聚合物光纤（POF）传感器在医疗健康领域应用

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  光纤传感器作为一种新兴的传感器技术，具有重量轻、结构紧密相连、化学稳定性高、抗电磁干扰、复用能力强等优点。这些优点使光纤传感器成为工业、医疗及结构健康监测应用的核心安全技术。光纤传感器还可用于角度、折射率、温度、湿度、加速度、压力、呼吸频率和血氧饱和度等参数的测量。此外，光纤的特性使其能够嵌入用于传感应用的纺织品中，也能制作基于光纤的纺织品，即所谓的光子学纺织品，以及通过焊接工艺、混凝土，甚至在3D打印结构中集成在复合层压板金属上。

  随着社会的发展，人口老龄化等社会性问题越来越严重，人们对医疗设施的需求也在持续不断的增加。此外，电子、材料处理和数据传输等方面的技术进步催生了新一代的机器人设备、可穿戴传感器和医疗云服务。新型医疗设施和应用的出现，对传感器的性能提出了更高的要求，因为可穿戴机器人的鲁棒控制策略需要一个更可靠的传感器系统。此外，随着组件的小型化，传感器系统必须尽可能灵活紧凑。而对于侵入式传感器系统来说，还有更高的要求，因为侵入式传感器系统除了尽可能灵活紧凑外，还要良好的生物相容性。因此，我们的传感器系统也正在持续不断的发展，以满足新型可穿戴系统和设备的性能要求。

  传统的传感器系统使用电子或机电传感器，但这存在一些缺点，例如易失调、不抗电磁干扰、较低的紧凑性、需要频繁校准以及在某些情况下传感器响应的滞后和漂移。电子传感器的缺点在软穿戴机器人中尤其不受欢迎。在这种情况下，机器人结构和执行器的组成需要柔性材料，以实现较轻的重量和更高的用户遵从性。因此，人们提出了新的定制执行器和机器人，例如为所谓的“human-in-the-loop” 用户设计一个具有特定的几何形状和执行器的机器人。基于软机器人的结构，传感器经常受到大应变或大挠度的影响，这限制了大多数传统传感器的应用，只有柔性电子传感器才能在这种条件下工作，然而这种传感器常常要复杂的制造技术。

  随着光纤传感器的快速发展和对传感器系统需求的持续不断的增加，许多基于光纤技术的医疗保健传感器系统被提出。其中一些应用场景包括骨骼脱钙和应变分布的研究、椎间盘的评估、牙科夹板、心脏监测和用于病理检测的生物传感器。此外，许多压力传感器提供了肌肉内，颅内和关节内的压力评估。其他的应用还包括假肢窝的压力评估、假肢上的应变分布以及矫形器中执行器动力学的研究，在运动分析领域，光纤传感器已应用于关节角度和足底压力监测。

  光纤传感在生物医学和医疗保健领域内的应用最初都是由石英光纤来实现的，因为它们的用途比别的类型的光纤更广泛，成熟度更高。这里要明确，我们常用的有两种主要类型的光纤，石英和聚合物光纤（POF）。聚合物光纤与石英光纤相比具有更高的光功率衰减，但基于聚合物光纤的材料特性，它也有自己独特的优势，包括更高的柔韧性、更低的杨氏模量、更高的应变极限、断裂韧性和抗冲击能力。此外，在智能纺织品和侵入性传感应用中，POF可以在一定程度上完成更安全的操作，是因为玻璃纤维比POF更容易断裂，并且在使用玻璃纤维的过程中，用户一定要承受当玻璃纤维断裂时所导致的刺穿伤害的风险。

  POF的高柔韧性使得它能够嵌入软结构中，这使得它成为这种新型可穿戴机器人的合适选择。有必要注意一下的是，3D打印技术是能够开发具有相比来说较低成本的新型可穿戴柔性系统的技术之一，这是一种添加层制造工艺，需要逐层注入热聚合物或熔融聚合物。3D打印通常使用的材料是聚乳酸（PLA）或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS），也能够正常的使用热塑性聚氨酯（TPU）等柔性材料。在这种情况下，光纤传感器嵌入3D打印结构中，可用于结构健康监测（SHM）和足底压力传感平台。

  POF的这些优点以及POF材料加工、光纤连接和传感器生产的发展推动了POF传感器技术在许多不相同的领域的商业应用，例如“光纤光栅在光子晶体光纤中的应用”这一类的新设想使得许多以POF为传感元件为基础的医疗设施开发，具有了商业化和进一步大范围的应用的潜力。

  Leal-Junior, A.G.团队在2017年发表了一种用于下肢外骨骼膝关节角度测量的POF传感器系统。这种外骨骼固定在椅子上，以预定义的角速度和阻力（或辅助）力矩协助膝关节屈曲和伸展运动。其中的传感器系统就包括由PMMA制成的POF，其侧切面按照一定工序，通过研磨去除特定区域中的光纤包层和部分纤芯制成，使POF的侧切面产生了强度变化，这种侧切面处理方法增加了角度测量传感器的灵敏度和线性度。但POF传感器是有可能由于材料特性而呈现出迟滞的，在这种情况下，有必要进行一定的补偿，让每个传感器以不同的角速度表征，从而方便获得补偿每个角速度的迟滞的方程式。传感器生产完成后，将系统放置在机器人装置上（如图1所示），并以不同的角速度进行屈曲/伸展运动。将POF曲率传感器的响应与已经安装在器件上的电位计进行了比较，得到了较好的一致性。这一根据结果得出，利用低成本的POF传感器系统测量外骨骼关节角度是可行的，同时具有抗电磁干扰能力强、结构紧凑等优点。由于许多可穿戴机器人旨在协助用户的步态，遂使用下肢外骨骼对步态运动中的POF传感器进行了评估。再次，将外骨骼的电位计与POF传感器系统（基于具有侧切面强度变化的POF）进行了比较，发现两个系统之间有良好的相关性，整个试验过程，偏差低至3°。

  同样，基于强度变化的POF传感器也在不同的外骨骼中进行了测试，以评估其重复性和互换性。因此，Leal-Junior, A.G.团队，将POF传感器定位在模块化外骨骼上，用于步态辅助，在膝关节屈曲/伸展周期以及步态测试中对该系统再次进行了评估，其中将POF传感器系统与已经放置在设备上的编码器进行了比较。在这种情况下，两个系统（POF传感器和编码器）作比较，误差低于5°。可穿戴设备中采用基于强度变化POF传感器的新型多路复用技术相结合的关节角度测量所带来的积极结果，表明可能在不久的将来就会有装备有单个POF电缆双侧下肢外骨骼产品，而且每个关节都能具有一个曲率传感器。有必要注意一下的是，将FBG写入POF也可以产生类似的效果，Leal-Junior, A.G.团队也对这种传感器的功能和交叉灵敏度补偿进行了研究。这种不同的传感器使用方法，让我们大家可以设想可穿戴机器人中POF角度测量的新趋势。此外，由于POF传感器具有更高的灵活性和应变极限，加上已经证明的良好性能，我们大家可以预期，POF传感器将成为下一代软机器人角度测量的可行（甚至至关重要）技术。

  作为外骨骼控制的一个重要参数，Leal-Junior, A.G.团队还研究了基于POFs的“人-机器人”交互力的评估方法。了解用户施加在机器人上的力（或扭矩）对评估其在康复治疗中的发展很重要；或者作为可穿戴机器人阻抗控制的反馈，以便将用户施加在机器人上的力最小化。在这两种应用场景下，对POF传感器进行了测试，并进行了方案可行性验证。Leal-Junior, A.G.团队提出了一种基于光耦合原理的强度变化POF传感器系统，并在具有10级膝关节屈伸协助（或阻力）的阻抗控制的下肢外骨骼中进行了验证。在这种情况下，测试用的POF传感器与阻抗控制器上的每个辅助水平的应变计作比较，装置之间的相对偏差小于8%。然而，有必要注意一下的是，基于光耦合原理的强度变化POF传感器能直接放置在可穿戴机器人的柄部支撑上，从而直接测量施加点的扭矩（见图2）；另一方面，用于对比的电子应变计定位在外骨骼结构上，由于它所测得的力与机器人金属结构上的应变的相关性，导致其可能没办法直接反应施加在外骨骼上的力。

  Leal-Junior, A.G.团队在实现了“人-机器人”交互力评估后，利用POF的灵活性和紧凑性，提出了一种新颖的3D打印POF嵌入式外骨骼器械支撑。这种支撑是通过直接在光纤上进行的3D打印来实现的，然后将它置于下肢外骨骼和被动矫形器上，用于步态期间的膝盖稳定，这套系统不仅显示了在不同情境（坐姿屈伸周期和步态周期）中测量人-机器人交互作用力的能力，而且还显示了其在不同设备中测量“人-机器人”交互作用力的能力。此外，由于这种小腿支撑和使用的人的腿部非间接接触，考虑到测量“人-机器人”交互作用力以及装置和使用的人腿部之间接口的温度和湿度条件，增加了额外的POF传感器。因此，Leal-Junior, A.G.团队提出的这套系统提供了对用户的力反馈和微天气特征情况的直接多参数测量，并能在不同的装置中使用。

  在“人-机器人”交互力中，FBG的高精度和复用能力可以为此类参数的多点（或准分布式）评估提供有利的特性。针对这些优点，Leal-Junior, A.G.团队提出了一种基于胞质纤维内FBG的多点人机交互力评估系统。再次，纤维被嵌入3D打印结构中。然而，在这种特殊情况下，fbg被嵌入两个小腿支架中，一个在前，一个在后，以便在外骨骼的辅助下获得膝关节屈曲/伸展周期中腿部两个不同点的力分布。尽管POF传感器有许多优点，但是FBG需要一个询问单元，该询问单元通常是一个高成本的解决方案，通常只有很低的便携性，并且基于强度变化的传感器对光源功率偏差敏感。因此，虽然可穿戴机器人采用POF传感器实现仪器化是富有成效的，但传感器系统和询问技术仍有改进的空间。

  提及可穿戴机器人，那么不得不提到它的主要部件之一就是负责为用户关节移动或辅助移动提供机械动力的驱动器。串联弹性驱动器（SEAs）作为一种重要的传动技术，由于其柔顺性好、设计和控制相对简单，是可穿戴和辅助机器人的核心技术。驱动器由一个电机和一个弹簧（或弹性元件）串联而成，弹簧（或弹性元件）与人体关节接触，使其适合于开发更契合人体的主动矫形器。Leal-Junior, A.G.团队在另一篇论文中提出了一种SEA驱动器，使用基于强度变化的POF传感器测量弹簧挠度以及驱动器输出的扭矩（用于机器人装置的控制）。这是一种基于应力光学效应的驱动器扭矩测量的新技术，该技术将驱动器中最初由两个编码器组成的部件，减少到只有一个POF传感器。作为驱动器抗干扰能力的一个重要参数，同时也是提高驱动器转矩测量精度（直接影响其控制精度和鲁棒性）的一种手段，Leal-Junior, A.G.团队提出了一种测量多点弹簧挠度的准分布式传感器系统。该系统有八个FBG刻在一个CYTOP中，分布在SEA的不同点上，证明了在这些点上进行挠度测量不但可以抑制驱动器上的外部机械干扰，同时利用卡尔曼滤波等传感器积分技术提高了转矩估算的精度。在这种情况下，使用卡尔曼滤波器使转矩测量精度提高了七倍。

  而POF传感器在软机器人领域的首次应用，是Casas等人提出的一种基于光纤间光耦合的POF传感器，用于可穿戴机器人的步态辅助检测，该传感器在驱动单元中使用了人工肌腱。这种可穿戴机器人被固定在使用者的脚踝上，并利用与人工肌腱（肌腱驱动器）串联的电动机在步态过程中对关节运动提供帮助。在这种情况下，将POF传感器放置在钢筋束上，以评估这些部件上的应变。在该场景中使用POF传感可在该驱动器上实现更大角度的控制，这是由于在这种POF传感器系统应用之前没办法测量钢筋束上的挠度，因为传统的传感器都不能承受钢筋束的高应变，不符合高柔韧性和低杨氏模量的要求。

  总结来说，与石英光纤相比，由于其材料特性，光纤具有更高的灵敏度和动态范围，应变极限越高，传感器的动态范围就越大，而杨氏模量越低，热光系数和热膨胀系数越高，传感器对物理参数的灵敏度就越高，其中与聚合物粘弹性响应有关的问题能通过适当的信号处理技术或热处理来克服。尽管POF传感器具有更高的光衰减，但其适用于短距离应用（通常发生在医疗设施中），并且新型全氟POF生产的系统甚至适用于1550nm波长区域。因此，能预见这种技术在医疗领域会促进普及，也会有更多的商业计划慢慢的出现，而基于POF的新型设备的研究也会一直增长。目前POF技术要克服的下一个挑战是询问单元的进一步小型化的问题，特别是对于FBG传感器，其中带有无线通信的便携式询问器能更加进一步提高传感器的紧凑性，并允许它们集成在更小的结构中。将POF传感器集成到智能手机中，作为便携式和随时可用的询问器，以及FBG询问单元的智能手机APP也是未来研究的一个挑战。可以预期，一旦这些挑战被克服，下一代医疗设施和可穿戴技术将具有集成便携式解决方案，甚至询问单元也被整合到具有无线数据通信的设备上，并使用POF传感器信息作为反馈，直接控制可穿戴机器人，从而建立一个“fiber-on-the-loop”控制的系统。