让床垫里的光纤传感器成为你的健康管家

随着生活水平的提高，人们越来越关注日常的健康管理。传统的心脏监测主要依赖心电图（ECG），需要在身体上贴满电极贴片，通常会让人感到束缚和不适，难以用于长期的家庭日常监测。为了解决这个问题，研究人员开发了一种新的解决方案：利用干涉型光纤传感器，实现无接触式的生命体征监测。

光纤传感器是如何工作的呢？可以把光纤想象成极细的玻璃导管，当两束光在光纤的不同路径中传播并在特定位置相遇时，会产生光学的“干涉”现象。研究人员将这种光纤传感器巧妙地放置在普通的坐垫或床垫下方。当人躺在上面时，心脏跳动和呼吸产生的微小震动，会引起光纤长度或折射率极其微小的物理变化。系统通过捕捉这些光波信号的变化，能精确“感受”到人体的心跳（这在医学上被称为心冲击图，简称BCG）和呼吸节奏。由于光纤传感器灵敏度极高、成本低、重量轻且完全不受电磁干扰，适合作为医疗检测工具融入人们的日常起居中。

在实际使用中，光信号会因为环境噪音和温度变化而发生漂移，导致信号“褪色”或失真。为了让系统持续、稳定地读懂生命密码，研究人员引入了“解调”的信号处理技术（例如基于移动线圈相位补偿或3x3耦合器的解调方案）。这种技术就像给系统戴上了智能“降噪耳机”，不仅能滤除低频杂音，还能利用频率差异，将混杂在一起的心跳和呼吸信号清晰地分离开来。研究人员设计了涵盖不同生活场景的实验，充分验证了方案的可行性：

运动后的心率追踪： 研究人员让受试者进行了多种强度的运动测试，包括深蹲、跑步和规律性呼吸等。在文献的图7中，可以直观地看到受试者在四种不同测试后的心率变化全过程。例如，在剧烈的跑步运动后，光纤传感器准确且平稳地记录下了心率从每分钟一百多跳逐渐回落平息的趋势。数据比对表明，光纤传感器测得的心率与传统医用心电图（ECG）的计算结果高度一致，两者间的误差低于每分钟3次。

7.5小时的无感睡眠监测： 睡眠监测是这项技术最为突出的应用场景之一。长达7.5小时的夜间睡眠测试中，受试者无需佩戴其他设备，只需像平常一样睡在装有光纤传感器的床垫上。图8展示了整个晚上的心跳信号状态：相比于相对平缓的心电图，光纤捕捉到的BCG信号在受试者身体发生微小翻动时，波幅会有明显的增加。这使得研究人员能够轻松地通过非接触的方式捕捉体动，进而分析受试者的睡眠状态。而在图9中，展示了整晚睡眠心率的波动情况，光纤捕捉到的心率（在每分钟55次左右波动）与标准心电图结果几乎完美重合，两者误差小于每分钟1次。

体温与深度心脏指标评估： 除了心跳与呼吸，准确的体温监测对健康预警也至关重要。研究团队测试了基于光纤干涉原理的温度传感器，在图11中，记录了传感器在四位受试者身上的体温测试表现。图中的结果显示，光纤测量出的体温数据（红点）与标准临床温度计测出的体温（黑点）高度重合，证明了其体温测量的准确性。此外，通过深入分析光纤捕捉到的BCG信号特定波峰之间的时间差，该系统甚至还能用来评估“心肌收缩力”这一重要的心血管生理指标（正如图10所展示的不同运动后的射血前期时长变化规律）。

学者介绍：余长源，香港理工大学电子及资讯工程学系光子信息系统讲座教授、博士生导师，香港理工大学晋江技术创新研究院院长，Optica/OSA Fellow，IEEE Senior Member。主要研究方向包括光子器件、光子子系统、光纤通信与传感系统及生物医学仪器，聚焦光通信信号处理、光纤感测与光电系统应用等问题。

ORCID：0000-0002-3185-0441

DOI：10.3390/photonics9020050