《Sensors》：Skin Gas-Based Two-Dimensional Framework for Assessing Stress-Related Symptom in Humans
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压力是影响人类健康和工作表现的重要因素，但评估个体压力相关状态的非侵入性方法仍然有限。人体皮肤气体可能提供与压力和体温调节相关的生理信息。本研究探讨了一种基于皮肤气体的框架，用于可视化晨起时的压力相关主观状态。研究共从100名参与者中获取了441份有效数据集。
压力是影响人类健康和工作表现的重要因素，但评估个体压力相关状态的非侵入性方法仍然有限。人体皮肤气体可能提供与压力和体温调节相关的生理信息。本研究探讨了一种基于皮肤气体的框架，用于可视化晨起时的压力相关主观状态。研究共从100名参与者中获取了441份有效数据集。主观症状采用日本广泛使用的“自覚症しらべ”（Jikaku-sho Shirabe）问卷进行评估。研究人员测量了五种皮肤气体（丙酮、乙醛、乙酸、丙酸和己酸）的皮肤排放通量，并将其转换为代谢活性指数（metabolic activity index）和血管舒缩指数（vasomotor index）。在问卷的五个类别中，“模糊感”（Blurriness）评分与代谢活性指数（r = 0.11，p < 0.05）和血管舒缩指数（r = ?0.17，p < 0.01）显著相关。研究人员将这些指数绘制在二维映射图上，并为每个观测点赋予相应的“模糊感”评分。结果显示，“模糊感”评分在右下区域相对较低，并朝左上区域呈升高趋势，这与先前的小规模预实验研究结果一致。对六名参与者进行的连续七天测量显示，个体间的轨迹和累计位移存在差异。这些发现表明，所提出的二维框架可能为可视化个体压力相关主观状态及其时间变化提供一种非侵入性方法。未来采用客观指标进行进一步验证，并开发用于快速皮肤气体测量的传感器，可能有助于该方法的实际应用。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
压力是影响人类健康和工作表现的关键因素，尤其在现代城市和职业环境中，工作者经常面临心理和生理上的多重负荷。在许多发达国家，工作者的精神障碍已成为缺勤和长期丧失工作能力的主要原因之一，其中大部分与抑郁、焦虑及其他压力相关疾病有关。目前，职业环境中评估个体压力反应主要依赖问卷调查，因其简便易行而被广泛使用。然而，问卷评估主要反映个体对压力的主观感知，在慢性或高压条件下，主观评估与生理反应之间可能出现偏差。因此，在问卷评估之外，采用生理指标进行客观评估被认为是必要的。
现有的生理指标测量方法，如血压、脑活动和心率变异性，虽能提供客观信息，但往往需要复杂的仪器设备，且可能给参与者带来负担。生化标志物如血液皮质醇和唾液淀粉酶虽能可靠反映压力水平，但血液采样具有侵入性，唾液采集则需要严格的卫生控制。这些局限性凸显了开发适用于职业环境监测的替代性非侵入性传感方法的必要性。
人体皮肤气体是从皮肤表面释放的无机和有机挥发性化合物的复杂混合物，通常与体味相关。已有研究表明，个体皮肤气体的组成会随紧张和焦虑等心理状态而发生变化。然而，皮肤气体监测尚未在实际应用中得到实施。在此前的小规模预实验研究中，研究人员从体温调节的视角提出了一种基于皮肤气体排放和问卷评估的压力状态评估新框架。由于心理压力可影响体温调节过程，体温调节的变化可能提供与压力状态相关的生理信息。
二、研究内容与意义
基于上述背景，本研究将参与者规模从预实验的12人扩大至100人，共分析441份有效数据，以增强先前发现的稳健性。研究聚焦于与产热相关的代谢活性和与散热及保温相关的血管舒缩活动，利用丙酮、乙醛和乙酸定义代谢活性指数，利用己酸和丙酸定义血管舒缩相关指数，构建了以代谢活性指数为纵轴、血管舒缩相关指数为横轴的二维映射图。研究旨在检验这种基于皮肤气体的感知框架在客观评估压力相关生理状态方面的潜力。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：第一，使用被动通量采样器（PFS）在参与者晨起后30分钟内于手掌鱼际区域进行1小时的皮肤气体采集，该区域因存在动静脉吻合而血流量较高；第二，采用气相色谱-质谱联用（GC–MS）技术对捕获的挥发性有机化合物（VOCs）进行分析，经二硫化碳超声萃取后进样检测，通过校准曲线定量计算各皮肤气体的皮肤排放通量；第三，将五种皮肤气体排放通量通过公式转换为代谢活性指数和血管舒缩指数，并利用径向基函数（RBF）插值法（采用薄板样条核）在观测数据的凸包范围内构建平滑响应面，以连续色标和等高线形式可视化“模糊感”评分的空间分布；第四，对六名参与者进行连续七天的测量，通过计算相邻两天坐标之间的欧氏距离来量化每日状态变化，并求和得到一周累计位移量。
四、研究结果
问卷评分与皮肤气体排放通量的总体分布。 研究对100名参与者的441份数据进行了分析。在问卷五个类别中，“困倦感”（Sleepiness）评分尤为突出，而“模糊感”评分与其他类别相当。皮肤气体排放方面，乙酸的皮肤排放通量普遍高于其他皮肤气体，这与既往研究趋势一致。血管舒缩指数的变异范围大于代谢活性指数，与预实验研究结果相似。
各参数间的相关性分析。 问卷五个类别的评分之间均呈显著正相关，但相关强度存在差异。“困倦感”与“不适感”（Discomfort）、“不稳定性”（Instability）和“迟钝感”（Sluggishness）的相关系数分别为r = 0.68、r = 0.60和r = 0.59，而与“模糊感”的相关性相对较低（r = 0.49）。皮肤气体排放通量方面，乙酸与丙酸（r = 0.34）、乙酸与己酸（r = 0.28）、己酸与丙酸（r = 0.39）以及己酸与乙醛（r = 0.10）之间存在显著相关。然而，单一皮肤气体排放通量与问卷各类别之间的关系普遍较弱，仅丙酸与“不稳定性”和“不适感”存在显著相关，表明单一皮肤气体排放通量不足以评估压力相关主观症状。
二维映射图的构建与验证。 血管舒缩指数与问卷所有类别均呈显著负相关，与预实验研究一致。代谢活性指数在本研究中仅与“模糊感”呈显著正相关（r = 0.11，p < 0.05）。将观测到的血管舒缩指数和代谢活性指数绘制在二维坐标系中，并为每个观测点赋予相应的“模糊感”评分后，结果显示“模糊感”评分在右下区域相对较低，并朝左上区域呈升高趋势，这与预实验研究的发现一致。以“模糊感”评分9（对应第75百分位数）作为可视化阈值，可将映射图划分为低模糊感区域和高模糊感区域，从而基于皮肤气体测量结果实现压力相关主观状态的可视化区分。
七天轨迹分析。 对六名参与者的连续七天测量显示，个体间在映射图上的轨迹和累计位移存在明显差异。例如，案例1的观测点在一周内始终位于低模糊感区域，表明其压力相关主观状态相对较低；案例2在周一至周二和周三至周四出现了从低模糊感侧向高模糊感侧的较大位移，累计位移量为2.4，表明其压力相关主观状态在某些日子有所升高后又回落；案例4除周日和周二外均位于高模糊感区域，累计位移较小（1.6），表明其大部分时间处于相对较高的压力相关主观状态；案例6的累计位移在六名参与者中最大，主要归因于周六至周日和周日到周一的大幅位移。
五、讨论与结论
讨论部分指出，心理压力可能诱发自主神经和体温调节反应，包括产热和皮肤血管舒缩活动的变化，这些变化可能伴随眼表稳态的改变。然而，“模糊感”不应被视为压力本身的特异性指标，而应视为可能与压力相关状态伴随出现的主观症状之一。晨起时的主观症状可能部分反映从前一晚经睡眠到觉醒期间的身体生理状况，睡眠不足可影响眼表及泪膜稳态。因此，本研究所构建的二维映射图不应简单理解为“压力水平图”，而应视为基于多种主观症状可视化压力相关主观状态的方法。映射图上从低模糊感区域向高模糊感区域的移动可能表明压力相关主观症状水平升高，但这种分类并不代表临床意义上的高压诊断，而是反映该症状特征在本研究群体中的相对位置。
研究结论部分指出，本研究证明了皮肤气体测量在可视化个体晨起时压力相关主观状态方面的潜力。五种皮肤气体的皮肤排放通量被用于推导代谢活性指数和血管舒缩指数，并以“模糊感”评分作为主观参考绘制在二维映射图上。“模糊感”评分的空间分布与预实验研究一致，支持该框架适用于更大规模人群。七天测量结果表明，二维映射图上的轨迹能够捕捉个体内压力相关主观状态的逐日变化，累计位移则为一周内变化幅度提供了量化指标。该映射图并非临床压力量表，“模糊感”也非压力的特异性标志物，而是反映受睡眠、眼表状况、自主神经活动和心理压力等多因素影响的主观状态。未来需纳入这些因素的客观测量以验证该方法，并开发快速简便的现场皮肤气体测量传感器以促进实际应用。
