CN107427260A - 光纤传感器以及监测微运动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于检测微运动的光纤传感器。在各种实施例中，传感器包括一个环状结构，由一根连续多模光纤排列成基本上位于一个平面内的多个大小相等的环而形成。环状结构内的每个环与相邻环部分重叠且横向偏移。传感器进一步包括一个耦合于环状结构第一端部的光源、一个耦合于环状结构第二端部的接收器、以及一个或多个控制和处理模块。本发明还提供了制造和使用光纤传感器的方法。

Description

光纤传感器以及监测微运动的方法
引置条款
本说明书提及的所有出版物和专利申请是以引用的方式整体纳入本发明，如同每件单独的出版物或专利申请具体地和个别地通过引用而被纳入整体一样。
技术领域
本发明涉及光纤领域，更具体地，涉及改进的光纤传感器配置及其相关的制造及使用方法。
背景技术
随着互联网设备和数字医疗产业的到来，健康和健康监测已成为一个日益关注的领域。监控生命体征诸如心率、心冲击信号以及呼吸率，在医疗保健机构内外都是需要的。在医疗机构内，生命体征的跟踪：对于医疗服务提供者不在床边时确保患者安全、诊断疾病、监测病人的进展、规划病人的护理等可能是必不可少的。在医疗机构外部，跟踪生命体征及姿态使个人能将他们的健康状况量化和概念化，因此，帮助个人保持关注他们的健康和健康需要、明确进度、保持实现健康和健身目标所需的动力。
当前消费品市场上的生命体征追踪器相当纷扰，例如，当前心率监视器通常需要把监视器放在病人的胸腔周围。很多生命体征追踪器仅包括一种类型的传感器仅监测一种生命体征，诸如，例如心率。另外，在消费品市场很多生命体征监控器不太准确。在医疗机构内部，也有很多更精确的设备，但通常是很大的设备且放在病床边，需要连接到插座和用导线连接到患者。这些床头设备的附件会引起病人的焦虑，而且设备昂贵，不易携带，容易产生电磁干扰(EMI)。
在研究替代现有生命体征监控器设备方面，光纤传感器已经获得了越来越多的关注。光纤传感器具有化学惰性且抗EMI。进一步地，他们可以携带并集成到设备中，诸如床垫和垫子中。固定装置集成设备(Fixture-integrated devices)比起床边设备和可穿戴设备具有更多优势。例如，固定装置集成设备允许减少传感器、电子产品和电源之间的松散连接线或无线数据发射机。这种减少可以导致更高的可靠性、数据质量和安全性。
然而，光纤传感器发展至今，还没有被证明是传统监控系统的合适替代品。例如，题为“用于医疗监护的嵌入医用纺织品中的光纤传感器”一文，《IEEE传感器》期刊，2008年8(7)，第1215-1222页，作者格里耶等人建议将单模宏弯光纤传感器集成到测量呼吸速率的带子中。由于纤维轴宏观偏离直线，宏弯传感器通常会遇到显著的光损失，导致低灵敏度。这种传感器不可能探测到精确测量心率或心冲击信号所需的胸壁的细微活动。
在努力提高灵敏度方面，有人提出光纤传感器的替代方法。例如，美国专利第6,498,652号，瓦沙尼亚等人揭露了一种光纤监控器，其利用光学相位干涉法来监控患者生命体征。光学相位干涉法有一些限制。例如，它需要昂贵的相位调制器和相干光源，这增加了巨大的成本和复杂性且使得广泛商业化使用是不现实的。其它提议的设计努力平衡灵敏度、准确性及成本。因此，需要新型而有用的光纤传感器。
发明内容
本发明提供新型而有用的光纤传感器以及监测姿态和生命体征的相关系统和方法。这里提供的各种实施例克服了以前设计的光纤生命体征监测系统的一个或多个缺点。
本发明一方面涉及用于检测微运动的传感器，例如，生理微运动。在各种实施例中，所述传感器包括一个环状结构，该环状结构由一根连续多模光纤排列成基本上位于一个平面内的多个环构成。一些或所有的环大小相等。环状结构中的每一个环部分重叠又横向偏移于相邻环。所述传感器进一步包括耦合于环状结构的第一端部的光源以及耦合到环状结构的第二端部的接收器。接收器被设置为检测通过环状结构的光强度的变化。一些实施例的所述传感器进一步包括一个驱动光源的驱动以及处理接收器所接收到的光的一个或多个结构。例如，在一些实施例中，所述传感器包括信号放大器和模数(AD)转换器。在一些实施例中，所述传感器包括信号滤波器。在各种实施例中，所述传感器还包括一个控制和处理模块。
在一些实施例中，所述传感器是压力传感器、力传感器或振动传感器。在一些实施例中，连续多模光纤的芯径大于连续多模光纤总直径的49％。
在一些实施例中，每个环形成一个正方形、其它矩形或其它平行四边形。在其它实施例中，每个环形成一个圆形或椭圆形。另外，在其它实施例中，每个环形成一个不规则的形状。
在一些实施例中，连续多模光纤由玻璃、塑料或其它合适的材料制成。
在一些实施例中，所述传感器包括多个环状结构。在这些实施例中，所述多个环状结构由单根连续多模光纤形成，这样，所述传感器内的每个环状结构直接连接到另一个环状结构。在其它实施例中，多个环状结构包括多根多模光纤，每一多模光纤形成独立的环状结构。多个环状结构可以彼此相邻地位于一个平面上。另外，在其它实施例中，多个环状结构可以部分或完全地相互重叠。
在各种实施例中，所述传感器安置在床垫、垫子或其它固定物或结构中。在一些这样的实施例中，所述传感器位于顶盖下面，此外，在一些实施例中，所述传感器位于底盖上方。在一些实施例中，所述传感器进一步包括一个网状结构。在一些这样的实施例中，所述网状结构是布置在光纤环状结构上方或下方的单层网格。在其它实施例中，所述网状结构由两层网格构成，该两层网格将光纤环状结构夹入二者之间。
本发明的另一个方面涉及一种制造检测微运动的传感器的方法，诸如：例如，以上或此处所述传感器的任何实施例。在各种实施例中，所述方法包括：提供一个轴；旋转所述轴；将一根连续多模光纤缠绕在旋转的轴上；将多模光纤从轴上转移到一个平面上。
在一些实施例中，所述轴具有耦合的多个耦合元件，所述多个耦合元件与轴一起旋转。在一些这样的实施例中，多模光纤与轴上的耦合元件接合，而连续多模光纤缠绕在旋转轴上。在一些实施例中，从轴上转移多模光纤涉及从轴上分离多个耦合元件。在其它实施例中，从轴上转移多模光纤涉及从耦合元件上分离多模光纤。在一些实施例中，所述多个耦合元件在轴上横向相等或基本上相等地横向隔开。在一些实施例中，所述多个耦合元件包括一个或多个胶带、胶水、树脂、其它粘合剂化合物、钩、插销、或其它物理耦合元件。
在其它的实施例中，所述轴包括一个在轴向方向上沿轴表面延伸的凹槽或其它表面结构，以及一个位于缠绕的多模光纤下方以便于从轴上转移走光纤且可插入或从凹槽中取出的楔、杆或其它工具。
在一些实施例中，当轴旋转时，通过使用一个臂相对于所述轴从第一位置轴向地移动至平行于轴的第二位置，从而使多模光纤缠绕在所述轴上。在这些实施例中，所述臂被设置为将多模光纤分配在所述轴上。
本发明的再一方面涉及提供一种检测病人健康和/或活动信息的方法。各种实施方式例中，所述方法包括：把检测微运动的传感器放置在病人的身下，诸如：例如，以上或此处所述传感器的任何实施例。在各种实施例中，所述方法进一步包括用接收器检测穿过所述环状结构的光强度的变化；以及根据光线强度的变化确定病人的生命体征。在各种实施例中，光强度的变化与人体的一种或多种微运动导致的纤维变形相对应。在一些实施例中，病人健康和/或活动信息包括：心冲击波形、心跳、呼吸、其它生命体征、体重、姿态、或体重或姿态的变化中的一种或多种。
附图说明
图1是现有光纤传感器实施例的示意图。
图2是本发明实施例检测微运动的传感器示意图。
图3是本发明另一实施例检测微运动的传感器示意图。
图4是本发明另一实施例检测微运动的传感器示意图。
图5是本发明另一实施例检测微运动的传感器示意图。
图6是本发明实施例包括检测微运动传感器的支撑结构的分解示意图。
图7是本发明实施例的检测微运动的传感器内的光纤结构布局示意图。
图8是本发明实施例的光纤传感器内的计算装置的功能框图。
图9是本发明实施例检测微运动的传感器的制造方法的流程图。
图10是本发明实施例在制造检测微运动的传感器的过程中轴和缠绕光纤示意图。
图11是本发明实施例使用光纤传感器检测病人健康和活动信息的方法的流程图。
具体实施方式
发明所提供的附图及下述实施例的描述并非将发明限制在这些实施例中，而是提供给本领域普通技术人员来制造和使用本发明。在此揭露了新的光纤传感器及制造和使用光纤传感器的相关方法。实施例还揭露了使用光纤传感器监控姿势及生命体征。
引言
光纤传感器系统先前已开发用来探测施加的压力或力。例如，胡申请的美国申请号第14/738,918号，如图1所示，光纤传感器包括光纤100，光纤100的第一端部耦合到光源(例如激光、LED、OLED等)104，第二端部耦合到光信号接收器(例如光电检测器)106。光纤还可以在其第一端部耦合到一个光源驱动(例如一个LED驱动)105以及在第二端部耦合到信号处理元件，诸如一个或多个放大器107、模数(AD)转换器108、和滤波器中的一种或多种。光源104被配置为向光纤100发射光波。光纤传感器被放置为便于使表面上的施加力导致光纤100变形、卷曲、或微弯，这反过来又影响光波在光纤100中的传播。即使光纤100的微小变形也可导致光纤100内的光强度产生可被检测到的变化。光信号接收器106被配置为检测光波传播中的变化。光波传播中的变化由计算设备109进行处理和分析以将光强度的可检测变化与被监测的环境变化联系起来。例如，理论上，如果所述传感器系统足够灵敏和准确，计算装置可以量化导致光波传播中检测到的变化所施加的压力、力、或压力或力的变化；而且所施加的压力或力可能与之相关、并因此用来检测病人的位置和/或生命体征。
为致力于使光纤压力或力传感器在商业上适用于广泛的医疗监护，最近开发了利用多模光纤的光纤传感器系统。多模光纤接收来自光源的多个光谱模式，包括一个轴向模式和至少一个高阶模式。有利地，多模光纤传感器系统所用的设备比单模光纤传感器系统所需的设备要便宜和简单得多。
多模光纤的芯径比单模光纤更大，典型芯径值为50和62.5微米。100微米、105微米、200微米、或其它合适尺寸的直径也可使用。使用多模光纤，透明光纤形成一个被反射覆层包围的核心。光线以一定角度进入光纤将以一定角度对准覆层。如果对准角度大于临界角，光线将被覆层反射到光纤中，并将继续沿光纤长度传播，反复从覆层以对准角弹回。如果光线以一个小于临界角的陡峭角度进入，然后光线会穿过覆层而消失。类似地，如果光纤路径中有宏观弯曲，导致任何光传播以小于临界角的角度对准覆层，光纤中的光就会丢失。意外的光损失，例如，宏观弯曲，会导致信号衰减和传感器灵敏度和精度下降。为防止明显的光损失，每种光纤都有一个列出的弯曲极限，作为最小半径，在其以下光纤不应被弯曲。
相应地，如图1所示以及现有技术公开出版物诸如由陈等申请的美国专利发明公开第US2012/0203117号，先前提出的光纤传感器结构使用弯曲度略大于最小半径的蛇形纤维。通常使用的半径大于3cm、5cm或更大。这种结构力求平衡相对较大的弯曲度需要与光纤在一个表面上的最大化表面积覆盖率(即密度)需要。密度越大对应检测到表面上的压力或力的位置越多。然而，如图1所示，蛇形结构所需的相对较大的弯曲导致光纤各平行截面之间存在较大的间隙。因此，表面有许多地方不能检测到压力和力。据此，本发明提供改进且必须的多模光纤结构，其允许增加光纤密度且不造成大幅度的光损耗。下面详细描述了这种结构。
光纤传感器系统
本文披露了一种新型光纤传感器结构的各种实施例，提高了传感器的灵敏度以及多模光纤的检测覆盖率/密度。本文提供了改进的光纤传感器系统能足够灵敏和准确地探测到人的心跳、心冲击信号、呼吸和/或体重变化。当具有改进的光纤传感器结构的光纤系统放置在人体下方时，上述每一种生理参数或活动会引起微运动，所述微运动会导致光纤上所施加的压力的改变。这些作用力使光纤微弯曲，造成一些光损失。光信号接收器接收通过光纤传播的剩余光并且可以确定光损耗量。光剩余量和/或光损耗量经处理以确定所施加压力或力的变化，从而确定相应的心跳、呼吸、和/或病人的身体运动。
如图2所示，所述改进的光纤传感器结构包括一根或多根环状或螺旋状结构的多模光纤202。在各种实施例中，环状光纤结构包括由一根连续光纤202形成的多个环。环状结构内的每个环部分重叠且与相邻的环偏移。
相较于蛇形结构，所述环状结构提高光纤覆盖密度，同时也提高光纤202的弯曲半径。通过最小化光纤中的紧密弯曲，所述改进的光纤传感器结构可减少光损耗，从而提高传感器的灵敏度，而且减少或减缓光纤202的磨损，减少由结构受损的光纤引起的光纤信号中的伪影。如所有附图所示，在各种实施例中，所述环形结构相比蛇形结构而言能使光纤覆盖更多的表面。例如，蛇形结构中一般每个平行光纤段之间的距离需要至少3cm至5cm。本发明提供的各种实施方式中，每个平行光纤段之间的距离在1mm和10mm之间，更优选地，在2mm和5mm之间。
在一些实施例中，例如，如图2所示，每一光纤环202形成基本上是具有圆形边缘的平行四边形的结构(例如长方形、正方形等)。没有急剧的弯曲。在其它实施例中，诸如，如图3-6所示，环状光纤结构可包括圆形或椭圆形结构。在一些实施例中，所述环状结构也可形成没有急剧弯曲的不规则形状。光纤可由玻璃、塑料或任何其它合适的材料制成。为了提高结构的集成度和灵敏度，各种实施例的光纤传感器使用具有较大芯径的光纤。在一些实施例中，芯径大于所述连续多模光纤总直径的49％。在一些实施例中，芯径与总直径的比值大于0.5。总直径包括芯光纤的直径和外覆层的直径。在一些实施例中，芯径为多模光纤总直径的49％-88％。在一些实施例中，光纤总直径为125微米。在一些这样的实施例中，芯光纤的直径为62.5微米至110微米，优选为90微米至110微米。在其它实施例中，采用光纤总直径为250微米。在一些这样的实施例中，芯光纤的直径为180微米至220微米。在其它实施例中，任何适合尺寸的多模光纤都可以被采用。
各种实施例的环状光纤结构202的第一端部耦合到光源204，诸如激光、LED、OLED。在使用LED的实施例中，还需提供LED驱动。LED驱动的功能是控制流经LED的电流。环状光纤结构202的第二端部耦合到光信号接收器(例如光电检测器)208以及一个或多个信号处理元件210，诸如，一个放大器和一个AD转换器。一个滤波器，诸如，还可用带通滤波器(band-pass filter)或低通滤波器(low-pass filter)。控制和处理模块212也作为光纤传感器200的一部分。在一些实施例中，使用一个单一的控制和处理模块212，控制和处理模块212与光纤的光产生端和光接收端电连接。在这些实施例中，控制和处理模块212可以直接耦合于光源204和/或光源驱动206，还可以直接耦合于信号接收器208和/或一个或多个信号处理元件210。在其它实施例中，例如，图3所示，提供了单独的控制模块308以及单独的处理模块314。在这些实施例的至少一部分中，耦合到光产生组件的控制模块308与耦合到光接收组件的处理模块314互相通信。在一些实施例中，光源驱动和/或信号处理元件不作为单独的组件提供；而是，光源的电流控制和/或信号处理的这些功能由控制和处理模块完成。下面进一步提供所述控制和处理模块的详细信息。
再次参照图2，在一些实施例中，光纤202在第一方向(例如顺时针方向)打环形成多匝环，然后反转，在第二个方向(例如逆时针方向)上打环，第二组环至少部分重叠于第一组环。这种结构允许光纤202的第一端部和第二端部实质上相互平行，这样，所有的电子组件都可以包含在共享区域或外壳中。在其它实施例中，例如，如图3所示，光纤302在第一个方向(例如顺时针或逆时针方向)上打环形成完整的所述环状结构，导致光纤302的第一端部和第二端部分别位于所述环状结构的相对两侧。
在一些实施例中，所述光纤传感器包括多个环状结构。所述传感器可包括2、3、4或更多光纤环状结构。足够数量的环状结构可以基本上覆盖所需检测区域的所有区域。例如，如果所述光纤传感器设置在座垫内，2个、3个、4个或更多环状结构能够足以充分覆盖座垫的表面积。如果所述光纤传感器设置在床垫内，可能需要8个、10个、12个或更多环状结构来实质上覆盖床垫的表面积。
如图4所示，多个环状结构的每个都可以由一个独立的、不连接的光纤402a、402b构成。在这样实施例的至少一些中，每一个环状结构设有一些或全部自己的电子组件。例如，如图4所示，第一环状结构402a电连接于第一光源404a、第一光源驱动406a、第一信号接收器408a、第一组处理组件410a、以及第一控制和处理模块412a。第二环状结构402b电连接于第二光源404b、第二光源驱动406b、第二信号接收器408b、第二组处理组件410b、第二控制和处理模块412b。在另一实施例中，如图5所示，第一环状结构502a电连接于第一光源504a、第一光源驱动506a、第一信号接收器508a、以及第一组处理组件510a。第二环状结构502b电连接于第二光源504b、第二光源驱动506b、第二信号接收器508b、以及第二组处理组件510b。一个控制和处理模块512同时耦合于第一环状结构502a和第二环状结构502b，且设置成控制两个光源和处理由两个信号接受器接收到的信号。在一些这样的实施例中，除环状结构502a、502b以外的所有组件都放置在单个电子线路板。这样的系统可以通过使用单个处理器节省成本且可以更协调地分析在不同的环状结构之间压力分布的变化。
在另一个实施例中，如图6所示，多个光纤环状结构可以由单根光纤622组成，使得在所述传感器内各环状结构可以连接于另一个环状结构。在这些实施例中，可以提供单组电子元件。图6所示的实施例中，控制和处理组件、光源以及信号接收器都包含在外壳组件624中。
在一些实施例中，所述环状结构在一共同的平面上彼此相邻地放置，例如，如图4、5和6所示。在其它实施例中，第一环状结构701被设置为部分或完全覆盖第二环状结构702以形成传感器系统700，例如，图7所示。在一些实施例中，两个或多个环路结构的多个彼此重叠。
在光纤传感器的各种实施例中，如图6所示，传感层620包括一个或多个环状光纤结构622，且位于顶层610和底层640之间。在一些实施例中，环状光纤结构622进一步夹在两层网格之间(通常用当前的蛇形结构完成)。在一些这样的实施例中，网格层是由编织纤维形成的，例如聚酯纤维。网格层对光纤提供保护。进一步地，所述网格层形成机械结构接收人体施加的压力并分布到光纤上，产生或放大光纤上的微弯曲效应。另外，所述传感器600的其它实施例中，光纤环状结构622提供足够的结构集成度和灵敏度以便于仅需一层网格层630或无需网格层。同时，图6所示实施例的所述传感器描述了一个特定的环状结构实例，其包括由单根连续光纤形成的四个环状结构，可以理解地，任何预期的环状光纤结构可设置在传感层620内部。
上述光纤传感器的各个实施例的每一个实施例中，包括一个或多个控制和处理模块。所述一个或多个控制和处理模块可以包括或由一个或多个计算装置构成。一个或多个控制和处理模块可以包括硬件和软件的结合，且被设置为控制频率、密度和/或光源发出的光的激活，且进一步设置为将信号接收器所接收到的信号转换成有意义的数据。本领域的技术人员可以想到很多不同结构元件和构造用于获得控制和处理模块的功能。因此，这些模块将用功能术语来描述。
图8提供一个控制和处理模块800的一个实施例的功能图。虽然分别描述，应该理解的是计算系统的各种功能块不需要独立的结构元件。例如，在各种实施例中，控制和处理模块800至少包括一个与内存820和接口830进行数据通讯的处理器810，而且这些组件可以体现在单个芯片或两个或多个芯片中。
处理器810可以是一个通用微处理器、一个数字信号处理器(DSP)、一个现场可编程门阵列(FPGA)、一个专用集成电路(ASIC)，或其它可编程逻辑器件，或其它用于执行此处描述的功能的分离的计算机可执行组件。所述处理器810也可以由计算装置的组合构成，例如，一个DSP和一个微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器结合一个DSP核，或任何其它合适结构。
在各种实施例中，所述处理器810通过一个或多个总线(buses)耦合到内存从而从内存820读取信息或向内存820写入信息。所述处理器810可以额外地或可选地包含内存820。内存820可能包括，例如，处理器缓存。内存820可能是用于存储计算机可执行组件执行的计算机可读指令的任何合适的计算机可读介质。例如，计算机可读指令可以存储于RAM、ROM、闪存、EEPROM、硬盘驱动器、固态驱动器，或任何其它合适的设备中的一个或一个组合上。在各种实施例中，计算机可读指令包括以永久格式存储的软件。所述处理器810，结合储存在内存820中的软件，执行操作系统和存储软件应用程序。本发明描述的其它方法可以是存储在内存820内的程序化软件指令。
一些实施例中的接口830是无线网络接口，其包括接收器，发射器，或双向通信接收器和发射器。接收器接收且解调通过通信网络接收的数据。发射器根据一个或多个网络标准准备数据且通过通信网络传输数据。在一些实施例中，收发天线既用作接收器又用作发射器。此外，或者，在一些实施例中，接口830是一个通过有线连接用于发送和/或接收数据到一个或多个远程组件的数据总线(databus)。接口830可另外或可选地包括用户接口。用户接口可以包括用户输入设备，诸如一个按钮、一个切换开关、一个转换开关、一个触摸屏、或者一个键盘，和/或输出设备诸如显示屏幕、光显示、音频输出或触觉输出。用户输入设备可设置成接收用户命令而开启或关闭传感器。在一些实施例中，关于用户的数据也可以通过用户输入设备输入。
在一些实施例中，控制和处理模块800设置为处理由光纤传感器接收到的信号以确定传播光强度的变化。在一些这样的实施例中，传播光强度变化的数据被传输到远程计算设备850，通过有线或无线连接，用于确定作用力以及进一步处理。在一些实施例中，控制和处理模块800设置为从传播光强变化计算作用力。在一些这样的实施例中，作用力的数据被通过有线或无线连接传送到远程计算设备850进行进一步分析。在其它实施例中，控制和处理模块800设置为从作用力数据来计算用户的姿态和生命体征中的一种或多种。在一些这样的实施例中，生命体征或姿态数据可以通过有线或无线连接传输到一个输出设备或远程计算设备850进行储存或显示。
制备方法
图9提供了本发明实施例的光纤传感器的制备方法：步骤S910所示，在一些实施例中，提供一个轴；在步骤S920中旋转所述轴，以及在步骤S930中一根多模光纤绕旋转轴缠成线圈；然后在步骤S940中将光纤从所述轴上转移，以及在步骤S950中将光纤放置于一个平面上，缠绕的线圈形成平面环状排列。
在一些实施例中，所述轴具有耦合到其上的多个耦合元件，其跟随所述轴的旋转而转动。在一些这样的实施例中，当连续多模光纤缠绕在旋转轴上，同时，多模光纤与所述轴上的耦合元件接合。在一些实施例中，从所述轴上转移所述多模光纤包括从所述轴上分离多个耦合元件。在其它实施例中，从所述轴上转移多模光纤包括从耦合元件上分离多模光纤。在一些实施例中，多个耦合元件在所述轴上等距或基本上等距横向间隔。在一些实施例中，所述多个耦合元件包括一个或多个胶带、胶水、树脂、其它粘合剂化合物、钩、插销、或其它物理耦合元件。
在其它实施例中，如图10所示，所述轴1000包括一个或多个在轴向方向沿着所述轴的表面长度延伸的沟槽或其它表面结构1010。在这些实施例中，楔、杆或其它工具1020可插入沟槽1010中。在一些实施例中，工具1020被压在盘绕的多模光纤1030下，且用于从轴1000上推动盘绕的光纤以允许盘绕的光纤1030在平坦的表面上形成平面环状结构。在其它实施例中，一个或多个杆或其它工具1020在光纤1030被缠绕之前先放置于所述沟槽1010内。在这些实施例中，当光纤1030完全缠绕于所述轴1000上后，所述工具1020可能滑出沟槽1010。因此会产生间隙或松弛，这样可以方便从线圈1000上移去光纤1030。
在一些实施例中，通过轴向移动机械臂使多模光纤绕所述轴缠绕，当所述轴旋转时，将机械臂相对于所述轴从第一位置轴向移动至第二位置。这些实施例中的臂设置为将多模光纤分配在所述轴上，且进一步设置为随着所述轴的每一次全程旋转而向前移动一个单位。在一些实施例中，所述一个单位的大小可以设置为匹配每个环之间所需的偏移量。
所述轴的形状和大小决定形成环的大小和形状。在一些实施例中，所述轴是可以互换的以产生不同尺寸和形状的环状结构。
使用方法
本发明描述的光纤传感器可用于要求高光纤密度/检测覆盖率和高灵敏度的各种应用场合。例如，所描述的光纤传感器可用于检测人体的心冲击波、心跳、呼吸、表示姿态的体重细微变化，和/或其它生理参数。在各种实施例中，生理参数通过检测由于人体微运动导致的光纤变形的变化来确定。
图11所提供的一种实施例是用光纤传感器检测微运动及相关生理参数的方法1100。如图所示在步骤S1102中，在各种实施例中，光纤传感器放置于人体下方。所述光纤传感器可以嵌入或形成一个垫子。在一些实施例中，所述垫子是一种可设置在椅子(例如在办公室或家中等)、看台、汽车座椅、飞机座椅和/或其它现有座椅结构上的便携式座垫。在其它实施例中，垫子集成在办公椅、扶手椅、沙发、汽车座椅、飞机座椅、睡觉吊舱、床垫、或其它结构中。在一些实施例中，所述系统包括多个垫子，例如，两个或两个以上的：靠背、扶手、座椅和搁脚(例如长软椅、躺椅等)。在其它实施例中，所述传感器集成到或形成其它结构诸如，例如，地毯或小块地毯。这些或其它实施方式中的任何一种光纤传感器都可以放置在人体之下。
如上所述，在各种实施例中，光纤传感器包括一根光纤、耦合于光纤第一端部的一个光源、耦合于光纤第二端部的一个接收器、以及一个或多个控制和处理组件。光纤排列成基本位于一个平面内的多个大小相等的环，形成一个环状结构，且环状结构内的每个环部分重叠，且横向偏移于相邻的环。所述方法的各种实施例中，在步骤S1104，信号接收器接收光信号，接收器和处理模块两者或之一检测通过所述环状结构的光强度的变化。所检测的光强度的变化可以是时间或空间的。也就是说，在一些实施例中，所检测的光强度的变化可能是随着时间的推移的光强度变化。所述系统也可设置成确定接收器接收更多或更少光的时候。在其它实施例中，处理模块与光源和各信号接收器通信地耦合，所检测的光强度的变化是光源发出的光的强度与信号接收器接收到的光的强度之间的变化。在各种实施例中，光强度的变化与人体的一个或多个微运动导致的光纤变形对应。基于检测到的光强度的变化，各种实施例的处理模块可以，在步骤S1106，确定病人的一个或多个生命体征或其它生理参数，如更详细地描述，例如，在胡申请的美国专利申请第14/738,918号，通过引用将其全部并入。由多于一个环状结构组成的传感器中，所检测到的患者生理参数可包括体重或压力分布。例如，连接到多个环状结构的处理模块能检测在各种环状结构之间，光纤如何变形及相应的施加压力如何变化。
在一些实施例中，平均、最小、最大、健康和/或不健康的生命体征，姿态或其它生理参数是由系统随着时间的推移监控个人而确定的。例如，所述系统可以通过一段时间(例如小时、日、周等)的检测来校准个人，以确定人体的心肺呼吸波形及姿态方面的正常变化；然后该系统可以检测到与正常变化的偏离。又或者，所述系统可以将一个人的姿态以及心肺呼吸波形与其它在同一年龄组、性别组、民族、社会阶层、工作环境、位置和/或任何其它可比较组的个体进行比较以确定与正常或健康数值的偏离。另外，所述传感器也可用于实时追踪或以最小延迟追踪生命体征和/或姿态。
如在说明书及权利要求书中所使用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和″这个(the)″包括单数和复数，除非上下文清楚地指示。例如，术语“一个传感器”可以包括、并考虑包括多个传感器。有时，权利要求书和说明书可包括术语例如“多个”、“一个或多个”或“至少一个”。然而，没有使用这些术语并不意味着、且不应该被解释为不包括多个。
术语“大约”或者“近似”，当用于数字的限定或者范围(例如，定义长度或者压力)之前，表示的近似可能是(+)或者(-)5％、1％或者0.1％的范围变化。此处提供的所有数值范围包含已定义的起始数字。“基本”一词表示主要(即大于50％)或者实质上为全部的设备、物质或组成。
此处使用的术语“包括”(″包括″或者″包括″)意在表示设备、系统和方法包括所引用的元件，还可以包括任何其它元件。“本质上组成”(Consisting essentially of)应当意味着设备、系统和方法包括所引用的元件但不包括对于既定目的的结合具有重要意义的其它元件。因此，一个系统或者方法由此定义的本质上组成的元件并不排除那些并不实质影响权利要求所限定的基础和具有新颖性的其它物质、特性、或者步骤。“构成Consistingof”应当意味着设备、系统和方法包括所引用的元件且排除任何超过一个微不足道的或无关紧要的元件或步骤。由每个这些过渡术语定义的实施例均属于本发明的保护范围内。
这里列举的例子和附图所示，通过示范的方式但并不作为限定，本发明可实现的具体实施例。也可采用或派生其它实施例，在不脱离本发明揭露的范围内可进行结构和逻辑替换及改变。仅为方便起见，本发明保护主题的这些实施例可单独地或共同指作“本发明”，但如果不止一个发明被披露时，并不主观地限定本申请的范围为任何单一发明或发明概念。因此，尽管在此揭露了具体实施例，但仍然可以由获得相同目的的任何方案替代所示的具体实施例。本说明书意图涵盖各种实施例的任何和所有的适应性或变换方式。上述实施例的组合，以及其它未特别说明的实施例，本领域技术人员基于上述说明书的描述是显而易见的。

Claims (20)

1.一种检测微运动的传感器，所述传感器包括：
一个环状结构，由一根连续多模光纤排列成基本上位于一个平面内的多个大小相等的环形成，其中，环状结构内的每个环与相邻环部分重叠且横向偏移；
一个光源，耦合于所述环状结构的第一端部；以及
一个接收器，耦合于所述环状结构的第二端部，所述接收器被设置为检测通过所述环状结构的光的强度变化。
2.如权利要求1所述传感器，其特征在于，所述传感器是压力传感器、力传感器或振动传感器。
3.如权利要求1所述传感器，其特征在于，所述连续多模光纤的芯径大于连续多模光纤的总直径的49％。
4.如权利要求1所述传感器，其特征在于，每个环形成具有圆形边的正方形、其它矩形、或者其它平行四边形。
5.如权利要求1所述传感器，其特征在于，每个环形成圆或其它椭圆。
6.如权利要求1所述传感器，其特征在于，每个环形成一个匹配的不规则形状。
7.如权利要求1所述传感器，其特征在于，连续多模光纤由玻璃、塑料或其它合适的材料构成。
8.如权利要求1所述传感器，其特征在于，所述传感器包括多个环状结构。
9.如权利要求8所述传感器，其特征在于，多个环状结构由单根连续多模光纤形成，因此在所述传感器内，每个所述环状结构直接连接于其它环状结构。
10.如权利要求8所述传感器，其特征在于，多个环状结构包括多根多模光纤，每根多模光纤形成一个独立的环状结构。
11.如权利要求8所述传感器，其特征在于，多个环状结构在一个平面上彼此相邻。
12.如权利要求8所述传感器，其特征在于，多个环状结构部分或完全重叠。
13.如权利要求1所述传感器，其特征在于，进一步包括一个单层网状结构。
14.如权利要求1所述传感器，其特征在于，所述环状结构夹设于两层网格结构之间。
15.一种制备如权利要求1所述传感器的方法，所述方法包括：
提供一个耦合有多个耦合元件的轴；
旋转所述轴及耦合元件；
绕所述旋转的轴缠绕连续多模光纤，其中多模光纤与所述轴的耦合元件接合；以及
通过从所述轴上分离多个耦合元件从所述轴上转移多模光纤。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，通过将一个臂相对于所述轴从第一位置轴向地移动至平行于轴的第二位置，将所述多模光纤缠绕于所述旋转的轴上，所述臂被设置为将多模光纤分配在所述轴上。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，多个耦合元件在轴上等距或基本上等距地横向间隔。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述多个耦合元件包括一个或多个胶带、胶水、树脂、其它粘合剂化合物、钩、插销、或其它物理耦合元件。
19.一种检测生理参数的方法，所述方法包括：
放置检测微运动的传感器于患者身体下方，所述检测微运动的传感器包括：
一个环状结构，由一根连续多模光纤排列成基本上位于一个平面内的多个大小相等的环形成，其中，环状结构内的每个环与相邻环部分重叠且横向偏移；
一个光源，耦合于所述环状结构的第一端部；以及
一个接收器，耦合于所述环状结构的第二端部；
由接收器检测通过所述环状结构的光的强度变化，其中，所述光强度的变化与人体的一个或多个微运动导致的光纤变形对应；以及
根据光强度的变化确定生理参数。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述生理参数包括：心冲击波、心跳、呼吸、体重、体重在表面上的分布或体重或姿势的变化中的一种或多种。
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