CN102772200A - 脉诊信号传感器探头及光纤脉诊信息采集系统 - Google Patents

Abstract

一种脉诊信号传感器探头，它包括底座和设置于底座上的旋转轴支撑座和弹性梁，在旋转轴支撑座上设置有轴孔和设置于轴孔中的旋转轴，联动件的中部通过旋转轴铰接于旋转轴支撑座上并可绕旋转轴枢转，联动件包括横臂和纵臂两部分，横臂一端和纵臂的下端连接在一起，光纤光栅的一端固定在纵臂上端，光纤光栅的另一端固定在弹性梁顶端；在联动件横臂另一端设置探针，探针穿过设置于底座上的通孔延伸到底座外。一种光纤脉诊信息采集系统，它包括带光纤耦合输出的宽带光源、光谱测量仪，宽带光源和光谱测量仪同时与光纤耦合器一侧连接，光纤耦合器另一侧通过光纤与脉诊信号传感器探头连接，光谱测量仪与计算机电联接。

Description

脉诊信号传感器探头及光纤脉诊信息采集系统

技术领域

    本发明涉及一种用于脉诊仪的光纤脉诊信息采集系统，该系统包括脉搏波形探测的传感器探头部分以及信息采集两大部分。能够实现脉搏波形的探测与获取以及记录与分析功能，是目前正在发展研制的智能脉诊仪的重要组成部分。

背景技术

脉诊是通过按触人体不同部位的脉搏，以体察脉象变化的切诊方法。又称切脉、诊脉、按脉、持脉。脉象的形成与脏腑气血密切相关，若脏腑气血发生病变，血脉运行就会受到影响，脉象就有变化。脉诊在临床上，可推断疾病的进退预后。我国古代医学在诊断疾病方面采用的脉诊，是一项独特诊法脉，是中医“四诊”（望、闻、问、切）之一，也是辨证论治的一种不可少的客观依据。

近几年，由于西医在国内的盛行，加之传统上中医过度依赖于老中医医生，使得中医曾一度被忽视甚至被排斥，而随着我国医学以及科研工作者的努力，近几年也开始得到发展与进步，特别是将传统中医学与现代诊断思维相结合后，中医又开始从理论上和诊断方法上得到长足发展。

在临床实践中，当医生为病人切脉时，脉搏的搏动会刺激触觉小体，由触觉小体进行能量转换，把物理刺激转换成神经电信号，经由感觉神经传输给神经中枢大脑形成触觉，再结合相关医学知识从而形成各种脉象。这一过程中由于触觉的形成是一种主观感受，因此对脉象的描述中都存在着很多主观的内容，比如金氏脉学中对粘滞性涩搏的描述为：涩点稠密柔嫩，指感粘腻。因此，传统中医脉诊均与医生的感官知觉不可分割，这就造成了对病情没有一个客观标准的评价和定义，大大限制了中医脉诊的推广和认可。

人体脉搏千变万化，人体在不同病况下所产生的脉搏特征也不一样，其中脉搏信息特征主要包括以下几个方面：

（1）脉搏的位臵：指腕部桡动脉的纵向搏动空间，传统脉学中分为浮、沉，也有脉学理论将脉位更精细地定义了七个层面。 

（2）脉搏的频率：脉搏频率在传统脉学中属于脉数的范畴，传统脉学以一息至数作为定理标准，也有脉学中以每分钟脉管搏动的次数为定量指标。 

（3）脉搏的节律：脉搏节律在传统脉学中也属于脉数的范畴，描述为至数不齐，以心脏搏动的生理机制为基础，根据节律不齐的表现形式，确定为不同的律变脉应。 

（4）脉搏的强度：脉搏强度在传统脉学中属于脉势的范畴，并根据搏动的力量分虚实，即为不同的力变脉应。 

（5）脉体的形态：脉体的形态在传统脉学中属于脉形的范畴，脉体的形态在传统脉学中概括为脉体的长、短、宽、窄以及一些特殊形态，如芤、革、濡等，其描述多用静态事物比拟，如芤脉如按葱管、革脉如按鼓皮。

（6）脉搏波的形态：脉搏波的形态在传统脉学中也属于脉形的范畴，脉搏波的形态在传统脉学中被描述为指下的动态感觉，其描述多以动态事物比拟，如滑脉的如珠走盘、涩脉的如刀刮竹等。根据脉搏波形状变化，结合信息的固有性和随机性划分为时变脉应与形变脉应。脉应分为整体脉应与动点脉应，所有的动点脉应都与脉搏波的形态有关。

通过上述分析，脉点的测量可以通过压力、时间、位臵、位移的综合测量、分析较易实现；脉应中的整体脉应也可以通过压力、时间、位臵、位移、频率、节律的综合测量、分析较易实现；而脉应中的动点脉应，其测量可以综合时间、压力、位臵的测量实现。

医生手指进行脉诊的生理学基础是，手指指面有大量的触觉小体，当手指压在动脉上时，脉搏的搏动会刺激触觉小体，形成各种脉象。触觉小体又称麦氏小体，分布于皮肤真皮乳头的结缔组织中，尤以触觉灵敏的口唇、指尖、颜面等处分布密度最高。小体呈圆柱形，与表皮相垂直，长约100微米，宽约30微米，有结缔组织被囊包裹在外，中心有许多横列的扁平细胞(触觉细胞)。触觉小体的机能为感受触觉，相当于压力传感器。现有市售传感器基本上都是压阻式传感器，存在的普遍问题是体积偏大、敏感度较低，无法精确模拟手指的触觉，无法实现脉点数据的精确测量，如果减小传感器的体积又会进一步降低精确度和灵敏度。

发明内容

本发明提出了一种用于中医脉诊的基于光纤光栅检测技术的脉诊信号传感器及其信息采集系统，实现了脉搏信息的有效、准确提取功能。本发明针对中医脉诊的客观化表观需求，设计了一种基于光纤光栅测量技术的脉诊传感器及其信息采集系统，满足实际脉诊对灵敏度(0.1Pa，范围0-35kPa)、响应频率以及探头尺寸(触点直径小于1mm)的需求。

一种脉诊信号传感器探头，它包括底座和设置于底座上的旋转轴支撑座和弹性梁，在旋转轴支撑座上设置有轴孔和设置于轴孔中的旋转轴，联动件的中部通过旋转轴铰接于旋转轴支撑座上并可绕旋转轴枢转，联动件包括横臂和纵臂两部分，横臂一端和纵臂的下端连接在一起，光纤光栅的一端固定在纵臂上端，光纤光栅的另一端固定在弹性梁顶端；在联动件横臂另一端设置探针，探针穿过设置于底座上的通孔延伸到底座外。

所述旋转轴水平布置于轴孔中；探针垂直设置在横臂上，横臂和纵臂的轴线相交成直角；弹性梁和联动件均垂直设置于底座上。

横臂与纵臂的臂长倍数为k，当k大于1时，能够对传感器起到增敏作用，大大提高测量脉搏信号的灵敏度。k系数应当设置在0.5-5之间。

探针头部为球形，直径范围大于0小于1毫米。在探针头部设置硅胶触头。

弹性梁为薄片式弹片结构，当外部压力过大时，弹性梁的存在能够防止光纤布拉格光栅被拉断，提高了传感器使用寿命，降低了设备损坏率。同时弹性梁的存在，另一方面对外部特别是触点上受到的巨大冲击力起到缓冲作用，防止使用时扎伤皮肤等医疗事故的发生。

所述光纤光栅是光纤布拉格光栅，是一种常用光纤通讯器件，结构简单，尺寸小，工作稳定可靠。

传感器具有多点测量的可扩展功能，在旋转轴上并列设置多个联动装置，使设置于联动装置上的探针成一条直线排列，在实际使用时，使得探针所在的直线与动脉垂直，信号最佳的传感器即为理想安装位置上所检测到脉搏信息，能够解决单个传感器对于测量位置难以精确定位的问题。

该脉诊仪由于传感器采用FBG作为核心元件，能够波分复用，因此同一台解调仪可以同时测量多个传感器探头，用于不同中心波长FBG制成的多个探头同时测量，一台解调仪可供多个病人同时监测使用。

传感器工作原理为：

首先，将探头以某一特定压力（一般0-35kPa）压放与待测人体手腕部，硅胶触头对准脉搏脉点（脉诊测量点）；

第二，脉搏搏动时产生一定的压力推动触点位移，触点推动探针、直角联动装置围绕轴孔产生转动，造成直角联动装置顶部的光栅固定点B的位移；

第三，光纤光栅经过光栅固定点A和光栅固定点B固定在弹性梁与直角联动装置顶端之间，弹性梁采用薄片式弹片结构，当受到侧向拉力时弹性梁发生弯曲型变，拉力越大型变量越大，拉力与型变量成线性对应关系。当直角联动装置转动时，拉动光纤光栅使得光纤光栅受到的拉力发生变化，从而造成光纤光栅反射光谱中心波长发生变化，根据光栅反射光谱中心波长的变化量可以反算出触头受到的压力，即获得了此刻脉搏的压强值。 

硅胶触点作用是在探针末端安装一个硅胶垫，当探针安放在腕部时，由于硅胶具有一定弹性,不会因为触点末端压力过大扎破人体皮肤，对腕部造成物理损伤；旋转轴底座上设置了轴孔，直角联动装置通过轴孔与旋转轴底座组装在一起，可以自由地旋转；探针主要用于将脉搏信号产生的压力转化为机械位移，并传到至直角联动装置；直角联动装置将探针的机械位移量传导到光栅的拉力变化；光纤光栅将机械位移转换为拉力并将拉力转换为光纤光栅反射波长的变化上来；弹性梁提供一定的弹性拉力。

当脉搏按照以上分析造成光纤光栅受到拉力改变时，如图3所示，弹性梁将产生Δd的变化量，则脉搏压力该变量ΔP与Δd符合关系式：

Δd=ΔP*n                    （1）

其中n为转换系数，假设弹性梁弹性系数为k，则拉力变化量ΔF为：

ΔF=k*Δd                    （2）

由公式（1）与公式（2）得到：

ΔF=k*n*ΔP                  （3）

根据公式（3）即可建立脉搏压力变化值与产生拉力变化值得对应公式。再根据拉力与光纤光栅波长变化量Δλ的关系。

由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：

λ _B =2n _eff Λ                     (4)

式中：n _eff 为导模的有效折射率，Λ为光栅的固有周期。

当波长满足布拉格条件式(4)时，入射光将被光纤光栅反射回去。

由公式(4)可知，光纤光栅的中心反射波长λ _B 随n _eff 和Λ的改变而改变。FBG对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化来影响λ _B 。

当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长λ _B 移动，因此有：

                     (5)

式中：Δn _eff 为折射率的变化，ΔΛ为光栅周期的变化。

光栅产生应力时的折射率变化：

                 (6)

式中：

                    (7)

ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，、是弹光系数，P _e 是有效弹光系数。

假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

                           (8)

所以公式(5)可写成：

                         (9)

公式(9)就是裸光纤光栅应力测量的一般计算公式。

轴向应力ε是由光栅所受到的拉力F造成的，即拉力引起了光纤光栅应力变化，通过公示（9）与公式（3）最终可以建立起脉搏压力P与光纤光栅中心波长λ_B的对应关系：

λ _B =β*P                        （10）

其中，为斜率系数。

通过设置联动装置横臂与纵臂的比例关系可以实现灵敏度（斜率系数）的提高，例如设置横臂长度为纵臂长度的k倍，则得到的斜率效率也根据杠杆原理放大或者缩小到kβ，因此，本设计设置增大臂长倍数k后，大大增加了传感器灵敏度以及灵敏度的可调范围。

如图6所示为施加某一压力前后获得的光纤光栅反射谱对比图，根据光栅反射光谱中心波长的变化量可以反算出触头受到的压力，即获得了此刻脉搏的压强值。连续记录脉搏压强值，可以绘制出脉搏搏动波形图，如图4所示。

由于采用了光纤布拉格光栅作为传感器的核心器件，同一个传感器可以串联多个传感点（通过在旋转轴上串联多组联动件以及光栅），实现了沿脉搏走向垂直方向的一条线式多点测量，解决了对脉搏最佳检测位置的定位问题。此外，多个传感器可以通过串联或者并联方式实现多探头解调，一台解调仪可以实现多传感器的信息分析，计算出多个探头的压强值以及脉搏波动波形，无需增加解调仪。

一种脉诊信息采集系统，它包括带光纤耦合输出的宽带光源、光谱测量仪，宽带光源和光谱测量仪同时与光纤耦合器一侧连接，光纤耦合器另一侧通过光纤与脉诊信号传感器探头连接，光谱测量仪与计算机电联接。

宽带光源发出宽光谱光，通过光纤耦合器、光纤到达探头，探头将脉搏信息转换为光信息反射回光纤耦合器，经过光纤耦合器进入到光谱测量仪，光谱测量仪将光信息转变为电信息，由与之相连的计算机读取后分析、处理，最终实现病情诊断信息的输出。

宽带光源可以选择超辐射发光二极管（SLD）或者ASE光源等，宽带光源要求谱宽能够覆盖光纤光栅谱并且光栅在被脉搏信号调制后波长变化区间也能够被宽带光源光谱所覆盖，一般要求谱宽不低于1nm。

本方案的有益效果是:传感器探头能够将压力有效接触面减小到低于1mm直径，从而为准确测量脉管脉动真实数据提供了有效方法。方案中，采用了光纤布拉格光栅作为传感核心器件，能够通过光纤光栅反射谱的中心波长位移量计算出脉点压强及振动信息，采用光纤光栅能够发挥波分复用的技术优势，即多个传感器可以通过同一解调仪实现同步解调。光纤光栅频率响应范围广，从0Hz至几十MHz均有较为平坦的响应曲线，因此能够适应大频响范围的传感应用需要，用于脉诊仪传感器中，不但可以检测到低频的常规脉搏跳动信息，还能够检测到包含更多病变信息的高频波动信号，为后期的病变分析提供了更多有效信息。

本设计方案中的传感器探头，特别是由探针、联动件、弹性梁以及光纤光栅等组成的传感单元，通过阵列的方式将传感单元布置于底座上，用于实际脉搏测量时，由于传感器探针较多，总有一个传感器探针能够捕获到最佳（最强）脉搏波动信号，从而为实际应用提供了便捷。

附图说明

图1为系统结构图；图2为传感器探头结构图；图3为一定压力前后传感器探头结构对比图；图4为读取的某脉搏信号示意图；图5为系统实际测量放置示意图；图6为某压力前后光纤光栅反射光谱图；图7为光纤光栅中心波长与受到压强对比实验数据图。图中：1-底座，2-旋转轴支撑座，3-轴孔，4-联动件，5-探针，6-通孔，7-硅胶触头，8-弹性梁，9-光栅固定点A，10-光栅固定点B，11-光纤光栅，12-脉管，13-光纤，14-探头。

具体实施方式

实施例1

如图2-3所示，一种脉诊信号传感器探头，它包括底座1和设置于底座1上的旋转轴支撑座2和弹性梁8，在旋转轴支撑座2上设置有轴孔3和设置于轴孔3中的旋转轴，联动件4的中部通过旋转轴铰接于旋转轴支撑座2上并可绕旋转轴枢转，联动件4包括横臂和纵臂两部分，横臂一端和纵臂的下端连接在一起，光纤光栅的一端固定在纵臂上端，光纤光栅的另一端固定在弹性梁8顶端；在联动件横臂另一端设置探针5，探针5穿过设置于底座1上的通孔延伸到底座1外。

所述旋转轴水平布置于轴孔中；探针5垂直设置在横臂上，横臂和纵臂的轴线相交成直角；弹性梁8和联动件4均垂直设置于底座1上。

横臂与纵臂的臂长倍数为k，当k大于1时，能够对传感器起到增敏作用，大大提高测量脉搏信号的灵敏度。本系统中采用k=1.5，能够放大1.5倍，一般情况k系数应当设置在0.5-5之间，过小则会大大降低灵敏度，无法测出脉搏搏动情况，过大则会造成拉力过大，损坏拉断光纤光栅。

探针5头部为球形，直径范围大于0小于1毫米。在探针5头部设置硅胶触头。

弹性梁8为薄片式弹片结构，当外部压力过大时，弹性梁8的存在能够防止光纤布拉格光栅被拉断，提高了传感器使用寿命，降低了设备损坏率。同时弹性梁的存在，另一方面对外部特别是触点上受到的巨大冲击力起到缓冲作用，防止使用时扎伤皮肤等医疗事故的发生。

所述光纤光栅11是光纤布拉格光栅，是一种常用光纤通讯器件，结构简单，尺寸小，工作稳定可靠。

传感器具有多点测量的可扩展功能，在旋转轴上并列设置多个联动装置，使设置于联动装置上的探针成一条直线排列，在实际使用时，使得探针所在的直线与动脉垂直，信号最佳的传感器即为理想安装位置上所检测到脉搏信息，能够解决单个传感器对于测量位置难以精确定位的问题。

实施例2

如图1所示，一种脉诊信息采集系统，它包括带光纤耦合输出的宽带光源、光谱测量仪，宽带光源和光谱测量仪同时与光纤耦合器一侧连接，光纤耦合器另一侧通过光纤与脉诊信号传感器探头连接，光谱测量仪与计算机电联接。脉诊信号传感器探头与实施例1相同的内容不再赘述。

宽带光源发出宽光谱光，通过光纤耦合器、光纤到达探头，探头将脉搏信息转换为光信息反射回光纤耦合器，经过光纤耦合器进入到光谱测量仪，光谱测量仪将光信息转变为电信息，由与之相连的计算机读取后分析、处理，最终实现病情诊断信息的输出。

根据光纤光栅选择合适波长与谱宽的宽带光源，宽带光源要求光纤耦合，即宽带光源发出的光经过光纤输出至传感器探头，并将传感器探头反回的光传输至光谱测量仪。宽带光源可以选择超辐射发光二极管（SLD）或者ASE光源等，宽带光源要求谱宽能够覆盖光纤光栅谱并且光栅在被脉搏信号调制后波长变化区间也能够被宽带光源光谱所覆盖，一般要求谱宽不低于1nm。 

光纤耦合器采用常规通讯用2x2耦合器，选择与光纤光栅波长对应波段的通讯常用普通光纤耦合器器件即可，主要起到将光源发出的光传至传感器探头，并将传感器探头反回的光传输至光谱测量仪。

光谱测量仪是用于测量获取光纤光栅反射谱的器件，可以采用常见的光谱分析仪（要求扫描频率在几百Hz以上）、小型嵌入式光谱仪、波长能够覆盖光纤光栅波段的CCD等，也可以选择FP扫描滤波器方式的光栅解调系统等。常见的光谱仪有MOI解调仪、Byspec解调仪、Axsun解调仪以及可调滤波器扫描式解调仪等，均有可实现该功能的产品型号。

首先，按照图1所示方式连接搭建系统，宽带光源发出的宽谱光源通过光纤耦合器、光纤到达探头，探头内设置有一个光纤布拉格光栅，光纤光栅反射谱经过原路返回至光纤耦合器，并经由光纤耦合器进入光谱测量仪，光谱测量仪将光谱转化为电信号，光谱测量仪获得的光谱信号转换为电信号后进入到计算机。

如图6、图7所示为传感器探头实图。实际使用时，首先按照图5所示找到脉诊点的定位，将传感器探针根据测量具体需求以某一特定压力压在手腕部，经过上述系统后，通过计算机可以分析计算得到光纤光栅中心波长的实时变化量，如图6所示在某一压力P下获取的波长变化图，根据公式（10）反算出脉搏此刻的压强值。经过一个或者多个脉搏跳动周期的连续记录，可以获取到如图4所示的脉搏波形图，从而实现了脉诊信息的采集功能。

如图7所示为传感器在不同压强下造成光纤光栅中心波长的对应关系图，从图中可以明显看到，不同的压强对应不同的光纤光栅波长，并且，波长与压强的对应曲线线性度非常好，从而可以根据光纤光栅中心波长值来反算出实际的压强值，达到脉搏信息传感与采集功能。

本发明设计了用于脉诊的光纤传感器，能够更加灵敏方便地获取脉诊信号，供后续的脉诊分析使用，通过该传感获取的信息中包含有人体病变的大量信息，例如举例说明，根据金氏脉诊理论如图4所示波形中如果上冲沿处出现不平整（凹凸）则病人具有疑似肿瘤，如果在舒张脉（下降曲线段）包含有高频黏性色波则可以与上冲沿凹凸共同确认为肿瘤存在。色波的频率以及频谱分布与不同部位以及不同病变有一定的关联性，这些信息均可通过长期的信息积累与对比筛选获得，而本发明专利也为此提供了信息获取的必要手段。

Claims (10)

1.一种脉诊信号传感器探头，它包括底座和设置于底座上的旋转轴支撑座和弹性梁，在旋转轴支撑座上设置有轴孔和设置于轴孔中的旋转轴，联动件的中部通过旋转轴铰接于旋转轴支撑座上并可绕旋转轴枢转，联动件包括横臂和纵臂两部分，横臂一端和纵臂的下端连接在一起，光纤光栅的一端固定在纵臂上端，光纤光栅的另一端固定在弹性梁顶端；在联动件横臂另一端设置探针，探针穿过设置于底座上的通孔延伸到底座外。

2.根据权利要求1所述的脉诊信号传感器探头，其特征是所述旋转轴水平布置于轴孔中；探针垂直设置在横臂上，横臂和纵臂的轴线相交成直角；弹性梁和联动件均垂直设置于底座上。

3.根据权利要求1所述的脉诊信号传感器探头，其特征是横臂与纵臂的臂长倍数为k，k系数应当设置在0.5-5之间。

4.根据权利要求1所述的脉诊信号传感器探头，其特征是探针头部为球形，直径范围是0～1毫米。

5.根据权利要求1所述的脉诊信号传感器探头，其特征是在探针头部设置硅胶触头；所述光纤光栅是光纤布拉格光栅。

6.根据权利要求1所述的脉诊信号传感器探头，其特征是弹性梁为薄片式弹片结构。

7.根据权利要求1所述的脉诊信号传感器探头，其特征是在旋转轴上并列设置多个联动装置，使设置于联动装置上的探针成一条直线排列。

8.一种如权利要求1所述的光纤脉诊信息采集系统，它包括带光纤耦合输出的宽带光源、光谱测量仪，宽带光源和光谱测量仪同时与光纤耦合器一侧连接，光纤耦合器另一侧通过光纤与脉诊信号传感器探头连接，光谱测量仪与计算机电联接。

9.根据权利要求8所述的光纤脉诊信息采集系统，其特征是宽带光源发出宽光谱光，通过光纤耦合器、光纤到达探头，探头将脉搏信息转换为光信息反射回光纤耦合器，经过光纤耦合器进入到光谱测量仪，光谱测量仪将光信息转变为电信息，由与之相连的计算机读取后分析、处理。

10.根据权利要求8所述的光纤脉诊信息采集系统，其特征是宽带光源是超辐射发光二极管SLD或者ASE光源；宽带光源要求谱宽能够覆盖光纤光栅谱并且光栅在被脉搏信号调制后波长变化区间也能够被宽带光源光谱所覆盖，要求谱宽不低于1nm。

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