CN102657521B - 一种全光纤心率测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种全光纤心率测量设备。本发明采用光纤作为感应器件拾取心跳信号，使用光纤干涉型传感技术构建不受外界环境变化影响的光路，使得测量设备稳定地获得高信噪比的信号。该设备包括：光源、光纤耦合器、延迟光纤，传感光纤线圈、光电探测器和信号处理终端等。本发明可实时监测心跳信号，可对信号特征进行分析，滤除干扰信号，感应端不辐射电磁波，不受电磁干扰，不需供电，具有隐蔽性。本发明可广泛地应用于光纤传感和信号处理领域，并可拓展为一种隐蔽式测谎仪。

Description

一种全光纤心率测量设备

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种全光纤心率测量设备。

背景技术

心率是是指人体心脏每分钟波动的次数，它是反映心脏是否正常工作的一个重要参数。现今医学上对心率的测量主要有两种方法。一为通过测脉搏的跳动次数，理论上认为脉搏跳动次数与心率一致，这是一种间接的测量法；另一种是借助测心电的方式，即用心率测量仪测量心率，传统的心率测量仪由取样电路、放大整形电路、计数显示电路等组成的信号实时采集系统。其结构较为复杂，测量过程较为繁琐，而且需要用到电子器件等有源器件来实现。有源器件不仅易受干扰，而且不够隐蔽，应用领域受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种对电磁干扰不敏感，结构简单、体积小、寿命长的心率测量设备。

本发明提出的心率测量设备，是利用光纤进行虚拟接触采集人体心率信号，即采用光纤作为感应器件拾取心跳信号。具体来说，本发明采用相位调制型结构构造光纤传感光路，利用被测参量（心率信号）对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量的变化而变化，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。将采集到的被测参量的信息传入计算机中，于LabVIEW软件平台上显示心率。因此，本发明的心率测量设备是一种全光纤心率测量设备。

本发明提出的全光纤心率测量设备，其结构如图1、图2所示。图1为采用Sagnac环构造的传感光路，它包括：光源1，光纤耦合器2，延迟光纤3，传感光纤线圈（即传感光纤盘成的线圈）4、光电探测器9和信号处理终端10。光纤耦合器2有第一～第四4个端口5、6、7、8。光纤耦合器2可以是2×2光纤耦合器。

采用Sagnac环的全光纤心率测量仪的光路特征是：光源1由第一端口5进入光纤耦合器2，经过分光，光纤耦合器的第二端口6的分光经过延时光纤3，再通过传感光纤线圈4，感应心率扰动，之后光通过光纤耦合器的第四端口8进入光纤耦合器2，形成顺时针方向的相干光。另一路相干经过光纤耦合器2后，从光纤耦合器第四端口8再通过传感光纤线圈4，之后光经过延时光纤3，最后光通过第二端口6进入光纤耦合器2，形成逆时针方向的相干光。两光束在光纤耦合器2中形成干涉，将携带有被测物理量特征的光信号由第三端口7输出，该输出信号被光电探测器9接收后传送到信号处理终端10。信号处理终端10通过对干涉信号进行分析计算，最终获得心脏的跳动频率。传感光纤与延时光纤也可以合并成一个线圈以感应心率信号。

图2为采用反馈式干涉结构构造传感光路，它包括：光源11，光电探测器17，第一光纤耦合器12，第二光纤耦合器14，延迟光纤13，传感光纤线圈（即传感光纤盘成的线圈）15，反射镜16和信号处理终端18。第一光纤耦合器12有第五～第八4个端口19、20、21、22，第二光纤耦合器14的第九～第十一3个端口23、24、25。

采用反馈式结构的全光纤心率测量仪的光路特征是：光源11由第五端口19进入第一光纤耦合器12，经过分光，第一光纤耦合器12的第六端口20的分光经过延时光纤13进入第二光纤耦合器14，光从第十端口24出来再通过传感光纤线圈15，感应心率扰动，之后经过反射镜16，从反射镜反射回的光经过心率扰动点15，再通过第十端口24进入第二光纤耦合器14，之后通过第十一端口2和第第八端口22进入第一光纤耦合器12，形成顺时针方向的相干光。另一路相干经过第一光纤耦合器12后，从第八端口22和第十一端口25进入第二光纤耦合器14，再由第十端口24通过传感光纤线圈15，经反射镜16将光返回后再经过传感光纤线圈15，之后从第十端口24进入第二光纤耦合器14，再经过延时光纤13，最后光通过第六端口20进入第一光纤耦合器12，形成逆时针方向的相干光。两光束在第一光纤耦合器12中形成干涉，将携带有被测物理量特征的光信号由第七端口21输出，该输出信号被光电探测器17接收后传送到信号处理终端18。信号处理终端通过对干涉信号进行分析计算，最终获得心脏的跳动频率。

图1、图2左边虚线框内可以做成一个模块，右边虚线框内的传感光纤可以盘成线圈置于椅背近心脏处或者其他隐蔽处。图3为采用本发明所采集到的心率信号。图4为本发明所采集到的心率信号经过低通滤波处理后得到的图像，由于心率信号为低频信号，通过低通滤波后图像可变清晰，从图中清晰的心率跳动说明本发明可以得到高信噪比的稳定信号。

本发明的全光纤心率测量仪采用光纤传感技术使得测量技术提升到了新的平台。本发明对电磁干扰不敏感，同时还有结构简单、体积小、寿命长还有诸多优点。本发明更加方便快捷而且隐蔽，可以在很多特殊场合进行对心率的测量，并依次进行一系列的延展分析，比如可以用于作为一种隐蔽式测谎仪。

附图说明

图1是本发明系统示意图。

图2是本发明系统示意图。

图3为本发明采集到的一男性心率图像。

图4为本发明采集到滤波后一男性心率图像。

图5为本发明采集到的一女性心率图像。

图6为本发明采集到滤波后一女性心率图像。

图中标号：1是光源，2是光纤耦合器，3是延迟光纤，4是传感光纤线圈，9为光电探测器，11为信号处理终端。5、6、7、8为光纤耦合器2的第一～第四4个端口。11是光源，12是第一光纤耦合器，13是延迟光纤，14是第二光纤耦合器，15是传感光纤盘成的线圈，16是反射镜，17为光电探测器，18为信号处理终端。19、20、21、22为光纤耦合器12的第五～第八4个端口。23、24、25为光纤耦合器14的第九～第十一3个端口。

具体实施方式

在本实施例中，所用的激光器为电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超辐射发光管（SLD）型稳定光源。光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器。光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。所用的光纤为美国生产的“康宁”G.652型单模光纤。光源与干涉系统、干涉系统与探测器的连接方式是FC/PC跳线连接。采用图1的方式连接在一起，采集到的一男性心率信号如图3所示。对心跳信号做低通滤波处理，截止频率设置为20Hz，可得到如图4 所示信号，波形变清晰，可有利于计算心率变化，从波形中可得出：5s内可测得5次心跳。图5及图6分别为一女性心率信号及其滤波后信号，从波形中可得出，5s内可测得7次心跳。由此可知，本发明设备可以如实测得心率信号，具有普适性。

Claims (2)

1. 一种全光纤心率测量设备，其特征在于包括：光源（1），光纤耦合器（2），延迟光纤（3），传感光纤线圈（4）、光电探测器（9）和信号处理终端（10）；光纤耦合器（2）有第一～第四4个端口（5、6、7、8）；

光路为：光源（1）由第一端口（5）进入光纤耦合器（2），经过分光，第二端口（6）的分光经过延迟光纤（3），再通过传感光纤线圈（4），感应心率扰动，之后光通过光纤耦合器的第四端口（8）进入光纤耦合器（2），形成顺时针方向的相干光；第四端口（8）的分光经过传感光纤线圈（4），再通过延迟光纤（3），之后通过光纤耦合器的第二端口（6）进入光纤耦合器（2），形成逆时针方向的相干光；两光束在光纤耦合器（2）中形成干涉，将携带有被测物理量特征的光信号由第三端口（7）输出，该输出信号相应被光电探测器（9）接收后传送到信号处理终端（10）；信号处理终端（10）通过对干涉信号进行分析计算，获得心脏跳动频率。

2. 一种全光纤心率测量设备，其特征在于包括：光源（11），光电探测器（17），第一光纤耦合器（12），第二光纤耦合器（14），延时光纤（13），传感光纤线圈（15），反射镜（16）和信号处理终端（18）；第一光纤耦合器（12）有第五～第八4个端口（19、20、21、22），第二光纤耦合器（14）有第九～第十一3个端口（23、24、25）；

其光路是：光源（11）由第五端口（19）进入第一光纤耦合器（12），经过分光，第六端口（20）的分光经过延时光纤（13）进入第二光纤耦合器（14），光从第十端口（24）出来再通过传感光纤线圈（15），感应心率扰动，之后经过反射镜（16），从反射镜反射回的光经过心率扰动点，再通过第十端口（24）进入第二光纤耦合器（14），之后通过第十一端口（25）和第八端口（22）进入第一光纤耦合器（12），形成顺时针方向的相干光；第八端口（22）和第十一端口（25）的分光进入第二光纤耦合器（14），再由第十端口（24）通过传感光纤线圈（15），经反射镜（16）将光返回后再经过传感光纤线圈（15），之后从第十端口（24）进入第二光纤耦合器（14），再经过延时光纤（13），最后光通过第六端口（20）进入第一光纤耦合器（12），形成逆时针方向的相干光；两光束在第一光纤耦合器（12）中形成干涉，将携带有被测物理量特征的光信号由第七端口（21）输出，该输出信号被光电探测器（17）接收后传送到信号处理终端（18）；信号处理终端（18）通过对干涉信号进行分析计算，获得心脏跳动频率。