呼气分析：从实验室检测到可穿戴传感技术

《IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems》：Exhaled Breath Analysis: From Laboratory Test to Wearable Sensing

呼吸分析在临床和健康管理中日益重要，结合多学科方法，实验室技术和可穿戴设备的发展提升了检测精度和实时性，并推动呼吸组学和人机交互的创新，但转化应用仍面临挑战。

　　

摘要：

呼吸分析和监测已成为临床研究和日常健康管理中的关键组成部分，尤其是在应对由呼吸系统和代谢系统疾病引发的全球健康挑战方面。呼吸分析技术的进步需要多学科方法的结合，无缝整合医学、生物学、工程学和材料科学领域的专业知识。实验室方法和可穿戴传感技术的最新创新带来了精确、实时和原位呼吸分析和监测的时代。这篇综合综述阐明了呼吸分析的物理和化学方面，涵盖了呼吸参数以及挥发性和非挥发性成分。它强调了这些成分的生理和临床意义，同时探讨了前沿的实验室检测技术和最先进的可穿戴设备。此外，该综述还深入研究了复杂的数据处理技术在新兴的呼吸组学领域的应用，并探讨了呼吸控制在人机交互模式中的潜力。同时，它也提供了关于将创新的实验室和可穿戴概念转化为主流临床实践的挑战的见解。持续的创新和跨学科合作将推动呼吸分析的发展，有可能通过完全非侵入性的呼吸分析方法彻底改变个性化医疗。

引言

呼吸是一个复杂的生理过程，通过人体呼吸道在体内环境与外部环境之间进行气体交换。这一过程由中枢神经系统通过呼吸肌（包括膈肌和肋间肌）的同步活动精确调节，从而引起胸腔和肺部的周期性体积变化[1]。呼吸肌和心脏肌的不间断自主活动对于维持基本生命过程至关重要。在正常生理条件下，成年人每分钟大约进行12-20次呼吸循环，吸入约250毫升的氧气用于代谢过程，同时排出约200毫升的二氧化碳。这种循环性的气体交换不仅满足了细胞的代谢需求，还在维持血液pH值稳态方面发挥着关键作用[2]。呼吸的生理意义远不止于气体交换。新兴研究表明，呼吸过程对嗅觉信号处理[3]、昼夜节律调节[4]、情绪调节[5]和认知功能[6]有着显著影响。鉴于呼吸在维持生命中的基本作用及其对各种生理和心理过程的深远影响，理解和解决呼吸健康问题的重要性不容忽视。