01 成果介紹

當(dāng)前，可穿戴汗液傳感器雖能測量總體出汗量，卻無法實(shí)時解析單個汗腺的微觀分泌事件（如脈沖式分泌頻率、密度及單次分泌量），尤其是在運(yùn)動等動態(tài)條件下。傳統(tǒng)皮膚電活動（EDA）測量雖推測皮膚電導(dǎo)（SkinG）的時相性尖峰對應(yīng)汗腺脈沖式分泌，但缺乏直接的原位可視化證據(jù)，且現(xiàn)有光學(xué)方法（如OCT、多孔成像膠囊）因設(shè)備笨重?zé)o法用于運(yùn)動場景。如何在運(yùn)動狀態(tài)下同時實(shí)現(xiàn)汗腺脈沖的直接光學(xué)可視化、皮膚電信號同步記錄及汗液速率測量，是闡明人體出汗調(diào)控機(jī)制的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為此，本研究受汗腺天然脈沖式分泌行為啟發(fā)，提出一種可穿戴光學(xué)-電學(xué)皮膚傳感平臺。該平臺通過將微型顯微鏡、螺旋金屬電極與微流控器件集成于定制化可穿戴裝置中，首次實(shí)現(xiàn)了靜止及運(yùn)動狀態(tài)下單個汗腺脈沖事件與皮膚電導(dǎo)時相性尖峰的直接原位關(guān)聯(lián)。微觀上，高分辨率成像捕捉汗液從腺管口脈沖式噴出的瞬態(tài)過程；宏觀上，同步電信號與微流控測量分別提供皮膚電導(dǎo)及總體汗液速率。該平臺展現(xiàn)出對脈沖密度（振幅線性相關(guān)，R2=0.92）、脈沖頻率（頻率線性相關(guān)，R2=0.94）及單次脈沖體積（通過公式計算）的精準(zhǔn)解析能力，揭示出汗腺先增加脈沖頻率、后調(diào)節(jié)脈沖體積的雙模式控汗機(jī)制，為自供能、高舒適可穿戴生理監(jiān)測系統(tǒng)提供了“微觀腺體-宏觀電信號”聯(lián)用的全新研究范式。

02 圖文導(dǎo)讀

圖1：光學(xué)-電學(xué)皮膚傳感平臺的概念與集成示意圖。
a：平臺原理圖（微型相機(jī)、螺旋電極、微流控器件協(xié)同工作）；b：可穿戴裝置的3D模型；c：裝置佩戴于人體的照片（比例尺1 cm）；d：裝置分解圖（頂視圖與底視圖）；e：基線（干燥皮膚、穩(wěn)定SkinG）與脈沖事件（汗液出現(xiàn)、SkinG尖峰）的同步對比。

圖2：靜止?fàn)顟B(tài)下汗腺脈沖與SkinG時相性尖峰的可視化關(guān)聯(lián)。
a：手指處靜止測試裝置示意圖；b：180秒代表性的SkinG記錄（兩個明顯尖峰）；c：對應(yīng)時刻的顯微圖像（0秒干燥表面，60秒首脈沖出現(xiàn)汗滴，100秒蒸發(fā)恢復(fù)，130秒第二脈沖），紅色實(shí)線圓（兩脈沖均激活）與藍(lán)色虛線圓（僅首脈沖激活）示蹤不同腺體行為（比例尺1 mm）。

圖3：靜止?fàn)顟B(tài)下SkinG尖峰幅度與脈沖腺體密度的相關(guān)性。
a：分類示例（低、中、高幅度尖峰及其對應(yīng)圖像，紅點(diǎn)標(biāo)記脈沖腺體，比例尺1 mm）；b：50分鐘內(nèi)的定量分析顯示線性相關(guān)性（R2=0.92），幅度隨脈沖腺體密度線性增加。

圖4：運(yùn)動過程中汗腺脈沖與SkinG尖峰的可視化關(guān)聯(lián)。
a：手腕處自行車運(yùn)動測試裝置示意圖；b：運(yùn)動起始階段30秒SkinG記錄；c：單個腺體的連續(xù)顯微圖像（0秒無脈沖，7秒脈沖伴隨尖峰，12-18秒無事件，19秒再次脈沖，比例尺0.1 mm），證實(shí)脈沖式分泌模式在運(yùn)動中持續(xù)存在。

圖5：運(yùn)動過程中SkinG尖峰頻率與脈沖頻率的相關(guān)性及多受試者驗(yàn)證。
a：30分鐘恒速騎行（20 km/h）實(shí)驗(yàn)方案（含3分鐘基線、5分鐘恢復(fù)）及6個腺體的脈沖頻率隨時間變化曲線；b：單個受試者SkinG尖峰頻率與脈沖頻率的線性相關(guān)性（斜率1.03，R2=0.94）；c：10名受試者的匯總數(shù)據(jù)（斜率0.97，R2=0.92），附受試者人口統(tǒng)計表（性別、年齡、皮膚類型、病史）。

圖6：運(yùn)動過程中汗液速率與腺體平均脈沖頻率及估計脈沖體積的關(guān)系。
a：20分鐘低速+10分鐘高速騎行實(shí)驗(yàn)中，SkinG tonic、汗液速率、腺體平均脈沖頻率的時間序列（脈沖頻率約10分鐘達(dá)平臺，汗液速率持續(xù)上升至28分鐘）；b：腺體平均脈沖頻率隨汗液速率先陡升后平臺（峰值~7 burst·gland?1·min?1）；c：根據(jù)公式Vburst=SweatRate/(ρland×fburst)Vburst=Sweat Rate/(ρland×fburst) 計算的估計脈沖體積（設(shè)ρland=191ρland=191 gland·cm?2），顯示極低速率時快速上升后線性增長，揭示雙模式調(diào)控機(jī)制。

03 結(jié)論與展望

本研究成功開發(fā)出一種可穿戴光學(xué)-電學(xué)皮膚傳感平臺，通過微型成像、電極與微流控的集成設(shè)計，首次在靜止及運(yùn)動狀態(tài)下直接驗(yàn)證了皮膚電導(dǎo)時相性尖峰即為汗腺脈沖式分泌的電學(xué)特征。該平臺定量揭示了脈沖腺體密度與SkinG尖峰幅度的線性關(guān)系（R2=0.92）、脈沖頻率與SkinG尖峰頻率的線性關(guān)系（R2=0.94），并利用汗液速率分解公式估算出單次脈沖體積，發(fā)現(xiàn)汗腺先提升脈沖頻率、再調(diào)節(jié)脈沖體積的雙模式控汗策略。未來工作可聚焦于光學(xué)與電子元件的微型化與柔性封裝，以實(shí)現(xiàn)長期、無擾的臨床監(jiān)測（如多汗癥、無汗癥診斷），并結(jié)合多波長光學(xué)探測同步分析汗液成分（鈉離子、皮質(zhì)醇、乳酸等），為個性化健康監(jiān)測提供更豐富的腺體層面生理信息。

原文鏈接：http://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2026/EECS-2026-10.html

來源：Wearable科研百寶箱