用于监测呼吸和心率的柔性错位光纤传感器

时间：2026年2月4日

来源：Optical Fiber Technology

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本文提出一种基于错位结构的柔性光纤传感器，通过单模光纤与多模光纤的错位拼接增强弯曲灵敏度，最高达44.751 dB/m⁻¹。传感器表面涂覆PDMS层以提升柔韧性和人体适配性，实验验证其在不同体位、温度及长期重复测试中均能稳定监测呼吸和心率信号，适用于可穿戴健康监测。

杨梅|刘英刚|魏志豪|邵敏

中国西安石油大学教育部光电油气录井与检测重点实验室，科学学院，西安710065

摘要

本文提出了一种基于错位结构的柔性光纤传感器，用于监测呼吸和心跳信号。该传感器采用单模光纤的错位拼接结构，使部分芯光耦合到包层和外部，从而显著提高了其对弯曲的敏感度。在0–1.172 m⁻¹的测量范围内，其灵敏度达到44.751 dB/m⁻¹，能够精确检测微小的弯曲信号。为了提高柔韧性和佩戴舒适度，传感器表面涂覆了聚二甲基硅氧烷（PDMS）层，可以直接贴附在皮肤上用于监测呼吸和心率。实验结果表明，该传感器能够在不同姿势和身体部位稳定监测呼吸和心跳信号，并且在不同温度下以及经过两个月的重复测试后仍保持优异的性能。该传感器结构简单、灵敏度高、稳定性强，与人体兼容性好，在可穿戴健康监测领域具有巨大潜力。

引言

随着社会的发展，人们越来越关注健康。呼吸和心率是反映身体状况和健康水平的两个关键指标。它们共同维持着人体内环境的平衡，因此监测呼吸率和心率有助于评估健康状况、及时发现异常并采取相应措施[1]、[2]、[3]。随着医疗技术的不断发展，监测人体生理参数的方法变得多样化。在这种情况下，光纤传感器因其轻便、柔软且抗电磁干扰的特性，非常适合与可穿戴设备结合使用，在健康监测方面展现出巨大潜力。这项技术不仅为个人健康管理提供了新的方式，还对医疗技术和临床应用的发展具有积极意义[4]、[5]、[6]。

呼吸信号主要通过湿度、二氧化碳浓度和曲率来监测。袁等人开发了一种基于空心芯布拉格光纤（HCBF）的全光纤传感器，通过检测透射光强度的变化来监测呼吸，且不受温度和曲率的影响[7]。陈等人开发了一种基于微/纳米光纤的传感器，利用高衰减场吸收原理监测二氧化碳浓度变化，实现了快速呼吸率监测，具有临床应用潜力[8]。李等人提出了一种在蚀刻单模光纤（ESMF）上沉积Ti₃C₂Tx纳米片的呼吸传感器，可在30%至80%相对湿度范围内实现实时呼吸监测并识别不同的呼吸节律[9]。王等人提出并实验验证了一种基于在线少模光纤马赫-曾德尔干涉仪（FMF-MZI）的呼吸监测系统，最大弯曲灵敏度达到8.53 dB/m⁻¹[10]。

心率监测利用光纤对弯曲的敏感度来测量脉搏和心跳。一些传感器被嵌入床垫中，谭等人使用了一种自制的双芯光纤（TCF），在其端面涂覆金膜并放置在两根单模光纤之间，然后将传感器安装在床垫下进行信号采集[11]。还有一些传感器直接佩戴在身体上用于监测。塔瓦雷斯等人研究了一种可穿戴系统，将单光纤布拉格光栅（FBG）嵌入3D打印材料中，用于监测呼吸和心率[12]。尽管各种光纤传感器在生理信号监测方面表现出良好潜力，但仍需进一步优化。在可穿戴传感场景中，光纤传感器的光传输特性不可避免地会受到外部因素的影响，如弯曲、应变、温度变化和运动引起的干扰[13]。由于人体生理信号的幅度较小，提高传感器的灵敏度对于确保监测准确性至关重要。同时，传感器的可穿戴设计也需要考虑舒适性。

在这项工作中，我们设计了一种柔性错位光纤传感器，通过将两根单模光纤（SMF）与一根多模光纤（MMF）拼接，并在中间插入一根错位的SMF，同时在光纤表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜来实现。该传感器最大弯曲灵敏度达到44 dB/m⁻¹。它可以放置在腹部或胸部监测呼吸，放置在手腕或颈动脉处监测心跳。凭借其紧凑的结构和高灵敏度，该传感器在可穿戴健康监测领域具有应用潜力。