基于光纤传感的生命体征监测技术研究现状.pdf

临临床床医医学学基于光纤传感的生命体征监测技术研究现状杨义龙冯逸飞王勇刘意朱刘凤何颖(.上海理工大学健康科学与工程学院上海 .海军特色医学中心海洋生物医药与极地医学研究室上海):/基金项目:海军特色医学中心青年科技创新人才项目()通信作者:何颖:.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()摘要:传统的接触式生命体征监测仪器存在一些使用上的限制如不便于操作和需要频繁更换传感器等问题近年来科研工作者一直致力于研究和探索基于光纤传感的生命体征监测方法旨在寻求一种成本低廉、可靠性高且适用范围广泛的监测方法 基于光纤传感的生命体征监测方法在心率、呼吸、体温、血压及血糖等方面取得了显著的研究进展 这种基于光纤传感的监测方法可以实现非接触式监测无须直接接触人体从而减少对人体的不适感其有望在临床医学和健康管理等领域得到更广泛的应用并为人类健康提供更精准和舒适的监测和预警手段关键词:生命体征监测光纤传感非接触式 .:.:.:呼吸率、心率和体温等生理参数是人体健康与疾病状态的重要生命体征指标其异常变化往往意味着身体正在向外界发出警示信号 因此准确监测和分析这些生理参数可以及时发现和评估患者的病情变化为医疗决策和干预提供科学依据 现代医疗在信号采集的实时性、准确性和舒适性等方面对生命体征监测设备提出了日益严格的要求基于光纤传感的生命体征监测设备通过动态连续监测基本生理参数信号有效地对伤病员的健康状况进行监测、预警和诊疗防治 与传统的生命体征监测设备或可穿戴设备不同基于光纤传感的生命体征监测设备不需要直接接触人体更加符合未来健康监控的发展趋势 近年来光纤在光传感器件领域中的应用潜力不断被挖掘并在生物传感领域取得了许多成果 由于远程和实时监测对小尺寸传感器的需求光纤以其性价比高、体积小、柔性化等显著优势正在成为生物传感器的通用和优秀平台 现就光纤传感在呼吸、心跳、体温、血压和医学综述 年 月第 卷第 期 血糖中的研究进展予以综述以阐述现有光纤生命体征监测存在的问题提出未来技术发展应用的重点方向从而为深入开展基于光纤传感的生命体征监测技术研究提供借鉴和指导 基于光纤传感的生命体征监测光纤监测生理参数的原理是利用光纤的折射率随环境变化的特性将光纤作为传感器通过光纤中的光信号监测生理信号的变化 当环境(温度、压力等)变化时光纤中光信号的相位和强度会发生相应的变化这些变化通过光纤传输到光电探测器中进行检测和分析 光纤监测生理信号原理图见图.呼吸率和心率监测光纤监测呼吸率和心率是一种基于心冲击信号的技术 该技术利用胸腔呼吸和心跳引起的微小振动对光纤的压力变化进行监测 当胸腔振动压缩光纤时光纤会发生微小的弯曲从而改变光波的特征参数(如波长和相位)通过处理和分析这些特征参数获取心冲击信号的监测结果进一步对这些结果进行滤波和分析可以得到准确的呼吸率和心率数据 大量研究表明心冲击信号技术可用于提取心率、心率变异性、呼吸率等其在光纤监测呼吸率和心率领域已经进行了广泛而深入的研究涌现出大量相关产品 等利用 生产的带有嵌入式光纤布拉格光栅()传感器的 打印传感器监测呼吸率和心率并将其安装至弹性绷带中便于携带 结合了 打印技术和光纤传感技术的传感器可降低制作光纤的成本和难度有助于优化工艺 等将单模异芯光纤传感器与普通羊毛织物衣服缝制在一起可以监测受测者坐位和站立位时的呼吸率和心率 智能纺织品检测系统主要依赖于纺织品中光纤传感器的位置当光纤传感器位置改变时其很难监测到生命体征信号 通过增加传感器的数量可以实现对生命体征信号的多通道监测从而提高监测的准确性和可靠性 此外光纤传感器还能够监测受测者的运动情况为研究人员提供更全面和细致的数据 等针对射箭运动提出了一种智能纺织品其基于两个安装在弹性绷带中的 传感器对射箭者的呼吸率和心率进行评估以优化射箭训练光纤传感器与家居产品的结合可实现家居环境的智能化和个性化显著提升监测过程的舒适性为人们提供更为便捷和高效的健康监测手段 等验证了在磁共振成像检查期间高磁场的特殊环境下在磁共振扫描仪床内安置传感器垫利用 传感器同时监测呼吸率和心率帮助临床工作者检测患者接受核磁共振检查时出现的过度换气和惊恐发作状况 等首次提出了基于多模光纤的长模间干涉的光纤传感器将整个光纤传感器放置在床垫中用于监测人体的呼吸率和心率 后续研究对其提出的传感器进行了不同姿态动作和不同对象的研究并与商用监护仪比较结果显示两者生命体征监测性能的一致性良好 等将塑料光纤嵌入床垫中用于监测患者睡眠以区分与睡眠相关的 种行为状态(在床上、躺着、移动和离床)高度小型化和可拉伸的光纤贴片式传感器可以很容易地应用于临床(如卧床或轮椅患者以及磁共振成像检查期间)和现实生活场景(如看电视、看书、在办公桌前工作和睡觉时)的心肺监测 新生儿的非接触监测是医院护理和家庭护理中非常重要的图 光纤监测生理信号原理图医学综述 年 月第 卷第 期 组成部分有助于预防婴儿猝死综合征尤其建议对高危新生儿进行非接触式监测 等测试了用于监测新生儿呼吸率和心率的光纤垫的安全性和有效性并将其应用于新西兰大白兔的动物实验结果显示光纤衬垫具有非接触的优势且不需要额外的附加设备可能是监测新生儿呼吸率和心率非常好的选择 光纤技术的高灵敏度和高分辨率使其具备了对人体呼吸率和心率进行高精度监测的能力其非接触式的特点有效避免了传统监测方法中存在的交叉感染和不适应等问题这对于长时间监测以及特殊人群(如婴儿、老年人或病患)监测尤为重要.体温监测体温的升高或降低均可能是疾病的指示因此持续的体温监测可为临床诊断提供多种有价值的信息 光纤温度传感器将热辐射、折射率变化以及光的波长相位干涉等与温度有关的信息作为测量信号根据不同的测温原理形成多种类型的光纤温度传感器如光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、分布式光纤温度传感器等 等基于塑料光纤的宏弯曲法制作体温传感器该传感器为螺旋形安装在弹性布上放置于患者腋下监测其体温 等将 传感器集成到纺织品中设计出胸部、腋窝和上背部的多点加权系数体温模型当 传感器损坏时其可通过改变其他传感器的加权系数获得准确的体温 等将光纤传感器嵌入袜子中用于测量糖尿病周围神经病变患者的足底温度、压力和关节角度以管理和预防糖尿病患者的足部溃疡发生风险 热疗是近年发展起来的一种备受关注的肿瘤治疗方法在肿瘤热疗中需要一种实时的体温监测装置 等设计了一种基于马赫曾德尔干涉仪的新型温度传感器其传感结构是将 根单模光纤通过芯偏移拼接在两根单模光纤之间而形成的 等提出一种基于表面等离子体共振与智能手机平台集成的光纤温度传感系统传感系统由侧抛光光纤表面等离子体共振传感器组成一端由 闪光灯照明输出信号由摄像头和智能手机中设计的应用程序记录和处理该温度传感器在 范围内的测量分辨率可达.这种基于智能手机平台的低成本便携式光纤在医疗保健、环境监测等领域具有广阔的应用潜力且使用便捷 等利用 传感器对人体进行高分辨率精确温度测量测温为 这是典型的人体温度范围 等设计开发了一种用于人体温度监测的内装背心将 传感器放置于袖窿最低部分的内背心其响应时间和分辨率分别为 和./等设计了一种具有应变解耦能力的可拉伸光纤传感器该传感器在 的温度范围内的温度传感性能稳定且其集成于可穿戴面罩和手套中可满足体内测温的需求光纤温度传感器被封装成小型传感探头这种小型传感探头通常由光纤传感器、光纤连接器、保护套管等组成可直接插入被测物体中进行测温已广泛应用于医学临床检验或生物体检测中实现了对温度的单点高精度测量目前光纤温度传感器与各种家居产品的结合实现了光纤技术与物联网技术、智能家居技术和无线通信技术的融合未来进一步研究和开发基于光纤温度传感器的智能化产品将有助于推动其在各个领域的应用和发展.血压和血糖监测持续血压监测对预防和诊断心血管疾病具有重要的临床价值特别是病情严重者需要高精度、实时、无场景限制的血压传感器但常规的血压测量方法并不适合长期监测 光纤传感器可以有效采集高保真的脉搏波人们通过观察脉冲信号形状检测这些变化从而获得血压读数这可能是进行持续血压监测的可靠方法 等介绍了一种基于多模光纤传感器的无创生命体征传感新技术该传感器由激光器、光纤、摄像机和计算机组成可以集成到织物中其操作基于跟踪由受到变形的光纤内的光模式的干涉引起的散斑图案上的逐点强度变化可实现无创生命体征监测为医学领域提供了一种高效、精确的监测手段 等介绍了一种基于塑料制作的 传感器测量人体动脉脉搏波信号的方法通过使用偏最小二乘回归方法为每个脉搏波信号构建校准曲线并计算得到血压值 与石英光纤相比塑料光纤具有较高的信噪比和更好的抗折断性能因此在临床医疗和居家应用场景中具有更好的性能表现 在后续的研究中 等使用冷压试验模拟环境变化对人体血压的影响验证了光纤传感系统对血压突然变化的跟踪能力 等同时监测肱动脉和桡动脉提取更多的脉搏波特征以实现准确的血压预测医学综述 年 月第 卷第 期 等设计了一种基于光纤的可穿戴式血压手环系统将单模光纤放置于弹性腕带中通过反射光的相位变化实现对脉冲波形的连续和准确测量并从中提取脉冲传输时间以估计血压 传统的血压监测通常需要使用充气式袖带需要定期测量而便携式可穿戴设备可以实现无创的连续血压监测可为用户提供更全面、准确的血压监测数据血液黏度的变化会对血流产生影响导致脉搏波信号发生改变这一现象为利用光纤监测脉搏波信号关联血糖信息提供了一种新的思路 等将 传感器放置在手腕上测试脉搏波信号利用机器学习将复杂的脉搏波信号与血糖信息相关联以估计血糖水平但是该试验研究样本数据少且只能预测信号与血糖存在相关性 由于动脉和毛细血管中的葡萄糖水平几乎相同考虑到血糖监测的便利性和高效性选择测量方便、毛细血管丰富的部位(手指、耳朵等)进行血糖测量 等在 的交流磁场下将覆盖包层和护套以及没有覆盖包层和护套的两根多模光纤放置在手指上方利用相机捕获有激光光束通过的两根多模光纤与皮肤之间的相互作用而产生的散斑图案变化最后使用朴素贝叶斯算法学习和分类不同的血糖水平实现无创监测血糖 等开发了一种可以连续进行血糖监测的光纤探针其通过智能手机集成光纤量化葡萄糖光纤读出器简单、实用、成本低不需要数据处理或昂贵的设备 然而现阶段利用光纤测量人体血压和血糖的研究较少相关研究者需要在光纤结构设计理论、算法模型和评价标准等方面进行深入研究以进一步提高光纤监测血压和血糖的准确性、可靠性 虽然现有研究为无创血压和血糖监测提供了新的思路和方法但在临床实践中其应用价值和可行性仍需进一步探究和验证 因此未来的研究需要更加深入地探讨光纤监测技术在临床血压和血糖监测中的应用前景和潜力以期为医学领域提供更为有效和可靠的监测手段 光纤生命体征监测技术存在的问题和发展方向目前光纤生命体征监测技术在应用层面仍受到许多技术的限制 首先受测者的体动信号会对光纤监测生命体征形成很大干扰如在使用床垫式光纤监测呼吸和心跳时受测者侧身躺卧将影响呼吸和心跳的监测精度其次光纤生命体征监测技术需要使用复杂的仪器和算法来处理数据且需要经过培训专业人员的正确操作成本较高这在一定程度上制约了其在医疗应用领域的推广和应用最后光纤传感器的工作原理和信号采集方式对传感器位置的要求较高不同位置可能导致信号的衰减、失真或交叉干扰影响监测的精度和可靠性 光纤监测各种生理参数的特性见表 表 光纤监测各种生理参数的特性监测指标监测部位特点系统形式技术原理心率胸腔非接触式床垫、坐垫、衣物等心冲击信号技术呼吸率胸腔非接触式床垫、坐垫、衣物等心冲击信号技术体温体表或体内非接触式探头、衣物等热致敏效应、布拉格光栅效应血压手腕、手臂接触式绷带脉搏波分析血糖手腕、手指接触式绷带、相机等脉搏波分析、激光散斑成像 综上所述可以从以下 个方面认识光纤生命体征监测技术的未来发展及应用方向:在监测指标方面光纤生命体征可以监测呼吸、心率、脉搏、血压、体温等信号而目前基于光纤的生命体征监测仪器只能同时监测一项或两项生命体征信号其在拓展自身监测指标的同时融合多项监测技术建立系统化的监测指标体系为医疗监测提供全面的数据来源 在监测目标方面将光纤传感模块设计在床垫的产品形态中能够在保证测量精度的前提下利用光纤生命体征监测系统对多目标信号进行监测和分析评估多个目标的健康状态及风险因素并实现与医师、医疗机构等的及时沟通 在监测功能方面随着监测数据量的积累和人工智能算法技术的不断成熟基于大量的临床监测数据训练人工智能模型在监测患者生命体征信号的同时实现了心血管系统、呼吸系统以及心理等疾病的早期筛查和预警可以大大降低风险进一步辅助医师进行疾病诊断 在医疗应用方面光纤传感能够同时实现心率、呼吸率、体动压力、温度等人体生命体征指标的采集反馈且光纤不包含导电部分可以在高磁场环境及其周围使用此外光纤具有良好的材料属性其可以应用于病床、担架、座椅和各类直升机、车载医疗救治系统以及战场、灾害救援等场景下的医学综述 年 月第 卷第 期 伤病员监测预警及检伤分类 小 结随着社会发展和人们对健康关注度的提升光纤生命体征监测设备因非接触式监测、舒适使用和个性化解决方案的特点逐渐在医疗、健康管理和运动监测等领域应用 然而目前利用光纤监测呼吸和心率可能不适用于特定人群如婴儿或呼吸系统疾病患者、心脏疾病患者此外与传统的体温监测方法相比光纤传感器的成本较高 利用光纤监测血压和血糖的研究相对较少主要集中在通过监测和分析脉搏波评估患者血管健康状况且其准确性和稳定性有待提升 尽管如此光纤传感器具有与其他医疗设备或系统集成的优势可以实现数据共享和远程监测从而提高医疗资源的利用效率 期待未来光纤传感监测生命体征技术在大健康、智能家居和智慧医疗领域发展越来越成熟成为大健康时代的主流之一参考文献 戴欢束沁冬周泽仑.一种基于信道状态相位信息的生命体征监测方法:中国./.:/./?.黄博强庞宇彭良广等.一种生命体征信号采集装置设计.传感器与微系统():.陈天启张玉乾宗宝超等.基于心率及呼吸生命特征监测技术发展和应用.中国医疗器械杂志():.():.():.():.():.():.蒋芳芳王旭杨丹等.基于心冲击信号的呼吸率检测方法研究.系统仿真学报():.():.():.():.():./().:():.()():.:.():.:.():.:.():.():.():.:.:.医学综述 年 月第 卷第 期 ():.():.张在宣王剑锋刘红林等.远程分布光纤拉曼温度传感器系统.光电子激光():.():.():.().():.:.():.():.():.():.():.()():.():.():.():.():.():.:.收稿日期:修回日期:编辑:李瑾医学综述 年 月第 卷第 期