可穿戴生物傳感器的市場規模近些年快速增長，這歸因于物聯網（IoT）支持的柔性電子產品的擴展及其在遠程醫療、人機界面（HMI）、健身監測以及農業等領域的應用。然而，由于復雜的制造工藝和生物相容性問題，用于獲取心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）和肌電圖（EMG）等電生理（EP）信號的可穿戴生物傳感器的開發面臨著重大挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近日，美國德克薩斯大學泰勒分校（The University of Texas at Tyler）的研究人員介紹了一種新型的混合式可穿戴傳感器系統：StressFit，旨在同時監測EMG信號和汗液皮質醇水平。研究人員的方法涉及開發一種非侵入性皮膚貼片，該貼片能夠使用與EMG電極集成的物理和電化學傳感器的組合來監測皮膚溫度、汗液pH值、皮質醇水平以及相應的EMG信號。相關研究成果以“StressFit: a hybrid wearable physicochemical sensor suite for simultaneously measuring electromyogram and sweat cortisol”為題發表在Scientific Reports期刊上。
StressFit平臺包含一個與皮膚相貼合的多層傳感器貼片，用于監測汗液皮質醇水平和EMG信號。該傳感器貼片集成了一個用于皮質醇檢測的基于三電極的電化學傳感器，以及用于測量校正的pH傳感器和溫度傳感器。基于三電極的EMG電極被放置在電化學傳感器的對面。所有電極都是利用激光誘導石墨烯（LIG）技術在柔性聚酰亞胺薄片上制備而成。
混合式可穿戴傳感器StressFit概覽
溫度傳感器和pH傳感器本質上均為電阻式傳感器，會分別隨著溫度和pH值的變化而呈現出電阻變化。這兩種傳感器都展現出了卓越的再現性，循環再現性可達99.35%。皮質醇傳感器的再現性和重復性測試涉及使用三個相同的傳感器在連續三天內對三種不同的皮質醇水平進行測量，結果表明該傳感器具備可重復性，在不同日期的測量值之間的方差系數很小。皮質醇傳感器還展現出對汗液pH值和溫度變化的耐受性。此外，pH值和溫度引起的皮質醇水平變化可以通過板載的pH傳感器和溫度傳感器進行校正。
溫度傳感器、pH傳感器以及皮質醇傳感器的表征
通過增強傳感器輸出和機械彈性來優化StressFit，以便在彎曲的身體表面上進行實際應用，確保在無傳感器干擾的情況下準確獲取皮質醇、pH值、體溫以及EMG數據。此外，研究人員集成了一個具備物聯網功能的板載數據處理單元，能夠實時采集、處理和無線傳輸傳感器測量的結果。
傳感器套件在實際應用條件下的耐用性評估
研究人員在騎行運動過程中對汗液皮質醇和EMG信號進行了測量，以評估傳感器套件的性能。研究結果表明，運動后汗液皮質醇水平有所升高，EMG信號的功率譜密度降低。這些發現表明，實時將汗液皮質醇水平與EMG信號相結合，可作為壓力評估和異常生理變化早期檢測的重要指標。
總而言之，研究人員展示了一種貼合皮膚的混合式可穿戴生理化學傳感器套件，它能夠同時追蹤EMG信號、汗液皮質醇水平、pH值以及皮膚溫度。這是通過解決生理化學傳感器中的關鍵工程障礙實現的，特別是通過增加EMG傳感器和電化學傳感器之間的空間分離來解決它們之間的串擾問題。通過水平和垂直彎曲測試驗證了所開發的傳感器套件的機械魯棒性，同時溫度和濕度校正確保了傳感器讀數的準確性。
這項工作的未來進展將集中在開發由能量收集驅動的柔性電子電路，并結合機器學習（ML）輔助的信號處理，以便更深入地了解監測人體生理情況。通過將這些卓越的功能集成到傳感器套件中，并集成更多的傳感器，設想打造出一個完全集成的、多功能的多路可穿戴汗液傳感平臺，可以為人類健康的各個方面提供有價值的見解。研究人員認為，該設備是整合生理和電化學傳感模式的開創性技術之一，為全面監測人體生理參數鋪平了道路，并最終推動遠程醫療。
論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41598-024-81042-5
