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方法文章

使用一种新型小型无线设备进行汗液监测的详细方案

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DOI：

10.3791/54837

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2016年11月24日

 ,  ,  ,  , 
1Wellness Promotion Science Center, Institute of Medical, Pharmaceutical and Health Sciences, Kanazawa University, 2Advanced Research Center for Human Sciences, Waseda University, 3Department of Clinical Laboratory Science, Graduate School of Medical Science, Kanazawa University, 4Asanogawa General Hospital

本文内容

摘要

近期，我们开发了一种用于汗液监测的小型无线设备。本文中，我们提供了使用该设备进行汗液监测的详细操作方案，并以交感神经活性测试为例进行说明。

摘要

汗液监测可用于检测某些疾病，例如体温调节障碍和精神类疾病，尤其适用于患者未意识到自身患有此类疾病或难以表达症状的情况。迄今为止，已有多种汗液监测设备被开发出来；然而，这些设备往往体积较大、功耗较高，和/或灵敏度较低。

近期，我们开发了一种用于汗液监测的小型无线设备。该设备由温度/相对湿度（T/RH）传感器、电池驱动的小型数据记录仪以及作为干燥剂的硅胶组成，整体封装于小型圆柱形外壳中。T/RH传感器位于检测窗口（水蒸气由此从皮肤进入）与硅胶之间。该汗液监测设备的基本原理基于菲克扩散定律，即皮肤至硅胶的水蒸气通量（i.e. 经表皮水分流失和出汗）可通过T/RH传感器处湿度的变化进行捕捉。此外，采用基线扣除法以区分出汗与经表皮水分流失。

如先前的报告所示，所开发的设备能够以简便、无线的方式监测身体任何部位的出汗情况。然而，该设备的具体使用方法尚未公开。因此，本文将以交感神经皮肤反应监测为例，展示如何逐步使用该设备进行出汗监测的详细操作教程。

引言

人类出汗，通常称为"出汗"，不仅是一种体温调节机制1，还与某些疾病相关。异常出汗的病因广泛，包括：中暑、甲状腺功能亢进或减退2、脑梗死3、糖尿病4、自主神经功能障碍5、更年期（称为"潮热"）6、囊性纤维化7、帕金森病8以及社交焦虑障碍9。鉴于与出汗相关的疾病种类繁多，普遍认为以无处不在的方式监测出汗率，有助于这些疾病的早期诊断或预测（例如，预防中暑）10。

迄今为止，仅提出了少量用于汗液监测的设备。早期，皮肤电导率和相对湿度被用作汗液分泌量的间接指标11,12最近，已提出多种用于汗液监测的柔性可穿戴传感器13-19，尽管这些方法主要用于分析汗液电解质，而非汗液的量或出汗的时间模式。水蒸气扩散的计算已被用于更定量地监测皮肤水分交换的方法20-23然而，这需要（1）假设外层大气处于静止且恒定状态20，（2）具备足够的灵敏度以检测水蒸气的自然流动21,22，或 (3) 一种冷却剂（例如，消耗大量电能的帕尔帖装置）将水蒸气冷凝为液态水23；因此，这些方法可能不适用于日常和长期监测。作为替代方案，已开发出一种通风室法20,24,25在通风室法中，来自氮气罐或泵的干燥氮气或除湿空气被导入紧邻皮肤的小型密闭室，收集从皮肤蒸发的水蒸气。皮肤散发的水蒸气量可通过出口气体与进口气体的湿度差计算得出。尽管该方法能够非常精确地估算出汗量，但氮气罐或机械泵通常体积较大，不利于日常监测。

为解决这些缺点，我们近期开发了一种用于汗液监测的新装置，该装置采用带有干燥剂驱动的强制水蒸气流动的密闭腔室，实现了高灵敏度和长期监测26。该装置由圆柱形塑料外壳、温湿度（T/RH）传感器及记录用微处理器和硅胶组成（图1）。理论上，外部环境不应干扰水蒸气的流动，且无需冷却或通风腔室。通过使用电子表格软件求解方程，即可获得汗液分泌曲线26。先前的研究仅展示了该装置的工作原理，由于篇幅限制，未提供使用该装置的详细方法。

因此，本文的目的是通过展示在交感神经活动测试期间记录应激诱导的掌部出汗情况作为示例，详细介绍如何使用所开发的设备进行汗液监测。

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方案

注意：该设备及其分析方法受日本专利申请公开号2011-169881和日本专利号5708911保护。本研究（包括涉及人体受试者的实验方案）已获得金泽大学医学伦理委员会批准（编号#553-1）。

1. 汗液监测设备的先决条件

注意：仅在首次使用前执行这些步骤一次。

  1. 在计算机上安装通用串行总线（USB）-串行端口转换接口驱动程序27如果驱动程序已安装，请跳过此步骤。
  2. 通过USB线缆将USB-串口转换接口连接至计算机。如有需要，等待系统自动安装驱动程序。
  3. 设置转换接口的参数，并按如下方式检查串口的ID编号。
    1. 打开设备管理器，然后选择【查看】→【按类型显示设备】。
    2. 定位 "端口 (COM & LPT)" 标题，并展开该部分以查找包含的标题 "CP210x USB 至 UART 桥接器" 在列表中。
    3. 记住端口的 ID 编号（例如， "COM5"）在 "CP210x USB 至 UART 桥接器" 标题。
    4. 双击 "CP210x USB 至 UART 桥接器，" 并打开 "端口设置" 表。
    5. 参数设置如下： "比特每秒" = 9600, "数据位" = 8, "胎次" = "无" "停止位" = 1，且 "流体控制" = "无。"
    6. 点击 "好的" 单击按钮关闭窗口，并关闭设备管理器。

2. 汗液监测装置的设置

注意：在使用设备前，请将录制设置按如下步骤进行。如果使用多个设备，则需对每个设备重复这些步骤。

  1. 确保汗液监测设备中未插入电池。
  2. 将USB-串口转换接口的白色连接器插入汗液监测设备顶部的插孔。
  3. 运行排汗记录软件，然后按如下设置设备参数。
    1. 打开 "设置" 表。
    2. 设置 "COM" 编号与串行端口的ID号相对应（见步骤1.3.3）。
    3. 点击 "确认连接" 按钮。检查消息 "连接……”出现。
    4. 在 "数据文件夹" 设置中，选择驱动器并选定用于保存汗液数据的文件夹。要选择子文件夹，请双击该文件夹以打开。
    5. 设置 "孔的数量" 到 "4."
  4. 打开 "测量 & 重组" 标签，然后设置 "时间间隔" 至所需的采样时间。
  5. 向汗液监测设备中插入电池。
  6. 用干燥的硅胶填充装置（若含指示剂，颜色应为蓝色或绿色），然后盖上盖子。如果盖子无法完全闭合，请减少硅胶用量。
  7. 点击 "立即开始记录" 汗液记录软件中的按钮。
    注意：由于排汗记录在断开连接后立即开始，因此可在开始监测前保持排汗监测装置处于连接状态。

3. 交感皮肤反应（SSR）测量的设置

注意：这些步骤旨在监测掌部皮肤交感反应（SSR）以反映交感神经活动，而并非汗液分泌监测本身所必需。SSR 是指在情绪波动或注意力集中等交感神经兴奋刺激下，皮肤电位发生的变化28,29。

  1. 使用酒精棉片清洁准备记录 SSR 的皮肤区域。
  2. 通过导电膏将阳极、阴极和接地电极分别放置在手掌、手背和手腕处，并用医用胶带固定电极。
  3. 调节仪器放大器的参数，将放大器上的相应旋钮设置如下：灵敏度（Sensitivity）= 1 mV/V，高通滤波器（"HI CUT"）= 3 kHz，低通滤波器（"LO CUT"）= 0.5 Hz。
  4. 运行 SSR 记录软件，点击软件中的 "Start Measurement" 按钮，以 200 Hz 的采样率开始记录。

4. 汗液分泌的记录

  1. 在汗液监测装置底部贴上医用双面胶。贴胶带时，确保测量窗口（即 确保设备底部的四个孔未被堵塞。
  2. 断开汗液监测设备与USB-串口转换接口的连接。断开后立即观察汗液监测设备是否自动开始工作，确保LED指示灯处于闪烁状态。
  3. 移除医用双面胶带的离型纸，将汗液监测装置贴于需监测出汗的皮肤部位。
  4. 等待10分钟，使水蒸气扩散达到稳定。
    注意：尽管此过程无法被监测，但先前的研究已证实，等待10分钟足以实现稳定监测。26.
  5. 开始检查（例如，交感神经活性测试）。
  6. 检查结束后，从皮肤上取下汗液监测装置。要停止SSR记录，请点击 "停止测量" 在SSR记录软件中点击按钮，并将所有电极从皮肤上移除。

5. 汗液分析

  1. 将汗液监测装置连接到USB-转串口转换接口（如步骤2.2所述）。
  2. 运行汗液监测软件。
  3. 打开 "设置" 标签，然后单击 "确认连接" 按钮。
  4. 打开 "测量 & 重组" 标签，然后单击 "下载" 单击按钮以将设备的原始数据保存至指定文件夹（参见步骤 2.3.4）。
  5. 按如下步骤进行汗液分析。
    1. 打开 "分析" 标签，然后单击 "读取数据文件。" 观察 "打开文件" 对话框弹出后，选择步骤 5.4 中保存的文件，然后单击 "开放" 按钮
      注意：该软件根据已发表的方法自动进行出汗分析26，结果将显示在屏幕上。同时，汗液数据将以逗号分隔值格式保存在同一文件夹中。

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结果

利用这种用于汗液监测的新设备（图1）以及基于菲克定律的计算方法，可便捷、无线地获取汗液分泌的时间动态曲线。图2展示了在交感神经活动测试期间进行无线汗液监测的代表性数据。实验中，将汗液监测设备与用于监测交感皮肤反应（SSR）的电极共同贴附于受试者手掌。在交感神经活动测试期间，要求受试者静坐并完成以下任务：（1）深吸气5次，每次间隔1分钟；（2）进行心算任务（例如，从100开始连续减去7，或“闪电心算”，即受试者需快速累加计算机屏幕上依次显示的数字），以激发交感神经活动。在应激状态下，同步记录汗液分泌和交感皮肤反应。结果显示，通过深呼吸和心算所诱发的交感神经活动，可利用本研究开发的设备检测到手掌部位的汗液分泌变化。图3展示了在日常活动中进行多点汗液监测的代表性数据。约1小时的手掌（情绪性出汗）和前胸部（热性出汗）汗液监测记录显示出与活动类型相关的不同出汗模式。

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讨论

本文旨在介绍一种新型无线汗液监测设备的使用方法。得益于工程学的最新进展，已提出多种更为精确且易于操作的时序汗液监测方法；其中，通风室法24,25和水蒸气压扩散法23是具有代表性的例子。然而，通风室法需要使用干燥氮气或带有干燥剂的泵来产生干燥环境，因此设备外部结构往往较大。水蒸气压扩散法虽可用于小型化设备中，但开放式腔室系统易受外界大气环境的显著影响，而封闭式腔室系统则存在水蒸气饱和（腔室内充满饱和水蒸气）或水蒸气冷凝器（例如，帕尔帖装置）功耗过大的问题。

为应对这一情况，我们近期开发了一种用于汗液监测的新型无线设备26。该设备利用干燥剂捕获皮肤释放的水蒸气，从而实现持续且自然的水蒸气流动。在水蒸气传输过程中，温湿度（T/RH）传感器将水蒸气流的变化记录为温度和相对湿度的变化。通过基于菲克定律（Fick's law）对这些变化进行计算，我们能够以相对于传统通风腔室法26小于<5% 的误差，估算出汗量随时间的变化（mg/cm2/min）。该设备可用于更...

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披露

作者福冈正和是Rousette Strategy Inc.的负责人，该机构完成了所开发设备的组装。本研究未从福冈正和或Rousette Strategy Inc.获得任何资金支持。

致谢

我们感谢协助开展本研究的铃沼亮平先生和立花奈保子女士。本研究部分得到了日本学术振兴会（JSPS）科研费资助项目编号15K20664、24500848和21500405的支持。本研究还部分得到了文部科学省（MEXT）/科学技术振兴机构（JST）终身教职推进计划的资助。本研究的部分内容基于日本未经审查的专利申请公开号2011-169881以及日本专利第5708911号。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
用于汗液监测
汗液监测设备Rousette Strategy Inc.SNT-200
USB-串口转换接口Rousette Strategy Inc.UUI-200
汗液记录软件Rousette Strategy Inc.TED99
硅胶Wako Pure Chemical Industries Ltd.194-16665应使用A型硅胶。
医用双面胶带3M2181由于需贴附于皮肤，建议使用医用级产品。
计算机需配备Windows操作系统。
名称公司目录号备注
用于交感神经皮肤反应监测
仪器放大器Nihon Kohden Corp.AB-611J
放大器机箱Nihon Kohden Corp.MEG-6108
输入盒Nihon Kohden Corp.JB-610B
酒精棉片Suzuran Sanitary Goods Co., Ltd.4545766050846
电极Nihon Kohden Corp.NE-114A
电极膏Nihon Kohden Corp.Z-401CE
医用胶带Nichiban Co., Ltd.SG257
模拟信号接口Micro Science K.K.C BOX-014
模数转换器Micro Science K.K.ADM-686PCI
SSR记录软件Matsuyama Advance Co., Ltd.LaBDAQ2000

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