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競技體育是國家體育發展水平的核心競爭力。現代競技體育訓練追求運動成績不斷提高，高水平運動員越來越依賴科學定製的個性化訓練規劃。隨著柔性電子、多功能器件整合、人工智慧等技術不斷進步，運動感測器逐漸向智慧化、多元化、微型化、柔性可穿戴化發展，可以對運動員訓練過程產生的訊號進行全方位、多角度、多層次採集，透過構建高水平運動員運動資料庫，運用大資料分析，實時監控運動員的各項生理指標，預測運動員訓練存在的風險，進行合理規避運動損傷，為運動員以及教練團隊提供科學化的訓練方案。國家體育總局體育科學研究所/暨南大學/北京體育大學蘇炳添副教授（第一作者）、國家體育總局體育科學研究所/北京體育大學陳小平特聘研究員、暨南大學化學與材料學院李風煜教授合作從運動員訓練中對各種體徵訊號採集、分析的需求出發，綜述了近些年來柔性電子、光電整合感測器的最新研究進展，介紹了不同種類的運動訊號檢測方法，包括生物電位訊號監測、電化學感測監測、光電容積描記法監測等。為我國運動員與體育工作者提供最新、最前沿的可穿戴感測器技術總結，為制定更為精準、可量化的科學訓練方法與理論提供知識與技術支援，推動我國“體育強國建設”。相關論文以“科學訓練輔助：柔性可穿戴感測器運動監測應用”為題，發表在《中國科學： 資訊科學》上。
1 引言
百米短跑被譽為競技體育“皇冠上的寶石”， 是國家在體育發展水平的核心競爭力。 近幾年我國以
劉翔
、
筆者蘇炳添
等為代表的運動員在短跑競技中不斷取得突破， 在引進發達國家先進訓練理念的同時， 系統性的引進 Freelap 計時系統、Keiser 力量訓練、BSXinsigh、肌氧監測、Polar 心率監測、Cosmed 氣體代 謝監測等先進的可穿戴式訓練分析、評估儀器。 透過內部的感測器實時檢測和反饋人體活動，對肌肉發力、 速度、身體協調性等訓練效果進行評估，同時對呼吸、心率、肌氧、血乳酸等體徵資訊進行量化的實時監測與分析， 監測運動員疲勞度， 防止訓練損傷， 制定科學的體能恢復與訓練計劃。 生化感測主要是監測生物化學訊號比如神經訊號、化學物質等［1-3］， 並將其轉化為可分析數字化訊號。 運動感測是監測人的體表微 動或全身運動， 比如脈搏跳動、心率、關節活動、肌肉活動等［4-8］， 並將其轉化為電訊號等資料化資訊。 可穿 戴感測器是決定當前智慧裝置功能的關鍵單元［9-13］。 短跑運動員在後程跑的訓練中（後程降速問題是目前 我國短跑相比於世界頂級運動員的關鍵短板）， 需要針對 80-90 米處的步長、步頻、觸地時間、爆發力進 行精細定量分析的同時， 更需要對運動員的呼吸、血乳酸、肌電等生物體徵訊號進行全程實時紀錄與分析。 現有的基於影片技術的動作分析在發力、體徵監測方面無法進行量化分析， 而目前的爆發力、呼吸、乳酸、 血氧飽和度、肌電等體徵監測裝置佩戴舒適性差、靈敏度低， 無法實時監測運動員自由狀態下的體徵資訊， 也無法獲取準確資訊， 從而嚴重影響訓練效果。
研究調查表明， 可穿戴市場份額每年能到達 350 億美元。 隨著市場不斷擴大， 預計 2020 年我國的可穿 戴感測器裝置市場將達到 767。4 億元。 然而， 根據上海體育學院與美國運動醫學學會共同釋出的《2019 中國健身趨勢》發現［14-15］， 可穿戴裝置關注度明顯下降， 原因主要是：1）市場同類產品多， 但功能單一；2） 市場推廣的可穿戴裝置材料多為硬性材料， 佩戴舒適性差；3）現有可穿戴裝置的檢測靈敏度、準確性不高， 不能給出體徵關聯性等更深層的體徵資訊。 隨著柔性電子、微加工封裝技術、大資料人工智慧等新技術的 巨大進步， 柔性可穿戴感測裝置獲得了極大促進與蓬勃發展。 感測器逐漸向微型化、整合化、智慧化、多元 化的方向發展。
在運動過程中， 人體會產生各種型別的運動生理訊號。 常見的運動生理訊號包括運動生物姿態訊號、 電生理訊號、分子標記的生物化學訊號、生物組織動力學訊號等［16］。 不同型別的訊號蘊含著特定的生理特 徵與身體資訊， 透過對這些訊號的實時監測， 實現運動員的訓練效果與身體狀況客觀的評價。 本文針對運 動監測特別是競技訓練輔助的巨大需求， 透過總結近年來可穿戴柔性感測器相關的新技術， 及其在電生理（Electrophysiology）［17］、光電感知（Photoelectric sensing）［18］、生物分子（Biochemical molecule）［19］等信 號檢測分析的應用。 另外， 還概述國內外柔性可穿戴感測器在生理訊號監測的應用最新研究進展， 針對目 前運動員還無法同時進行多項生理指標的監測， 提出目前學術界的最新解決方案， 為相關科研技術轉化成 產業化提供相應的指導建議， 促進科研成果的轉化（如圖 1）。 另外， 為運動員制定更為科學、詳細的訓練 計劃， 提供合理的技術指導， 推進運動輔助系統不斷完善， 透過實時監控運動生理訊號， 從而實現運動員 訓練水平提高［20］。
圖 1. 基於不同感測、分析原理設計的感測器，針對運動生理訊號進行運動監測與科學分析.
（a） 多功能表皮電子測試系統（EES）可檢測多種電生理訊號， ［21］ （b） 聚合物電極可附著測試心電（ECG）、肌電（EMG）訊號， ［22］ （c） 光電容積描（PPG） 用於心率檢測， ［23］ （d） 有機光電二極體可以用作光電血氧計， ［24］ （e） 微流體電極進行汗液電化學感測器監測， ［25］ （f） 整合的 電化學感測繃帶可實現實時、多底物的汗液分析， ［26］ （g） 在運動期間，汗液收集貼片用於連續汗液監測，［27］ （h） 可穿戴電化 學平臺用於生理指標監測［28］。
2 運動訊號型別
高水平運動員能夠取得優異的成績， 主要取決於：首先， 制定及完善科學的訓練方案， 設立專業的訓練 團隊， 根據高水平運動員個體的身體特徵、體能狀況， 及時調整自身訓練方案；其次， 基於完整及科學化的 訓練監測裝置， 對運動員的生理指標進行分析， 糾正運動姿態， 制定合理訓練計劃， 判定個人對訓練的適 應性與不良反應等， 最大限度地避免疲勞受傷的發生， 從而提高運動員整體的競技水平［29］。 透過對運動過 程中產生各種型別訊號的實時監控， 可以得出運動員的不同體徵與生理資訊， 根據訊號型別可以分為：運 動生物化學訊號（Biochemical signal）、運動電生理訊號（Electrophysiological signal）、運動生物姿態訊號（Kinematic signal）、生物組織動力學訊號（Tissue dynamics signal）， （如圖 2 所示）。 其中， 運動生物化 學訊號、運動電生理訊號和生物組織動力學訊號主要用於衡量運動員的身體機能；運動生物姿態訊號主要 是對運動員的技術動作進行評價。 優秀運動員的運動訊號資料進行採集整理， 構建高水平運動員運動訊號 資料庫；利用大資料分析技術， 為每個運動員提供最為合理的訓練計劃， 全面提高運動員的競技水平， 推進 相關領域的持續發展。
運動生物化學訊號（Biochemical signal）是指在人體運動過程中， 人體機能各項生化指標變化產生的信 號。 從分子層面， 如葡萄糖［30］、乳酸［31］、蛋白質［32］、尿素［33］等進行分析， 透過研究相應化學成分的含量變 化規律， 反映運動員運動過程的機能變化、能量代謝等生理資訊。 在運動訓練監控領域中， 葡萄糖和乳酸是 目前最為常見的生物化學監測訊號。 這兩種成分分佈在人體的各種生物體液中， 如血液、汗液、組織液、唾 液、淚液等， 且較為容易採集與檢測；同時， 這兩種小分子的檢測對於判斷運動員的訓練狀態具有重要意 義。 葡萄糖是衡量運動員訓練負荷狀態的主要指標， 透過監測葡萄糖濃度變化， 可以實時評價運動員體能 狀態， 為運動員提供合理化訓練方案。 乳酸是糖原在無氧條件下酵解供能的代謝產物， 乳酸積累是運動員 肌肉疲勞、疼痛的一個重要因素， 乳酸是衡量無氧能力的大小， 也是評價訓練或比賽強度的一個重要指標。 透過對乳酸的監測可以實現運動員的疲勞狀態科學評估。 ［34-36］目前， 專業運動員的生化指標監測方法主要 是透過採用生化分析儀、血乳酸儀、氣體代謝儀等。 主要是採取運動員在訓練前後以及高強度比賽後的血 液樣品， 進行相關生化指標分析， 從而瞭解運動員的身體狀況。 該方法是目前體育領域應用最為廣泛且準 確的。 此方法只能實現訓練前後生化指標水平的監測， 但無法實現動態持續的監測， 導致無法獲取運動員 在運動過程中實時的身體狀況。 如何實現連續監測運動過程中的動態生化指標， 是目前亟需解決的問題。
圖 2.
基於運動電生理訊號、運動生物姿態訊號、生物組織動力學訊號、運動生物化學訊號進行運動生理體徵監測。
運動電生理訊號（Electrophysiological signal）是在運動過程中， 人體各種細胞和組織， 尤其是神經元和 神經元組織產生的動作電勢的總和［37-38］。 主要包括腦電訊號、心電訊號、肌肉電訊號等。 心電訊號（Electrocardiogram， ECG）［39］是主要監測心臟規律性變化的訊號；肌肉電訊號［40-41］ （ Electromyography， EMG）是肌肉收縮時伴隨的電訊號， 是在體表無創檢測肌肉活動的手段；腦電訊號（Electroencephalography， EEG） ［42］是由腦神經活動產生電位活動的電訊號， 是腦神經細胞的電生理活動在大腦的反映。 運動電生理訊號在 監測運動負荷、瞭解疲勞與恢復程度起到重要的作用。 透過監測肌電訊號， 可以監測肌肉組織的發力運動 情況， 指導訓練動作最佳化以及運動康復與診斷等；透過心電訊號監測， 可以及時發現運動員心臟相關情況， 避免運動員心肌猝死危險事故的發生；透過對腦電訊號的監測， 可以實時反饋運動員的情緒狀態以及睡眠 狀態等。 運動電生理訊號的監測在短跑運動員技術分析具有重要的意義。 在短跑運動比賽過程中，肌電信 號是監測較為常用的訊號指標。 肌電訊號採集方法是透過針電極或表面電極作為電極，透過肌電系統傳輸 電訊號實現採集［45］。 肌電訊號採集具體方法是在運動員相關肌肉部位貼附表面電極， 然後透過肌電採集系 統進行實時無線資料傳輸， 可以得到短跑運動員運動過程的實時資料。 表面肌電訊號採集的方式通常需要 表面電極、肌電採集系統、高速攝像機等裝置。 目前，商業的肌電採集系統主要有美國 Noraxon、Delsys［46］、 德國 FreeEMG 等系統。 隨著無線通訊技術的發展，肌電訊號採集系統可以實現 100 米範圍內的無線傳輸數 據。 肌電採集過程普遍過程較為複雜，難以實現獨自監測。 所以肌電裝置逐漸向可穿戴化發展。 除此之外， 電生理訊號的監測普遍存在共同問題：在高強度運動條件下，會產生嚴重的運動偽影，導致準確性下降。
運動生物姿態訊號（Kinematic signal）， 是透過監測在運動過程中人體姿態， 衡量動作變化的物理訊號。 透過對運動姿態發生的變化進行分析，獲得運動引數如步頻、步長、動作幅度、關節角度變化等［43］。 如在步 態分析過程中， 通常一個步行週期中， 測量每個關節角度在各個運動平面的變化來衡量運動員的步態。 通 過分析世界上頂尖運動員在比賽跑步過程中的步頻、步長， 總結出他們具有合理的跑步步頻策略［44］。 針對 運動生物姿態訊號的分析， 可以及時發現運動員存在的錯誤姿勢， 改進訓練效果，提高運動成績， 同時減少 受傷發生的機率。 目前，針對運動生物姿態訊號監測主要是基於影片分析的原理，它可以快速幫助運動員 獲取運動過程中相關運動引數如關節角度、動作、步頻、步長，並對自己的技術動作分析，及時調整訓練 方案。 Vicon 是目前商業運動系統中，比較成熟三維視覺的捕捉分析系統，主要透過多臺攝像機對一個運動 物件進行跟蹤分析。 其優點是可以得到運動物件的準確空間位置，缺點是成本較為昂貴，需要多臺攝像機 ［47］。由於基於視覺分析技術暫時還無法實現可穿戴化，所以監測過程需要大量的裝置， 不利於實時監測。 所 以，實現攝像裝置的智慧化與微型化與無人機的結合，發展智慧跟隨、寬視野、第三視角視覺分析技術， 以提供多視角、實時的運動姿態分析是未來發展方向。
生物組織動力學訊號（Tissue dynamics signal）是指運動中人體組織的動力學特性訊號。 血管動力學信 號是主要的組織動力學訊號， 是指血管產生的生物物理訊號， 如血壓、脈搏波速、心輸出量等［16］。 血壓（Blood Pressure， BP）是其中最為常見的生理指標， 指血液在血管內流動時， 對血管壁產生的壓力。 血壓包 括收縮壓（Systolic Blood Pressure， SBP）和舒張壓（Diastolic Blood Pressure， DBP ）兩種。 一般而言， 經過劇烈 的運動後， 運動性骨骼肌內小動脈的血管會發生擴張， 心輸出量增加而外周血管阻力降低。 研究發現人在 運動過程中， SBP 逐漸升高， 而在 DBP 中可見輕微升高［48、50］。 透過對運動員運動過程中血壓的全程監控，制定合理的訓練方案， 避免運動員因過度訓練導致身體的損傷［49］。 生物組織動力學訊號， 在運動生理體徵 監測具有重要的生理意義， 可作為預警訊號對心臟疾病進行提前預測。
3 運動訊號的採集、感測與分析方法
3.1 基於電生理訊號監測
3.1.1 肌肉電訊號
肌肉電訊號（EMG）可以有效進行動作分析， 偵測不同肌肉間的協調性與時序性， 已經廣泛運用在 體育運動中， 用於指導運動康復與訓練診斷。 肌肉電訊號採集的原理主要透過體表附著電極， 進行對肌 肉系統的神經細胞所產生的電生理訊號的監測。 透過監測運動過程中的肌肉電訊號變化， 可以對肌肉疲 勞發出預警［52］。 運動員可以根據其肌肉電訊號情況， 適當調整訓練方法以及訓練量， 進而科學地提高運 動成績。 傳統的肌肉電訊號採集方法是利用膠帶或者繃帶， 在面板表面貼上電極， 然後透過導線連線到 相應的分析感測裝置， 這種方法存在幾個問題：1）測量過程需要大量繁瑣的裝置， 不利於實時監測運動 過程中的肌電訊號；2）所採用電極大多是剛性電極， 與面板的貼合性不好。 3）抗疲勞性差， 不能實現重 復監測。 隨著可穿戴裝置的快速發展， 實現相關功能器件整合到微小器件中， 再結合能與面板進行良好 貼合的柔性乾電極， 為肌電訊號實時監控提供高靈敏度和便攜度解決方案。
針對電極與面板的貼合性問題， 新加坡國立大學的歐陽建勇教授［22］透過引入基於山梨醇修飾的 PEDOT：PSS 與水性聚氨酯複合的有機乾電極薄膜（PWS）， 面板在溼潤條件下， 電極仍能與面板實現良 好的貼合。 該聚合物薄膜電極的導電率為 545 S/cm， 在 30%的壓力應變情況下， 電阻變化率少於 5。5%（見 圖 3a）。 與傳統的電極相比， 在運動出汗過程中， 使用該電極能採集到高質量的肌電訊號。 為實現行動式 的實時監測肌電訊號， 佐治亞理工學院的 Woon-Hong Yeo 教授［53］提出了基於石墨烯、銀、聚醯亞胺（PI） 等多種奈米材料合成製備可拉伸的感測器， 用於肌電訊號的監測， 將石墨烯溶液-PI 溶液按照氣凝膠列印 的方法進行層層列印， 製備柔性電極以及柔性電路（見圖 3 b-e）。 該方法打印製備的柔性電極， 能夠與皮 膚形成良好的貼合， 所監測肌電訊號的信噪比達到 12。3dB， 並在迴圈多次使用情況下， 仍然能夠採集具 有高質量的訊號。 新加坡南洋理工大學的陳曉東教授［54］採用水凝膠與 TPU-Au 導電覆合材料製備的電極， 具有機械柔軟性以及高導電性， 可以在運動電生理訊號的監測獲得質量穩定的訊號， 電極在 150 次迴圈 使用後， 採集訊號的信噪比仍保持在 45dB， 電極具有極佳的耐疲勞性。 綜上， 透過對新型導電材料的開 發， 大力發展綠色印刷技術， 製備柔性電極， 可解決肌肉電訊號監測中， 器件整合與貼附的問題， 有助於 更為靈敏、便捷、可穿戴、可附著式感測裝置的開發。
圖 3.
基於電生理訊號原理感測器在肌電訊號監測的應用。 （a） 導電聚合物薄膜電極的製備過程 ［22］。 （b） 採用列印石墨烯 製備的柔性電極照片；（c） 印刷電極的掃描電鏡截面照片， 該電極是由石墨烯、銀、聚醯亞胺、柔性彈性體組成； （d） 柔 性電子器件用於肌電訊號採集照片； （e） 商業凝膠電極與列印電極採集肌電訊號的信噪比對比圖［53］。
3.1.2 心電訊號
心電訊號（ECG）是心臟規律性變化的電生理訊號， 其訊號的頻帶範圍較寬， 為 0。5Hz-100Hz， 訊號 規律性強， 在運動電生理訊號監測中， 心電訊號監測相對較為容易［55-56］。 目前， 在可穿戴器件應用較為 廣泛的電極為 Ag/AgCl 凝膠電極， 但存在以下兩個難以解決的問題：1）在佩戴過程， 與面板進行長期接 觸的部位會出現過敏現象， 2）在運動過程中， 會產生汗液， 導致與面板接觸不好， 面板表面阻抗增大， 導 電性下降。 為了解決這個問題， 南洋理工大學的陳曉東教授［57］以絲素蛋白和聚吡咯進行介面聚合製備出 具有生物相容性的複合電極， 採用絲素蛋白作為電極材料， 由於出汗過程中， 隨著溼度增加， 絲素蛋白 的楊氏模量會下降， 能夠與面板實現很好的貼合。 該電極製備的可穿戴器件可以實現連續兩小時穩定監 測心電訊號。 另外， 受貽貝啟發，魯雄教授等團隊［58］， 研發採用自組裝（Poly（3，4-ethylenedioxythiophene）， PEDOT）修飾氧化石墨烯模板的方法，製備導電水凝膠用於電生理的監測。 該水凝膠具有優異導電效能 以及粘附性， 與面板的粘附強度能達到 20kPa。
隨著柔性電極的不斷研發，電極可以承受各種極端環境，效能保持穩定。 基於心電訊號監測也被應 用多個運動場景的監測，除了可以在陸地的運動專案監測，目前已有在游泳、跳水、潛水等水下專案的 相關研究。 上文提到的針對解決運動員出汗所導致的與面板粘合度問題，所設計的電極並不完全適用於 水下運動員的運動監測， 因為電極在水下條件的導電性及穩定性無法滿足心電訊號採集要求。 天津大學的楊輝教授［59］提出了防水水下電極的結構， 實現在水下監測人體的心電訊號（見圖 4a）。 電極由可拉伸 的 Au/PDMS 複合膜和含多巴胺的離子導電聚合物組成，多巴胺的離子導電聚合物作為膠粘劑， 為 Au/PDMS 複合膜電極與面板連線構建一個良好貼合、防水的橋樑。 與傳統商業凝膠電極相比， 該電極採 集的水下心電訊號質量更靈敏、穩定。 該方法為實現在水下環境監測電生理訊號提供了新思路。
3.1.3 腦電訊號
腦電訊號是大腦中的神經元電活動產生的電生理訊號。 主要透過在大腦頭皮表面的多位點電極進行 採集［60］。在體育領域中， 腦電訊號用於反饋資訊進行分析， 可以訓練運動員提高比賽過程專注能力。 例如， 研究者對［61］2006 年世界盃冠軍義大利足球隊， 透過使用腦電神經訊號反饋訓練， 來幫助隊員賽前提高專 注力。 腦電訊號幅度小， 只有 50-100μV， 訊號極易受到外界的環境干擾， 很容產生運動偽影， 目前， 腦電 生理訊號的採集與精準分析仍然存在很大困難［62］。
為了改善收集腦電訊號的質量， 蘇黎世聯邦理工學院的 Janos Vörös 教授［63］提出了一種基於導電的 軟微柱聚合物電極， 實現腦電訊號高質量採集。 該電極主要由 15mm 直徑的導電底座以及 12 個軟微柱構 成， 並採用仿生蚱蜢腳結構進行設計， 加強電極與面板表面的範德華作用力， 在測試者具有濃密毛髮的 情況下， 仍然可以與頭皮完美貼合， 進而監測腦電訊號的 α 波活性。 延世大學的 Jeong Ho Cho 教授［64］等 以糖粒作為原料， 利用 3D 列印技術列印支架模板， 然後把矽彈性體（PDMS）注入多孔的糖粒骨架結構 中， 最後透過溶解糖粒， 得到相應的模板（見圖 4b-c）。 為了使該多孔結構具備導電的性質， 表面塗覆的 修飾性單壁碳奈米管賦予了該結構導電性。 三維多孔導電網路結構（3D OCS）具有柔性、輕便性、導電 性、高解析度等特點。 將該感測器應用到腦電訊號的監測， 可以監測出不同階段（快速眼動睡眠階段、非 快速眼動睡眠階段、舒適階段）的腦電訊號原始資料。 對資料進行一維快速傅立葉變換和多維小波分解 法處理， 可以有效區分三種睡眠階段。 該研究可以對運動員的睡眠狀態進行全程監測， 為提高運動員睡 眠質量及制定體能恢復計劃提供科學依據。
圖 4.
基於電生理訊號原理感測器在心電訊號、腦電訊號監測的應用。 （a） 防水 PDAM 聚合物塗層用於連線面板與電極之 間的橋樑（左）； 在水下環境下， 採用 DAM 電極監測人體心電訊號（右） ［59］。 （b） 基於 3D 列印材料與柔性材料結合的高靈敏 度的可穿戴感測器 （c） 透過感測器監測不同狀態下的腦電訊號［64］。
3.2 基於光電感知的體徵監測
光電感知的核心是利用光電感測器。 它主要透過光電容積描記法（Photoplethysmogram， PPG）， 採用非 侵入式光學技術監測血容量的變化， 實現人體生命體徵的監測［65-66］。 光電感測器主要由兩部分組成包括髮 光二級管（Light Emitting Diode， LED）和光電探測器， 利用 LED 燈發出黃、綠、紅不同波長的光， 經過皮 膚組織的投射、反射， 由光電探測器對所獲得的光訊號轉成電訊號， 對資料進行處理、分析， 實現對人體的 心率、心率變異性、血氧飽和度、乳酸閾值等生理訊號進行監測、分析［68］（見圖 5 a）。
3.2.1 心率
心率是最為重要的人體體徵資訊［67］。 心率的監測：主要有兩種方法。 一種是基於 ECG 黃金標準法，另 外一種是基於 PPG 原理的方法。［70］目前， 大部分商用智慧手錶、健康監測手環都是採用光電容積描記法（PPG）監測心率的變化。 特定波長光（500~600nm 黃綠光）透過人體面板組織的時候時， 靜脈對光的吸收 是恆定的， 將其光訊號轉換成電訊號即直流訊號。 而動脈裡有血液的脈衝流動， 會導致對光吸收的變化， 產生交流訊號， 其主要表現為心臟活動引起的週期收縮和舒張［68-69］。 目前， 市面上銷售的 PPG 感測器， 多 數基於傳統積體電路與光電二極體技術， 其體積較大、材質堅硬， 不適合長期佩帶。 另外， 佩戴者在劇烈運 動或者有強烈的環境光噪聲干擾時， 嚴重影響光電感測器提取生理資訊的準確性， 進而影響相應訊號監測。 香港中文大學的趙鈮［71］教授基於有機光電電晶體和無機 LED 摻雜， 研製了超薄柔性近紅外光表皮電 容積脈搏波（PPG）感測器， 並應用於心率、脈搏、血壓等生理訊號檢測， 首次搭建了柔性生物感測器的生 理訊號檢測平臺。 可以解決運動過程中產生的運動偽影導致採集光電訊號資料失真的問題（見圖 5 b）。隨 著柔性材料的不斷髮展， 超輕薄可穿戴感測器設計與製造，可以解決電極材料的重量體積問題，同時也解 決面板的貼合性問題。 西北大學 Rogers ［72］教授團隊研發了一種柔性平臺的材料和裝置， 在指甲片上安裝柔 性薄膜光電感測器， 整合先進的光電功能進行光電容積圖的無線捕獲和傳輸， 採用帶有雙層環形天線的多 層佈局， 可最大限度地提高能量收集效率和無線資料通訊的距離， 可以進行心率等生理訊號的實時監測（見圖 5 c）。 與傳統的商業手環相比， 該器件貼合人體部位是指甲， 減少運動過程中發生的運動偽影導致 訊號衰減問題， 採集的資料失真較小， 能夠長期心率監測， 準確性較高。 隨著柔性電子器件以及電子封裝 技術的快速發展， 採用 PPG 原理測量的心率準確性已經得到大幅度的提高， 除了受外界環境干擾影響外， PPG 心率監測的準確性還與運動強度、運動方式有關。
當運動員在進行中高強度運動， 基於光電容積描記法進行心率監測的準確性會受到干擾， 準確性下降。 這是由於運動偽影產生訊號與心率訊號的頻率與幅度發生重合， 導致心率訊號的提取受到影響。 隨著人工 智慧技術快速發展， 透過採用深度學習的方法， 可以實現對採集的訊號進行資料處理， 提取有效的特徵值， 進而獲得高質量的訊號。 由於無需額外新增外來物質， 該方法有望解決長期高強度運動訓練監測的問題。 Motin MA 等人［73］提出了一種在高強度運動條件下， 基於 PPG 原理下得到心率情況。 該研究主要是提出一 種基於維納濾波的演算法， 在高強度運動情況下， 從 PPG 訊號進行提取訊號， 並估算此時心率情況。 在相應 的實驗組對比中， 該演算法得出最終的錯誤率僅為 1。78%。
3.2.2 心率變異性
心率變異性（Heart Rate Variability， HRV）是指逐次心跳週期差異的變化情況［74］。 HRV 能夠反映神經系統 健康的重要標誌。 心率變異性可以提供有關運動個體［75］健康狀況的臨床資訊， 比如 HRV 指標能夠反映運 動員的訓練狀態。 Kiviniemi 及其團隊［76］， 透過一系列實驗證明：在運動員的耐力訓練中， 使用 HRV 作為指 標， 可以有效提高運動員心肺適應能力。 當運動員的 HRV 值較底時， 可以透過降低訓練強度， 從而對運動 員狀態的調整；當 HRV 值較高時， 可以透過加大訓練量， 提高運動員耐力。 HRV 的監測方法主要是檢測人 體心電訊號的心臟搏動（RR intervals， RR）區間。 傳統的監測方法主要透過 ECG 的訊號採集來實現 HRV 的檢測， 但是採集的方法較為複雜繁瑣。 隨著單點光學感測器的不斷髮展， 光電容積描記法技術得到快速 發展， HRV 的資料可以透過基於 PPG 原理的感測器連續兩次收縮期脈衝之間的時間間隔來提取資料， 即脈 衝變異性（Pulse Rate Variability， PRV） ［77-78］。 由於基於 PPG 原理感測器具有便攜性以及可穿戴的優點， 將成 為替代 HRV 監測方法。
為了評價基於 PPG 原理感測器的資料可靠性， Plews 及其團隊［79］採用基於 PPG 原理感測器、Polar H7 以及心電圖（ECG）三者獲得的 HRV 資料的準確性和有效性進行比較。 結果表明， 基於 PPG 原理測量的資料 與其他方法的差值均方根值（Root Mean Square of Successive Differences）具有一致性。 該項研究為傳統的 HRV 監測提供替代參考方法， 有望應用到運動員的日常生理監測。
圖 5.
基於光電容積描記法（PPG）感測器運動訊號監測應用。 （a）基於 PPG 原理感測器的結構以及監測過程的原理［68］； （b）有 機光電電晶體的實物照片以及結構 ［71］； （c） 基於 PPG 可穿戴感測器在心率檢測的應用［72］； （d） 基於 PPG 可穿戴感測器在血氧 飽和度檢測的應用； （e） 紅綠兩種 OLED 燈亮度與外量子效率特徵曲線［83］。
3.2.3 血氧飽和度
血氧飽和度是血液中氧合血紅蛋白佔所有血紅蛋白的容量百分比，反映血液中的血氧的濃度［82， 85］。 光 電容積描記法利用氧合血紅蛋白以及脫氧血紅蛋白對不同光的吸收能力不同， 利用波長為 600-700nm 的紅 光以及波長為 800-1000nm 的近紅外光照射面板組織， 所得到的 PPG 訊號， 透過計算兩種光源下的 PPG 信 號的 DC 分量和 AC 分量，得出兩種組份的比值，用以表達血氧飽和度［86］。 由於不需要進行採血操作， 基於 PPG 原理是目前最常用的血氧飽和度監測的方法。
針對便攜、可穿戴式、高靈敏的血氧監測， 韓國先進科學技術研究所電氣工程學院的 Seunghyup Yoo 教 授［83］提出了一種基於反射貼片式超低功耗脈搏血氧感測器。 感測器採是柔性有機發光二極體和有機光電二 極管組成（見圖 5 d、e）。 另外， 該感測器巧妙設計將半徑為 0。4mm 的紅色 OLED 燈以及綠色 OLED 燈並 排放置在柔性 PET 基底， 並將有機光電二級管（Organic Photodiode， OPD）以“8”字分佈在 OLED 燈周圍， 這 樣設計確保 OLED 燈發射光源可以大部分聚集到 OPD 器件上。 該結構的設計有利於與其他模組的感測器 結合， 形成多模組監測系統。 該感測器的平均功耗為 24mw， 滿足低功率長期監測血氧飽和度的要求。 美國 西北大學的 John A。 Rogers［87］教授提出了一種無線狀態下的有源光電子系統， 製備超薄、超輕的可穿戴器 件， 進一步解決了血氧飽和度可穿戴器件的能量供給問題。
基於 PPG 原理感測器， 雖然解決了監測的便攜性以及可穿戴性等問題， 但是在實際的監測過程中， 仍 然存在一定的問題， 比如在運動過程中， 會產生運動偽影， 會嚴重影響測試資料的結果［80］。 Lin 及其團隊［81］ 透過比較採用黃金標準方法 ECG 與基於 PPG 原理監測 HRV 的資料差異性。 實驗結果表明：在休息狀態下， 基於 PPG 原理測量的資料與 ECG 方法具有較好的一致性， 但是在運動等外界刺激情況下， 一致性有所下 降， 這可能是由於運動偽影導致的結果。 總而言之， 基於 PPG 原理監測心率、心率變異性、乳酸等可以集 成到同一個感測器， 實現多種體徵指標同時監測。 此外，透過建立大資料庫， 利用訊號處理以及人工智慧算 法分析，也可以在一定程度上可以減少運動偽影， 從而針對性的提取制定的體徵訊號。 但是該方法的計算 成本較高，侷限性較大，只能透過演算法估算體徵訊號［88］。 所以如何有效的解決基於 PPG 原理感測器的運動 偽影還將是今後研究人員的研究的主題。
基於 PPG 原理感測器除了可以實現心率、心率變異性、血氧飽和度的監測外， 還可以進行乳酸閾值的 測定。 乳酸閾值是指當運動強度達到某一強度值， 乳酸在血液中以指數形式積累時的起點。 BSXinsight 公司 2014 年開發出可穿戴式乳酸閾值感測器， 包含一個 LED 發光裝置和一個光檢測器。 光線會射入肌肉， 部 分光線會反射回來被檢測器接收。 光訊號經過光電二級管轉換成電訊號， 透過相關檢測單元， 最後輸出乳 酸閾值資料［89-91］。 基於 PPG 原理可以實現運動員的乳酸閾值實時監測， 與傳統血樣分析的相關性達到 r > 0。96， 誤差在 4%以內［84］。
3.3 基於電化學生物感測監測
在眾多的生理指標中， 身體機能產生的生物化學分子的檢測尤為重要， 每種生物化學分子具有特定的 指標， 反映身體的機體代謝和供能能力。 傳統的生化分子檢測方法主要是透過生化分析儀， 這種方法存在 較為明顯的缺陷。 首先， 運動員一般需要每次訓練結束或訓練開始前透過採集血液進行分析， 高頻率的檢測給運動員帶來極大的痛苦；其次， 傳統的檢測儀器體積大， 需要在特定的地方由專業人員進行檢測， 不適 合實時連續監測［92］。 隨著柔性器件製造技術的進步， 電化學感測器已向微型化、可穿戴化、高效能化發展。 各國科研人員開發出各種電化學生物感測器， 可以實現人體體液中的代謝物、電解質、氣體分子等成分的 檢測。
電化學感測器通常由受體和電化學換能器組成［93-94］。 一般而言， 受體是酶、DNA 分子、抗體等。 由於 生物體液（如汗液、組織液、唾液等）中具有能被受體分子識別的分子［95］， 這些分子通常作為生化檢測的 指標， 如葡萄糖、乳酸等。 經過特異性結合後， 將得到高靈敏度的電訊號。 目前， 構成感測器的電極材料大 多具有柔性與生物相容性， 與面板進行完好的接觸， 實現對葡萄糖、乳酸以及電解質等生理代謝指標的連 續、穩定、實時監測。
3.3.1 乳酸
乳酸是無氧糖酵解的最終產物， 當供氧不足時， 乳酸堆積， 從而導致乳酸酸中毒。 作為衡量運動員運 動量以及新陳代謝的重要指標， 在運動生理學中， 乳酸的檢測具有重要的作用［96］。 目前傳統的乳酸檢測的 主要方法是透過採集人體的血樣或者活檢等破壞性介入檢測［98］。 M。 Baruzzi 等團隊［99］透過開發了一種基於 血液檢測的安培乳酸感測器，實現血液乳酸檢測（見圖 6 b）。 由於血液採集比較麻煩， 不利於實時監測。 隨 著可穿戴裝置的不斷髮展， 非入侵式檢測的方法在運動科學領域得到應用。 其中汗液中乳酸的檢測較為廣 泛。 另外， 汗液乳酸還可以作為組織受損的預警指標［97］， 有望在運動科學領域發揮更重要的作用［100］。
汗液乳酸的測定可以為血液乳酸測定提供了一種無創的檢測方法（見圖 6 a） ［101］，但是目前報道中汗液乳 酸與血液乳酸關相關性較小［102］。 為了進一步拓寬汗液中乳酸檢測的實際應用， 研究人員嘗試進一步探討 汗液中測量的乳酸水平與血液中乳酸水平的關係。 Karpova 以及團隊［100］研究了在高強度的體育鍛煉下， 汗 液的乳酸與血液乳酸的聯絡。 結果表明：在高強度的運動情況下， 運動區域肌肉的汗液乳酸增加的同時， 血 液的乳酸含量有所增加；另外， 肌肉收集的汗液乳酸變化率與血液乳酸水平呈正相關， 不同區域肌肉收集 汗液乳酸與血液乳酸相關性不同。 （運動區域肌肉 R>0。8；潛在運動區域肌肉 R=0。7）。
針對可穿戴感測器而言，乳酸的主要檢測方法有兩種：基於光學感知與基於電化學生物感測。 與前者 相比， 基於電化學生物感測器具有較低的檢出限以及較寬的線性範圍。 所以採用後者原理檢測乳酸含量， 目前應用較為廣泛。 加州大學 Wenzhao Jia 等人［102］第一個提出基於柔性列印的紋身電極電化學感測器用於 汗液乳酸的檢測 （見圖 6 c），由於無創的乳酸檢測對實際運動比賽具有重要意義， 引起了世界各國科研工作 者廣泛研究。 加州大學伯克利分校的高偉教授［103］ 提出了一種實時可穿戴汗液分析感測陣列（ flexible integrated sensing array， FISA）， 該感測陣列可以實現選擇性篩選汗液中的各種代謝物以及電解質， 將乳酸氧 化酶固定在殼聚糖滲透膜上， 透過感測器產生的電流與代謝產物成比例關係， 進行乳酸濃度分析， 乳酸檢 測器件的靈敏度為 220 nA mM-1。 該感測陣列的抗干擾能力較強， 感測陣列有望可以應用在體育運動的監 測。 另外， 感測器陣列在外界情況的影響下依舊能夠保持較好的機械效能和穩定性， 具有滿足運動過程中 檢測的潛力。 加州大學的 Joseph Wang 教授［104］開發了一種整合多功能眼鏡感測器， 可以實時地對人活動過 程中汗液中的電解質和代謝產物檢測。 透過將乳酸感測器整合到眼鏡的鼻樑墊中， 從而實現對運動過程中 的乳酸的監測， 該感測器的檢出限（LOD）為 0。39 mM， 在運動過程期間， 可以透過無線的模組實時傳送資料。 由於其便攜且佩戴舒適的特點， 有望成為應用到運動員實際比賽的運動監測裝置。 澳大利亞莫納什大 學程文龍教授［105］提出了一種可穿戴智慧紡織乳酸生物感測器，該感測器可以整合到運動裝備， 從而實現全 方位長時間的監測。 該感測器在人工汗液中檢測靈敏度為 14。6μA/mM cm2。 另外， 可以在高達 100%的高拉 伸應變情況下， 感測器的效能仍然保持不變。 該感測器具有柔性、便攜性、貼敷式、靈敏度高的特點。 除了 實現汗液中乳酸的監測外， 同時檢測多種汗液成分以及獲取更有價值的生理指標一直是科學工作者的研究 方向。 美國西北大學 A。 Rogers 等人［106］開發了一種柔性微流控多功能比色汗液檢測平臺（見圖 6 d）， 該平臺 除了可以實現汗液中的乳酸監測， 還可以進行汗液溫度監測、出汗率、氯離子和葡萄糖的檢測。 該平臺特 點是對收集汗液的毛細破裂閥進行最佳化， 使汗液流通到各個的微通道中， 實現平臺在各物質檢測與監測互 不干擾。
圖 6
基於電化學生物感測器對乳酸分子監測的應用。 （a） 基於可穿戴感測器用於運動實時乳酸監測［101］； （b） 一種侵入式血乳 酸監測感測器的結構［99］； （c） 基於非侵入式的電化學生物乳酸感測器， 用於實時連續監測汗液乳酸動態變化［102］； （d） 基於多功 能的比色汗液分析微流控裝置，實現汗液中多成分的監測［106］。
3.3.2
葡萄糖
汗液在檢測葡萄糖具有獨特的優勢， 一方面非入侵式的樣本採集可以減少採集時對人的疼痛感， 另一 方面人體佈滿汗腺， 可以實現實時收集［107］。 血液的葡萄糖水平與非侵入式生物體液的葡萄糖水平具有一 定相關性［108］， 所以可以透過監測汗液、組織液、淚液、唾液的葡萄糖水平評價人體血糖的水平。 目前， 該方法運用到實際仍有些問題亟需解決：1）採集汗液中葡萄糖的資料難以保證高保真度， 由於絕大多數傳 感系統都是透過平面內互聯或者採用剛性聯結器構成的， 在運動過程中會導致訊號採集不穩定；2）在較低（0。02-0。6mM）葡萄糖濃度下， 感測器的靈敏度較差；3）大多數電化學感測器在實驗室條件下具有良好的 效能， 但是器件在實際場景的效能不穩定， 無法滿足運動員的需求［109］。
加州大學洛杉磯的 Yichao Zhao 等人［110］研發了一種整合多功能的智慧手錶， 該手錶具有汗液取樣、電 化學感測、葡萄糖檢測等功能， 能實現在高強度的運動條件進行物質檢測。 該智慧手錶的核心部分為獨立 式電化學感測系統（Freestanding Electrochemical Sensing System， FESS）， 該系統具有雙面粘合性，可以實現 面板與電子器件的完好貼合（見圖 7 a）。 感測器包括一個酶層， 偶聯到聚間苯二胺（PPD）層上， 其中 PPD 層 作為滲透選擇性膜， 可以實現其他干擾物的排除， 汗液的葡萄糖含量不同， 產生不同的響應值， 靈敏度為 22。8±0。7μA mM−1cm−2、檢出限為 1。7±0。7μM。 實驗結果表明， 在高強度的運動條件下， 感測器的響應值波動 變化不大（小於 6%）， 證明該手錶能夠應用在實際體育運動中汗液的葡萄糖檢測。
唾液是由唾液腺產生的生物體液， 其成分蘊含豐富的生理指標［111］。 唾液中的葡萄糖含量與血液中葡萄 糖含量也具有相關性。 唾液檢測葡萄糖同樣具有采樣便捷、靈活的優勢［112］。 東京醫科齒科大學的 Takahiro Arakawa 等［113］提出了一種採用醋酸纖維素膜（CA）作為干擾膜的葡萄糖感測器。 將 CA 膜塗敷在電極表面 上， 由於 CA 膜含有較大的醋酸基團， 可以產生尺寸效應和靜電斥力， 從而減少唾液中抗壞血酸（AA）和 尿酸（UA）等干擾物質對測定的干擾（見圖 7b）。 可以對 1。75-10000μmol/L 濃度範圍的葡萄糖進行檢測。 開發基於 Android 作業系統的移動終端應用程式整合到感測器， 可實現唾液中葡萄糖含量的無線實時監測。
圖 7.
基於電化學生物感測器在汗液、唾液中葡萄糖分子監測的應用。 （a） FESS 電化學感測系統設計、原理、效能［110］； （b） 用 於唾液中葡萄糖檢測的可穿戴牙套電化學感測器［113］。
淚液同樣是一種可以反映各種生理狀態的生物液體［114-115］， 淚液的主要組分有蛋白質、電解質、葡萄糖、 代謝產物以及水， 淚液中的葡萄糖含量同樣與血液的葡萄糖含量密切相關。 英國帝國理工學院的 Rosalia Moreddu 等人［116］提出了一種紙基微流控晶片整合到隱形眼鏡中， 可以實現淚液中葡萄糖、蛋白質分子的檢 測。 該感測器可以在 35 s 內檢測到 2μL 人造淚液中的葡萄糖濃度發生微小變化。 該研究可以解決淚液檢測 取樣困難， 淚液易受到外界汙染以及淚液分析方法複雜等缺點［117］。 哈佛大學的 Yunlong Zhao 等人［118］研發 了一種基於 MoS2 電晶體的整合式隱形眼鏡的感測器系統。 將製備超薄 MoS2 電晶體蛇形網狀感測器系統， 直接整合到軟性隱形眼鏡。 該感測器對於血糖監測具有高靈敏度（< 0。1 mM）、快速響應（< 1s）的優點。 隨著 人工智慧演算法的不斷髮展， 越來越多的感測技術與人工智慧進行結合。 韓國光州科學技術學院 Euiheon Chung 等人［119］透過提出了一種基於奈米顆粒嵌入隱形眼鏡片， 透過監測比色隱形鏡片的顏色變化， 實現淚 液葡萄糖檢測（見圖 8a）。 基於光學監控系統與圖形處理演算法相結合， 實現了血糖水平的視覺化過程。 圖形 處理演算法的引入， 使檢測的精度大大的提高。 採用微孔板分光光度法與該方法檢測的相關性為 0。82。 目前， 淚液的檢測都是透過採集人體淚液間接估算原位淚液小分子相對濃度， 實現可穿戴式淚液葡萄糖的檢測是 未來的研究方向。
組織液佔細胞外液 3/4， 其他大多數細胞外液為血漿。 組織液存在大部分真皮， 唾液腺、汗腺當中， 具 備實現連續監測的條件［120-121］。 組織液在非侵入式生物液體中， 其葡萄糖含量檢測技術是較為成熟的。 這 主要是組織液的葡萄糖濃度與血液的葡萄糖濃度一致性較高［115］。 英國巴斯大學的 Adelina Ili 教授等人［122］ 提出了一種基於石墨烯薄膜和絲網印刷技術， 採用柔性彈性體作為襯底， 製備出微型畫素器件陣列用於檢 測組織液葡萄糖。 該陣列主要由葡萄糖氧化酶水凝膠儲層庫、電化學葡萄糖感測器、微型電極組成， 透過 對石墨烯表面修飾奈米 Pt， 實現檢測靈敏度提高。 感測器檢出限為 2。8 μM，靈敏度為 2。2 μA mM−1cm−2， 能 夠實現六小時連續葡萄糖監測。 另外， 為了進一步提高感測器的續航能力以及傳輸資料能力， 實現長期監 測體內葡萄糖的濃度。 加州大學聖地亞哥分校 Joseph Wang 等人［123］提出了一種無線傳輸電化學感測器用於 組織液間葡萄糖監測 （見圖 8b）。 該感測器主要由無線資料傳輸電極、基於絲網印刷電極以及電化學感測器 組成。 其中絲網印刷電極用於反向電滲法提取組織液中的葡萄糖。 實驗表明， 該器件實現長達 8 小時組織 液中葡萄糖的監測。 另外，還監測了食物攝取後， 葡萄糖濃度的動態變化過程。 由於該感測器的效能優異且 成本低， 有望成為下一代的無創葡萄糖檢測裝置。
圖 8.
基於電化學生物感測器在淚液、組織液中葡萄糖分子監測的應用。 （a） 淚液中葡萄糖的監測： 基於光學攝像系統與智 能演算法結合， 隱形眼鏡嵌入奈米顆粒顏色變化確定淚液葡萄糖含量［119］。 （b） 組織液中葡萄糖的監測： 一種基於非侵入式組織 液葡萄糖檢測感測器的原理、效能［123］。
4 總結與展望
在競技體育快速發展的今天， 世界各國運動員都在不斷完善自身的訓練方案， 力求成績上的新突破。 隨著柔性電子、整合微電子、人工智慧等技術不斷進步， 運動感測器逐漸向智慧化， 多元化、微型化、可穿 戴化， ［124］可以實現對運動員運動過程產生的訊號全方位、多角度、多層次採集， 透過構建高水平運動員運 動資料庫， 運用大資料分析， 實時監控運動員的各項生理指標， 對運動員訓練過程中潛在的風險進行合理 預判， 進而更加高效避免運動損傷， 為科學化訓練方案的制定提供充足的理論依據。 近年來， 隨著大資料 的技術不斷髮展， 柔性可穿戴裝置將向萬物互聯方向發展。 在人工智慧的技術協助下， 柔性可穿戴感測器 的資料將從原來的單一化， 孤立化向大容量、多樣化轉變［125］。
運動監控是一個複雜多維度的分析過程， 因而運動員訓練監控需要一個龐大的運動監控系統進行支撐， 運動監控需要對相關的生理指標進行一個量化與分析的過程［126］。 這個過程需要不同型別感測器的協調運 作， 各自發揮相應的作用。 每種型別感測器的效能提升， 將會對整個運動監控系統性能提供跨越式提高。
本文綜述了運動訊號的作用以及學術界可穿戴感測器的最新研究進展。 其中包括運動電生理訊號、運動生 物化學訊號、運動生物姿態訊號、生物組織動力學訊號等在運動監控過程的作用， 概括了基於電生理訊號、 基於電化學感測、基於光電容積描記運動感測器的相應原理與採集訊號方法， 提出了在高強度運動條件下， 運動生理訊號受到相應的干擾問題，監測的準確性與可靠性有待進一步提高。
透過對電生理訊號的實時監測， 可以分析運動過程中心臟、肌肉等情況， 為運動康復以及運動動作分 析提供依據。 隨著各學科領域交叉融合， 感測器的效能、功能都得到顯著的提高。 目前， 基於電生理訊號的 感測器可以採集質量較高的電生理訊號， 用於各類運動分析。 其中， 採集高質量訊號的關鍵是電極。 電極 的結構以及設計是否合理直接影響採集訊號的信噪比。 電極最好同時具備生物相容性、柔軟性、粘合性、 導電性、透氣性等性質［127］。 但是， 目前電極很難同時滿足以上的性質， 這也將是未來技術亟需攻克的難題。 另外， 基於電生理的感測器針對某一生理訊號進行監測準確性較高， 如腦電訊號、肌電訊號、心電訊號等， 但是如需實現多訊號同時採集， 則需要解決不同的電生理訊號的頻率不同、電極性質差異性等科學問題。 隨著智慧製造的發展， 感測器將變得更加多元化、整合化， 透過不同功能的感測器整合陣列， 將有望解決傳 感器單一因素檢測的問題， 有利於實現多元運動監控。
基於光電容積描記法感測器， 可以實現多項生理指標的監測， 比如血氧飽和度、心率、心率變異性等。 基於其便攜性、靈活性的優勢， 目前被廣泛應用於體育運動、醫療監測等領域。 但是，在高強度訓練中的信 號穩定性和可靠性都會大打折扣， 所以對於基於 PPG 原理的感測器提出了更高的要求，需要解決以下問題， 才能有望實現實際運動的監測。 （1）電極問題：電極與生理介面的貼敷問題是導致運動偽影主要原因。 一方 面，透過對電極的設計，製作更輕薄的電極，實現與面板貼附；另一方面，利用高粘高分子的表面介面與 面板實現完好粘合。 （2）器件設計問題：外界環境光的干擾同樣會造成運動偽影。 器件的有效佈局，可以減少 外界環境光訊號對於 PPG 反射訊號的採集。 （3）器件間的干擾：基於 PPG 原理的感測器是由無線資料傳輸 模組、感測器以及電極等，各個器件由於會存在一定頻率的干擾，會對 PPG 訊號採集產生一定影響。 （4）數 據處理方法：隨著人工智慧不斷髮展，可以藉助人工智慧，對採集的資料進行處理，實現 PPG 資料分析。 但是演算法的正確率仍有待提高。 基於 PPG 原理的生理體徵監測，目前應用範圍有比較大侷限性，實現高強 度運動的監測，還需要解決很多的問題。 不過隨著可穿戴感測器的不斷髮展，以上的問題都能得到有效的 解決。
基於電化學感測器已經廣泛應用到生物化學分子的檢測， 在葡萄糖、乳酸分子等檢測較為普遍， 尤其 是採用無創檢測取得較大的進步［128-129］。 在運動訓練監測方面具有重要的意義， 可以實現運動員生理指標 的定量分析。 但是， 在某些生理指標檢測與傳統的血樣生化分析準確性仍然存在差距， 另外還需要解決不 同檢測物之間存在的干擾導致靈敏度下降等問題。 今後的電化學感測器應該往高靈敏度、寬檢測範圍、多 底物分析、柔性可穿戴方向發展。
科學化運動訓練需要一個完整的運動監控系統， 這個系統需要多種柔性可穿戴運動感測器的整合， 隨 著可穿戴感測器以及整合技術不斷髮展， 構建一個多功能化運動監控平臺將成為可能。 該平臺將具備運動 訓練生理指標監測、運動技術戰術分析、運動心理情況分析、運動損傷預測等功能。 該平臺的研發將有望 解決運動員運動訓練需要多臺監控裝置、多位技術人員等問題， 大大降低了成本， 節約時間。 科學化運動訓練監控系統的發展將會成為競技體育成績突破的新科技， 助力運動員取得新突破， 為青少年運動員培養與 優秀運動員選拔提供更精細、準確的參考與指導， 推動我國“體育強國建設”。
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