无芯光纤可穿戴心率传感器：高灵敏度光学监测技术在精准医疗中的应用

针对传统心率传感器舒适性差、信号易受干扰等问题，西安石油大学团队开发了一种基于无芯光纤(NCF)的可穿戴传感器。该器件通过对称锥形结构耦合单模光纤(SMF)与NCF，实现-10.346 dB/m-1的弯曲灵敏度，结合强度解调系统成功监测不同体位(站立/坐卧)及部位(手腕/胸部/颈部)的心跳信号，与商用传感器相关系数达0.958，为精准医疗提供新型光学监测方案。

　　

在当代医疗健康领域，持续监测心率(HR)不仅是诊断心血管疾病的关键指标，更是运动健康管理和日常健康监护的重要依据。传统基于电极、电容或磁弹性原理的可穿戴传感器虽广泛应用，却存在明显痛点：长时间贴附皮肤会导致不适，影响监测持续性；复杂电磁环境易干扰信号准确性。更令人困扰的是，现有设备往往缺乏多体位适配能力，难以满足用户在日常活动中的多样化监测需求。这些局限性促使科研人员将目光投向新兴的光纤传感技术——这种直径仅微米级的柔性介质，兼具抗电磁干扰、生物相容性好等独特优势，有望突破传统技术的瓶颈。

西安石油大学的研究团队在《Optics》发表的研究中，创新性地设计了一种基于无芯光纤(No-Core Fiber, NCF)的可穿戴传感器。该器件通过对称锥形结构将NCF与单模光纤(Single Mode Fiber, SMF)耦合，构建出兼具高灵敏度和机械稳定性的传感探头。研究团队开发了强度解调系统并优化信号处理算法，成功实现了对不同体位(站立、坐姿、卧姿)及身体部位(手腕、胸部、颈部)心跳信号的实时监测。实验数据表明，该传感器在1.36-2.30 m^-1曲率范围内灵敏度高达-10.346 dB/m^-1，与商用设备的相关系数(PCC)达到0.958，展现出优异的临床适用性。

关键技术方法包括：1) 采用熔接拉锥技术构建SMF-NCF-SMF对称结构；2) 基于1560 nm波长激光搭建强度解调系统；3) 开发包含脉冲波特征提取和低通滤波的信号处理算法；4) 通过纺织物集成实现可穿戴应用。

Principle of the sensor
传感器核心由两段SMF通过对称锥形区耦合NCF构成。当光从SMF传入NCF时，高阶模被激发并在弯曲时产生辐射损耗，通过监测光强变化反推曲率变化。这种结构设计使传感器对脉搏波引起的微小形变极为敏感，同时锥形区增强了机械稳定性。

HR monitoring system
系统采用可调激光器(1560 nm)、光电探测器和示波器构成解调链路。选择1560 nm工作波长因其在静态曲率实验中表现最优灵敏度。当传感器随心跳产生周期性弯曲时，光强调制信号经光电转换后，通过算法提取出清晰的心跳波形。

Conclusion
该研究实现了三项重要突破：首先，SMF-NCF-SMF对称结构兼具-10.346 dB/m^-1的高弯曲灵敏度和-0.015 dB/℃的低温度敏感性，有效抑制环境干扰；其次，纺织物集成方案使传感器能适应手腕、胸部等多部位监测；最后，开发的实时信号处理算法可准确提取不同体位下的HR特征。相比传统FBG(光纤布拉格光栅)或SMS(单模-多模-单模)结构，这种设计在保持光学性能优势的同时显著提升了穿戴舒适性，为长期健康监测提供了创新解决方案。

这项研究的深远意义在于：一方面，为可穿戴医疗设备开辟了新型光学传感路径，克服了传统电子传感器的固有缺陷；另一方面，其模块化设计思路为开发多功能生理参数监测系统奠定了基础。未来通过进一步优化光纤材料和算法，这类传感器有望在居家养老、运动医学等领域发挥更大价值。