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写在前面
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“香汗淋淋玉肌腻,娇喘吁吁莺语啼。”
入夏多时,让马拉松与越野跑老司机们十分熟悉、无比感慨却又十分无奈的X京热,比以往的时候来的更早一些。
在这样的高温中,运动状态监测与安全事件预警,是运动安全的双重命题。相关技术,也在不断进步迭代中。
随着技术的进步,对运动时生理过程与物质代谢的生物标志物的动态量化,为此提供了突破路径。通过监测这些生化指标,能够为生理状态提供更为全面客观的评估,从而可以更精准地制定训练计划,优化运动负荷,维持良好机能状态,预防疲劳损伤。而传统血液采样受限于侵入性操
汗液分析,通过简易快捷的非侵入方式获取连续生理数据,构建“代谢-神经-运动”多维监控网络系统,在理论上能更好的满足高温训练时,连续动态监测生理指标的需求。目前,已有一些可穿戴的汗液电化学传感器铺货售卖。
本文讨论这些产品对乳酸、电解质等的实时检测技术与创新成果,分析其技术瓶颈,并提出优化策略,为未来的研发改进,以及提高使用准确度提出建议。
1 基于汗液分析的可穿戴技术
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1.1 汗液的组成及生理意义
汗液作为人体重要的代谢产物,是由汗腺分泌的生物流体,蕴含着丰富的生理信息,在连续实时监测方面成为理想检测介质。
人体汗腺广泛分布于全身,在常规气候条件下,成年人每日出汗可达500~700mL,这为无创连续监测创造了良好条件。汗液的99%为水分,还包含钠离子(Na+)、氯离子(Cl-)[9]、钾离子(K+)等电解质离子,皮质醇、乳酸等激素和代谢物以及神经肽和细胞素等蛋白质。已有研究证实,汗液中的部分生物标志物含量与血液中的某些物质呈线性关系,可替代血液分析,提升检测的便捷性与舒适性。
例如,汗液中Na+浓度能够反映水盐代谢紊乱症状,与肌肉痉挛、脱水、心血管疾病等密切相关;K+过量流失则与肌肉活动关联,可能引发四肢、咀嚼肌及腹肌的热痉挛;乳酸浓度可作为身体活动代谢的直接指标。
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1.2 汗液采集技术
汗液采集是关键环节,但需要进行优化。
目前,手腕与手臂是首选部位,然而,由汗腺分布位置差异引起的汗液成分差异,以及出汗率的动态变化,让最佳采集位置仍然难以确定。
其次,环境因素对采集的影响。寒冷环境采不到,高温湿热过度出汗又容易引发传感器短路、信号漂移等问题。
最后,出汗原因作为采集时的核心变量,也会影响检测结果。研究证实主动出汗(运动诱发)与被动出汗(高温环境)在成分上无显著差异。主动出汗受天气影响较小,在汗液分泌量与速度上相对稳定,在监测中更具优势。然而,仍需综合考量佩戴传感器位置、皮肤角质层与油脂分泌等因素,提升检测准确性与可重复性。
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1.3 汗液传感器结构和原理
传感器通过电极将汗液的化学信号转换为电信号进行检测,通常包括汗液处理模块, 传感接口与电化学检测系统。
1.4柔性可穿戴电化学汗液传感器的性能评价
灵敏度表示在测试时的反应,稳定性决定长期可靠性,都受到材料与制造工艺等因素影响。
2 汗液传感器的应用
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2.1 运动强度与疲劳监测
汗液的传感器实时监测乳酸、葡萄糖、皮质醇等生物标志物浓度,为评估运动强度与疲劳状态提供了客观依据。
汗液乳酸浓度与血液乳酸浓度具有高度相关性,均能精准反映能量消耗程度与运动强度,乳酸浓度变化与运动强度呈现显著正相关关系。
葡萄糖是重要的能量来源。运动强度和持续时间是影响葡萄糖代谢的核心因素。汗液葡萄糖浓度与血糖水平具有显著相关性,动态变化能够有效反映糖代谢状态。
皮质醇广泛分布于血液、血清、尿液、唾液、头发、间质液及汗液中。长期高强度运动可导致皮质醇居高不下,加剧肌肉蛋白分解,促进脂肪在腹部沉积。
2.2 水分与电解质平衡监测
水分与电解质平衡是维系生理稳态、保障充分发挥水平的核心调控要素。监测汗液中Na+、K+、Cl-的浓度变化,测量出汗量与电解质浓度数据,可精确评估缺水程度,指导补液。
在高强度运动或高温环境下,大量Na+、K+随汗液流失,可引发肌肉痉挛等。检测这些离子在汗液中的浓度变化,对预防电解质紊乱具有重要意义。
3 待改进之处
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3.1 目前的五大难题
(1)现有技术难以保证汗液的稳定获取。
(2)部分传感器中可能含有损伤皮肤的化学物质。
(3)灵敏度和稳定性不足,直接影准确性;还容易受到高温高湿环境干扰。
(4)多模块集成可能导致体积增大与不同功能之间的干扰。
(5)续航时间不长。
3.2 未来趋势
(1)材料创新与优化。提升舒适性和耐用性,减少汗液和皮肤污染对传感器的持续影响。
(2)优化收集汗液装置。避免样本混合和污染,减少对皮肤刺激。
(3)多模块集成与网络处理。实时采集、远程监控和云端分析,方便个性化应用。
(4)降低功耗,延长续航。
(5)研究制定汗液分析标准,增强检测的准确性和可比性。
(6)扩大可检测生物标志物的范围,例如激素与蛋白质等。
(7)结合大数据分析和人工智能技术,挖掘检测信号与健康状况之间的关联。
文/姜涛 西安体育学院竞技运动学院
图/网络
首发/《中国运动医学杂志》2025年第9期
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