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  可穿戴設(shè)備以其靈活性高、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療康復(fù)、健康監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出日益強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。近日，北京師范大學(xué)閔銳、王茁團(tuán)隊(duì)等聯(lián)合葡萄牙阿威羅大學(xué)Carlos Marques教授和巴西Arnaldo Leal Junior教授課題組報(bào)道了一種聚合物微光纖智能傳感器，以實(shí)現(xiàn)可穿戴的心肺監(jiān)測(cè)與行為感知。如圖1所示，該論文提出了一種基于波浪結(jié)構(gòu)聚合物微光纖(WPOMF)的新型可穿戴智能傳感器，用于人類的心肺功能和行為感知。該傳感器將高分子聚合物光纖材料制備成波浪形微結(jié)構(gòu)，使得WPOMF傳感器具有更強(qiáng)的拉伸性能和更高的檢測(cè)靈敏度�；�WPOMF傳感器的心肺和行為監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)證明了WPOMF傳感器在執(zhí)行可穿戴任務(wù)時(shí)的高靈敏度和高穩(wěn)定性潛力。此外，AI輔助醫(yī)學(xué)關(guān)鍵詞發(fā)音識(shí)別實(shí)驗(yàn)證明了AI技術(shù)與WPOMF傳感器結(jié)合的可行性，可以有效提高傳感器作為可穿戴設(shè)備的智能化程度。WPOMF傳感器作為一種微光纖智能傳感器，在疾病監(jiān)測(cè)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 聚合物微光纖智能傳感器及其應(yīng)用示意圖

圖源：ACS Applied Materials & Interface (2024)

https://doi/10.1021/acsami.3c16165 (Fig. 1,2)

  可穿戴式多功能傳感器在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和健康監(jiān)測(cè)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力，正在引起廣泛關(guān)注。目前，常用的可穿戴設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景包括各種物理生化信息的感知和檢測(cè)，如心率、呼吸、血氧、關(guān)節(jié)活動(dòng)、足底壓力、血糖、汗液成分等�；陔娙莺蛪鹤柙O(shè)備的傳感器已被廣泛用來監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)，例如手腕脈搏、心跳和手指脈搏。然而，這些設(shè)備仍然存在電磁輻射、靈活性低等問題，影響可穿戴體驗(yàn)。可穿戴傳感器應(yīng)具備良好的生物兼容性、輕薄便攜、靈活的傳感范圍和優(yōu)越的拉伸性能等特點(diǎn)，同時(shí)器件制備應(yīng)簡(jiǎn)單、成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。上述要求激發(fā)了研究人員對(duì)光學(xué)傳感器的研究熱情。近年來的研究表明，光纖可穿戴傳感器具有高靈敏度、高精度、抗電磁干擾的潛力，且直徑從亞微米到幾百微米的光纖配置靈活易制備。

圖2 聚合物微光纖智能傳感器制備與性能測(cè)試 (a) 傳感器制備； (b) 傳感器拉伸與恢復(fù)實(shí)驗(yàn)； (c) 傳感器重復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)； (d) 傳感器波浪結(jié)構(gòu)顯微照片。圖源：ACS Applied Materials & Interface (2024)

https:// doi/10.1021/acsami.3c16165 (Fig. 3,4)

圖3 聚合物微光纖智能傳感器應(yīng)用實(shí)驗(yàn) (a) 傳感器行為測(cè)試實(shí)驗(yàn)；(b) 傳感器手腕脈搏測(cè)試；(c) 一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的傳感器發(fā)音識(shí)別實(shí)驗(yàn)。圖源：ACS Applied Materials & Interface (2024)

https:// doi/10.1021/acsami.3c16165 (Fig. 5,7,8)

  圖3展示了聚合物微光纖智能傳感器部分應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果。行為監(jiān)測(cè)是WPOMF 傳感器的重要應(yīng)用。論文著重報(bào)道了WPOMF傳感器在人體可穿戴關(guān)節(jié)、肌肉、發(fā)音等實(shí)驗(yàn)中的行為監(jiān)測(cè)結(jié)果，該傳感器的出現(xiàn)有望為康復(fù)訓(xùn)練和臨床醫(yī)療提供更加便捷、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。圖3a展示了將WPOMF傳感器應(yīng)用在手背與肱二頭肌進(jìn)行行為監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，WPOMF傳感器可以完整記錄被試者手掌伸展、放松及肱二頭肌收縮和松弛的狀態(tài)。心肺功能監(jiān)測(cè)也是可穿戴傳感器的重要應(yīng)用，人體的上肢距離心臟較近，上肢脈搏是監(jiān)測(cè)心肺功能的重要指標(biāo)。圖3b展示了WPOMF傳感器手腕脈搏測(cè)試結(jié)果，將采集到的60秒原始信號(hào)通過傅立葉變換提取出心率和呼吸率信號(hào)。此外，為了全面提升WPOMF傳感器的傳感性能和應(yīng)用范圍，文章構(gòu)建了AI輔助的傳感器智能傳感系統(tǒng)。準(zhǔn)確識(shí)別醫(yī)學(xué)關(guān)鍵詞，如“help”、“doctor”等，對(duì)于提高長(zhǎng)期臥床患者的醫(yī)療監(jiān)護(hù)效率至關(guān)重要，因此WPOMF傳感器被附著在志愿者的喉嚨上，用來捕捉喉部肌肉在發(fā)音時(shí)的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。為了表征不同發(fā)音的分類結(jié)果，文章使用如圖3c的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，混淆矩陣表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)音識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)89%，驗(yàn)證了基于WPOMF傳感器發(fā)音識(shí)別有效性。

  與現(xiàn)有的應(yīng)用于生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的硅基光纖或微光纖傳感器不同，該工作結(jié)合了高分子聚合物材料和微光纖的優(yōu)點(diǎn)，首次制備出用于生理信號(hào)和行為信息監(jiān)測(cè)的智能WPOMF傳感器，所制備的聚合物微光纖被設(shè)計(jì)成柔性波浪結(jié)構(gòu)，具有高拉伸性能和檢測(cè)靈敏度。心肺和行為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證明了WPOMF傳感器在執(zhí)行可穿戴任務(wù)時(shí)具有高靈敏度和穩(wěn)定性潛力。人工智能輔助醫(yī)學(xué)關(guān)鍵詞發(fā)音識(shí)別實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了人工智能技術(shù)與WPOMF傳感器集成的可行性。在未來的工作中，我們要將WPOMF傳感器進(jìn)一步構(gòu)建成光電混合傳感系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)更為便捷的可穿戴監(jiān)測(cè)，并繼續(xù)深化WPOMF傳感器與人工智能技術(shù)的深度融合，從而提高WPOMF傳感器在醫(yī)療監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域應(yīng)用的智能化水平。本文報(bào)道的可穿戴智能傳感器未來必將在物聯(lián)網(wǎng)、健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c16165

作者簡(jiǎn)介

  閔銳，北京師范大學(xué)副研究員，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)楣饫w生理信息分析、光學(xué)腦機(jī)接口、光纖成像以及光纖海洋監(jiān)測(cè)。在國(guó)際知名期刊及會(huì)議發(fā)表論文130余篇，發(fā)表論文已獲引用2300余次，單篇最高引用260次，H因子27；授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)；研究受到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目的資助。擔(dān)任中國(guó)圖像圖形學(xué)學(xué)會(huì)類腦視覺專業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員和珠海市神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)理事；擔(dān)任IEEE Sensors Journal、Frontiers in Physics期刊編委，Fiber and Integrated Optics期刊編委會(huì)成員，Measurement、Instrumentation和Brain-X期刊青年編委；指導(dǎo)本科生獲得第十七屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，獲得國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃和廣東省攀登計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目等本科生創(chuàng)新項(xiàng)目的支持。

  王茁，北京師范大學(xué)博士后。2022年博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)。主要從事高分辨率光纖傳感技術(shù)和柔性光纖器件在物理信息智能感知、生物醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)、腦功能成像等方面的研究。近五年發(fā)表SCI論文29篇，其中以第一作者/通訊作者在ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Lightwave Technology、Optics Letters、Optics Express、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics等領(lǐng)域內(nèi)重要期刊上發(fā)表11篇，已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利8項(xiàng)。主持省部級(jí)項(xiàng)目?jī)身?xiàng)，作為核心骨干參與“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目”、“國(guó)家自然科學(xué)基金”等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目。