CN102573615A - 生命特征检测装置和用于检测生命特征的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种生命特征检测装置和对于检测生命特征的方法。生命特征检测装置包括检测单元；多模光纤设置为连接到光源和检测单元；机械结构设置为用于接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压力下使所述多模光纤产生微弯。其中，多模光纤基本在所施加的压力方向中设置在机械结构的第一和第二组微弯部件之间。

Description

生命特征检测装置和用于检测生命特征的方法
技术领域
本发明通常涉及生命特征检测装置和用于检测生命特征的方法。
背景技术
呼吸频率/心跳率/身体活动是在患者临床监测中使用的典型生命特征参数。心脏和肺部疾病通常都会影响到呼吸频率/心跳率。还可能期望得知卧床患者在特定时段中的身体活动。因此，监测这些生命特征参数会是医疗护理计划中的一种有效诊断方法。
通常使用电学传感器来监测这些参数。例如，US2007/0008156中使用了压电传感器。但是，人们已经认识到，电学传感器例如在区分浅呼吸和没有呼吸时，不够敏感。此外，电学传感器通常易受电磁干扰(EMI)的影响，在某些临床检查(例如磁共振成象(MRI)检查)中，电磁干扰可能是一个很重要的问题。
作为替代方案，已经开始研究使用光纤传感器。光纤传感器本身不受电磁干扰的影响并且不起化学作用。在“Optical fibre sensors embeddedinto medical textiles for heathcare monitoring(植入用于健康护理监测的医用织品中的光纤传感器)”，IEEE Sensor J.8(7)，1215-1222，2008中，Grillet等人使用了宏弯传感器。该传感器是用于测量呼吸频率的带形单模光纤。虽然问诊(interrogation)比较简单、所需成本低且所需部件紧凑，但是宏弯传感器通常灵敏度较低，因此即便该传感器装入床中，通常也很难检测到胸壁在呼吸期间活动。光纤中宏弯与微弯之间的区别已经确定。由于光纤轴宏观地偏离直线，因此宏弯通常使光从光纤中泄漏出来。另一方面，微弯通常是因为导致局部中断的光纤上的机械应力，这会使得光经由模式耦合从光纤纤芯泄漏到包层。在第6,498,652号美国专利中，虽然发现基于光学相位干涉测量的光纤传感器具有更高的灵敏度，但是使用的传感器系统较为复杂，导致成本增加，这会阻碍其实际实施。Grillet等人还测试了基于光纤布拉格光栅(FBG)的传感器和基于光时域反射仪(OTDR)的传感器，以用于测量呼吸频率。但是，发现这两种传感系统太过复杂且非常昂贵。
在“A smart bed for non-intrusive monitoring of patient physiologicalfactors(用于患者生理参数的非插入监测的智能床)”，Meas.Sci.Technol.15，1614-1620，2004中，Spillman等人建议使用光纤光统计模式(STM)传感器和高阶模式激励(HOME)传感器，以测量呼吸频率/心跳。但是，已经发现这些传感器需要高度相干的光源及体积庞大的高阶模式发电机。在“Application of long period grating sensors to respiratory function monitoring(长周期光栅传感器在呼吸功能监测中的应用)”，Proc.SPIE，5588，148-156，2004中，Allsop等人使用基于长周期光栅的传感器，以监测呼吸频率。但是，他们发现这些系统太过复杂且非常昂贵。在“Monitoring of theHeartbeat Sounds using an Optical Fiber Bragg Grating Sensor(利用光纤光栅传感器监测心跳声)”，IEEE Sensor conference，pp 306-309，2005中，Gurkan等人提出使用FBG传感器，以测量心跳。已经发现虽然基于FBG传感器的系统具有较好的灵敏度，但是该系统的成本非常高。
因此，需要一种生命特征检测装置和用于检测生命特征的方法，以解决至少一个上述问题。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种生命特征检测装置，该装置包括检测单元、多模光纤和机械结构。多模光纤设置为连接到光源和检测单元。机械结构设置为用于接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压力下使多模光纤产生微弯。其中，多模光纤基本在所施加的压力方向中设置在机械结构的第一和第二组微弯部件之间。
第一组微弯部件可以包括在机械结构的第一层中，第二组微弯部件可以包括在第二层中，并且其中多模光纤可以设置第一层和第二层之间。
第一和第二层的每个都可以包括网状结构。
机械结构可以与多模光纤交织，因此第一组微弯部件可以设置在多模光纤的上表面，第二组微弯部件可以设置在多模光纤的下表面。
机械结构可以包括网状结构。
该装置还可以包括用于将光输入到多模光纤的光源，以及检测单元包括用于检测多模光纤中的光调制的光检测单元。
该装置还可以包括反射镜，在多模光纤的一端处反射镜附接到多模光纤上，以将光反射到光纤的另一端。
该装置还可以包括1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器将光源和光检测单元在光纤的另一端处，连接到多模光纤。
该装置还可以包括在多模光纤的一端处连接至多模光纤的1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器配置为将光重新定向到光纤的另一端。
该装置还可以包括第二1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器将光源和光检测单元在光纤的另一端处，连接到多模光纤。
根据本发明的另一方面，提供了一种生命特征检测装置，该装置包括检测单元，多模光纤和机械结构。多模光纤设置为连接到光源和检测单元。机械结构设置为接收由人体施加的压力，和在所施加的压力下使多模光纤产生微弯。以及其中，检测单元适于基于由微弯引发的弯曲损耗所产生的光强变化，至少来确定人的心率。
检测单元可以包括信号处理单元。
信号处理单元可以设置为提取心跳率、呼吸频率和身体活动的至少一个的信息。
可以基于信号处理单元执行的信号偏离跟踪处理，来提取身体活动信息。
对于与呼吸有关的应用，可以基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取呼吸频率信息，处理可以信号处理单元中执行。
对于与心跳有关的应用，可以基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取心跳率信息，该处理可以在信号处理单元中执行。
信号处理单元可以包括显示功能，以显示所提取的信息。
信号处理单元可以具有在其上执行的报警功能，以基于所提取的信息启动报警。
使用时，多模光纤和机械结构可以用作光纤模式变换器。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测生命特征的方法，该方法包括设置检测单元；将多模光纤连接至光源和检测单元；设置机械结构，以接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压力下使多模光纤产生微弯。并且其中，多模光纤基本在所施加的压力方向中设置在机械结构的第一和第二组微弯部件之间。
第一组微弯部件可以包括在机械结构的第一层中，第二组微弯部件可以包括在第二层中，并且其中多模光纤可以设置第一层和第二层之间。
第一和第二层的每个都可以包括网状结构。
机械结构可以与多模光纤交织，因此第一组微弯部件可以设置在多模光纤的上表面，第二组微弯部件可以设置在多模光纤的下表面。
机械结构可以包括网状结构。
该方法还可以包括将光输入到多模光纤中并且检测在多模光纤中的光调制。
该方法还可以包括在多模光纤的一个端处将反射镜附接到多模光纤上，以将光反射到光纤的另一端。
该方法还可以包括使用第二1×2光纤耦合器，以在光纤的另一端处，将光源和光检测单元连接到多模光纤。
该方法还可以包括将1×2光纤耦合器在多模光纤的一端处连接至多模光纤1×2光纤耦合器，1×2光纤耦合器配置为将光重新定向到光纤的另一端。
该方法还可以包括使用第二1×2光纤耦合器，以在光纤的另一端处，将光源和光检测单元连接到多模光纤。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测生命特征的方法，该方法包括设置检测单元；将多模光纤连接至光源和检测单元；设置机械结构，以接收由人体施加的压力，和在所施加的压力下使多模光纤产生微弯；以及基于由微弯引发的弯曲损耗所产生的光强变化，至少来确定人的心率。
该方法还包括提取从光强变化中提取心跳率、呼吸频率和身体活动的至少一个的信息。
可以基于信号偏离跟踪处理，来提取身体活动信息。
对于与呼吸有关的应用，可以基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取呼吸频率信息。
对于与心跳有关的应用，可以基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取心跳率信息。
该方法还可以包括显示所提取的信息。
该方法还可以包括基于所提取的信息启动报警。
在所施加的压力下，多模光纤可以用作光纤模式变换器。
根据本发明的另一方面，提供一种在其上存储有计算机代码的数据存储介质，以指示计算装置执行用于检测生命特征的方法，该方法包括：从多模光纤接收光信号；基于由机械结构引发的弯曲损耗所引起的光强变化，来至少确定人的心率，该机械结构设置为接收由人体施加的压力和在所施加的压力下产生多模光纤的微弯。
附图简要说明
结合附图，从以下仅作为实施例的书面描述中，本领域普通技术人员将更好理解且易于明白本发明的实施方式言：
图1是示出示例性实施方式中的传感器垫的示意图。
图2是示出示例性实施方式中因变形而微弯的多模光纤的示意图。
图3是示出示例性实施方式中的传感器系统的示意图。
图4是示出示例性实施方式的传感器装置中调制后信号处理的示意性方框图。
图5是示出示例性实施方式中传感装置的工作流程的示意流程图。
图6是示出示例性实施方式中的传感器系统的示意图。
图7是示出示例性实施方式中的传感器系统的示意图。
图8是示出示例性实施方式中传感器垫的网状结构部分的实施例的俯视图。
图9(a)是示出示例性实施方式中传感器系统的示意图。
图9(b)是示出示例性实施方式中与多模光纤交织的聚酯纤维层的图像。
图10是示出示例性实施方式中测量的呼吸信号的示例性频谱图。
图11是示出示例性实施方式中测量的心跳信号的示例性频谱图。
图12是示例性实施方式中第一人的心跳信号的频谱测量数据。
图13是示例性实施方式中第二人的心跳信号的频谱测量数据。
图14是示出示例性实施方式用于检测生命特征的方法的示意流程图。
图15是示出示例性实施方式用于检测生命特征的方法的示意流程图。
图16是用于执行示例性实施方式的方法和系统的计算机系统的示意图。
图17是示出示例性实施方式用于检测生命特征的方法的示意流程图。
具体实施方式
在示例性实施方式中，提供了一种生命特征检测/传感装置。该装置包括光纤传感器垫和问诊器(interrogator)，以用于测量生命特征。设置传感器垫，以使上层和下层都包括聚酯纤维制成的大面积网状结构。传感器垫还包括一部分设置在顶层和底层之间的多模光纤。问诊器包括光源、检测器和信号处理单元。问诊器还包括显示器和报警功能，以将测量数据报告给使用者和/或提醒使用者。
在示例性实施方式中，一部分多模光纤夹在两个具有大面积网状结构的聚酯纤维片之间。聚酯纤维网状结构保护多模光纤。此外，网状结构形成机械结构，以用于在多模光纤上产生微弯效果。机械结构可以接收由于人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且可以在所施加的压力下使多模光纤产生微弯。因此，在示例性实施方式中，多模光纤基本在施加压力的方向中设置在机械结构的第一组和第二组微弯部件之间。在该示例性实施方式中，第一组微弯部件被包括在传感器垫的上层，第二组微弯部件被包括在传感器垫的下层。在示例性实施方式中，使用所述传感器垫，呼吸频率的测量对身体活动不敏感，或者当传感器垫安装在运动中的汽车上时，呼吸频率的测量对汽车运动不敏感。
在示例性实施方式中，可以检测因微弯效果而产生的弯曲损耗，以提取信息。此外，该装置可以有利地适于确定心跳率。
此外，通过将多模光纤设置在机械结构的第一组和第二组微弯部件之间，可以增大可达到的微弯效果。该结构与设置有仅在光纤一侧上作用的弯曲元件的结构(例如具有设置在一层微弯部件上的光纤的结构)相比，会具有很多优点。
在微弯光纤传感器中，多模光纤波导的机械扰动使光纤中的光功率在模式之间重新分配。机械扰动或弯曲越剧烈，越多的光就被耦合到更高阶的模式乃至辐射模式并且消失。微弯光纤光传感器是光强传感器，并且光强随机械弯曲而减小。
图1是示出示例性实施方式中的传感器垫100的示意图。一部分多模光纤102夹在网状结构104、106之间。光射入(数字108处)多模光纤102的一端中，且从多模光纤102的另一端射出(数字110处)。网状结构104、106可以在这部分多模光纤102上产生微弯效果。当使用传感器垫100时，可以经由产生的微弯效果和由此产生的射出光(数字110处)来检测活动，例如与呼吸有关的胸部活动或与心跳有关的活动。因此，在示例性实施方式中，例如当存在施加至传感器垫100的呼吸/心跳时，经由微弯效果来调制光。
应当理解，图1示出了使用者没有压在传感器垫上时的实施方式。使用时，例如当使用者压在传感器垫100上时，由于使用者压在传感器垫100上，所以网状结构104、106互相连接，并且该部分多模光纤102弯曲。因此，结构104、106和该部分多模光纤102的构造作为光纤模式变换器。光纤模式变换器可以通过使产生有效模式耦合的光纤102弯曲，而稳定在多模光纤102中传播的模式。在多模光纤102中传播多种模式，并且光纤102上的任何外部扰动都可能使模式功率重新分配。当多模光纤102被弯曲时，沿光纤102传送的光会减少。多模光纤102中的弯曲损耗可用于获取期望的信息。例如，当对多模光纤102施以曲率弯曲时，光损失随弯曲长度的数量而增加，且当弯曲半径减少时，光损失增加。
图2是示出示例性实施方式中因变形而微弯的多模光纤201的示意图200。微弯的多模光纤201包括包层202和缓冲层204，缓冲层204包住包层202。包层202包住光纤纤芯206。在示例性实施方式中，基于用于阶跃折射率光纤的公式
Figure BPA00001531381900081
或者用于渐变折射率光纤的公式
Figure BPA00001531381900082
可以得到优化的传感器灵敏度，其中Λ是光纤变形的临界周期数，n0是纤芯的折射率，a是纤芯半径以及NA是数值孔径。
图3是示出示例性实施方式中的传感器装置/系统300的示意图。系统300包括上部聚酯纤维层302和下部聚酯纤维层304。每个层302、304都包括可以大面积伸长的网状结构。系统300还包括设置在层302与304之间的多模光纤部分306。系统300还包括检测单元307。在此实施方式中的检测单元包括光纤连接器或接合接头308、310，以将部分306分别连接到光纤312、314上。每个光纤312、314都可以是多模光纤或单模光纤。光纤312连接到光源316，光纤314连接到检测单元307的光检测器318。光检测器318连接到放大器319，放大器319接着连接至检测单元307的信号处理单元320。信号处理单元320包括显示和报警功能，以报告生命特征参数。
在示例性实施方式中，层302、304的网状结构形成用于在多模光纤部分306上产生微弯效果的机械结构。机械结构可以接收由于人体活动、人体呼吸活动和人体心跳活动中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且可以在所施加的压力下使多模光纤产生微弯。因此，在示例性实施方式中，多模光纤基本在施加压力的方向中设置在机械结构的第一组和第二组微弯部件之间。在示例性实施方式中，第一组微弯部件被包括在上层302中，第二组微弯部件被包括在下层304中。
在示例性实施方式中，多模光纤部分306可以包括玻璃光纤、塑料光纤或其它类型的适用光纤。
在示例性实施方式中，光源316、光检测器318、放大器319和信号处理单元320构成问诊单元322。聚酯纤维层302、304和多模光纤部分306构成传感器垫324。光源316发出的光可以通过光纤连接器308输入到传感器垫324的部分306中。光源316可以是激光器、发光二极管(LED)或其它任何宽带或窄带光源。光检测器318用于将从光纤314得到的光信号转换为电信号。然后，在放大器319中放大电信号。通过信号处理单元320进行数据采集与分析。
使用时，通过患者所施加到传感器垫324上的周期压力差(例如因为呼吸和/或心跳)调制沿多模光纤部分306传播的光。例如，当患者的后背位于传感器垫324上时，根据患者的活动来调制光。可以通过提取和处理调制后的光来获取/检测与呼吸频率/心跳/身体活动有关的信息，光在光检测器318处提取，并且被传送到信号处理单元320。
在示例性实施方式中，通过每个聚酯纤维层302、304上的网状结构来产生微弯效果。传感器垫324的制造相对容易。传感器垫324可以放置在被单和床垫之间。也可以夹在被单或床垫中。对于座椅的使用，传感器垫324可以放在座椅后背中。
应当理解，为了提供更加结实的保护，其他覆盖物也可以被分别添加到聚酯纤维层302、304上。
图4是示出在示例性实施方式的传感器装置中处理调制后信号的示意性方框图。获取来自光检测器的放大的、提取的调制后信号(对照图3的光检测器318和放大器319)。传送信号以进行方框404和406示意性示出的两种类型的滤波。滤波404用于消除附着在呼吸信号上的噪声，而滤波406用于消除附着在心跳信号上的噪声。可以通过处理来实现滤波404，该处理例如但不局限于平均、平滑和低通滤波。可以通过处理来实现滤波406，该处理例如但不局限于平均、平滑、减法、压缩和带通滤波。
在根据从光检测器获得的信号提取身体活动模式之前，在方框408处进行偏离跟踪。方框408处的跟踪相对于最初获取的参考信号核对，以确定传感器装置的传感器垫上的使用者是否已经产生身体活动。
在示例性实施方式中，对于条件信号，进行三种不同的提取，即方框410处的呼吸信息、方框412处的心跳信息和方框414处的身体活动信息(即由所示的方框404、406和408产生)，以获取生命特征参数。例如，可以通过峰值/谷值/振幅检测、或通过快速傅里叶变换或小波分析来获取呼吸信息410。可以通过峰值/谷值/振幅检测、或通过快速傅里叶变换或小波分析来获取心跳信息412。随后，可以在方框416中进一步计算所提取的信息，以获取智能信息(例如速率变化、比较、报警等)。之后可以为了不同应用而传送该信息。对于仅与呼吸信息有关的应用，可以不包括方框406、412、408和414。对于仅与心跳信息有关的应用，可以不包括方框404、410、408和414。对于仅与身体活动信息有关的应用，可以不包括方框406、412、404、410。
例如，心率和呼吸频率可以显示在显示器中，以向观察者告知患者的生命特征。如果已经停止呼吸，信号处理单元(对照图3的信号处理单元320)可以触发报警以提醒他人，以使得可以尽快进行治疗。
此外，方框416处计算出的信息可以经由3G或无线保真(WIFI)网络实时地发送，以使得观察者能够知晓该信息，而患者能够位于安装传感器装置的世界任何部分。
图5是示出示例性实施方式中传感装置的工作流程的示意流程图。例如可以使用由传感装置中的计算机处理器执行的计算机程序，来实施工作流程。
在步骤502处，开始工作流程。在步骤504中，实施参考操作，以使传感装置的光检测器检测到的调制光的闲置(idling)特性存储在传感装置的存储器中。参考值或参考信号用于确定，使用者是否压在传感装置的传感器上。此外，参考信号还可用于确定，使用者是否已经离开传感器。
在步骤506中，光检测器检测的信号用于核实使用者是否压在传感器上。当使用者没有压在传感器上时，不进行计算，因此传感装置大部分活动被关闭。一旦确认使用者压在传感器上，则由光检测器产生的信号不断地用于计算心率、呼吸频率和/或身体活动。
在步骤508中，当检测到使用者压在传感器上，其中通过使用者而调制检测的光，进行用于检测身体活动的滤波和偏离跟踪，以获得模式。参照图4的方框404、406和408。
在步骤510中，进行呼吸心跳/身体活动信息的提取，以获得有用信号。在步骤512中，计算来自光检测器的信号，以使得如果期望的话，可以触发更有用的应用，例如启动报警。这些应用可以包括：为了进一步的参考而存储有用的数据、经由3G/WIFI网络无线地发送信息、在显示器上显示对观察者有用的信息。参照图4的方框416。
应当理解，已经检测到使用者压在传感器上之后，心跳率、呼吸频率和/或身体活动信息不会立刻显示在显示器上，因为没有进行充分采样以产生可靠的信息。在步骤514中，在间隔时间之后，计算后的呼吸频率、心跳率和/或身体活动信息可以显示在显示器面板上，用于使用者的观察。举例来说而非作为限定，该间隔时间的范围可以是几秒至约60秒。身体活动信息例如可以是运动模式、一段时间内的身体活动数量、报警识别或短期内的不规律活动。
在步骤516中，使用来自步骤514的信息，以检测使用者是否有褥疮征兆。例如，如果检测到在例如2个小时的时间内，使用者从一个姿势没有进行任何活动或仅有轻微的活动，那么使用者就可能有产生褥疮的危险。如果检测到褥疮征兆，则在步骤518中，触发褥疮报警，以使得可以对使用者进行治疗。在步骤520中，使用来自步骤514的信息，以检测使用者是否有睡眠呼吸暂停的征兆。例如，如果检测到使用者的已经暂时停止呼吸，则使用者可能有睡眠呼吸暂停的危险。如果检测到睡眠呼吸暂停征兆，则在步骤522中，触发呼吸暂停报警，以使得可以对使用者进行治疗。应当理解，还可以根据需要执行其他功能。
在步骤524中，不断地从光检测器读出信息且不断地进行计算，直到使用者已离开传感器。
使用者离开传感器之后，工作流程返回至步骤506并且停止计算。当检测到使用者压在传感器上时，再次开始计算。
图6是示出示例性实施方式中的传感器装置/系统600的示意图。系统600包括上部聚酯纤维层602和下部聚酯纤维层604。每个层602、604都包括可以大面积伸长的网状结构。系统600还包括多模光纤部分606和光纤连接器或接合接头608，多模光纤部分606设置在层602与604之间，光纤连接器或接合接头608用于将部分606连接到光纤610上。系统还包括1×2光纤耦合器612。光纤耦合器612将光纤610连接到光纤614上，还将光纤610连接到检测器616上。检测器616连接到放大器617上。每个光纤610、614可以是多模光纤或单模光纤。光纤614连接到光源618上。检测器616经由放大器617连接到信号处理单元620上。信号处理单元620包括显示和报警功能，以报告生命特征参数。
在示例性实施方式中，系统600还包括连接/附接到部分606的反射镜622，用于将光源618发射的、在部分606中传播的光反射回检测器616。
在示例性实施方式中，多模光纤部分606可以包括玻璃光纤、塑料光纤或其它类型的适用光纤。
图7是示出示例性实施方式中的传感器装置/系统700的示意图。系统700包括上部聚酯纤维层702和下部聚酯纤维层704。每个层702、704都包括可以大面积伸长的网状结构。系统700还包括多模光纤部分706和光纤连接器或接合接头708，多模光纤部分706设置在层702与704之间，光纤连接器或接合接头708用于将部分706连接到光纤710上。系统还包括1×2光纤耦合器712。光纤耦合器712将光纤710连接到光纤714上，还将光纤710连接到检测器716上。检测器716连接到放大器717上。每个光纤710、714可以是多模光纤或单模光纤。光纤714连接到光源718上。检测器716经由放大器717连接到信号处理单元720上。信号处理单元720包括显示和报警功能，以报告生命特征参数。
在示例性实施方式中，系统700还包括连接至部分706的1×2耦合器722(具有连接在一起的两个输出端)，用于将光源718发射的、在部分706中传播的光反射回检测器716。
在示例性实施方式中，多模光纤部分706可以包括玻璃光纤、塑料光纤或其它类型的适用光纤。
图8是示出示例性实施方式中传感器垫的网状结构部分的实施例的俯视图。网孔中的孔802、804可以是正方形、矩形或其他形状。网孔间距为几百微米至几毫米，但是它可以更小或更大。优选地，如果使用大面积网状结构，可以使用具有较长长度的多模光纤，以易于覆盖患者身体区域，同时因为与患者相互作用的长度较长，还可以提高传感器垫的灵敏度。
图9(a)是示出示例性实施方式中传感器装置/系统900的示意图。系统900包括与多模光纤904交织的聚酯纤维层902。系统900还包括光纤连接器或接合接头906，以将多模光纤904连接到光纤908上。系统还包括1×2光纤耦合器910。光纤耦合器910将光纤908连接到另一光纤912上，还将光纤908连接到检测器914上。检测器914连接到放大器915上。每个光纤908、912可以是多模光纤或单模光纤。光纤912连接到光源916上。检测器914经由放大器915连接到信号处理单元918上。信号处理单元918包括显示和报警功能，以报告生命特征参数。
在示例性实施方式中，系统900还包括连接至多模光纤904的反射镜920，用于将光源916发射的、在多模光纤904中传播的光反射回检测器914。
在示例性实施方式中，纤维层902形成机械结构，用于在多模光纤904上产生微弯效果。机械结构可以接收由于人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且可以在所施加的压力下使多模光纤产生微弯。因此，在具有与多模光纤904交织的光纤层902的示例性实施方式中，多模光纤904基本在施加压力的方向中设置在机械结构的第一和第二组微弯部件之间。在示例性实施方式中，第一组微弯部件设置在多模光纤的上表面(参照图9(b)的数字924)，第二组微弯部件在多模光纤的下表面(参照图9(b)的数字926、928)。
在示例性实施方式中，多模光纤904可以包括玻璃光纤、塑料光纤或其它类型的适用光纤。
使用时，与多模光纤904交织的聚酯纤维层902用作光纤模式变换器。
图9(b)是示出示例性实施方式中与多模光纤交织的聚酯纤维层的图像。与多模光纤交织的聚酯纤维层形成光纤模式变换器(FMC)。在示例性实施方式中，一部分多模光纤922和聚酯纤维部分924、926、928编织在一起，以形成FMC。例如而非限定，FMC的间距可以约是1毫米到几毫米。多模光纤922可以包括玻璃光纤、塑料光纤或其他光纤。上层和下层的覆盖物可用于保护图9(b)的FMC结构，以通过使用传统的模具和密封方法来形成传感器垫。
FMC是一种通过弯曲产生有效模式耦合的光纤922、而稳定在多模光纤922中传播的模式的设备。在多模光纤922中传播有多种模式，并且光纤922上的任何外部扰动都可能使模式功率重新分配。当多模光纤922被弯曲时，沿光纤922传送的光会减少。多模光纤102中的弯曲损耗可用于获取期望信息。
例如，当对多模光纤922施以曲率弯曲时，光损失随弯曲长度的数量而增加，且当弯曲半径减少时，光损失增加。
此外，通过将多模光纤设置在机械结构的第一组和第二组微弯部件之间，可以增大可达到的微弯效果。这与设置有仅在光纤一侧上作用的弯曲元件的结构(例如具有设置在一层微弯部件上的光纤的结构)相比，能够提供优点。
图10是示出示例性实施方式中测量的呼吸信号的示例性频谱图。当使用者坐在椅子上且传感器垫放在使用者的背部时，测量使用者的呼吸信号。该图示出使用者的呼吸频率为0.2Hz。换句话说，呼吸频率约为每分钟12次。
图11是示出示例性实施方式中测量的心跳信号的示例性频谱图。当传感器垫放在使用者的背部时，计算使用者的心跳信号。该图示出心跳信号的频率约为1.1-1.2Hz(约1.17Hz)。换句话说，心跳率约为每分钟70次。
图12是在示例性实施方式中第一人的心跳信号的频谱测量数据。图13是示例性实施方式中第二人的心跳信号的频谱测量数据。当二人坐在椅子上且传感器垫放在人的后背倚靠的靠背时，测量第一人和第二人的信号。可以看出，二人的心跳信号被准确地测量。根据图12，具有所测峰值振幅的频率约为1.03Hz。这约为每分钟61.9587次心跳(在图12中在数字1202处示出心跳率)。根据图13，具有所测峰值振幅的频率约为1.13Hz。这约为每分钟67.9547次心跳(在图13中在数字1302处示出心跳率)。
图14是示出示例性实施方式中用于检测生命特征的方法的示意流程图1400。在步骤1402中，设置检测单元。在步骤1404中，多模光纤连接到光源和检测单元。在步骤1406中，设置机械结构，以用于接收由于人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压力下使多模光纤产生微弯。在步骤1408中，多模光纤基本在施加压力的方向中设置在机械结构的第一组和第二组微弯部件之间。
图17是示出示例性实施方式中用于检测生命特征的方法的示意流程图1700。在步骤1702中，设置检测单元。在步骤1704中，多模光纤连接到光源和检测单元。在步骤1706中，设置机械结构，以用于接收由人体施加的压力，以及在所施加的压力下产生多模光纤的微弯。在步骤1708中，基于由微弯引发的弯曲损耗所引起的光强变化，来至少确定人的心率。
图15是示出示例性实施方式中用于检测生命特征的方法的示意流程图1500。可以通过计算装置执行该方法。在示例性实施方式中，使用存储计算机代码的数据存储介质，以指示计算装置执行该方法。在图15中，在步骤1502中，从多模光纤接收光信号。在步骤1504中，基于由机械结构导致的弯曲损耗所引起的光强变化，来至少确定人的心率，该机械结构设置为接收由人体施加的压力和在所施加的压力下产生多模光纤的微弯。
在图16中示意性示出，可以使用计算机系统1600执行的示例性实施方式的方法和系统。例如，示例性实施方式的信号处理单元可以采用所述计算机系统的形式。该方法和系统可以实现为软件，例如在计算机系统1600中执行的计算机程序，并且指示计算机系统1600实施示例性实施方式的方法。
计算机系统包括计算机模块1602、输入模块(例如键盘1604和鼠标1606)和多个输出装置(例如显示器1608和报警装置1610)。
计算机模块1602经由适当的收发装置1614连接到计算机网络1612上，以例如访问因特网或其他网络系统(例如局域网(LAN)或广域网(WAN))
实施例中的计算机模块1602包括处理器1618、随机存取存储器(RAM)1620和只读存储器(ROM)1622。计算机模块1602还包括多个输入/输出(I/O)接口，例如至显示器1608的I/O接口1624和至键盘1604的I/O接口1626。
计算机模块1602的组件通常经由互连总线1628和本领域的技术人员在相关领域中熟知的方式进行通信。
应用程序通常提供给计算机系统1600的使用者，编码到数据存储介质(例如CD-ROM或闪存载体)上并且利用数据存储器1630的相应数据存储介质驱动读取。在执行应用程序时，通过处理器1618读取和控制应用程序。可以使用RAM实现程序数据的中间存储。
上述示例性实施方式可以提供一种装置和方法，借此不需要在传感器座椅或床中使用电力。由上述示例性实施方式提供的测量是非侵入式的。此外，上述示例性实施方式可以提供一种等级与电学传感器类似的低成本方案。上述示例性实施方式与其它光纤光学系统相比，可以提供一种相对较为简单的信号问诊。此外，上述示例性实施方式与其他传感系统相比，可以提供一种较为简单的系统结构。此外，与使用粘贴式传感器等的系统相比，上述示例性实施方式能够更加简单，并且令使用者更加舒适。
上述示例性实施方式可以提供检测位于床上或椅子上的人的生命特征参数的传感装置。可以容易地将该传感装置集成到可能在健康护理(例如睡眠监测、生命特征监测等)中使用的智能床/智能椅上、家庭自动化装置(例如用于智能家居的家用器具控制)中和例如降低高血压的非药物方案中。此外，上述示例性实施方式可以提供一种本质安全的传感装置和方法。
在示例性实施方式中，传感器垫被描述为具有两层聚酯纤维。但是，应当理解，传感器垫并不限于此，传感器垫可以包括在多模光纤上产生微弯效果的任何传感器部件。
本领域的技术人员应当理解，在不背离本发明的精神或范围的情况下，如具体实施例所示，可以对本发明做出许多改变和/或修改。因此，从各个方面考虑，本发明的实施方式是示例性的与非限制性的。

Claims (38)

1.生命特征检测装置，所述装置包括；
检测单元；
多模光纤，设置为连接到光源和所述检测单元；
机械结构，设置为接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压力下使所述多模光纤产生微弯；
其中，所述多模光纤基本在所施加的压力方向中设置在所述机械结构的第一和第二组微弯部件之间。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一组微弯部件被包括在所述机械结构的第一层中，所述第二组微弯部件被包括在第二层中，并且，所述多模光纤设置在所述第一层和所述第二层之间。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一层和第二层的每个都包括网状结构。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述机械结构与所述多模光纤交织，以使得所述第一组微弯部件设置在所述多模光纤的上表面，所述第二组微弯部件设置在所述多模光纤的下表面。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述机械结构包括网状结构。
6.如前述权利要求任一项所述的装置，还包括用于将光输入到所述多模光纤的光源，并且所述检测单元包括用于检测在所述多模光纤中的光调制的光检测单元。
7.如权利要求6所述的装置，还包括反射镜，所述反射镜在所述多模光纤的一端处附接到所述多模光纤上，以将光反射到所述光纤的另一端。
8.如权利要求7所述的装置，还包括1×2光纤耦合器，以将所述光源和所述光检测单元在所述光纤的所述另一端处连接到所述多模光纤。
9.如权利要求6所述的装置，还包括在所述多模光纤的一端处连接至所述多模光纤的1×2光纤耦合器，所述1×2光纤耦合器配置为将光重新定向到所述光纤的所述另一端。
10.如权利要求9所述的装置，还包括第二1×2光纤耦合器，以将所述光源和所述光检测单元在所述光纤的所述另一端处连接至所述多模光纤。
11.生命特征检测装置，所述装置包括；
检测单元；
多模光纤，设置为连接到光源和所述检测单元；
机械结构，设置为接收由人体施加的压力，并且在所施加的压力下使所述多模光纤产生微弯；以及
其中，所述检测单元适于基于由所述微弯引发的弯曲损耗所产生的光强变化，至少来确定人的心率。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述检测单元包括信号处理单元。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述信号处理单元设置为提取心跳率、呼吸频率和身体活动的至少一个的信息。
14.如权利要求13所述的装置，其中，基于在所述信号处理单元执行的信号偏离跟踪处理，来提取身体活动信息。
15.如权利要求13或14所述的装置，其中，对于与呼吸有关的应用，基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取所述呼吸频率信息，所述处理在所述信号处理单元中执行。
16.如权利要求13-15中任一项所述的装置，其中，对于与心跳有关的应用，基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取心跳率信息，所述处理在所述信号处理单元中执行。
17.如权利要求13-16中任一项所述的装置，其中，所述信号处理单元包括显示功能，以显示所提取的信息。
18.如权利要求13-17中任一项所述的装置，其中，所述信号处理单元具有在其上执行的报警功能，以基于所提取的信息启动报警。
19.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，使用时，所述多模光纤和所述机械结构用作光纤模式变换器。
20.用于检测生命特征的方法，所述方法包括；
提供检测单元；
将多模光纤连接至光源和所述检测单元；
提供机械结构，用于接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压力下使所述多模光纤产生微弯；
其中，所述多模光纤基本在所施加的压力方向中设置在所述机械结构的第一和第二组微弯部件之间。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述第一组微弯部件被包括在所述机械结构的第一层中，所述第二组微弯部件被包括在第二层中，并且所述多模光纤设置在所述第一层和所述第二层之间。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述第一层和第二层的每个都包括网状结构。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述机械结构与所述多模光纤交织，以使得所述第一组微弯部件设置在所述多模光纤的上表面，所述第二组微弯部件设置在所述多模光纤的下表面。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述机械结构包括网状结构。
25.如权利要求20-24中的任一项所述的方法，还包括将光输入到所述多模光纤，以及检测在所述多模光纤中的光调制。
26.如权利要求25所述的方法，还包括在所述多模光纤的一端处将反射镜附接到所述多模光纤上，以将光反射到所述光纤的另一端。
27.如权利要求26的方法，还包括使用1×2光纤耦合器，以在所述光纤的所述另一端处将所述光源和光检测单元连接到所述多模光纤
28.如权利要求25所述的方法，还包括在所述多模光纤的一端处将1×2光纤耦合器连接至所述多模光纤，所述1×2光纤耦合器配置为将光重新定向到所述光纤的所述另一端。
29.如权利要求28的方法，还包括使用1×2光纤耦合器，以在所述光纤的所述另一端处将所述光源和光检测单元连接到所述多模光纤。
30.用于检测生命特征的方法，所述方法包括；
提供检测单元；
将多模光纤连接至光源和所述检测单元；
提供机械结构，以接收由人体施加的压力，并且在所施加的压力下使所述多模光纤产生微弯；以及
基于由所述微弯引发的弯曲损耗所产生的光强变化，至少确定人的心率。
31.如权利要求30所述的方法，还包括从所述光强变化中提取心跳率、呼吸频率和身体活动的至少一个的信息。
32.如权利要求31所述的方法，其中，基于信号偏离跟踪处理，提取所述身体活动信息。
33.如权利要求31或32的任一项所述的方法，其中，对于与呼吸有关的应用，基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取所述呼吸频率信息。
34.如权利要求31-33中任一项所述的方法，其中，对于与心跳有关的应用，基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取所述心跳率信息。
35.如权利要求31-34中任一项所述的方法，还包括显示所提取的信息。
36.如权利要求31-35中任一项所述的方法，还包括基于所提取的信息启动报警。
37.如权利要求20-36中任一项所述的方法，其中，在所施加的压力下所述多模光纤用作光纤模式变换器。
38.具有在其中存储的计算机代码的数据存储介质，以指示计算装置执行用于检测生命特征的方法，所述方法包括：
从多模光纤中接收光信号；以及
基于由机械结构引发的弯曲损耗所引起的光强变化，来至少确定人的心率，所述机械结构设置为接收由人体施加的压力以及在所施加的压力下产生所述多模光纤的微弯。
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