CN102813528A - 一种波长解调系统和心音检测装置及应用 - Google Patents

Abstract

一种波长解调系统和心音检测装置及应用，属于光电技术领域。所述波长解调系统由ASE宽带光源、光隔离器、F-P可调谐滤波器、光环行器、光探测器和用于实现波长解调和心音信号处理的信号处理单元组成，可实现光纤光栅反射波长的动态解调，具有动态解调工作点自动校准和抑制工作点漂移的功能。所述波长解调系统与光纤光栅心音传感器组成心音检测装置，采用小波消噪方法去除波长解调信号中混有的呼吸运动信号成分和其它噪声，提取出信噪比较好的心音信号。将所述的心音检测装置应用于智能服装，对人体心音信号进行实时监测，实现对心血管疾病的早期发现，从而使患者得到及时救治，避免死亡，在临床治疗和居家健康监护等方面具有特别重要的意义。

Description

一种波长解调系统和心音检测装置及应用

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其是一种波长调解系统和心音检测装置及应用。

背景技术

智能服装是电子信息学科、材料学科、纺织学科及其它相关学科结合与交叉的产物，它不仅能够对人体外部环境或内部状态变化进行感知，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化做出反应，具有携带方便、实时监测等特点。感知、反馈和反应是智能服装的三大要素。

智能服装的理念起源与上世纪70年代末80年代初流行的“可穿戴计算机”技术，由于集成电路技术的进步，原来安装在背包中的计算机系统可以植入衣服中，并通过互联网技术从系统中获取信息。最早的智能服装在1993年诞生于美国麻省理工学院的媒体实验室。

目前国外对检测人体生理参数智能服装的研究主要集中在欧洲和美国，研究的主要方向集中在各生理参数的检测方法和传感器织入服装的方法方面，具有代表性的智能服装原型主要有欧洲的VTAMN、WEALTHY、MagIC、MyHeart原型和美国的SmartShirt、LifeShirt原型。

其中，VTAMN原型是一件T恤，内部植入4个干心电(ECG)电极、1个呼吸速率传感器、一个撞击/摔倒探测器和2个温度传感器，这些传感器通过织入服装的导电纤维将感测信号传输给接收设备。可实现人体心率、温度、呼吸运动的监测，以及是否发生摔倒、撞击等突发事件的探测。

WEALTHY原型是一件具有无线传输功能的服装，内部嵌入织物传感器，用于对人体生理信号进行同步、连续地采集，所采集的生理信息包括心电图、呼吸、肌电图(EMG)和身体运动情况。这种智能服装嵌入了由具有压阻特性的纱线制作的压力织物传感器和由金属纱线制作的织物电极。

MagIC原型是一件嵌入传感器的汗衫，内部集成了织物传感器用于心电和呼吸频率的探测，以及一个便携式电路板用于人体运动的评估和信号的处理。可通过蓝牙(Bluetooth)技术实现智能服装与外部监视器的数据传输。

MyHeart智能服装原型用于心血管疾病的早期检测和预防，它可以连续或周期检测与心脏相关的重要数据，从而获取人体健康状况的信息。为了实现这一目的，MyHeart原型中集成了各种体表传感器和电子系统，利用这些装置可实现生理数据的采集、处理和评估。

国内的智能服装研究，在检测方法、电路设计、传感器与织物的结合，信号处理等方面均处于起步阶段，与欧洲和美国的研究水平相比，存在着明显的差距。目前，东华大学、华中科技大学、天津工业大学等在智能纤维、织物传感器、功能织物部件、智能服装健康监护系统等方面已经开展了一些研究工作。

光纤光栅(FBG)具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、易于实现分布式测量和与纱线兼容等优点，因此，光纤光栅是应用于智能服装中最具优势和潜力的传感元件之一。由于光纤光栅属于一种波长调制型的光纤传感器，为实现对被测物理量的检测，需要进行波长解调系统的研究。

本发明涉及的波长解调系统用于实现分布式光纤光栅的动态波长解调，与光纤光栅心音传感器组合构成心音检测装置，该装置可应用于检测人体生理参数的智能服装中，实现人体心音的实时监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种波长调解系统和心音检测装置及应用。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种应用上述波长调解系统的心音检测装置。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述心音检测装置的应用。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

如附图1所示，一种波长调解系统，由ASE宽带光源、光隔离器、F-P可调谐滤波器、光环行器、光探测器和用于实现波长解调和心音信号处理的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔离器、F-P可调谐滤波器和光环行器第一输入端口线路连接，所述光环行器第三端口依次与光探测器和信号处理单元输入端口线路连接，所述信号处理单元输出端口与F-P可调谐滤波器控制端口线路连接。

优选的，上述波长调解系统，所述信号处理单元由I/V变换电路、低通滤波器电路、DSP芯片、数/模转换电路、电压放大电路组成，其中I/V变换电路依次与低通滤波器和DSP芯片的模/数转换模块输入端口线路连接，所述DSP芯片依次与数/模转换电路和电压放大电路线路连接。

优选的，上述波长调解系统，所述DSP芯片型号为TMS320F28335，DAC芯片型号为AD5725。

优选的，上述波长调解系统，所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调的：信号处理单元输出扫描电压控制F-P滤波器透射波长移动到工作点位置，并加入扰动信号使F-P滤波器透射波长在工作点处稳定，此时光探测器输出信号经I/V变换和低通滤波后得到解调信号，实现对光纤光栅的动态波长解调。

优选的，上述波长调解系统，所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调工作点自动校准的：信号处理单元首先对F-P滤波器调谐范围进行一次全扫描，同步对光探测器输出信号进行采集，根据采集数据计算出波长解调工作点的阈值电压，然后信号处理单元再次输出扫描电压，控制F-P滤波器透射波长从高到低移动，同时采集光探测器输出信号，当光探测器输出信号大于工作点阈值电压时，停止扫描，此时F-P透射波长到达工作点位置，从而实现工作点自动校准。

一种应用上述波长调解系统的心音检测装置，还包括光纤光栅心音传感器，所述光纤光栅心音传感器采用膜盒式结构，光纤光栅粘贴在圆形振动膜片中心，粘帖位置为沿圆形振动膜片直径中心对称，粘合剂使用环氧树脂，所述光纤光栅心音传感器与波长解调系统的光环行器第二端口线路连接。

优选的，上述心音检测装置，所述信号处理单元是通过下述方法实现心音信号处理的：信号处理单元采用小波消噪的方法从光纤光栅心音传感器输出信号中提取信噪比较好的心音信号，去除人体呼吸运动等对光纤光栅心音传感器输出信号的影响。

优选的，上述心音检测装置，所述信号处理单元实现心音信号处理的具体步骤为：在采样率为1KHz的情况下，首先选用db4小波基函数对光纤光栅心音传感器输出信号进行5层小波分解，然后对各层分解信号进行硬阈值处理，仅保留d5和d4层信号，其余各层分解信号被舍弃，最后利用d5和d4层信号进行小波重构，从而得到信噪比较好的心音信号。

上述心音检测装置在智能服装中的应用。

本发明的有益效果：本发明的波长解调系统结构简单，能够实现光纤光栅动态波长解调，具有波长解调工作点自动校准和抑制工作点漂移的功能。应用上述波长调解系统的心音检测装置能够实现人体心音的检测，具有检测灵敏度高、抗电磁干扰的特点。应用上述心音检测装置的智能服装能够对人体心音信号进行实时监测，实现对心血管疾病的早期发现，从而使患者得到及时救治，避免死亡，在临床治疗和居家健康监护等方面具有特别重要的意义。另外，上述智能服装还可以应用于军事与航天、娱乐与通讯、安全与保卫等领域，具有较高的经济效益。

附图说明

图1是波长解调系统原理框图；

图2是信号处理单元的组成框图；

图3是将所述的心音检测装置应用于智能服装的设计原理图；

图中1-弹性衣料  2-光纤光栅心音传感器

3-粘锁  4-拉链  5-传输光纤  6-光纤连接器

图4是心音检测装置实测结果对比图(其中(a)为心音检测装置检测到的心音信号；(b)为HKY06心音传感器同步检测的心音信号)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的说明。

实施例1

如附图1所示，一种波长调解系统，由ASE宽带光源、光隔离器、F-P可调谐滤波器、光环行器、光探测器和用于实现波长解调和心音信号处理的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔离器、F-P可调谐滤波器和光环行器第一输入端口线路连接，所述光环行器第三端口依次与光探测器和信号处理单元输入端口线路连接，所述信号处理单元输出端口与F-P可调谐滤波器控制端口线路连接，所述信号处理单元，如附图2所示，光电探测器输出信号进入I/V变换电路，I/V变换电路依次与低通滤波电路、DSP芯片内部ADC模块线路连接，所述DSP芯片依次与数/模转换电路、电压放大电路连接，电压放大电路输出F-P滤波器控制信号。

所述波长解调系统的工作原理如下：

光纤光栅的反射谱函数R(λ)和F-P滤波器透射谱函数T(λ)如下：

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=R_0\exp \left[\frac{-4\ln 2}{b_1^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2\right]$

$T\left(\mathrm{\λ}\right)=T_0\exp \left[\frac{-4\ln 2}{b_1^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_2)}^2\right]$

式中，R₀为FBG的最大反射率，λ₁为FBG反射中心波长，b₁为FBG的3dB带宽，T₀为F-P滤波器的最大透射率，λ₂为F-P滤波器透射中心波长，b₂为F-P滤波器的3dB带宽。

λ₂受到F-P滤波器驱动电压的控制发生移动，当F-P滤波器透射谱与FBG反射谱相交时，F-P滤波器透射谱与FBG反射谱交叠部分的光被反射给光探测器，其光强P为FBG和F-P滤波器谱函数的卷积，其表达式为：

$P=k_1{\∫}_{-\∞}^{+\∞}I\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)T\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}=k_1{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{I}_{0}R\left(\mathrm{\λ}\right)T\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

$=k_2{b}_1{b}_2\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2(b_1^2+b_2^2)}}\exp \left[\frac{-4\ln 2}{b_1^2+b_2^2}{({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}^2\right]$

式中，k₁为光路损耗系数，与光器件损耗、耦合器分束比有关；I(λ)为宽带光源输出谱函数，由于FBG反射谱和F-P滤波器透射谱可交叠部分远小于宽带光源输出带宽，在计算中将I(λ)近似为常量I₀；k₂＝k₁I₀R₀T₀。

设光探测器输入光强与调理电路(包括I/V变换电路和低通滤波电路)输出电压V_out呈线性关系，则V_out与FBG、F-P滤波器中心波长差λ₁₂(λ₁₂＝λ₁-λ₂)的关系为：

$V_{\mathrm{out}}=k_{3}P=k_2{k}_3{b}_1{b}_2\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\ln 2(b_1^2+b_2^2)}}\exp \left[\frac{-4\ln 2}{b_1^2+b_2^2}{{\mathrm{\λ}}_{12}}^2\right]$

式中，k₃为光探测器的转换系数。若F-P滤波器中心波长保持不变，且FBG中心波长在F-P滤波器中心波长一侧变化时，可建立FBG中心波长与V_out的单值关系，从而实现对FBG中心波长变化的检测。

为实现上述原理的光纤光栅动态波长解调，需要将F-P滤波器中心波长移动并固定在光纤光栅中心波长附近，使FBG反射谱与F-P滤波器透射谱相交，F-P滤波器所固定的位置称为动态解调工作点，简称工作点。为使系统输出与光纤光栅波长变化保持同相并具有较高的灵敏度，将工作点设为光纤光栅反射谱型的下降边沿的最大灵敏度位置。

将V_out对λ₁₂进行求导，得到解调输出的灵敏度表达式为：

$S=\frac{d{V}_{\mathrm{out}}}{d{\mathrm{\λ}}_{12}}=-k_4{\mathrm{\λ}}_{12}\exp \left[\frac{-4\ln 2}{b_1^2+b_2^2}{{\mathrm{\λ}}_{12}}^2\right]$

$k_4=2k_2{k}_3{b}_1{b}_2\frac{\sqrt{4\ln 2\·\mathrm{\π}}}{(b_1^2+b_2^2)\sqrt{b_1^2+b_2^2}}$

经计算，当

解调输出灵敏度达到最大。取

位置为工作点，此时探测器检测电压约为峰值电压的0.6倍，根据该原理实现工作点的自动校准。

由于压电陶瓷存在响应滞后的特性，当F-P透射中心波长移至到工作点，驱动电压保持不变后，F-P透射中心波长会发生漂移，将这种现象称为工作点漂移。这种现象导致F-P透射中心波长远离理想工作点，从而减少动态波长解调范围，严重时会造成解调结果失真，甚至无法解调。为使F-P滤波器中心波长在工作点处保持稳定，本发明提出加入扰动电压的波长稳定方法。当F-P滤波器中心波长移动到工作点后，加入频率远高于被测信号频率的小幅度正弦驱动信号(扰动信号频率设置为2KHz，幅度为20mV)，使F-P滤波器中心波长在工作点附近小范围内变化，从而防止F-P滤波器中心波长远离工作点。此时系统输出信号频谱中，除被测信号频率分量外，还包含扰动信号的频率分量。由于扰动信号频率远高于被测信号频率，可通过对输出信号进行低通滤波处理获取解调信号。

实施例2

如附图1所示，一种应用所述波长调解系统的心音检测装置，还包括光纤光栅心音传感器，所述光纤光栅心音传感器采用膜盒式结构，光纤光栅粘贴在圆形振动膜片中心，粘帖位置为沿圆形振动膜片直径中心对称，粘合剂使用环氧树脂，所述光纤光栅心音传感器与波长解调系统的光环行器第二端口线路连接。

由于心音引起的光纤光栅轴向应变较小，因此解调信号中心音信号被淹没在人体呼吸引起的干扰和其它噪声中。本发明采用小波消噪的方法实现心音信号的分离，具体步骤为：由于心音信号的采样速率为1KHz，进行5层小波分解后，每层对应的频率范围为d1：1KHz～500Hz，d2：500Hz～250Hz，d3：250Hz～125Hz，d4：125Hz～62.5Hz，d5：62.5Hz～31.25Hz，a5：31.25Hz～0Hz。由于心音信号主要成分集中在50～100Hz，包含在d5和d4层，因此对分解后的小波系数，保留d5和d4层，其余阈值强制为零，重构后的信号作为所提取出的心音信号。

实施例3

将所述的心音检测装置应用于智能服装实现人体心音的实时监测，其设计原理图如附图3所示。为便于穿脱，避免穿脱过程中造成传感器和织入光纤的损坏，将服装设计为正面缝有拉链4的样式，并在服装的前胸两侧均缝入带状弹性衣料1，其中的一片弹性衣料1中织入了光纤光栅心音传感器2。两带状面料采用粘锁3进行连接，从而保证传感器与人体皮肤始终紧密接触。综合考虑织入服装的复杂程度和与人体皮肤的紧贴程度，将光纤光栅心音传感器2放置在胸骨左缘与心尖部之间位置。

将光纤光栅尾纤从传感器下部伸出，为尽量减少衣服穿脱及人体运动对传输光纤5的损坏，传输光纤5在衣服中的走向为从传感器位置向下延伸，从衣服下部伸出，与光纤连接器6相连。为避免传输光纤5受力对光栅造成影响，传输光纤5在服装中呈‘S’状放置，并用纱线固定在内层面料中，从而有效减小了在人体运动过程中，由于光纤受力产生的光纤光栅轴向应变。

应用例

利用上述心音检测装置进行人体心音实测，为验证实测结果的正确性，使用HKY06型标准心音传感器进行同步测量，如附图4所示，根据所述心音检测装置和HKY06心音传感器的测量结果对比图可见，所述心音检测装置与HKY06传感器的输出信号均具有明显的第一、二心音特征，且两组数据中第一、二心音出现位置基本一致。实验结果表明：所述光纤光栅心音检测装置能够实现人体心音信号的正确采集，波长解调信号经所述的小波消噪算法处理后可得到信噪比较好的心音信号，从而实现对人体心音信号的实时检测。

上述参照实施例对该一种波长调解系统和心音检测装置及应用进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种波长解调系统，其特征在于：由ASE宽带光源、光隔离器、F-P可调谐滤波器、光环行器、光探测器和用于实现波长解调和心音信号处理的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔离器、F-P可调谐滤波器和光环行器第一输入端口线路连接，所述光环行器第三端口依次与光探测器和信号处理单元输入端口线路连接，所述信号处理单元输出端口与F-P可调谐滤波器控制端口线路连接。

2.根据权利要求1所述的波长解调系统，其特征在于：所述信号处理单元由I/V变换电路、低通滤波器电路、DSP芯片、数/模转换电路、电压放大电路组成，其中I/V变换电路依次与低通滤波器和DSP芯片的模/数转换模块输入端口线路连接，所述DSP芯片依次与数/模转换电路和电压放大电路线路连接。

3.根据权利要求2所述的波长解调系统，其特征在于：所述DSP芯片型号为TMS 320F28335，DAC芯片型号为AD5725。

4.根据权利要求1-3之一所述的波长解调系统，其特征在于：所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调的：信号处理单元输出扫描电压控制F-P滤波器透射波长移动到工作点位置，并加入扰动信号使F-P滤波器透射波长在工作点处稳定，此时光探测器输出信号经低通滤波后得到解调信号，实现对光纤光栅的动态波长解调。

5.根据权利要求1-3之一所述的波长解调系统，其特征在于：所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调工作点自动校准的：信号处理单元首先对F-P滤波器调谐范围进行一次全扫描，同步对光探测器输出信号进行采集，根据采集数据计算出波长解调工作点的阈值电压，然后信号处理单元再次输出扫描电压，控制F-P滤波器透射波长从高到低移动，同时采集光探测器输出信号，当光探测器输出信号大于工作点阈值电压时，停止扫描，此时F-P透射波长到达工作点位置，从而实现工作点位置自动校准。

6.一种应用权利要求1-5之一所述波长解调系统的心音检测装置，其特征在于：还包括光纤光栅心音传感器，所述光纤光栅心音传感器采用膜盒式结构，光纤布拉格光栅粘贴在圆形振动膜片中心，粘帖位置为沿圆形振动膜片直径中心对称，粘合剂使用环氧树脂，所述光纤光栅心音传感器与波长解调系统的光环行器第二端口线路连接。

7.根据权利要求6所述的心音检测装置，其特征在于：所述信号处理单元是通过下述方法实现心音信号处理的：信号处理单元采用小波消噪的方法从光纤光栅心音传感器输出信号中提取信噪比较好的心音信号，去除人体呼吸运动、温度变化对传感器输出信号的影响。

8.根据权利要求7所述的心音检测装置，其特征在于：所述信号处理单元实现心音信号处理的具体步骤为：在采样率为1KHz的情况下，首先选用db4小波基函数对光纤光栅心音传感器输出信号进行5层分解，然后对各层分解信号进行硬阈值处理，仅保留d5和d4层信号，其余各层分解信号被舍弃，最后利用d5和d4层信号进行小波重构，从而得到信噪比较好的心音信号。

9.权利要求6-8之一所述的心音检测装置在智能服装中的应用。

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