Opto-Electronic Science
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北京师范大学闵锐副研究员团队及合作者提出了一种基于散斑模式分析的POF传感器，该传感器与腕带集成为智能光子腕带，可用于智能诊脉诊断，在物联网、可穿戴生理信号健康监测领域中具有很高的应用潜力。
第一作者：邝任飞
通信作者：闵锐
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研究背景
脉搏波是生理信号的重要组成部分，涉及丰富的健康信息。脉搏信号的实时监测和有效的医学分析不仅能够监控和诊断基础疾病，还能在诸多领域中发挥积极作用，包括辅助中医诊断的寸口监测和手势识别。目前，基于电容和压阻的电子传感器已被广泛用于获取脉搏波信号。然而，一些电子医疗传感器的电磁兼容性差，从而导致数据失真、医疗误诊，在一定程度上限制了电子传感器的实际应用。光纤传感器具有抗漂移性、固有的电气安全性和抗电磁干扰能力等独特优势，是电子传感器更有前途的替代品。
脉搏波中存在一些特定的生理信息，但它们非常微弱，难以检测。光纤散斑传感器（FSS）是一种基于多模干扰效应的光纤传感器，由于其灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，近年来发展迅速，在实现高灵敏度脉搏信号监测上具有显著优势。然而，传统的基于二氧化硅光纤传感器柔韧性低且易破损，在可穿戴传感场景中破损容易对人体造成伤害。聚合物光纤（POF）具有成本低、柔韧性高、杨氏模量低等优点。因此，基于聚合物光纤的散斑传感器是一种很有前途的智能诊脉方案，可以满足进一步临床试验的要求。
本文亮点
图1 整体设计示意图：（a）智能光子腕带的传感原理；（b）基于POF的腕带传感器的实物图；（c）传感器的内部结构；（d）整体监控系统，包括光源、POF腕带传感器、信号采集、数据处理、脉搏率计算、云终端和人工智能处理器。
针对上述问题，北京师范大学闵锐副研究员团队联合沈阳航空航天大学王珩教授、中山大学陈庆明副教授、巴西圣埃斯皮里图联邦大学Arnaldo Leal Junior教授、印度科内鲁·拉克什迈亚教育基金会Santosh Kumar教授和葡萄牙阿威罗大学Carlos Marques 教授提出了一种基于散斑模式分析的POF传感器，该传感器与腕带集成作为智能光子腕带，用于智能诊脉诊断（如图1所示）。研究人员设计了不同芯径的POF和各种图像处理算法对传感器进行优化，优化后智能光子腕带的性能与其他现有工作相比，具有更高的灵敏度、准确性和便携性，并首次提出基于FSS的光纤传感器实现寸口诊脉分析（如图2所示）。对智能光子腕带使用的POF光纤进行了性能测试，在弯曲角度为45度（形成环路传感）时，能有60%的光通过光纤，这保证了光信号在弯曲状态下足够灵敏，满足传感要求。在施加压力下，POF光纤的线性工作范围为0~45 N，在此范围内表现出高线性度（R² = 0.989），这有助于避免脉搏波信号检测中的失真。此外，测试结果表明，智能光子腕带监测的信噪比为 34.96 dB，测量与参考心电信号之间的时延为369.9 ms，测量误差仅3.7%。
图2 （a）压痕试验中POF传感器的光功率-压力曲线和弯曲试验中POF传感器的光功率与弯曲半径的关系；（b）信号和参考信号之间的比较示例；（c）最优方法下获取的人体脉搏信号图和10秒内的细节图。
该智能光子腕带可以进行类似训练有素的中医医师进行的脉搏触诊，例如对寸口位置的脉搏波信息诊断。该传感器提供了一种融合东西方医疗实践的视觉诊断方法，推动了传统诊脉技术的标准化和客观化。智能光子腕带还可以捕捉运动前后脉搏波形的细微变化，在运动测试实验中证明了智能光子腕带在执行用户处于不同运动状态时具有高灵敏度和稳定性潜力。此外，借助AI算法实现了对不同手势的识别，混淆矩阵表明基于神经网络的识别准确率达到95%，证明传感器在筛查潜在相关疾病患者方面足够起到重要的作用。该团队还开发了用于个性化医疗的智能手机视觉监控系统，借助Wi-Fi将数据互连到云端，促进了医疗云物联网技术的进步（图3展示了智能光子腕带部分应用实验结果）。在未来，该智能光子腕带将部署在需要抗电磁干扰的特定医疗环境中，例如磁共振成像（MRI） 系统、CT系统和超声诊断系统等。本文报道的智能光子腕带在物联网、可穿戴生理信号健康监测领域中具有很高的应用潜力。
图3（a） 寸口的诊断方法示意图以及寸、关、尺不同位置的脉搏波形；（b） 运动过程中的脉搏监测和不同运动持续时间下的脉搏波形；（c）脉搏波信号的神经网络处理流程和数据处理产生的混淆矩阵；（d）用于监控数据可视化的智能手机应用程序的快照。
该工作得到国家重点研发计划(2022YFE0140400)和国家自然科学基金项目( 62003046，6211101138)资助，相关成果以“Smart photonic wristband for pulse wave monitoring”为题发表在Opto-Electronic Science（光电科学）2024年第12期。
研究团队简介
闵锐，博士，北京师范大学自然科学高等研究院/文理学院副研究员，博士生导师，主要研究方向为光纤生理信息分析、光学脑机接口、光纤成像以及光纤海洋监测。主持国家重点研发计划和国家自然科学基金等科研项目，在国际知名期刊及会议发表论文150余篇，发表论文已获引用3100余次，单篇最高引用368次，H因子31；授权国家发明专利4项；担任中国图像图形学学会类脑视觉专业委员会委员、中国仪器仪表学会青年工作委员会委员和珠海市神经科学学会理事；担任Optics Express、IEEE Sensors Journal和Frontiers in Physics期刊编委，Fiber and Integrated Optics期刊编委会成员，Measurement、Instrumentation和Brain-X期刊青年编委；指导本科生获得第十七届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛一等奖，获得国家级大学生创新创业训练计划和广东省攀登计划重点项目等本科生创新项目的支持。
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Opto-Electronic Science（OES，光电科学）是卓越行动计划高起点新刊，是国际知名光学期刊Opto-Electronic Advances（JCR Q1）的姊妹刊，由中国科学院主管，中国科学院光电技术研究所主办并出版，面向全球发行。OES目前已被Scopus、DOAJ、CA、EuroPub、万方等国内外数据库收录。OES专注于光学、光电子及相关交叉学科领域的基础科学研究，致力于发掘、报道光学物理机制的新发现。
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编辑 | 彭诗涵 张诗杰
审核 | 杨淇名
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