这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

基于FBG传感器的手套设计与评估：同步监测十指关节屈曲的高精度系统

一、作者与发表信息
本研究由印度理工学院甘地讷格尔分校（Indian Institute of Technology Gandhinagar）的Chandan Kumar Jha、Kshitij Gajapure和Arup Lal Chakraborty（IEEE会员）合作完成，发表于2021年3月15日的《IEEE Sensors Journal》第21卷第6期。

二、学术背景
1. 研究领域：本研究属于可穿戴生物力学传感与虚拟现实（Virtual Reality, VR）康复技术的交叉领域，核心是通过光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器实现对手指关节运动的高精度监测。
2. 研究动机：传统中风患者上肢康复依赖主观评估，而VR康复系统需高精度输入设备以量化患者运动功能。现有手套传感器（如惯性测量单元IMU或电阻式弯曲传感器）存在误差累积、非线性响应或电磁干扰等问题，FBG传感器因其高灵敏度、抗电磁干扰特性成为理想替代方案。
3. 研究目标：开发一种能同步测量十指关节（5个掌指关节MCP、4个近端指间关节PIP和1个指间关节IP）屈曲角度的FBG手套，并验证其在VR康复中的应用潜力。

三、研究流程与方法
1. FBG手套设计
- 传感器单元：每个传感器由FBG光纤嵌入PVC管，外覆弹簧（弹性系数100 N/m）以增强应变响应，整体封装于3D打印外壳中。十组传感器以不同布拉格波长（1530–1552.5 nm，间隔2.5 nm）区分信号。
- 手套结构：传感器固定于商用莱卡手套背面，通过1×16光纤分路器（splitter）实现单通道解调，降低系统复杂度。手套设计包含拉链便于穿戴，且通过PVC泡沫条和切口优化关节活动自由度。

1. 校准与精度测试

   • 校准方法：以预校准的IMU（MPU-6050）为基准，受试者以1°/s速度屈曲手指，记录FBG波长偏移与IMU角度的线性关系（R²>0.99）。斜率与截距用于实时角度转换，仅需两个参考点即可完成校准。
     
   • 测试对象：5名健康受试者，每名受试者重复5次十指关节测试。
     
   • 数据分析：计算平均绝对误差（MAE）、标准差（SD）和范围（Range），并通过Bland-Altman分析验证FBG与IMU的一致性。
     

2. 可靠性验证

   • 测试协议：采用Wise等人提出的四类测试（A/B：石膏模具握持；C/D：手掌平放屈曲），评估手套在单次会话（A/C）与多次穿戴（B/D）下的可靠性。
     
   • 指标：计算各关节SD和Range的均值，对比现有手套（如Humanglove）性能。
     

3. VR平台开发

   • 硬件：FBG手套连接Raspberry Pi控制器，通过WiFi与Unity开发的VR游戏交互。
     
   • 应用测试：5名健康受试者玩定制游戏（如击球任务），记录关节角度、响应时间和命中率，验证系统实时性与临床评估潜力。

四、主要结果
1. 精度性能
- MAE为0.80°，优于IMU手套（2.62°–4.76°）和碳墨水传感器（±5°）。
- Bland-Altman分析显示，95%一致性界限为±2°（如MCP关节：-1.15°至1.16°），无系统性偏差。

1. 可靠性

   • 手掌平放测试（C/D）的SD（0.70°–0.82°）和Range（1.84°–2.14°）优于模具握持测试（A/B），表明手部固定方式影响显著。
     
   • MCP关节的SD（1.22°）普遍高于PIP关节（0.91°），可能与MCP关节的双自由度有关。
     

2. VR应用验证

   • 游戏数据可提取关节活动范围、响应时间（如274 ms）和命中率（表III），证明系统能量化运动功能，适用于康复进度跟踪。

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个基于单通道FBG解调的十指监测手套，解决了多传感器串扰和校准繁琐问题。
- 通过分路器设计降低系统成本，且温度稳定性（实验环境控制）与抗电磁干扰特性支持MRI兼容场景。

1. 应用价值：
   
   • 为VR康复提供高精度（0.1°分辨率）输入设备，可替代传统测角仪（±5°误差）和主观评估。
     
   • 实时数据记录支持个性化康复方案制定，如通过游戏反馈优化患者训练强度。
     

六、研究亮点
1. 技术创新：
- 弹簧增强型FBG传感器将灵敏度提升至9.75 pm/°，支持0.1°分辨率。
- 分路器复用技术将解调通道从4路减至1路，降低硬件复杂度。

1. 临床适配性：
   
   • 手套穿戴便捷性（拉链设计）和快速校准（双点法）特别适合手部功能障碍患者。
     

七、其他价值
研究还探讨了FBG传感器在功能性磁共振成像（fMRI）研究中的潜力，未来可通过非磁性弹簧改造实现MRI环境下的运动监测。

该报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果与创新点，突出了其在康复工程领域的突破性贡献。