CN110236500A - 生命体征检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明所公开的生命体征检测装置，包括：光发射装置、用于检测光回路中光强变化的光接收器，以及用于感知人体体表振动的传感部，所述光发射装置通过多模光纤与所述光接收器形成光路，所述多模光纤穿过所述传感部。本发明所给出的生命体征检测装置，使各模式相位差变化导致光纤截面干涉模斑变化的原理，通过检测受人体体表振动影响的多模光纤内的光信号从而得到人体呼吸及脉搏等生命体征的参数，因此，无需直接与人体皮肤直接接触，也不受肤色及环境光的影响，使用方便，适用范围广；传感部与光接收器之间采用多模光纤与单模光纤熔接的结构，更容易检测到多模光纤截面局部区域模间干涉图样变化，降低检测难度。

Description

生命体征检测装置

技术领域

本申请涉及一种光纤传感装置，尤其涉及一种生命体征检测装置。

背景技术

人体脉搏中包含有血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息，同时，脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉、毛细血管等微血管中，所以脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息。从脉搏波及呼吸中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。

由于血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍，当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，皮肤肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，其综合作用的结果是皮肤对光的吸收及散射也会呈现搏动性变化。检测皮肤表面光强度的变化，便可获得容积脉搏血流的变化。

但此检测设备主要是基于皮肤和血液对光的吸收、散射来进行测量，使用时需要与皮肤直接且紧密的接触，并且设备使用时也极容易受到环境光的影响。同时，由于不同肤色对光的吸收程度存在较大差异，该类型的检测设备还容易受肤色的干扰。因而，现有的检测设备使用不够便利，且适用范围小。

发明内容

本发明提供一种生命体征检测装置，旨在解决现有检测装置使用时需要与皮肤有良好的接触，而且容易受肤色和环境光的干扰，导致使用不便且适用范围小的问题。

本申请一实施例公开了一种生命体征检测装置，包括：光发射装置、用于检测光回路中光强变化的光接收器，以及用于感知人体体表振动的传感部，所述光发射装置通过多模光纤与所述光接收器形成光回路，所述光纤包括多模光纤，所述多模光纤穿过所述传感部。本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述传感部包括两片重叠设置的弹性垫，所述多模光纤由两片所述弹性垫之间穿过，并与所述弹性垫表面固定连接。

本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述光接收器耦合有单模光纤，所述多模光纤一端与所述光发射装置耦合，另一端穿过所述传感区并与所述单模光纤熔接。

本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述多模光纤与所述单模光纤熔接处设有用于防止外部震动干扰的第一防护装置。

本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述光发射装置与所述传感部之间设有用于防止外部震动干扰所述多模光纤的第二防护装置。

本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述第一防护装置及第二防护装置为刚性套管或固定块。

本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述光发射装置为激光器、LED光源或卤素灯的一种。

本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述多模光纤包括位于所述传感部内的检测段，所述检测段呈直线型、半圆形、圆角方形或环形。

本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述光接收器包括光电转换器，和用于将所述多模光纤端部的输出光聚拢至所述光电转换器输入端的凸透镜，所述凸透镜直径小于所述输出光的散射直径。

本申请一实施例中所述生命体征检测装置，其中，所述凸透镜与所述光纤端面之间的距离d满足以下公式：

所述r₁为凸透镜半径，所述k为凸透镜半径r₁与散射半径r₂的比值，所述θ_max为所述多模光纤的受光角。

本发明所给出的生命体征检测装置，利用多模光纤受到外界振动干扰时，在端面或截面上的干涉模斑发生变化的原理，通过检测受人体体表振动影响的多模光纤内的光信号从而得到人体呼吸及脉搏等生命体征的参数，因此，无需直接与人体皮肤直接接触，也不受肤色及环境光的影响，使用方便，适用范围广；传感部与光接收器之间采用多模光纤与单模光纤熔接的结构，更容易检测到多模光纤发生的干涉，降低检测难度。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意；

图2为现有的光接收器的结构示意图；

图3为本发明实施例一中，光接收器的结构示意；

图4为本发明实施例一中，凸透镜尺寸的理论模型示意图；

图5为本发明实施例二的结构示意图；

图6为本发明实施例二中，多模光纤与单模光纤溶接处的原理示意图；

图7为本发明实施例二中，套管的结构示意图；

图8为本发明实施例二中，固定块的结构示意图；

图9-图12为本发明实施例中，检测段的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一、

本实施例所提供的生命体征检测装置，如图1所示，包括：光发射装置1，光接收器2，以及用于感知人体体表振动的传感部。光发射装置1通过多模光纤3与光接收器2形成光路。多模光纤3一端与光发射装置1耦合，另一端穿过穿过传感部与光接收器2耦合。多模光纤3包括位于传感部内部检测段31及位于传感部外部的传输段32。传感部包括两片重叠放置的弹性垫4，多模光纤3由两片弹性垫4之间穿过，并通过胶黏在弹性垫4的内表面。使得多模光纤3的检测段31与弹性垫4之间不会产生相对移动。本实施例中弹性垫4为硅胶垫，当然并不局限于弹性垫，还可以是其他柔性材质的载体，其结构只要能够固定多模光纤3的检测段31即可。

如图2所示，现有的光接收器2包括设置在壳体内的光电转换器21，光纤出射的光不会平行于纤芯直射出来，而是在一定的角度范围内呈圆锥形散射出来，因此，在光电转换器21接收端与光纤端部之间设有凸透镜22，凸透镜22的主光轴与光纤的中轴线重合。为使得通过光纤传过来的光都能被探测到，就需要将光纤的输出光斑全部汇集到光电转换器21的接收端，因此，现有的光接收器2的凸透镜22的半径大于输出光的散射半径。这样光纤的输出光就会在凸透镜22表面形成多个光斑，这些光斑分布在一个圆形的区域内，且越靠近主光轴光斑分布的密度越大，这样使得输出光汇集到光电转换器21感应区内。光纤的输出光会照射凸透镜22表面，这些输出光分布在一个圆形的区域内，且越靠近主光轴输出光分布的密度越大。

光在多模光纤3中传输时，在多模光纤3纤芯中会激发出大量的传输模式，这些模式互相干涉，而在光纤截面上形成干涉图样，干涉图样的光强度由入射光及各个传输模式的相位差决定。当入射光不变而光纤振动时，会导致光纤长度、纤芯横截面积以及纤芯折射率发生变化，从而引起各个传输模式之间的相位差发生变化。因此，当人体由于脉搏或呼吸引起体表振动时，弹性垫4内的多模光纤3受到振动后就会导致多模光纤3输出端各模式之间相位差发生变化，而输出端截面上任意一个固定区域内的光强度与各模式之间的相位差相关，通过监测这一固定区域的光强度变化，就可以监测到外部的振动的信息。通过对接收器检测的光强度信号进行分析处理可得到形成表征人体脉搏或呼吸频率的曲线，从而实现检测人体生命体征的作用。

多模光纤横截面的总光功率可以表示为

其中，E_i(x,y)和分别为第i阶模的横向电场矢量和相对于基模的相位差，N为横模的数量。由于模式的正交性，式(1)右侧第二项的积分为零，即横截面的总功率不变。但光纤横截面的局部区域内的光功率则与模式之间的相位差有关。以下举例说明局部区域的光功率与模间相位差的关系。

假设该局部区域位于多模光纤纤芯中心位置，则该区域内的低阶模式能量相对较高，高阶模式能量相对较低，因此只考虑一阶模和基模，对式(1)做一阶近似，可得局部区域的功率

(2)式中右侧第一项是个定值，而第二项取决于基模和一阶模的相位差_因此外界的振动因素施加在多模光纤后，低阶模式之间的相位差变化会导致多模光纤横截面中心局部区域的功率发生变化。同理，在多模光纤横截面的其他局部区域，我们依然可以通过式(1)计算得到该局部区域的功率P_l与该区域占主导位置的高阶模之间的相位差的关系。

因此，虽然多模光纤横截面的总功率在外界干扰下不会发生变化，但是该干扰导致的模间相位差变化，最终会引起横截面局部区域的光功率发生变化。对于呼吸和心跳导致的身体周期性微小振动，会导致多模光纤模式之间的相位差发生周期性的变化，通过检测多模光纤横截面局部区域的功率周期性变化，即可监测到人体呼吸和心跳导致的身体周期性微小振动的信息。光电转换器21所接收到的光信号为包含有噪声、呼吸及脉搏等生命体征信息的原始信号。呼吸和脉搏等生命体征信号有各自的频率范围，其中呼吸信号的幅值大，可根据需求采用巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、多项式拟合平滑滤波器等滤波器对原始信号进行滤波处理，得到呼吸信号。脉搏信号频率介于呼吸和噪声信号间，可以使用IIR滤波器、FIR滤波器等带通滤波器对呼吸信号和噪声信号数据进行滤波处理得到脉搏信号。上述对原始信号的处理方法为本领域的现有算法，在此不做赘述。

为检测输出光截面上某一固定区域内的光强变化，本实施例中如图3及图4所示，为了选取截面上输出光密度较大的区域进行检测，凸透镜22固定位置使得其与光纤3同光轴，且凸透镜22的半径r₁小于输出光的散射截面半径r₂，通过调整凸透镜22与多模光纤3端面之间的距离d，改变凸透镜22半径r₁与输出光散射半径r₂的比值k，从而改变光电转换器21接收面积占输出光截面总面积的占比。具体地，本实施例中，凸透镜22表面距离多模光纤3端面的距离d满足以下公式：

其中θ为多模光纤3最大出射锥角的半角，即受光角。对于多模光纤，只有在特定的锥角范围内的入射光才能沿着光纤传播，该锥角的半角被称为受光角θ。

由光纤的数值孔径公式：可知，对于确定的光纤、光源、及光纤外传播介质，其受光角θ_max是一个定值，由光的可逆性，其出射锥角的半角也是θ_max且为定值。

本实施例中，k的取值范围在到之间，优选的几组取值例如 等。

本实施例所公开的生命体征检测装置由于检测段31主要用过人体体表的振动来实现对生命体征的检测，只要能够检测到人体体表的振动即可正常工作，因而无需紧贴皮肤表面，可以隔着衣物进行检测；同时，由于环境光对光纤回路不会造成任何影响，因而该设备使用不受环境光影响。

实施例二、

本实施例中是在实施例一的基础上进行改进的方案。本实施例中，如图5光接收器2耦合有单模光纤5，多模光纤3的一端与光发射装置1耦合，另一端穿过传感部的弹性垫4与单模光纤5熔接。如图6所示，由于光从多模光纤3耦合到单模光纤5时，只有分布于单模光纤5纤芯横截面内的干涉模斑30能有效耦合进单模光纤5中，因此耦合进单模光纤5中的光功率会随着干涉模斑30的分布发生变化。即，当改变多模光纤3所处外界环境时，会有一部分干涉模斑30随着环境的变化在单模光纤5截面内外之间变动，这样耦合进单模光纤5中的光功率会随之变化。因此，当检测段31受到来自体表的振动时，耦合进单模光纤5中的光功率会产生与振动规律相关联的变化，光接收器2接收单模光纤5的光信号，并生成表征人体脉搏和呼吸的曲线。

本实施例中，单模光纤5与多模光纤3熔接处二者的主光轴重合，这样熔接处刚好处于多模光纤3的中心处，使得分布在单模光纤5截面内的干涉模斑30密度更大，增加设备的稳定性。

由于本实施例中，耦合到单模光纤5的光斑仅仅是多模光纤中传输的一部分，通过这部分光信号的变化即可反应处振动的变化规律，光接收器2选用现有的光接收器(如图2所示)。

为了避免外界的干扰，如图7及图8所示，在多模光纤3与单模光纤5熔接处设有第一防护装置，第一防护装置可以是套在熔接处的刚性套管6，还可以是固定在传感器外壳或支架等处的刚性固定块7，固定块7表面设有用来卡紧多模光纤5及熔接处的卡槽。第一防护装置用于隔绝外界振动、温度因素，避免对多模光纤3与单模光纤5熔接处产生干扰，同时起到防护作用。光发射装置1与传感部之间设有第二防护装置，第二防护装置为套在多模光纤3表面的刚性套管6，或者用来固定多模光纤3的刚性固定块7，固定块7沿着多模光纤3的走向可以相间隔的设置多个。

本申请中的光发射装置1可以是激光器、LED光源或卤素灯的一种。本实施例采用中心波长为850nm的光发射装置及光接收器。多模光纤纤径为62.5um/125um，单模光纤纤径为9um/125um。

本申请实施例一及实施例二中，多模光纤3位于弹性垫4内的检测段31可以如图9所示呈直线型穿过传感部，还可以如图10所示呈半圆形、如图11所示的圆角方形或如图12所示的圆弧形，检测段31在弹性垫4内迂回180度后穿过传感部。检测段31还可以缠绕多圈的环形结构。

本申请实施例中还包括用于控制光发射装置1的光源驱动模块、用来将光接收器2接收到的光信号进行放大及调制的信号放大模块及调制处理模块。以及用来对信号进行处理并生成表征人体生命体征信息的数据处理模块。具体地，光接收器获取的原始数据中包含有呼吸和心率两种信号及噪声信号，呼吸信号及心率信号的频率处于一个特定的范围内，因此，通过高和低带通滤波器，可以将噪声信号进行滤除，根据呼吸和心率信号的频率差异，再次使用带通滤波器，可以将呼吸信号及心率信号进行分离得到呼吸信号和心率信号。上述功能模块及对信号的处理方法为本领域普通技术人员所熟知的现有技术，在此不做赘述。

本发明所给出的生命体征检测装置，利用多模光纤受到外界振动干扰时，在端面或截面上的干涉模斑相位发生变化的原理，通过检测受人体体表振动影响的多模光纤内的光信号从而得到人体呼吸及脉搏等生命体征的参数，因此，无需直接与人体皮肤紧密接触，也不受肤色及环境光的影响，使用方便，适用范围广；传感部与光接收器之间采用多模光纤与单模光纤熔接的结构，更容易检测到多模光纤发生的干涉，降低检测难度。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种生命体征检测装置，其特征在于，包括：光发射装置、用于检测光回路中光强变化的光接收器，以及用于感知人体体表振动的传感部，所述光发射装置通过光纤与所述光接收器形成光回路，所述光纤包括多模光纤，所述多模光纤穿过所述传感部。

2.如权利要求1所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述传感部包括两片重叠设置的弹性垫，所述多模光纤由两片所述弹性垫之间穿过，并与所述弹性垫表面固定连接。

3.如权利要求1所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述光接收器耦合有单模光纤，所述多模光纤一端与所述光发射装置耦合，另一端穿过所述传感区并与所述单模光纤熔接。

4.如权利要求3所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述多模光纤与所述单模光纤熔接处设有用于防止外部震动干扰的第一防护装置。

5.如权利要求4所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述光发射装置与所述传感部之间设有用于防止外部震动干扰所述多模光纤的第二防护装置。

6.如权利要求5所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述第一防护装置及第二防护装置为刚性套管或固定块。

7.如权利要求1-6任一所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述光发射装置为激光器、LED光源或卤素灯的一种。

8.如权利要求7所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述多模光纤包括位于所述传感部内的检测段，所述检测段呈直线型、半圆形、圆角方形或环形。

9.如权利要求1所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述光接收器包括光电转换器，和用于将所述多模光纤端部的输出光聚拢至所述光电转换器输入端的凸透镜，所述凸透镜直径小于所述输出光的散射直径。

10.如权利要求9所述的生命体征检测装置，其特征在于，所述凸透镜与所述光纤端面之间的距离d满足以下公式：

所述r₁为凸透镜半径，所述k为凸透镜半径r₁与散射半径r₂的比值，所述θ_max为所述多模光纤的受光角。