CYTOP与二氧化硅光纤布拉格光栅在生命体征监测中的动态响应对比

《IEEE Sensors Letters》：Dynamic Response Comparison of CYTOP and Silica Fiber Bragg Gratings for Vital Sign Monitoring

光纤布拉格光栅（FBG）在CYTOP聚合物光纤和传统石英光纤中的动态响应性能研究表明，CYTOP FBG在0.1-100 Hz振动范围内表现出更优的响应幅度和频率灵敏度，且通过人体胸部振动监测实验验证了其在生物医学传感中的实际应用潜力。

　　

摘要：

在这封信中，我们对比研究了在受控振动激励下，飞秒激光刻写的光纤布拉格光栅（FBG）在多模循环透明光学聚合物（CYTOP）光纤和传统石英光纤中的动态响应性能。这两种FBG都是用飞秒激光刻写的，产生的布拉格反射峰位于1550纳米，并被封装在同一物理位置的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中。封装后的传感器被安装在振动平台上，其波长响应在0.1–100赫兹的频率范围内进行了测试。与石英FBG相比，CYTOP FBG表现出更高的响应幅度和频率灵敏度。此外，还在人体胸部进行了真实生命体征监测实验，以验证CYTOP FBG在动态生物传感中的实际应用潜力。这些发现展示了CYTOP FBG在高灵敏度生物医学振动监测方面的潜力。

引言

心血管疾病是全球死亡的主要原因，对公共卫生构成了严重威胁，并消耗了大量医疗资源[1]。生理参数，如心率（HR）、心输出量和血压，是心血管健康的关键指标，因此实时、准确和连续的心脏监测对于疾病预防和临床决策至关重要[2]。当前的监测技术——包括心电图（ECG）[3]、光电容积描记法（PPG）[4]、弹道心动图（BCG）[5]和心音图[6]——在抗干扰、可穿戴性和灵敏度方面存在局限性。最近的可穿戴设备创新，例如用于生理特征识别的基于PPG的手环和用于检测心率异常的基于BCG的鞋垫[7]、[8]，提供了有前景的替代方案。其中，光纤传感器因其抗电磁干扰能力、紧凑的尺寸、灵活性和高应变灵敏度而脱颖而出[9]、[10]、[11]。特别是光纤布拉格光栅（FBG）传感器，能够实时、无创地监测心率（HR）、呼吸频率[12]，甚至从微弱的心脏运动中检测到心震图（SCG）信号[13]。它们适用于临床和家庭环境，支持连续、高分辨率的心脏监测[14]、[15]。对高灵敏度、抗干扰和灵活的可穿戴传感器的需求增长，激发了对基于聚合物光纤（POF）的FBG的兴趣，这类FBG具有更好的灵活性、更高的压力和温度灵敏度、更强的抗电磁干扰（EMI）能力以及更好的生物相容性[16]、[17]、[18]。在POF材料中，循环透明光学聚合物（CYTOP）光纤因其低传输损耗、高机械强度和有效的近红外传输（例如在1550纳米处）而特别适用于医疗传感[19]。