基于级联超短多模光纤传感器的脉波监测及局部脉波速度测量

《Sensors and Actuators A: Physical》：Pulse wave monitoring and local pulse wave velocity measurement based on cascaded ultrashort multimode fiber sensor

该研究设计了一种基于单模-多模-单模-超短多模（SMSM）级联光纤结构的脉冲波监测传感器，通过SMFv实现低干扰光传输，MMF1感知力学变化，MMF2放大光强信号。系统采用单摄像头同步检测两个传感器的光强变化，简化了传统多PD检测方案，降低了复杂度和成本，适用于强电磁干扰的医疗环境，成功实现了腕部至肘窝处的局部脉搏波速度（PWV）高精度测量。

　　这项研究提出了一种基于新颖的单模-多模-单模-超短多模（SMSM）光纤结构的脉搏波监测传感器。该结构设计的核心在于利用单模光纤（SMFv）在532纳米波长下严格保持单模传输特性，从而确保光信号的稳定性和低干扰性。在这一结构中，第一根单模光纤（SMFv1）负责光信号的传输，而第一根多模光纤（MMF1）则承担力变化的传感功能。第二根单模光纤（SMFv2）不仅用于过滤光信号，还通过调节其长度，实现对MMF1的远程放置，使传感器能够在强电磁干扰（EMI）的医疗环境中正常运行。此外，第二根多模光纤（MMF2）由于其短而直的特性，能够放大MMF1中经过SMFv2过滤后的光传播变化，从而增强对光传播变化的检测能力，使这些变化更容易通过光纤端面的光强度分布进行识别。

脉搏波是由于心脏的周期性收缩和舒张引起的动脉压力波动，它携带着关于人体生理状态的重要信息。通过分析脉搏波的特征，可以获取诸如血压和血管弹性等关键的生理参数。然而，脉搏波信号通常较为微弱，因此需要一种具有高灵敏度和稳定性的传感器来实现有效的监测。传统上，压电传感器因其紧凑的尺寸和高灵敏度而被广泛用于脉搏波监测，但在强电磁干扰的环境中，其性能会受到限制。相比之下，光电体积描记法（PPG）利用光吸收或反射的变化来检测血液体积的变化，具有成本低、非侵入性强等优点。然而，PPG信号容易受到汗液、皮肤颜色等因素的影响，导致信号质量不稳定。此外，光纤光栅（FBG）传感器虽然具有较高的灵敏度和稳定性，但其波长解调过程通常较为复杂且成本较高。

光纤散斑图传感器（FSS）因其高灵敏度和低成本被广泛应用于脉搏波监测。例如，文献[8]中使用了一种核心直径为400微米的多模光纤，通过检测其输出的散斑图来监测脉搏波和呼吸波。文献[9]中提出了一种智能光子腕带，采用多模聚合物光纤（POF）实现脉搏波的监测与分析。然而，这些方法中多模光纤同时承担了传感和信号传输的功能，导致在非传感区域容易受到干扰。为了解决这一问题，一些研究尝试采用级联光纤结构，将单模光纤用于信号传输，多模光纤用于传感变化。这种结构能够提供更稳定的性能，但监测多模光纤的输出散斑图仍需集成光敏元件，如电荷耦合器件（CCD），这在实际应用中存在一定的局限性。此外，由于光敏元件对电磁干扰较为敏感，整个系统难以充分利用FSS传感器的优势。

针对这些问题，本研究提出了一种新的级联光纤结构，即SMSM结构。在这一结构中，单模-多模-单模-超短多模的排列方式使得传感区域和监测区域可以被有效分离，从而提升了系统的稳定性和可靠性。通过监测光纤端面的光强度分布变化，可以实现对脉搏波的高精度检测。更重要的是，该结构允许使用单个摄像头同时检测多个传感器的光强度分布，而传统的光电检测方法则需要为每个传感器配备一个独立的光电探测器（PD），这显著降低了整个系统的复杂性和成本。

脉搏波速度（PWV）是评估动脉硬度的重要指标，对于心血管健康具有高度的预测价值。PWV的测量方法主要分为两种：区域PWV和局部PWV。区域PWV是指在不同动脉之间的两个测量点之间计算得到的，例如颈动脉-股动脉PWV（cf-PWV）、肱动脉-踝动脉PWV（ba-PWV）和心脏-股动脉PWV（hf-PWV）。这些方法能够一定程度上反映动脉硬度的变化，但其测量范围较大，难以对特定动脉段进行精确评估。相比之下，局部PWV测量则是在同一条动脉的两个相邻点之间进行，因此能够更精确地评估特定动脉段的健康状况。然而，局部PWV测量对信号质量的要求更高，需要更高的采样率和更稳定的信号环境。目前常用的局部PWV测量技术，如PPG、FBG传感器和生物阻抗（BioZ）技术，均存在一定的局限性，例如设备复杂、成本高昂或对电磁干扰不敏感等问题。

通过采用SMSM传感器结合高帧率摄像头，本研究实现了对两个SMSM传感器的光强度分布的同步采集，这种方法特别适用于局部PWV的测量。这种设计不仅简化了系统结构，还提高了测量的效率和准确性。研究团队首先对SMSM传感器在不同力作用下的变形进行了数值模拟和分析，随后详细描述了传感器的设计与制造过程。在制造过程中，MMF1被分别与SMFv1和SMFv2进行熔接，并用聚乙烯（PE）热塑管进行封装，以保护光纤并提高其机械强度。在传感区域，光纤被直线化、居中并精确地粘附到由3D打印技术制造的聚乳酸（PLA）基底上，确保了传感器的稳定性和可靠性。

实验结果显示，该传感器能够在多种脉搏测量力的作用下获得稳定的脉搏波信号。通过将传感器放置在手腕的桡动脉位置，并确保传感区域与皮肤的良好接触，可以有效监测脉搏波的变化。此外，研究团队还利用该传感器对从肘窝到手腕的局部PWV进行了评估，结果表明该方法能够提供稳定且可靠的数据，进一步验证了SMSM传感器在局部PWV测量中的有效性。

综上所述，本研究提出的SMSM结构为脉搏波监测提供了一种创新的解决方案。该结构通过合理分配光纤的功能，实现了信号传输与传感的分离，提高了系统的抗干扰能力。同时，通过使用高帧率摄像头进行光强度分布的同步检测，不仅降低了系统的复杂性和成本，还提升了测量的效率和精度。未来，这种结构有望在医疗设备、可穿戴健康监测系统等领域得到广泛应用，为心血管疾病的早期检测和诊断提供更加便捷和可靠的工具。