近日，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院/未來(lái)技術(shù)學(xué)院孫琪真教授團(tuán)隊(duì)和同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院陳琛教授團(tuán)隊(duì)、南方科技大學(xué)沈平教授團(tuán)隊(duì)以及華為技術(shù)有限公司合作，設(shè)計(jì)了一種基于光纖傳感器的智能手環(huán)系統(tǒng)，將傳感模塊、信號(hào)處理模塊、藍(lán)牙傳輸模塊和手機(jī)健康管理APP集成，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)。相關(guān)工作以“Automatic and continuous blood pressure monitoring via an optical-fiber-sensor-assisted smartwatch”為題發(fā)表在期刊PhotoniX上。華中科技大學(xué)孫琪真教授與南方科技大學(xué)沈平教授為論文共同通訊作者，華中科技大學(xué)博士研究生李良曄為論文第一作者。

心血管疾病是發(fā)病率第一、死亡率最高的疾病，有報(bào)道稱24小時(shí)動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)有助于評(píng)估藥物效果和預(yù)防心血管疾病。傳統(tǒng)的袖帶式血壓計(jì)需充氣加壓因此限制連續(xù)測(cè)量的可能性，基于光電容積描記技術(shù)的可穿戴連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)受限于靈敏度不足，制約了其在臨床實(shí)踐的應(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，但仍需克服位置對(duì)準(zhǔn)、終端集成的挑戰(zhàn)。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)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(cè)。光纖傳感器由一個(gè)光纖適配器傳感單元和一個(gè)液體膠囊組成，光纖適配器被用來(lái)檢測(cè)脈搏波壓力信號(hào)，而液體膠囊被用來(lái)擴(kuò)大傳感區(qū)域并增強(qiáng)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(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建血壓監(jiān)測(cè)模型?？纱┐鞯男盘?hào)處理芯片、藍(lán)牙傳輸模塊和一個(gè)自主開發(fā)的手機(jī)APP將與光纖傳感器結(jié)合，組成具備動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)功能的可穿戴智能手環(huán)。其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(guó)醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)(AAMI)規(guī)定的精度要求。

圖1 智能光纖血壓手環(huán)系統(tǒng)

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光纖傳感器、信號(hào)采集芯片、數(shù)據(jù)處理芯片、智能手環(huán)終端和APP組成。脈搏波信號(hào)由光纖傳感器感知，然后由光電探測(cè)器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。微處理器包括信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、去噪和特征提取。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算血壓，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)訓(xùn)練模型。最后，手環(huán)屏幕上顯示收縮壓(SBP)和舒張壓(DBP)的數(shù)值，并以無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)绞謾C(jī)APP。

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(cè)脈搏波信號(hào)。液體膠囊的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)位置免校準(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(diǎn)受外力產(chǎn)生壓強(qiáng)增值后，此壓強(qiáng)增值瞬時(shí)間傳至靜止流體各點(diǎn)，因此，液囊基底區(qū)域內(nèi)任何一點(diǎn)感應(yīng)到的動(dòng)脈脈搏信號(hào)都會(huì)傳遞到密封在液囊中的光纖適配傳感單元。本項(xiàng)工作中，光纖傳感器成功在20 mm × 20 mm區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到高保真脈搏波信號(hào)，從而有效地消除了由位置漂移和錯(cuò)位引起的脈搏波信號(hào)失真，使血壓監(jiān)測(cè)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(shí)間，在長(zhǎng)期的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性過(guò)程中，在70000次循環(huán)后沒(méi)有觀察到明顯的性能下降。

圖2 血壓計(jì)算模型

表1 血壓精度

本項(xiàng)工作提出的用于連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)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(diǎn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)自修正閾值法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形態(tài)的脈搏特征點(diǎn)的自適應(yīng)提取，通過(guò)全面篩選脈搏波的時(shí)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(diǎn)作為輸入，收縮壓和舒張壓作為輸出，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)。

研究團(tuán)隊(duì)開展血壓測(cè)量臨床實(shí)驗(yàn)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(cè)試集，測(cè)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(duì)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(guó)醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)規(guī)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)早期心血管疾病的診斷和預(yù)防具有重要意義。

團(tuán)隊(duì)聚焦精準(zhǔn)醫(yī)療、智慧醫(yī)療重大國(guó)家需求，開發(fā)全光纖心血管健康監(jiān)測(cè)智能手環(huán)，對(duì)主動(dòng)健康管理、個(gè)性化醫(yī)療的實(shí)施提供技術(shù)支撐，促進(jìn)以個(gè)人為中心的數(shù)字化、智能化健康管理發(fā)展，光纖智能手環(huán)作為深度醫(yī)工交叉合作的標(biāo)示性成果，將鼓勵(lì)以疾病預(yù)防和健康促進(jìn)為重點(diǎn)的健康監(jiān)測(cè)，助力健康中國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施。

孫琪真教授團(tuán)隊(duì)主要從事微結(jié)構(gòu)光纖器件、傳感技術(shù)及應(yīng)用研究，近年來(lái)在LSA、Optica、OEA、PR、AFM等高水平期刊上發(fā)表SCI論文140余篇，獲得科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)（首席科學(xué)家）、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、JWKJW快速支持和國(guó)防科工局民用航天預(yù)研重點(diǎn)基金等多個(gè)項(xiàng)目支持，擁有45項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利，4項(xiàng)軟件著作權(quán)，2項(xiàng)專利技術(shù)成果實(shí)施轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

審核編輯：劉清