我院李昕明研究员课题组在可穿戴光电识别系统的研究中取得重要进展

近日，我院李昕明研究员课题组在可穿戴光电信号检测系统及其在动作识别应用的研究中取得重要进展。该研究提出一款新型的可穿戴式眨眼检测系统，其主要基于光体积描记法（PPG）在实现血氧生理信息检测的同时，可以有效地提取眨眼运动信息。该研究可以实现多模式生理指标监测，特别是通过眨眼运动行为的判断，可以帮助我们有效的评估人眼疲劳的程度，而这在虚拟现实技术等领域具有一定的应用潜力。相关成果以“A wearable physiological detection system to monitor blink from faint motion artifacts by machine learning method”为题在线发表在仪器仪表领域知名期刊IEEE Sensors Journal上。我院硕士生陈叶珅和新加坡国立大学冯源博士为论文第一作者，李昕明研究员为论文通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。

当前，可穿戴眼镜可以将人类带入到虚拟现实世界中，然而长时间的佩戴往往会带来眼睛的不舒适或者疲劳，而这往往体现在眨眼次数的改变。因此，通过实时的监测眨眼行为，可以有效的辅助可穿戴系统评估眼睛的疲劳状态。目前，基于光体积描记法（PPG）技术被广泛应用在佩戴式消费电子以便监测人体的血氧情况，而体表的运动伪影通常被视为冗余噪声。在本研究中，李昕明研究团队巧妙利用了运动伪影这一信息，将“噪声”转化为有用的眨眼信号，通过一阶差分特征的分类方法和分类与回归树算法，可以将眨眼检测的精度达到98.5%。该系统可以在信号预处理阶段进行与眨眼检测相关的信号处理，从而有潜力实现光电体积描记器（PPG）信号和眨眼运动的双模式检测。该可穿戴光电检测系统通过充分挖掘信号特征来提高系统的资源利用率，有潜力与更多现有的设备如VR、AR等集成，在元宇宙、虚拟现实以及医疗健康等方面具有一定的应用前景。

基于前期研究，李昕明研究员课题组进一步通过偏振门半无限介质散射模型研究偏振光在强散射介质中的偏振传播特性，并以此用于改善光电检测系统设计，以解决半透明介质中不同深度反射光导致的目标信号遮蔽等问题，可以进一步改进可穿戴光电检测系统的信号获取能力。相关研究成果以“Enhancing Reflected Light Filtration of Photoelectronic Detection System Using Polarization Gating in Scattering Media”为题发表在光学领域知名期刊《APL Photonics》上。我院硕士生纪权宇为论文第一作者，李昕明研究员和北京理工大学陶立教授为论文通讯作者，华南师范大学为第一完成单位，合作参与者包括范海华副研究员、陈泽锋教授等。

该研究通过蒙特卡罗模拟以及聚苯乙烯微球散射实验，揭示了偏振门能够有效地区分并调制来自不同深度的反射光，并且在反射表面的高偏振区域实现更有效的控制效果。特别是在采用正交偏振门的光电体积描记法(PPG)传感器，其信噪比从0.72dB改善到2.36dB。这项研究为可穿戴高鲁棒的生理信号测量系统的构建提供了解决方案，并展示了将偏振门设计应用于光学检测的潜力，尤其是在信号混杂环境下的精准检测具有重要的意义。

上述多项研究得到了广东省自然科学基金、广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室、华南师范大学科研启动基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3312975

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0174347