CN110974198A - 可穿戴式生命体征监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可穿戴式生命体征监测装置，它的激光光源用于向传感光纤中发射激光；传感光纤的两端分别连接激光光源和光电转换模块，传感光纤在承受人体脉搏或呼吸或心跳运动的压力后弯曲，传感光纤中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制；光电转换模块用于将传感光纤输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号；生命体征信号提取模块用于从表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号中提取出对应的人体脉搏或呼吸或心跳频率。本发明可以实时准确地监测人体的生命体征信息。

Description

可穿戴式生命体征监测装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种可穿戴式生命体征监测装置及方法。
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，但传统可监测系统大多不能做成可穿戴式，而实际应用中的穿戴式设备，测量参数比较单一，大多无法测量呼吸率，且其监测效果准确性也备受争议。
近年来，基于光纤传感原理的传感系统，因其具有灵敏度高、舒适性好、抗电磁干扰的特点，受到了很大关注，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。但由于光纤强度和柔韧性有限，不能过度弯折，难以适用于人们的日常生活和运动，因此，基于光纤传感理论监测生命体征信号的可穿戴式产品目前几乎没有。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可穿戴式生命体征监测装置及方法，本发明可以准确的监测人体的生命体征(心跳、脉搏、呼吸)信息。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：它包括激光光源、传感光纤、光电转换模块、生命体征信号提取模块和振动敏感薄膜，所述振动敏感薄膜正面沿传感光纤布置的方向固定有多个平行的底衬硬质直压线，传感光纤笔直设置在多个底衬硬质直压线上，相邻两个底衬硬质直压线之间设有下压硬质直压线，每个下压硬质直压线的一端均固定在振动敏感薄膜上，每个下压硬质直压线的另一端均为自由端，传感光纤位于每个下压硬质直压线的下方，并受到每个下压硬质直压线的下压力；
所述激光光源用于向传感光纤中发射激光；
所述传感光纤的两端分别连接激光光源和光电转换模块，传感光纤在承受人体脉搏或呼吸或心跳运动的压力后弯曲，传感光纤中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制；
所述光电转换模块用于将传感光纤输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号；
生命体征信号提取模块用于从表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号中提取出对应的人体脉搏或呼吸或心跳频率。
本发明的有益效果：
1、传感光纤贴近于皮肤，可以更好的还原人体脉搏或呼吸或心跳的振动信号，提高传感系统监测的准确度；
2、采用底衬硬质直压线和下压硬质直压线交错压置传感光纤，使光纤预弯曲，可起到增敏作用，提高信号监测灵敏度；
3、仅用单根小段传感光纤、激光器光电转换模块、生命体征信号提取模块和振动敏感薄膜集成，减小硬件空间，便于小型化集成；
4、动脉脉搏振动信号相对较强，传感光纤无需固定特定点位置测量，适用于运动环境，目前市面上可穿戴的心率传感器均需要用内置的光源照射到血管，测量反射光强的变化，这种传感器有位置限制，不能远离血管，而本发明是由一根传感光纤通过皮肤测量血管因血流量改变而引起的振动信号，手环可以随意佩戴，无位置限制，当然，如果传感光纤距离脉搏更近，振动信号会更强，相应的传感信号也会更强，但传感远离脉搏时仍能透过皮肤感受到脉搏的振动，因而，本方案无需固定位置佩戴；
5、腕带采用弹性松紧带设计，使传感光纤侧保持紧贴于皮肤，减小运动摩擦带来的噪声信号，提高装置的可靠性；
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，可集成于手环、脚环、腰带、帽子或衣服等可穿戴用品或饰品中，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
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的使用状态图；
图4为本发明穿戴后位于贴近动脉处时的心跳信号；
图5为本发明穿戴后位于远离动脉处时的心跳信号；
图6为本发明穿戴后位于贴近动脉处时的呼吸信号；
图7为本发明穿戴后位于远离动脉处时的呼吸信号；
其中，1—激光光源、2—传感光纤、3—光电转换模块、4—生命体征信号提取模块、5—振动敏感薄膜、6—底衬硬质直压线、7—下压硬质直压线、8—无线通信模块、9—智能终端、10—带有松紧带、11—手环。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的一种可穿戴式生命体征监测装置，如图1～3所示，它包括激光光源1、传感光纤2、光电转换模块3、生命体征信号提取模块4和振动敏感薄膜5，所述振动敏感薄膜5正面沿传感光纤2布置的方向粘接有多个平行的底衬硬质直压线6，传感光纤2笔直设置在多个底衬硬质直压线6上，相邻两个底衬硬质直压线6之间设有下压硬质直压线7，每个下压硬质直压线7的一端均粘接在振动敏感薄膜5上，每个下压硬质直压线7的另一端均为自由端，传感光纤2位于每个下压硬质直压线7的下方，并受到每个下压硬质直压线7的下压力，利用杠杆原理将振动转换为压力挤压传感光纤，将传感光纤预弯曲，使其对微小振动敏感，仅使用小段单根光纤即可检测生命体征信号；
所述激光光源1用于向传感光纤2中发射激光；
所述传感光纤2的两端分别连接激光光源1和光电转换模块3，传感光纤2在承受人体脉搏或呼吸或心跳运动的压力后弯曲，传感光纤2中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制(因为心跳和呼吸都会引起人体全身的振动，振动信号传递到预弯曲的光纤，光纤中的光损耗会随着振动信号而变化，即振动信号对光纤中的光功率进行了强度调制)；
所述光电转换模块3用于将传感光纤2输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号(因为前面已经接收到了由心跳和呼吸引起的振动信号调制的光功率信号，通过光电转换模块(即PD)就能将变化的光功率转换为变化的电信号)；
生命体征信号提取模块4用于从表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号中提取出对应的人体脉搏或呼吸或心跳频率。将以上电信号隔直得到动态信号，经过滤波处理就能提取并分离出随心跳和呼吸变化的信号，由算法对呼吸和心率计数，实现生命体征信号测量。
上述技术方案中，底衬硬质直压线6和下压硬质直压线7交错压置会使传感光纤2预弯曲，使传递的光功率在该处有预损耗，而上压硬质线的一端不固定，既能保证传感光纤在接收振动信号的过程中弯曲处能得到一定程度的恢复，保持弹性，同时能起到杠杆作用，将振动信号准确传递给传感光纤，进一步增加传感器的灵敏度。
传感器的传感原理就是基于光纤的弯曲损耗原理，光纤在平直的状态下，对振动和压力不敏感，但弯曲到一定程度时就不一样了，弯曲半径在2cm左右时，对压力和振动敏感度明显增加。上述方案中的预弯曲就是要破坏光纤中光传输的全反射条件，使其对压力和振动敏感。
上述技术方案中，所述底衬硬质直压线6和下压硬质直压线7均为直径为0.5mm的塑料光纤。
所述振动敏感薄膜5为0.2mm厚的PVC塑料片，光纤和增敏的硬质压线依附并固定其上，PVC塑料片能真实地传递振动信号。
上述技术方案中，它还包括无线通信模块8，无线通信模块8用于将生命体征信号提取模块4输出的人体脉搏或呼吸或心跳频率信息通过无线信号传输到智能终端9。无线通信模块8为蓝牙通讯模块，智能终端9对人体脉搏或呼吸或心跳频率信息进行显示，并在人体脉搏或呼吸或心跳频率信息不在预设范围内时发送警示信息。
上述技术方案中，所述激光光源1、传感光纤2、光电转换模块3、生命体征信号提取模块4、振动敏感薄膜5和无线通信模块8集成，安装于可穿戴用品上，振动敏感薄膜5的背面用于通过可穿戴用品贴在人体被测区域。本发明可适用于但不限于手环、脚环、腰带、帽子和衣服等可穿戴用品或装饰品中(本发明检测的是光纤中光功率的动态变化，光功率的绝对值的差异不影响测量，因此穿戴时的传感光纤2弯曲不会影响测量结果)。优选集成于带有松紧带10的手环11中，当人体呼吸会引起人体胸腔的扩张与收缩，进而引起动脉血管的轻微的起伏振动，心跳会引发人体全身动脉血管的微振动，腕部动脉的振动透过皮肤对附近的传感光纤产生挤压。
将以上振动敏感薄膜和传感光纤集成于手环中，戴在手腕上进行呼吸和心跳信号监测，得到图4～7所示的图谱。
由图4～7可知：
当传感光2纤最贴近动脉时，信号最强，分离出的呼吸与心率信号非常明显；当传感光纤远离动脉时，仍能有效的还原呼吸和心率信号。
上述技术方案中，每个下压硬质直压线7均相互平行，且相邻两个底衬硬质直压线6的间距相等，相邻两个下压硬质直压线7的间距相等，相邻两个下压硬质直压线7的间隔为2～5mm。首先这样交错压置会使传感光纤预弯曲，使传递的光功率在该处有预损耗，而上压硬质线的一端不固定，既能保证传感光纤在接收振动信号的过程中弯曲处能得到一定程度的恢复，保持弹性，同时能起到杠杆作用，将振动信号准确传递给传感光纤，进一步增加传感器的灵敏度，硬质线的间距相等是为了尽量使传感光纤受到的挤压均匀分布。
上述技术方案中，每个下压硬质直压线7和每个底衬硬质直压线6的直径均相等，且每个下压硬质直压线7和每个底衬硬质直压线6的直径范围均为0.3～3mm。
上述技术方案中，所述传感光纤2的光纤芯直径范围为2～5μm，光纤太细对制作工艺要求较高，成本也会相应很高，而且到了微纳级别的光纤，本身特性可能会有比较大的改变，目前优选方案中的5μm光纤是市面上有售的商用光纤。
上述技术方案中，所述底衬硬质直压线6和下压硬质直压线7为金属硬质直压线或塑料硬质直压线或光纤硬质直压线。该硬质线能使光纤预弯曲，并尽可能将振动无损传递给传感光纤2。
上述技术方案中，所述激光光源1可以为相干光源，也可以为非相干光源。
上述技术方案中，所述传感光纤2的长度范围为3～5cm。这里是针对手环考虑做的设置，因为人的手腕周长大约为10cm左右，手环产品上需要集成激光器和PD，还需要为手环的锁扣预留尺寸，光纤长了，传感光纤会受到手环活动部件的干扰而影响测量效果。
一种生命体征监测方法，它包括如下步骤：
步骤1：激光光源1向传感光纤2中发射激光；
步骤2：传感光纤2在承受人体脉搏或呼吸或心跳运动的压力后弯曲，传感光纤2中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制；
步骤3：光电转换模块3将传感光纤2输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号；
步骤4：生命体征信号提取模块4从表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号中提取出对应的人体脉搏或呼吸或心跳频率；
步骤5：无线通信模块8将生命体征信号提取模块4输出的人体脉搏或呼吸或心跳频率信息通过无线信号传输到智能终端9。
本发明中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，普通单模光纤芯直径为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芯径在2～5μm时，由于所述传感光纤为小芯径光纤，因此，脉搏振动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，由于脉搏信号中包含了呼吸和心率信息，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(可以提取并分离呼吸和心率的信号，将该信号计数并计算出1分钟的次数即为呼吸率和心率)。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：它包括激光光源(1)、传感光纤(2)、光电转换模块(3)、生命体征信号提取模块(4)和振动敏感薄膜(5)，所述振动敏感薄膜(5)正面沿传感光纤(2)布置的方向固定有多个平行的底衬硬质直压线(6)，传感光纤(2)笔直设置在多个底衬硬质直压线(6)上，相邻两个底衬硬质直压线(6)之间设有下压硬质直压线(7)，每个下压硬质直压线(7)的一端均固定在振动敏感薄膜(5)上，每个下压硬质直压线(7)的另一端均为自由端，传感光纤(2)位于每个下压硬质直压线(7)的下方，并受到每个下压硬质直压线(7)的下压力；
所述激光光源(1)用于向传感光纤(2)中发射激光；
所述传感光纤(2)的两端分别连接激光光源(1)和光电转换模块(3)，传感光纤(2)在承受人体脉搏或呼吸或心跳运动的压力后弯曲，传感光纤(2)中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制；
所述光电转换模块(3)用于将传感光纤(2)输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号；
生命体征信号提取模块(4)用于从表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号中提取出对应的人体脉搏或呼吸或心跳频率。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：它还包括无线通信模块(8)，无线通信模块(8)用于将生命体征信号提取模块(4)输出的人体脉搏或呼吸或心跳频率信息通过无线信号传输到智能终端(9)。
3.根据权利要求2所述的可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：所述激光光源(1)、传感光纤(2)、光电转换模块(3)、生命体征信号提取模块(4)、振动敏感薄膜(5)和无线通信模块(8)集成，安装于可穿戴用品上，振动敏感薄膜(5)的背面用于通过可穿戴用品贴在人体被测区域。
4.根据权利要求1所述的可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：每个下压硬质直压线(7)均相互平行，且相邻两个底衬硬质直压线(6)的间距相等，相邻两个下压硬质直压线(7)的间距相等。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：每个下压硬质直压线(7)和每个底衬硬质直压线(6)的直径均相等，且每个下压硬质直压线(7)和每个底衬硬质直压线(6)的直径范围均为0.3～3mm。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：所述传感光纤(2)的光纤芯直径范围为2～5μm。
7.根据权利要求1所述的可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：所述底衬硬质直压线(6)和下压硬质直压线(7)为金属硬质直压线或塑料硬质直压线或光纤硬质直压线。
8.根据权利要求1所述的可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：所述激光光源(1)为相干光源或非相干光源。
9.根据权利要求1所述的可穿戴式生命体征监测装置，其特征在于：所述传感光纤(2)的长度范围为3～5cm。
10.一种生命体征监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：激光光源(1)向传感光纤(2)中发射激光；
步骤2：传感光纤(2)在承受人体脉搏或呼吸或心跳运动的压力后弯曲，传感光纤(2)中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制；
步骤3：光电转换模块(3)将传感光纤(2)输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号；
步骤4：生命体征信号提取模块(4)从表征人体脉搏或呼吸或心跳运动的电信号中提取出对应的人体脉搏或呼吸或心跳频率；
步骤5：无线通信模块(8)将生命体征信号提取模块(4)输出的人体脉搏或呼吸或心跳频率信息通过无线信号传输到智能终端(9)。
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