文献标题：《A Review of Wearable Optical Fiber Sensors for Rehabilitation Monitoring》

作者：Xiangmeng Li, Yongzhen Li, Huifen Wei, Chaohui Wang 和 Bo Liu

发表时间：2024年6月3日，刊登于《Sensors》

研究概述

本文是一篇综述性论文，聚焦于可穿戴光纤传感器在康复监测领域的应用和技术进展。随着全球人口老龄化趋势的加剧，老年群体在手部功能康复方面的需求不断增加，而传统的康复治疗方式因受限于临床环境而存在诸多挑战。受益于其抗电磁干扰、高灵敏度以及优异生物兼容性的特点，可穿戴光纤传感器在监测手指运动、生理参数和触觉反应等方面展示了巨大潜力。本文主要综述了光纤传感器技术的原理、典型实现方式，其在康复领域的应用场景，以及该技术面临的挑战与未来研究方向。

光纤传感器的技术背景与种类

1. 光纤传感器的工作原理

光纤传感器通过测量因外部物理刺激（如温度、压力、弯曲或拉伸）引起的光传输特性的变化来实现信号检测。这种方法利用光的强度、波长、相位、频率或偏振等基本特性，能够提供高精度的多参数测量。

2. 主要传感器类型

1. Fiber Bragg Grating (FBG)：
   FBG传感器依赖于光纤内部的光栅，当光经过光栅区域时，以特定波长的光反射（称为布拉格反射光）。通过测量反射波长的变化，可用于检测应力、应变或温度变化。为适应环境条件，FBG传感器通常会用聚合物、金属或陶瓷材料进行封装。

2. 自发光伸缩光纤传感器：
   通过在光纤内嵌入能机械发光的材料（Mechanoluminescence），无需外部光源或电源即可产生光信号。该传感器在被拉伸或释放时发出光，可用于记录生物运动。

3. Optic Fiber Fabry–Perot Sensor：
   基于法布里-珀罗干涉原理，此类传感器适用于测量湿度、温度、曲率等参数，通过监测干涉腔长度及折射率的变化实现高灵敏度测量。

4. Polymer Optical Fiber (POF) Sensor：
   聚合物光纤传感器因其更高的柔性和更低的折射率，适合可穿戴传感器应用，能够实时监测人体的运动和生理状态。

5. 分布式光纤传感器（DOFSS）：
   采用瑞利散射、布里渊散射或拉曼散射等效应，实现对光纤长度上多个点的温度、压力或振动的连续监测。

6. Micro-/Nano-Fiber (MNF) Sensor：
   通过微/纳米级光纤制备，具有高灵敏度和实时监测多种物理量的能力。

光纤传感器在康复监测中的应用

1. 手指运动检测

光纤传感器能够有效捕捉和量化手部运动，通过精准识别手势、监控关节角度，帮助患者进行康复训练。
- 手势识别：
光纤传感器因其高灵敏度，可精准捕捉复杂手部动作，为中风或手部损伤患者提供实时的运动指导。举例来说，Bai等提出了一种Stretchable Lightguide for Multimodal Sensing（SLIMS）的传感器，用以监控多点、多模态的手指关节运动。

• 关节角检测：
  光纤传感器通过记录光传输的变化来测量关节弯曲角度。例如，Li等开发的一种光纤神经元传感器，能够精准检测机械运动如机器人手指的弯曲角度，且响应速度快，重复性高。

2. 手指生理参数检测

• 血氧饱和度与脉搏波形：
  光纤传感器在心脏病和肺病患者的康复中可连续监测血氧水平和脉搏波形。例如，Shweta Pant等利用Fiber Bragg Grating传感器记录动脉脉搏波形，提供更全面的心血管健康评估。

• 皮肤温度监测：
  康复治疗中手指温度是判断局部血液循环和代谢状态的重要指标。Liu等提出了一种基于集成硅酸盐和碲酸盐玻璃的光纤荧光温度传感器，可实时监测患者温度变化。

3. 触觉检测

光纤传感器也可模拟人类的触觉，通过捕捉温度、压力和滑动等参数提供全面的触觉反馈。例如，Shang等设计了一种Soft Bio-inspired Fiber Optic Tactile Sensor (SBFT)，能够区分压力和温度，精度分别达到0.2°C和0.8 mN。

技术挑战与未来研究方向

1. 技术难点：
   当前光纤传感器的制造工艺复杂、成本高昂，同时其检测设备体积较大，运输和操作困难。这些因素限制了其在临床和康复中的大规模应用。

2. 优化方向：

   • 多参数综合传感：
     未来，基于波长、相位或强度调制的光纤传感器将专注于同时监测多个生物力学参数。
   • 数据处理与算法优化：
     结合机器学习和人工智能技术，能更深入地分析传感器数据，优化诊断和个性化治疗。
   • 无线传输与便携化：
     新无线技术的发展将提升数据收集的实时性与便携性。

结论与意义

可穿戴光纤传感器在康复治疗中具有广阔的前景。论文详细介绍了这些传感器的原理、结构、实际应用及其在技术升级和成本控制方面的可能优化路径。随着科学技术的进一步发展，这些传感器将不仅应用于手部康复监测，同时也将扩展到更广的医学和工业领域，为更加精准、高效和个性化的治疗提供支持。