苏炳添是中国最耀眼的短跑明星，在今年东京奥运会上，以 9 秒 83 的成绩刷新男子 100 米的亚洲纪录，荣获了「苏神」的封号。

随后，在小米 MIX 4 发布之际，苏炳添又成为了小米品牌代言，以另一种姿态进入了科技互联网界。

而最近又因一篇论文，让他与这个圈子的交集进一步扩大。论文题为《科学训练辅助：柔性可穿戴传感器运动监测应用》，最初发表在《中国科学: 信息科学》上。

实际上，苏炳添还有另外一个身份：国家体育总局体育科学研究所/暨南大学/北京体育大学苏炳添副教授，也就是该论文的第一作者。

苏炳添与国家体育总局体育科学研究所/北京体育大学陈小平特聘研究员、暨南大学化学与材料学院李风煜教授共同完成了该论文的写作。

全文两万多字，基于我们的理解，将论文的主要内容提炼出以下两部分：

1、运动信号的类型（运动电生理信号、运动生物化学信号、运动生物姿态信号、生物组织动力学信号等）及其在运动监控过程的作用。

2、可穿戴运动传感器（基于电生理信号、基于电化学传感、基于光电容积描记运动传感器）的研究进展和评述。

我们将读者可能更加关注的上述第二部分的内容摘录出来，以传感器可检测到的运动信号类型为章节，参考微信公众号文章的阅读习惯和排版风格，对结构进行了重新编排和梳理。内容如有不专业之处，还望指正。

我们同时还整理了论文全文供读者下载，回复：「苏炳添」 可以获取。

致敬苏神！

PART I 概述

近几年我国以刘翔、苏炳添等为代表的运动员在短跑竞技中不断取得突破，在引进发达国家先进训练理念的同时，还系统性地引进先进的可穿戴式训练分析和评估仪器。

基于不同传感、分析原理设计的传感器，可以针对运动生理信号进行运动监测与科学分析。运动生理信号分类四类：

1. 运动生物化学信号（Biochemical signal），如：葡萄糖、乳酸、蛋白质、尿素

2. 运动电生理信号（Electrophysiological signal），如：心电信号、肌肉电信、脑电信号

3. 生物组织动力学信号（Tissue dynamics signal），如：血压、脉搏波速、心输出量

4. 运动生物姿态信号（Kinematic signal），如：步频、步长、动作幅度、关节角度变化

其中，运动生物化学信号、运动电生理信号和生物组织动力学信号主要用于衡量运动员的身体机能；运动生物姿态信号主要是对运动员的技术动作进行评价。

△ 可穿戴运动传感器概览：

(a) 多功能表皮电子测试系统（EES），可检测多种电生理信号

(b) 聚合物电极，可附着测试心电（ECG）和肌电（EMG）信号

(c) 光电容积描（PPG），用于心率检测

(d) 有机光电二极管，可用作光电血氧计

(e) 微流体电极，用于汗液电化学传感器监测

(f) 集成的电化学传感绷带，可实现实时、多底物的汗液分析

(g) 汗液收集贴片，用于运动期间的连续汗液监测

(h) 可穿戴电化学平台，用于生理指标监测

PART II 基于电生理信号的传感器

基于电生理信号的肌肉电监测

在短跑运动比赛过程中，肌电信号是监测较为常用的信号指标。

肌电信号采集方法是在运动员相关肌肉部位贴附表面电极，然后通过肌电采集系统进行实时无线数据传输，可以得到短跑运动员运动过程的实时数据。

传统的肌肉电信号采集方法是利用胶带或者绷带，在皮肤表面粘贴电极，然后通过导线连接到相应的分析传感设备。商业的肌电采集系统主要有美国 Noraxon、Delsys、 德国 FreeEMG 等系统。

这种方法存在几个问题：1）测量过程需要大量繁琐的设备，不利于实时监测运动过程中的肌电信号；2）所采用电极大多是刚性电极，与皮肤的贴合性不好。3）抗疲劳性差，不能实现重复监测。

针对电极与皮肤的贴合性问题，新加坡国立大学的欧阳建勇教授引入聚合物薄膜电极，实现皮肤在湿润条件下，电极仍能与皮肤实现良好的贴合。

△ 导电聚合物薄膜电极的制备过程

佐治亚理工学院的 Woon-Hong Yeo 教授提出了基于石墨烯、银、聚酰亚胺等多种纳米材料合成制备可拉伸的传感器，该方法打印制备的柔性电极，能够与皮肤形成良好的贴合，并在循环多次使用情况下，仍然能够采集具有高质量的信号。

△ 基于电生理信号原理传感器在肌电信号监测的应用：

(b) 采用打印石墨烯制备的柔性电极照片；

(c) 印刷电极的扫描电镜截面照片；

(d) 柔性电子器件用于肌电信号采集照片；

(e) 商业凝胶电极与打印电极采集肌电信号的信噪比对比图。

新加坡南洋理工大学的陈晓东教授采用水凝胶与 TPU-Au 导电复合材料制备的电极，具有机械柔软性以及高导电性，可以在运动电生理信号的监测获得质量稳定的信号，电极在 150 次循环使用后，采集信号的信噪比仍保持在 45dB，电极具有极佳的耐疲劳性。

基于电生理信号的脑电监测

在体育领域中，脑电信号用于反馈信息进行分析，可以训练运动员提高比赛过程专注能力。

苏黎世联邦理工学院的 Janos Vörös 教授提出了一种基于导电的软微柱聚合物电极，实现脑电信号高质量采集。

延世大学的 Jeong Ho Cho 教授等所研究的三维多孔导电网络结构（3D OCS）具有柔性、轻便性、导电性、高分辨率等特点。

△ 基于电生理信号原理传感器在脑电信号监测的应用：基于 3D 打印材料与柔性材料结合的高灵敏度的可穿戴传感器

将该传感器应用到脑电信号的监测，可以监测出不同阶段（快速眼动睡眠阶段、非快速眼动睡眠阶段、舒适阶段）的脑电信号原始数据。对数据进行一维快速傅里叶变换和多维小波分解法处理，可以有效区分三种睡眠阶段。

该研究可以对运动员的睡眠状态进行全程监测，为提高运动员睡眠质量及制定体能恢复计划提供科学依据。

△ 基于电生理信号原理传感器在脑电信号监测的应用：通过传感器监测不同状态下的脑电信号

基于电生理信号的心电监测

在运动电生理信号监测中，心电信号监测相对较为容易。

目前，在可穿戴器件应用较为广泛的电极为 Ag/AgCl 凝胶电极， 但存在以下两个难以解决的问题：1）在佩戴过程，与皮肤进行长期接触的部位会出现过敏现象， 2）在运动过程中，会产生汗液，导致与皮肤接触不好，皮肤表面阻抗增大，导电性下降。

南洋理工大学的陈晓东教授以丝素蛋白和聚吡咯进行界面聚合制备出具有生物相容性的复合电极，能够与皮肤实现很好的贴合。该电极制备的可穿戴器件可以实现连续两小时稳定监测心电信号。

受贻贝启发，鲁雄教授等团队研发采用自组装修饰氧化石墨烯模板的方法，制备导电水凝胶用于电生理的监测。

基于心电信号监测也被应用在游泳、跳水、潜水等水下项目的相关研究，但通常贴合皮肤的柔性电极因导电性及稳定性减弱，并不完全适用于水下运动员的运动监测。

天津大学的杨辉教授提出了防水水下电极的结构, 实现在水下监测人体的心电信号。与传统商业凝胶电极相比，该电极采集的水下心电信号质量更灵敏、稳定。该方法为实现在水下环境监测电生理信号提供了新思路。

△ 基于电生理信号原理传感器在心电信号监测的应用：防水 PDAM 聚合物涂层用于连接皮肤与电极之间的桥梁（左）；在水下环境下，采用 DAM 电极监测人体心电信号（右）

PART III 基于光电容积描记法传感器

基于 PPG 传感器的心率监测

心率是最为重要的人体体征信息。心率的监测主要有两种方法。一种是基于 ECG 黄金标准法，另外一种是基于 PPG 原理的方法。

目前，大部分商用智能手表、健康监测手环都是采用非侵入式光电容积描记法（PPG）监测血容量的变化。

△ 苹果自 Apple Watch Series 4 起升级了心率传感器，精度提升 | 备注：插图由「深圳湾」编辑基于网络获取，未经作者核实。

光电传感器主要由两部分组成包括发光二级管和光电探测器，利用 LED 灯发出黄、绿、红不同波长的光，经过皮肤组织的投射、反射，由光电探测器对所获得的光信号转成电信号，对数据进行处理、分析，实现对人体的心率、心率变异性、血氧饱和度、乳酸阈值等生理信号进行监测和分析。

△ 基于光电容积描记法（PPG）原理传感器的结构以及监测过程的原理

目前，市面上销售的 PPG 传感器，体积较大、材质坚硬，不适合长期佩带。另外，佩戴者在剧烈运动或者有强烈的环境光噪声干扰时，严重影响光电传感器提取生理信息的准确性，进而影响相应信号监测。

香港中文大学的赵铌教授研制了超薄柔性近红外光表皮电容积脉搏波（PPG）传感器，应用于心率、脉搏、血压等生理信号检测，首次搭建了柔性生物传感器的生理信号检测平台，可以解决运动过程中产生的运动伪影导致的采集光电信号数据失真的问题。

△ 有机光电晶体管的实物照片以及结构

超轻薄可穿戴传感器可以解决电极材料的重量体积问题，同时也解决皮肤的贴合性问题。

西北大学 Rogers 教授团队研发的设备可以在指甲片上安装柔性薄膜光电传感器，进行心率等生理信号的实时监测。这种方法减少了运动过程中发生的运动伪影导致信号衰减问题，采集的数据失真较小，能够长期心率监测，准确性较高。

△ 基于光电容积描记法（PPG）传感器在心率检测的应用

当运动员在进行中高强度运动，运动伪影产生信号与心率信号的频率与幅度发生重合，导致 PPG 的心率信号提取受到影响。

针对这一问题，Motin MA 等人提出了一种基于维纳滤波的算法，在高强度运动情况下，从 PPG 信号进行提取信号，并估算此时心率情况。这一方法通过深度学习，实现对采集的信号进行数据处理，提取有效的特征值，进而获得高质量的信号。

基于 PPG 传感器的心率变异性监测

心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）是指逐次心跳周期差异的变化情况。HRV 能够反映神经系统健康的重要标志。

HRV 的监测方法主要是检测人体心电信号的心脏搏动区间。传统的监测方法主要通过 ECG 的信号采集来实现 HRV 的检测，但是采集的方法较为复杂繁琐。

随着单点光学传感器的不断发展，光电容积描记法技术（PPG）得到快速发展，HRV 的数据可以通过基于 PPG 原理的传感器连续两次收缩期脉冲之间的时间间隔来提取数据，即脉冲变异性（Pulse Rate Variability，PRV）。

基于 PPG 原理传感器的便携性以及可穿戴的优点，它将成为 HRV 的主要监测方法。

△ 华米新一代 BioTracker 3.0 PPG 传感器可实现心率变异性监测，并对异常进行提醒 | 备注：插图由「深圳湾」编辑基于网络获取，未经作者核实。

为了评价基于 PPG 原理传感器的数据可靠性，Plews 及其团队采用基于 PPG 原理传感器、Polar H7 以及心电图（ECG）三者获得的 HRV 数据的准确性和有效性进行比较。结果表明，基于 PPG 原理测量的数据与其他方法的差值均方根值具有一致性。

基于 PPG 传感器的血氧饱和度监测

血氧饱和度是血液中氧合血红蛋白占所有血红蛋白的容量百分比，反映血液中的血氧的浓度。

光电容积描记法（PPG）利用氧合血红蛋白以及脱氧血红蛋白对不同光的吸收能力不同，利用波长为 600-700nm 的红光以及波长为 800-1000nm 的近红外光照射皮肤组织，所得到的 PPG 信号，通过计算两种光源下的 PPG 信号的 DC 分量和 AC 分量，得出两种组份的比值，用以表达血氧饱和度。

由于不需要进行采血操作，基于 PPG 原理是目前最常用的血氧饱和度监测的方法。

△ Apple Watch Series 6 用于血氧监测的传感器 | 备注：插图由「深圳湾」编辑基于网络获取，未经作者核实。

针对便携、可穿戴式、高灵敏的血氧监测，韩国先进科学技术研究所电气工程学院的 Seunghyup Yoo 教授提出了一种基于反射贴片式超低功耗脉搏血氧传感器。传感器由柔性有机发光二极管和有机光电二极管组成。

该传感器巧妙设计将半径为 0.4mm 的红色 OLED 灯以及绿色 OLED 灯并排放置在柔性 PET 基底，并将有机光电二级管（Organic Photodiode，OPD）以「8」字分布在 OLED 灯周围，这样设计确保 OLED 灯发射光源可以大部分聚集到 OPD 器件上。

该结构的设计有利于与其他模块的传感器结合，形成多模块监测系统。该传感器的平均功耗为 24mw，满足低功率长期监测血氧饱和度的要求。

△ 基于 PPG 可穿戴传感器在血氧饱和度检测的应用，红绿两种 OLED 灯亮度与外量子效率特征曲线

美国西北大学的 John A. Rogers 教授提出了一种无线状态下的有源光电子系统，制备超薄、超轻的可穿戴器件，进一步解决了血氧饱和度可穿戴器件的能量供给问题。

针对运动伪影而导致的 PPG 监测准确性问题，Lin 及其团队采用黄金标准方法 ECG 与基于 PPG 原理监测 HRV 的数据差异性。实验结果表明：在休息状态下，基于 PPG 原理测量的数据与 ECG 方法具有较好的一致性，但是在运动等外界刺激情况下，一致性有所下降，这可能是由于运动伪影导致的结果。

基于 PPG 传感器的乳酸阈值监测

基于 PPG 原理传感器除了可以实现心率、心率变异性、血氧饱和度的监测外，还可以进行乳酸阈值的测定。

乳酸阈值是指当运动强度达到某一强度值，乳酸在血液中以指数形式积累时的起点。

BSXinsight 公司 2014 年开发出可穿戴式乳酸阈值传感器，包含一个 LED 发光装置和一个光检测器。光线会射入肌肉，部分光线会反射回来被检测器接收。光信号经过光电二级管转换成电信号，通过相关检测单元，最后输出乳酸阈值数据。

△ 世界上第一个可穿戴的乳酸阈值传感器 | 备注：插图由「深圳湾」编辑基于网络获取，未经作者核实。图源：https://www.prologuecycling.com/bsx-insight-worlds-first-wearable-lactate-threshold-sensor/

△ BSX Insight 设备有三个版本：跑步版、骑行版和多运动版（同时进行跑步和骑行）。都是一样的硬件，只是软件不同。上图分别为硬件和软件展示的数据。| 备注：插图由「深圳湾」编辑基于网络获取，未经作者核实。图源：https://www.dcrainmaker.com/2016/01/insight-depth-review.html

总而言之，基于 PPG 原理监测心率、心率变异性、乳酸等可以集成到同一个传感器，实现多种体征指标同时监测。

此外，通过建立大数据库，利用信号处理以及人工智能算法分析，也可以在一定程度上可以减少运动伪影，从而针对性的提取制定的体征信号。

但是该方法的计算成本较高，局限性较大，只能通过算法估算体征信号。所以如何有效的解决基于 PPG 原理传感器的运动伪影还将是今后研究人员的研究的主题。

PART IV 基于电化学传感器

基于电化学生物传感器的汗液乳酸检测

乳酸是无氧糖酵解的最终产物，当供氧不足时，乳酸堆积，从而导致乳酸酸中毒。

目前传统的乳酸检测的主要方法是通过采集人体的血样或者活检等破坏性介入检测。M. Baruzzi 等团队开发了一种基于血液检测的安培乳酸传感器，实现了对血液乳酸的检测。

△ 一种侵入式血乳酸监测传感器的结构

但由于血液采集比较麻烦，不利于实时监测。研究表明，汗液乳酸还可以作为组织受损的预警指标，有望在运动科学领域发挥更重要的作用。

△ 基于电化学生物传感器对乳酸分子监测的应用：运动实时汗液乳酸监测

汗液乳酸的测定可以为血液乳酸测定提供了一种无创的检测方法，而汗液乳酸与血液乳酸有何关系？

Karpova 以及团队的研究结果表明：在高强度的运动情况下，运动区域肌肉的汗液乳酸增加的同时，血液的乳酸含量有所增加；另外，肌肉收集的汗液乳酸变化率与血液乳酸水平呈正相关，不同区域肌肉收集汗液乳酸与血液乳酸相关性不同。

△ 基于非侵入式的电化学生物乳酸传感器, 用于实时连续监测汗液乳酸动态变化

针对可穿戴传感器而言，基于电化学生物传感器检测乳酸含量，目前应用较为广泛。

加州大学 Wenzhao Jia 等人第一个提出基于柔性打印的纹身电极电化学传感器用于汗液乳酸的检测，由于无创的乳酸检测对实际运动比赛具有重要意义，引起了世界各国科研工作者广泛研究。

△ 用于实时无创监测人体排汗乳酸的电化学纹身生物传感器 | 备注：插图由「深圳湾」编辑基于网络获取，未经作者核实。图源：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23815621/

加州大学伯克利分校的高伟教授提出了一种实时可穿戴汗液分析传感阵列（flexible integrated sensing array，FISA)，可以实现选择性筛选汗液中的各种代谢物以及电解质，将乳酸氧化酶固定在壳聚糖渗透膜上，通过传感器产生的电流与代谢产物成比例关系，进行乳酸浓度分析。

由于该传感阵列抗干扰能力较强，且在外界情况的影响下依旧能够保持较好的机械性能和稳定性，有望应用在体育运动的监测。

△ 用于多路复用原位汗液分析的集成的可穿戴传感器阵列 | 备注：插图由「深圳湾」编辑基于网络获取，未经作者核实。图源：https://www.nature.com/articles/nature16521

加州大学的 Joseph Wang 教授开发了一种集成多功能眼镜传感器，可以实时地对人活动过程中汗液中的电解质和代谢产物检测。

通过将乳酸传感器集成到眼镜的鼻梁垫中，实现对运动过程中的乳酸的监测，并且还可以在运动过程期间通过无线的模块实时传送数据。

由于其便携且佩戴舒适的特点，有望成为应用到运动员实际比赛的运动监测设备。

△ 用于监测汗液电解质和代谢物的眼镜化学传感平台 | 备注：插图由「深圳湾」编辑基于网络获取，未经作者核实。图源：https://professorjosephwang.com/index.php/research/

澳大利亚莫纳什大学程文龙教授提出了一种可穿戴智能纺织乳酸生物传感器，可以集成进运动装备，实现全方位、长时间的监测。它具有柔性、便携性、贴敷式、灵敏度高的特点，可以在高达 100% 的高拉伸应变情况下保持性能不变。

除了实现汗液中乳酸的监测外，同时检测多种汗液成分以及获取更有价值的生理指标一直是科学工作者的研究方向。

美国西北大学 A.Rogers 等人开发了一种柔性微流控多功能比色汗液检测平台，该平台除了可以实现汗液中的乳酸监测，还可以进行汗液温度监测、出汗率、氯离子和葡萄糖的检测。该平台特 点是对收集汗液的毛细破裂阀进行优化，使汗液流通到各个的微通道中，实现平台在各物质检测与监测互不干扰。

△ 基于多功能的比色汗液分析微流控装置，实现汗液中多成分的监测

基于电化学生物传感器的汗液葡萄糖监测

汗液在检测葡萄糖具有独特的优势。血液的葡萄糖水平与非侵入式生物体液的葡萄糖水平具有一定相关性，所以可以通过监测汗液、组织液、泪液、唾液的葡萄糖水平评价人体血糖的水平。

目前，该方法运用到实际仍有些问题亟需解决：1）采集汗液中葡萄糖的数据难以保证高保真度，由于绝大多数传感系统都是通过平面内互联或者采用刚性连接器构成的，在运动过程中会导致信号采集不稳定；2）在较低葡萄糖浓度下，传感器的灵敏度较差；3）大多数电化学传感器在实验室条件下具有良好的性能，但是器件在实际场景的性能不稳定，无法满足运动员的需求。

加州大学洛杉矶的 Yichao Zhao 等人研发了一种集成多功能的智能手表，具有汗液采样、电化学传感、葡萄糖检测等功能，能实现在高强度的运动条件进行物质检测。

该智能手表的核心部分为独立式电化学传感系统（Freestanding Electrochemical Sensing System，FESS），该系统具有双面粘合性，可以实现皮肤与电子器件的完好贴合。

△ FESS 电化学传感系统设计、原理、性能

基于电化学生物传感器的唾液葡萄糖监测

唾液是由唾液腺产生的生物体液，其成分蕴含丰富的生理指标。唾液中的葡萄糖含量与血液中葡萄糖含量也具有相关性。唾液检测葡萄糖同样具有采样便捷、灵活的优势。

东京医科齿科大学的 Takahiro Arakawa 等提出了一种采用醋酸纤维素膜（CA）作为干扰膜的葡萄糖传感器。将 CA 膜涂敷在电极表面上，由于 CA 膜含有较大的醋酸基团，可以产生尺寸效应和静电斥力，从而减少唾液中抗坏血酸（AA）和 尿酸（UA）等干扰物质对测定的干扰（见图 7b）。开发基于 Android 操作系统的移动终端应用程序集成到传感器，可实现唾液中葡萄糖含量的无线实时监测.

△ 用于唾液中葡萄糖检测的可穿戴牙套电化学传感器

基于电化学生物传感器的泪液葡萄糖监测

泪液同样是一种可以反映各种生理状态的生物液体，泪液的主要组分有蛋白质、电解质、葡萄糖、代谢产物以及水，泪液中的葡萄糖含量同样与血液的葡萄糖含量密切相关。

英国帝国理工学院的 Rosalia Moreddu 等人提出了一种纸基微流控芯片集成到隐形眼镜中，可以实现泪液中葡萄糖、蛋白质分子的检测。该传感器可以在 35s 内检测到人造泪液中的葡萄糖浓度发生微小变化。该研究可以解决泪液检测取样困难，泪液易受到外界污染以及泪液分析方法复杂等缺点。

哈佛大学的 Yunlong Zhao 等人研发了一种基于 MoS2 晶体管的集成式隐形眼镜的传感器系统。将制备超薄 MoS2 晶体管蛇形网状传感器系统，直接集成到软性隐形眼镜。该传感器对于血糖监测具有高灵敏度、快速响应的优点。

韩国光州科学技术学院 Euiheon Chung 等人通过提出了一种基于纳米颗粒嵌入隐形眼镜片，通过监测比色隐形镜片的颜色变化，实现泪液葡萄糖检测。基于光学监控系统与图形处理算法相结合，实现了血糖水平的可视化过程。

图形处理算法的引入，使检测的精度大大的提高。采用微孔板分光光度法与该方法检测的相关性为 0.82。目前，泪液的检测都是通过采集人体泪液间接估算原位泪液小分子相对浓度，实现可穿戴式泪液葡萄糖的检测是未来的研究方向。

△ 泪液中葡萄糖的监测: 基于光学摄像系统与智能算法结合, 隐形眼镜嵌入纳米颗粒颜色变化确定泪液葡萄糖含量

基于电化学生物传感器的组织液葡萄糖监测

组织液占细胞外液 3/4，其他大多数细胞外液为血浆。组织液存在大部分真皮，唾液腺、汗腺当中，具备实现连续监测的条件。组织液在非侵入式生物液体中，其葡萄糖含量检测技术是较为成熟的。这主要是组织液的葡萄糖浓度与血液的葡萄糖浓度一致性较高。

英国巴斯大学的 Adelina Ili 教授等人提出了一种基于石墨烯薄膜和丝网印刷技术，采用柔性弹性体作为衬底，制备出微型像素器件阵列用于检测组织液葡萄糖。

该阵列主要由葡萄糖氧化酶水凝胶储层库、电化学葡萄糖传感器、微型电极组成，通过对石墨烯表面修饰纳米 Pt，实现检测灵敏度提高，能够实现 6 小时连续葡萄糖监测。

另外，为了进一步提高传感器的续航能力以及传输数据能力，实现长期监测体内葡萄糖的浓度。加州大学圣地亚哥分校 Joseph Wang 等人提出了一种无线传输电化学传感器用于组织液间葡萄糖监测。

该传感器主要由无线数据传输电极、基于丝网印刷电极以及电化学传感器组成。其中丝网印刷电极用于反向电渗法提取组织液中的葡萄糖。实验表明，该器件实现长达 8 小时组织液中葡萄糖的监测。另外，还监测了食物摄取后，葡萄糖浓度的动态变化过程。由于该传感器的性能优异且成本低，有望成为下一代的无创葡萄糖检测设备。

△ 组织液中葡萄糖的监测: 一种基于非侵入式组织液葡萄糖检测传感器的原理、性能

PART V 总结

运动监控是一个复杂多维度的分析过程，因而运动员训练监控需要一个庞大的运动监控系统进行支撑，运动监控需要对相关的生理指标进行一个量化与分析的过程。这个过程需要不同类型传感器的协调运作，各自发挥相应的作用。每种类型传感器的性能提升，将会对整个运动监控系统性能提供跨越式提高。

随着各学科领域交叉融合，传感器的性能、功能都得到显著的提高。

基于电生理信号的传感器

基于电生理信号的传感器可以采集质量较高的电生理信号，用于各类运动分析。其中，采集高质量信号的关键是电极。电极的结构以及设计是否合理直接影响采集信号的信噪比。电极最好同时具备生物相容性、柔软性、粘合性、导电性、透气性等性质。

但是，目前电极很难同时满足以上的性质，这也将是未来技术亟需攻克的难题。

另外，基于电生理的传感器针对某一生理信号进行监测准确性较高，如脑电信号、肌电信号、心电信号等，但是如需实现多信号同时采集，则需要解决不同的电生理信号的频率不同、电极性质差异性等科学问题。

随着智能制造的发展，传感器将变得更加多元化、集成化，通过不同功能的传感器集成阵列，将有望解决传感器单一因素检测的问题，有利于实现多元运动监控。

基于光电容积描记法传感器

基于光电容积描记法传感器，可以实现多项生理指标的监测，比如血氧饱和度、心率、心率变异性等。基于其便携性、灵活性的优势，目前被广泛应用于体育运动、医疗监测等领域。

但是，在高强度训练中的信号稳定性和可靠性都会大打折扣，所以对于基于 PPG 原理的传感器提出了更高的要求，需要解决以下问题，才能有望实现实际运动的监测。

• 电极问题：电极与生理界面的贴敷问题是导致运动伪影主要原因。一方面，通过对电极的设计，制作更轻薄的电极，实现与皮肤贴附；另一方面，利用高粘高分子的表面界面与皮肤实现完好粘合。

• 器件设计问题：外界环境光的干扰同样会造成运动伪影。器件的有效布局，可以减少外界环境光信号对于 PPG 反射信号的采集。

• 器件间的干扰：基于 PPG 原理的传感器是由无线数据传输模块、传感器以及电极等，各个器件由于会存在一定频率的干扰，会对 PPG 信号采集产生一定影响。

• 数据处理方法：随着人工智能不断发展，可以借助人工智能，对采集的数据进行处理，实现 PPG 数据分析。但是算法的正确率仍有待提高。

基于 PPG 原理的生理体征监测，目前应用范围有比较大局限性，实现高强度运动的监测，还需要解决很多的问题。不过随着可穿戴传感器的不断发展，以上的问题都能得到有效的解决。

基于电化学传感器：

基于电化学传感器已经广泛应用到生物化学分子的检测，在葡萄糖、乳酸分子等检测较为普遍，尤其是采用无创检测取得较大的进步。在运动训练监测方面具有重要的意义，可以实现运动员生理指标的定量分析。

但是，在某些生理指标检测与传统的血样生化分析准确性仍然存在差距，另外还需要解决不同检测物之间存在的干扰导致灵敏度下降等问题。今后的电化学传感器应该往高灵敏度、宽检测范围、多底物分析、柔性可穿戴方向发展。

主笔：陈壹零 / 深圳湾

编辑：陈述 / 深圳湾