CN103932684A - 一种新型光学脉诊仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光学脉诊仪系统，包括稳压电源、宽带光源及其驱动电路、光纤耦合器、光纤测试头、气动压力控制装置、传输光纤、光谱解调仪、数据采集卡、微处理器、控制信号以及显示输出；输出的宽带光源光信号经光纤耦合器耦合到传输光纤中；光信号通过测试头后由光谱解调仪所接收，接收到的波长漂移信号被数据采集卡采集并传输到微处理器；微处理器通过输出控制信号驱动气动控制电路对三个测试头施加不同的作用力，模拟中医三指号脉；同时处理器用于对采集到的一系列的波长漂移信号进行放大、滤波、分离，送至显示输出单元，用于进行脉搏波信号输出。本发明具有结构简单、灵敏度高、不受电磁干扰、测量装置密闭性好以及实现温度补偿等优点。

Description

一种新型光学脉诊仪系统

技术领域

本发明涉及一种生理脉搏测量技术，特别是涉及一种利用光纤光栅传感技术实现的智能脉诊检测仪。

背景技术

在现代医学高度发展的今天，西医成为了人们日常看病的首要选择。主要是由西医治疗疗程短、见效快等特点。但是西医疗法也存在副作用大，容易引起抗药性等不利影响。中医疗法具有标本兼治，副作用小的优点，正在受到越来越多的关注。其中中医四诊（望、闻、问、切）之一的切，也即脉诊是一种重要的诊断病情的手段。由于中医脉诊过于依赖老中医，致使中医发展受到很大限制。随着现代科学技术的发展，将新技术引入中医诊断中，用精密仪器取代传统手指号脉将会很大程度上解放老中医，将为中医的发展开辟新的道路。

目前国内针对脉搏测量仪的研究经过几十年的发展，提出了大量的测量方法。主要分为电学测量方法和光学测量方法两种方式。其中电学测量方法起步较早，技术也相对更为成熟一些。电学方法主要是采用压力测试头实现压电转换，将脉搏信号转化为电信号。但是电学方式测量往往具有测量装置体积大、易受电磁干扰、精度低等缺点。

光学测量方法主要分为基于光电检测以及光纤传感两种方式。其中专利号为CN102429646A《一种正交正弦波光电容积脉搏波测量装置和测量方法》是基于光电检测原理，提出一种正弦波光电容积脉搏测量装置和测量方法。该测量装置结构简单，但信号光易受人体组织的吸收、存在周围杂散光以及电磁干扰的影响，测量精度较低。同时在实际应用中对电子器件的稳定性也有较高的要求。专利申请号为CN102772200A《脉诊信号传感器探头及光纤脉诊信息采集系统》是基于光纤传感的测量原理，提出了一种将光纤光栅运用到脉搏测量中的方法和脉诊信号测试头。但该发明并没有考虑到温度变化对测量结果的影响，由于光栅对温度很敏感，会对应变的测量产生很大的干扰。所以不能忽略温度的影响。

光纤测试头具有质轻、结构简单、灵敏度高、精度高、抗电磁干扰、可以在一些环境恶劣空间狭小的地方工作等优点，因此该测试头自从被提出以后就得到了广泛的关注和研究。目前已有多种形式的光纤测试头被提出，包括基于FBG光纤测试头、基于LPFG光纤测试头、基于MMI光纤测试头等，这些测试头可以实现温度、应变、折射率、位移、弯曲曲率等物理量的检测。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出一种新型光学脉诊仪系统，利用FBG光纤测试头来提取人体脉搏信号以测量人体脉搏变化，同时模拟传统中医脉诊三指号脉诊断方法，最终实现生理信号检测。

本发明提出的一种新型光学脉诊仪系统，该系统包括稳压电源1、宽带光源及其驱动电路2、光纤耦合器3、光纤测试头4、气动压力控制装置5、传输光纤6、光谱解调仪7、数据采集卡8、微处理器9、控制信号10以及显示输出11；由稳压电源1驱动的宽带光源驱动电路2输出谱线宽度为1525-1625nm的宽带光源，输出光信号经光纤耦合器3耦合到传输光纤6中；光信号通过测试头4后由光谱解调仪7所接收，接收到的波长漂移信号被数据采集卡8采集并传输到微处理器9；微处理器9通过输出控制信号10驱动气动控制电路5对三个测试头4施加不同的作用力，模拟中医三指号脉；同时处理器9用于对采集到的一系列的波长漂移信号进行放大、滤波、分离，送至显示输出单元11，用于进行脉搏波信号输出。

所述光纤测试头包括底座12和壳体21，其具体结构为：

底座12与皮肤接触，其上开有一个直径大于1.5mm的圆孔，光纤测试头4的脉诊探头13穿过该圆孔，与被测者脉位充分接触；脉诊探头（13的末端通过一活动轴与两个连杆15连接，在两个连杆15的末端各与一滑块通过一活动轴连接，连杆15的移动带动着滑块左右移动；脉诊探头13的起伏带动着活动连杆15转动；

壳体21顶端设置挡板19；在每一滑块与壳体21之间设置一个微型弹簧18；两段光栅贯穿于一对滑块设置，这两段光栅分别是测量光栅16与参考光栅17；其中：测量光纤16粘接设置于一对滑块之间，参考光纤17则位于一滑块之外与壳体21构成的空间内且是自由的；滑块运动带动测量光栅16发生形变。

所述滑块设置于一滑块运行导轨22和一滑块底座23中；所述滑块运行导轨22中有一个卡槽25，用于对滑块起到夹持的作用，滑块底座23中设置一凹槽26贯通，连杆15通过所述凹槽并与滑块连接。

与现有技术相比，本发明具有结构简单、灵敏度高、不受电磁干扰、测量装置密闭性好以及实现温度补偿等优点。

附图说明

图1为本发明的脉诊仪的系统结构示意图；

1、稳压电源；2、宽带光源及其驱动电路；3、光纤耦合器；4、光纤测试头；5、气动压力控制装置；6、传输光纤；7、光谱解调仪；8、数据采集卡；9、微处理器；10、控制信号；11、显示输出。

图2为光纤测试头的结构示意图；

图3为滑块运行导轨的结构图；

12、测试头底座；13、脉诊探头；14、活动轴；15、活动连杆；16、测量光栅；17、参考光栅；18、微型弹簧，型号为B0.16×2.50×10.00GB.1937.2-89-S（同类型其它弹簧亦可）；19、挡板；20、滑块；21、测试头壳体；22、滑块运行导轨；23、导轨底座；24、用于连杆通过的凹槽；25、用于夹持滑块的卡槽；26、用于固定测量光栅的凹槽；27、用胶粘结光纤的滑块端面；28、滑块底座。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明具体实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，其中的宽带光源选取中心波长为1550nm，谱线宽度为1525-1625nm。传输光纤6选用单模光纤；微处理器9输出压力控制信号到气动压力控制装置5来调节测试头4施加在人体脉位处的压力，模拟中医三指号脉。

如图2和图3所示的结构中，弹簧18选用微型弹簧，微型弹簧的弹力远远小于连杆对滑块的推力，主要作用是能够保证滑块20随脉搏跳动而灵活移动且不至于滞后于脉搏的跳动，并保证滑块及时回到初始位置，形成与脉搏跳动的周期性相适应的沿导轨的周期性的滑动，保证测量的准确性；同时弹簧18还对滑块20有一个缓冲保护的作用，防止因施加压力过大，造成光纤断裂，这样可以增加测试头使用寿命。这样不会导致弹簧弹力影响光栅形变。微型弹簧在使滑块有效运动的同时，还可以对光栅起到保护作用。微型弹簧可以防止对触头施加压力过大而导致光纤拉断。这就保证了该测试头的使用寿命。测试头的脉诊探头13部分要求为球形，材质选用硅胶，起到保护皮肤的作用。由于人体的桡动脉直径在2.4mm左右，为了保证对脉搏信号的准确测量，探头直径设置在1.5mm范围左右；这样保证测量触头充分的感应到脉搏信号，同时保证人在测量时的舒适度。不至于因触头尖锐而导致人体皮肤损伤。测量光栅16、参考光栅17选用中心波长为1550nm的长周期光栅。

在本发明的实际应用中，侧试头可以多个触点联合起来测量，在不同的脉位处分布。可以对三个测试头分别施加不同的压力，模拟中医中的三指号脉的功能。由于光纤具有波分复用的功能。同一台解调仪可以同时供多个不同的测试头和病人使用。这样可以实现对病人生理信息的实时监控。

本发明设计出同时测量寸、关、尺三处脉位脉搏信号的测试头；将测试头的脉诊探头准确放置于人体腕部的寸、关、尺三脉位处。要求传感器的灵敏度高（0.1Pa，范围在0-50kPa），频率响应快。测试头的探头末端设置为球面，直径在1.5mm左右。

该测试头的压力感应触头连接两个大小相同的活动连杆，连杆的另外一端连接两个移动滑块。由于裸露光栅对应变不敏感，而且很脆，直接用其测量时非常容易损坏。所以有必要对裸光栅进行封装，既能起到保护光栅的作用，又可以实现增敏的效果。

本发明对于脉诊仪设备中的光栅的封装处理如下：

两滑块是在比较光滑的导轨面上滑动。滑块中心设置凹槽，通过胶粘的方式固定测量光栅的两端（光栅区域排除在外）。其中两滑块之间的光栅作为测量光栅。由于光纤光栅存在温度应变交叉敏感的问题，在实际应用中无法从单一的波长漂移中分辨出这究竟是由温度引起的还是由应变引起的。所以要对光纤光栅进行恰当的封装，实现对温度的补偿。本专利是通过在滑块外侧设置参考光栅的方式进行温度补偿的。两根光栅所处的环境温度是相同的。参考光栅的温度特性是经过标定的，从它的波长与温度的对应关系就能直接知道环境温度，然后根据传感光栅温度特性曲线就可以从传感光栅的波长漂移中剔除温度的影响，解调出应变。

本专利设计的光纤布拉格光栅测试头具有波分复用的功能。因此同一台解调仪可以同时解调多个测试头的测量信息。同一台解调仪可以同时对多个病人的信息进行解调，对病人的生理状态实时监测。同时利用光纤传感网传递病人实时信息，也为远程医疗诊断打下基础。

根据光纤光栅传感测量的性质，可以通过以下公式得到人体脉搏压力与光纤光栅输出波长漂移信号的对应关系。

当该测试头放置到人的脉搏测量位置处时，脉搏的跳动会带动测试头探头的移动，最终滑块产生Δd的位移。假设光纤光栅是绝对均匀地，也就是说，光栅的周期及折射率的相对变化率是等于光栅长度的相对变化率。设光纤光栅总长为2d，则由脉搏跳动而产生的形变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2\mathrm{\Δd}}{2d}=\frac{\mathrm{\Δd}}{d}---\left(1\right)$

根据光纤布拉格光栅的作用机理，光栅的中心反射波长为

λ_B＝2Λn_eff        （2）

式（2）中：Λ为光栅周期，n_eff为光栅的有效折射率。

由上式可以推出光纤光栅的中心波长由光栅的周期及有效折射率决定。该公式即是布拉格波长反射条件。满足该条件的波长将会被反射回去。光纤布拉格光栅受光栅周期以及光纤有效折射率的影响。光栅对温度及应变同样敏感，温度与应变通过改变光栅有效折射率及光栅周期来使波长发生漂移。

由公式（1）得：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}\·\mathrm{\ϵ}=K_{\mathrm{\ϵ}}\·\frac{\mathrm{\Δd}}{d}---\left(3\right)$

式中：Δλ_B为中心波长的变化量；K_ε为光纤光栅的灵敏度系数。

通过对机构的分析可以得到光纤光栅受到的拉力为F，则根据材料力学的原理可以得到光栅产生的应变为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=K_{\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\λ}}_B\·\frac{\mathrm{\Δd}}{d}=K_{\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\λ}}_B\·\frac{F}{E\·S}---\left(4\right)$

通过（3）式可以得到光纤光栅应变的变化量。式（4）中的F为光栅受力大小，E为光纤的弹性模量，S为光纤端面的截面积。通过光谱解调仪可以得到中心波长的漂移量，然后得到光栅长度的变化量。由于脉搏的跳动对滑块施加推力使光栅发生长度的变化，进而反算出脉搏压力的变化。最终得到脉搏波形图。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种新型光学脉诊仪系统，其特征在于，该系统包括稳压电源（1）、宽带光源及其驱动电路（2）、光纤耦合器（3）、光纤测试头（4）、气动压力控制装置（5）、传输光纤（6）、光谱解调仪（7）、数据采集卡（8）、微处理器（9）、控制信号（10）以及显示输出（11）；由稳压电源（1）驱动的宽带光源驱动电路（2）输出谱线宽度为1525-1625nm的宽带光源，输出光信号经光纤耦合器（3）耦合到传输光纤（6）中；光信号通过测试头（4）后由光谱解调仪（7）所接收，接收到的波长漂移信号被数据采集卡（8）采集并传输到微处理器（9）；微处理器（9）通过输出控制信号（10）驱动气动控制电路（5）对三个测试头（4）施加不同的作用力，模拟中医三指号脉；同时处理器（9）用于对采集到的一系列的波长漂移信号进行放大、滤波、分离，送至显示输出单元（11），用于进行脉搏波信号输出。

2.如权利要求1所述的新型光学脉诊仪系统，其特征在于，所述光纤测试头包括底座（12）和壳体（21），其具体结构为：

底座（12）与皮肤接触，其上开有一个直径大于1.5mm的圆孔，光纤测试头（4）的脉诊探头（13）穿过该圆孔，与被测者脉位充分接触；脉诊探头（13）的末端通过一活动轴与两个连杆（15）连接，在两个连杆（15）的末端各与一滑块通过一活动轴连接，连杆（15）的移动带动着滑块左右移动；脉诊探头（13）的起伏带动着活动连杆（15）转动；

壳体（21）顶端设置挡板（19）；在每一滑块与壳体（21）之间设置一个微型弹簧（18）；两段光栅贯穿于一对滑块设置，这两段光栅分别是测量光栅（16）与参考光栅17；其中：测量光纤16粘接设置于一对滑块之间，参考光纤（17）则位于一滑块之外与壳体（21）构成的空间内且是自由的；滑块运动带动测量光栅（16）发生形变。

3.如权利要求1所述的新型光学脉诊仪系统，其特征在于，所述滑块设置于一滑块运行导轨（22）和一滑块底座（23）中；所述滑块运行导轨（22）中有一个卡槽（25），用于对滑块起到夹持的作用，滑块底座（23）中设置一凹槽（26）贯通，连杆（15）通过所述凹槽并与滑块连接。