基于微波的水合传感--用于监测人体水合水平的可穿戴设备

监测水合作用水平的可穿戴传感技术对于脱水敏感人群甚至一般人来说是非常有用的。

补水对人体的健康至关重要。水对于许多生物过程都是必不可少的，包括调节体温、将营养物质输送到细胞以及清除体内的废物。水分不足最初会产生轻微的症状，包括皮肤干燥和头痛。当缺水变得急性或长期持续，并且体内出现大量的净水分流失时，这些基本功能就无法有效执行，并可能对身体的许多系统产生严重影响。

可穿戴设备的两种监测方法：

1、检测皮肤上化学标志物的电化学传感器，

2、通过电或电磁信号测量介电特性的探针。

生物阻抗测量

基于微波的水合传感

通过卫星的微波来感应地球土壤水分，也可以实施电磁波来检测皮肤下的水。千兆赫兹频率范围内的电磁波波长达到毫米级，允许场在生物细胞内相互作用。一个细胞平均含有 70% 重量的水，而水是一种极性分子;因此，0.1–5 GHz delta 色散区域的复介电常数在很大程度上取决于含水量。场和水之间的相互作用发生在细胞内和细胞外。应该注意的是，这些场还与带电分子（例如蛋白质或酶）相互作用，因此散射信号也可能包括此类效应。这些生物分子也可能对细胞中的水分变化敏感。

两种微波检测方法：

通过谐振器进行水合传感，

透射和反射传感方法。

人体皮肤由三个基本层组成，如图所示。

顶层是表皮，它充当保护屏障，防止细菌等病原体进入，并抵抗紫外线对细胞的伤害。保护层还有助于调节温度和水合作用水平。身体大部分部位的厚度约为 1.5 毫米。

在表皮内，有五个不同的层。暴露在空气中的顶层是角质层，它有大约 20 层由死细胞组成，称为角质细胞，它们紧密堆积在一起并被脂质基质包围。角质层的厚度和组成因身体部位、年龄、遗传和环境暴露等因素而异。

角质层为了保护而坚韧。它的厚度显着影响放置在皮肤上的平面电容传感器的灵敏度，因为由于含水量变化而提供介电常数变化的其他层位于角质层下方。较厚的层会减小电容式传感的动态范围。来自和流向电极的电流找到电阻最小的路径传播，它们可能主要在皮肤的顶面上传播，而不会进入角质层下的层。皮肤表面状况在干燥或潮湿的环境中可能会产生不同的结果。

第二层是真皮，厚度为 1-4 毫米，

底层是皮下层，厚度范围很广，从眼睑上的 1 毫米到腹部的几厘米不等。

真皮层包含血管、汗腺、淋巴管、神经和成纤维细胞作为结缔组织。

皮下层包括脂肪（脂肪）组织、血管、淋巴管、汗腺、神经、毛囊和结缔组织。由于血液、淋巴管和汗腺的存在，这两层细胞对含水量变化更敏感。血浆和脂肪的含水量百分比分别为 91% 和 5%–20%（按重量计）。

在 915 MHz 和 2.45 GHz 时，37 °C 时的血液介电常数约为 62 和 60，脂肪的介电常数约为 15 和 12。它们的血液电导率分别为 1.41 和 2.04 S/m，脂肪的电导率分别为 0.35 和 0.82 S/m。当水百分比变化时，介电常数会出现很大的差异。与细胞相比，血液中水分百分比的变化对身体水合作用水平的反应更快。跨细胞膜的渗透决定了水的运动，而水的扩散比血流慢。真皮层和皮下层内的血液/淋巴管和汗腺中水的复杂介电常数的较高对比度可能在微波频率范围内提供更灵敏的水检测。

[1] J. . -C. Chiao, S. Bing, K. Chawang and B. Crowe, "Thirsty for a Noninvasive Wearable to Detect Dehydration: A Review," in IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 66, no. 5, pp. 66-76, Oct. 2024, doi: 10.1109/MAP.2024.3442823.