基于光纤传感的生命体征监测技术研究现状.pdf
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1、临临床床医医学学基于光纤传感的生命体征监测技术研究现状杨义龙冯逸飞王勇刘意朱刘凤何颖(.上海理工大学健康科学与工程学院上海 .海军特色医学中心海洋生物医药与极地医学研究室上海):/基金项目:海军特色医学中心青年科技创新人才项目()通信作者:何颖:.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()摘要:传统的接触式生命体征监测仪器存在一些使用上的限制如不便于操作和需要频繁更换传感器等问题近年来科研工作者一直致力于研究和探索基于光纤传感的生命体征监测方法旨在寻求一种成本低廉、可靠性高且适用范围广泛的监测方法 基于光纤传感的生命体征监测方法在心率、呼吸、体温、血压及血糖等方面取得了显著的研究进展 这种基于光
2、纤传感的监测方法可以实现非接触式监测无须直接接触人体从而减少对人体的不适感其有望在临床医学和健康管理等领域得到更广泛的应用并为人类健康提供更精准和舒适的监测和预警手段关键词:生命体征监测光纤传感非接触式 .:.:.:呼吸率、心率和体温等生理参数是人体健康与疾病状态的重要生命体征指标其异常变化往往意味着身体正在向外界发出警示信号 因此准确监测和分析这些生理参数可以及时发现和评估患者的病情变化为医疗决策和干预提供科学依据 现代医疗在信号采集的实时性、准确性和舒适性等方面对生命体征监测设备提出了日益严格的要求基于光纤传感的生命体征监测设备通过动态连续监测基本生理参数信号有效地对伤病员的健康状况进行监
3、测、预警和诊疗防治 与传统的生命体征监测设备或可穿戴设备不同基于光纤传感的生命体征监测设备不需要直接接触人体更加符合未来健康监控的发展趋势 近年来光纤在光传感器件领域中的应用潜力不断被挖掘并在生物传感领域取得了许多成果 由于远程和实时监测对小尺寸传感器的需求光纤以其性价比高、体积小、柔性化等显著优势正在成为生物传感器的通用和优秀平台 现就光纤传感在呼吸、心跳、体温、血压和医学综述 年 月第 卷第 期 血糖中的研究进展予以综述以阐述现有光纤生命体征监测存在的问题提出未来技术发展应用的重点方向从而为深入开展基于光纤传感的生命体征监测技术研究提供借鉴和指导 基于光纤传感的生命体征监测光纤监测生理参数
4、的原理是利用光纤的折射率随环境变化的特性将光纤作为传感器通过光纤中的光信号监测生理信号的变化 当环境(温度、压力等)变化时光纤中光信号的相位和强度会发生相应的变化这些变化通过光纤传输到光电探测器中进行检测和分析 光纤监测生理信号原理图见图.呼吸率和心率监测光纤监测呼吸率和心率是一种基于心冲击信号的技术 该技术利用胸腔呼吸和心跳引起的微小振动对光纤的压力变化进行监测 当胸腔振动压缩光纤时光纤会发生微小的弯曲从而改变光波的特征参数(如波长和相位)通过处理和分析这些特征参数获取心冲击信号的监测结果进一步对这些结果进行滤波和分析可以得到准确的呼吸率和心率数据 大量研究表明心冲击信号技术可用于提取心率、
5、心率变异性、呼吸率等其在光纤监测呼吸率和心率领域已经进行了广泛而深入的研究涌现出大量相关产品 等利用 生产的带有嵌入式光纤布拉格光栅()传感器的 打印传感器监测呼吸率和心率并将其安装至弹性绷带中便于携带 结合了 打印技术和光纤传感技术的传感器可降低制作光纤的成本和难度有助于优化工艺 等将单模异芯光纤传感器与普通羊毛织物衣服缝制在一起可以监测受测者坐位和站立位时的呼吸率和心率 智能纺织品检测系统主要依赖于纺织品中光纤传感器的位置当光纤传感器位置改变时其很难监测到生命体征信号 通过增加传感器的数量可以实现对生命体征信号的多通道监测从而提高监测的准确性和可靠性 此外光纤传感器还能够监测受测者的运动情
6、况为研究人员提供更全面和细致的数据 等针对射箭运动提出了一种智能纺织品其基于两个安装在弹性绷带中的 传感器对射箭者的呼吸率和心率进行评估以优化射箭训练光纤传感器与家居产品的结合可实现家居环境的智能化和个性化显著提升监测过程的舒适性为人们提供更为便捷和高效的健康监测手段 等验证了在磁共振成像检查期间高磁场的特殊环境下在磁共振扫描仪床内安置传感器垫利用 传感器同时监测呼吸率和心率帮助临床工作者检测患者接受核磁共振检查时出现的过度换气和惊恐发作状况 等首次提出了基于多模光纤的长模间干涉的光纤传感器将整个光纤传感器放置在床垫中用于监测人体的呼吸率和心率 后续研究对其提出的传感器进行了不同姿态动作和不同
7、对象的研究并与商用监护仪比较结果显示两者生命体征监测性能的一致性良好 等将塑料光纤嵌入床垫中用于监测患者睡眠以区分与睡眠相关的 种行为状态(在床上、躺着、移动和离床)高度小型化和可拉伸的光纤贴片式传感器可以很容易地应用于临床(如卧床或轮椅患者以及磁共振成像检查期间)和现实生活场景(如看电视、看书、在办公桌前工作和睡觉时)的心肺监测 新生儿的非接触监测是医院护理和家庭护理中非常重要的图 光纤监测生理信号原理图医学综述 年 月第 卷第 期 组成部分有助于预防婴儿猝死综合征尤其建议对高危新生儿进行非接触式监测 等测试了用于监测新生儿呼吸率和心率的光纤垫的安全性和有效性并将其应用于新西兰大白兔的动物实
8、验结果显示光纤衬垫具有非接触的优势且不需要额外的附加设备可能是监测新生儿呼吸率和心率非常好的选择 光纤技术的高灵敏度和高分辨率使其具备了对人体呼吸率和心率进行高精度监测的能力其非接触式的特点有效避免了传统监测方法中存在的交叉感染和不适应等问题这对于长时间监测以及特殊人群(如婴儿、老年人或病患)监测尤为重要.体温监测体温的升高或降低均可能是疾病的指示因此持续的体温监测可为临床诊断提供多种有价值的信息 光纤温度传感器将热辐射、折射率变化以及光的波长相位干涉等与温度有关的信息作为测量信号根据不同的测温原理形成多种类型的光纤温度传感器如光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器、分布式光纤温度传感器等
9、等基于塑料光纤的宏弯曲法制作体温传感器该传感器为螺旋形安装在弹性布上放置于患者腋下监测其体温 等将 传感器集成到纺织品中设计出胸部、腋窝和上背部的多点加权系数体温模型当 传感器损坏时其可通过改变其他传感器的加权系数获得准确的体温 等将光纤传感器嵌入袜子中用于测量糖尿病周围神经病变患者的足底温度、压力和关节角度以管理和预防糖尿病患者的足部溃疡发生风险 热疗是近年发展起来的一种备受关注的肿瘤治疗方法在肿瘤热疗中需要一种实时的体温监测装置 等设计了一种基于马赫曾德尔干涉仪的新型温度传感器其传感结构是将 根单模光纤通过芯偏移拼接在两根单模光纤之间而形成的 等提出一种基于表面等离子体共振与智能手机平台集
10、成的光纤温度传感系统传感系统由侧抛光光纤表面等离子体共振传感器组成一端由 闪光灯照明输出信号由摄像头和智能手机中设计的应用程序记录和处理该温度传感器在 范围内的测量分辨率可达.这种基于智能手机平台的低成本便携式光纤在医疗保健、环境监测等领域具有广阔的应用潜力且使用便捷 等利用 传感器对人体进行高分辨率精确温度测量测温为 这是典型的人体温度范围 等设计开发了一种用于人体温度监测的内装背心将 传感器放置于袖窿最低部分的内背心其响应时间和分辨率分别为 和./等设计了一种具有应变解耦能力的可拉伸光纤传感器该传感器在 的温度范围内的温度传感性能稳定且其集成于可穿戴面罩和手套中可满足体内测温的需求光纤温度
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