近日，華中科技大學光學與電子信息學院/未來技術學院孫琪真教授團隊和同濟醫學院附屬同濟醫院陳琛教授團隊、南方科技大學沈平教授團隊以及華為技術有限公司合作，設計了一種基于光纖傳感器的智能手環系統，將傳感模塊、信號處理模塊、藍牙傳輸模塊和手機健康管理APP集成，實現動態血壓監測。相關工作以“Automatic and continuous blood pressure monitoring via an optical-fiber-sensor-assisted smartwatch”為題發表在期刊PhotoniX上。華中科技大學孫琪真教授與南方科技大學沈平教授為論文共同通訊作者，華中科技大學博士研究生李良曄為論文第一作者。

心血管疾病是發病率第一、死亡率最高的疾病，有報道稱24小時動態血壓監測有助于評估藥物效果和預防心血管疾病。傳統的袖帶式血壓計需充氣加壓因此限制連續測量的可能性，基于光電容積描記技術的可穿戴連續血壓監測受限于靈敏度不足，制約了其在臨床實踐的應用。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用中具有廣泛前景，但仍需克服位置對準、終端集成的挑戰。

基于此，研究團隊提出并開發了一種光纖傳感器輔助的智能手環，用于連續精確的血壓監測。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域并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習算法構建血壓監測模型。可穿戴的信號處理芯片、藍牙傳輸模塊和一個自主開發的手機APP將與光纖傳感器結合，組成具備動態血壓監測功能的可穿戴智能手環。其性能顯示血壓平均誤差小于3 mmHg，誤差標準差小于5 mmHg，符合美國醫療儀器促進協會(AAMI)規定的精度要求。

圖1 智能光纖血壓手環系統

研究團隊開發的動態血壓監測系統由光纖傳感器、信號采集芯片、數據處理芯片、智能手環終端和APP組成。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換成電信號。微處理器包括信號采集、轉換、去噪和特征提取。為了更準確地計算血壓，使用神經網絡來訓練模型。最后，手環屏幕上顯示收縮壓(SBP)和舒張壓(DBP)的數值，并以無線傳輸的方式傳輸到手機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，用于探測脈搏波信號。液體膠囊的設計是為了實現位置免校準和空間不敏感，根據帕斯卡定律，不可壓縮靜止流體中任一點受外力產生壓強增值后，此壓強增值瞬時間傳至靜止流體各點，因此，液囊基底區域內任何一點感應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區域內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，使血壓監測更加精確。傳感器在0-2 kPa的壓力范圍內具有高達-213 μw/kPa的靈敏度，并具備5 ms的超快響應時間，在長期的運行穩定性和可靠性過程中，在70000次循環后沒有觀察到明顯的性能下降。

圖2 血壓計算模型

表1 血壓精度

本項工作提出的用于連續血壓監測的訓練模型，包括預處理、特征提取、監督訓練和模型擬合。為了解決脈搏形狀變化難以提取特征點的問題，設計自修正閾值法實現對不同形態的脈搏特征點的自適應提取，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，提高模型的魯棒性，結合后向傳播神經網絡算法，將脈搏特征點作為輸入，收縮壓和舒張壓作為輸出，實現精準動態血壓監測。

研究團隊開展血壓測量臨床實驗研究，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，測試結果表明，光纖智能血壓手環的收縮壓和舒張壓的平均絕對誤差分別-0.35 mmHg和-2.54 mmHg，標準差分別為4.68 mmHg和4.07 mmHg，均符合美國醫療儀器促進協會規定的誤差標準，對早期心血管疾病的診斷和預防具有重要意義。

團隊聚焦精準醫療、智慧醫療重大國家需求，開發全光纖心血管健康監測智能手環，對主動健康管理、個性化醫療的實施提供技術支撐，促進以個人為中心的數字化、智能化健康管理發展，光纖智能手環作為深度醫工交叉合作的標示性成果，將鼓勵以疾病預防和健康促進為重點的健康監測，助力健康中國戰略的實施。

孫琪真教授團隊主要從事微結構光纖器件、傳感技術及應用研究，近年來在LSA、Optica、OEA、PR、AFM等高水平期刊上發表SCI論文140余篇，獲得科技部重點研發專項（首席科學家）、國家自然科學基金重點項目、JWKJW快速支持和國防科工局民用航天預研重點基金等多個項目支持，擁有45項授權發明專利，4項軟件著作權，2項專利技術成果實施轉化應用。

審核編輯：劉清