用于精确生命体征监测和心血管健康评估的
可穿戴免校准微纳光纤传感芯片
心血管疾病严重威胁人类生命健康安全，脉搏波信号包含丰富的心血管系统生理和病理信息。因此，脉象分析已成为临床诊断和治疗的重要依据。然而，随着柔性材料和微纳制造工艺的不断突破，人们对穿戴式传感器提出了越来越多的需求，如抗电磁干扰、位置免校准、优异的生物兼容性和多功能集成等，使穿戴式传感技术的进一步发展面临诸多挑战。近期，华中科技大学孙琪真教授课题组在《Advanced Fiber Materials》上发表了题为“Wearable alignment‑free microfiber‑based sensor chip for precise vital signs monitoring and cardiovascular assessment ”的研究成果，报道了一种可穿戴免校准微纳光纤传感芯片（AFMSC），实现精确生命体征监测和心血管健康状况评估”。华中科技大学博士研究生李良晔为本文的第一作者，孙琪真教授为通信作者。
图1 AFMSC结构示意图、制备过程、实物照片
本工作所提出的免校准微纳光纤传感芯片（AFMSC）由柔性液囊和微纳光纤传感器组成（图 1a），AFMSC的制备过程如下：首先，通过氢氧焰加热熔融拉锥技术制备微纳光纤，其次，将微纳光纤U形弯曲并嵌入在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜中，形成薄膜-微纳光纤-薄膜（M-MNF-M）传感结构。柔性液囊基底由模具压印法制备，选择化学稳定性高且无毒的甘油溶液作为填充液体。最后，液囊被薄膜-微纳光纤-薄膜传感器密封，如图 1b 所示。通过图1 c展示的样品照片可以看出免校准微纳光纤传感芯片完整覆盖脉搏信号的搏动区域。
其工作原理可以从感知和增敏两方面来阐述。当微压力信号作用于微纳光纤传感区时，光纤中导模转换为辐射模，导致光损耗，通过透射光的光功率变化可以获得高保真压力信号。根据帕斯卡定律，不可压缩静止流体中任一点受外力产生压强增值后，此压强增值瞬时间传至静止流体各点。由液囊基底区域内的任何点感测到的脉搏波信号将不减弱地传输到密封在液囊中的微纳光纤传感器，由此实现位置免校准和空间不敏感。
图2 AFMSC压力传感性能表征
传感芯片在0-2 kPa范围内的灵敏度为 -0.22kPa-1，在 2-10.5kPa范围内灵敏度为-0.02kPa-1（图2 a），AFMSC在加载和卸载测试过程中表现出即时响应，响应时间为11ms，恢复时间为48ms（图2 b），如图2 c所示，AFMSC 在70000次循环后显示出持久且可重复的性能。表明传感芯片能够长期监测，具有良好的耐久性。
为了验证 AFMSC 的免校准和空间不敏感性，在手腕桡动脉绘制了一个面积为20×20 mm2的十六网格（图2 d），AFMSC被放置在每个点来探测脉搏信号。结果表明，仅当M-MNF-M传感结构靠近桡动脉放置时，才能探测到未失真的脉搏信号，而免校准微纳光纤传感芯片则可以在20×20mm2整个区域内均实现高保真脉搏波探测（图2 e-f）。
图3 AFMS温度传感特性的工作机理和性能表征
脉搏波信号监测示意图如图3a所示,图3b显示了用于精确生命体征监测和心血管评估的光纤传感系统，位于皮肤表面的传感单元用于感知动脉脉搏信号，探测得到的脉搏波信号可用于提取心血管生命体征参数。典型的脉搏波形由主波、潮汐波和重搏波组成（图3 c）。基于脉搏轮廓分析的心血管参数对心血管疾病的诊断有显着影响，如辅助血压指数（K）、反射波增强指数（AI）、主波与潮汐波之间的时间延迟(Tst)、总外周阻力(TPR)、动脉顺应性(AC) 和血液粘度(V)。因此，通过对脉搏信号的定量分析，可以提取心血管生命体征参数，用于评估人体健康状况。
我们选择4名不同年龄的志愿者（23岁，27岁，39岁，62岁）来验证光纤脉象分析系统的有效性。图4a-d显示了4位志愿者的脉搏信号，可以看出动脉脉搏波形信号表现出与年龄相关的特征，包括形状和特征点位置的变化。随着年龄的增长，潮汐波的幅度会增加，而冲击波和潮汐波之间的时间延迟会减少。如图4e-f展示了不同年龄动脉脉搏信号的频谱，可以计算出 23、27、39 和 62 岁受试者的心率分别为96bpm、72bpm、72bpm和 84bpm。
图4 4位受试者的脉搏波时域、频域信号
四名受试者的K、AI、Tst、TPR、AC和V等特征参数被提取并用来分析心血管健康程度，如图5a-f所示，可以看出，K值、AI值、TPR值和V值随年龄增长呈上升趋势，而Tst和AC值随年龄增长呈相反趋势。事实上，K是用来衡量血管硬化程度的，数值越大意味着血管越硬，AI被定义为血管弹性的指标，而数值越大意味着患心血管疾病的风险越高。TPR和V值是评估动脉硬度和血液粘度的重要参数，它们与年龄呈正相关。Tst和AC值与动脉僵硬度呈负相关。实验结果表明，62岁的受试者比其他三人面临更大的心血管疾病风险。
图5 心血管生理特征参数对比分析
得益于出色的灵敏度、可靠性和快速的时间响应，AFMSC还可以直接贴附在人体各个部位，监测微小生理信号。 图6a显示了传感器位于志愿者主动脉、肱动脉和桡动脉上监测到的脉搏波信号。除此之外，还可用于实时监测呼吸过程，（图6b）。图6c-d 分别展示了两位志愿者运动前后的脉搏波波形变化和频谱变化，结果表明，高强度运动可能会影响血管的弹性回缩，从而导致心血管状态的变化。
图6 不同动脉信号、呼吸信号、运动前后脉搏信号分析
综上所述，本工作提出了一种可穿戴免校准微纳光纤传感芯片，具有优异的灵敏度、快速响应、耐用性和生物兼容性，实现心血管健康状况评估。此外，在本工作中，不同动脉信号、呼吸信号以及运动前后的脉搏信号被成功探测，拓展实现了生命体征监测应用，为心血管疾病的生理监测以及诊断预防提供了一种连续、便携方式，凸显了在穿戴式传感领域中的应用价值。
课题组简介：
孙琪真教授，华中科技大学光学与电子信息学院博士生导师, 国家自然科学基金优秀青年基金获得者 (2019) 、欧盟 “玛丽·居里” 学者 (2013)、湖北省创新群体负责人 (2018)、湖北省杰出青年基金获得者 (2014)。现兼任中国光学工程学会光纤传感技术专家工作委员会委员、中国光纤传感技术及产业创新联盟油气资源专家委员会委员、OSA/IEEE高级会员，《Photonics Sensors》和《Sensors》编委、中国激光杂志社青年编委、《红外与激光工程》青年编委。主要从事微结构光纤器件、传感技术及应用研究，主持和参与科技部重点研发计划项目课题、科技部重大科学仪器专项任务、国家自然科学基金重点/面上项目、国防科工局民用航天预研重点基金等科研项目。近年来发表SCI论文70余篇；拥有36项授权发明专利，3项软件著作权，其中光纤声波传感专利技术以实施许可方式转化；研究成果在多个领域推广应用，获得中国通信学会技术发明一等奖、中国光学工程学会创新产品一等奖及日内瓦国际发明展览会金奖等。
原文信息：
Liang-Ye Li, Yun-Fei Liu, Chang-Ying Song, Shun-Feng Sheng, Liu-Yang Yang, Zhi-Jun Yan, Dora Juan Juan Hu, Qi-Zhen Sun*, Wearable alignment‑free microfiber‑based sensor chip for precise vital signs monitoring and cardiovascular assessment. Adv. Fiber Mater., 2022. DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-021-00121-8
