1977年P(guān)olar Electro推出了世界上第一款由胸帶發(fā)射器和手腕佩戴接收器組成的無(wú)線心率監(jiān)測(cè)器，以為運(yùn)動(dòng)員提供運(yùn)動(dòng)過(guò)程的實(shí)時(shí)反饋，此后，可穿戴技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。

過(guò)去十年中，韓國(guó)三星（Samsung）公司推出了先進(jìn)的智能生物處理器（Smart Bio-Processor）片上系統(tǒng)（SoC），可以通過(guò)可穿戴設(shè)備測(cè)量人體脂肪、骨骼肌質(zhì)量、心率（HR）、心律、皮膚溫度以及壓力水平。如今，三星公司的智能手表（SmartWatch）配備了其BioActive Sensor，具有更先進(jìn)、更微型化的技術(shù)，不僅能夠計(jì)算心率、步數(shù)和卡路里，還可以監(jiān)測(cè)睡眠、測(cè)量血壓等。其基礎(chǔ)和主要驅(qū)動(dòng)力源自光電容積脈搏波描記法（PPG）技術(shù)，可以方便地集成在智能手表/健身手環(huán)中，現(xiàn)已廣泛用于人體健康狀況的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

近年來(lái)，利用PPG技術(shù)進(jìn)行健康和健身監(jiān)測(cè)吸引了消費(fèi)者的極高興趣。目前，包括智能手表和健身追蹤器等可穿戴設(shè)備能夠定期監(jiān)測(cè)/分析PPG信號(hào)，提供上述人體健康指標(biāo)的非侵入性數(shù)據(jù)。最近還為可穿戴設(shè)備增加了體溫、血氧水平（SpO2）、血糖等監(jiān)測(cè)功能。PPG信號(hào)還可以用于評(píng)估壓力和睡眠模式。

現(xiàn)在已經(jīng)可以利用智能手表的PPG傳感器對(duì)心房顫動(dòng)（A-fib）進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)。智能手機(jī)應(yīng)用程序（App）如何幫助確定與動(dòng)脈硬化相關(guān)的血管老化已經(jīng)得到證明。另一方面，智能手表輔助特定健身計(jì)劃并指導(dǎo)鍛煉取得了顯著進(jìn)步，該應(yīng)用通常需要掌握用戶的基本生理參數(shù)。例如，關(guān)于脈搏、血氧等信息可以評(píng)估通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)向鍛煉肌肉輸送氧氣的效率。

因此，對(duì)用戶訓(xùn)練的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，有助于智能手表為用戶制定有效的個(gè)人訓(xùn)練計(jì)劃。對(duì)于這些應(yīng)用，需要持續(xù)監(jiān)測(cè)PPG信號(hào)，并在脈沖區(qū)的特定邊界被突破時(shí)快速接收通知。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，俄羅斯三星研究所傳感器解決方案實(shí)驗(yàn)室的研究人員探索了實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)人體水分流失這一令人困惑且往往不可預(yù)測(cè)的未知領(lǐng)域。研究人員希望通過(guò)為PPG添加某些光譜選擇性功能，使實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)人體水分流失變得可行。在以往的研究中，基本不會(huì)利用PPG來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)人體的水合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

如果在可穿戴設(shè)備中成功應(yīng)用，這有望成為人體健康、美容和鍛煉應(yīng)用的又一熱門(mén)。事實(shí)上，規(guī)律飲水對(duì)于人體器官的正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及維持人體內(nèi)部平衡非常重要。人體內(nèi)所有的化學(xué)反應(yīng)，包括能量的產(chǎn)生或分解以及葡萄糖儲(chǔ)存的過(guò)程，都需要一定量的水。脫水會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)、體溫調(diào)節(jié)和心血管反應(yīng)產(chǎn)生重大的負(fù)面影響。

三星智能手表技術(shù)概念示意圖，為用戶在訓(xùn)練/鍛煉后水分流失時(shí)提供補(bǔ)充水分的建議

在劇烈的體育活動(dòng)中，人體會(huì)因出汗而流失體液。同時(shí)，肌肉細(xì)胞產(chǎn)生的熱能會(huì)加熱血液。在溫度升高的影響下，血液中的水份充滿汗腺，體液蒸發(fā)的過(guò)程不僅可以使身體冷卻，還會(huì)導(dǎo)致血容量減少。

因此，必須及時(shí)補(bǔ)充體內(nèi)的體液，否則會(huì)影響體溫調(diào)節(jié)過(guò)程，從而導(dǎo)致熱衰竭等情況。熱衰竭是指體內(nèi)鹽分（電解質(zhì)）和體液的過(guò)度流失，身體難以保持健康的核心溫度。人體活動(dòng)中產(chǎn)生的熱量不能通過(guò)出汗來(lái)補(bǔ)償，而是積聚在體內(nèi)，從而導(dǎo)致體內(nèi)溫度升高，身體狀況惡化。

一般來(lái)說(shuō)，口渴是調(diào)節(jié)體內(nèi)水分和電解質(zhì)的精確機(jī)制。當(dāng)血漿中的滲透壓和鈉離子濃度因出汗而增加時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)口渴現(xiàn)象。這些變化由負(fù)責(zé)維持體內(nèi)平衡，特別是維持血漿滲透壓的下丘腦受體感知。

監(jiān)測(cè)人體水合作用并及時(shí)攝入水分對(duì)于提高鍛煉效果及保持健康是必要的。在體育活動(dòng)期間，運(yùn)動(dòng)員可能會(huì)經(jīng)歷“自愿脫水”或身體對(duì)缺水的延遲反應(yīng)。飲水平衡涉及選擇訓(xùn)練期間應(yīng)消耗的最佳體液量。另一方面，體內(nèi)體液過(guò)多也不好，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致低鈉血癥。

身體認(rèn)為血液中的水分過(guò)多時(shí)，會(huì)將其中一部分輸送到其他器官。人體液體量增加2%可能會(huì)導(dǎo)致全身水腫、體力降低以及腦損傷。因此，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中監(jiān)測(cè)身體的水合作用并及時(shí)攝入水分，對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和保持良好的身體形態(tài)至關(guān)重要。

在這項(xiàng)研究中，研究人員考量了在下一代可穿戴設(shè)備中實(shí)施的重要功能：人體水合作用的非侵入性連續(xù)評(píng)估。研究人員首次展示了如何通過(guò)擴(kuò)展光學(xué)檢測(cè)和現(xiàn)代分析算法，通過(guò)傳感器融合方案來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，提出了一種新穎的傳感方案和途徑，用于捕捉、建模并分析皮膚的水合狀況。

研究人員提出的完整捕獲、建模及分析流程

這項(xiàng)研究為光與人體組織的相互作用、眾多重要特性以及汗液和人體水分流失監(jiān)測(cè)，提供了行業(yè)領(lǐng)先的新洞察。所提出的方法能夠?qū)δ繕?biāo)幾何、光譜和其他傳感器在組織內(nèi)檢測(cè)到光信號(hào)的分布進(jìn)行可視化，并對(duì)薄汗膜及其對(duì)PPG檢測(cè)信號(hào)的影響進(jìn)行了計(jì)算研究。

Monte Carlo仿真程序和所開(kāi)發(fā)傳感器的幾何配置

通過(guò)擴(kuò)展智能手表傳感器內(nèi)置的傳感功能，并將其與高級(jí)建模和機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，研究人員確定了PPG信號(hào)的幾個(gè)重要特征，以及與皮膚含水量動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)的敏感光譜。在硬件方面，研究人員提出采用波長(zhǎng)分別為970 nm和1450 nm的紅外光源擴(kuò)展智能手表的功能。

研究人員構(gòu)建了用于評(píng)估人類(lèi)皮膚出汗的原型器件，以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的解決方案。檢測(cè)到的變化趨勢(shì)和光學(xué)建模非常一致，得到了理論和實(shí)驗(yàn)室研究的支持。1450 nm為含水量估算提供了最佳的信噪比（SNR），研究人員預(yù)計(jì)，通過(guò)目前可用的傳感器，可以潛在地檢測(cè)由于體育運(yùn)動(dòng)引起的主動(dòng)脫水（出汗）。

審核編輯：彭菁