1977年Polar Electro推出了世界上第一款由胸帶發射器和手腕佩戴接收器組成的無線心率監測器，以為運動員提供運動過程的實時反饋，此后，可穿戴技術取得了巨大的發展。

過去十年中，韓國三星（Samsung）公司推出了先進的智能生物處理器（Smart Bio-Processor）片上系統（SoC），可以通過可穿戴設備測量人體脂肪、骨骼肌質量、心率（HR）、心律、皮膚溫度以及壓力水平。如今，三星公司的智能手表（SmartWatch）配備了其BioActive Sensor，具有更先進、更微型化的技術，不僅能夠計算心率、步數和卡路里，還可以監測睡眠、測量血壓等。其基礎和主要驅動力源自光電容積脈搏波描記法（PPG）技術，可以方便地集成在智能手表/健身手環中，現已廣泛用于人體健康狀況的連續監測。

近年來，利用PPG技術進行健康和健身監測吸引了消費者的極高興趣。目前，包括智能手表和健身追蹤器等可穿戴設備能夠定期監測/分析PPG信號，提供上述人體健康指標的非侵入性數據。最近還為可穿戴設備增加了體溫、血氧水平（SpO2）、血糖等監測功能。PPG信號還可以用于評估壓力和睡眠模式。

現在已經可以利用智能手表的PPG傳感器對心房顫動（A-fib）進行常規檢測。智能手機應用程序（App）如何幫助確定與動脈硬化相關的血管老化已經得到證明。另一方面，智能手表輔助特定健身計劃并指導鍛煉取得了顯著進步，該應用通常需要掌握用戶的基本生理參數。例如，關于脈搏、血氧等信息可以評估通過循環系統向鍛煉肌肉輸送氧氣的效率。

因此，對用戶訓練的長期監測，有助于智能手表為用戶制定有效的個人訓練計劃。對于這些應用，需要持續監測PPG信號，并在脈沖區的特定邊界被突破時快速接收通知。

據麥姆斯咨詢介紹，俄羅斯三星研究所傳感器解決方案實驗室的研究人員探索了實時連續監測人體水分流失這一令人困惑且往往不可預測的未知領域。研究人員希望通過為PPG添加某些光譜選擇性功能，使實時連續監測人體水分流失變得可行。在以往的研究中，基本不會利用PPG來連續監測人體的水合動態監測。

如果在可穿戴設備中成功應用，這有望成為人體健康、美容和鍛煉應用的又一熱門。事實上，規律飲水對于人體器官的正常運轉以及維持人體內部平衡非常重要。人體內所有的化學反應，包括能量的產生或分解以及葡萄糖儲存的過程，都需要一定量的水。脫水會對運動表現、體溫調節和心血管反應產生重大的負面影響。

三星智能手表技術概念示意圖，為用戶在訓練/鍛煉后水分流失時提供補充水分的建議

在劇烈的體育活動中，人體會因出汗而流失體液。同時，肌肉細胞產生的熱能會加熱血液。在溫度升高的影響下，血液中的水份充滿汗腺，體液蒸發的過程不僅可以使身體冷卻，還會導致血容量減少。

因此，必須及時補充體內的體液，否則會影響體溫調節過程，從而導致熱衰竭等情況。熱衰竭是指體內鹽分（電解質）和體液的過度流失，身體難以保持健康的核心溫度。人體活動中產生的熱量不能通過出汗來補償，而是積聚在體內，從而導致體內溫度升高，身體狀況惡化。

一般來說，口渴是調節體內水分和電解質的精確機制。當血漿中的滲透壓和鈉離子濃度因出汗而增加時，就會出現口渴現象。這些變化由負責維持體內平衡，特別是維持血漿滲透壓的下丘腦受體感知。

監測人體水合作用并及時攝入水分對于提高鍛煉效果及保持健康是必要的。在體育活動期間，運動員可能會經歷“自愿脫水”或身體對缺水的延遲反應。飲水平衡涉及選擇訓練期間應消耗的最佳體液量。另一方面，體內體液過多也不好，因為它會導致低鈉血癥。

身體認為血液中的水分過多時，會將其中一部分輸送到其他器官。人體液體量增加2%可能會導致全身水腫、體力降低以及腦損傷。因此，在運動過程中監測身體的水合作用并及時攝入水分，對于提高運動表現和保持良好的身體形態至關重要。

在這項研究中，研究人員考量了在下一代可穿戴設備中實施的重要功能：人體水合作用的非侵入性連續評估。研究人員首次展示了如何通過擴展光學檢測和現代分析算法，通過傳感器融合方案來實現這一目標，提出了一種新穎的傳感方案和途徑，用于捕捉、建模并分析皮膚的水合狀況。

研究人員提出的完整捕獲、建模及分析流程

這項研究為光與人體組織的相互作用、眾多重要特性以及汗液和人體水分流失監測，提供了行業領先的新洞察。所提出的方法能夠對目標幾何、光譜和其他傳感器在組織內檢測到光信號的分布進行可視化，并對薄汗膜及其對PPG檢測信號的影響進行了計算研究。

Monte Carlo仿真程序和所開發傳感器的幾何配置

通過擴展智能手表傳感器內置的傳感功能，并將其與高級建模和機器學習算法相結合，研究人員確定了PPG信號的幾個重要特征，以及與皮膚含水量動態對應的敏感光譜。在硬件方面，研究人員提出采用波長分別為970 nm和1450 nm的紅外光源擴展智能手表的功能。

研究人員構建了用于評估人類皮膚出汗的原型器件，以及基于機器學習的解決方案。檢測到的變化趨勢和光學建模非常一致，得到了理論和實驗室研究的支持。1450 nm為含水量估算提供了最佳的信噪比（SNR），研究人員預計，通過目前可用的傳感器，可以潛在地檢測由于體育運動引起的主動脫水（出汗）。

審核編輯：彭菁