CN106415226A - 传感装置和感测力的方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的实施方案，提供一种传感装置。所述传感装置包括传感器布局，传感器布局包括光纤和邻接所述光纤布置的至少一个间隔器元件，其中所述光纤和所述至少一个间隔器元件经调适以配合接收施加于所述传感器布局的力，从而调制在所述光纤中传播的光学信号。根据本发明的进一步实施方案，还提供一种感测力的方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年3月26日提交的新加坡专利申请号10201400990Q的优先权，出于所有目的将其全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
各实施方案涉及传感装置和感测力的方法。
背景技术
力传感器广泛用于许多应用，如医疗、健康护理和工业领域。最近，光纤压力传感器由于其电磁免疫性、固有安全的操作模式和重量轻而吸引了大量关注。然而，当施加于传感器的压力超过某个值时，动态工作范围不充足。
因此有需要提供具有增强或更大动态工作范围的传感装置。
发明内容
根据实施方案，提供传感装置。所述传感装置可包括传感器布局，所述传感器布局包括光纤和邻接所述光纤布置的至少一个间隔器元件，其中所述光纤和所述至少一个间隔器元件经调适以配合接收施加于所述传感器布局的力，从而调制在光纤中传播的光学信号。
根据实施方案，提供感测力的方法。所述方法可包括：将光信号提供给光纤用于在光纤中传播，将力施加于光纤和邻接光纤布置的至少一个间隔器元件以调制在光纤中传播的光信号，和检测由力调制的光学信号。
附图说明
在图中，不同视图中的类似参考符号一般指代类似零件。附图不一定依比例绘制，而是基本上着重于说明本发明的原理。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各实施方案，其中：
图1示出传感装置的示意图。
图2A示出图1传感装置的作为重量的函数的传感器输出线图，而图2B示出图1传感装置的传感器垫的灵敏度的线图。
图3示出具有含和不含间隔器的传感器垫的传感装置的传感器输出的线图。
图4A示出根据各实施方案的传感装置的示意性立体视图。
图4B示出图示根据各实施方案感测力的方法的流程图。
图5A示出根据各实施方案的传感装置的示意性立体视图。
图5B示出图5A传感装置的传感器布局的示意性俯视图。
图5C示出图5A传感装置的传感器布局的示意性立体视图。
图6示出各实施方案的传感器垫的顶或底层中至少一者的网状结构区段的图像。
图7示出图示各实施方案的传感装置的光学损耗与重量之间的关系的结果线图。
图8A和图8B示出利用各实施方案的传感器垫的坐靠应用的测定结果。
图9A和图9B示出利用各实施方案的传感器垫的站立应用的测定结果。
图10示出图示根据各实施方案用于体重测定的方法的图。
图11示出利用各实施方案的传感器垫测定的典型心冲击描记图(ballistocardiogram，BCG)波形。
具体实施方式
以下详细描述参考了通过图示方式示出可实践本发明的特定细节和实施方案的附图。这些实施方案经过充分详细描述，使得本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明范围下可采用其它实施方案且可作出结构、逻辑和电学变化。各实施方案不一定相互排斥，因为一些实施方案可与一个或多个其它实施方案组合以形成新实施方案。
在方法或装置其中之一的上下文中描述的实施方案类似地对于其它方法或装置有效。类似地，在方法上下文中描述的实施方案类似地对于装置有效，且反之亦然。
在实施方案上下文中描述的特征可相应地适用于在其它实施方案中的相同或类似特征。在实施方案上下文中描述的特征可相应地适用于其它实施方案，即使在这些其它实施方案中未明确描述。此外，关于实施方案中的特征而描述的增加和/或组合和/或替换可相应地适用于其它实施方案中的相同或类似特征。
在各实施方案上下文中，关于特征或元件使用的冠词“一”和“所述”包括对特征或元件中的一个或多个的引述。
在各实施方案上下文中，短语“至少大体上”可包括“精确地”和合理方差。
在各实施方案上下文中，应用于数值的术语“约”或“大致”涵盖确切值和合理方差。
如本文所使用，术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
如本文所使用，“A或B中的至少一个”形式的短语可包括A或B或A和B两者。相应地，“A或B或C中的至少一个”形式或包括其它列出项目的短语可包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
各实施方案可提供具有可调节或增强动态工作范围的生命征象监测装置(或传感装置)。
各实施方案可提供一种组成自或包括光纤传感器垫(或光纤传感器布局)和收发器的方法和医疗装置(或传感装置)，以测定呼吸速率、心率、体力或身体运动中的至少一个。待测定的体力可包括体重和/或心力，例如心搏力等。传感器垫可按某一方式构造使得传感器垫的顶层和底层可含有具有大面积网状结构的聚酯纤维，且在顶层与底层之间可以是一段多模纤维和一个或多个虚拟纤维(例如间隔器)或作为间隔器的塑料/金属管/棒以调节(例如增强)传感器垫的动态工作范围。收发器可组成自或包括光源、检测器和具有显示和警报功能以报告结果并提示装置用户的信号处理单元。
图1示出传感装置100的示意图，其图示传感装置100的各个组件或元件。传感装置(或传感器)100可包括传感器垫(指示为片材1)102，其可以是不含任何间隔器的微弯型光纤传感器垫；光源(L1)110和检测器(D1)112。传感器垫102可包括顶层和底层，且可按某一方式构造，使得顶层和底层各自可含有具有大面积网状结构的一个或多个聚酯纤维，其中在顶层与底层之间是一段多模纤维。虽然传感装置100的传感器垫102、光源110和检测器112示出为相互分离，但应明白传感器垫102、光源110和检测器112可相互耦接，包括例如相互机械耦接且/或光学耦接。
传感装置100可用作各种测定的测试机构，其中可将待测定的力或重量施加于传感器垫102。作为非限制性实例，传感器垫102可具有大致25cm×20cm的承重用接触面积，其中出于传感器表征的目的选择了0.05m2的面积。
图2A示出传感装置100的作为重量的函数的传感器输出的线图250，其图示作为重量的函数的传感器输出的典型曲线。正如所观察般，存在大体完美高斯拟合。图2B示出传感装置100的传感器垫102的灵敏度的线图252，其图示传感器垫的灵敏度的典型曲线。
如图2A中所示出般，例如利用检测器112获得的呈电压振幅形式的传感器输出与重量之间的关系为非线性。从图2B可观察到传感器垫102和传感装置100在大约100Pa下具有较高灵敏度。在约300Pa后灵敏度为低。这意味着传感器垫112对大体重可具有比小体重低的灵敏度。此外，传感装置100的动态工作范围小于约13kg。
为了解决上述问题，各实施方案可提供一种方法和装置，其中，可将一个或多个虚拟塑料棒/管或纤维用作间隔器或间隔器元件以增强传感器垫的动态工作范围，如图3中所图示。
图3示出在大致0.05m2传感器垫面积内，具有含和不含间隔器的传感器垫的传感装置的传感器输出的线图350。在其中传感器垫包括间隔器的各实施方案中，所述间隔器可具有约0.9mm的直径，和约450cm的总长度。线图350示出不含任何间隔器的传感器垫的结果352和含间隔器的传感器垫的结果354。从图3可见，具有间隔器的传感器垫和传感装置的动态操作范围可延伸超过约50kg，而对于不含间隔器的传感器垫，传感器无法在超过约15kg下工作。
图4A示出根据各实施方案的传感装置400的示意性立体视图。传感装置400包括传感器布局(由虚线框402表示)，传感器布局包括光纤404和邻接光纤404布置的至少一个间隔器元件406，其中光纤404和至少一个间隔器元件406经调适以合作接收施加于(或施用在)传感器布局402的力(由箭矢407表示)，从而调制在光纤404中传播的光学信号(例如光)(由箭矢405表示)。
换句话说，传感装置400可包括传感器布局402，其具有光纤404和邻接光纤404布置的至少一个间隔器元件406。光纤404和至少一个间隔器元件406可按肩并肩构造布置，从而界定接收施加于传感器布局402的力407的有效区域或表面。如此一来，光纤404和至少一个间隔器元件406可一起支持力407，使得可将施加于传感器布局402的力407分布在光纤404与至少一个间隔器元件406之间，并因此可减小施用在光纤404本身上的总的或有效的力。
在各实施方案中，由于可将施加于传感器布局402的力407的一部分转移至至少一个间隔器元件406，所以可减小施用在光纤404上的有效力，并因此可增强传感器布局402的动态范围和因此传感装置400的动态范围。如此一来，至少一个间隔器元件406可辅助增强传感器布局402和传感装置400的动态工作范围。
在各实施方案上下文中，施加于传感器布局402的力407可为例如由用户或个人施用的力，如由于例如呼吸和/或心脏跳动而由人身体施用在传感器布局402上的力或压力。
在各实施方案上下文中，光纤404可包括玻璃光纤或塑料光纤中的至少一种。还可使用其它类型的光纤。
在各实施方案上下文中，光纤404可具有在介于约0.05米与约30米之间，例如介于约0.05m与约20m之间、介于约0.05m与约10m之间、介于约0.05m与约5m之间、介于约1m与约30m之间、介于约1m与约10m之间或介于约5m与约20m之间的范围内的长度。
在各实施方案上下文中，光纤404可具有在介于约125微米与约1200微米之间，例如介于约125μm与约1000μm之间、介于约125μm与约500μm之间、介于约125μm与约300μm之间、介于约200μm与约1200μm之间、介于约500μm与约1200μm之间或介于约200μm与约500μm之间的范围内的半径。
在各实施方案上下文中，光纤404的核心的半径可在介于约4微米与约1000微米之间，例如介于约4μm与约500μm之间、介于约4μm与约200μm之间、介于约50μm与约1000μm之间、介于约100μm与约1000μm之间、介于约500μm与约1000μm之间或介于约200μm与约500μm之间的范围内。
在各实施方案上下文中，至少一个间隔器元件406或每个间隔器元件406可具有在介于约125微米与约3000微米之间，例如介于约125μm与约2000μm之间、介于约125μm与约1000μm之间、介于约125μm与约500μm之间、介于约500μm与约2000μm之间、介于约1000μm与约2000μm之间或介于约500μm与约1000μm之间的范围内的横截面尺寸(例如直径)。
在各实施方案上下文中，至少一个间隔器元件406或每个间隔器元件406可具有在介于0.05米与约30米之间，例如介于约0.05m与约20m之间、介于约0.05m与约10m之间、介于约0.05m与约5m之间、介于约1m与约30m之间、介于约1m与约10m之间或介于约5m与约20m之间的范围内的长度。
在各实施方案上下文中，传感器布局402可以是力传感器。在各实施方案上下文中，传感装置400可以是力传感装置。
在各实施方案中，光纤404和至少一个间隔器元件406可相互分隔地布置。换句话说，可在光纤404与至少一个间隔器元件406之间提供间隙或间隔。
在各实施方案中，光纤404和至少一个间隔器元件406可布置在同一平面中。这可意味着光纤404和至少一个间隔器元件406可在平面内同轴布置。如此一来，光纤404和至少一个间隔器元件406可界定接收施加于传感器布局402的力407的有效区域或表面。
在各实施方案中，光纤404可按蜿蜒(或曲折)形状布置，且具有相互面向的至少两个区段。光纤404的所述至少两个区段可以是邻接或相邻区段。
在各实施方案中，光纤404的所述至少两个区段可至少相互大体平行地布置。
在各实施方案中，光纤404的所述至少两个区段可相互分隔地布置。
在各实施方案中，所述至少一个间隔器元件406可布置在光纤404的所述至少两个区段之间。
在各实施方案中，所述至少一个间隔器元件406可邻接光纤404的所述至少两个区段中的至少一个来布置。所述至少一个间隔器元件406可至少大体上平行于光纤404的所述至少两个区段中的至少一个来布置。
在各实施方案中，光纤404可布置为具有至少一个弯曲(或曲折)区段。在各实施方案中，邻接所述至少一个弯曲区段的光纤404区段可相互面向(例如相互平行布置)。
在各实施方案中，光纤404可布置为具有多个弯曲(或曲折)区段。在各实施方案中，所述多个弯曲区段的邻接弯曲区段之间的间距或周期p可在介于约2厘米与约10厘米之间，例如介于约2cm与约5cm之间、介于约5cm与约10cm之间或介于约3cm与约8cm之间的范围内。
在各实施方案中，光纤404可包括多模光纤。
在各实施方案中，所述至少一个间隔器元件406可包括虚拟光纤、管或棒中的至少一种。在各实施方案中，所述管或棒可以是塑料或金属。
在各实施方案中，虚拟光纤可意指没有传播经过虚拟光纤的光学信号的光纤。这可意味着传播通过传感器布局402的光纤404的光学信号405不传播经过界定间隔器元件的虚拟光纤。在各实施方案中，虚拟光纤可包括玻璃光纤或塑料光纤。
在各实施方案中，传感器布局402可包括邻接光纤404布置的多个间隔器元件。作为非限制性实例，所述多个间隔器元件的各个间隔器元件可邻接光纤404的各个区段或部分区段布置，或布置在光纤404的(可相互面向的)邻接区段之间。
在各实施方案中，传感器布局402还可包括覆盖层对，且其中光纤404和至少一个间隔器元件406可布置在所述覆盖层对之间。覆盖层对可界定顶(覆盖)层和底(覆盖)层。在各实施方案中，传感器布局402可构造为具有覆盖层对、光纤404和至少一个间隔器元件406的传感器垫(例如光纤传感器垫)。
在各实施方案中，覆盖层对的每个覆盖层可包括布置为网状结构的多个纤维状材料。所述多个纤维状材料可包括聚合物(意指聚合物纤维材料)或金属和/或塑料材料。纤维材料可包括但不限制于聚酯纤维。
在各实施方案上下文中，所述多个纤维材料的邻接纤维材料之间的间距或周期可在几百微米(μm)至几毫米(mm)，例如介于约100μm与约100mm(1000μm)之间，例如介于约100μm与约5mm之间、介于约100μm与约1mm之间、介于约1mm与约10mm之间、介于约1mm与约5mm之间或介于约200μm与约500μm之间的范围内。
在各实施方案中，在布置为网状结构的多个纤维材料的邻接纤维材料之间可界定间隙。所述间隙可具有正方形、矩形或任何其它合适形状。
在各实施方案中，传感装置400还可包括光学耦接至传感器布局402的光纤404的光学收发器。
在各实施方案中，所述光学收发器可包括被构造以产生在光纤404中传播的光学信号405的光学源(例如光源)。所述光学源可光学耦接至光纤404的一端。所述光学源可经由另一光纤光学耦接至光纤404的一端。所述另一光纤可经由拼接或经由光纤连接器耦接至光纤404的一端。所述另一光纤可以是多模纤维或单模纤维。在各实施方案中，光学源可以是发光装置或二极管(LED)、激光器或任何类型的宽带或窄带光源。
在各实施方案中，光学收发器可包括被构造以检测由施加于传感器布局402的力407调制的光学信号405的光学检测器(例如光检测器)。所述光学检测器可接收并将经调制的光学信号转化为电学信号。光学检测器可光学耦接至光纤404的另一(相反)端。所述光学检测器可经由又一光纤光学耦接至光纤404的另一端。所述又一光纤可经由拼接或经由纤维连接器耦接至光纤404的另一端。所述又一光纤可以是多模纤维或单模纤维。在各实施方案中，所述光学检测器可以是光检测器或光二极管。
在各实施方案中，传感装置400还可包括处理电路(例如信号处理单元)，所述处理电路被构造以从由施加于传感器布局402的力407调制的光学信号405检索对应于力407的信息。在各实施方案中，所述处理电路可以是光学收发器的一部分。
在各实施方案上下文中，“电路”可理解为任何种类的逻辑实现实体，其可以是专用电路系统或储存在存储器、固件或其任何组合中的处理器执行软件。因此，在实施方案中，“电路”可以是硬线逻辑电路或可编程逻辑电路如可编程处理器，例如微处理器(例如复杂指令集计算机(CISC)处理器或精简指令集计算机(RISC)处理器)。“电路”还可以是处理器执行软件，例如任何种类的计算机程序，例如使用虚拟机代码如例如Java的计算机程序。下文将更详细描述的各个功能的任何其它种类的实现方式根据替代实施方案也可以被理解为“电路”。
在各实施方案中，检索的信息可与将力407施加于传感器布局402的用户的呼吸速率、心跳速率、体力或身体运动中的至少一个有关。
在各实施方案中，处理电路可电学耦接至光学收发器，例如电学耦接至光学检测器。
在各实施方案中，处理电路可包括用于显示感测或测定结果的显示器。
在各实施方案中，处理电路可包括用于提示用户的警报模块，例如所述警报模块可包括用于输出图像的视频单元和/或用于输出声音的音频单元。
在各实施方案上下文中，传感装置400可以是用于用户呼吸速率、心率、体力或身体运动中的至少一个的测定的监测装置或医疗装置。
图4B示出图示根据各实施方案用于感测力的方法的流程图430。
在432，将光学信号提供给光纤用于在光纤中传播。
在434，将力施加于光纤和邻接光纤布置的至少一个间隔器元件以调制在光纤中传播的光学信号。
在436，检测由力调制的光学信号。
在所述方法的各实施方案中，可从检测的光学信号检索对应于所述力的信息。所述信息可与用户或个人的呼吸速率、心跳速率、体力或身体运动中的至少一个有关。
各实施方案可提供例如呈传感器垫形式的传感器布局。所述传感器布局可包括顶层和底层，其可充当第一和第二覆盖层。顶层和底层各自可包括布置为网状结构的纤维或纤维材料(例如聚酯纤维)，在邻接纤维之间具有间隙或孔。所述传感器布局可按某一方式构造，使得顶层和底层含有具有大面积网状结构的纤维(例如聚酯纤维)，且在顶层与底层之间是含有光纤(例如多模纤维)的区段或区域或光纤(例如多模纤维)区段，和一个或多个间隔器如一个或多个虚拟纤维(例如虚拟光纤)和/或一个或多个管或棒(例如塑料和/或金属管或塑料和/或金属棒)，以调节各实施方案的传感器布局(传感器垫)的动态工作范围，和因此还有各实施方案的传感装置的动态工作范围。
图5A示出根据各实施方案的传感装置500的示意性立体视图，其中传感装置500的传感器布局502以分解视图示出。图5B和图5C分别示出传感装置500的传感器布局502的示意性俯视图和立体视图。
参考示出传感器布局502和传感装置(或传感器)构造的图5A至图5C，传感装置500可包括具有顶(覆盖)层508a和底(覆盖)层508b的传感器布局502，层508a、层508b两者具有具大面积网状结构的聚酯纤维(或聚酯纤维材料)。这可意味着顶层508a和底层508b各自可包括网状聚酯纤维结构。
多模纤维504区段或含有多模纤维504的区段布置在层508a、层508b之间。传感器布局502还包括邻接多模纤维504或邻接多模纤维504区段并布置在层508a、层508b之间的至少一个间隔器或间隔器元件506。间隔器元件506可与多模纤维504分隔布置。间隔器元件506可与多模纤维504布置在同一平面中。作为非限制性实例，如图5A至图5C所图示般，可提供四个间隔器元件506。每个间隔器元件506可以是虚拟纤维或虚拟光纤，或塑料/金属管/棒。
多模纤维504可按蜿蜒(或曲折)形状布置。多模纤维504可具有相互面向的至少两个区段(例如在虚线框510a、虚线框510b内示出的两个这种区段)。两个区段510a、区段510b可以是多模纤维504的相邻区段。多模纤维504的两个区段510a、510b可相互分隔布置。多模纤维504的两个区段510a、区段510b可至少大体上相互平行布置。如图5A至图5C中所示出般，作为非限制实例，间隔器元件506可布置在两个(相邻)区段510a、区段510b之间。
多模纤维504可包括至少一个弯曲(或折曲)区段511。作为非限制性实例，如图5A至图5C中所图示般，多模纤维504可包括三个弯曲(或折曲)区段511。如图5B中所示出般，可在多模纤维504的邻接弯曲区段511之间界定间距或周期p。
如图5A至图5C中所示出般，间隔器元件506可包括至少一个弯曲(或折曲)区段512，例如以顺应多模纤维504的形状。
如上所述，例如呈传感器垫形式的传感器布局502可按某一方式构造以包括具有布置为大面积网状结构的聚酯纤维的顶层508a和底层508b。可在顶层508a与底层508b之间提供具有多模纤维504和作为间隔器元件506的虚拟纤维或塑料棒的区段。
传感装置500还可包括光学耦接至多模纤维504的光学收发器518。光学收发器518可包括光学源(例如光源)520和光学检测器522。光学源520可经由另一光纤(例如多模纤维或单模纤维)523a光学耦接至多模纤维504的一端。所述另一光纤523a可经由纤维连接器524a或拼接接头进一步光学耦接至多模纤维504。光学检测器522可经由又一光纤(例如多模纤维或单模纤维)523b光学耦接至多模纤维504的另一端。所述又一光纤523b可经由纤维连接器524b或拼接接头进一步光学耦接至多模纤维504。
来自光学源520的光可发射至传感器布局502的多模纤维504的一端中，同时可将多模纤维504的另一端连接至光学检测器522。
在各实施方案中，光学源520可以是激光器、LED和/或其它宽带或窄带光源。
在各实施方案中，光学检测器522可用于将光学信号转化为电子信号。
传感装置500还可包括处理电路(例如信号处理单元)526，其可具有报告例如生命征象参数的显示器和警报功能。可由处理单元526完成数据获取和分析，用显示器和警报报告生命征象参数并提示用户。
在各实施方案中，传感装置500可包括收发器，其包括或组成自光源520、检测器522和具有报告并提示用户的显示器和警报功能的处理单元526。
在各实施方案中，多模纤维504可以是玻璃光纤、塑料光纤或其它类型的光纤。在各实施方案中，呈虚拟纤维或虚拟管/棒形式的每个间隔器元件506可以是玻璃光纤、塑料光纤或其它类型的棒。
在各实施方案中，可将保护性覆盖层(未示出)提供给或添加至传感器布局502的层508a，且可将另一个保护性覆盖层(未示出)提供给或添加至传感器布局502的层508b。
在图5C中，箭矢507指示施加于传感器布局502的力或力的方向。对于不含间隔器的传感器，大部分的力施用在多模纤维上。当将一个或多个间隔器506用于各实施方案的传感器布局(例如传感器垫)502中时，力507的一部分被转移至间隔器506且可减小作用于多模纤维504上的有效力，并因此可增强传感器布局502和整个传感装置500的动态范围。
在各实施方案中，可将间隔器元件506如虚拟纤维或塑料/金属管/棒放置在多模纤维504的两个相邻区段(例如510a、510b)之间。当如图5C中所示出将力507施加于传感器布局(例如传感器垫)502上时，元件506和多模纤维504可一起或共同支持力507；这可减小施用在多模纤维504上的总力。结果，可增强传感器布局502和整个传感装置500的动态工作范围。
图6示出各实施方案的传感器垫的顶层或底层中的至少一个的网状结构区段的图像652。如图6中所示出般，顶层和/或底层可具有布置或相互耦接为网状或栅格状结构的纤维(例如聚酯纤维)654。纤维654区段或邻接纤维654之间可存在间隙或孔656，其中每个孔656可以是例如正方形、矩形或任何其它形状。网状结构的间距s可在几百微米(μm)至几毫米(mm)范围内。作为非限制性实例，间距s可介于约100μm与约10mm之间。
由于传感器垫的顶层和底层的大面积网状结构，可将具有较长长度的光纤(例如多模纤维504)用于覆盖安置在传感器垫上的身体区域，同时还可通过将不同大小(例如直径)的虚拟纤维或塑料/金属棒/管用作间隔器来调节传感器垫和因此整个传感装置的动态工作范围。
在各实施方案中，通过选择或改变光纤或多模纤维微弯的合适间距s、光纤或多模纤维的半径(例如光纤或多模纤维核心的半径)、光纤或多模纤维的数值孔径(NA)或间隔器(或间隔器元件)的直径中的至少一个，各实施方案的传感器垫的动态工作范围可定制为如图7中示出的设计规范，其中线图750中图示的曲线752示出各实施方案的传感装置的光学损耗与施加于传感装置的传感器垫的重量之间的关系。
在各实施方案中，如图5A中示出的传感器垫502可与弹性材料例如硅(Si)材料一起模制以形成例如用于体力测定的较稳定结构。
在各实施方案中，出于测定目的，可将各实施方案的传感器布局或传感器垫(例如502)放置在床单与床垫之间或在床垫下。还可将传感器垫包埋在床单、床垫、坐垫、枕头等中的至少一个内。对于坐靠应用，可将传感器垫放置在座位靠背中或在座位下。
人体例如由于呼吸和/或心脏跳动而施用在各实施方案的传感器布局或传感器垫(例如502)上的周期性压力或力差异可调制沿或经过或在光纤或多模纤维(例如504)内传播的光。例如，当传感器垫用户身体的背部在传感器垫上摇动或移动时，可根据用户的运动调制在多模纤维内传播的光。可在其振幅和频率方面对光进行调制。可通过由信号处理单元(例如526)提取并处理经调制的光来获得用户呼吸速率、心跳速率、体力或身体运动中至少一个的信息。
对于肥胖患者应用，体重一般大于约100kg。在这些应用中，不含间隔器的传感器垫可因如上所述传感器垫在极低灵敏范围内工作或甚至不存在光输出而无法工作。然而，在使用间隔器或间隔器元件的传感器布局或传感器垫的各实施方案中，传感器垫可在合理灵敏范围内操作，使得传感装置或感测系统对于各种应用包括肥胖患者应用可正常工作。
图8A和图8B示出利用各实施方案的传感器垫的坐靠应用的测定结果。图8A示出个人(用户)852坐在在椅子854上具有间隔器的传感器布局或传感器垫802上的图像850。图8B示出利用具有间隔器的传感器垫802测定的典型呼吸模式(呼吸模式)860和典型心跳模式(心冲击描记图(BGG)信号/波形)862。可观察到可正确测定个人的呼吸和心跳信号。
为了证实各实施方案的传感器布局或传感器垫关于大动态工作范围的容量和能力，具有约55kg体重的用户952可如图9A的图像950中所示出般站立在安置在地板956上的纸张堆叠954中的、具有间隔器的传感器垫902上。图9B示出利用各实施方案的传感器垫的站立应用的测定结果，图示了利用具有间隔器的传感器垫902测定的心冲击描记图(BCG)信号/波形960。可观察到，仍可测定心冲击描记图(BCG)信号960。可在BCG信号960中清楚见到用户952的心脏跳动。可基于对BCG信号960的呼吸诱发调制推导出呼吸速率。
在各实施方案中，为进行体重测定，可如图10中所示出般利用以下非限制性方法计算体重。
图10示出图示根据各实施方案用于体重测定的方法的图1050。所述方法可包括：
(1)校正阶段：在这个阶段中，不将体重施加于传感器布局或传感器垫。获取在预设或预定时间例如10s内的数据。计算曲线的平均值Wc(由1052表示)。
(2)测定阶段：在这个阶段中，将体重施加于传感器布局或传感器垫。获取在预设或预定时间例如10s内的数据。计算曲线的平均值Wm(由1054表示)。
(3)报告结果：在这个阶段中，可利用以下关系确定相对体重变化RW
RW＝k(Wc-Wm)(方程1)，
其中k是校正系数。
应明白，为进行上述测定，受试者或用户可以是采用例如躺卧姿势或站立姿势。
类似于体重测定，还可测定心搏力。图11示出利用各实施方案的传感器布局或传感器垫从受试者(用户)测定的典型心冲击描记图(BCG)波形1150。将测得的BCG波形1150分为三个阶段：
(1)由1152表示的射血前期(FGH)；
(2)由1154表示的射血期(IJK)；和
(3)由1156表示的心搏周期舒张部分(LMN)。
可利用诸如GH、HI、IJ和JK幅度的关键参数计算心搏力。例如，一旦已知IJ幅度或HI、IJ和JK幅度的算数平均数，便可根据以下获得心搏力CF
CFij＝k*(IJ幅度)(方程2)，
或
CFhiijjk＝k*(HI、IJ和JK幅度的平均数)(方程3)，
其中k是校正系数。
利用上述方法和各实施方案的传感装置对受试者实施测定。在非限制性实例中，IJ和JK幅度的平均数经确定为约24.5幅度单位且计得的k为约0.00733kg/幅度单位。因此，心搏力可确定为
CFijjk＝0.00733*24.5＝0.18kg.
如上所述，各实施方案可提供通过将虚拟纤维或塑料/金属管/棒用作间隔器来调节微弯纤维传感器垫的动态工作范围的方法和装置。可定位间隔器，使传感器垫的传感多模纤维区段位于具有大面积网状结构的含聚酯纤维的顶层与底层之间。
各实施方案可提供利用各实施方案的微弯纤维传感器垫从躺卧或站立姿势时的心冲击描记图(BCG)波形测定呼吸速率、心率、体重和体力中的至少一个例如心搏力的方法和装置。
如上所述，各实施方案的传感装置能够在大动态工作范围下工作。所述传感装置可应用于肥胖患者和安保应用，例如以在人员可能甚至不知晓其正接受监测的情况下测定人员的呼吸速率、心率变化和体重，以了解所述人员在安保检查期间是否说谎或隐藏某些事物。还可将各实施方案的传感器布局或传感器垫用于在医院和家中监测生命体征。另一应用是可将传感装置和方法用于心力/心压的非侵入性评估。
虽然已参考具体实施方案特定地示出并描述本发明，但本领域技术人员应理解在脱离随附权利要求界定的本发明精神和范围下可对其进行形式和细节上的各种变化。因此本发明的范围是由随附权利要求指定且因此希望涵盖在权利要求的等效含义和范围内的所有变化。
Claims (20)
1.一种传感装置，包括：
传感器布局，包括：
光纤；和
邻接所述光纤布置的至少一个间隔器元件；
其中所述光纤和所述至少一个间隔器元件经调适以配合接收施加于所述传感器布局的力，从而调制在所述光纤内传播的光学信号。
2.根据权利要求1所述的传感装置，其中所述光纤和所述至少一个间隔器元件相互分开地布置。
3.根据权利要求1所述的传感装置，其中所述光纤和所述至少一个间隔器元件布置在同一平面中。
4.根据权利要求1所述的传感装置，其中所述光纤按蜿蜒形状布置且具有相互面向的至少两个区段。
5.根据权利要求4所述的传感装置，其中所述光纤的所述至少两个区段至少大体上相互平行地布置。
6.根据权利要求4所述的传感装置，其中所述光纤的所述至少两个区段相互分开地布置。
7.根据权利要求4所述的传感装置，其中所述至少一个间隔器元件布置在所述光纤的所述至少两个区段之间。
8.根据权利要求1所述的传感装置，其中所述光纤布置为具有至少一个弯曲区段。
9.根据权利要求1所述的传感装置，其中所述光纤包括多模光纤。
10.根据权利要求1所述的传感装置，其中所述至少一个间隔器元件包括虚拟光纤、管或棒中的至少一者。
11.根据权利要求1所述的传感装置，其中所述传感器布局还包括覆盖层对，且其中所述光纤和所述至少一个间隔器元件布置在所述覆盖层对之间。
12.根据权利要求11所述的传感装置，其中所述覆盖层对的每一覆盖层包括布置成网状结构的多个纤维材料。
13.根据权利要求12所述的传感装置，其中所述多个纤维材料包括聚合物、金属或塑料材料中的至少一者。
14.根据权利要求12所述的传感装置，其中，在布置成所述网状结构的所述多个纤维材料的邻接纤维材料之间界定间隙。
15.根据权利要求1所述的传感装置，还包括光学收发器，所述光学收发器光学耦接至所述传感器布局的所述光纤。
16.根据权利要求15所述的传感装置，其中，所述光学收发器包括光学源，所述光学源被构造为产生在所述光纤中传播的光学信号。
17.根据权利要求15所述的传感装置，其中，所述光学收发器包括光学检测器，所述光学检测器被构造为检测由施加于所述传感器布局的力调制的光学信号。
18.根据权利要求1所述的传感装置，还包括处理电路，所述处理电路被构造为，从由施加于所述传感器布局的力调制的所述光学信号检索对应于所述力的信息。
19.一种感测力的方法，所述方法包括：
向光纤提供光学信号，以在所述光纤中传播；
将力施加于所述光纤和邻接所述光纤布置的至少一个间隔器元件，以调制在所述光纤中传播的所述光学信号；且
检测由所述力调制的所述光学信号。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：从所检测的所述光学信号检索对应于所述力的信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170215 |