缺水时,汗液中的钠浓度会升高,pH值偏高表明了这一点。对于皮肤健康来说,pH值保持平衡也是必不可少的,如果我们的皮肤太酸或者太碱,就会发生皮炎和痤疮等皮肤症状。对于糖尿病人来说,多汗或者盗汗期间的汗液pH值偏高,表示病人正在经历低血糖。”

    pH值手表如何工作?

    (图片来源:新加坡国立大学)

    新加坡国立大学发明的pH手表利用了健身追踪器和智能手表中现有的脉搏血氧计芯片,它能测量用户的心率和血氧饱和度。脉搏血氧计由位于皮肤和设备之间的红光和红外光传感器组成。脉搏血氧计将可见的红光和不可见的红外光发射到用户的皮肤上,并计算两种光线波长之间的差异,从而判断血液中的氧含量。在医院,它们通常被夹在病人食指上,以测量和监测病人的血氧饱和度。

    新加坡国立大学的团队制造出一款柔性且反应灵敏的汗液pH值传感器,它与脉搏血氧计配合得很好。具体来说,汗液传感器采用一种特殊材料制成,这种材料与不同pH值的汗液接触时会改变颜色;这些颜色变化旨在匹配脉搏血氧计的记录功能。

    这款pH值手表通过将这个定制的pH值传感器以及团队的pH值传感算法,整合到内置脉搏血氧计的现有健身追踪器或者智能手表中,可实时、同步监测用户汗液的pH值、心率以及血氧饱和度值,准确率大约是90%。

    (图片来源:新加坡国立大学)

    价值

    这款pH值传感器开发者 Chen 女士表示:“我们采用聚苯胺聚合物(一种便宜、耐用且非常柔软的材料),从零开始设计并制造了这款pH值传感器。它与皮肤贴合得非常好,并可以添加到任何含有脉搏血氧计的智能手表中,实现汗液pH值的持续测量。这款传感器即使每天都被使用,也可以反复使用超过一年。”

    pH值感测算法与系统原型开发者 Ananta 先生表示:“我们的pH值手表工作得非常高效。它仅需要20KB的随机存取存储器(RAM)来进行数据处理。它也非常节能(pH值传感器是无源的,也就是说不需要电源),而且pH值传感算法的功耗小于智能手表总功耗的0.01%。”

    他补充道:“pH值传感器可以轻而易举地安装到任何含有脉搏血氧计的可穿戴设备上。它可以采用任何形式(臂带、胸带、头带),但是我们已经开发出一款类似手表的可穿戴设备原型,因为戴在手腕上的可穿戴设备在用户中很流行。我们的pH值手表的潜在用户不仅仅是运动员,也可以是任何用户,因为我们在行走或者跑步等日常活动中都会流汗。此外,由于它具有非侵入性,所以也可以作为老人和儿童的个人健康监测设备。”

    与新加坡国立大学计算机科学系教授 Peh Li-Shiuan 一起指导该项目的助理教授 Shao 表示:“据我们所知,pH值手表首次演示了可重复使用的汗液传感器,这种传感器能够轻而易举地集成到含有脉搏血氧计的现有智能手表中,为无处不在的生物标记物感测铺路。”

    未来

    团队目前正在研究汗液中的其他生物标记物,并探索采用其他现有的传感器来检测汗液中更多的生物标记物。


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