基于时间相关单光子计数的经皮CO2传感行为模型：实现高精度生命体征监测的新路径

《Biosensors and Bioelectronics》：Towards accurate transcutaneous CO2 sensing: A behavioral model using time-correlated single photon counting

本研究提出了一种创新的行为模型，通过时间相关单光子计数（TCSPC）技术实现快速荧光寿命的精确提取，为开发新一代经皮二氧化碳（PtcCO2）监测系统提供理论支撑。该模型完整模拟了从光子激发到信号处理的完整链路，创新性地整合了暗计数、后脉冲、串扰等非理想因素，在环境空气条件下实现86%-93%的寿命测量精度，为临床和移动医疗场景下的呼吸功能评估提供了重要技术突破。

　　

研究亮点

本研究构建的TCSPC行为模型成功突破了快速荧光寿命测量的技术瓶颈，通过精准模拟硅光电倍增管（SiPM）的光子探测效率（PDE）和时序特性，实现了对CO₂敏感发光体3.5纳秒级超快衰减过程的精确重构。模型创新性地融入了实际应用中的关键干扰因素——包括暗计数引发的"光子噪声雨"、后脉冲效应形成的"信号回声"以及激发光泄漏造成的"背景迷雾"，使仿真环境高度贴近真实检测场景。

结论

本研究所构建的行为模型犹如一台"数字孪生"设备，成功验证了TCSPC技术在经皮CO₂传感领域的应用潜力。模型不仅重现了参考发光体与CO₂敏感发光体的荧光衰减"双人舞"，更通过优化算法在噪声浪潮中精准捕捉到寿命变化的"信号脉搏"。尽管在高CO₂浓度下存在信噪比挑战，但范围优化算法的引入为突破此局限开辟了新路径。这项研究为开发下一代可穿戴式呼吸监测设备提供了重要的设计蓝图和理论基石。