蘇炳添又發(fā)論文了

蘇炳添又發(fā)論文了

近日，蘇炳添等人在《中國科學(xué)：信息科學(xué)》發(fā)表了評述文《科學(xué)訓(xùn)練輔助：柔性可穿戴傳感器運動檢測應(yīng)用》。

該文從運動員訓(xùn)練中對各種體征信號采集、分析的需求出發(fā)，綜述了近些年來柔性電子、光電可穿戴傳感器的最新研究進展，介紹了不同種類的運動信號檢測方法，包括生物電位信號監(jiān)測、電化學(xué)傳感監(jiān)測、光電容積描記法監(jiān)測等，為我國運動員與體育工作者提供最新、最前沿的可穿戴傳感器技術(shù)總結(jié)，為制定更為精準、可量化的科學(xué)訓(xùn)練方法與理論提供知識與技術(shù)支持。

蘇炳添，1989年8月29日出生于廣東省中山市，廣府人，中國男子短跑運動員，暨南大學(xué)體育學(xué)院副教授，碩士研究生導(dǎo)師，暨南大學(xué)2017屆國際經(jīng)濟與貿(mào)易專業(yè)碩士研究生、北京體育大學(xué)體能訓(xùn)練學(xué)院博士研究生。男子60米、100米亞洲紀錄保持者。

以下為論文全文：

科學(xué)訓(xùn)練輔助：柔性可穿戴傳感器運動檢測應(yīng)用

競技體育是國家體育發(fā)展水平的核心競爭力?，F(xiàn)代競技體育訓(xùn)練追求運動成績不斷提高，高水平運動員越來越依賴科學(xué)定制的個性化訓(xùn)練規(guī)劃。隨著柔性電子、多功能器件集成、人工智能等技術(shù)不斷進步，運動傳感器逐漸向智能化、多元化、微型化、柔性可穿戴化發(fā)展，可以對運動員訓(xùn)練過程產(chǎn)生的信號進行全方位、多角度、多層次采集，通過構(gòu)建高水平運動員運動數(shù)據(jù)庫，運用大數(shù)據(jù)分析，實時監(jiān)控運動員的各項生理指標，預(yù)測運動員訓(xùn)練存在的風(fēng)險，進行合理規(guī)避運動損傷，為運動員以及教練團隊提供科學(xué)化的訓(xùn)練方案。國家體育總局體育科學(xué)研究所/暨南大學(xué)/北京體育大學(xué)蘇炳添副教授（第一作者）、國家體育總局體育科學(xué)研究所/北京體育大學(xué)陳小平特聘研究員、暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院李風(fēng)煜教授合作從運動員訓(xùn)練中對各種體征信號采集、分析的需求出發(fā)，綜述了近些年來柔性電子、光電集成傳感器的最新研究進展，介紹了不同種類的運動信號檢測方法，包括生物電位信號監(jiān)測、電化學(xué)傳感監(jiān)測、光電容積描記法監(jiān)測等。為我國運動員與體育工作者提供最新、最前沿的可穿戴傳感器技術(shù)總結(jié)，為制定更為精準、可量化的科學(xué)訓(xùn)練方法與理論提供知識與技術(shù)支持，推動我國“體育強國建設(shè)”。相關(guān)論文以“科學(xué)訓(xùn)練輔助：柔性可穿戴傳感器運動監(jiān)測應(yīng)用”為題，發(fā)表在《中國科學(xué): 信息科學(xué)》上。

1 引言

百米短跑被譽為競技體育“皇冠上的寶石”, 是國家在體育發(fā)展水平的核心競爭力. 近幾年我國以劉翔、筆者蘇炳添等為代表的運動員在短跑競技中不斷取得突破, 在引進發(fā)達國家先進訓(xùn)練理念的同時, 系統(tǒng)性的引進 Freelap 計時系統(tǒng)、Keiser 力量訓(xùn)練、BSXinsigh、肌氧監(jiān)測、Polar 心率監(jiān)測、Cosmed 氣體代 謝監(jiān)測等先進的可穿戴式訓(xùn)練分析、評估儀器. 通過內(nèi)部的傳感器實時檢測和反饋人體活動，對肌肉發(fā)力、 速度、身體協(xié)調(diào)性等訓(xùn)練效果進行評估，同時對呼吸、心率、肌氧、血乳酸等體征信息進行量化的實時監(jiān)測與分析, ?監(jiān)測運動員疲勞度, ?防止訓(xùn)練損傷, 制定科學(xué)的體能恢復(fù)與訓(xùn)練計劃. ? 生化傳感主要是監(jiān)測生物化學(xué)信號比如神經(jīng)信號、化學(xué)物質(zhì)等[1-3], 并將其轉(zhuǎn)化為可分析數(shù)字化信號. 運動傳感是監(jiān)測人的體表微 動或全身運動, 比如脈搏跳動、心率、關(guān)節(jié)活動、肌肉活動等[4-8], 并將其轉(zhuǎn)化為電信號等數(shù)據(jù)化信息. 可穿 戴傳感器是決定當(dāng)前智能設(shè)備功能的關(guān)鍵單元[9-13]. 短跑運動員在后程跑的訓(xùn)練中（后程降速問題是目前 我國短跑相比于世界頂級運動員的關(guān)鍵短板）, 需要針對 80-90 米處的步長、步頻、觸地時間、爆發(fā)力進 行精細定量分析的同時, 更需要對運動員的呼吸、血乳酸、肌電等生物體征信號進行全程實時紀錄與分析. 現(xiàn)有的基于視頻技術(shù)的動作分析在發(fā)力、體征監(jiān)測方面無法進行量化分析, 而目前的爆發(fā)力、呼吸、乳酸、 血氧飽和度、肌電等體征監(jiān)測設(shè)備佩戴舒適性差、靈敏度低, 無法實時監(jiān)測運動員自由狀態(tài)下的體征信息, 也無法獲取準確信息, 從而嚴重影響訓(xùn)練效果.

研究調(diào)查表明, 可穿戴市場份額每年能到達 350 億美元. 隨著市場不斷擴大, 預(yù)計 2020 年我國的可穿 戴傳感器設(shè)備市場將達到 767.4 億元. 然而, 根據(jù)上海體育學(xué)院與美國運動醫(yī)學(xué)學(xué)會共同發(fā)布的《2019 中國健身趨勢》發(fā)現(xiàn)[14-15], 可穿戴設(shè)備關(guān)注度明顯下降, 原因主要是：1）市場同類產(chǎn)品多, 但功能單一；2） 市場推廣的可穿戴設(shè)備材料多為硬性材料, 佩戴舒適性差；3）現(xiàn)有可穿戴設(shè)備的檢測靈敏度、準確性不高, 不能給出體征關(guān)聯(lián)性等更深層的體征信息. 隨著柔性電子、微加工封裝技術(shù)、大數(shù)據(jù)人工智能等新技術(shù)的 巨大進步, 柔性可穿戴傳感設(shè)備獲得了極大促進與蓬勃發(fā)展. 傳感器逐漸向微型化、集成化、智能化、多元 化的方向發(fā)展.

在運動過程中, 人體會產(chǎn)生各種類型的運動生理信號. 常見的運動生理信號包括運動生物姿態(tài)信號、 電生理信號、分子標記的生物化學(xué)信號、生物組織動力學(xué)信號等[16]. 不同類型的信號蘊含著特定的生理特 征與身體信息, 通過對這些信號的實時監(jiān)測, 實現(xiàn)運動員的訓(xùn)練效果與身體狀況客觀的評價. 本文針對運 動監(jiān)測特別是競技訓(xùn)練輔助的巨大需求, ? 通過總結(jié)近年來可穿戴柔性傳感器相關(guān)的新技術(shù), ?及其在電生理（Electrophysiology）[17]、光電感知（Photoelectric sensing）[18]、生物分子（Biochemical molecule）[19]等信 號檢測分析的應(yīng)用. 另外, 還概述國內(nèi)外柔性可穿戴傳感器在生理信號監(jiān)測的應(yīng)用最新研究進展, 針對目 前運動員還無法同時進行多項生理指標的監(jiān)測, 提出目前學(xué)術(shù)界的最新解決方案, 為相關(guān)科研技術(shù)轉(zhuǎn)化成 產(chǎn)業(yè)化提供相應(yīng)的指導(dǎo)建議, 促進科研成果的轉(zhuǎn)化（如圖 1）. 另外, 為運動員制定更為科學(xué)、詳細的訓(xùn)練 計劃, 提供合理的技術(shù)指導(dǎo), 推進運動輔助系統(tǒng)不斷完善, 通過實時監(jiān)控運動生理信號, 從而實現(xiàn)運動員 訓(xùn)練水平提高[20].

圖 1. ?基于不同傳感、分析原理設(shè)計的傳感器，針對運動生理信號進行運動監(jiān)測與科學(xué)分析. (a) ?多功能表皮電子測試系統(tǒng)（EES）可檢測多種電生理信號, [21] (b) 聚合物電極可附著測試心電（ECG）、肌電（EMG）信號, [22] (c) 光電容積描（PPG） 用于心率檢測, [23] (d) 有機光電二極管可以用作光電血氧計, [24] (e) 微流體電極進行汗液電化學(xué)傳感器監(jiān)測, [25] (f) 集成的 電化學(xué)傳感繃帶可實現(xiàn)實時、多底物的汗液分析, [26] (g) 在運動期間，汗液收集貼片用于連續(xù)汗液監(jiān)測,[27] (h) 可穿戴電化 學(xué)平臺用于生理指標監(jiān)測[28].

2 ?運動信號類型

高水平運動員能夠取得優(yōu)異的成績, 主要取決于：首先, 制定及完善科學(xué)的訓(xùn)練方案, 設(shè)立專業(yè)的訓(xùn)練 團隊, 根據(jù)高水平運動員個體的身體特征、體能狀況, 及時調(diào)整自身訓(xùn)練方案；其次, 基于完整及科學(xué)化的 訓(xùn)練監(jiān)測設(shè)備, 對運動員的生理指標進行分析, 糾正運動姿態(tài), 制定合理訓(xùn)練計劃, 判定個人對訓(xùn)練的適 應(yīng)性與不良反應(yīng)等, 最大限度地避免疲勞受傷的發(fā)生, 從而提高運動員整體的競技水平[29]. 通過對運動過 程中產(chǎn)生各種類型信號的實時監(jiān)控, 可以得出運動員的不同體征與生理信息, 根據(jù)信號類型可以分為：運 動生物化學(xué)信號（Biochemical ?signal）、運動電生理信號（Electrophysiological signal）、運動生物姿態(tài)信號（Kinematic signal）、生物組織動力學(xué)信號（Tissue dynamics signal）, （如圖 2 所示）. 其中, 運動生物化 學(xué)信號、運動電生理信號和生物組織動力學(xué)信號主要用于衡量運動員的身體機能；運動生物姿態(tài)信號主要 是對運動員的技術(shù)動作進行評價. 優(yōu)秀運動員的運動信號數(shù)據(jù)進行采集整理, 構(gòu)建高水平運動員運動信號 數(shù)據(jù)庫；利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù), 為每個運動員提供最為合理的訓(xùn)練計劃, 全面提高運動員的競技水平, 推進 相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展.

運動生物化學(xué)信號（Biochemical signal）是指在人體運動過程中, 人體機能各項生化指標變化產(chǎn)生的信 號. 從分子層面, 如葡萄糖[30]、乳酸[31]、蛋白質(zhì)[32]、尿素[33]等進行分析, 通過研究相應(yīng)化學(xué)成分的含量變 化規(guī)律, 反映運動員運動過程的機能變化、能量代謝等生理信息. 在運動訓(xùn)練監(jiān)控領(lǐng)域中, 葡萄糖和乳酸是 目前最為常見的生物化學(xué)監(jiān)測信號. 這兩種成分分布在人體的各種生物體液中, 如血液、汗液、組織液、唾 液、淚液等, 且較為容易采集與檢測；同時, 這兩種小分子的檢測對于判斷運動員的訓(xùn)練狀態(tài)具有重要意 義. 葡萄糖是衡量運動員訓(xùn)練負荷狀態(tài)的主要指標, 通過監(jiān)測葡萄糖濃度變化, 可以實時評價運動員體能 狀態(tài), 為運動員提供合理化訓(xùn)練方案. 乳酸是糖原在無氧條件下酵解供能的代謝產(chǎn)物, 乳酸積累是運動員 肌肉疲勞、疼痛的一個重要因素, 乳酸是衡量無氧能力的大小, 也是評價訓(xùn)練或比賽強度的一個重要指標. 通過對乳酸的監(jiān)測可以實現(xiàn)運動員的疲勞狀態(tài)科學(xué)評估. [34-36]目前, 專業(yè)運動員的生化指標監(jiān)測方法主要 是通過采用生化分析儀、血乳酸儀、氣體代謝儀等. 主要是采取運動員在訓(xùn)練前后以及高強度比賽后的血 液樣品, 進行相關(guān)生化指標分析, 從而了解運動員的身體狀況. 該方法是目前體育領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛且準 確的. 此方法只能實現(xiàn)訓(xùn)練前后生化指標水平的監(jiān)測, 但無法實現(xiàn)動態(tài)持續(xù)的監(jiān)測, 導(dǎo)致無法獲取運動員 在運動過程中實時的身體狀況. ?如何實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測運動過程中的動態(tài)生化指標, 是目前亟需解決的問題.

圖 2. 基于運動電生理信號、運動生物姿態(tài)信號、生物組織動力學(xué)信號、運動生物化學(xué)信號進行運動生理體征監(jiān)測.

運動電生理信號（Electrophysiological signal）是在運動過程中, 人體各種細胞和組織, 尤其是神經(jīng)元和 神經(jīng)元組織產(chǎn)生的動作電勢的總和[37-38]. ? 主要包括腦電信號、心電信號、肌肉電信號等. ?心電信號（Electrocardiogram, ECG）[39]是主要監(jiān)測心臟規(guī)律性變化的信號；肌肉電信號[40-41] （ Electromyography, EMG）是肌肉收縮時伴隨的電信號, 是在體表無創(chuàng)檢測肌肉活動的手段；腦電信號（Electroencephalography, EEG） [42]是由腦神經(jīng)活動產(chǎn)生電位活動的電信號, 是腦神經(jīng)細胞的電生理活動在大腦的反映. 運動電生理信號在 監(jiān)測運動負荷、了解疲勞與恢復(fù)程度起到重要的作用. 通過監(jiān)測肌電信號, 可以監(jiān)測肌肉組織的發(fā)力運動 情況, 指導(dǎo)訓(xùn)練動作優(yōu)化以及運動康復(fù)與診斷等；通過心電信號監(jiān)測, 可以及時發(fā)現(xiàn)運動員心臟相關(guān)情況, 避免運動員心肌猝死危險事故的發(fā)生；通過對腦電信號的監(jiān)測, 可以實時反饋運動員的情緒狀態(tài)以及睡眠 狀態(tài)等. 運動電生理信號的監(jiān)測在短跑運動員技術(shù)分析具有重要的意義. 在短跑運動比賽過程中，肌電信 號是監(jiān)測較為常用的信號指標. 肌電信號采集方法是通過針電極或表面電極作為電極，通過肌電系統(tǒng)傳輸 電信號實現(xiàn)采集[45]. 肌電信號采集具體方法是在運動員相關(guān)肌肉部位貼附表面電極, 然后通過肌電采集系 統(tǒng)進行實時無線數(shù)據(jù)傳輸, 可以得到短跑運動員運動過程的實時數(shù)據(jù). 表面肌電信號采集的方式通常需要 表面電極、肌電采集系統(tǒng)、高速攝像機等設(shè)備. 目前，商業(yè)的肌電采集系統(tǒng)主要有美國 Noraxon、Delsys[46]、 德國 FreeEMG 等系統(tǒng). 隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，肌電信號采集系統(tǒng)可以實現(xiàn) 100 米范圍內(nèi)的無線傳輸數(shù) 據(jù). 肌電采集過程普遍過程較為復(fù)雜，難以實現(xiàn)獨自監(jiān)測. 所以肌電設(shè)備逐漸向可穿戴化發(fā)展. 除此之外， 電生理信號的監(jiān)測普遍存在共同問題：在高強度運動條件下，會產(chǎn)生嚴重的運動偽影，導(dǎo)致準確性下降.

運動生物姿態(tài)信號（Kinematic signal）, 是通過監(jiān)測在運動過程中人體姿態(tài), 衡量動作變化的物理信號. 通過對運動姿態(tài)發(fā)生的變化進行分析,獲得運動參數(shù)如步頻、步長、動作幅度、關(guān)節(jié)角度變化等[43]. 如在步 態(tài)分析過程中, 通常一個步行周期中, 測量每個關(guān)節(jié)角度在各個運動平面的變化來衡量運動員的步態(tài). 通 過分析世界上頂尖運動員在比賽跑步過程中的步頻、步長, 總結(jié)出他們具有合理的跑步步頻策略[44]. 針對 運動生物姿態(tài)信號的分析, 可以及時發(fā)現(xiàn)運動員存在的錯誤姿勢, 改進訓(xùn)練效果，提高運動成績, 同時減少 受傷發(fā)生的概率. 目前，針對運動生物姿態(tài)信號監(jiān)測主要是基于視頻分析的原理，它可以快速幫助運動員 獲取運動過程中相關(guān)運動參數(shù)如關(guān)節(jié)角度、動作、步頻、步長，并對自己的技術(shù)動作分析，及時調(diào)整訓(xùn)練 方案. Vicon 是目前商業(yè)運動系統(tǒng)中，比較成熟三維視覺的捕捉分析系統(tǒng)，主要通過多臺攝像機對一個運動 對象進行跟蹤分析. 其優(yōu)點是可以得到運動對象的準確空間位置，缺點是成本較為昂貴，需要多臺攝像機 [47].由于基于視覺分析技術(shù)暫時還無法實現(xiàn)可穿戴化，所以監(jiān)測過程需要大量的設(shè)備, 不利于實時監(jiān)測. 所 以，實現(xiàn)攝像設(shè)備的智能化與微型化與無人機的結(jié)合，發(fā)展智能跟隨、寬視野、第三視角視覺分析技術(shù)， 以提供多視角、實時的運動姿態(tài)分析是未來發(fā)展方向.

生物組織動力學(xué)信號（Tissue dynamics signal）是指運動中人體組織的動力學(xué)特性信號. 血管動力學(xué)信 號是主要的組織動力學(xué)信號, ? 是指血管產(chǎn)生的生物物理信號, ? 如血壓、脈搏波速、心輸出量等[16]. 血壓（Blood Pressure, BP）是其中最為常見的生理指標, 指血液在血管內(nèi)流動時, 對血管壁產(chǎn)生的壓力. 血壓包 括收縮壓(Systolic Blood Pressure, SBP)和舒張壓（Diastolic Blood Pressure, DBP )兩種. 一般而言, 經(jīng)過劇烈 的運動后, 運動性骨骼肌內(nèi)小動脈的血管會發(fā)生擴張, 心輸出量增加而外周血管阻力降低. 研究發(fā)現(xiàn)人在 運動過程中, SBP ?逐漸升高, ?而在 DBP ? 中可見輕微升高[48、50]. ?通過對運動員運動過程中血壓的全程監(jiān)控,制定合理的訓(xùn)練方案, 避免運動員因過度訓(xùn)練導(dǎo)致身體的損傷[49]. 生物組織動力學(xué)信號, 在運動生理體征 監(jiān)測具有重要的生理意義, 可作為預(yù)警信號對心臟疾病進行提前預(yù)測.

3 運動信號的采集、傳感與分析方法

3.1 基于電生理信號監(jiān)測

3.1.1 肌肉電信號

肌肉電信號（EMG）可以有效進行動作分析, 偵測不同肌肉間的協(xié)調(diào)性與時序性, 已經(jīng)廣泛運用在 體育運動中, 用于指導(dǎo)運動康復(fù)與訓(xùn)練診斷. 肌肉電信號采集的原理主要通過體表附著電極, 進行對肌 肉系統(tǒng)的神經(jīng)細胞所產(chǎn)生的電生理信號的監(jiān)測. 通過監(jiān)測運動過程中的肌肉電信號變化, 可以對肌肉疲 勞發(fā)出預(yù)警[52]. 運動員可以根據(jù)其肌肉電信號情況, 適當(dāng)調(diào)整訓(xùn)練方法以及訓(xùn)練量, 進而科學(xué)地提高運 動成績. 傳統(tǒng)的肌肉電信號采集方法是利用膠帶或者繃帶, 在皮膚表面粘貼電極, 然后通過導(dǎo)線連接到 相應(yīng)的分析傳感設(shè)備, 這種方法存在幾個問題：1）測量過程需要大量繁瑣的設(shè)備, 不利于實時監(jiān)測運動 過程中的肌電信號；2）所采用電極大多是剛性電極, 與皮膚的貼合性不好. 3）抗疲勞性差, 不能實現(xiàn)重 復(fù)監(jiān)測. 隨著可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展, 實現(xiàn)相關(guān)功能器件集成到微小器件中, 再結(jié)合能與皮膚進行良好 貼合的柔性干電極, ? 為肌電信號實時監(jiān)控提供高靈敏度和便攜度解決方案.

針對電極與皮膚的貼合性問題, 新加坡國立大學(xué)的歐陽建勇教授[22]通過引入基于山梨醇修飾的 PEDOT:PSS 與水性聚氨酯復(fù)合的有機干電極薄膜（PWS）, 皮膚在濕潤條件下, 電極仍能與皮膚實現(xiàn)良 好的貼合. 該聚合物薄膜電極的導(dǎo)電率為 545 S/cm, 在 30%的壓力應(yīng)變情況下, 電阻變化率少于 5.5%（見 圖 3a）. 與傳統(tǒng)的電極相比, 在運動出汗過程中, 使用該電極能采集到高質(zhì)量的肌電信號. 為實現(xiàn)便攜式 的實時監(jiān)測肌電信號, 佐治亞理工學(xué)院的 Woon-Hong Yeo 教授[53]提出了基于石墨烯、銀、聚酰亞胺(PI) 等多種納米材料合成制備可拉伸的傳感器, 用于肌電信號的監(jiān)測, 將石墨烯溶液-PI 溶液按照氣凝膠打印 的方法進行層層打印, 制備柔性電極以及柔性電路（見圖 3 b-e）. 該方法打印制備的柔性電極, 能夠與皮 膚形成良好的貼合, 所監(jiān)測肌電信號的信噪比達到 12.3dB, 并在循環(huán)多次使用情況下, 仍然能夠采集具 有高質(zhì)量的信號. 新加坡南洋理工大學(xué)的陳曉東教授[54]采用水凝膠與 TPU-Au 導(dǎo)電復(fù)合材料制備的電極, 具有機械柔軟性以及高導(dǎo)電性, 可以在運動電生理信號的監(jiān)測獲得質(zhì)量穩(wěn)定的信號, 電極在 150 次循環(huán) 使用后, 采集信號的信噪比仍保持在 45dB, 電極具有極佳的耐疲勞性. 綜上, ?通過對新型導(dǎo)電材料的開 發(fā), 大力發(fā)展綠色印刷技術(shù), 制備柔性電極, 可解決肌肉電信號監(jiān)測中, 器件集成與貼附的問題, 有助于 更為靈敏、便捷、可穿戴、可附著式傳感設(shè)備的開發(fā).

圖 3. 基于電生理信號原理傳感器在肌電信號監(jiān)測的應(yīng)用. (a) 導(dǎo)電聚合物薄膜電極的制備過程 [22]. (b) 采用打印石墨烯 制備的柔性電極照片；(c) 印刷電極的掃描電鏡截面照片, 該電極是由石墨烯、銀、聚酰亞胺、柔性彈性體組成; (d) 柔 性電子器件用于肌電信號采集照片; (e) ? 商業(yè)凝膠電極與打印電極采集肌電信號的信噪比對比圖[53].

3.1.2 ? ?心電信號

心電信號（ECG）是心臟規(guī)律性變化的電生理信號, 其信號的頻帶范圍較寬, 為 0.5Hz-100Hz, 信號 規(guī)律性強, 在運動電生理信號監(jiān)測中, 心電信號監(jiān)測相對較為容易[55-56]. 目前, 在可穿戴器件應(yīng)用較為 廣泛的電極為 Ag/AgCl 凝膠電極, 但存在以下兩個難以解決的問題：1）在佩戴過程, 與皮膚進行長期接 觸的部位會出現(xiàn)過敏現(xiàn)象, 2）在運動過程中, 會產(chǎn)生汗液, 導(dǎo)致與皮膚接觸不好, 皮膚表面阻抗增大, 導(dǎo) 電性下降. 為了解決這個問題, 南洋理工大學(xué)的陳曉東教授[57]以絲素蛋白和聚吡咯進行界面聚合制備出 具有生物相容性的復(fù)合電極, 采用絲素蛋白作為電極材料, 由于出汗過程中, 隨著濕度增加, 絲素蛋白 的楊氏模量會下降, 能夠與皮膚實現(xiàn)很好的貼合. 該電極制備的可穿戴器件可以實現(xiàn)連續(xù)兩小時穩(wěn)定監(jiān) 測心電信號. 另外, 受貽貝啟發(fā)，魯雄教授等團隊[58], 研發(fā)采用自組裝（Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT）修飾氧化石墨烯模板的方法，制備導(dǎo)電水凝膠用于電生理的監(jiān)測. 該水凝膠具有優(yōu)異導(dǎo)電性能 以及粘附性, ?與皮膚的粘附強度能達到 20kPa.

隨著柔性電極的不斷研發(fā)，電極可以承受各種極端環(huán)境，性能保持穩(wěn)定. 基于心電信號監(jiān)測也被應(yīng) 用多個運動場景的監(jiān)測，除了可以在陸地的運動項目監(jiān)測，目前已有在游泳、跳水、潛水等水下項目的 相關(guān)研究. 上文提到的針對解決運動員出汗所導(dǎo)致的與皮膚粘合度問題，所設(shè)計的電極并不完全適用于 水下運動員的運動監(jiān)測, 因為電極在水下條件的導(dǎo)電性及穩(wěn)定性無法滿足心電信號采集要求. 天津大學(xué)的楊輝教授[59]提出了防水水下電極的結(jié)構(gòu), 實現(xiàn)在水下監(jiān)測人體的心電信號（見圖 4a）. 電極由可拉伸 的 Au/PDMS 復(fù)合膜和含多巴胺的離子導(dǎo)電聚合物組成,多巴胺的離子導(dǎo)電聚合物作為膠粘劑, 為 Au/PDMS 復(fù)合膜電極與皮膚連接構(gòu)建一個良好貼合、防水的橋梁. 與傳統(tǒng)商業(yè)凝膠電極相比, 該電極采 集的水下心電信號質(zhì)量更靈敏、穩(wěn)定. ? 該方法為實現(xiàn)在水下環(huán)境監(jiān)測電生理信號提供了新思路.

3.1.3 腦電信號

腦電信號是大腦中的神經(jīng)元電活動產(chǎn)生的電生理信號. 主要通過在大腦頭皮表面的多位點電極進行 采集[60].在體育領(lǐng)域中, 腦電信號用于反饋信息進行分析, 可以訓(xùn)練運動員提高比賽過程專注能力. 例如, 研究者對[61]2006 年世界杯冠軍意大利足球隊, 通過使用腦電神經(jīng)信號反饋訓(xùn)練, 來幫助隊員賽前提高專 注力. 腦電信號幅度小, 只有 50-100μV, 信號極易受到外界的環(huán)境干擾, 很容產(chǎn)生運動偽影, 目前, 腦電 生理信號的采集與精準分析仍然存在很大困難[62].

為了改善收集腦電信號的質(zhì)量, 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Janos Vrs 教授[63]提出了一種基于導(dǎo)電的 軟微柱聚合物電極, 實現(xiàn)腦電信號高質(zhì)量采集. 該電極主要由 15mm 直徑的導(dǎo)電底座以及 12 個軟微柱構(gòu) 成, 并采用仿生蚱蜢腳結(jié)構(gòu)進行設(shè)計, 加強電極與皮膚表面的范德華作用力, 在測試者具有濃密毛發(fā)的 情況下, 仍然可以與頭皮完美貼合, 進而監(jiān)測腦電信號的 α 波活性. 延世大學(xué)的 Jeong Ho Cho 教授[64]等 以糖粒作為原料, 利用 3D 打印技術(shù)打印支架模板, 然后把硅彈性體（PDMS）注入多孔的糖粒骨架結(jié)構(gòu) 中, 最后通過溶解糖粒, 得到相應(yīng)的模板（見圖 4b-c）. 為了使該多孔結(jié)構(gòu)具備導(dǎo)電的性質(zhì), 表面涂覆的 修飾性單壁碳納米管賦予了該結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性. 三維多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（3D OCS）具有柔性、輕便性、導(dǎo)電 性、高分辨率等特點. 將該傳感器應(yīng)用到腦電信號的監(jiān)測, 可以監(jiān)測出不同階段（快速眼動睡眠階段、非 快速眼動睡眠階段、舒適階段）的腦電信號原始數(shù)據(jù). 對數(shù)據(jù)進行一維快速傅里葉變換和多維小波分解 法處理, 可以有效區(qū)分三種睡眠階段. 該研究可以對運動員的睡眠狀態(tài)進行全程監(jiān)測, 為提高運動員睡 眠質(zhì)量及制定體能恢復(fù)計劃提供科學(xué)依據(jù).

圖 4. 基于電生理信號原理傳感器在心電信號、腦電信號監(jiān)測的應(yīng)用. (a) 防水 PDAM 聚合物涂層用于連接皮膚與電極之 間的橋梁(左); 在水下環(huán)境下, 采用 DAM 電極監(jiān)測人體心電信號(右) [59]. (b) 基于 3D 打印材料與柔性材料結(jié)合的高靈敏 度的可穿戴傳感器 (c) ?通過傳感器監(jiān)測不同狀態(tài)下的腦電信號[64].

3.2 ?基于光電感知的體征監(jiān)測

光電感知的核心是利用光電傳感器. 它主要通過光電容積描記法（Photoplethysmogram, PPG）, 采用非 侵入式光學(xué)技術(shù)監(jiān)測血容量的變化, 實現(xiàn)人體生命體征的監(jiān)測[65-66]. 光電傳感器主要由兩部分組成包括發(fā) 光二級管（Light Emitting Diode, LED）和光電探測器, 利用 LED 燈發(fā)出黃、綠、紅不同波長的光, 經(jīng)過皮 膚組織的投射、反射, 由光電探測器對所獲得的光信號轉(zhuǎn)成電信號, 對數(shù)據(jù)進行處理、分析, 實現(xiàn)對人體的 心率、心率變異性、血氧飽和度、乳酸閾值等生理信號進行監(jiān)測、分析[68]（見圖 5 a）.

3.2.1 心率

心率是最為重要的人體體征信息[67]. 心率的監(jiān)測：主要有兩種方法. 一種是基于 ECG 黃金標準法，另 外一種是基于 PPG ? 原理的方法.[70]目前, ? 大部分商用智能手表、健康監(jiān)測手環(huán)都是采用光電容積描記法（PPG）監(jiān)測心率的變化. 特定波長光（500~600nm 黃綠光）透過人體皮膚組織的時候時, 靜脈對光的吸收 是恒定的, 將其光信號轉(zhuǎn)換成電信號即直流信號. 而動脈里有血液的脈沖流動, 會導(dǎo)致對光吸收的變化, 產(chǎn)生交流信號, 其主要表現(xiàn)為心臟活動引起的周期收縮和舒張[68-69]. 目前, 市面上銷售的 PPG 傳感器, 多 數(shù)基于傳統(tǒng)集成電路與光電二極管技術(shù), 其體積較大、材質(zhì)堅硬, 不適合長期佩帶. 另外, 佩戴者在劇烈運 動或者有強烈的環(huán)境光噪聲干擾時, 嚴重影響光電傳感器提取生理信息的準確性, 進而影響相應(yīng)信號監(jiān)測. 香港中文大學(xué)的趙鈮[71]教授基于有機光電晶體管和無機 LED 摻雜, 研制了超薄柔性近紅外光表皮電 容積脈搏波（PPG）傳感器, 并應(yīng)用于心率、脈搏、血壓等生理信號檢測, 首次搭建了柔性生物傳感器的生 理信號檢測平臺. 可以解決運動過程中產(chǎn)生的運動偽影導(dǎo)致采集光電信號數(shù)據(jù)失真的問題（見圖 5 b）.隨 著柔性材料的不斷發(fā)展, 超輕薄可穿戴傳感器設(shè)計與制造，可以解決電極材料的重量體積問題，同時也解 決皮膚的貼合性問題. 西北大學(xué) Rogers [72]教授團隊研發(fā)了一種柔性平臺的材料和設(shè)備, 在指甲片上安裝柔 性薄膜光電傳感器, 集成先進的光電功能進行光電容積圖的無線捕獲和傳輸, 采用帶有雙層環(huán)形天線的多 層布局, ? 可最大限度地提高能量收集效率和無線數(shù)據(jù)通信的距離, ? 可以進行心率等生理信號的實時監(jiān)測（見圖 5 c）. 與傳統(tǒng)的商業(yè)手環(huán)相比, 該器件貼合人體部位是指甲, 減少運動過程中發(fā)生的運動偽影導(dǎo)致 信號衰減問題, 采集的數(shù)據(jù)失真較小, 能夠長期心率監(jiān)測, 準確性較高. 隨著柔性電子器件以及電子封裝 技術(shù)的快速發(fā)展, 采用 PPG 原理測量的心率準確性已經(jīng)得到大幅度的提高, 除了受外界環(huán)境干擾影響外, PPG 心率監(jiān)測的準確性還與運動強度、運動方式有關(guān).

當(dāng)運動員在進行中高強度運動, 基于光電容積描記法進行心率監(jiān)測的準確性會受到干擾, 準確性下降. 這是由于運動偽影產(chǎn)生信號與心率信號的頻率與幅度發(fā)生重合, 導(dǎo)致心率信號的提取受到影響. 隨著人工 智能技術(shù)快速發(fā)展, 通過采用深度學(xué)習(xí)的方法, 可以實現(xiàn)對采集的信號進行數(shù)據(jù)處理, 提取有效的特征值, 進而獲得高質(zhì)量的信號. 由于無需額外添加外來物質(zhì), 該方法有望解決長期高強度運動訓(xùn)練監(jiān)測的問題. Motin MA 等人[73]提出了一種在高強度運動條件下, 基于 PPG 原理下得到心率情況. 該研究主要是提出一 種基于維納濾波的算法, 在高強度運動情況下, 從 PPG 信號進行提取信號, 并估算此時心率情況. 在相應(yīng) 的實驗組對比中, ?該算法得出最終的錯誤率僅為 1.78%.

3.2.2 心率變異性

心率變異性(Heart Rate Variability, HRV)是指逐次心跳周期差異的變化情況[74]. HRV 能夠反映神經(jīng)系統(tǒng) 健康的重要標志. 心率變異性可以提供有關(guān)運動個體[75]健康狀況的臨床信息, 比如 HRV 指標能夠反映運 動員的訓(xùn)練狀態(tài). Kiviniemi 及其團隊[76], 通過一系列實驗證明：在運動員的耐力訓(xùn)練中, 使用 HRV 作為指 標, 可以有效提高運動員心肺適應(yīng)能力. 當(dāng)運動員的 HRV 值較底時, 可以通過降低訓(xùn)練強度, 從而對運動 員狀態(tài)的調(diào)整；當(dāng) HRV 值較高時, 可以通過加大訓(xùn)練量, 提高運動員耐力. HRV 的監(jiān)測方法主要是檢測人 體心電信號的心臟搏動（RR intervals, RR）區(qū)間. 傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要通過 ECG 的信號采集來實現(xiàn) HRV 的檢測, 但是采集的方法較為復(fù)雜繁瑣. 隨著單點光學(xué)傳感器的不斷發(fā)展, 光電容積描記法技術(shù)得到快速 發(fā)展, HRV 的數(shù)據(jù)可以通過基于 PPG 原理的傳感器連續(xù)兩次收縮期脈沖之間的時間間隔來提取數(shù)據(jù), 即脈 沖變異性(Pulse Rate Variability, PRV) [77-78]. 由于基于 PPG 原理傳感器具有便攜性以及可穿戴的優(yōu)點, 將成 為替代 HRV 監(jiān)測方法.

為了評價基于 PPG 原理傳感器的數(shù)據(jù)可靠性, Plews 及其團隊[79]采用基于 PPG 原理傳感器、Polar H7 以及心電圖(ECG)三者獲得的 HRV 數(shù)據(jù)的準確性和有效性進行比較. 結(jié)果表明, 基于 PPG 原理測量的數(shù)據(jù) 與其他方法的差值均方根值（Root Mean Square of Successive Differences）具有一致性. 該項研究為傳統(tǒng)的 HRV 監(jiān)測提供替代參考方法, ? 有望應(yīng)用到運動員的日常生理監(jiān)測.

圖 5. 基于光電容積描記法（PPG）傳感器運動信號監(jiān)測應(yīng)用. (a)基于 PPG 原理傳感器的結(jié)構(gòu)以及監(jiān)測過程的原理[68]; (b)有 機光電晶體管的實物照片以及結(jié)構(gòu) [71]; (c) 基于 PPG 可穿戴傳感器在心率檢測的應(yīng)用[72]; (d) 基于 PPG 可穿戴傳感器在血氧 飽和度檢測的應(yīng)用; (e) 紅綠兩種 OLED 燈亮度與外量子效率特征曲線[83].

3.2.3 血氧飽和度

血氧飽和度是血液中氧合血紅蛋白占所有血紅蛋白的容量百分比，反映血液中的血氧的濃度[82, 85]. 光 電容積描記法利用氧合血紅蛋白以及脫氧血紅蛋白對不同光的吸收能力不同, 利用波長為 600-700nm 的紅 光以及波長為 800-1000nm 的近紅外光照射皮膚組織, 所得到的 PPG 信號, 通過計算兩種光源下的 PPG 信 號的 DC 分量和 AC 分量,得出兩種組份的比值，用以表達血氧飽和度[86]. 由于不需要進行采血操作, 基于 PPG 原理是目前最常用的血氧飽和度監(jiān)測的方法.

針對便攜、可穿戴式、高靈敏的血氧監(jiān)測, 韓國先進科學(xué)技術(shù)研究所電氣工程學(xué)院的 Seunghyup Yoo 教 授[83]提出了一種基于反射貼片式超低功耗脈搏血氧傳感器. 傳感器采是柔性有機發(fā)光二極管和有機光電二 極管組成（見圖 5 d、e）. 另外, 該傳感器巧妙設(shè)計將半徑為 0.4mm 的紅色 OLED 燈以及綠色 OLED 燈并 排放置在柔性 PET 基底, 并將有機光電二級管(Organic Photodiode, OPD)以“8”字分布在 OLED 燈周圍, 這 樣設(shè)計確保 OLED 燈發(fā)射光源可以大部分聚集到 OPD 器件上. 該結(jié)構(gòu)的設(shè)計有利于與其他模塊的傳感器 結(jié)合, 形成多模塊監(jiān)測系統(tǒng). 該傳感器的平均功耗為 24mw, 滿足低功率長期監(jiān)測血氧飽和度的要求. 美國 西北大學(xué)的 John A. Rogers[87]教授提出了一種無線狀態(tài)下的有源光電子系統(tǒng), 制備超薄、超輕的可穿戴器 件, 進一步解決了血氧飽和度可穿戴器件的能量供給問題.

基于 PPG 原理傳感器, 雖然解決了監(jiān)測的便攜性以及可穿戴性等問題, 但是在實際的監(jiān)測過程中, 仍 然存在一定的問題, 比如在運動過程中, 會產(chǎn)生運動偽影, 會嚴重影響測試數(shù)據(jù)的結(jié)果[80]. Lin 及其團隊[81] 通過比較采用黃金標準方法 ECG 與基于 PPG 原理監(jiān)測 HRV 的數(shù)據(jù)差異性. 實驗結(jié)果表明：在休息狀態(tài)下, 基于 PPG 原理測量的數(shù)據(jù)與 ECG 方法具有較好的一致性, 但是在運動等外界刺激情況下, 一致性有所下 降, 這可能是由于運動偽影導(dǎo)致的結(jié)果. 總而言之, 基于 PPG 原理監(jiān)測心率、心率變異性、乳酸等可以集 成到同一個傳感器, 實現(xiàn)多種體征指標同時監(jiān)測. 此外，通過建立大數(shù)據(jù)庫, 利用信號處理以及人工智能算 法分析，也可以在一定程度上可以減少運動偽影, 從而針對性的提取制定的體征信號. 但是該方法的計算 成本較高，局限性較大，只能通過算法估算體征信號[88]. 所以如何有效的解決基于 PPG 原理傳感器的運動 偽影還將是今后研究人員的研究的主題.

基于 PPG 原理傳感器除了可以實現(xiàn)心率、心率變異性、血氧飽和度的監(jiān)測外, 還可以進行乳酸閾值的 測定. 乳酸閾值是指當(dāng)運動強度達到某一強度值, 乳酸在血液中以指數(shù)形式積累時的起點. BSXinsight 公司 2014 年開發(fā)出可穿戴式乳酸閾值傳感器, 包含一個 LED 發(fā)光裝置和一個光檢測器. 光線會射入肌肉, 部 分光線會反射回來被檢測器接收. 光信號經(jīng)過光電二級管轉(zhuǎn)換成電信號, 通過相關(guān)檢測單元, 最后輸出乳 酸閾值數(shù)據(jù)[89-91]. 基于 PPG 原理可以實現(xiàn)運動員的乳酸閾值實時監(jiān)測, 與傳統(tǒng)血樣分析的相關(guān)性達到 r > 0.96, ?誤差在 4%以內(nèi)[84].

3.3 基于電化學(xué)生物傳感監(jiān)測

在眾多的生理指標中, 身體機能產(chǎn)生的生物化學(xué)分子的檢測尤為重要, 每種生物化學(xué)分子具有特定的 指標, 反映身體的機體代謝和供能能力. 傳統(tǒng)的生化分子檢測方法主要是通過生化分析儀, 這種方法存在 較為明顯的缺陷. ? 首先, ? 運動員一般需要每次訓(xùn)練結(jié)束或訓(xùn)練開始前通過采集血液進行分析, ?高頻率的檢測給運動員帶來極大的痛苦；其次, 傳統(tǒng)的檢測儀器體積大, 需要在特定的地方由專業(yè)人員進行檢測, 不適 合實時連續(xù)監(jiān)測[92]. 隨著柔性器件制造技術(shù)的進步, 電化學(xué)傳感器已向微型化、可穿戴化、高性能化發(fā)展. 各國科研人員開發(fā)出各種電化學(xué)生物傳感器, 可以實現(xiàn)人體體液中的代謝物、電解質(zhì)、氣體分子等成分的 檢測.

電化學(xué)傳感器通常由受體和電化學(xué)換能器組成[93-94]. 一般而言, 受體是酶、DNA 分子、抗體等. 由于 生物體液（如汗液、組織液、唾液等）中具有能被受體分子識別的分子[95], 這些分子通常作為生化檢測的 指標, 如葡萄糖、乳酸等. 經(jīng)過特異性結(jié)合后, 將得到高靈敏度的電信號. 目前, 構(gòu)成傳感器的電極材料大 多具有柔性與生物相容性, 與皮膚進行完好的接觸, 實現(xiàn)對葡萄糖、乳酸以及電解質(zhì)等生理代謝指標的連 續(xù)、穩(wěn)定、實時監(jiān)測.

3.3.1 乳酸

乳酸是無氧糖酵解的最終產(chǎn)物, 當(dāng)供氧不足時, 乳酸堆積, 從而導(dǎo)致乳酸酸中毒. 作為衡量運動員運 動量以及新陳代謝的重要指標, 在運動生理學(xué)中, 乳酸的檢測具有重要的作用[96]. 目前傳統(tǒng)的乳酸檢測的 主要方法是通過采集人體的血樣或者活檢等破壞性介入檢測[98]. M. Baruzzi 等團隊[99]通過開發(fā)了一種基于 血液檢測的安培乳酸傳感器，實現(xiàn)血液乳酸檢測（見圖 6 b）. 由于血液采集比較麻煩, 不利于實時監(jiān)測. 隨 著可穿戴設(shè)備的不斷發(fā)展, 非入侵式檢測的方法在運動科學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用. 其中汗液中乳酸的檢測較為廣 泛. ?另外, ? 汗液乳酸還可以作為組織受損的預(yù)警指標[97], 有望在運動科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用[100].

汗液乳酸的測定可以為血液乳酸測定提供了一種無創(chuàng)的檢測方法(見圖 6 a) [101],但是目前報道中汗液乳 酸與血液乳酸關(guān)相關(guān)性較小[102]. 為了進一步拓寬汗液中乳酸檢測的實際應(yīng)用, 研究人員嘗試進一步探討 汗液中測量的乳酸水平與血液中乳酸水平的關(guān)系. Karpova 以及團隊[100]研究了在高強度的體育鍛煉下, 汗 液的乳酸與血液乳酸的聯(lián)系. 結(jié)果表明：在高強度的運動情況下, 運動區(qū)域肌肉的汗液乳酸增加的同時, 血 液的乳酸含量有所增加；另外, 肌肉收集的汗液乳酸變化率與血液乳酸水平呈正相關(guān), 不同區(qū)域肌肉收集 汗液乳酸與血液乳酸相關(guān)性不同. （運動區(qū)域肌肉 R>0.8；潛在運動區(qū)域肌肉 R=0.7）.

針對可穿戴傳感器而言，乳酸的主要檢測方法有兩種：基于光學(xué)感知與基于電化學(xué)生物傳感. 與前者 相比, 基于電化學(xué)生物傳感器具有較低的檢出限以及較寬的線性范圍. 所以采用后者原理檢測乳酸含量, 目前應(yīng)用較為廣泛. 加州大學(xué) Wenzhao Jia 等人[102]第一個提出基于柔性打印的紋身電極電化學(xué)傳感器用于 汗液乳酸的檢測 (見圖 6 c),由于無創(chuàng)的乳酸檢測對實際運動比賽具有重要意義, 引起了世界各國科研工作 者廣泛研究. 加州大學(xué)伯克利分校的高偉教授[103] 提出了一種實時可穿戴汗液分析傳感陣列（ flexible integrated sensing array, FISA), 該傳感陣列可以實現(xiàn)選擇性篩選汗液中的各種代謝物以及電解質(zhì), 將乳酸氧 化酶固定在殼聚糖滲透膜上, 通過傳感器產(chǎn)生的電流與代謝產(chǎn)物成比例關(guān)系, 進行乳酸濃度分析, 乳酸檢 測器件的靈敏度為 220 nA mM-1. 該傳感陣列的抗干擾能力較強, 傳感陣列有望可以應(yīng)用在體育運動的監(jiān) 測. 另外, 傳感器陣列在外界情況的影響下依舊能夠保持較好的機械性能和穩(wěn)定性, 具有滿足運動過程中 檢測的潛力. 加州大學(xué)的 Joseph Wang 教授[104]開發(fā)了一種集成多功能眼鏡傳感器, 可以實時地對人活動過 程中汗液中的電解質(zhì)和代謝產(chǎn)物檢測. 通過將乳酸傳感器集成到眼鏡的鼻梁墊中, 從而實現(xiàn)對運動過程中 的乳酸的監(jiān)測, ?該傳感器的檢出限（LOD）為 0.39 mM, ?在運動過程期間, 可以通過無線的模塊實時傳送數(shù)據(jù). 由于其便攜且佩戴舒適的特點, 有望成為應(yīng)用到運動員實際比賽的運動監(jiān)測設(shè)備. 澳大利亞莫納什大 學(xué)程文龍教授[105]提出了一種可穿戴智能紡織乳酸生物傳感器,該傳感器可以集成到運動裝備, 從而實現(xiàn)全 方位長時間的監(jiān)測. 該傳感器在人工汗液中檢測靈敏度為 14.6μA/mM cm2. 另外, 可以在高達 100%的高拉 伸應(yīng)變情況下, 傳感器的性能仍然保持不變. 該傳感器具有柔性、便攜性、貼敷式、靈敏度高的特點. 除了 實現(xiàn)汗液中乳酸的監(jiān)測外, 同時檢測多種汗液成分以及獲取更有價值的生理指標一直是科學(xué)工作者的研究 方向. 美國西北大學(xué) A. Rogers 等人[106]開發(fā)了一種柔性微流控多功能比色汗液檢測平臺(見圖 6 d), 該平臺 除了可以實現(xiàn)汗液中的乳酸監(jiān)測, 還可以進行汗液溫度監(jiān)測、出汗率、氯離子和葡萄糖的檢測. 該平臺特 點是對收集汗液的毛細破裂閥進行優(yōu)化, 使汗液流通到各個的微通道中, 實現(xiàn)平臺在各物質(zhì)檢測與監(jiān)測互 不干擾.

圖 6 基于電化學(xué)生物傳感器對乳酸分子監(jiān)測的應(yīng)用. (a) 基于可穿戴傳感器用于運動實時乳酸監(jiān)測[101]; (b) 一種侵入式血乳 酸監(jiān)測傳感器的結(jié)構(gòu)[99]; (c) 基于非侵入式的電化學(xué)生物乳酸傳感器, 用于實時連續(xù)監(jiān)測汗液乳酸動態(tài)變化[102]; (d) 基于多功 能的比色汗液分析微流控裝置，實現(xiàn)汗液中多成分的監(jiān)測[106].

3.3.2 ?葡萄糖

汗液在檢測葡萄糖具有獨特的優(yōu)勢, 一方面非入侵式的樣本采集可以減少采集時對人的疼痛感, 另一 方面人體布滿汗腺, 可以實現(xiàn)實時收集[107]. 血液的葡萄糖水平與非侵入式生物體液的葡萄糖水平具有一 定相關(guān)性[108], ? 所以可以通過監(jiān)測汗液、組織液、淚液、唾液的葡萄糖水平評價人體血糖的水平. ?目前, ?該方法運用到實際仍有些問題亟需解決：1）采集汗液中葡萄糖的數(shù)據(jù)難以保證高保真度, 由于絕大多數(shù)傳 感系統(tǒng)都是通過平面內(nèi)互聯(lián)或者采用剛性連接器構(gòu)成的, ?在運動過程中會導(dǎo)致信號采集不穩(wěn)定；2）在較低（0.02-0.6mM）葡萄糖濃度下, 傳感器的靈敏度較差；3）大多數(shù)電化學(xué)傳感器在實驗室條件下具有良好的 性能, ?但是器件在實際場景的性能不穩(wěn)定, 無法滿足運動員的需求[109].

加州大學(xué)洛杉磯的 Yichao Zhao 等人[110]研發(fā)了一種集成多功能的智能手表, 該手表具有汗液采樣、電 化學(xué)傳感、葡萄糖檢測等功能, 能實現(xiàn)在高強度的運動條件進行物質(zhì)檢測. 該智能手表的核心部分為獨立 式電化學(xué)傳感系統(tǒng)（Freestanding Electrochemical Sensing System, FESS）, 該系統(tǒng)具有雙面粘合性,可以實現(xiàn) 皮膚與電子器件的完好貼合(見圖 7 a). 傳感器包括一個酶層, 偶聯(lián)到聚間苯二胺(PPD)層上, 其中 PPD 層 作為滲透選擇性膜, 可以實現(xiàn)其他干擾物的排除, 汗液的葡萄糖含量不同, 產(chǎn)生不同的響應(yīng)值, 靈敏度為 22.8±0.7μA mM1cm2、檢出限為 1.7±0.7μM. 實驗結(jié)果表明, 在高強度的運動條件下, 傳感器的響應(yīng)值波動 變化不大（小于 6%）, 證明該手表能夠應(yīng)用在實際體育運動中汗液的葡萄糖檢測.

唾液是由唾液腺產(chǎn)生的生物體液, 其成分蘊含豐富的生理指標[111]. 唾液中的葡萄糖含量與血液中葡萄 糖含量也具有相關(guān)性. 唾液檢測葡萄糖同樣具有采樣便捷、靈活的優(yōu)勢[112]. 東京醫(yī)科齒科大學(xué)的 Takahiro Arakawa 等[113]提出了一種采用醋酸纖維素膜（CA）作為干擾膜的葡萄糖傳感器. 將 CA 膜涂敷在電極表面 上, 由于 CA 膜含有較大的醋酸基團, 可以產(chǎn)生尺寸效應(yīng)和靜電斥力, 從而減少唾液中抗壞血酸（AA）和 尿酸（UA）等干擾物質(zhì)對測定的干擾（見圖 7b）. 可以對 1.75-10000μmol/L 濃度范圍的葡萄糖進行檢測. 開發(fā)基于 Android ?操作系統(tǒng)的移動終端應(yīng)用程序集成到傳感器, 可實現(xiàn)唾液中葡萄糖含量的無線實時監(jiān)測.

圖 7. 基于電化學(xué)生物傳感器在汗液、唾液中葡萄糖分子監(jiān)測的應(yīng)用. (a) FESS 電化學(xué)傳感系統(tǒng)設(shè)計、原理、性能[110]; (b) 用 于唾液中葡萄糖檢測的可穿戴牙套電化學(xué)傳感器[113].

淚液同樣是一種可以反映各種生理狀態(tài)的生物液體[114-115], 淚液的主要組分有蛋白質(zhì)、電解質(zhì)、葡萄糖、 代謝產(chǎn)物以及水, 淚液中的葡萄糖含量同樣與血液的葡萄糖含量密切相關(guān). 英國帝國理工學(xué)院的 Rosalia Moreddu 等人[116]提出了一種紙基微流控芯片集成到隱形眼鏡中, 可以實現(xiàn)淚液中葡萄糖、蛋白質(zhì)分子的檢 測. 該傳感器可以在 35 s 內(nèi)檢測到 2μL 人造淚液中的葡萄糖濃度發(fā)生微小變化. 該研究可以解決淚液檢測 取樣困難, 淚液易受到外界污染以及淚液分析方法復(fù)雜等缺點[117]. 哈佛大學(xué)的 Yunlong Zhao 等人[118]研發(fā) 了一種基于 MoS2 晶體管的集成式隱形眼鏡的傳感器系統(tǒng). 將制備超薄 MoS2 晶體管蛇形網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng), 直接集成到軟性隱形眼鏡. 該傳感器對于血糖監(jiān)測具有高靈敏度(< 0.1 mM)、快速響應(yīng)(< 1s)的優(yōu)點. 隨著 人工智能算法的不斷發(fā)展, 越來越多的傳感技術(shù)與人工智能進行結(jié)合. 韓國光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院 Euiheon Chung 等人[119]通過提出了一種基于納米顆粒嵌入隱形眼鏡片, 通過監(jiān)測比色隱形鏡片的顏色變化, 實現(xiàn)淚 液葡萄糖檢測(見圖 8a). 基于光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)與圖形處理算法相結(jié)合, 實現(xiàn)了血糖水平的可視化過程. 圖形 處理算法的引入, 使檢測的精度大大的提高. 采用微孔板分光光度法與該方法檢測的相關(guān)性為 0.82. 目前, 淚液的檢測都是通過采集人體淚液間接估算原位淚液小分子相對濃度, 實現(xiàn)可穿戴式淚液葡萄糖的檢測是 未來的研究方向.

組織液占細胞外液 3/4, 其他大多數(shù)細胞外液為血漿. 組織液存在大部分真皮, 唾液腺、汗腺當(dāng)中, 具 備實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測的條件[120-121]. 組織液在非侵入式生物液體中, 其葡萄糖含量檢測技術(shù)是較為成熟的. 這 主要是組織液的葡萄糖濃度與血液的葡萄糖濃度一致性較高[115]. 英國巴斯大學(xué)的 Adelina Ili 教授等人[122] 提出了一種基于石墨烯薄膜和絲網(wǎng)印刷技術(shù), 采用柔性彈性體作為襯底, 制備出微型像素器件陣列用于檢 測組織液葡萄糖. 該陣列主要由葡萄糖氧化酶水凝膠儲層庫、電化學(xué)葡萄糖傳感器、微型電極組成, 通過 對石墨烯表面修飾納米 Pt, 實現(xiàn)檢測靈敏度提高. 傳感器檢出限為 2.8 μM，靈敏度為 2.2 μA mM1cm2, 能 夠?qū)崿F(xiàn)六小時連續(xù)葡萄糖監(jiān)測. 另外, 為了進一步提高傳感器的續(xù)航能力以及傳輸數(shù)據(jù)能力, 實現(xiàn)長期監(jiān) 測體內(nèi)葡萄糖的濃度. 加州大學(xué)圣地亞哥分校 Joseph Wang 等人[123]提出了一種無線傳輸電化學(xué)傳感器用于 組織液間葡萄糖監(jiān)測 (見圖 8b). 該傳感器主要由無線數(shù)據(jù)傳輸電極、基于絲網(wǎng)印刷電極以及電化學(xué)傳感器 組成. 其中絲網(wǎng)印刷電極用于反向電滲法提取組織液中的葡萄糖. 實驗表明, 該器件實現(xiàn)長達 8 小時組織 液中葡萄糖的監(jiān)測. 另外，還監(jiān)測了食物攝取后, 葡萄糖濃度的動態(tài)變化過程. 由于該傳感器的性能優(yōu)異且 成本低, 有望成為下一代的無創(chuàng)葡萄糖檢測設(shè)備.

圖 8. 基于電化學(xué)生物傳感器在淚液、組織液中葡萄糖分子監(jiān)測的應(yīng)用. (a) 淚液中葡萄糖的監(jiān)測: 基于光學(xué)攝像系統(tǒng)與智 能算法結(jié)合, 隱形眼鏡嵌入納米顆粒顏色變化確定淚液葡萄糖含量[119]. (b) 組織液中葡萄糖的監(jiān)測: 一種基于非侵入式組織 液葡萄糖檢測傳感器的原理、性能[123].

4 總結(jié)與展望

在競技體育快速發(fā)展的今天, 世界各國運動員都在不斷完善自身的訓(xùn)練方案, 力求成績上的新突破. 隨著柔性電子、集成微電子、人工智能等技術(shù)不斷進步, 運動傳感器逐漸向智能化, 多元化、微型化、可穿 戴化, [124]可以實現(xiàn)對運動員運動過程產(chǎn)生的信號全方位、多角度、多層次采集, 通過構(gòu)建高水平運動員運 動數(shù)據(jù)庫, 運用大數(shù)據(jù)分析, 實時監(jiān)控運動員的各項生理指標, 對運動員訓(xùn)練過程中潛在的風(fēng)險進行合理 預(yù)判, 進而更加高效避免運動損傷, 為科學(xué)化訓(xùn)練方案的制定提供充足的理論依據(jù). 近年來, 隨著大數(shù)據(jù) 的技術(shù)不斷發(fā)展, 柔性可穿戴設(shè)備將向萬物互聯(lián)方向發(fā)展. 在人工智能的技術(shù)協(xié)助下, 柔性可穿戴傳感器 的數(shù)據(jù)將從原來的單一化, 孤立化向大容量、多樣化轉(zhuǎn)變[125].

運動監(jiān)控是一個復(fù)雜多維度的分析過程, 因而運動員訓(xùn)練監(jiān)控需要一個龐大的運動監(jiān)控系統(tǒng)進行支撐, 運動監(jiān)控需要對相關(guān)的生理指標進行一個量化與分析的過程[126]. 這個過程需要不同類型傳感器的協(xié)調(diào)運 作, ? 各自發(fā)揮相應(yīng)的作用. ? 每種類型傳感器的性能提升, 將會對整個運動監(jiān)控系統(tǒng)性能提供跨越式提高.

本文綜述了運動信號的作用以及學(xué)術(shù)界可穿戴傳感器的最新研究進展. 其中包括運動電生理信號、運動生 物化學(xué)信號、運動生物姿態(tài)信號、生物組織動力學(xué)信號等在運動監(jiān)控過程的作用, 概括了基于電生理信號、 基于電化學(xué)傳感、基于光電容積描記運動傳感器的相應(yīng)原理與采集信號方法, 提出了在高強度運動條件下, 運動生理信號受到相應(yīng)的干擾問題，監(jiān)測的準確性與可靠性有待進一步提高.

通過對電生理信號的實時監(jiān)測, 可以分析運動過程中心臟、肌肉等情況, 為運動康復(fù)以及運動動作分 析提供依據(jù). 隨著各學(xué)科領(lǐng)域交叉融合, 傳感器的性能、功能都得到顯著的提高. 目前, 基于電生理信號的 傳感器可以采集質(zhì)量較高的電生理信號, 用于各類運動分析. 其中, 采集高質(zhì)量信號的關(guān)鍵是電極. 電極 的結(jié)構(gòu)以及設(shè)計是否合理直接影響采集信號的信噪比. 電極最好同時具備生物相容性、柔軟性、粘合性、 導(dǎo)電性、透氣性等性質(zhì)[127]. 但是, 目前電極很難同時滿足以上的性質(zhì), 這也將是未來技術(shù)亟需攻克的難題. 另外, 基于電生理的傳感器針對某一生理信號進行監(jiān)測準確性較高, 如腦電信號、肌電信號、心電信號等, 但是如需實現(xiàn)多信號同時采集, 則需要解決不同的電生理信號的頻率不同、電極性質(zhì)差異性等科學(xué)問題. 隨著智能制造的發(fā)展, 傳感器將變得更加多元化、集成化, 通過不同功能的傳感器集成陣列, 將有望解決傳 感器單一因素檢測的問題, 有利于實現(xiàn)多元運動監(jiān)控.

基于光電容積描記法傳感器, 可以實現(xiàn)多項生理指標的監(jiān)測, 比如血氧飽和度、心率、心率變異性等. 基于其便攜性、靈活性的優(yōu)勢, 目前被廣泛應(yīng)用于體育運動、醫(yī)療監(jiān)測等領(lǐng)域. 但是，在高強度訓(xùn)練中的信 號穩(wěn)定性和可靠性都會大打折扣, 所以對于基于 PPG 原理的傳感器提出了更高的要求，需要解決以下問題， 才能有望實現(xiàn)實際運動的監(jiān)測. (1)電極問題：電極與生理界面的貼敷問題是導(dǎo)致運動偽影主要原因. 一方 面，通過對電極的設(shè)計，制作更輕薄的電極，實現(xiàn)與皮膚貼附；另一方面，利用高粘高分子的表面界面與 皮膚實現(xiàn)完好粘合. (2)器件設(shè)計問題：外界環(huán)境光的干擾同樣會造成運動偽影. 器件的有效布局，可以減少 外界環(huán)境光信號對于 PPG 反射信號的采集. (3)器件間的干擾：基于 PPG 原理的傳感器是由無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊、傳感器以及電極等，各個器件由于會存在一定頻率的干擾，會對 PPG 信號采集產(chǎn)生一定影響. (4)數(shù) 據(jù)處理方法：隨著人工智能不斷發(fā)展，可以借助人工智能，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)PPG數(shù)據(jù)分析. 但是算法的正確率仍有待提高. 基于 PPG 原理的生理體征監(jiān)測，目前應(yīng)用范圍有比較大局限性，實現(xiàn)高強度運動的監(jiān)測，還需要解決很多的問題. 不過隨著可穿戴傳感器的不斷發(fā)展，以上的問題都能得到有效的解決.

基于電化學(xué)傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生物化學(xué)分子的檢測, 在葡萄糖、乳酸分子等檢測較為普遍, 尤其 是采用無創(chuàng)檢測取得較大的進步[128-129]. 在運動訓(xùn)練監(jiān)測方面具有重要的意義, 可以實現(xiàn)運動員生理指標 的定量分析. 但是, 在某些生理指標檢測與傳統(tǒng)的血樣生化分析準確性仍然存在差距, 另外還需要解決不 同檢測物之間存在的干擾導(dǎo)致靈敏度下降等問題. 今后的電化學(xué)傳感器應(yīng)該往高靈敏度、寬檢測范圍、多 底物分析、柔性可穿戴方向發(fā)展.

科學(xué)化運動訓(xùn)練需要一個完整的運動監(jiān)控系統(tǒng), 這個系統(tǒng)需要多種柔性可穿戴運動傳感器的整合, 隨 著可穿戴傳感器以及集成技術(shù)不斷發(fā)展, 構(gòu)建一個多功能化運動監(jiān)控平臺將成為可能. 該平臺將具備運動 訓(xùn)練生理指標監(jiān)測、運動技術(shù)戰(zhàn)術(shù)分析、運動心理情況分析、運動損傷預(yù)測等功能. 該平臺的研發(fā)將有望 解決運動員運動訓(xùn)練需要多臺監(jiān)控設(shè)備、多位技術(shù)人員等問題, ?大大降低了成本, ?節(jié)約時間. ? 科學(xué)化運動訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展將會成為競技體育成績突破的新科技, 助力運動員取得新突破, 為青少年運動員培養(yǎng)與 優(yōu)秀運動員選拔提供更精細、準確的參考與指導(dǎo), 推動我國“體育強國建設(shè)”.