生物医学传感器是生物医学科学和技术的尖兵,生物医学研究的正确结论有赖于生物医学传感器准确、连续和实时测量的功能[1]。这些传感器包括微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)[2]、生物和化学传感[3]、心电图(Electrocardiogram，ECG)[4]、肌电图(Electromyogram，EMG)[5]和脑电图(Electroencephalogram，EEG)[6]。部分昂贵的医疗分析仪器被用来满足某些特殊需求，这其中就包括了生物和化学传感器。电化学传感器由于低成本、简单性和便携性等特点，其发展很有前途[7,8]。然而，这些传感器都需要血液样本，满足不了运动医学实时监测的需求。因此，柔性可穿戴生物传感器的出现，通过测量排出的汗液等体液样本，以评估运动员接下来的运动表现和受伤风险[9]。本文探讨了柔性可穿戴传感器在运动监测中的实际应用，包括对运动员的唾液、汗液和泪液的监测，分析了这些指标对运动表现的影响，并在设备、系统以及实际应用方面存在的问题作出展望。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.144.F001图1柔性可穿戴传感器在运动员体液分析中的应用Figure 1Application of flexible wearable sensors in athlete fluid analysis1监测运动员运动表现的生化指标标记物1.1生化指标标记物的来源近来，以连续和非侵入的方式监测生物标志物[3]的电化学可穿戴传感器在运动训练中已经得到了广泛的关注和应用。现有的大多数可穿戴设备在一般的体育运动中，用来监测身体生理参数(如运动、心率、呼吸速率等)，相对于竞技运动，尤其是对高水平运动员来说，缺少实时性和量化性。近年来，可穿戴设备方面取得了重大进展，尤其是非侵入式检测生物标记物的电化学传感器，一方面其操作简便，另一方面也不妨碍运动。1.1.1唾液唾液用于定量生物标志物，被认为是一种有吸引力的新兴选择，与直接的血液分析相比，其具有非侵入性和连续性[18]的优点(表1)。此外，唾液中的生物标记物，如α-淀粉酶、葡萄糖、乳酸、磷酸盐和尿酸(uric acid，UA)等，已被证明与血液有良好的相关性[14](表2)。唾液传感器是基于丝网印刷技术制造而成[15,16]。研究人员在聚合物护齿罩中加入了安培酶生物传感器，用于监测唾液中乳酸(图2a)和UA浓度[15](图2b)。Kim等[15]制作了一种护齿生物传感器，通过在柔性聚乙烯(polyethylene，PE)上丝网印刷三层聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)基材(图2a)。该传感系统提供了非侵入式测量乳酸的方法。在为时2 h的传感器稳定性测试中，测量频率10 min，测量精度为0.05 mmol/L。从电流图反馈的结果来看，传感器持续稳定响应。此外，生物传感器对正常人类唾液乳酸浓度的测试，具有良好的线性和相关性(系数0.988)。此外，在连续2 h的测试中，传感器具有良好的稳定性。在另一项研究中，Kim等[16]在护齿中制作了可穿戴的唾液UA生物传感器(图2b)。该生物传感器成功检测了人造唾液、未稀释的人类唾液和一例未用药物控制的高尿酸患者，未经治疗的高尿酸血症患者表现出持续5 h的高血清尿酸(SUA)水平。传感器在体育运动方面表现出的实时监测能力还需进一步临床评估。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.144.T001表1各生物标记物的来源Table 1Source of each biomarker来源位置优势劣势在运动中的应用顶分泌腺[10]腋下，腹股沟非侵入性，可持续检测位置受限，影响运动在实验中，没有在运动中使用血液[11]体内信度高不能连续、实时和非侵入性测试根据运动情况，必要时采样汗液[12]分布在体表在不干扰运动情况下，实现非侵入、连续监测皮肤被污染，无汗。采样受天气影响在运动中使用，并进一步优化尿液[13]膀胱采样方便不能实现连续性在运动中使用唾液[14~16]口腔采样方便有护齿的运动可以，不能连续监测尚在实验中，没有在运动中使用泪液[17]眼睛可以实现非侵入性不能长时间连续采样，并且可能不舒服，甚至不安全尚在实验中，没有在运动中使用10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.144.T002表2用于监测运动表现的非侵入性生物标记物Table 2Non-invasive biomarker for monitoring exercise performance生物标记物反映身体情况浓度检测试剂传感模式唾液汗液唾液汗液唾液汗液α-淀粉酶压力水平[63]5~17 U/mL‒α-葡萄糖苷酶，葡萄糖氧化酶‒生物识别‒葡萄糖疲劳[35,47,64]0.001 mmol/L0.01~0.02 mmol/ L 葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶计时安培法计时安培法乳酸训练强度0.005~0.05 mmol/L 5~20 mmol/L乳酸氧化酶乳酸氧化酶计时安培法计时安培法Na+低钠血症[29,30]‒10~100 mmol/L‒Na离子‒电位测定Cl-疲劳[65,66]‒10~100 mmol/L‒Ag/AgCl‒电位测定K+高/低血钾症[35]‒1~18.5 mmol/L‒K离子‒电位测定pH身体酸碱度[44]‒3~8‒聚苯胺‒电位测定NH4+疲劳[36]‒0.11.1 mmol/L‒铵离子‒电位测定食欲素A压力水平[58]‒pg~nmol/L‒ZnO FET‒生物识别皮质醇压力水平[62]‒8~140 ng/L‒ZnO，MoS2‒电化学10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.144.F002图2用于连续监测唾液代谢物的生物传感器[15,16]：(a)监测唾液乳酸护齿生物传感器工作电极示意图；(b)监测唾液尿酸护齿生物传感器Figure 2Biosensors for continuous monitoring of saliva metabolites[15,16]. (a) Mouthguard biosensor for monitoring lactate; (b) Mouthguard biosensor for monitoring salivary uric acid目前，以唾液为样本来源的传感器在快速发展。与汗液相比，唾液用于实时测量人体表现的主要缺点是，它仅限于需要佩戴护齿的运动。此外，唾液中检测到的分析物浓度远远低于汗液中检测到的浓度(表2)。另外，目前文献中讨论的可穿戴设备还没有体现出对唾液生物标志物测量的连续性(表1)，对于其高灵敏度和稳定性也需要进一步验证和探索。1.1.2汗液汗液是连续无创测量生物标志物的理想来源，汗液中具有多种生化指标监测的常用标志物，如钠、氯、钾、乳酸、钙、葡萄糖、氨、乙醇、尿素、皮质醇以及各种神经肽和胞质素[15]。与尿液、血液、眼泪和顶泌汗腺的生物标志物相比，检测外泌汗腺生物标志物具有巨大优势。外泌汗腺分布在身体的许多部位(密度大于100个腺体/cm2)、易于采样、样本受污染程度低以及不易降解分析物[10](表1)。使用小汗珠的缺点包括皮肤污染、腺体上存在干燥的汗液，从而使分析物测量发生偏差，采样率低[10,19]。然而，仍然需要确保所施加的电流强度不会导致阴极血管扩张或红斑，从而引起运动员不适[20]。通过使用水凝胶基电极调节表皮的电流强度和随后的电流密度可能是缓解皮肤上此类反应的可行的第一步。Epicore Biosystems、Halo Wearables和Graph- Wear等公司目前正在开发用于汗液检测的表皮传感器，其中Epicore Biosystems已经建立了大规模生产，用于连续和无创地测量小汗珠中的各种生物标志物[21]。Halo Wearables开发了第一个非侵入式腕带传感器，用于通过光学和电子传感器监测运动员体内的水合水平。该传感器跟踪血液中细胞水平的水合水平，并利用算法将这些水平分为100级：绿色(68~100)，完全水合；黄色(35~67)，小心尽快水合；红色(1~34)，需要立即水合。GraphWear制造了一种基于石墨烯的表皮传感器，该传感器附着在躯干上，用于检测葡萄糖和乳酸，以评估水合水平。1.1.3泪液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。其中泪液中的葡萄糖含量与血液的葡萄糖含量密切相关。因此，泪液常常被用于人体葡萄糖浓度的监测。除此之外，泪液在其他标志物监测中的应用较少。基于泪液的传感器目前也在快速发展，但由于泪液易受污染，且取样安全性问题难以解决，泪液传感器的发展尚不成熟。英国帝国理工学院的Moreddu 等[25]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35 s内检测到2 μL 人造泪液中的葡萄糖浓度发生微小变化。该研究可以克服泪液检测取样困难、泪液易受到外界污染以及泪液分析方法复杂等缺点[26]。哈佛大学的Guo等[27]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(0.1 mmol/L)和快速响应(1 s)的优点。随着人工智能算法的不断发展,越来越多的传感技术与人工智能进行结合。韩国光州科学技术学院Jeon等[28]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，实现泪液的葡萄糖检测(图3)。算法的引入，使检测的精度大大提高。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。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.144.F005图3用于连续检测泪液代谢物的生物传感器[28] (使用光学监测系统和微孔板分光光度法分析受试者泪液的血糖浓度，并与血糖相比有很高的相关性) (2021 American Chemical Society版权许可)Figure 3Biosensors for continuous monitoring of tear metabolites (The use of optical monitoring systems and microplate spectrophotometry to analyze the blood glucose concentration in subjects' tears showed a high correlation with blood glucose)(Reprinted with permission from Ref. [28]; Copyright 2021 American Chemical Society)1.2常用生化标记物及检测技术1.2.1钠离子(Na+)和氯离子(Cl-)及其检测技术Na+和Cl-离子是汗液中最丰富的电解质，在促进水合作用中发挥作用[29]。在运动中，Na+的及时补充对于加速运动员恢复和减少脱水引起的软组织损伤至关重要，因此，监测运动员体内Na+水平十分重要。文献中也报道了通过使用表皮传感器检测Na+。Bandodkar等报道了表皮刺青电位钠传感器的成功制造并分析其性能，该传感器可用于连续无创监测汗液中的钠，从而突出了其对体育界的转化潜力[30]。使用可穿戴设备以非侵入性方式监测Cl-浓度的变化，以及或不依赖于钠测量，可以加快治疗和恢复，以减少软组织损伤。研究人员成功开发了一种基于手腕的电位可穿戴设备，该设备能够检测汗液中的氯离子浓度，用于囊性纤维化监测[31]。该传感器通过腕带或胶带放置在人体受试者身上，并在运动中进行测试，以证明该技术作为可穿戴设备的可行性。虽然这种粘附平台不适合在运动中长期使用，但该设备的电化学性能和稳定性证明了其在运动中使用的前景。在另一项研究中，研究人员制造了一种可穿戴的、柔性的电化学电流型Na+传感器[32]。该传感器由多壁碳纳米管(multiwall carbon nanotube，MWCNT)组成，形成了一种柔性导电传感器。MWCNT用环状低聚氯丁烯官能化，以选择性地与钠离子形成超分子配合物，从而允许检测健康和患病个体生理上适当水平的钠离子，并将结果与当前分析技术(如原子吸收光谱法、离子色谱法或商用钠量计(如AquaTwin™)对比，验证了Na+汗液传感器的准确性[33]。1.2.2钾离子(K+)及其检测技术血浆中的K+浓度与肌肉活动密切相关。运动期间K+浓度的增加可以通过运动肌肉的电活动来解释。钾流出速率与运动强度成正比。钾通过比例调节器从血液中排出，该调节器可能是运动肌肉的Na+-K+泵。细胞外K+与泵刺激间接相关，再摄取的速率与细胞外积累的速率成比例。据报道，汗液的K+浓度通常与血浆的K+浓度相似[34]。因此，K+水平的测量可以作为衡量和评估运动员运动强度、负荷和消耗的指标。Gao等开发了一种灵活的汗液传感器，用于实时检测Na+、乳酸、K+、葡萄糖和皮肤温度[35]。同时对六名参与户外跑步的受试者进行了实时汗液Na+和K+测量。在初始Na+增加和K+减少后，在正常水合试验(每5 min摄入150 mL水)中，汗液中Na+和K+被认为是稳定的。80 min后，当受试者失去大量水分(约为体重的2.5%)时，在脱水试验中(不喝水)观察到汗液Na+增加，汗液K+增加较小。从采集的汗液样品中对Na+和K+进行的原位测量显示了类似的现象。1.2.3乳酸及其检测技术乳酸是无氧活动过程中产生的小分子[36]。血乳酸浓度与汗液乳酸浓度接近，可反映身体消耗和运动强度[37]。由丝网印刷形式制备的三电极电流型乳酸生物传感器结合两个ECG电极组成的可穿戴设备可同时实时测量心脏中的乳酸和电活动[38]。疏水涂层被放置在两个传感器组之间，以增加ECG和电流测量电极之间的阻抗，从而防止传感器组之间的串扰。通过结合这两种类型的传感器，这种可穿戴设备可作为电生理监测的组合平台。实时监测显示，与当前可穿戴设备相比，心电图不受乳酸检测的影响。此外，通过生物传感器测量的乳酸水平与增加强度训练的预期汗液乳酸曲线非常接近。在另一项研究中，使用鲁米诺作为信号物质制造了一种用于乳酸检测的生物传感器[39]。在定量的乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase，LD)和丙酮酸氧化酶(pyruvate oxidase)的催化下，以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)为辅酶氧化乳酸，生成过氧化氢。过氧化氢的形成增强了鲁米诺的电化学发光，从而检测乳酸。在训练过程中使用运动员汗液样本时，检测限为8.9×10–12 mol/L，平均回收率为101.3%。将该设备适配到可穿戴设备中，可大大提高其在训练期间持续监测的实用性。在另一项研究中，设计一种柔性可穿戴的贴片，用于测量乳酸、钠、pH和温度[40]。该传感器设计用于通过微针型传感器阵列(直径50 μm)传输汗液，这些传感器被整合到微流体通道中。在骑行和跑步之前，使用双层粘合剂将180 μm厚的贴片固定在六名健康受试者的皮肤上。临床测试表明，在热身期开始10~15 min，由于体温调节，运动期间出汗率增加。钠离子和乳酸水平随着运动强度的增加而增加，反映出无氧代谢的增加。1.2.4葡萄糖及其检测技术监测葡萄糖水平对于控制运动员的疲劳水平至关重要[41]。人体汗液中的葡萄糖浓度在0.01~0.2 mmol/L之间，研究人员试图评估血糖和汗液葡萄糖水平之间的相关性[42](表2)。La Count等[43]模拟了汗液葡萄糖和相关电解质浓度向血液中的转移。由于出汗快慢和多少的问题，显示了10 min的血-汗迟滞时间和以及对应的汗液/血糖水平。了解延迟时间和运输动力学是开发生物传感器准确测量影响运动员表现的分析物(如葡萄糖)的关键。研究人员制作了表皮聚合物电极，用于单独或组合检测乳酸[35,44]、钠[45]、钾[46]、葡萄糖[47,48]、皮质醇[49]。如前所述，Gao等[35]在PET基底上制作了表皮传感器，用于同时和连续检测钠离子、乳酸、钾离子、葡萄糖和皮肤温度。这样的装置可以弯曲(低弯曲刚度，在低弯曲下具有优异的实用性)，但它们不能拉伸(无弹性，并且不具有大应变能力)[50]。像这样不可拉伸的电极与皮肤的可拉伸之间的差异可能导致电极分层，特别是在高灵敏度运动活动期间。Abellan-Llobregat[51]报道了一种基于铂(Pt)用石墨打印且高度可拉伸的汗液葡萄糖检测装置。该装置用来测试人体汗液，并证明了通过商业血糖仪测量的汗液中葡萄糖浓度与血液中葡萄糖浓度之间的强相关性。在一项验证研究中，制作了一种基于柔性纹身的葡萄糖传感器，用于血糖监测[52]。该装置是利用间质葡萄糖的反向离子电渗提取基酶的电流型生物传感器。研究表明，基于纹身的离子电渗传感器平台可能对糖尿病管理有效，并可能与监测人体生物标志物相关。在另一项研究中，Koh等[44]开发了一种封闭的微流体系统。该系统通过使用生物相容性粘合剂，将柔性和可拉伸传感器粘附在身体上的多个位置，无化学或物理刺激，可以直接从毛孔中收集汗液，测量乳酸、葡萄糖、水合氢离子(pH)和氯化物等。Bariya等[22]在150 m柔性PET基材卷上开发了卷绕式(R2R)凹版印刷电化学电极，用于检测pH、K+、Na+、Cu2+、葡萄糖和咖啡因(图4a)。这项工作为大规模、低成本制造用于运动医学和健康相关应用的一次性可穿戴传感器奠定了基础。在另一项研究中，Martín等[23]开发了用于检测葡萄糖和乳酸的微流体表皮装置(图4b)。使用乳酸氧化酶（lactate oxidase，LOx）改进的流量检测器对受试者的电流型汗液乳酸反应进行连续监测，结果表明，随着汗液样本进入并充满检测器储液罐，电流信号增加。当使用葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）修饰电极测量葡萄糖水平时，也看到了相同的趋势。从汗液中测量葡萄糖水平的趋势与血糖值的趋势一致。但是，利用这种技术进行长期无创葡萄糖测量仍然存在样品污染的问题。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.144.F003图4用于连续检测汗液代谢物的生物传感器。(a)该设备在锻炼时作为“智能”腕带佩戴，在方便出汗的同时，能连续、实时监测汗液中的分析物[22](2018 American Chemical Society版权许可)；(b)生物传感器与无线电子设备集成在皮肤上的照片[23](2017 American Chemical Society版权许可)；(c)受试者在椭圆机上佩戴收集汗水的微流体装置[24](2018 The Royal Society of Chemistry版权许可)Figure 4Biosensors for continuous detection of sweat metabolites. (a) This device is worn as an “intelligent” wristband during exercise, allowing for continuous and real-time monitoring of analytes in sweat while facilitating sweating (Reprinted with permission from Ref. [22]; Copyright 2018 American Chemical Society); (b) Photos of biosensors integrated with wireless electronic devices on the skin (Reprinted with permission from Ref. [23]; Copyright 2017 American Chemical Society);(c) Subjects wear a microfluidic device to collect sweat on an elliptical machine (Reprinted with permission from Ref. [24]; Copyright 2018 The Royal Society of Chemistry)1.2.5皮质醇及其检测技术皮质醇是一种由肾上腺分泌的类固醇激素，作为下丘脑-垂体-肾上腺通路中的产物，对压力做出反应[53]。皮质醇通过调节神经系统、免疫系统、心血管系统、代谢系统和内分泌系统，负责维持体内的稳态[53]。皮质醇存在于人体血液[54]、血清[13]、尿液[13]、唾液[13]、头发[55]、间质液[56]和新生的汗液。在最近的一项研究中，Jia等[53]试图通过利用液相色谱-串联质谱技术(LC-MS)进一步了解和量化人类汗液中的皮质醇。该研究检测到一种异构体，其疏水性、保留时间和碎裂模式与汗液的皮质醇相似。Marques-Deak等[57]比较了血浆和汗液中细胞因子的基线水平，如IL-1α、IL-1β、IL-6、TNF-α、IL-8和TGF-β，先前使用生物传感器测量压力的工作集中于测量一系列生物标志物，如Orexin-a[58]、皮质醇[56]、多巴胺[59]、神经肽Y[60]和白细胞介素-6 (IL-6)[61]。Parlak等[62]开发了一种多功能分层可穿戴有机电化学传感器，用于无创检测小汗珠中的皮质醇(图5)。该团队集成了一个电化学晶体管和一个仿生聚合物膜，用来检测皮质醇。该传感器与微毛细管通道阵列相结合，集成在传感器中，从而向传感器接口提供精确的样品输送。通过在前臂上喷洒使皮质醇浓度增加的人造汗液以及运动期间的实时测试，证明了该设备测量皮质醇的实用性(图5)。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.144.F004图5用于检测皮质醇浓度的柔性可穿戴传感器[62](实时测量皮质醇浓度，并将测量的数据与血检的结果相比较，具有良好的相关性)(2018 The Authors版权许可)Figure 5Flexible wearable sensor for detecting cortisol concentration (Real time measurement of cortisol concentration and comparison of the measured data with blood test results show good correlation) (Reprinted with permission from Ref. [62]; Copyright 2018 The Authors)1.2.6食欲素及其检测技术食欲素及其在大脑中的相应受体有助于自主控制、注意力、进食、记忆、睡眠和压力。测量血清中食欲素A的水平有助于预测运动员的情绪[58]。Hagen等[58]利用交叉氧化锌场效应晶体管(ZnO FETs)，通过将双功能肽结合到ZnO半导体和神经肽上来检测食欲素 A。该结合被传递到电信号，并且传感器选择性能够检测到水中约0.1×10–12 mmol/L的浓度、过滤的人唾液中10×10–12 mmol/L 的浓度和过滤的胎牛血清中1×10–6 mmol/L 的浓度。该传感器平台展示了FET器件测量复杂生物流体中广泛生物标志物的潜力；然而，为了实时检测此类生物标志物，需要改进生物传感器的灵敏度和稳定性。2基于汗液分析柔性可穿戴传感器在竞技运动中的应用最近报道的用于汗液分析的可穿戴设备提供了利用微流体[24]或离子电渗法[21]来缓解与样品污染的方法。微流体平台通过连接身体不同部位的小汗腺，能够从皮肤表面收集汗液，并根据需要来缩放设备的尺寸和形状。提取出的汗液通过比色分析、电化学分析和荧光分析等方法进行目标物浓度的测量。Sekine等[24] 基于智能手机的荧光成像模块，开发了一种荧光测量方法，利用可穿戴微流体设备中探针与特定离子的反应导致荧光激发强度的变化，检测捕获的汗液中Na+、Cl-和Zn2+的浓度(图4c)。测定的离子浓度与使用传统实验室方法获得的离子浓度水平相同。Reeder等[67]基于Rogers Group先前发表的工作，开发了一种防水表皮微流体可穿戴设备，可在水下分析汗液。该技术利用聚合物材料，如聚苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯组成的三嵌段共聚物(SIS)，结合微流体平台，实现水下的目标物检测。此外，微流体通道的设计防止了来自水生环境的污染，而不会阻碍汗液流向传感器。游泳运动员的出汗率低于陆地上的运动员，根据锻炼强度和水温的不同，其出汗率在0.33~1.6 L/h之间[68]。监测出汗率、水合作用和离子浓度对于跟踪运动员在超耐力铁人三项等项目中的表现和健康至关重要。在极端条件下，该设备与皮肤的牢固和水密结合使其能够在游泳运动员的身体上保持2 h以上。Wang等[69]在研究中提出了一种制备简单、可自我修复、可粘附的可穿戴水凝胶贴片，用于汗液比色检测，相对于电化学和SERS检测方法，其更便捷。He等[70]在研究中展示了一种具有均匀蘑菇形热点和高表面增强拉曼散射(SERS)活性的可穿戴微流体纳米等离子传感器，能够检测目标生物标志物，包括尿素、乳酸和汗液中的pH值等，显示出SERS检测技术灵敏度高、成本低、时间快的特点，并且解决了新旧汗液之间存在混合效应的问题。Wang等[12]介绍了一种集成MoS2芯片，借助电化学信号处理，对汗液中的四种生物标志物(葡萄糖、乳酸、Na+和K+)实时和高精度检测的超小型可穿戴生物传感器。Reeder等研究表明，该设备能够应用于在铁人三项赛期间的公开水域游泳中，在剧烈的体力活动中能够测量局部汗液氯化物浓度、局部汗液流失、出汗率和皮肤温度[67]。在实际训练监控过程中，可穿戴汗液传感器还需要考虑舒适度的问题。Xi等[71]提出了一种基于Janus织物的单向比色汗液采样和传感系统，使用界面改性技术，消除潜在的表皮污染，实现汗液生物标志物的视觉和便携式检测，如氯化物、pH 值和尿素。He等[72]提出了一种基于天然丝绸材料的皮肤舒适的Janus电子纺织品(e-textile)，弥合了生理舒适性和传感技术之间的差距。其通过集成的可穿戴平台弥合了自吸汗液收集和灵敏的电化学生物传感之间的差距[73]。汗液监测受多种因素的影响，天气和室外空气温度是主要障碍。例如，相比在寒冷气候下，高水平运动员在潮湿环境中训练会产生大量汗液。考虑到可穿戴汗液传感设备产生和捕获的样本量很小，在寒冷天气如何获得足够的样本成为一大挑战。Hauke等[21]开发并验证了具有集成汗液刺激的连续和血液相关汗液酶传感器。其使用三个步骤保证足量的汗液收集：(1)使汗液刺激物与皮肤的膜分离，以防止汗液稀释出所需的分析物；(2)使用卡巴胆碱作为兴奋剂，以在长时间(数小时至数天)持续产生汗液；(3)使用促发汗轴突反射出汗，以尽量减少新旧汗液的混合，从而减少样本污染。当对两名人体受试者进行测试时，表现出稳定的测量信号。这项工作证实了汗液可以被刺激，所需的离子或分析物可以以连续的方式被测量。对运动员来说，其运动表现取决于运动时候的身体需求和压力水平。持续监测运动员压力水平可以让运动员在赛场上有好的运动表现[74]。压力反应会引发肾上腺素和皮质醇等激素的释放，尤其表现在皮质醇和食欲素这两种生物标志物中(图5)。目前，监测运动员压力水平的主要方法有3种：(1)自我报告(最常用和最方便)；(2)多模态生理分析；(3)体液分析[75](表3)。自我报告方法虽然方便快捷，但因为缺乏压力状态客观标准，并不是最佳的评估方案。此外，该方法也不能实时评估运动员的健康状态。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.144.T003表3评价运动员压力水平的各种方法Table 3Various methods for evaluating athletes’ stress levels测量方法优势劣势持续监测压力问卷易操作，可大样本，成本低主观性高，时间集中不可以生理学访谈比问卷更个体化耗时长，访谈需有经验专家不可以心率变异性客观，非侵入性量化标准比较难只可在临床连续监测血压客观，非侵入性很难持续测量，相关性弱只可在临床连续监测脑电监测客观，非侵入性很难长时间测量只可在临床连续监测皮电监测非侵入性受汗液干扰不可以生化监测检测相关标记物样本需实验室测量不可以科学的训练、均衡的饮食和充分的恢复是运动员成功的基础。均衡的训练强度与训练后的恢复能最大限度地提高运动员的运动表现，并进一步促进运动员的体能发展。缺少充分的休息可能会导致过度训练，从而引起身体机能的下降和对健康的长期损害。因此，对运动员的恢复进行系统的客观评估对于防止过度训练至关重要。在寻求最有效的训练方案时，应不断评估恢复情况，以优化施加在运动员机体上的运动负荷，避免过度训练或训练不足。3机遇与展望柔性电子技术的出现，彻底改变了软电子技术、生物和化学传感器技术的发展，推动了运动医学的发展[76]。然而，如前所述，寻求测量生物信号、生物标志物和生物力学参数的设备受到设备技术本身以及与数据分析、数据挖掘相关的系统级问题的挑战。在设备方面，首先，仍然需要开发传感技术和封装方法，这些技术和封装设计用于增强检测灵敏度并提高信噪比的坚固易磨损系统，特别是在软传感组件和刚性电子器件之间的接口处。其次，降低设备的总功率对于使这些设备通过初始原型阶段至关重要。再次，转向专用集成电路(ASIC)技术以整合电子产品并降低功耗，这将有助于使其小型化，并将其镶嵌入运动服装等运动装备中。最后，为了降低成本，如先前Bariya等的工作所述，通过特殊的专业制造平台将传感器生产规模化将是至关重要的[22]。在系统方面，仍然需要改进数据分析和数据挖掘技术。生物医学设备和传感器的数据挖掘的主要功能和作用包括：(1)通过可穿戴传感器获取数据；(2)从运动员到团队教练的数据传输；(3)数据集成；(4)数据存储；(5)数据安全和隐私[77]。考虑到这些需求，就会伴随数据滤波、信号处理和噪声去除等问题。为了解决这些问题，需要使用诸如用于伪影减少和数据压缩的小波分析、数据汇总和传输等数据挖掘技术[77]。机器算法[78]和人工智能[79]的出现对可穿戴设备领域的发展至关重要(图3)。Kitman实验室利用机器学习平台和运动技术来评估运动员对各种运动模式负荷的适应情况[80]。在实际应用方面，唾液传感器采样容易，但其成分丰富，易被污染，并且受限于其需要以护齿形式实现可穿戴，也决定了其使用范围局限在需要佩戴护齿的运动；汗液传感器需要解决汗液污染以及出汗率低等问题；泪液传感器需要面临采样量低、测量精度高以及穿戴舒适度的问题等。将可穿戴传感器用于运动医学的临床研究可以使研究人员能够访问广泛的数据，然后对数据进行模型分析，以准确、高效地预测运动员受伤风险，为运动医务人员提供数据支撑。有了这些基础条件，我们可以搭建一个平台，依据采集的生理参数和生物标志物，为医务人员展示运动员的实时身体状态，并向教练团队提供运动员的恢复方案和康复建议。可穿戴传感器的最终目标是开发一种多模式、非侵入式设备，以实现对生理参数和生物标志物的无创、连续和组合测量，帮助运动医学教练高效、准确地监控和调整治疗计划，以最大限度地提高球员的表现，同时减少运动损伤。