1 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
2 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室，重庆 400054
提出一种反射式微纳光纤耦合器传感膜片，以实现高精度、连续和无创血压监测。该传感膜片由反射式微纳光纤耦合器、聚二甲基硅氧烷薄膜和环氧树脂基底组成，具有很高的压力灵敏度（-0.682 kPa-1），且无需精确空间对准即可实现脉搏波检测；然后，构建双通道脉搏波检测系统，以获得肱动脉传导时间、桡动脉传导时间以及桡动脉和肱动脉之间的传导时间差值；基于上述参量，利用支持向量回归算法建立血压预测模型。实验结果表明，所提系统的收缩压平均偏差和标准偏差分别为0.08 mmHg和1.13 mmHg，舒张压的平均偏差和标准偏差分别为-0.35 mmHg和1.25 mmHg，符合美国医学仪器促进协会的标准，与其他类型的传感器相比，所提系统的准确度有明显提高。使用该系统监测一天内以及运动时的血压波动，结果表明该系统在连续精准测量血压方面具有可行性及很大的应用潜力。
传感器 血压监测 微纳光纤耦合器 人体脉搏波 支持向量回归
1 重庆邮电大学工业物联网与网络化教育部重点实验室，重庆 400065
2 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
针对脉搏波信号采集过程中存在噪声的问题，提出了基于改进互补集成经验模态分解的脉搏波去噪算法。利用光纤布拉格光栅传感器获取脉搏波信号，首先在互补集成经验模态分解算法中加入高斯白噪声，然后利用粒子群算法优化高斯白噪声幅值，以此来消除互补集成经验模态算法分解产生的模态混叠现象，并联合小波阈值函数对其处理后的脉搏波信号进行重构。实验结果表明，所提算法能够有效降低脉搏波信号中的噪声干扰，在信噪比、均方误差两个指标上均优于对比算法，为提取脉搏波的时域特征奠定了基础。
光纤布拉格光栅 脉搏波 信号去噪 互补集成经验模态分解 粒子群优化算法 小波阈值
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心， 长春 130033
2 中国科学院大学， 北京 100049
心率是人身体健康的一个重要指标，从人脸视频中检测心率是一种正在快速发展的非接触式检测方法，但该方法的结果准确性易受光照变化及受试者头部运动等噪声影响。为了消除噪声影响，提高心率检测准确性，文章创新性地提出了一种新的思路: 将光照变化和头部运动噪声作为目标进行趋势拟合并从相机原始信号中消除，以实现高信噪比的人体心率信号提取。为验证方法的可行性，以医用指夹式脉搏血氧仪的数值为参考心率，通过对比结果在参考心率处的平均信噪比和心率检测准确率，提出的方法相比POS方法提高了9.60%，37.19%; 相比于ICA算法提高了48.48%，51.75%。实验结果表明，提出的新方法具有较好的去噪能力和较高的精准度。
远程光电容积脉搏波 心率测量 多项式拟合 remote photoplethysmography heart rate measurement polynomial fitting
1 上海理工大学，上海市介入医疗器械工程研究中心，上海 200093
2 上海理工大学机械工程学院，上海 200093
基于图像的非接触式获取脉搏波的方法具有重要的临床实用价值。在正常情况下，人体颈动脉的搏动会引起颈部皮肤肉眼可见的微小振动，通过振动图像的获取及信号处理可以得到脉搏波。然而，临床中部分患者存在颈动脉搏动较为微弱的情况，此时需要有针对性的图像和信号处理方法。本课题组提出了在弱脉搏情况下获取脉搏波的方法，即：在近红外光源的照明环境中，用近红外相机连续拍摄颈部皮肤得到其振动的图像序列；然后从图像序列的感兴趣区域内得到原始信号，再用滤波和多区域主频增强方法对信号进行处理，最终得到期望的脉搏波信号。实验结果表明，所提方法获得的脉搏波周期状态稳定，并且保留了70%左右的潮波特征和50%以上的重搏波特征。本文所提方法可以在人体颈部微弱振动状态下获得保留细节的完整的脉搏波信号。
医用光学 颈动脉 弱脉搏 脉搏波 多区域主频增强
上海理工大学 上海市介入医疗器械工程研究中心, 上海 200093
脉搏波是表征人体生理状况的重要指标, 基于成像式的非接触式脉搏波检测技术在医疗健康领域具有重要的研究意义。鉴于目前非接触式获取脉搏波的方法存在波形细节丢失的缺点, 提出一种利用近红外光源照明, 多帧连续照相颈动脉搏动来获取脉搏波信号的方法。实验中, 在波长为850nm的光源照明环境下, 由工业级近红外相机远距离拍摄颈动脉搏动引起的表皮振动。选取感兴趣区域后提取到原始脉搏波信号, 进而利用极大重叠离散小波变化对信号进行滤波处理, 最终得到保留细节特征的脉搏波。对不同受试者的测量结果显示, 方法获得的波形可以观察到主波、潮波及重搏波等特征, 对于非接触式获取脉搏波具有重要的参考价值。
近红外 非接触 脉搏波 极大重叠离散小波变换 特征点 near-infrared non-contact pulse wave maximal overlapping discrete wavelet transform feature points
1 安徽省高校电力电子与运动控制重点实验室（安徽工业大学），安徽 马鞍山 243000
2 安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243000
3 山东华宁矿业集团有限公司，山东 泰安 271400
针对强电磁干扰环境下，压电、光电类脉搏波传感器易受干扰的缺点，提出一种柔性材料封装的光纤布拉格光栅脉搏波传感器，用于测量人体桡动脉脉搏信号。首先使用comsol有限元仿真软件，探究最优的封装厚度和光纤在基材中的位置。根据仿真结果，结合应变传递效果和传感器的灵活性，优化选择传感器厚度为5 mm，光纤封装在距离基体下表面1 mm处。以此制作了柔性光纤布拉格光栅脉搏波传感器，对十名测试者的人体桡动脉脉搏进行采集，采用改进的阈值小波方法去噪，去噪后的信号能很好的保留脉搏波信号的特征点，信噪比均达到了40以上，且峰值点、潮波点和重搏波点识别率分别达到100%，100%和90%。本文设计的柔性基体FBG脉搏波传感器能有效获取及识别脉搏波信号，为进一步的应用提供了理论基础及应用支撑。
光纤布拉格光栅 应变传递 脉搏波 小波去噪 Fibre Bragg grating Strain transfer Pulse wave Wavelet denoising 光子学报
2021, 50(12): 1206002
1 华南师范大学物理与电信工程学院广东省光电检测仪器工程研究中心, 广东 广州 510006
2 华南师范大学(清远)科技创新研究院, 广东 清远 511517
基于成像式光电容积脉搏波的非接触式心率测量方法受到环境光干扰会严重影响心率信号的辨别与提取,为了解决这个难点,提出了一种基于自寻优归一化最小均方误差算法的心率信号降噪方法。该方法可根据原始心率信号和背景信号中光线变化的趋势,在归一化最小均方自适应滤波器的基础上,通过最小均方误差自动地调整最优控制因子,最大化地去除拾取的图像中的光照干扰。通过与指夹式脉搏血氧仪实际测得的心率结果对比,在光强剧烈变化的条件下,两种方法测量得到的心率平均值的Pearson相关系数为0.95,平均绝对百分比误差为2.16%。本文方法极大地提高了成像式光电容积脉搏波对环境光的抗噪能力,大大提升了成像式光电容积脉搏波测量方法的实用性、可靠性和稳定性。
成像系统 成像式光电容积脉搏波 心率测量 光照干扰 归一化最小均方误差 自寻优算法 激光与光电子学进展
2021, 58(20): 2011004
西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
糖尿病是一种表现为高血糖的糖代谢异常疾病, 如果血液中的葡萄糖水平长时间保持非常低或非常高, 则可能导致包括组织损伤、 中风、 心脏病、 失明和肾衰竭等严重疾病。 根据世界卫生组织(WHO)的数据, 目前全球约有4.5亿糖尿病患者。 随着糖尿病患者的数量增加, 对于血糖检测仪器的需求也日益迫切, 由于目前普及的有创侵入式血糖检测仪器会给患者带来不便和疼痛, 甚至会引发感染, 长此以往会给病人带来不可避免的生理及心理压力, 因此实现无创血糖检测具有重要的临床应用价值。 光电容积脉搏波(PPG)包含丰富的人体心血管生理病理信息, 针对于时域难以观察的PPG信号中与血糖浓度变化相关的频谱信息, 提出基于谱分解的无创血糖检测新方法, 利用连续小波变换(CWT)对脉搏波信号进行分解, 从对应尺度和细节分量的频谱中获取与血糖浓度值变化相关的频谱分量幅值信息, 研究发现PPG信号频谱分量幅值的变化与血糖浓度变化值之间存在较高的相关性, 通过口服葡萄糖耐糖实验(OGTT)对检测的血糖浓度值与获取的相关PPG信号频谱分量幅值进行偏最小二乘回归建模, 并对建立的模型进行评估, 校正集的最大RMSEC为12.47 mg·dL-1即0.69 mmol·L-1, 预测集的最大RMSEP为6.21 mg·dL-1即0.35 mmol·L-1, 模型的血糖浓度预测值与参考值之间的一致率为96.00%。 OGTT实验结果表明, 采用谱分解法可以有效分离出血糖分子基团振动特征吸收光谱, 血糖频谱分量建模可以最大程度地减小生理变异性和各种环境条件的影响。 模型的预测结果符合国家检测标准(>95%)。 克拉克网格误差分析结果表明, 该方法检测的结果可以用于患者日常血糖监测。
光电容积脉搏波 小波变换 血糖 谱分解 Photoplethysmography Wavelet transform Blood glucose Spectral decomposition 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2378
