研究背景

? ? ? 心血管疾病是發(fā)病率第一、死亡率最高的疾病，有報道稱24小時動態(tài)血壓監(jiān)測有助于評估藥物效果和預(yù)防心血管疾病。因此，連續(xù)血壓監(jiān)測對于心血管健康的管理意義重大。傳統(tǒng)的袖帶式血壓計需要一個纏繞在手臂上的袖帶氣囊充氣加壓，這限制了連續(xù)測量的可能性。基于光電容積描記技術(shù)的可穿戴式連續(xù)血壓監(jiān)測受限于靈敏度不足，制約了其在臨床實踐中的應(yīng)用。光纖傳感器憑借其抗電磁干擾、高靈敏、生物相容性好的特性在可穿戴應(yīng)用中具有廣泛前景。盡管基于微納光纖、光纖布拉格光柵的傳感器表現(xiàn)出了很好的性能，但仍需克服位置對準(zhǔn)、終端集成的挑戰(zhàn)。此外，上述血壓傳感器通過脈搏傳遞時間（PTT）計算收縮壓和舒張壓，由于心血管、肺部和自主神經(jīng)系統(tǒng)的混雜影響，基于PTT的血壓擬合模型在大范圍人群當(dāng)中依舊面臨準(zhǔn)確度不足的挑戰(zhàn)。因此，在個性化醫(yī)療和遠(yuǎn)程醫(yī)療的體系構(gòu)建中，迫切需要一種精準(zhǔn)、高集成、高靈敏、具有電氣安全的智能血壓監(jiān)測設(shè)備。

論文導(dǎo)讀

? ? ? 隨著柔性材料和微納制造工藝的不斷突破，人們對穿戴式健康傳感器提出了越來越多的需求，如抗電磁干擾、位置免校準(zhǔn)、優(yōu)異的生物兼容性和終端集成等，使穿戴式傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。在光纖到戶（FTTH）的背景下，利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的光纖傳感器可以獲得更多有關(guān)心血管健康的細(xì)節(jié)，這對實現(xiàn)精準(zhǔn)化遠(yuǎn)程醫(yī)療至關(guān)重要。近日，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院孫琪真教授團(tuán)隊和同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院陳琛教授團(tuán)隊、南方科技大學(xué)沈平教授團(tuán)隊以及華為技術(shù)有限公司合作，設(shè)計了一種基于光纖傳感器的智能手環(huán)系統(tǒng)，通過傳感模塊、信號處理模塊、藍(lán)牙傳輸模塊和手機健康管理APP的集成，實現(xiàn)動態(tài)血壓監(jiān)測。相關(guān)工作以Automatic and continuous blood pressure monitoring via an optical-fiber-sensor-assisted smartwatch 為題于2023年7月3日發(fā)表在 PhotoniX 上。

主要研究內(nèi)容

? ? ? 本文提出并開發(fā)了一種光纖傳感器輔助的智能手環(huán)，用于連續(xù)精確的血壓監(jiān)測。光纖傳感器由一個光纖適配器傳感單元和一個液體膠囊組成，光纖適配器被用來檢測脈搏波壓力信號，而液體膠囊被用來擴大傳感區(qū)域以及增強傳感器與皮膚之間的耦合。脈搏波攜帶豐富的心血管病理信息，其典型特征將被分析提取并通過機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建血壓監(jiān)測模型。光纖傳感器使智能手環(huán)在0-2 kPa的壓力范圍內(nèi)具有高達(dá)-213 μw/kPa的靈敏度，并具備5毫秒的超快響應(yīng)時間，以及7萬次的高重現(xiàn)性。此外，可穿戴的信號處理芯片、藍(lán)牙傳輸模塊和一個自主開發(fā)的手機APP與光纖傳感器結(jié)合，形成具備動態(tài)血壓監(jiān)測功能的可穿戴智能手環(huán)。該智能手環(huán)的性能顯示血壓平均誤差小于3 mmHg，誤差標(biāo)準(zhǔn)差小于5 mmHg，符合美國醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(AAMI)規(guī)定的精度要求。與目前的血壓監(jiān)測設(shè)備相比，這項工作不僅提出了一種穩(wěn)健而靈敏的傳感器，消除了位置漂移和錯位引起的脈搏信號失真，更重要的是開發(fā)了一種集成了傳感單元、光電處理芯片、藍(lán)牙傳輸?shù)然驹氐目纱┐鞴饫w智能手環(huán)。手環(huán)可以實現(xiàn)精確的連續(xù)血壓監(jiān)測，說明了其在心血管疾病預(yù)防和診斷方面的潛在應(yīng)用，這將促進(jìn)以個人為中心的數(shù)字化、智能化健康管理發(fā)展。

技術(shù)突破

? ? ? 為了提供有針對性的醫(yī)療服務(wù)，并鼓勵以疾病預(yù)防和健康促進(jìn)為重點的健康監(jiān)測，本文開發(fā)的動態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)由光纖傳感器、信號采集芯片、數(shù)據(jù)處理芯片、血壓計算、智能手環(huán)終端和APP組成。心臟的跳動沿動脈血管向外傳播，形成脈搏波。不同形態(tài)的脈搏波信號，對應(yīng)于不同的心血管健康狀況。脈搏波信號由光纖傳感器感知，然后由光電探測器檢測并轉(zhuǎn)換成電信號。所設(shè)計的微處理器包括信號采集、轉(zhuǎn)換、去噪和特征提取。為了更準(zhǔn)確地計算血壓，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練模型。最后，收縮壓(SBP)和舒張壓(DBP)值將顯示在手環(huán)屏幕上，并以藍(lán)牙傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)绞謾CAPP。

? ? ? 光纖傳感器包括光纖適配器傳感單元和液體膠囊。光纖適配器由聚乙烯管、空氣芯和兩根不同芯徑的多模光纖組成，用于探測脈搏波信號。液體膠囊的設(shè)計是為了實現(xiàn)自由對準(zhǔn)和空間不敏感，根據(jù)帕斯卡定律，不可壓縮靜止流體中任一點受外力產(chǎn)生壓強增值后，此壓強增值瞬時間傳至靜止流體各點，因此，液囊基底區(qū)域內(nèi)任何一點感應(yīng)到的動脈脈搏信號都會傳遞到密封在液囊中的光纖適配傳感單元。本項工作中，光纖傳感器成功在20 mm × 20 mm區(qū)域內(nèi)檢測到高保真脈搏波信號，從而有效地消除了由位置漂移和錯位引起的脈搏波信號失真，使血壓監(jiān)測更加精確。傳感器在0-2 kPa的壓力范圍內(nèi)具有高達(dá)-213 μw/kPa的靈敏度，并具備5 ms的超快響應(yīng)時間，在長期的運行穩(wěn)定性和可靠性過程中，在70000次循環(huán)后沒有觀察到明顯的性能下降，由于其出色的實用性和魯棒性，本工作中開發(fā)的光纖傳感器可以集成到智能手環(huán)中。

? ? ? 本項工作提出用于連續(xù)血壓監(jiān)測的訓(xùn)練模型，包括預(yù)處理、特征提取、監(jiān)督訓(xùn)練和模型擬合。為了解決脈搏形狀變化難以提取特征點的問題，設(shè)計自修正閾值法實現(xiàn)對不同形態(tài)的脈搏特征點的自適應(yīng)提取，通過全面篩選脈搏波的時域、幅值、面積、比值、波形特征量等特征參數(shù)，提高模型的魯棒性，結(jié)合后向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將脈搏特征點作為輸入，收縮壓和舒張壓作為輸出，實現(xiàn)精準(zhǔn)動態(tài)血壓監(jiān)測。

? ? ? 開展了臨床血壓實驗研究，采集樣本覆蓋健康人群和高血壓人群，共105組樣本，其中，30組樣本作為測試集，測試結(jié)果表明，光纖智能血壓手環(huán)的收縮壓和舒張壓的平均絕對誤差分別-0.35 mmHg和-2.54 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.68 mmHg和4.07 mmHg，均符合美國醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會規(guī)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)。

圖1??(a) 血壓監(jiān)測系統(tǒng)示意圖，監(jiān)測系統(tǒng)由光纖傳感器、信號采集、數(shù)據(jù)處理、血壓計算、智能手環(huán)終端和APP組成。(b) 光纖適配器的結(jié)構(gòu)。(c) 無壓力作用下的光場能量分布。(d) 壓力下的光場能量分布 (e)光纖適配器傳感單元的制造過程。

圖2?(a)脈搏特征值定義。(b) 血壓模型處理過程。(c) SBP皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣。(d) DBP皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣。(e) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。(f) 后向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理。

表1?血壓精度。

觀點評述

? ? ? 本工作展示了一種獨特靈活的光纖傳感器，并將其與智能手環(huán)集成，實現(xiàn)了自動和精準(zhǔn)的動態(tài)血壓監(jiān)測。結(jié)合光纖適配器傳感單元和和液體膠囊的優(yōu)勢，該手環(huán)可以對脈搏波信號進(jìn)行高保真波形恢復(fù)，除了優(yōu)異的靈敏度(-213 μw/kPa)、快速的動態(tài)響應(yīng)(<5 ms)和高穩(wěn)定性(>70000次)外，還消除了位置錯位造成的信號失真。通過使用自校正閾值法提取脈搏波的特征并構(gòu)建BPNN血壓監(jiān)測模型，可以準(zhǔn)確計算出血壓值。SBP和DBP的誤差分別為-0.35±4.68 mmHg和-2.54±4.07mm Hg，符合國際血壓計精度要求。這項工作對主動健康管理、個性化醫(yī)療健康的實施提供了非常有競爭力的技術(shù)支撐。

審核編輯：劉清