System zur Information über das Risiko eines Hitzschlags mithilfe eines tragbaren Schweißfrequenzmessers bei Benutzern, die sich körperlich betätigen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 416 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wir haben mithilfe eines tragbaren Schweißfrequenzmessers und der Durstreaktionen der Benutzer ein Informationssystem für Benutzer über das Hitzschlagrisiko entwickelt. Der Schweißfrequenzmesser wurde mit einem kapazitiven Feuchtigkeitssensor in der belüfteten Kapsel konstruiert. Der Zeitpunkt für die Information über das Hitzschlagrisiko wurde so festgelegt, dass er sich auf der zweiten Ableitung der Schweißkurve von positiv zu negativ ändert. Darüber hinaus wurde ein tragbares Selbstidentifikations- und Informationssystem zur Durstreaktion mit einem Smartphone entwickelt. Um die Gültigkeit tragbarer Geräte zu bewerten, wollten wir menschliche Experimente mit 16 gesunden Probanden mit Step-Up- und Down-Übungen durchführen. Die Blut- und Urinproben der Probanden wurden vor und nach der 30-minütigen körperlichen Betätigung gesammelt. Die Konzentrationen von TP, Alb und RBC stiegen mit der Belastung leicht an. Im Gegensatz dazu stiegen die Vasopressinkonzentrationen bei allen Probanden mit der Belastung deutlich an. Bei den meisten Probanden erkannten sie ihre Durstreaktion erst einige Minuten nach der Benachrichtigung über das Risiko eines Hitzschlags. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das tragbare Ratemeter und das Selbstinformationssystem zur Durstreaktion geeignet waren, das System über das Hitzschlagrisiko zu informieren. Die Gültigkeit des Zeitpunkts zur Information über das Hitzschlagrisiko wurde durch Veränderungen der Durstreaktion und der Vasopressinkonzentration im Blut bestätigt.

Hitzschlag ist weltweit zu einem großen gesellschaftlichen Problem geworden, insbesondere in Japan aufgrund des nassen und heißen Wetters im Sommer. Abhängig von den Ursachen wird es entweder als passiv oder anstrengend eingestuft1. Ersteres wird vor allem bei älteren Menschen berichtet, deren Fähigkeit, sich physiologisch an Hitzestress anzupassen, beeinträchtigt ist2. Darüber hinaus gelten auch Kinder als Risikogruppe. Die Anfälligkeit von Kindern für einen passiven Hitzschlag wird auf ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Masse, ein unterentwickeltes Thermoregulationssystem, ein im Verhältnis zur Körpergröße kleines Blutvolumen und eine geringe Schweißrate zurückgeführt3.

Letzteres steht dagegen in direktem Zusammenhang mit körperlicher Aktivität. Im Allgemeinen sind Sportler, Feuerwehrleute und Landarbeiter besorgter4. Starkes Schwitzen und feuchte Haut sind typische Anzeichen eines Hitzeschlags unter Belastung, während die Haut beim passiven Hitzschlag normalerweise trocken ist, was auf eine charakteristische Abnahme der Schweißdrüsenreaktion und -produktion bei älteren Menschen unter Hitzestress zurückzuführen ist. Die Haut kann entweder gerötet sein, was auf eine übermäßige periphere Gefäßerweiterung hinweist, oder blass sein, was auf einen Gefäßkollaps hinweist1. Allerdings sind die Pathophysiologie des Hitzschlags und mechanismusbasierte Behandlungsansätze noch nicht geklärt. Insbesondere über Studien zu neuen Biomarkern, die die Folgen eines Hitzschlags signifikant vorhersagen können, wurde noch nicht berichtet.

Die sudomotorischen Aktivitäten bei menschlichen Probanden umfassen das Frontoperculum, den Hypothalamus, den Hirnstamm, das Rückenmark, die Ganglien der sympathischen Kette, den peripheren Nerv und die ekkrinen Schweißdrüsen5,6,7. Daher zeigen Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen mit Problemen wie dem zentralen oder peripheren Nervensystem normalerweise die Anzeichen einer Hyperhidrose oder Hypohidrose6. Insbesondere bei Patienten mit schwerem Myokardinfarkt kommt es zu einer palmaren Hyperhidrose, die zu einer kalten Hand führt8,9.

Andererseits wurde bestätigt, dass aktives palmares Schwitzen bei menschlichen Probanden mit neuronalen Aktivitäten der limbisch-kortikalen Zentren zusammenwirkt, einschließlich der Amygdala, des Hippocampus und des präfrontalen Kortex8,9. Die sudomotorischen Bahnen von diesen Zentren verlaufen durch den Hirnstamm, das Rückenmark und die peripheren cholinergen sympathischen Nervenfasern zu den ekkrinen Drüsen in der Handflächenhaut8,9. Tatsächlich löste eine nicht-selektive virale Enzephalitis in der Amygdala bei jungen Patienten kein aktives Palmarschweißen aus, obwohl etwa zwei Wochen nach der medikamentösen Behandlung physiologisches Palmarschwitzen festgestellt wurde10. Wir haben derzeit gezeigt, dass der schnellere Anstieg der galvanischen Hautreaktion (GSR) vollständig mit dem Ausgangspunkt des aktiven palmaren Schwitzens übereinstimmt. Das Schließen und Öffnen der Augen oder die Selbstwahrnehmung der Schläfrigkeit führten zu signifikanten Veränderungen des GSR-Ausgangswerts und des aktiven Palmarschweißens, die bei menschlichen Probanden zu nützlichen Hilfsmitteln zur Beurteilung der Klarheit oder Schläfrigkeit werden können11.

Insbesondere erhöht thermisches Schwitzen in erheblichem Maße die Blutosmolalität, was den Durst und die Vasopressinsekretion durch die Aktivierung von Osmorezeptoren im Hypothalamus oder in zentralen osmoregulatorischen Bahnen stimuliert12,13. Der Mechanismus und das Muster des thermischen Schwitzens sowie sein Beitrag zur Thermoregulation bei einem Hitzeschlag unter Belastung sind jedoch nicht aufgeklärt.

Zuvor haben wir ein neues Schweißfrequenzmessgerät entworfen und gebaut, das kapazitive Feuchtigkeitssensoren und belüftete Kammern verwendet, die mit einem Luftstrom zirkulieren14,15. Im Vergleich zu einer früheren belüfteten Kapsel mit einem riesigen Zylindersystem zur Perfusion von trockenem N2-Gas zeigt das ursprüngliche Geschwindigkeitsmessgerät eine schnelle Sprungantwort und eine hohe Empfindlichkeit14,15.

Um den Benutzer über das Risiko eines Hitzschlags durch einen Ton vom Smartphone zu informieren, haben wir (1) ein neu gestaltetes tragbares Schweißfrequenzmessgerät konstruiert, indem wir das Original modifizierten, (2) ein drahtloses Selbstidentifikations- und Selbstinformationssystem mit dem Smartphone für Durstreaktion und (3) ein System, das die Benutzer über das Hitzschlagrisiko informiert. Um die Gültigkeit des Zeitpunkts zu bewerten, an dem der Benutzer automatisch über das Hitzschlagrisiko informiert wird, indem ein sich ändernder Punkt mit negativem Wert bei der zweiten Differenzierung der Schwitzkurve verwendet wird, führten wir außerdem Menschenexperimente mit einer 30-minütigen schrittweisen Auf- und Abwärtsübung durch Gleichzeitig wurde das belastungsbedingte Schwitzen am Hals und die Durstreaktion aufgezeichnet. Die Veränderungen der Konzentrationen von Vasopressin, Blut- und Urinproben, des Körpergewichts und der Herzfrequenz vor und nach dem Training werden gemessen, um den Zusammenhang zwischen der Vasopressinfreisetzung und der Selbsterkennung der Durstreaktion im Zusammenhang mit der Aktivierung von Osmorezeptoren im Körper zu bewerten Hypothalamus.

Die Studie wurde von der Ethikkommission für klinische Studien am Menschen der School of Medicine der Shinshu-Universität genehmigt (CRB3200010, Genehmigungsnummer 4445 am 6. August 2019). Alle Studiendaten und -verfahren wurden in Übereinstimmung mit den in der Deklaration von Helsinki dargelegten Grundsätzen durchgeführt. Die Studie ist in der WHO International Clinical Trial Registry Platform registriert (13. August 2022, https://www.who.int/clinical-trials-registry-platform: jRCT1032220270, Analyse von mentalem und thermischem Schwitzen bei menschlichen Probanden mittels Galvanik Hautreaktion und im Inland hergestelltes Schweißfrequenzmessgerät).

Zuvor haben wir ein hochempfindliches Schweißfrequenzmessgerät konstruiert, das zur Messung des aktiven Palmarschwitzens geeignet ist. Somit ergibt sich ein Maximalwert der Sprungantwort bei ca. 0,63 s. Die Empfindlichkeit der elektrischen Leistung beträgt 0,1/1 mg Wasserverlust/1 Minute. Mit der Modifikation des ursprünglichen Schweißfrequenzmessgeräts haben wir ein tragbares, kompaktes Schweißfrequenzmessgerät mit einem kapazitiven Feuchtigkeitssensor, einem kleinen Ventilator und einer Lithium-Ionen-Batterie in der belüfteten Kapsel konstruiert.

Um dem Beobachter die selbstidentifizierte Durstreaktion mitzuteilen, haben wir außerdem ein tragbares Gerät zur Selbstidentifizierung und Selbstinformation der Durstreaktion mit einem Smartphone entwickelt.

Insgesamt waren 16 gesunde Teilnehmer (Durchschnittsalter: 41,6 ± 3,3 Jahre; acht Männer und acht Frauen) an den vorliegenden Experimenten beteiligt. Der Body-Mass-Index (BMI) der Männer und Frauen betrug 23,7 ± 0,7 bzw. 21,5 ± 0,5. Die Mindestteilnehmerzahl wurde von der Ethikkommission für die klinische Beobachtungsstudie empfohlen. Daher war die von uns gewählte Mindestanzahl geeignet, um eine gültige Schlussfolgerung zu erhalten. Alle Teilnehmer gaben nach ausführlicher Erläuterung und tabellarischer Darstellung des Versuchsaufbaus, der Methoden, der erwarteten Ergebnisse, des wissenschaftlichen Hintergrunds und Werts, der kompensatorischen medizinischen Instrumente für schädliche Schäden und der Stopprichtlinien durch den entsprechenden Autor eine schriftliche und mündliche Einverständniserklärung ab. Alle Daten und Verfahren wurden im Einklang mit den Grundsätzen der Deklaration von Helsinki bestätigt. Die gesammelten Daten wurden unter Verantwortung der Shinshu University School of Medicine gespeichert. Alle Experimente am Menschen wurden nachmittags von 13:00 bis 16:00 Uhr durchgeführt, wobei die maximale und stabile Aktivität sympathischer Nervenfasern im zirkadianen Rhythmus des Menschen berücksichtigt wurde. Die Temperatur und Luftfeuchtigkeit des Untersuchungsraums wurden mithilfe von Klimaanlagen im Bereich von 22–23 °C bzw. 40–50 % gehalten.

Bei dieser Studie handelte es sich um eine randomisierte Studie mit menschlichen Experimenten. An dieser Studie nahmen insgesamt 16 gesunde Teilnehmer teil. Die Probanden wurden vor und während der Experimente eine Stunde lang an der Wasseraufnahme und Urinausscheidung gehindert. Unmittelbar vor einer 30-minütigen Auf- und Ab-Übung wurden den Teilnehmern Blut- und Urinproben entnommen. An ihren Hälsen und Unterarmen wurden ein tragbares Schweißmessgerät sowie ein Selbstidentifikations- und Selbstinformationsgerät mit Smartphone zur Dursterkennung angebracht. Die körperliche Auf- und Ab-Bewegung dauerte 30 Minuten. Die Kraft der Übung betrug ca. 70 Nm, also ein moderates Niveau, und die durchschnittliche Pulsfrequenz lag bei ca. 120,9 Schlägen pro Minute. Nach der 30-minütigen Übung wurden ihnen Blut- und Urinproben entnommen. Darüber hinaus wurde ihr Körpergewicht vor und nach der körperlichen Belastung gemessen. Um die durch körperliche Betätigung verursachte Hämokonzentration zu bewerten, wurden die Konzentrationen von Gesamtprotein (TP), Albumin (Alb) und roten Blutkörperchen (RBL) in ihren Blutproben von einem klinischen Untersuchungslabor im Shinshu University Hospital gemessen. Um außerdem den Zusammenhang zwischen der Durstreaktion und Änderungen der Vasopressinkonzentration zu untersuchen, wurden die Konzentrationen von Vasopressin im Blut vor und nach der 30-minütigen körperlichen Betätigung durch SRL Co. Inc. (ISO 15189-akkreditiert durch Japan Accreditation) gemessen Board, RML 00080, Tokio, Japan). Um den Zusammenhang zwischen dem Wasserverlust pro Körperoberfläche und dem verringerten Körpergewicht zu untersuchen, verwendeten wir die Formel 71,84 × Körpergröße 0,725 × Gewicht 0,425 × 10−416. Der Body-Mass-Index (BMI) wurde ebenfalls anhand des Körpergewichts/der Körpergröße2 (kg/m2) berechnet.

Alle Daten wurden als Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts dargestellt. Die statistische Signifikanz wurde mithilfe des Student-t-Tests für ungepaarte Beobachtungen analysiert (Microsoft Excel, Version 16.54). p < 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen. Die Beziehung zwischen der Ausgabe des tragbaren Frequenzmessers und dem Wasserverlust beim Schwitzen wurde mithilfe einer linearen Regression verglichen. Der Pearson-Korrelationskoeffizient r wurde ermittelt (Microsoft Excel, Version 16.54).

Um große Mengen an belastungsbedingtem Schwitzen zu messen, haben wir ein neues tragbares Schweißfrequenzmessgerät konstruiert (Abb. 1A). Es ist extrem klein (55 mm × 17 mm × 46 mm) und leicht (35 g). Anstelle des Luftzirkulationssystems des ursprünglichen Ratemeters ist oben auf der belüfteten Kapsel ein kleiner Ventilator (UB393-700, Sunon, Japan) angebracht, um Luft von der oberen in die untere Kammer zu leiten, wie in Abb. 1B dargestellt. In jeder Kammer ist ein kapazitiver Feuchtigkeitssensor (BME280, Bosch, USA) befestigt, für die Stromversorgung kommt ein Lithium-Ionen-Akku zum Einsatz. Sowohl der Feuchtigkeitsunterschied zwischen der unteren und oberen Kammer als auch die Temperatur der durchströmten Luft werden mithilfe eines Mikrocomputersystems in die Schwitzrate eingerechnet. So wird die absolute Menge an Wasserverlust pro konstanter Zeit und Fläche der Hautoberfläche auf einem Diagrammschreiber registriert.

(A) Mikrofotografie des konstruierten tragbaren Schweißratenmessers mit belüfteter Kapsel; die Box mit der Lithium-Ionen-Batterie und dem Mikrocomputersystem in der Hand des Teilnehmers. (B) Ein Schema der belüfteten Kapsel mit einem kleinen Ventilator, wobei der kapazitive Feuchtigkeitssensor in jeder Kammer befestigt ist.

Abbildung 2A zeigt die Sprungantworten des tragbaren Geschwindigkeitsmessers als Reaktion auf das Starten und Stoppen der Perfusion von Luft, die ein konstantes Wasservolumen enthält. Die für die Sprungantwort des tragbaren Geschwindigkeitsmessers erhaltene Methode wurde von der gleichen Methode wie beim ursprünglichen Geschwindigkeitsmesser verwendet14,15. Eine maximale Reaktion wird bei etwa 17 s aufgezeichnet, und der Ausgangswert kehrt nach dem Stoppen der Perfusion nach 19 s auf seinen ursprünglichen Wert zurück. Abbildung 2B zeigt die Beziehung zwischen der elektrischen Leistung, die mit dem neuen tragbaren Ratemeter erhalten wurde, und der Menge an Wasserverlust eines selbstgebauten Hautmodells8 für 1 Minute. Der Korrelationsfaktor beträgt 0,995 für einen Wasserverlust im Bereich von 0 bis 2 mg/cm2/min. Somit beträgt die Empfindlichkeit des tragbaren Frequenzmessers 1,0 V/1 mg/1 Minute. Die Methode zur Aufzeichnung der Kalibrierungskurve des tragbaren Geschwindigkeitsmessers war dieselbe wie beim ursprünglichen Geschwindigkeitsmesser14,15.

(A) Sprungantwortkurve des tragbaren Schweißfrequenzmessers. Die maximale Reaktion wird nach etwa 17 s erreicht, und das Ausgangsniveau erreicht wieder das ursprüngliche Niveau, nachdem die Luftperfusion nach 19 s gestoppt wurde. (B) Beziehung zwischen der mit einem tragbaren Geschwindigkeitsmesser erhaltenen elektrischen Leistung (Ordinate) und der Menge des Wasserverlusts über 5 Minuten (Abszisse). Die Empfindlichkeit des tragbaren Frequenzmessers beträgt 1,0 V/1 mg/1 Minute.

Um den Zusammenhang zwischen Durstreaktion und belastungsbedingtem Schwitzen zu bewerten, haben wir mithilfe des tragbaren Smartphones ein Selbstidentifikations- und Selbstinformationsgerät für die Durstreaktion während körperlicher Betätigung konstruiert. Abbildung 3 zeigt das Schema der Vorrichtung. Wenn die Teilnehmer durstig waren, wählten sie eine der drei Durststufen (leicht+, mittel++ und stark+++) aus und berührten anschließend die Stufe auf dem Display des Smartphones. Das Gerät wurde auf den Unterarmen der Teilnehmer platziert. Durch die Verwendung des Geräts wurden sowohl das Niveau als auch der Zeitpunkt gleichzeitig auf der Schwitzkurve der Teilnehmer aufgezeichnet.

Schematische Darstellung der Information des Benutzers über das Risiko eines Hitzschlags mit dem Smartphone. Das linke Feld zeigt ein Diagramm zur Aufzeichnung von belastungsbedingtem Schwitzen mit einem tragbaren Schweißfrequenzmessgerät. Auf der rechten Seite wird der Benutzer über einen Ton vom Smartphone über das Risiko eines Hitzschlags informiert.

Indem wir den Zeitpunkt nutzten, um die Steigung der Schwitzkurve von einer ansteigenden Phase zu einem Plateau beim belastungsbedingten Schwitzen zu ändern, konstruierten wir ein Gerät, das die Benutzer über einen Ton vom Smartphone über das Hitzschlagrisiko informiert. Der Zeitpunkt wurde wie folgt ermittelt. Der Durchschnitt der Schwitzrate wurde alle 4 Minuten anhand der Kurve berechnet, und die zweite Ableitung wurde mithilfe eines Personalcomputers berechnet. Der Zeitpunkt wurde als der Punkt bestimmt, an dem sich der Wert der zweiten Ableitung von positiv in negativ änderte. Die Wahl des Zeitpunkts als Informationspunkt für das Hitzschlagrisiko wird durch Menschenexperimente mit mäßiger körperlicher Betätigung gezeigt.

Um die Gültigkeit des Zeitpunkts für die Information der Benutzer über das Hitzschlagrisiko zu bewerten, haben wir mit menschlichen Experimenten die Beziehung zwischen dem Informationspunkt für das Hitzschlagrisiko und dem Selbstidentifizierungspunkt der Durstreaktion sowie die Beziehung zwischen der Selbstidentifizierung der Durstreaktion untersucht und Veränderungen der Vasopressinkonzentration im Blut, des Urinvolumens und der Urinosmolalität.

Abbildung 4A zeigt die repräsentativen, durch körperliche Betätigung verursachten Schwitzkurven, die mit dem tragbaren Schweißfrequenzmesser am Hals von zwei Teilnehmern gemessen wurden: (a) 40-jährige Frau und (b) 40-jähriger Mann. Darüber hinaus wird der zeitliche Zeitpunkt der Durstniveaus anhand dreier Durstreaktionsniveaus (Grad; +, mild; ++, stark; +++, schwer) auf denselben Schwitzkurven angezeigt. Die Teilnehmer waren mehrere Minuten lang durstig, nachdem sie die Informationspunkte zum Hitzschlagrisiko (●) befolgt hatten, die elektrisch bestimmt wurden, als sich der Wert der zweiten Ableitung der Schweißkurve von positiv nach negativ änderte.

(A) Zwei repräsentative Aufzeichnungen von belastungsbedingtem Schwitzen, die gleichzeitig die Zeitpunkte der Information über das Hitzschlagrisiko (Kreis) und der Wahrnehmung des Durstgefühls zeigen (Stufe leicht+, Stufe mittel++, Stufe stark+++). (a) etwa 40 Jahre alte Frau und (b) etwa 40 Jahre alter Mann. (B) Die Beziehung zwischen dem Informationspunkt für das Hitzschlagrisiko und der Selbstidentifizierung der Durstreaktion bei 12 Teilnehmern. Die Abszisse zeigt jeden Teilnehmer. Die Ordinate ist die Zeitdifferenz zwischen dem Informationspunkt des Hitzschlagrisikos (Null) und der Selbstidentifizierung der Durstreaktion. Die restlichen 4 Teilnehmer erkannten die Durstreaktion während der 30-minütigen körperlichen Betätigung nicht.

Abbildung 4B zeigt die Daten von 12 Teilnehmern zum Zusammenhang zwischen dem Informationspunkt für das Hitzschlagrisiko und der Selbstidentifizierung der Durstreaktion. Die restlichen 4 Teilnehmer erkannten die Durstreaktion während der 30-minütigen körperlichen Betätigung nicht. Der Zeitpunkt, zu dem das Hitzschlagrisiko festgestellt wurde, stellt auf der Abszisse von Abb. 4B Null dar. Die Plus- und Minuswerte auf der Abszisse zeigen die festgestellte Durstreaktion bei jedem Teilnehmer nach bzw. vor der Benachrichtigung über das Hitzschlagrisiko (Nullwert). Sieben Teilnehmer identifizierten ihre Durstreaktion 0–10 Minuten nach der Informationszeit. Nur 3 Teilnehmer bemerkten die Durstreaktion etwa 1–3 Minuten vor der Informationszeit.

Tabelle 1 zeigt die normalisierten Daten für die Konzentrationen von Gesamtprotein (TP), Albumin (Alb), roten Blutkörperchen, Erythrozyten und Vasopressin bei 16 Teilnehmern, die vor und nach der 30-minütigen körperlichen Betätigung erhoben wurden. Die Konzentrationen von TP, Alb und RBC stiegen mit der körperlichen Betätigung leicht an. Im Gegensatz dazu stiegen die Konzentrationen von Vasopressin bei allen Teilnehmern mit der körperlichen Betätigung deutlich an.

Um zu klären, ob die erhöhte Konzentration von Vasopressin im Blut mit der Aktivierung des hypothalamischen osmotischen Zentrums mit der Erhöhung der NaCl-Konzentration im Blut zusammenhängt, untersuchten wir die Auswirkungen körperlicher Betätigung auf das Urinvolumen und die Urinosmolalität bei 16 Teilnehmern. Abbildung 5A zeigt die normalisierten Daten des Urinvolumens und der Urinosmolalität unter Verwendung der Werte, die vor und nach 30-minütiger körperlicher Betätigung erhalten wurden. Das Urinvolumen verringerte sich signifikant auf 23,0 ± 6,6 % des vor der Belastung ermittelten Wertes, p < 0,01. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Urinvolumens stieg die Urinosmolalität signifikant an (190,6 ± 22,5 %, p < 0,01 gegenüber dem Wert vor der Belastung).

(A) Vergleich der relativen Veränderungen des Urinvolumens und der Urinosmolalität (Ordinate) vor körperlicher Belastung und 30 Minuten nach der Belastung (n = 16, **p < 0,01). (B) Zusammenhang zwischen schweißbedingtem Wasserverlust und verringertem Körpergewicht bei körperlicher Betätigung. Der Gesamtwasserverlust beträgt 269,9 ± 34,3 g (n = 16). Das verringerte Körpergewicht beträgt 262,5 ± 34,9 g (n = 16).

Anhand der Körperoberfläche und des Body-Mass-Index (BMI), die anhand des Körpergewichts und der Körpergröße der Teilnehmer berechnet wurden, untersuchten wir die Zusammenhänge zwischen dem durch Schwitzen verursachten Gesamtwasserverlust während der 30-minütigen körperlichen Betätigung und Veränderungen des Körpergewichts und des BMI. jeweils. Der Gesamtwasserverlust betrug 269,9 ± 34,3 g (n = 16). Umgekehrt verringerte sich das Körpergewicht der Teilnehmer nach der Belastung um 262,5 ± 34,9 g (n = 16). Das verringerte Körpergewicht entsprach in etwa dem durch körperliche Betätigung verursachten, durch Schwitzen verursachten Wasserverlust im Körper. Abbildung 5B zeigt die Beziehung zwischen dem Wasserverlust und dem verringerten Körpergewicht jedes Teilnehmers. Darüber hinaus zeigt Tabelle 2 jeden Wert des Gesamtwasserverlusts, der Veränderungen des Körpergewichts und des BMI bei allen Teilnehmern. Der durchschnittliche BMI bei männlichen und weiblichen Probanden betrug 23,73 ± 0,71 bzw. 21,47 ± 0,48 (kg/m2) (Tabelle 2).

In diesen Experimenten konstruierten wir zunächst ein neues tragbares Schweißfrequenzmessgerät mit einer Modifikation des Originals14,15. Dann haben wir dafür gesorgt, dass das tragbare Frequenzmessgerät extrem leicht und kompakt ist und sich daher für die Aufzeichnung von belastungsbedingtem oder thermischem Schwitzen bei Menschen eignet. Darüber hinaus haben wir überprüft, dass das tragbare Frequenzmessgerät eine hohe Empfindlichkeit von 1,0 V/1 mg/1 Minute zur Erkennung von belastungsbedingtem Schwitzen aufweist, obwohl es im Vergleich zum ursprünglichen Frequenzmessgerät für palmares Schwitzen eine geringere Sprungreaktion aufwies. Es gibt jedoch kein solches tragbares Schweißfrequenzmessgerät. Wir gehen davon aus, dass wir in Zukunft ein tragbares Schweißfrequenzmessgerät verwenden werden, um thermisches und belastungsbedingtes Schwitzen sowie die klinische Untersuchung zu untersuchen.

Andererseits wurden verschiedene Methoden zur Messung der menschlichen Schweißbildung entwickelt17,18. Die Gesamtmenge sowohl des unmerklichen als auch des aktiven Schwitzens kann durch Gewichtsveränderungen des menschlichen Körpers bestimmt werden. Die Methode bietet jedoch keine Möglichkeit, zwischen Wasserverlust durch Verdunstung aus der Haut und dem Atemtrakt zu unterscheiden. Auch die farbmetrischen Methoden wurden verwendet, um entweder farbige Abdrücke von Schweißtropfen zu machen oder um Schweißtropfen auf der Haut durch Anfärben mit farbigen Substanzen erkennbar zu machen. Unter diesen Methoden ist die Methode von Minor weit verbreitet17. Ein Nachteil der Methode besteht darin, dass die Schätzung des Ausmaßes des aktiven Schwitzens und die Beurteilung der Beginnzeit des aktiven Schwitzens nicht immer zuverlässig sind. Die einfache Beobachtung von Schweißtropfen mit einer Lupe wurde entwickelt, um die Aktivität einer einzelnen Schweißdrüse zu untersuchen19. In jüngster Zeit wird die Methode der belüfteten Kammer, bei der ein kapazitiver Feuchtigkeitssensor die Feuchtigkeit des durch die belüftete Kammer strömenden Gasstroms für menschlichen Schweiß erfasst20,21, hauptsächlich von Schweißforschern verwendet. Die Methode der belüfteten Kammer wird jedoch nicht tragbar.

Andererseits kann das tragbare Gerät zur Selbstidentifikation und Selbstinformation mit dem Smartphone zeitnah die Durstreaktion basierend auf der Schweißaufzeichnung bei den Teilnehmern liefern. Das tragbare Selbstinformationsgerät kann beispielsweise in Schulen nützlich sein, um die Durstreaktion von Schülern bei körperlichen Übungen zu bewerten, oder in Altenheimen, um die Durstreaktion von bettlägerigen Menschen zu bestimmen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des Experiments ist die Konstruktion des Geräts, um die Benutzer über das Risiko eines Hitzschlags durch die Verwendung des Smartphones zu informieren. Basierend auf den menschlichen Experimenten haben wir den Zeitpunkt für die Information über das Hitzschlagrisiko als den Punkt festgelegt, an dem sich der Wert der zweiten Ableitung der 4-Minuten-Schwitzrate von positiv in negativ geändert hat. Mit anderen Worten: Der Zeitpunkt ist der Punkt, an dem sich die Steigung der Schwitzkurve von einer ansteigenden Phase in eine nahezu Plateau-Phase ändert. Darüber hinaus ist es der Ausgangspunkt für eine Abnahme der Schwitzrate, die möglicherweise mit dem Ausgangspunkt einer belastungsbedingten Hämokonzentration einhergeht. Denn die meisten Teilnehmer wurden mehrere Minuten nach der Information über das Hitzschlagrisiko mit dem Smartphone identifiziert, was mit der Hämokonzentrations-vermittelten Aktivierung von Osmorezeptoren im Hypothalamus zusammenhängt. Somit ist die Hämokonzentration von TP, Alb und RBC im Bereich von 101–103 % (Tabelle 1) ungefähr dieselbe wie die, die anhand des durch Schwitzen verursachten Gesamtwasserverlusts (~ 270 g) und des Gewichts des zirkulierenden Blutvolumens berechnet wurde (~ 5 kg). Im Gegensatz dazu könnten die Ergebnisse, dass die erhöhte Konzentration von Vasopressin im Blut (~ 215 %) höher war als die von TP, Alb und RBC, mit der Stimulation eines Osmorezeptors im Hypothalamus und der Freisetzung von Vasopressin aus dem hinteren Bereich zusammenhängen Hypophyse. In Übereinstimmung mit diesen Beweisen wurden bei den meisten Teilnehmern während der Übung Durstreaktionen beobachtet. Bemerkenswerterweise kam es bei allen Teilnehmern zu einer signifikanten Verringerung des Urinvolumens mit einem Anstieg der Urinosmolalität. Somit kann die Durstreaktion durch die Aktivierung eines Osmorezeptors im Hypothalamus hervorgerufen werden. Die Zunahme der Durstreaktion veranlasste menschliche Probanden physiologisch dazu, den Bedarf an Trinkwasser zu erkennen, und verhinderte so eine Hämokonzentration in Verbindung mit einem Vasopressin-vermittelten Anstieg der Urinabsorption auf einem negativen Rückkopplungssystem.

Es wurde über mehrere Studien zu den Vorteilen der Flüssigkeitsaufnahme auf thermoregulatorische und kardiovaskuläre Reaktionen während der fortschreitenden dehydrierungsbedingten Hämokonzentration berichtet22,23. Allerdings wurde der Beitrag des belastungsbedingten Schwitzens zur dehydrationsbedingten Hämokonzentration und zu Informationssystemen für Hitzschlagrisiken unseres Wissens noch nicht untersucht. Aus diesem Grund haben wir ein tragbares Schweißfrequenzmessgerät entwickelt, um die Benutzer über das Risiko eines Hitzschlags zu informieren. Das konstruierte System wird in Zukunft benötigt, um es mit weiteren klinischen Experimenten im Detail zu evaluieren. Insbesondere sollten wir in Zukunft die Eignung neu bewerten, den Informationspunkt für das Hitzschlagrisiko zu bestimmen.

Alle relevanten Daten sind auf Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Epstein, Y. & Yanovich, R. Hitzschlag. N. engl. J. Med. 380, 2449–2459 (2019).

Artikel Google Scholar

Bouchama, A. & Knochel, JB Hitzschlag. N. engl. J. Med. 346, 1978–1988 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Falk, B. & Dontan, R. Thermoregulation von Kindern während des Trainings in der Hitze: Ein erneuter Blick. Appl. Physiol. Nutr. Metab. 33, 420–427 (2008).

Artikel Google Scholar

Epstein, Y. et al. Hitzschlag: Eine Fallserie. Med. Wissenschaft. Sportübung. 31, 224–228 (1999).

Artikel CAS Google Scholar

Shibasaki, M. & Crandall, CG Mechanismen und Faktoren des ekkrinen Schwitzens beim Menschen. Vorderseite. Biowissenschaften. 2, 685–696 (2010).

Google Scholar

Cheshire, W. & Freeman, R. Schwitzstörungen. Semin. Neurol. 23, 399–406 (2003).

Artikel Google Scholar

Biglia, N. et al. Vasomotorische Symptome in den Wechseljahren: Ein Biomarker für das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und anderen chronischen Krankheiten? Climacteric 20, 306–312 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Homma, S. et al. Hippocampus in Bezug auf mentale Schweißreaktionen, die durch Gedächtnisabruf und mentale Berechnung hervorgerufen werden: Eine Elektroenzephalographiestudie am Menschen mit Dipolverfolgung. Neurosci. Lette. 305, 1–4 (2001).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Homma, S. et al. Intrazerebrale Quellenlokalisierung mentaler prozessbezogener Potenziale, die vor mentalen Schweißreaktionen beim Menschen hervorgerufen werden. Neurosci. Lette. 247, 25–28 (1998).

Artikel CAS Google Scholar

Asahina, M. et al. Emotionale Schweißreaktion bei einem Patienten mit beidseitiger Amygdalaschädigung. Int. J. Psychophysiol. 47, 87–93 (2003).

Artikel Google Scholar

Momose, H. et al. Das Schließen der Augen und Schläfrigkeit bei Menschen verringern die grundlegende galvanische Hautreaktion und das aktive Palmarschweißen: Zusammenhang zwischen galvanischer Haut und Palmarschweißreaktionen. Vorderseite. Physiol. https://doi.org/10.3389/fphys.2020.558047 (2020).

Artikel Google Scholar

Seekl, JR et al. Orale hypertone Kochsalzlösung führt beim Menschen zu einem vorübergehenden Abfall des Vasopressins. Bin. J. Physiol. 251 (Regulatory Integrative Comp. Physiol. 20), R214–R217 (1986).

Thompson, CJ et al. Akute Unterdrückung von Plasma-Vasopressin und Durst nach dem Trinken von hypernatrimischen Menschen. Bin. J. Physiol. 252 (Regulatory Integrative Comp. Physiol. 21), R1138–R1142 (1987).

Sakaguchi, M. et al. Ein neues Gerät zur kontinuierlichen Aufzeichnung der Schwitzrate mithilfe eines Hygrometers. Jpn. J. Med. Ing. 26, 213–216 (1988).

CAS Google Scholar

Ohhashi et al. Messung der menschlichen Schweißbildung. Physiol. Mess. 19, 449–461 (1998).

Artikel CAS Google Scholar

Duboism, D. & Dubois, EF Eine Formel zur Schätzung der ungefähren Oberfläche, wenn Größe und Gewicht bekannt sind. Bogen. Praktikant. Med. 17, 863–871 (1916).

Google Scholar

Kuno, Y. menschlicher Schweiß (Thomas, 1956).

Google Scholar

Nilsson, GE & Öberg, PA Messung des Verdunstungswasserverlusts: Methoden und klinische Anwendungen. In Non-invasive Physiological Measurement (Hrsg. Rolfe, P.) 273–311 (Academic, 1979).

Google Scholar

Kamei, T. et al. Instrumentierung einer handlichen Mikroskopsonde zur gleichzeitigen Beobachtung und Messung der aktiven Schweißsekretion und deren Anwendung. J. Pharmacol. Biomed. Anal. 15, 1563–1569 (1997).

Artikel CAS Google Scholar

Bullard, RW Kontinuierliche Aufzeichnung der Schwitzrate. J. Appl. Physiol. 39, 498–501 (1962).

Google Scholar

Ogawa, T. Lokaler Einfluss der Hauttemperatur auf die Schwellenkonzentration schweißtreibender Mittel. J. Appl. Physiol. 28, 18–22 (1970).

Artikel CAS Google Scholar

Takamata, A. et al. Osmoregulatorische Modulation des thermischen Schwitzens beim Menschen: Reflexeffekte des Trinkens. Bin. J. Physiol. 268 (Regulatory Integrative Comp. Physiol. 37), R414–R422 (1995).

Coyle, EF & Montain, E. Thermische und kardiovaskuläre Reaktionen auf Flüssigkeitsersatz während des Trainings. In Perspektiven der Bewegungswissenschaft und Sportmedizin. Bewegung, Hitze und Thermoregulation Bd. 6 (Hrsg. Gisolfi, CV et al.) 179–223 (Benchmark, 1993).

Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken Editage für die Bearbeitung der englischen Sprache zur Unterstützung von Nicht-Muttersprachlern. Wir danken auch allen Teilnehmern an den vorliegenden Experimenten und Frau Yumiko Yokoyama und Frau Maki Kaidoh von der Shinshu University School of Medicine für ihre große Hilfe bei der Durchführung der Experimente.

Die Abteilung für Innovation in der medizinischen und gesundheitswissenschaftlichen Forschung an der Shinshu University School of Medicine wurde gegründet und wird finanziell durch die Spende von BOURBON, Co., Ltd (Grant No. Donation 2019-2021), Kashiwazaki, Niigata, Japan und dem Aizawa Hospital unterstützt (Förderung Nr. Spende 2019–2021), Matsumoto, Nagano, Japan. Die Autoren erklären, dass diese Studie von BOURBON Co. Ltd. finanziert wurde. Der Geldgeber war nicht am Studiendesign, der Sammlung, Analyse, Interpretation von Daten, dem Verfassen dieses Artikels oder der Entscheidung, ihn zur Veröffentlichung einzureichen, beteiligt. Diese Studie wurde teilweise durch ein Forschungsstipendium 2022 der Mitui-Sumitomo-Kaijou Fukushi-Stiftung finanziell unterstützt.

Abteilung für Innovation in der medizinischen und gesundheitswissenschaftlichen Forschung, Shinshu University School of Medicine, 3-1-1 Asahi, Matsumoto, 390-8621, Japan

Hideya Momose, Mieko Takasaka, Tomomi Watanabe-Asaka, Moyuru Hayashi, Daisuke Maejima, Yoshiko Kawai und Toshio Ohhashi

Abteilung für Physiologie, Medizinische und Pharmazeutische Universität Tohoku, Sendai, Japan

Tomomi Watanabe-Asaka, Moyuru Hayashi und Yoshiko Kawai

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TO entwarf die Experimente, analysierte die Daten und schrieb das Manuskript. HM und TO konstruierten den Apparat und das System. YK, MH, TW. A., MT, HM und DM entwarfen die Experimente, analysierten die Daten und überarbeiteten das Manuskript. Alle Autoren stimmten der endgültigen Fassung des Manuskripts zu und stimmten der Veröffentlichung dieses Manuskripts zu.

Korrespondenz mit Toshio Ohhashi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Momose, H., Takasaka, M., Watanabe-Asaka, T. et al. System zur Information über das Risiko eines Hitzschlags mithilfe eines tragbaren Schweißfrequenzmessers bei Benutzern, die sich körperlich betätigen. Sci Rep 13, 416 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27492-9

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Eingegangen: 29. Juli 2022

Angenommen: 03. Januar 2023

Veröffentlicht: 09. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27492-9

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