北京科技大学邱琳、冯妍卉教授团队Nature Communications：皮肤界面热引导传感器实现核心体温与血流灌注连续无创监测

转自 传热传质青委会

论文于2026年8月25日在线发表于 Nature Communications，DOI: 10.1038/s41467-026-77154-3

研究背景

核心体温与外周血流灌注是围术期生理状态监测的重要指标。传统核心体温监测通常依赖食管、直肠、膀胱或肺动脉等侵入式测温方式，但这类探头往往需要在麻醉后才能安全置入，因此在患者术前准备及麻醉诱导阶段存在连续监测空窗。与此同时，现有血流灌注监测多采用光学方法，容易受到运动、环境光和组织散射等因素影响。如何在不增加患者负担的前提下，实现核心体温与血流灌注的连续、无创和可穿戴监测，是围术期热管理与循环状态评估面临的重要问题。

针对上述问题，北京科技大学邱琳、冯妍卉教授团队联合北京大学第三医院、山东科技大学，提出一种皮肤界面热引导多模态传感器。研究通过材料热各向异性设计主动调控组织与器件之间的热传递路径，并结合实时生物传热建模与物理反演算法，从皮肤表面的热响应中提取深层组织信息，实现皮肤热导率、血流灌注、体表热流和核心体温等多维生理热参数的协同监测。

研究内容一

研究首先构建了多层皮肤界面热引导传感器。器件自上而下由辐射冷却膜、PDMS封装层、正十八烷相变热沉层、上层传感器、二氧化硅气凝胶-PDMS热引导层和下层传感器组成。低热导率气凝胶用于抑制面内热扩散，填充其中的PDMS单元形成垂直导热通道；相变材料与辐射冷却膜共同稳定器件热边界，降低环境温度及太阳辐射的干扰。这种结构将原本复杂的三维热传递过程约束为以厚度方向为主的准一维传热过程，为后续热参数反演提供了更清晰、更稳定的物理基础。

上下两层柔性FPC共集成14个高精度TMP117温度传感单元，并配置热导率主动测量单元。配套便携采集模块可完成多通道温度、加热电流和电压信号的同步采集，通过低功耗蓝牙无线传输至移动终端，实现独立、连续的可穿戴监测。

图1 | 皮肤界面热引导传感器的结构设计、热传递机理、可穿戴形态及无线采集系统。

研究内容二

在主动测量模式下，器件通过微弱焦耳加热产生瞬态温升，并将实验温升曲线输入预先建立的数值传热模型，通过迭代反演获得组织热导率、体积热容及热波穿透深度等参数。团队选取PDMS、PA66、PI和HDPE四种类皮肤材料进行验证，与标准热物性测试结果相比，热导率测量误差均控制在5%以内。在总厚度12.5 mm的三层复合体模中，延长加热时间可使热波进入更深层组织，并实现不同深度材料热导率信息的分辨。

图2 | 基于实时传热建模与反演的组织热导率及热波穿透深度提取方法。

在被动测量模式下，器件利用上下层温度差和组织热阻信息估算体表热流与核心体温。体模实验表明，体表热流相对测量误差控制在10%以内；在室温条件下，核心体温估算误差可控制在±0.1 ℃。在0–42.4 ℃环境温度及26%–86% RH湿度变化条件下，系统仍保持较好的测量稳定性，说明热引导结构与环境热管理层能够提升对外界热扰动的抵抗能力。

图3 | 体表热流和核心体温的测量原理、体模验证及环境适应性测试。

研究内容三

为了验证系统在真实人体场景中的长期稳定性，研究团队开展了跨环境、日常活动、运动及睡眠等连续监测实验。10小时室内外多环境测试中，该器件与双热流参考传感器的核心体温数据相关系数达到0.97；在包含步行、骑行、爬楼、静坐和午睡等状态的6小时连续监测中，相关系数达到0.85。睡眠实验进一步显示，深度睡眠阶段与核心体温下降时段具有明显对应关系。

图4 | 多环境、日常活动与睡眠状态下的长时间核心体温连续监测。

研究还探索了核心体温在女性健康和运动健康中的应用。两名受试者连续30天的监测结果显示，月经阶段均对应较低的核心体温水平；在高强度骑行实验中，器件能够灵敏追踪运动诱导的核心体温升高，与双热流传感器的相关系数分别为0.95和0.85，显示出其在月经周期辅助判断和运动热健康评估中的应用潜力。

图5 | 基于核心体温的月经周期辅助判断与运动相关体温调节监测。

研究内容四

在核心体温临床可比性验证中，研究团队将该器件与商业化greenTEG CORE2系统同步佩戴于受试者上臂内侧。基于30名健康受试者的100组同步数据，Bland–Altman分析显示两种方法的平均偏差仅为−0.003 ℃，95%一致性界限为−0.099–0.106 ℃，约98%的数据位于一致性界限内。随后，在腹腔镜手术中，器件与食管温度探头开展同步监测；达到热平衡后，核心体温测量误差可控制在±0.1 ℃，并可在食管探头尚未置入的麻醉诱导阶段提前开始无创监测。

图6 | 与商业双热流设备及术中食管温度探头的核心体温对照验证。

针对血流灌注，团队分别开展冷加压、临床去甲肾上腺素用药以及脓毒症患者血流动力学观察实验，并以临床指夹灌注指数作为参考。三类实验中，器件获取的等效热导率/灌注变化与临床灌注指数呈一致的动态变化趋势，能够捕捉外周血管收缩及灌注恢复过程。这些结果表明，热信号不仅可用于温度监测，还能够作为无创反映组织灌注变化的物理信息载体。

图7 | 冷加压、去甲肾上腺素及脓毒症患者场景下的血流灌注动态验证。

总结与展望

该研究将热引导材料设计、柔性可穿戴器件与物理可解释的生物传热反演方法结合，建立了一套面向深层生理热信息获取的多模态传感框架。相较于仅依赖表面温度或经验标定的监测方式，该系统通过主动调控热传递路径和个体化热参数估计，提高了深层热信息提取的可解释性与跨场景适应能力。

从体模验证、长时间人体监测到手术室和血流动力学扰动场景，该器件展现出从工程原理向真实临床应用延伸的潜力。未来，随着更大样本临床验证、标准化精度评价及系统集成的进一步完善，皮肤界面热感知有望为围术期连续监测、热调节异常预警以及个体化健康管理提供新的技术路径。

论文信息

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77154-3

作者介绍

第一作者｜杜言博

杜言博，北京科技大学能源与环境工程学院2023级博士研究生，主要从事可穿戴生理热参数监测、柔性热传感器、生物传热建模与反问题求解等研究。本论文中负责研究构思、方法设计、正式分析、软件开发、实验验证、可视化及论文初稿撰写。

通讯作者｜冯妍卉 教授

冯妍卉，北京科技大学能源与环境工程学院二级教授、博士生导师，国家重大人才工程入选者。主要研究方向包括微纳尺度传热传质、先进能源材料、储热与工业节能降碳等。

通讯作者｜邱琳 教授

邱琳，北京科技大学能源与环境工程学院教授、博士生导师、热能系主任，国家优秀青年科学基金获得者、北京市科技新星。主要研究方向包括先进材料热物性评价方法及热输运机理、基于非侵入式热感知的疾病早筛技术、低维碳材料高通量设计计算及制备等。

基金支持

本研究得到北京市科技新星计划（No. 20250484954）、国家自然科学基金（Nos. 52476052、W2521154）、中央高校基本科研业务费专项资金（FRF-BD-26-029）以及国家临床重点专科建设项目（2025，麻醉科，301-2518）的资助与支持。