微型皮肤平台，实时监测你的排汗率！

日常生活中，我们几乎每天都在流汗。我们的皮肤为什么会流汗？是通过什么调节平衡的？你思考过这些问题吗？监测汗液的流量、累积损失和汗液温度可以为诊断体温失调和调节提问平衡提供有价值的生理信息，也为热应激相关的疾病治疗提供了帮助。然而，获得精确的、连续的、高时间分辨率的汗液参数仍然具有挑战性。

西北大学John A. Rogers教授团队报道了一个可以无线实时测量出汗率、出汗损失和皮肤温度的平台。该方法结合了一个短而直的流体通道，捕捉从皮肤流出的汗液，并使用一个基于热执行器和精密热敏电阻的流量传感器。该传感器与汗液物理隔离，但热耦合。该平台使用芯片上的蓝牙低能耗系统自动传输数据。研究成果以“An on-skin platform for wireless monitoring of flow rate, cumulative loss and temperature of sweat in real time”为题发表在《Nature Electronics》上。

【非植入型、微型化流量传感器的设计】

排汗率是一项重要的健康指标，可提供有关身体内水合状态、压力和体力活动的信息。传统情况下，排汗率使用全身洗浴法来测量，这需要严格控制实验室条件。吸汗垫可以测量部分区域的排汗率，但也需要基于实验室的分析，且不提供实时信息。作者及团队的皮肤界面设备平台最近开发出利用光学/电化学方法，实现个性化的、实时的监测汗液流失和汗液信息。新兴技术，如可穿戴式电导率传感器，可以实时监测汗液率，但它们依赖于电极与汗液的接触，这可能会受到舱内盐积聚、污染、腐蚀以及其他有害现象的影响。

作者及团队报道了一个可以无线实时监测汗液流量、累积损失和汗液温度的皮肤界面平台。当汗液从皮肤表面渗出时，该平台通过一条短而直的液体通道将其捕捉下来。因此，该方法避免了复杂的微流控网络，并将电子器件与周围的生物流体隔离开来。该平台使用了一个非侵入式流量传感器，由一个节能的热敏驱动器和一组精密热敏电阻组成，所有这些热敏电阻都与汗液耦合，但不直接与汗液接触。这种方法可以测量和无线传输排汗率相关的生理信息，最大限度地减少对环境波动的敏感性(气流/对流)，该平台结合了惠斯顿桥电路、参考热敏电阻和可变增益放大器(VGAs)。

图1 皮肤排汗率监测器的示意图。

该传感器包含一个带有两个热敏电阻的热致动器(图1a)，测量上游和下游相对于流动方向的温度。这些组件被叠合在一个薄的弹性结构上，该结构与一个开口(入口)相连接，汗液从皮肤表面进入系统，然后通过传感器到达相应的出口。如图1b所示，驱动器(直径2毫米)由8个电阻(8*35.6 ω)串联而成。施加电流在结构的表面产生恒定的热功率密度(Pd = 9.07 mW mm-2)，通过热扩散，将热量传递给下面流动的汗液。该电流定向向下游输送热量，从而在下游(THDN)和上游(THUP)热敏电阻位置的温度之间产生差异。图1c计算了4 微升/分钟流速下的温度分布的预测，这是骑自行车的男性前臂出汗的情况。作者还分析了与流量传感器相关的热物理现象及原理。

【电路设计及工作原理】

除纽扣电池(MS621FE)外，设备的宽度为11.2 mm，长度为24.8 mm，高度为1.2 mm，重量为203.0 mg。无线平台由热流传感模块(TFM)和BLE SoC组成，用于控制和无线通信(图3b)。TFM的一个关键特性是它使用参考热敏电阻作为威斯顿桥电路的一个分支，然后是由VGAs级联的差分放大器，增益由BLE SoC的中央处理单元(CPU)根据温度测量自动控制。参考热敏电阻(THREF)位于流体通道之外，但与THUP和THDN与热致动器的距离相同。环境温度的变化对这三个热敏电阻的影响与其他热敏电阻相同，因此自然地消除了这些变化的影响(例如，由于皮肤或周围空气的变化)。图3b给出了用于无线通信到外部用户界面(智能手机)的TFM和BLE SoC的电路和框图。该电子产品使用薄、灵活的电路线路，连接BLE SoC、放大器、电桥电阻、热敏电阻和热执行器。

图3 一个皮肤界面上的无线系统，用于连续监测出汗率、汗液流失和温度。

【体内测试】

该设备的照片和简单的设计如图4所示。安装在前臂,包括一个扩展的蜿蜒的微流控通道。位于蛇形通道入口的水溶性染料(蓝色)为进入的汗液注入颜色，从而产生一个容易识别的填充面。系统以200 Hz的采样率进行温度测量，每0.1 s (10 Hz)发送一个平均值到用户界面。软件应用程序将读数(每秒10个数据)保存到智能手机的存储器中，每分钟显示平均值。

最后，作者将其用于多功能系统中的生理检测。汗肌酐也有可能作为肾脏功能障碍的筛选标记物。汗液的pH值是代谢性碱中毒的一个指标。作者将相应的比色化学试剂(pH，葡萄糖，氯酸和肌酐)装载到皮肤界面微流控系统中，比色分析汗液氯化物/葡萄糖/肌酐/pH水平，以及排汗率和汗液体积，达到生理监测及治疗疾病的效果。

图4 在身体上测量的排汗率。

综上所述，作者报道了用于分析排汗率和皮肤温度的微型检测平台，利用电路将用于汗液监测的热感测模块与用于无线数据传输的BLE功能结合在一起，提供排汗率和汗液流失的实时信息。通过对用户，尤其是患者，实时监测，提醒用户做出适当反应，避免热应激和脱水的风险。该微型皮肤监测平台的设计并有望实现自动的监测和管理健康疾病，为日常运动的人群或相应疾病的患者提供帮助。