可穿戴裝置可追蹤皮膚表面散發的氣體

點選藍字關注我們

SUBSCRIBE to US

John A. Rogers/Northwestern University

皮膚是人體最大的器官，不僅承擔著保護體內所有器官的重要作用，還能提供有關健康的寶貴資訊。許多可穿戴裝置（如智慧手錶和健身追蹤器）透過接觸皮膚的感測器監測生物特徵，主要追蹤皮膚下的血液流動等光學、熱學、力學和流體資料，但目前的裝置無法檢測皮膚自身散發和吸收的氣體。

多種氣體透過皮膚的流動可提供重要的健康資料。例如，水蒸氣測量：能反映人體水分狀況，這對患者、運動員和在危險環境中工作的人群至關重要；二氧化碳排放監測：可追蹤皮膚健康、傷口癒合等多種代謝功能；揮發性有機化合物（VOCs）監測：部分 VOCs 是環境健康危害物，監測皮膚對其吸收情況有助於評估風險；皮膚自身釋放的 VOCs 可能與傷口細菌感染相關。

美國伊利諾伊州埃文斯頓市西北大學的一個研究團隊開發了一種可穿戴裝置，該裝置透過位於皮膚上方但不接觸皮膚的感測器，能夠測量流入和流出人體的氣體（https://www.nature.com/articles/s41586-025-08825-2）。這種被稱為 “表皮通量感測器（EFS）” 的裝置可測量受試者皮膚附近的氣體濃度變化。

雖然感測器本身不接觸佩戴者的身體，但該裝置會在皮膚上形成一個圓形密封區域，以隔離出一個空氣樣本空間。該樣本由多個獨立感測器監測，這些感測器旨在測量不同氣體的濃度：水蒸氣、二氧化碳和揮發性有機化合物（VOCs）。此外，裝置在附著於受試者皮膚的位置還配備了皮膚溫度和電阻抗感測器。

該系統按特定時間間隔記錄感測器對目標氣體濃度的讀數，揭示這些氣體因透過皮膚交換而發生的變化。透過電磁體可將空氣樣本腔與通風口之間的閥門設定為開啟或關閉狀態，從而使通風口能夠定期提供新的環境空氣樣本。

追蹤皮膚氣體如何有助於健康？

該系統能夠長期監測皮膚對氣體的釋放和吸收情況。裝置資料透過藍牙無線傳輸至智慧手機或平板電腦，用於分析和報告。這不僅為醫療專業人員提供即時結果，還能呈現隨時間變化的趨勢性資料，而非孤立的單一快照。這些資料進而支援門診環境中的遠端患者監測，為醫護人員和患者帶來更高效率和便利性。

John A. Rogers/Northwestern University

該裝置可使用類似於智慧貼片和連續血糖監測儀的粘合劑固定在身體上。西北大學教授、該研究的共同負責人John A. Rogers表示：“幾乎身體任何部位都適用，只要表面不是高度彎曲或動態活動部位（如手指、肘部、膝蓋）。毛髮似乎不影響使用，前臂內側往往是方便的位置。”

該裝置的關鍵應用之一是傷口管理，尤其是糖尿病潰瘍。接觸傷口可能干擾癒合過程，但癒合情況又需要密切監測。如果傷口感染，可能需要抗生素治療。引發感染的細菌會產生揮發性有機化合物（VOCs），而該裝置可檢測這些化合物以提示感染。這在傷口結痂但未完全癒合時尤為重要 —— 透過檢測感染的VOC標記物，可實現早期干預以避免進一步損傷。

此外，該裝置還能評估驅蟲劑的有效性。蚊子等吸血昆蟲是包括瘧疾在內的人類疾病傳播媒介，而皮膚釋放的二氧化碳和VOCs會吸引蚊子。EFS可精確測量不同個體釋放的這些氣體，揭示最吸引昆蟲的濃度水平。這也可用於測量使用不同驅蟲劑後產生的變化，相關資料可用於製造模擬人體氣體排放特徵的人工皮膚，從而更便捷地開展可重複實驗，消除活體受試者的個體差異干擾。