CN108685576A - 一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统 - Google Patents

一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的属于医用呼吸监控系统技术领域，具体为一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，包括信号发生单元、光纤环形衰荡处理单元和信号处理单元，所述光纤环形衰荡处理单元包括光纤延迟线、分布式FLRD和光纤环形衰荡腔，所述分布式FLRD通过接收用户呼出的气体以对进入分布式FLRD的光进行衰减，所述信号处理单元包括信号处理模块，利用分布式光纤环形腔衰荡技术对患者呼出的二氧化碳浓度进行检测，既可以同时监控多个患者的呼吸频率信息，又可以对有呼吸异常的患者进行报警提醒。具有精度高、成本低、系统反应迅速等优点。

Description

一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统
技术领域
本发明涉及医用呼吸监控系统技术领域，具体为一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统。
背景技术
呼吸是人体与外界环境之间进行气体交换、维持人体正常生理机能的过程。呼吸是生理检测中的一个重要参数，做好呼吸频率的监测对于一些相关疾病的及时诊疗有重要意义。呼吸频率的检测有很多方法，其中典型的方法有以下几种:
一、差压传感器检测呼吸压差法，如美国通用电气公司的专利EP1935445中使用了差压传感器以确定呼吸气流和界面气流之间的压差，从而实现呼吸监测的功能。但是其在区分浅呼吸和没有呼吸时，由于呼吸气流十分微弱，差压传感器不敏感。
二、电磁传感检测呼吸磁场变化法，如荷兰皇家飞利浦电子公司的专利US2017000380中使用了电磁跟踪来监测患者呼吸的方法，主要用于磁共振介入治疗。其系统可以发射和接收随患者呼吸而改变的磁场信号。将患者的呼吸状况同磁场的变化相关联，并用于生成呼吸信号。但是价格十分昂贵。
三、电信号检测呼吸法，如新加坡南洋理工大学的专利CN102215746A中使用高频无线电信号加载人体由于胸部心跳和呼吸运动产生的电波信号，解决了“有线”装置难以实现和不便于实际使用的问题，但其易受电磁干扰(EMI)的影响，在某些临床检查(例如磁共振成象(MRI)检查)中，电磁干扰可能是一个很重要的问题。
四、视频处理检测方法，如美国施乐公司的专利CN1034457822A中通过摄像头捕获患者胸部区域的视频信息，而后通过视频处理技术处理估算目标区域的3D时间序列数据，估算出患者的呼吸频率。这种技术方案由于其非接触和远程感测的特点具有很好的舒适性，但是其易受环境光照和患者活动影响。
五、光纤传感检测法，如泉州师范学院的专利CN106580295A中通过若干各微弯光纤结构设计组成的光探测器来测量光强变化的交流分量来确定人体的体动、呼吸率以及心率。其结构简单，成本低而且除了可监测被测者的呼吸率、心率等生命体征外。还可以监测被测者在机械结构上的具体位置信息。波兰军事航空医学研究所的Lukasz Dziuda、Franciszek Wojciech Skibniewski等人利用嵌入在座椅靠背中的布拉格光纤传感器可以捕捉由呼吸引起的50-124μ应变的变化，从而获得待测用户的呼吸频率参数。德国柏林联邦材料与测试研究所的Jens Witt,Narbonneau,Marcus Schukar等人基于光时域反射和宏弯曲效用将光纤布拉格光栅集成到医用纺织品中，感测到由腹部和胸部的呼吸运动引起的高达3％的纺织品伸长率。
六、呼吸阻抗法，即测量胸阻抗法，人体在呼吸过程中的胸廓运动会造成人体体电阻的变化，变化量为0.1Ω～3Ω，称为呼吸阻抗。监护仪一般是通过ECG导联的两个电极，用10～100kHz的载频正弦恒流向人体注入0.5～5mA的安全电流，从而在相同的电极上拾取呼吸阻抗变化的信号。这种呼吸阻抗的变化图就描述了呼吸的动态波形，并可提取出呼吸率参数。现今商用的多参数监护仪通常采用这种方法进行呼吸参数测量。如科瑞康医疗生产的PC-600型多参数监护仪可以实现0-60次/分钟范围的呼吸频率监测。
然而上述对呼吸频率的检测方案都是针对单一患者进行检测监控，考虑实际情况，一个光纤环形衰荡处理单元(养老院)中可能有两个甚至更多的患者需要同时进行呼吸检测，因此有必要实现一套设备仪器同时对多个病患进行呼吸频率检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，包括信号发生单元、光纤环形衰荡处理单元和信号处理单元，所述信号发生单元包括依次连接的光源、调制器、隔离器和分束器；所述光纤环形衰荡处理单元包括光纤延迟线和分布式FLRD(光纤环形衰荡腔)，所述分布式FLRD通过接收用户呼出的气体以对进入分布式FLRD的光进行衰减；所述信号处理单元包括信号处理模块；
所述光源输出的光经过所述调制器调制后经过隔离器将光信号转换输出至所述分束器，经过所述分束器分出的光路通过所述光纤延迟线连接所述分布式FLRD，经过所述分布式FLRD处理后的光通过合束器后再依次经过光探测器和锁相放大器，所述锁相放大器与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块从锁相放大后的电信号中获取衰荡时间，计算得到分布式FLRD中二氧化碳的浓度，并通过对分布式FLRD中二氧化碳浓度的连续监控，得到用户的呼吸频率信息。
优选的，所述分布式FLRD包括串联设计和并联设计，其个数包括但不限于两个FLRD。
优选的，所述分束器还分出一路光作为参考FLRD，并经过所述光电探测器和所述锁相放大器处理后将补偿信号作为反馈送入脉冲发生器反馈给所述调制器，用于调制光源，使其光源的中心波长对准二氧化碳的吸收峰，以减少误差。
优选的，所述信号处理单元还包括与所述信号处理模块连接的述监控显示模块，所述监控显示模块将获得的用户的呼吸频率信息显示在监控屏幕上，当用户的呼吸频率出现异常时发出警报。
优选的，所述分布式FLRD至少包括两组光纤环形衰荡腔，每组光纤环形衰荡腔包括由光纤线连接的第一耦合器、第二耦合器和一个气室，通过所述光纤延迟线输出的光经过第一耦合器耦合进入光纤环形衰荡腔，光纤环形衰荡腔中的所述气室与用户的插管、氧气罩或者通气治疗设备连接，进入光纤环形衰荡腔的光经过气室后由于二氧化碳的吸收作用，光强衰减，而后，光通过所述第二个耦合器，一部分光耦合进光纤环形衰荡腔内继续经过所述气室吸收衰减，另一部分则光耦合出光纤环形衰荡腔，进入所述合束器。
优选的，所述第一耦合器和第二耦合器的分光比均包括但不限于50：50、90：10和99：1。
优选的，所述气室包括气室本体，气室本体的内腔左右两侧均安装有透镜，所述气室本体的内腔左右两侧均安装有透镜，所述气室本体的左侧安装有输入光纤，所述气室本体的右侧设置有输出光纤，所述气室本体的顶部右侧安装有出气口，所述气室本体的底部左侧安装有进气口，所述进气口的底部安装有导管，所述进气口和出气口上均安装有单向通气阀。
优选的，所述进气口和出气口均为下窄上宽的梯形结构。
优选的，所述信号处理模块从锁相放大后的电信号中获取衰荡时间的方法包括快速傅里叶变换法、离散傅里叶变换法、线性回归总和法、法列文伯格－马夸尔特算法和最小二乘法，所述信号处理模块对多个FLRD信号通过时分复用方法进行处理。
优选的，所述监控显示模块包括显示器和报警器，所述报警器的报警方式包括语音报警、响铃报警和震动报警，所述的显示器的显示内容包括连续的二氧化碳浓度波形图和用户的呼吸频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该发明提出的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，利用分布式光纤环形腔衰荡技术对用户呼出的二氧化碳浓度进行检测，既可以同时监控多个用户的呼吸频率信息，又可以对有呼吸异常的用户进行报警提醒。具有精度高、成本低、系统反应迅速等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的检测系统的连接结构框图；
图2为本发明实施例的FLRD(光纤环形衰荡腔)的结构示意图；
图3为本发明实施例的气室结构示意图；
图4为本发明实施例的FLRD中光强衰荡仿真图；
图5为本发明实施例的呼吸二氧化碳浓度变化曲线图；
图6为本发明两路呼吸信号产生的二氧化碳浓度变化曲线图。
图中：1信号发生单元、11光源、12调制器、13隔离器、14分束器、15参考FLRD、16脉冲发生器、17锁相放大器、18光电探测器、19合束器、2光纤环形衰荡处理单元、21光纤延迟线、22分布式FLRD、221第一耦合器、222第二耦合器、223气室、2230气室本体、2231进气口、2232出气口、2233透镜、2234单向通气阀、2235导管、224光纤线、2241输入光纤、2242输出光纤、3信号处理单元、31信号处理模块、32监控显示模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-6所示，本发明提供如下实施例。
如图1所示，一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，包括信号发生单元1、光纤环形衰荡处理单元2和信号处理单元3，所述信号发生单元包括依次连接的光源11、调制器12、隔离器13和分束器14；所述光纤环形衰荡处理单元包括光纤延迟线21和分布式FLRD 22，所述分布式FLRD通过接收用户呼出的气体以对进入分布式FLRD的光进行衰减；所述信号处理单元包括信号处理模块31；
所述光源输出的光经过所述调制器调制后经过隔离器将光信号转换输出至所述分束器，可选的，所述光源采用1.5726μm的激光器，经过所述分束器分出的光路通过所述光纤延迟线连接所述分布式FLRD，经过所述分布式FLRD处理后的光通过合束器19后再依次经过光探测器18和锁相放大器17，所述锁相放大器与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块从锁相放大后的电信号中获取衰荡时间，计算得到分布式FLRD中二氧化碳的浓度，并通过对分布式FLRD中二氧化碳浓度的连续监控，得到用户的呼吸频率信息。
应该说明的是，光纤延迟线的目的是避免多路光脉冲序列的光强峰值点同时到达光电探测器，使得多路光脉冲序列的峰值点的时间间隔不同，以便信号处理时分复用区分各个FLRD信号，提高空间、时间分辨率，避免信号混淆现象，所以每一根光纤延迟线的长度可经过精心的计算确定。
参照图1所示，所述光电探测器18应与所述锁相放大器17相连，用于将脉冲光光强信号转换成电压信号传输给锁相放大器17。
参照图1所示，所述锁相放大器与信号处理模块相连，用于将微弱的电压信号锁相放大便于信号处理。
作为优选的，所述分布式FLRD包括串联设计和并联设计，其个数包括但不限于两个FLRD。
作为优选的，所述分束器还分出一路光作为参考FLRD15，并经过所述光电探测器和所述锁相放大器处理后将补偿信号作为反馈送入脉冲发生器16反馈给所述调制器，用于调制光源，使其光源的中心波长对准二氧化碳的吸收峰，以减少误差。
作为优选的，参照图1和图5所示，所述信号处理单元还包括与所述信号处理模块连接的监控显示模块。所述监控显示模块与所述信号处理模块相连，用于将接收到的二氧化碳浓度(衰荡时间)变化曲线图(每个呼吸峰对应一个呼吸行为)以及用户呼吸频率信息显示在显示器上，并且当用户的呼吸频率出现异常时，将触发所述报警器进行报警，及时提醒相关人员(值班医护)，以便进行相应处理。进一步优选的，参照图6所示，所述系统加载两路FLRD，输出两个二氧化碳呼吸信号，波峰由于所述光纤延迟线作用而分开，可以很好的区分两个呼吸信号。两路信号可以同时显示在一个监控屏幕上，也可以分开显示在多个显示屏上。
作为优选的，所述分布式FLRD至少包括两组光纤环形衰荡腔，每组光纤环形衰荡腔包括由光纤线连接的第一耦合器221、第二耦合器222和一个气室223，通过所述光纤延迟线输出的光经过第一耦合器耦合进入光纤环形衰荡腔，光纤环形衰荡腔中的所述气室与用户的插管、氧气罩或者通气治疗设备连接，进入光纤环形衰荡腔的光经过气室后由于二氧化碳的吸收作用，光强衰减，而后，光通过所述第二个耦合器，一部分光耦合进衰荡腔内继续经过所述气室吸收衰减，另一部分则光耦合出衰荡腔进入所述合束器。
作为优选的，所述第一耦合器和第二耦合器的分光比均包括但不限于50：50、90：10和99：1。
作为优选的，参照图2所示，所述气室223包括气室本体2230，气室本体的内腔左右两侧均安装有透镜2233，所述气室本体的左侧安装有输入光纤2241，所述气室本体的右侧设置有输出光纤2242，所述气室本体的顶部右侧安装有出气口2232，所述气室本体的底部左侧安装有进气口2231，所述进气口的底部安装有导管2235，所述进气口和出气口上均安装有单向通气阀2234。进一步的，所述进气口与所述导管相连端直径大并加装所述单向通气阀只进不出，与所述气室本体相连端直径小，方便所述导管中的呼出气体进入气室本体内腔；所述出气口与气室本体相连端直径小并加装所述单向透气阀只出不进，方便气室本体内腔中的气体排出。当用户呼吸时，呼出气体随着所述导管进入气室本体内腔中。
作为优选的，所述进气口和出气口均为下窄上宽的梯形结构，便于提高进出气效率
参照图2和图4所示，当脉冲光由所述输入光纤进入所述气室，所述气室腔中充斥着用户呼出的气体，由于进入气室的脉冲光波长被精确锁定在二氧化碳的吸收峰1.5726μm上，气室中对脉冲起吸收作用的只有二氧化碳气体，由于气室中二氧化碳吸收衰减作用脉冲光强随时间变化图如图3所示。
参照图1-4所示，由所述锁相放大器传入的电压信号是一个时域衰荡信号，由所述信号处理模块确定其衰荡时间。光纤环型腔的衰荡时间定义为(光强衰减到初始强度的1/e所用的时间)：
式中，n为光纤折射率，l为光纤环形衰荡腔的腔长，c为光速，A为腔内损耗。
由此公式可知腔衰荡光谱的衰荡时间不受光源强度变化影响，具有很好适应性。
当所述气室进入呼吸气体时，由于呼吸气体的吸收损耗，所述气室腔内损耗增As，时所述气室腔内总损耗为：
B＝A+As (2)
其中As＝δNLδ为二氧化碳气体的吸收截面，N为二氧化碳气体浓度，L为气室长度，由所述气室长度L与光纤224长度之和构成所述光纤环形衰荡腔的腔长l。
则衰荡时间为：
计算可得：
其中tr＝nl/c为脉冲光在所述FLRD内传输一圈所需时间。
所以二氧化碳气体浓度N表达式为：
式中δ＝N0α，其中α为待测气体的吸收系数，可查询数据库得到，N0＝P/KT，为Loschmidt常数，在标准大气压且温度为296K下，N0＝2.69×1019 cm-3，P为待测气体的分压强。K＝1.3807×10-16为波兹曼常数。
综上所述，由公式(5)可知二氧化碳气体浓度N的表达式为：
可知，二氧化碳浓度与衰荡时间成反比例关系，由此信号处理模块可得到所述气室内二氧化碳气体的浓度。并绘制出二氧化碳浓度变化曲线图，获得用户呼吸频率信息。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，包括信号发生单元(1)、光纤环形衰荡处理单元(2)和信号处理单元(3)，其特征在于：所述信号发生单元(1)包括依次连接的光源(11)、调制器(12)、隔离器(13)和分束器(14)；所述光纤环形衰荡处理单元包括光纤延迟线(21)和分布式FLRD(22)，所述分布式FLRD通过接收用户呼出的气体以对进入分布式FLRD的光进行衰减；所述信号处理单元(3)包括信号处理模块(31)；
所述光源(11)输出的光经过所述调制器(12)调制后经过隔离器(13)将光信号转换输出至所述分束器(14)，经过所述分束器分出的光路通过所述光纤延迟线(21)连接所述分布式FLRD(22)，经过所述分布式FLRD(22)处理后的光通过合束器(19)后再依次经过光探测器(18)和锁相放大器(17)，所述锁相放大器(17)与所述信号处理模块(31)连接，所述信号处理模块(31)从锁相放大后的电信号中获取衰荡时间，计算得到分布式FLRD中二氧化碳的浓度，并通过对分布式FLRD中二氧化碳浓度的连续监控，得到用户的呼吸频率信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述分布式FLRD(22)包括串联设计和并联设计，其个数包括但不限于两个。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述分束器(14)还分出一路光作为参考FLRD(15)，并经过所述光电探测器(18)和所述锁相放大器(17)处理后将补偿信号作为反馈送入脉冲发生器(16)反馈给所述调制器(12)，用于调制光源，使其光源的中心波长对准二氧化碳的吸收峰，以减少误差。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述信号处理单元(3)还包括与所述信号处理模块(31)连接的述监控显示模块(32)，所述监控显示模块(32)将获得的用户的呼吸频率信息显示在监控屏幕上，当用户的呼吸频率出现异常时发出警报。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述分布式FLRD至少包括两组光纤环形衰荡腔，每组光纤环形衰荡腔包括由光纤线连接的第一耦合器(221)、第二耦合器(222)和一个气室(223)，通过所述光纤延迟线(21)输出的光经过第一耦合器(221)耦合进入光纤环形衰荡腔，光纤环形衰荡腔中的所述气室(223)与用户的插管、氧气罩或者通气治疗设备连接，进入光纤环形衰荡腔的光经过气室(223)后由于二氧化碳的吸收作用，光强衰减，而后，光通过所述第二个耦合器(222)，一部分光耦合进光纤环形衰荡腔内继续经过所述气室(223)吸收衰减，另一部分则光耦合出光纤环形衰荡腔，进入所述合束器(19)。
6.根据权利要求5所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述第一耦合器(221)和第二耦合器(222)的分光比均包括但不限于50：50、90：10和99：1。
7.根据权利要求5所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述气室(223)包括气室本体(2230)，气室本体(2230)的内腔左右两侧均安装有透镜(2233)，所述气室本体(2230)的左侧安装有输入光纤(2241)，所述气室本体(2230)的右侧设置有输出光纤(2242)，所述气室本体(2230)的顶部右侧安装有出气口(2232)，所述气室本体(2230)的底部左侧安装有进气口(2231)，所述进气口(2231)的底部安装有导管(2235)，所述进气口(2231)和出气口(2232)上均安装有单向通气阀(2234)。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述进气口(2231)和出气口(2232)均为下窄上宽的梯形结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述信号处理模块(31)从锁相放大后的电信号中获取衰荡时间的方法包括快速傅里叶变换法、离散傅里叶变换法、线性回归总和法、法列文伯格－马夸尔特算法和最小二乘法，所述信号处理模块(31)对多个FLRD信号通过时分复用方法进行处理。
10.根据权利要求4所述的一种基于光纤传感的多用户呼吸频率检测系统，其特征在于：所述监控显示模块(32)包括显示器和报警器，所述报警器的报警方式包括语音报警、响铃报警和震动报警，所述的显示器的显示内容包括连续的二氧化碳浓度波形图和用户的呼吸频率。
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