基于FBG传感器的光功率探测方案，实现无创血压和心率测量
2025-03-30 14:17:50 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究团队提出一种低成本的双光纤布拉格光栅架构，通过测量光功率的变化来捕获受试者手腕动脉的脉搏波形。研究人员利用从脉搏波形中提取的PTT、脉搏上升时间和脉搏下降时间建立血压（BP）估计模型，方法是通过将测得的血压与商用血压计获得的参考血压进行拟合。
人体血压测量方法主要分为侵入式和非侵入式（无创）两类。无创血压测量方法已得到广泛研究，可进一步分为连续监测和非连续监测。近年来，采用光纤传感解决方案获取动脉脉搏波形已被用于评估受试者的健康状况。光纤布拉格光栅（FBG）主要用于测量颈动脉的脉搏波形，以及颈动脉与足背动脉的脉搏波形，从而获得二者之间的脉搏传输时间（PTT）。除通过FBG获得血管脉搏波形外，多数研究采用光谱仪获取FBG反射波长的时域变化，从而获得脉搏波形。
据麦姆斯咨询报道，近日，台湾清华大学（National Tsing Hua University）的研究团队提出一种低成本的双FBG架构，通过测量光功率的变化来捕获受试者手腕动脉的脉搏波形。研究人员利用从脉搏波形中提取的PTT、脉搏上升时间和脉搏下降时间建立血压（BP）估计模型，方法是通过将测得的血压与商用血压计获得的参考血压进行拟合。该估计模型是根据29名年龄在20岁至54岁之间的受试者的数据建立的。研究结果表明，该血压估计模型的准确性优于仅考虑PTT的其它血压估计模型。这项研究以“Blood Pressure and Heart Rate Measurements Using Fiber Bragg Grating Sensor with Optical Power Detection Scheme”为题发表在Sensors期刊上。
图1显示了这项研究提出的基于双FBG的光功率探测方案，两个FBG的布拉格波长相同（1546.92 nm）、反射带宽相同（1 nm），反射率均为90%。光电探测器（PD）接收经过FBG2传输的光，并根据血管搏动对FBG1造成的压力变化从而产生血管搏动脉搏波形的电信号。波段会随着受试者手腕处血管搏动压力的变化而偏移。这两个FBG的工作原理如图2所示。结果显示，当施加在FBG1上的血管搏动压力波动时，光电探测器输出的电信号也会随之变化，从而形成血管搏动的脉搏波形。
图1 利用两个相同的FBG获取血管搏动波形的光功率探测方案
图2 （a）当FBG1不承受任何血管搏动压力时和（b）当FBG1承受一些血管搏动压力时，FBG1的反射谱和FBG2的透射谱
为了提高信号稳定性，研究人员设计了一种用于保护FBG传感器及其相邻裸光纤的保护结构，其嵌入厚度为3 mm的硅胶片中（图3a）。图3b展示了嵌入FBG传感器及其相邻裸光纤和部分松套管光纤的硅胶片。光可以从硅片外部的松套管光纤通过硅片内部的裸光纤传输到FBG传感器。然后，FBG传感器（即图1中的FBG1）反射波段的光被反射回硅胶片外的松套管光纤。当FBG传感器承受血管搏动压力时，光最终被传输到光电探测器，从而获得脉搏波形信号。
图3 FBG传感器及相邻裸光纤的保护结构
随后，研究人员使用该装置对受试者进行了血压和心率的测量。当将嵌入硅胶片内的FBG传感器放置在受试者手腕桡动脉附近时，研究人员使用U型盒压住硅胶片，这样不仅能使硅胶片与手腕皮肤紧密接触，还能增强血管脉搏的探测能力。如图4所示，U型盒通过夹具压紧，使其两侧支撑腿紧贴硅胶片。在测量血压和心率时，需使用图4中的夹具夹住受试者手臂以保持稳定（图5）：握住并按压手柄，以确保手臂被固定，同时U型盒紧贴硅胶片。
图4 内置FBG传感器的硅胶片被带有夹具的U形盒压紧，与手腕皮肤紧密接触
图5 在获取血管脉搏波形时，用夹具固定受试者的手臂
接着，研究人员将光电探测器采集到的脉搏波形输入模数转换器中，然后使用微控制器ESP32以200 Hz采样率对脉搏波形进行采样，采样信号立即传输至计算机，并进行信号处理。图6a和图6b分别展示了信号处理前和处理后25秒内采集的受试者血管脉搏波形。然后，通过将测量的血压与商用血压计获得的参考血压相拟合，研究人员将从脉搏波形中提取的PTT、脉搏上升时间和脉搏下降时间用于血压（BP）估计模型。该估计模型是根据29名年龄在20岁至54岁之间的受试者的数据建立的。
图6 受试者在（a）信号处理前和（b）信号处理后25秒内的血管脉搏波形
综上所述，这项研究提出了一种用于血压和心率测量的光纤功率探测方案，该方案采用双FBG（其中一个FBG嵌入硅胶片中以起到保护作用）来感知血管脉搏。通过检测传感FBG反射谱与另一个FBG透射谱之间的重叠区域所对应的光功率，可获得高精度的血管脉搏波形。该研究采用两种血压估计模型：（1）第一种模型仅考虑PTT，（2）第二种模型在血压方程建模时综合考虑PTT、脉搏上升时间和脉搏下降时间。研究结果表明，第二种血压估计模型的准确性显著优于第一种血压估计模型。
论文链接：https://doi.org/10.3390/s25072007
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