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線心率監(jiān)測器，以為運(yùn)動員提供運(yùn)動過程的實(shí)時反饋，此后，可穿戴技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。

過去十年中，韓國三星（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），可以通過可穿戴設(shè)備測量人體脂肪、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)測睡眠、測量血壓等。其基礎(chǔ)和主要驅(qū)動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。

近年來，利用PPG技術(shù)進(jìn)行健康和健身監(jiān)測吸引了消費(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/分析PPG信號，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)測功能。PPG信號還可以用于評估壓力和睡眠模式。

現(xiàn)在已經(jīng)可以利用智能手表的PPG傳感器對心房顫動（A-fib）進(jìn)行常規(guī)檢測。智能手機(jī)應(yīng)用程序（App）如何幫助確定與動脈硬化相關(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、血氧等信息可以評估通過循環(huán)系統(tǒng)向鍛煉肌肉輸送氧氣的效率。

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

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)時連續(xù)監(jiān)測人體水分流失這一令人困惑且往往不可預(yù)測的未知領(lǐng)域。研究人員希望通過為PPG添加某些光譜選擇性功能，使實(shí)時連續(xù)監(jiān)測人體水分流失變得可行。在以往的研究中，基本不會利用PPG來連續(xù)監(jiān)測人體的水合動態(tài)監(jiān)測。

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。事實(shí)上，規(guī)律飲水對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存的過程，都需要一定量的水。脫水會對運(yùn)動表現(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/鍛煉后水分流失時提供補(bǔ)充水分的建議

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

因此，必須及時補(bǔ)充體內(nèi)的體液，否則會影響體溫調(diào)節(jié)過程，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)）和體液的過度流失，身體難以保持健康的核心溫度。人體活動中產(chǎn)生的熱量不能通過出汗來補(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。

一般來說，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，就會出現(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)測人體水合作用并及時攝入水分對于提高鍛煉效果及保持健康是必要的。在體育活動期間，運(yùn)動員可能會經(jīng)歷“自愿脫水”或身體對缺水的延遲反應(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)體液過多也不好，因?yàn)樗鼤?dǎo)致低鈉血癥。

身體認(rèn)為血液中的水分過多時，會將其中一部分輸送到其他器官。人體液體量增加2%可能會導(dǎo)致全身水腫、體力降低以及腦損傷。因此，在運(yùn)動過程中監(jiān)測身體的水合作用并及時攝入水分，對于提高運(yùn)動表現(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)評估。研究人員首次展示了如何通過擴(kuò)展光學(xué)檢測和現(xiàn)代分析算法，通過傳感器融合方案來實(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，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)檢測到光信號的分布進(jìn)行可視化，并對薄汗膜及其對PPG檢測信號的影響進(jìn)行了計(jì)算研究。

Monte Carlo仿真程序和所開發(fā)傳感器的幾何配置

通過擴(kuò)展智能手表傳感器內(nèi)置的傳感功能，并將其與高級建模和機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，研究人員確定了PPG信號的幾個重要特征，以及與皮膚含水量動態(tài)對應(yīng)的敏感光譜。在硬件方面，研究人員提出采用波長分別為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)建了用于評估人類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。檢測到的變化趨勢和光學(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)，通過目前可用的傳感器，可以潛在地檢測由于體育運(yùn)動引起的主動脫水（出汗）。

審核編輯：彭菁