CN105662369B - 一种光电式脉搏波传感器和检测设备 - Google Patents

一种光电式脉搏波传感器和检测设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光电式脉搏波传感器，其包括突起结构，该突起结构使得血管壁的内外压强相等，血管壁的压强不会对光电探测器产生影响，从而消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度；进一步，突起结构为整体呈台形的结构，对光电探测器位置正对的血管壁施加的外力最大，距离光电探测器正对位置越远的血管壁承受的外力越小，使得传感器测量位置附近的血管壁受到的外力更加平衡，从而血管壁的压强更加精确地被堆叠层施加的外力抵消，从而进一步提高了脉搏波的测量精度。本发明进一步提供了一种检测设备，包括上述光电式脉搏波传感器。

Description

一种光电式脉搏波传感器和检测设备
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种光电式脉搏波传感器和检测设备。
背景技术
人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波呈现出形态、强度、速率和节律等多方面的信息，很大程度上反映出人体心血管形态的生理病理特征，因此脉搏波是人体重要的生理参数。现有技术存在多种脉搏波检测用的传感器，其中包括压电式传感器和光电式传感器等，其中，光电式传感器是基于光电容积法制成的脉搏波传感器。根据朗伯比尔定律，物质在一定波长处的吸光度和他的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。光电式脉搏波传感器利用朗伯比尔定律，通过对手腕或手指等透光度的检测，间接检测出脉搏信号。其中的反射式光电脉搏波传感器的发射光源和光敏器件位于同一侧，可以精确地，测得血管内容积变化，具有结构简单、无损伤、可重复性好的优点。然而，在使用光电式脉搏波传感器检测时，由于动脉中产生脉搏时，血管壁压强会对传感器的光敏器件，也就是反射光接收端产生不稳定的压强变化，这个压强变化会直接使脉搏波信号中夹杂噪音，另外，手腕等部位的血流信号较弱，血管壁本身具有弹性，弹性血管壁也会对反射光接收端产生不稳定的压强变化，这个压强变化也会直接使脉搏波信号中夹杂噪音，因此，如何克服血管壁压强带来的噪音，提高光电式脉搏波传感器的检测精度，成为本领域的亟待解决的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种光电式脉搏波传感器和检测设备，以克服血管壁压强带来的噪音，提高光电式脉搏波传感器的检测精度。
(二)技术方案
本发明提供了一种光电式脉搏波传感器，其包括：基板11、突起结构、透光柱13、测量光源14和光电探测器15，其中，所述突起结构设置在所述基板11上，其具有一垂直于所述基板的通孔；所述测量光源14和光电探测器15并列设置在所述通孔正下方的基板表面，所述透光柱的形状与尺寸与所述通孔形状与尺寸匹配，其固定于所述通孔内。
优选地，所述突起结构为堆叠层12，所述堆叠层12由N层盘片16层叠而成，各所述盘片16具有位置对应的一中间孔，所述N层盘片的中间孔形成该垂直于所述基板的通孔，N≥2。优选地，3≤N≤10。
优选地，沿远离所述基板的方向，所述N层盘片的横截面尺寸逐层递减，从而构成整体呈台形的突起结构。
优选地，所述盘片16为矩形盘片、圆形盘片或椭圆形盘片。
优选地，所述N层盘片的形状相同，并且横截面尺寸相同。
优选地，所述盘片16为矩形盘片、圆形盘片或椭圆形盘片，从而构成整体呈柱形的突起结构。
优选地，所述突起结构为柱状结构或整体呈台形的结构。
优选地，所述突起结构为整体呈台形的结构，包括：N层台阶结构17；沿远离所述基板的方向，所述N层台阶结构的横截面尺寸逐层递减。
优选地，所述N层台阶结构的台阶横截面为矩形、圆形或椭圆形。
优选地，所述突起结构的所述通孔位于所述突起结构的中心位置或偏向所述突起结构的一侧。
优选地，所述突起结构的所述通孔横截面为矩形、圆形或椭圆形，所述透光柱对应为长方体、圆柱或椭圆柱。
优选地，还包括：恒流源控制电路，位于所述基板内且连接所述测量光源14，用于使得流过所述测量光源的电流值恒定，进而使所述测量光源14发出稳定光强的光。
优选地，还包括：信号调理电路，位于所述基板内且连接所述光电探测器15，用于滤除所述光电探测器输出信号中的直流分量。
进一步地，本发明提供了一种检测设备包括上述光电式脉搏波传感器。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的一种光电式脉搏波传感器具有以下有益效果：
(1)光电式脉搏波传感器包突起结构，该突起结构可以为柱状结构或堆叠层，该突起结构使得血管壁的内外压强相等，血管壁的压强不会对光电探测器产生影响，从而消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度；
(2)柱状结构或堆叠层整体上呈类似锥形的结构，对光电探测器位置正对的血管壁施加的外力最大，距离光电探测器正对位置越远的血管壁承受的外力越小，使得传感器测量位置附近的血管壁受到的外力更加平衡，从而血管壁的压强更加精确地被堆叠层施加的外力抵消，从而进一步提高了脉搏波的测量精度。
附图说明
图1为本发明第一实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图；
图2为本发明第二实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图；
图3为本发明第三实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图；
图4为本发明第四实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图；
图5为本发明第五实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图；
图6为本发明第六实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图；
图7为本发明第六实施例的光电式脉搏波传感器的俯视图；
图8为本发明第七实施例的光电式脉搏波传感器的俯视图；
图9为本发明第八实施例的光电式脉搏波传感器的俯视图；
图10为本发明第九实施例的光电式脉搏波传感器的俯视图；
图11为未采用堆叠层的光电式脉搏波传感器得到脉搏波波形图；
图12为本发明第三实施例的光电式脉搏波传感器得到脉搏波波形图。
【符号说明】
11-基板；12-堆叠层；13-透光柱；14-测量光源；15-光电探测器；16-盘片；17-台阶结构；18-恒流源控制电路；19-信号调理电路；柱状结构20。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，图1为本发明第一实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图，该光电式脉搏波传感器包括：基板11、柱状结构20、透光柱13、测量光源14和光电探测器(PD)15。
其中，柱状结构20设置在基板11上，其具有一垂直于基板的通孔，测量光源14和光电探测器15并列设置在该通孔正下方的基板表面，透光柱13形状与尺寸与该通孔形状与尺寸匹配，其固定于该通孔内。
优选地，该柱状结构的厚度为1mm-10mm；该柱状结构为长方体、圆柱体或椭圆柱体；柱状结构为不透光材料，例如亚克力；
优选地，柱状结构的通孔位于柱状结构的中心位置；透光柱13为透过材料，例如玻璃。
优选地，通孔形状可以是长方体、圆柱体或椭圆柱体，对应地，透光柱13可以为长方体、圆柱体或椭圆柱体。
优选地，光电探测器15可以为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或硅光电池；该测量光源14为发光二极管LED；
优选地，光电式脉搏波传感器还包括恒流源控制电路18，恒流源控制电路18位于基板11内且连接测量光源14，其使得流过测量光源14的电流值恒定测量光源14发出稳定光强的光，避免了因为测量光源14光源波动导致的测量误差，进一步提高了脉搏波的测量精度。
优选地，光电式脉搏波传感器还包括信号调理电路19，其位于基板11内且连接光电探测器15，信号调理电路19滤除光电探测器15输出信号中的直流分量，使得光电探测器15仅包括交流分量，后续只需通过简单的放大电路和低通滤波电路即可实现脉搏信号的采集。
本发明第一实施例的光电式脉搏波传感器，当测量脉搏波时，测量光源14发出的光部分被血液反射，反射光被光电探测器15接收，由于光电式脉搏波传感器具有柱状结构20，将该柱状结构20压在手腕或指尖等处，与皮肤接触，光电式脉搏波传感器通过柱状结构20向血管壁施加一个外力，使得血管壁的内外压强相等，由此血管壁的压强被柱状结构20施加的外力抵消，血管壁的压强将不会对光电探测器15产生影响，从而消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度。
参见图2，图2为本发明第二实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
该光电式脉搏波传感器的柱状结构的通孔并非位于柱状结构的中心位置，而是偏向柱状结构的一侧。
第二实施例的光电式脉搏波传感器，同样可以使得血管壁的内外压强相等，由此血管壁的压强被柱状结构20施加的外力抵消，血管壁的压强将不会对光电探测器15产生影响，从而消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度。
参见图3，图3为本发明第三实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
该光电式脉搏波传感器的柱状结构20为N层台阶结构17，沿远离基板的方向，N层台阶的横截面尺寸逐层递减。
优选地，N层台阶结构的台阶横截面均为矩形、圆形或椭圆形；或者，N层台阶结构的台阶横截面中包括矩形、圆形或椭圆形中的至少两种。
本发明第三实施例的光电式脉搏波传感器，不仅消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度，进一步地，由于与光电探测器15位置正对的血管壁压强最大，其对测量精度的影响也最大，光电探测器15周边的血管壁随着距离光电探测器15越远，其对测量精度的影响也越小，而本发明第三实施例的光电式脉搏波传感器整体上呈类似锥形的结构，光电探测器15位置正对的柱状结构厚度最厚，当该堆叠层12压在皮肤上时，其对光电探测器15位置正对的血管壁施加的外力也最大，而对于光电探测器15正对位置周边的血管壁，随着其距离光电探测器15正对位置越远，柱状结构厚度也越薄，血管壁承受的外力也越小，本发明第三实施例的光电式脉搏波传感器使得传感器测量位置附近的血管壁受到的外力更加平衡，从而血管壁的压强更加精确地被柱状结构施加的外力抵消，从而进一步提高了脉搏波的测量精度。
如图12所示，为本发明第三实施例的光电式脉搏波传感器得到脉搏波波形图，图11为未采用本发明第三实施例的柱状结构的光电式脉搏波传感器得到脉搏波波形图，可以明显看出，本发明第三实施例的光电式脉搏波传感器消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度。
参见图4，图4为本发明第四实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
该光电式脉搏波传感器包括：基板11、堆叠层12、透光柱13、测量光源14和光电探测器(PD)15。
其中，堆叠层12设置在基板11上，其由N层盘片16层叠而成，盘片16具有位置对应的一中间孔，N层盘片16的中间孔形成一垂直于基板的堆叠层的通孔，其中，3≤N≤10，测量光源14和光电探测器15并列设置在该通孔正下方的基板表面，透光柱13形状与尺寸与该通孔形状与尺寸匹配，其固定于该通孔内。
优选地，盘片16为矩形盘片、圆形盘片或椭圆形盘片，优选地，所述N取7。盘片16为不透光材料，例如亚克力。
优选地，盘片中间孔的形状可以是矩形、圆形或椭圆形，对应地，透光柱13可以为长方体、圆柱体或椭圆柱体。
优选地，N层盘片的厚度可相同可互不相同，厚度为0.1mm-0.3mm；当厚度相同时，该厚度为0.2mm。
与上述实施例类似，本发明第四实施例的光电式脉搏波传感器，当测量脉搏波时，测量光源14发出的光部分被血液反射，反射光被光电探测器15接收，由于具有一堆叠层12，将该堆叠层12压在手腕或指尖等处，与皮肤接触，光电式脉搏波传感器通过堆叠层12向血管壁施加一个外力，使得血管壁的内外压强相等，由此血管壁的压强被堆叠层施加的外力抵消，血管壁的压强将不会对光电探测器15产生影响，从而消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度。
参见图5，图5为本发明第五实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
该光电式脉搏波传感器的堆叠层的通孔并非位于堆叠层的中心位置，而是偏向堆叠层的一侧。
第五实施例的光电式脉搏波传感器，同样可以使得血管壁的内外压强相等，由此血管壁的压强被堆叠层12施加的外力抵消，血管壁的压强将不会对光电探测器15产生影响，从而消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度。
图6和图7分别为本发明第六实施例的光电式脉搏波传感器的纵剖面图和俯视图。为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
参见图6和7，沿远离基板的方向，该光电式脉搏波传感器的N层盘片的横截面尺寸逐层递减。
优选地，N层盘片横截面尺寸逐层递减的幅度为上层盘片边长小于下层盘片边长0.5mm以上。
优选地，所述N取7，当盘片为矩形盘片时，从下至上，7层盘片的截面尺寸分别为20mm×8mm、17mm×7.5mm、14mm×7mm、12mm×6mm、10mm×5mm、8mm×4mm、6mm×3mm。
本发明第六实施例的光电式脉搏波传感器，不仅消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度，进一步地，使得传感器测量位置附近的血管壁受到的外力更加平衡，从而血管壁的压强更加精确地被堆叠层12施加的外力抵消，从而进一步提高了脉搏波的测量精度。
参见图8，图8为本发明第七实施例的光电式脉搏波传感器的俯视图，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
该光电式脉搏波传感器的堆叠层12由N层圆盘片层叠而成。与上述实施例类似，第七实施例的光电式脉搏波传感器，不仅消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度，并使得传感器测量位置附近的血管壁受到的外力更加平衡，从而血管壁的压强更加精确地被堆叠层12施加的外力抵消，从而进一步提高了脉搏波的测量精度。
参见图9，图9为本发明第八实施例的光电式脉搏波传感器的俯视图，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
该光电式脉搏波传感器的堆叠层12由N层椭圆盘片层叠而成。与上述实施例类似，第八实施例的光电式脉搏波传感器，不仅消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度，并使得传感器测量位置附近的血管壁受到的外力更加平衡，从而血管壁的压强更加精确地被堆叠层12施加的外力抵消，从而进一步提高了脉搏波的测量精度。
参见图10，图10为本发明第九实施例的光电式脉搏波传感器的俯视图，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
该光电式脉搏波传感器的N层盘片的形状为矩形、圆形或椭圆形中的至少两种。
例如，在图10中，从下至上，各层盘片分别为矩形盘片、椭圆形盘片、圆形盘片、矩形盘片、椭圆形盘片、圆形盘片和矩形盘片。与上述实施例类似，第九实施例的光电式脉搏波传感器，不仅消除了血管壁压强带来的噪音，提高了脉搏波的测量精度，并使得传感器测量位置附近的血管壁受到的外力更加平衡，从而血管壁的压强更加精确地被堆叠层12施加的外力抵消，从而进一步提高了脉搏波的测量精度。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的光电式脉搏波传感器有了清楚的认识。
进一步地，本发明实施例提供了一种检测设备包括上述光电式脉搏波传感器。所述检测设备可以为集成多种功能(包括检测脉搏波的功能)的医用检测设备，还可以为各种可穿戴产品或移动设备，具有健康检测或监控的功能，这些本发明实施例不做限定。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)盘片或台阶还可以采用其他形状；
(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种光电式脉搏波传感器，其特征在于，其包括：基板(11)、突起结构、透光柱(13)、测量光源(14)和光电探测器(15)，其中，
所述突起结构，设置在所述基板(11)上，用于在测量脉搏波时与待测位置接触，所述突起结构中设置有垂直于所述基板的通孔；
所述测量光源(14)和光电探测器(15)并列设置在所述基板的设置有所述突起结构的表面处，并设置在所述通孔的正下方，
所述透光柱(13)填充所述通孔，并与所述突起结构相固定。
2.如权利要求1所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述突起结构为堆叠层(12)，所述堆叠层(12)由N层盘片(16)层叠而成，各所述盘片(16)具有位置对应的一中间孔，所述N层盘片的中间孔形成该垂直于所述基板的通孔，其中N≥2。
3.如权利要求2所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，3≤N≤10。
4.如权利要求2所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，沿远离所述基板的方向，所述N层盘片的横截面尺寸逐层递减，从而构成整体呈台阶形的突起结构。
5.如权利要求4所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述盘片(16)为矩形盘片、圆形盘片或椭圆形盘片。
6.如权利要求2所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述N层盘片的形状相同，并且横截面尺寸相同。
7.如权利要求6所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述盘片(16)为矩形盘片、圆形盘片或椭圆形盘片，从而构成整体呈柱形的突起结构。
8.如权利要求1所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述突起结构为柱状结构或整体呈台阶形的结构。
9.如权利要求8所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述突起结构为整体呈台阶形的结构，包括：N层台阶结构(17)；沿远离所述基板的方向，所述N层台阶结构的横截面尺寸逐层递减。
10.如权利要求9所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述N层台阶结构的台阶横截面为矩形、圆形或椭圆形。
11.如权利要求1-10中任一权利要求所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述突起结构的所述通孔位于所述突起结构的中心位置或偏向所述突起结构的一侧。
12.如权利要求1-10中任一权利要求所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，所述突起结构的所述通孔横截面为矩形、圆形或椭圆形，所述透光柱对应为长方体、圆柱或椭圆柱。
13.如权利要求1-10中任一权利要求所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，还包括：
恒流源控制电路，位于所述基板内且连接所述测量光源(14)，用于使得流过所述测量光源的电流值恒定，进而使所述测量光源(14)发出稳定光强的光。
14.如权利要求1-10中任一权利要求所述的光电式脉搏波传感器，其特征在于，还包括：
信号调理电路，位于所述基板内且连接所述光电探测器(15)，用于滤除所述光电探测器输出信号中的直流分量。
15.一种检测设备，其特征在于，包括如权利1-14中任一权利要求所述的光电式脉搏波传感器。
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