可穿戴生物传感器的市场规模近些年快速增长，这归因于物联网（IoT）支持的柔性电子产品的扩展及其在远程医疗、人机界面（HMI）、健身监测以及农业等领域的应用。然而，由于复杂的制造工艺和生物相容性问题，用于获取心电图（ECG）、脑电图（EEG）和肌电图（EMG）等电生理（EP）信号的可穿戴生物传感器的开发面临着重大挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国德克萨斯大学泰勒分校（The University of Texas at Tyler）的研究人员介绍了一种新型的混合式可穿戴传感器系统：StressFit，旨在同时监测EMG信号和汗液皮质醇水平。研究人员的方法涉及开发一种非侵入性皮肤贴片，该贴片能够使用与EMG电极集成的物理和电化学传感器的组合来监测皮肤温度、汗液pH值、皮质醇水平以及相应的EMG信号。相关研究成果以“StressFit: a hybrid wearable physicochemical sensor suite for simultaneously measuring electromyogram and sweat cortisol”为题发表在Scientific Reports期刊上。
StressFit平台包含一个与皮肤相贴合的多层传感器贴片，用于监测汗液皮质醇水平和EMG信号。该传感器贴片集成了一个用于皮质醇检测的基于三电极的电化学传感器，以及用于测量校正的pH传感器和温度传感器。基于三电极的EMG电极被放置在电化学传感器的对面。所有电极都是利用激光诱导石墨烯（LIG）技术在柔性聚酰亚胺薄片上制备而成。
混合式可穿戴传感器StressFit概览
温度传感器和pH传感器本质上均为电阻式传感器，会分别随着温度和pH值的变化而呈现出电阻变化。这两种传感器都展现出了卓越的再现性，循环再现性可达99.35%。皮质醇传感器的再现性和重复性测试涉及使用三个相同的传感器在连续三天内对三种不同的皮质醇水平进行测量，结果表明该传感器具备可重复性，在不同日期的测量值之间的方差系数很小。皮质醇传感器还展现出对汗液pH值和温度变化的耐受性。此外，pH值和温度引起的皮质醇水平变化可以通过板载的pH传感器和温度传感器进行校正。
温度传感器、pH传感器以及皮质醇传感器的表征
通过增强传感器输出和机械弹性来优化StressFit，以便在弯曲的身体表面上进行实际应用，确保在无传感器干扰的情况下准确获取皮质醇、pH值、体温以及EMG数据。此外，研究人员集成了一个具备物联网功能的板载数据处理单元，能够实时采集、处理和无线传输传感器测量的结果。
传感器套件在实际应用条件下的耐用性评估
研究人员在骑行运动过程中对汗液皮质醇和EMG信号进行了测量，以评估传感器套件的性能。研究结果表明，运动后汗液皮质醇水平有所升高，EMG信号的功率谱密度降低。这些发现表明，实时将汗液皮质醇水平与EMG信号相结合，可作为压力评估和异常生理变化早期检测的重要指标。
总而言之，研究人员展示了一种贴合皮肤的混合式可穿戴生理化学传感器套件，它能够同时追踪EMG信号、汗液皮质醇水平、pH值以及皮肤温度。这是通过解决生理化学传感器中的关键工程障碍实现的，特别是通过增加EMG传感器和电化学传感器之间的空间分离来解决它们之间的串扰问题。通过水平和垂直弯曲测试验证了所开发的传感器套件的机械鲁棒性，同时温度和湿度校正确保了传感器读数的准确性。
这项工作的未来进展将集中在开发由能量收集驱动的柔性电子电路，并结合机器学习（ML）辅助的信号处理，以便更深入地了解监测人体生理情况。通过将这些卓越的功能集成到传感器套件中，并集成更多的传感器，设想打造出一个完全集成的、多功能的多路可穿戴汗液传感平台，可以为人类健康的各个方面提供有价值的见解。研究人员认为，该设备是整合生理和电化学传感模式的开创性技术之一，为全面监测人体生理参数铺平了道路，并最终推动远程医疗。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41598-024-81042-5
