环形接收的穿戴式光学传感器提升人-传感器接触状态的稳定性

作     者：葛晴 刘瑾 韩同帅 刘文博 卢月 GE Qing;LIU Jin;HAN Tong-shuai;LIU Wen-bo;LU Yue

作者机构：天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室天津300072 

基　　金：国家自然科学基金项目(81971657)资助 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2025年第45卷第4期

页      码：914-921页

摘      要：在无创可穿戴式光谱传感器领域,确保人体与传感器接触状态的稳定性对于提升传感器性能至关重要。人体的动作会改变肌肉和皮肤的扭曲程度,改变接口处传感器与皮肤的接触状态,使得光的入射角度发生偏移。入射角的变化影响光在皮肤中的传播路径,进而影响到传感器接收的皮肤表面漫反射光的强度。为了解决这一问题,开发了一种专用于人体成分无创检测的可穿戴式近红外光学传感器。该传感器的感光部分采用环形结构设计,这不仅增大了接收光的面积,还能够360°角度平均经皮肤表面漫反射的光,有效地减少了由光源入射角度变化引起的各向异性干扰。利用蒙特卡罗模拟,分析了光入射角度在1.2°、2.5°、5°、15°、45°范围内随机变化,以及0°至5°单方向变化时,单点与环形传感器的性能差异。模拟结果显示,环形传感器的信噪比显著高于单点检测器,大约提高了十倍,相应地,其检测的最低血糖浓度限也更低,是单点检测器的十分之一。环形探测器不仅降低了由于入射角随机变化引起的各向异性干扰,而且在两个不同的探测器处接收到的干扰表现出更强的共模特性。因此,采用一对同心圆环形探测器并对其信号进行差分抵消,可以进一步抑制入射角变化带来的干扰。在人体实验中,受试者在空腹状态分别使用环形检测器和单点检测器采集动作变化下的漫反射光信号。实验结果表明,环形传感器结合差分方法可以有效地抑制由人体动作引起的人-传感器接触状态变化的干扰,信号变化幅度在0.0005~0.001 a.u.,满足0.5~1 mmol·L^(-1)精度的无创血糖检测要求。综上所述,本文提出的双环形接收的穿戴式光学传感器在人体检测中表现出优异的高信噪比性能,显示出其在无创人体成分检测领域的广泛应用潜力。

主 题 词：可穿戴式 光学传感器 无创测量 蒙特卡洛模拟 差分测量 

学科分类：07[理学] 070302[070302] 0703[理学-化学类] 

核心收录：

D　O　I：10.3964/j.issn.1000-0593(2025)04-0914-08

馆 藏 号：203158255...