Fiber-optic grating structures and their implementation into wearable textiles for biomedical applications in magnetic resonance environments

Daniel Križan

Doctoral thesis

Anotácia:

Tato disertační práce se zabývá návrhem a experimentálním ověřením nositelného optovlák nového senzorického systému založeného na vláknových Braggových mřížkách pro neinvazivní sledování dechové a tepové frekvence. Novost předloženého řešení spočívá v odnímatelné foto nické části: mřížka je zapouzdřena v samostatném snímacím prvku, který se k textilii připojuje mechanickým rozhraním a lze jej kdykoli odejmout. Snímací poloha tím přestává být dána stři hem oděvu, poškozenou část lze vyměnit samostatně a textilii prát bez optických prvků; snímací část přitom neobsahuje kovové součásti, a zůstává tak použitelná v prostředí magnetické rezo nance. Materiálová studie porovnala sto kombinací pěti textilních substrátů, pěti adheziv a čtyř typů optických vláken odtrhovými, cyklickými ohybovými a pracími zkouškami. Na jejím zá kladě byla navržena nositelná textilie se třemi odnímatelnými fotonickými částmi na hrudníku a břiše, ověřená na souboru 20 zdravých dobrovolníků, tvořeném 14 muži a 6 ženami. Měřicí pro tokol zahrnoval dvacet třicetiminutových klidových záznamů a 640 řízených pohybových úkonů, snímaných všemi třemi částmi současně se vzorkovací frekvencí 1 kHz. Navržená metoda rekon strukce průběhu měření umístila u všech subjektů kompletní posloupnost úkonů ve správném pořadí a 99,4 % z nich navázala na skutečný projev v signálu. Pro dechovou frekvenci bylo dosaženo mediánové citlivosti 99,7 % a pozitivní prediktivní hodnoty 98,9 %, přičemž chyba proti referenčnímu dechovému pásu zůstala v mediánu pod jedním dechem za minutu, tedy 0,67 až 0,79 min-1 podle snímací polohy. Mediánový podíl nalezených referenčních tepů činil 94,9 % na hrudní, 72,2 % na střední břišní a 63,8 % na dolní břišní části; optimální snímací poloha nebyla u všech osob shodná, což podporuje zvolený modulární koncept systému. Cho vání systému v prostředí magnetické rezonance bylo ověřeno na fantomu v tomografu s indukcí statického pole 3 T. V rámci použitých sekvencí nebyl pozorován vliv snímacích částí na homoge nitu magnetického pole ani vznik geometrických či susceptibilitních artefaktů; závěry se vztahují k testovanému uspořádání, použitému tomografu a zvolené sadě sekvencí. Odnímatelná fotonická část tak umožňuje sledovat dechovou i tepovou aktivitu nositelnou textilií a vytváří základ pro další vývoj nositelných fotonických systémů určených pro prostředí magnetické rezonance.

Abstract:

This doctoral thesis addresses the design and experimental verification of a wearable fiber-optic sensing system based on fiber Bragg gratings for non-invasive monitoring of respiratory and heart rate. The novelty of the proposed solution lies in the detachable photonic part: the grating is encapsulated in a separate sensing element that is attached to the textile through a mechanical interface and can be removed at any time. The sensing position is thus no longer dictated by the cut of the garment, a damaged part can be replaced on its own and the textile can be laundered without optical components; the sensing part contains no metallic components and therefore remains usable in the magnetic resonance environment. A material study compared one hundred combinations of five textile substrates, five adhesives and four types of optical fiber by pull-off, cyclic bending and laundering tests. On this basis, a wearable textile with three detachable photonic parts on the thorax and abdomen was designed and verified on a study sample of 20 healthy volunteers, comprising 14 men and 6 women. The measurement protocol comprised twenty thirty-minute resting records and 640 controlled motion tasks, acquired by all three parts simultaneously at a sampling rate of 1 kHz. The proposed method for reconstructing the course of a measurement placed the complete sequence of tasks in the correct order for every subject and linked 99.4 % of them to an actual manifestation in the signal. For respiratory rate, a median sensitivity of 99.7 % and a positive predictive value of 98.9 % were reached, while the median error against the reference respiratory belt remained below one breath per minute, that is 0.67 to 0.79 min-1 depending on the sensing position. The median proportion of reference beats found was 94.9 % for the thoracic, 72.2 % for the mid-abdominal and 63.8 % for the lower-abdominal part; the optimal sensing position was not the same for all subjects, which supports the modular concept adopted for the system. The behaviour of the system in the magnetic resonance environment was verified on a phantom in a scanner with a static field of 3 T. Within the sequences used, no effect of the sensing parts on the homogeneity of the magnetic field and no geometric or susceptibility artefacts were observed; the conclusions apply to the arrangement tested, the scanner used and the sequence set selected. The detachable photonic part thus allows both respiratory and cardiac activity to be monitored with a wearable textile and forms a basis for the further development of wearable photonic systems intended for the magnetic resonance environment.

Kľúčové slová

balistokardiografie, dechová frekvence, magnetická rezonance, modulární senzor, monitorování vitálních funkcí, MR kompatibilita, nositelná textilie, pohybové artefakty, tepová frekvence, vláknová Braggovská mřížka, zapouzdření optického vlákna.

Keywords

ballistocardiography, fiber Bragg grating, heart rate, magnetic resonance imaging, modular sensor, motion artefacts, MR compatibility, optical fiber encapsulation, respiratory rate, vital signs monitoring, wearable textile.

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 8. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: Jan Nedoma
• Oponent: Ondřej Životský, Petr Münster, Čestmír Vlček

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme:
Komunikační technologie