CN110448282A - 一种光纤感应组件及生命体征监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种光纤感应组件及生命体征监测装置，针对肩部靠近心脏，远离呼吸振动区域的特点，设置传感光纤采集心率信号；针对呼吸振动信号较强的特点，在其他部位设置传感光纤，分区检测呼吸和心跳，降低呼吸震颤对心跳信号影响，对于心跳信号的监测精准度更高；本发明的生命体征监测装置具有结构简单，易于实现，制造成本低，运行可靠，灵敏度高，实时检测，信号易于解调等优点，可内置于坐垫、床垫、鞋垫或枕头等日用品中，便于使用者在日常工作生活中实时地监测自己的身体状况，并可在紧急情况下及时通知家属和医护人员，避免意外情况发生。
Description
技术领域
本发明涉及人体生命体征监测领域，尤其涉及一种光纤感应组件及生命体征监测装置。
背景技术
随着社会经济技术的发展及人们对生活质量要求的提高，人们对自身健康进行检测的需求不断增大。呼吸率和心率是最基本的人体生命体征，人体的病态体征往往会从异常的呼吸率和心率上反映出来，因此，实现呼吸率和心率的日常实时监测对人体健康评估和疾病预防有着重要意义。长时间的呼吸率和心跳监测可使受监测者的健康状态被实时监测掌握，但传统监测系统大都使用接触式的穿戴式设备，用户体验差，监测时不仅干扰受监测者生活，其监测效果准确性也受限。
近年来，非接触式监测系统发展迅速。基于光纤传感原理的传感系统具有灵敏度高、舒适性好、抗电磁干扰的特点，但目前基于光纤光栅传感器的监测装置系统结构和制作工艺复杂，获取的信号需要经过波长解调，导致系统成本过高、解调方法复杂。而基于干涉原理的监测系统要么需要经过相位解调，导致解调方法复杂，系统成本高，要么干涉信号极易受环境、偏振和相位衰落影响无法准确地提取出完整的呼吸与心跳信号。
基于光纤弯曲损耗原理的检测系统可降低光相位衰落和偏振影响，对于呼吸与心跳信号等生命体征的监测更加准确。在实际监测过程中发现，由于呼吸过程中产生的震颤作用较强，而心跳信号较微弱，导致心跳信号难以从混合了呼吸和噪声的信号中分离出来，心率信号监测准确性较低，且难以保证呼吸和心率信号的同步解调。
进一步的，在实际监测过程中发现，人体肩部靠近心脏，在此处采集的心跳信号比较强；而呼吸振动主要集中在腹部区域，对肩部影响相对较小，此部位更容易采集心率信号；腰部区域呼吸信号强烈，比较利于采集呼吸信号。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种降低呼吸震颤对心跳信号影响的光纤感应组件及生命体征监测装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种光纤感应组件，其包括压力敏感薄膜(1)和传感光纤(2)，所述压力敏感薄膜(1)上设置有对应人体肩部的第一数据采集区(11)，以及对应人体肩部以下部位的第二数据采集区(12)，所述传感光纤(2)分别在第一数据采集区(11)和第二数据采集区(12)弯曲盘绕，所述第一数据采集区(11)和第二数据采集区(12)弯曲盘绕的传感光纤(2)相互串联或者并联。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述第二数据采集区(12)对应人体背部或者腰部。
进一步优选的，所述第一数据采集区(11)的传感光纤(2)或者第二数据采集区(12)对应人体腰部的传感光纤(2)呈“S”形弯曲走线。
更进一步优选的，还包括硬质线(3)，所述硬质线(3)将第一数据采集区(11)的传感光纤(2)或者第二数据采集区(12)对应人体腰部的呈“S”形弯曲走线的传感光纤(2)压在压力敏感薄膜(1)表面。
进一步优选的，所述第二数据采集区(12)对应人体背部的传感光纤(2) 呈“S”形弯曲走线，或者呈螺旋形弯曲走线，或者呈“8”字形弯曲走线。
更进一步优选的，所述第一数据采集区(11)和第二数据采集区(12)弯曲盘绕的传感光纤(2)相互串联，所述第二数据采集区(12)对应人体背部的传感光纤(2)包括呈“S”形弯曲走线段，以及呈螺旋形弯曲的行线段或呈“8”字形弯曲的行线段，所述呈“S”形弯曲的行线段与呈螺旋形弯曲的行线段或呈“8”字形弯曲的行线段相互串联并上下交叉。
更进一步优选的，所述第一数据采集区(11)和对应人体腰部的第二数据采集区(12)的传感光纤(2)相互串联，所述对应人体背部的第二数据采集区 (12)与第一数据采集区(11)的传感光纤(2)相互并联。
第二方面，本发明提供了一种生命体征监测装置，其包括激光光源(4)、光电转换模块(5)和生命体征信号提取与分析模块(6)，其特征在于：还包括权利要求1所述的光纤感应组件，
激光光源(4)，发射激光到传感光纤(2)；
传感光纤(2)，分别连接激光光源(4)和光电转换模块(5)，在承受外界压力后弯曲，传感光纤(2)中传输的光信号在弯曲部位处损耗而被调制；
光电转换模块(5)，连接生命体征信号提取与分析模块(6)，将光信号转换为电信号；
生命体征信号提取与分析模块(6)，从电信号中提取出生命体征信息。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述激光光源(4)包括但不限于相干光源。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括蓝牙通讯模块(7)和智能终端 (8)，所述蓝牙通讯模块(7)分别连接生命体征信号提取与分析模块(6)和智能终端(8)，智能终端(8)对生命体征信号提取与分析模块(6)得到的生命体征信息进行显示，并在生命体征信息超过预设值时发送警示信息。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述压力敏感薄膜(1)和传感光纤(2) 内置于但不限于坐垫、床垫、鞋垫和枕头中。
更进一步优选的，所述传感光纤(2)承受外界压力的方式包括但不限于非穿戴式和非侵入式。
本发明的光纤感应组件及生命体征监测装置相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)针对肩部靠近心脏，远离呼吸振动区域的特点，设置传感光纤采集心率信号；针对呼吸振动信号较强的特点，在其他部位设置传感光纤，分区检测呼吸和心跳，降低呼吸震颤对心跳信号影响，对于心跳信号的监测精准度更高；
(2)针对肩部的心跳信号采集，采用敏感度更高的“S”形弯曲走线光纤，进一步设置硬质线，可起到增敏作用，可提高心跳信号监测灵敏度；
(3)在设置有针对肩部心跳监测的分区的情况下，针对背部的分区只需保证对呼吸的监测即可；但是，实际使用中，由于压力敏感薄膜和传感光纤一般置于床垫等编织物内部，人体难以保证肩部对准第一数据采集区，当人体相对于压力敏感薄膜下移时，所述第一数据采集区的传感光纤难以监测到心跳信号，因此需要第二数据采集区的传感光纤同时监测心跳和呼吸，由于心跳和呼吸信号容易相互干扰，采用敏感度更高的“S”形弯曲走线光纤和和敏感度交底的螺旋形弯曲走线或者呈“8”字形弯曲走线光纤，能压制呼吸信号，增强心跳信号，降低呼吸震颤对心跳信号影响，便于将心跳和呼吸信号分离，进一步将两种走线交叉，可起到增敏作用，提高对心跳信号监测的灵敏度；
(4)针对腰部呼吸信号强烈的特点，设置传感光纤采集呼吸信号，分区设置，利于呼吸和心跳信号的分离；
(5)对于各区的传感光纤进行串联或者并联后采集信号，尤其是并联采集的方式，可防止心跳和呼吸信号相互影响，灵敏度更高；
(6)本发明的生命体征监测装置具有结构简单，易于实现，制造成本低，运行可靠，灵敏度高，实时检测，信号易于解调等优点，可内置于坐垫、床垫、鞋垫或枕头等日用品中，便于使用者在日常工作生活中实时地监测自己的身体状况，并可在紧急情况下及时通知家属和医护人员，避免意外情况发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的生命体征监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1的传感光纤结构示意图；
图3为本发明实施例2的传感光纤结构示意图；
图4为本发明实施例3的传感光纤结构示意图；
图5为本发明实施例1～3得到的呼吸和心跳信号监测图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的生命体征监测装置，其包括压力敏感薄膜1、传感光纤2、硬质线3、激光光源4、光电转换模块5、生命体征信号提取与分析模块6、蓝牙通讯模块7和智能终端8。
其中，激光光源4，发射激光到传感光纤2。优选的，所述激光光源4包括但不限于相干光源，这部分可以采用现有技术。
传感光纤2，分别连接激光光源4和光电转换模块5，基于弯曲损耗原理，监测外界压力并将光信号进行调制后输出。可采用单模光纤或者多模光纤，以及单模光纤与多模光纤的复合光纤。采用弯曲损耗原理进行光信号调制的原理如下：
在光纤纤芯中传输的光能量在平直的光纤中传播时，由于纤芯与包层的折射率不同，在纤芯内形成全反射，在光纤中的能量损耗极小。而当光纤弯曲时会使光纤内部的折射率不均匀，破坏全反射的条件，部分光能量极易由包层泄露而引起能量损耗，通过监测光在传输过程中的能量损耗，即可计算光纤弯曲程度。
基于以上原理，发明人通过反复试验发现，普通单模光纤芯径为9μm，在弯曲过程中，光纤中的光功率只有很少一部分泄露，光功率上的动态响应不明显，难以直接适用于呼吸与心率这种小信号的检测。而更小的芯径由于光通过的路径更窄，对于同样长度的光纤，光束在小芯径光纤中传播的全反射点明显增多，这意味着受力弯曲后光泄露到包层的点增多，同时弯曲的挤压和拉伸对光纤折射的不均匀影响更大，更容易破坏全反射的条件，光功率损耗更大，即光功率对于弯曲的动态响应幅度更大，完全可以适用于小信号检测。
基于以上发现，本发明采用的传感光纤2芯径小于或等于5μm。由于所述传感光纤2为小芯径光纤，因此，呼吸与心跳引起的挤压造成的微小振动引起光纤弯曲变化，在弯曲损耗更为敏感的小芯径光纤中会对光信号进行明显的强度调制，在传感光纤输出端输出随呼吸和心跳相关性变化的光功率。
压力敏感薄膜1，支撑传感光纤2。需要说明的是，压力敏感薄膜1为软质材料，优选地，软质材料为为硅胶、纺织面料，压力敏感薄膜1在受压时，可变形，此外，压力敏感薄膜1还可采用聚乙烯薄膜，此类压力敏感薄膜1不但起柔性的保护作用，还具备有防潮性，透湿性小，更甚是保证传感光纤2的干燥性。
硬质线3，起到增敏作用，一般采用硬质塑料，可采用尼龙材料、钢丝或者光纤，直径为0.4～1mm。
光电转换模块5，连接生命体征信号提取与分析模块6，将光信号转换为电信号，可采用现有技术。
生命体征信号提取与分析模块6，从电信号中提取出生命体征信息，可采用现有技术。具体的，所述生命体征信息包括呼吸频率和心率。当然的，也可以是脉搏频率。
蓝牙通讯模块7，所述蓝牙通讯模块7分别连接生命体征信号提取与分析模块6和智能终端8。
智能终端8，对生命体征信号提取与分析模块6得到的生命体征信息进行显示，并在生命体征信息超过预设值时发送警示信息。
本发明的所述压力敏感薄膜1和传感光纤2内置于但不限于坐垫、床垫、鞋垫和枕头中。优选设置于床垫中，当人体呼吸会引起人体胸腔的扩张与收缩，导致对传感光纤的挤压，心跳会引发人体全身动脉血管的微振动，这种微小的振动也会产生对传感光纤2的挤压。
具体的，所述传感光纤2承受外界压力的方式包括但不限于非穿戴式和非侵入式。
以下结合具体实施例，介绍本发明的生命体征监测装置。
实施例1
本实施例的生命体征监测装置，其包括压力敏感薄膜1、传感光纤2、硬质线3、激光光源4、光电转换模块5、生命体征信号提取与分析模块6、蓝牙通讯模块7和智能终端8。其中，所述压力敏感薄膜1、激光光源4、光电转换模块5、生命体征信号提取与分析模块6、蓝牙通讯模块7和智能终端8采用现有技术，不同之处在于传感光纤2的设置。
如图2所示，本实施例的传感光纤2呈“S”形弯曲走线，其中，所述传感光纤2直径为9μm，硬质线3采用尼龙，直径为0.4～1mm，将呈“S”形弯曲走线的传感光纤2压在压力敏感薄膜1表面。
将以上压力敏感薄膜1和传感光纤2内置于床垫中，进行呼吸和心跳信号监测，得到图5所示的图谱。
实施例2
本实施例的生命体征监测装置与实施例1基本相同，不同之处在于，如图3 所示，所述压力敏感薄膜1上设置有对应人体肩部的第一数据采集区11(对应图中虚线方框部分，虚线方框部分仅仅起到标识作用，现实使用中无须设置虚线方框)，以及对应人体背部和腰部的第二数据采集区12(对应图中虚线方框部分，虚线方框部分仅仅起到标识作用，现实使用中无须设置虚线方框)，所述传感光纤2分别在第一数据采集区11和第二数据采集区12弯曲盘绕，所述第一数据采集区11和第二数据采集区12弯曲盘绕的传感光纤2相互串联。传感光纤2两端分别连接激光光源4和光电转换模块5。具体的，所述第二数据采集区12可以只对应人体背部设置，也可如本实施例所示的分别对应人体背部和腰部设置。
其中，所述对应人体肩部的第一数据采集区11的传感光纤2和第二数据采集区12对应人体腰部的传感光纤2呈“S”形弯曲走线。硬质线3采用尼龙，直径为0.4～1mm，将呈“S”形弯曲走线的传感光纤2压在压力敏感薄膜1表面。所述对应人体肩部的第一数据采集区11的传感光纤2和第二数据采集区12 对应人体腰部的传感光纤2采用灵敏度高的“S”形弯曲走线，主要监测心跳信号。为了增强心跳信号，采取传感光纤2上压硬质线3的增敏措施。
具体的，所述第二数据采集区12对应人体背部的传感光纤2主要监测呼吸信号，由于呼吸信号较强，所述传感光纤2采用呈“S”形弯曲走线，或者呈螺旋形弯曲走线，或者呈“8”字形弯曲走线皆可。
具体的，所述第二数据采集区12对应人体背部的传感光纤2包括呈“S”形弯曲走线段，以及呈螺旋形弯曲的行线段，所述呈“S”形弯曲的行线段与呈螺旋形弯曲的行线段相互串联并上下交叉。实际使用中，由于压力敏感薄膜1和传感光纤2一般置于床垫等编织物内部，人体难以保证肩部对准第一数据采集区 11，当人体相对于压力敏感薄膜1下移时，所述第一数据采集区11的传感光纤 2难以监测到心跳信号，因此需要第二数据采集区12的传感光纤2同时监测心跳和呼吸，由于心跳和呼吸信号容易相互干扰，采用敏感度更高的“S”形弯曲走线光纤和敏感度较底的螺旋形弯曲走线或者呈“8”字形弯曲走线光纤结合，能压制呼吸信号，增强心跳信号，降低呼吸震颤对心跳信号影响，便于将心跳和呼吸信号分离。进一步将呈“S”形弯曲的行线段与呈螺旋形弯曲的行线段交叉，可起到增敏作用，提高对心跳信号监测的灵敏度。具体的，所述第一数据采集区11的传感光纤2引出后先与第二数据采集区12对应人体背部的传感光纤2 中“S”形弯曲走线段连接，再与第二数据采集区12对应人体腰部的传感光纤2 连接，再与第二数据采集区12对应人体背部的传感光纤2中螺旋形弯曲走线或者呈“8”字形弯曲走线段连接，最后引出。
具体的，所述传感光纤2采用直径为5μm的光纤。
由此得到增强的心率信号更容易从混合了呼吸和噪声的信号中分离出来，实现呼吸心率信号的同步解调。因此，呼吸与心跳引起的挤压造成的微小振动会对光信号进行明显的强度调制，在传感光纤2输出端输出随呼吸和心跳相关性变化的光功率。输出的光功率经光电转换模块转换为电信号，再经生命体征信号提取与分析模块6在不同的频带中将呼吸和心跳信号区分开来，就可以得到呼吸与心跳信号，最后由蓝牙通讯模块7发送至智能终端8显示与报警。
将以上压力敏感薄膜1和传感光纤2内置于床垫中，进行呼吸和心跳信号监测，得到图5所示的图谱。
实施例3
本实施例的生命体征监测装置与实施例2基本相同，不同之处在于：
如图4所示，所述第一数据采集区11的传感光纤2和第二数据采集区12 对应人体腰部的传感光纤2呈“S”形弯曲走线。所述第二数据采集区12对应人体背部的传感光纤2呈螺旋形弯曲走线，或者呈“8”字形弯曲走线。硬质线3 采用尼龙，直径为0.4～1mm，将呈“S”形弯曲走线的传感光纤2压在压力敏感薄膜1表面。
此外，所述传感光纤2设置有两根，所述第一数据采集区11和对应人体腰部的第二数据采集区12的传感光纤2为同一根，所述对应人体背部的第二数据采集区12的传感光纤2为另一根，两根传感光纤2相互并联并分别连接不同的激光光源4和光电转换模块5。
将以上压力敏感薄膜1和传感光纤2内置于床垫中，进行呼吸和心跳信号监测，得到图5所示的图谱。
由图5可知：
实施例1中，由于呼吸信号很强，呼吸产生的震颤严重影响到心跳信号的检测，可以看出，心跳信号的幅值随着呼吸信号的强弱有起伏，不利于后续信号的检测处理。
实施例2中，分区检测能有效减弱呼吸产生的震颤带来的影响，心跳信号明显增强。然而，此时的呼吸信号相对比较弱。
实施例3中，分区并分路的设置不必平衡呼吸与心跳信号的强弱，心跳与呼吸信号都非常清晰，极大方便了后续数据处理。
综上，采用分区设置的实施例2的传感光纤2比不采用分区设置的实施例1 的传感光纤2对呼吸和心跳的监测灵敏度更高。
采用两根传感光纤的实施例3的监测方式比采用一根光纤的实施例2的监测方式对于呼吸和心跳的监测灵敏度更高。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤感应组件，其包括压力敏感薄膜(1)和传感光纤(2)，其特征在于：所述压力敏感薄膜(1)上设置有对应人体肩部的第一数据采集区(11)，以及对应人体肩部以下部位的第二数据采集区(12)，所述传感光纤(2)分别在第一数据采集区(11)和第二数据采集区(12)弯曲盘绕，所述第一数据采集区(11)和第二数据采集区(12)弯曲盘绕的传感光纤(2)相互串联或者并联。
2.如权利要求1所述的光纤感应组件，其特征在于：所述第二数据采集区(12)对应人体背部或者腰部。
3.如权利要求2所述的光纤感应组件，其特征在于：所述第一数据采集区(11)的传感光纤(2)或者第二数据采集区(12)对应人体腰部的传感光纤(2)呈“S”形弯曲走线。
4.如权利要求3所述的光纤感应组件，其特征在于：还包括硬质线(3)，所述硬质线(3)将第一数据采集区(11)的传感光纤(2)或者第二数据采集区(12)对应人体腰部的呈“S”形弯曲走线的传感光纤(2)压在压力敏感薄膜(1)表面。
5.如权利要求2所述的光纤感应组件，其特征在于：所述第二数据采集区(12)对应人体背部的传感光纤(2)呈“S”形弯曲走线，或者呈螺旋形弯曲走线，或者呈“8”字形弯曲走线。
6.如权利要求5所述的光纤感应组件，其特征在于：所述第一数据采集区(11)和第二数据采集区(12)弯曲盘绕的传感光纤(2)相互串联，所述第二数据采集区(12)对应人体背部的传感光纤(2)包括呈“S”形弯曲走线段，以及呈螺旋形弯曲的行线段或呈“8”字形弯曲的行线段，所述呈“S”形弯曲的行线段与呈螺旋形弯曲的行线段或呈“8”字形弯曲的行线段相互串联并上下交叉。
7.如权利要求5所述的光纤感应组件，其特征在于：所述第一数据采集区(11)和对应人体腰部的第二数据采集区(12)的传感光纤(2)相互串联，所述对应人体背部的第二数据采集区(12)与第一数据采集区(11)的传感光纤(2)相互并联。
8.一种生命体征监测装置，其包括激光光源(4)、光电转换模块(5)和生命体征信号提取与分析模块(6)，其特征在于：还包括权利要求1所述的光纤感应组件，
激光光源(4)，发射激光到传感光纤(2)；
传感光纤(2)，分别连接激光光源(4)和光电转换模块(5)，在承受外界压力后弯曲，传感光纤(2)中传输的光信号在弯曲部位处损耗而被调制；
光电转换模块(5)，连接生命体征信号提取与分析模块(6)，将光信号转换为电信号；
生命体征信号提取与分析模块(6)，从电信号中提取出生命体征信息。
9.如权利要求8所述的生命体征监测装置，其特征在于：所述压力敏感薄膜(1)和传感光纤(2)内置于但不限于坐垫、床垫、鞋垫和枕头中。
10.如权利要求8所述的生命体征监测装置，其特征在于：所述传感光纤(2)承受外界压力的方式包括但不限于非穿戴式和非侵入式。
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