CN112890796A - 基于光纤传感的脉搏波监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的脉搏波监测装置，它的激光光源向各个光纤传感组件的传感光纤输出激光信号，各个光纤传感组件的传感光纤在人体不同部位受血管中脉搏波引起的压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，各个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；数据处理模块从表征脉搏波的电信号中提取出与各个传感光纤物理位置相对应的血管不同位置的脉搏波信号，通过相邻光纤传感组件的硬质压线之间的距离与相邻光纤传感组件的传感光纤接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速。本发明利用光纤传感组件对微振动敏感的特点，测量人体相邻不同部位的脉搏振动信号。

Description

基于光纤传感的脉搏波监测装置与方法

技术领域

本发明涉及人体生命体征监测技术领域，具体地指一种基于光纤传感的脉搏波监测装置与方法。

背景技术

心血管疾病是危害人类健康的严重疾病之一，世界卫生组织已经将其列为2l世纪危害人类健康的头号杀手。大量研究表明，高血压和动脉硬化的早期阶段，虽然还没有表现出任何的明显症状，但血压、血流、血管阻力、血管弹性等一系列反映心血管的参数实际上已经开始发生了变化，并首先反应在脉搏波的变化中。因此，脉搏波信息的量化对心血管疾病具有重要的参考价值。如果能及时的检测出这些参数的变化，并对其特征进行分析，就可能早期诊断出高血压和动脉硬化等心血管病的潜在危险因素，为心血管疾病的预防和治疗争取到宝贵的时间，从而可以有效的控制心血管病的发病率和死亡率。脉搏波无创检测方法，有助于全面维护心血管健康，为心血管系统疾病的早发现、旱预防、早治疗提供重要医疗手段；其次，可以简化临床检测过程，降低检测成本，实现心血管疾病适时地健康普检，降低心血管疾病的致死率和致残率。

近年来，随着传感器的飞速发展，无创脉搏波检测受到研究者越来越多的关注。压电薄膜(PVDF)通过测量脉搏的压力变化检测脉搏波，但其对低频响应不够好，易受噪声干扰；光电容积(PPG)通过测量血液浓度的方法检测脉搏波，但只能测指尖、耳垂等人体体表组织透光好的部位。超声技术容易受背景噪声影响，且设备复杂，不适合日常应用。当前，几乎所有的无创脉搏波检测技术大都只能检测人体相距较远的多点的脉搏波，只能测出平均脉搏波速，无法体现出脉搏波形演进的特点和脉搏波速随人体不同区域的变化规律，在实际应用中受到了很大限制。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种基于光纤传感的脉搏波监测装置与方法，本发明基于单模光纤宏弯损耗原理，将多组近距离的平行光纤传感组件垂直人体动脉血管方向平放，利用光纤传感组件对微振动敏感的特点，测量人体相邻不同部位的脉搏振动信号。

为实现此目的，本发明所设计的基于光纤传感的脉搏波监测装置，它包括激光光源、光电转换模块、数据处理模块和平行布置的多个光纤传感组件，其中，每个光纤传感组件均包括传感光纤、振动敏感膜和硬质压线，所述硬质压线贴敷固定在振动敏感膜上，传感光纤绕制在振动敏感膜上，硬质压线位于传感光纤与振动敏感膜之间，光纤传感组件的传感点位于传感光纤与硬质压线的交点处；

激光光源用于向各个光纤传感组件的传感光纤输出激光信号，各个光纤传感组件的传感光纤在人体不同部位受血管中脉搏波引起的压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，各个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各个传感光纤输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征该处血管脉搏波的电信号；

数据处理模块用于从表征脉搏波的电信号中提取出与各个传感光纤物理位置相对应的血管不同位置的脉搏波信号，通过相邻光纤传感组件的硬质压线之间的距离与相邻光纤传感组件的传感光纤接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速。

本发明的工作原理为：

基于光纤宏弯曲损耗原理的传感光纤组件，当传感光纤受到微弱振动信号的作用，由于光纤弯曲而产生光功率的损耗，在光纤中传输的光信号因该信号的作用而被调制，通过光纤输出光强的解调即可还原出振动信号。脉搏波在血管中传播的过程中就是以微弱振动的形式由近心端向远心端传递的，其中主干动脉血管中的脉搏波信号最强。通过测量动脉横截面的振动信号，即可得到该处脉搏波信号。同时将一组传感光纤组件用于一段动脉的测量，即可同时测量出不同位置的脉搏波信号。

本发明的有益效果：

1、本发明基于光纤传感的光强度调制原理，解调系统结构简单，成本低，易于实现；

2、本发明同时对一段动脉脉搏波分多个小段监测，可以更清晰地反映脉搏波的动态变化；

3、本发明可以得到更精细化的人体每个部位的脉搏波速，有利于血管疾病的快速定位；

4、本发明光纤传感组件增敏点处探测有用信号，非增敏处对振动信号不敏感，同时组件设置足够窄，可以更清晰地呈现该处动脉截面的脉搏波信号。

5、本发明各传感组件用柔性连接，确保各组件所测信号互不干扰；

6、本发明可以同时实现多生命体征信号(呼吸、心率、脉搏波、血压等)监测。

本发明的脉搏波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，可内置于但不限于床垫、坐垫、衣物织物或可穿戴用品等日用品中。

附图说明

图1为本发明的生命体征监测装置的结构示意图；

图2为本发明的单个传感光纤组件结构示意图；

图3为本发明的硬质线预弯曲作用示意图；

图4为本发明的多组传感组件组合结构示意图；

图5为本发明进行生命体征监测时的示意图；

图6为本发明中实测6路脉搏波信号的三维立体图；

图7为本发明中实测6路脉搏波演变示意图。

其中，1—激光光源、2—光纤传感组件、2.1—传感光纤、2.2—振动敏感膜、2.3—硬质压线、3—光电转换模块、4—数据处理模块、5—软质连接层、6—通讯模块、7—智能终端。

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：

如图1所示基于光纤传感的脉搏波监测装置，它包括激光光源1、光电转换模块3、数据处理模块4和平行布置的多个光纤传感组件2(组件个数越多，探测范围就越大，所能反映出的脉搏波信息就越丰富)，其中，每个光纤传感组件2均包括传感光纤2.1、振动敏感膜2.2和硬质压线2.3，所述硬质压线2.3贴敷固定在振动敏感膜2.2上(硬质压线2.3的长度方向与振动敏感膜2.2的长度方向相同)，传感光纤2.1绕制在振动敏感膜2.2上，硬质压线2.3位于传感光纤2.1与振动敏感膜2.2之间，光纤传感组件2的传感点位于传感光纤2.1与硬质压线2.3的交点处；

激光光源1用于向各个光纤传感组件2的传感光纤2.1输出激光信号，各个光纤传感组件2的传感光纤2.1在人体不同部位受血管中脉搏波引起的压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，各个传感光纤2.1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3用于将各个传感光纤2.1输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征该处血管脉搏波的电信号；

数据处理模块4用于从表征脉搏波的电信号中提取出与各个传感光纤2.1物理位置相对应的血管不同位置的脉搏波信号，通过相邻光纤传感组件2的硬质压线2.3之间的距离与相邻光纤传感组件2的传感光纤2.1接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速。

上述技术方案中，光纤传感组件2如图2和3所示，其制作过程为先将硬质压线2.3贴敷固定在振动敏感膜2.2上，而后将传感光纤2.1按照S形绕制在振动敏感膜2.2上，硬质压线2.3处于传感光纤2.1与振动敏感膜2.2之间，传感点位于传感光纤2.1与硬质压线2.3的交点处。将多个光纤传感组件2并联起来，如图4所示，就构成了脉搏波测量的结构。

上述技术方案中，硬质压线2.3用于将脉搏引起的振动信号传递给传感光纤2.1，另一方面当有压力时由于硬质压线2.3的直径比传感光纤2.1大的多，会使传感光纤预弯曲，增强传感光纤的灵敏度。

上述技术方案中，所述多个光纤传感组件2垂直人体动脉血管方向平放。

上述技术方案中，相邻光纤传感组件2的间距范围为0.5～3cm，单个光纤传感组件本身就有一定宽度，而本发明测量脉搏波的目的是还原脉搏波的传播过程，如果要提高测量分辨率，就需要非常密集的点来做，也就意味着光纤传感组件必须在物理距离上足够近。一般来说，健康人体的脉搏波速为10米/秒以内，但这对于测量来说算是很快的速度了，意味着1厘米/毫秒，而且脉搏波在传播过程中波形会逐步发生变化，同时脉搏波还存在反射波，对不同位置的波形影响很大。如果相邻组件相距比较远，就无法精细地比较相邻脉搏波信号的相似度。反过来，如果相邻组件足够近，测量的两路脉搏波信号的演变就相对更清晰，同时受脉搏反射波影响的变化也相当，这样就更能准确反映出相邻脉搏波的变化过程。通过反复实验，人体躯干处的脉搏波传播超过10cm就很难从时域波形上判别脉搏波的时延，也就无法准确计算出脉搏波速。考虑到光纤传感组件的固有宽度，相邻组件的间距不超过3cm，那么两根相邻光纤之间的距离最多为8cm，还能满足从时域波形上判别相邻光纤段的时延差，从而计算出脉搏波速。当然，从理论上来讲，相邻组件相距越短越好，但由于制造工艺的限制和出于产品效益的考虑，设定了0.5～3cm的范围。

所述光纤传感组件2的宽度范围为1～5cm，在测量一段直动脉血管处时，因为动脉血管各测量点处的状况相当，此时各个光纤传感组件2可以大小一致，在测量多处动脉或动脉分叉处，此时的测量情况相对复杂，需要不同大小的光纤传感组件2进行结合，此时各个光纤传感组件2可以大小不一致，

上述技术方案中，相邻光纤传感组件2之间由软质连接层5柔性连接。所用材料包括但不限于织物、皮、革等，本发明将多个光纤传感组件2(本发明的一个具体实施例为6个)并联起来(如图4)，就构成了脉搏波测量的结构。为了避免振动通过振动敏感膜等连接固体传播造成传感信号的串扰，本发明将相邻的光纤传感组件2用软质连接层5阻隔开，如图4所示，振动信号就无法从光纤传感组件2本身传播到相邻的组件，保证每个光纤传感组件2感测的振动信号都是由人体的脉搏波引起的。

上述技术方案中，所述数据处理模块4用于通过脉搏波波速计算血压，并通过脉搏波的波形得到呼吸和心率。

上述技术方案中，所述激光光源1输出的激光信号为相干光源激光信号。激光光源1为半导体激光器。

上述技术方案中，所述平行布置的多个光纤传感组件2设置于床垫、坐垫、衣物或可穿戴用品中。

一种利用上述装置的脉搏波监测方法，它包括如下步骤：

步骤1：激光光源1向各个光纤传感组件2的传感光纤2.1输出激光信号，各个光纤传感组件2的传感光纤2.1在人体不同部位受动脉血管中脉搏波引起的压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，各个传感光纤2.1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2：光电转换模块3将各个传感光纤2.1输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征该处血管脉搏波的电信号；

步骤3：数据处理模块4从表征脉搏波的电信号中提取出与各个传感光纤2.1物理位置相对应的血管不同位置的脉搏波信号，通过相邻光纤传感组件2的硬质压线2.3之间的距离与相邻光纤传感组件2的传感光纤2.1接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速；

步骤4，数据处理模块4将每个光纤传感组件2测得的脉搏波信号在时间上同步，并将每个光纤传感组件2测得的脉搏波信号在按对应光纤传感组件2的位置顺序在空间上排列出来，从而还原出脉搏波的在血管中传播的变化过程，为后期健康筛查与疾病诊断提供信息参考；

步骤5：通讯模块6将数据处理模块4输出的脉搏波波速、脉搏波的在血管中传播的变化过程信息传输到智能终端7。

上述技术方案的步骤3中，相邻光纤传感组件2的硬质压线2.3之间的距离除以相邻光纤传感组件2的传感光纤2.1接收到脉搏波信号的时间差得到脉搏波波速。

如图4所示，将6根传感光纤贴于振动薄膜上，用硬质线增敏，优选的，振动薄膜宽度为2cm，硬质线选用直径为1mm的塑料光纤。其组成的传感光纤组件等间距平行放置，并用柔性连接材料连接，优选的，柔性连接材料选用纺织织物，各组件间距为1cm。

如图5所示，将以上一组光纤传感组件垂直放置于一段人体动脉血管处，此时，光纤传感组件应整体位于心脏的一侧，进行脉搏波测量，优选的，本实施例选用人体躯干动脉进行测量，测量区域为心脏偏下一侧，得到图6、图7所示的图谱。

由图6可知：图6给出了6路信号三维立体图，实施例中，采用此种排列的光纤传感组件，能清晰测量出6处间隔3cm的脉搏波信号，证明了光纤传感组件的灵敏度是满足要求的。

由图7可知：图7为由前至后1～6编号分别是近心端到远心端脉搏波信号，可以清晰地看出，相邻信号之间是有微小的时延，证明了脉搏波正是由近心端向远心端传播的，通过实际距离和时延的简单计算即可得到脉搏波速，通过脉搏波速的变化可依据脉搏波速与血压的相关性计算出血压值；此处可以计算出5个脉搏波速，比起长距离的平均脉搏波速，本实施例给出的细化的脉搏波速更具有参考价值，而且还可计算出5个相应的血压值，可进一步修正血压计算模型，从而得到更精准的血压值。同时，随着传播远离心脏，脉搏波信号的轮廓正在慢慢演变，信号上的细节正在慢慢丢失，这为我们深入了解脉搏波和心跳信号之间的关系提供了非常有价值的工具，也为心血管疾病的评估提供了一种新的方法。

综上，本发明可以精准的测量出脉搏波信号，也可以实现脉搏波速的精细化测量，同时反映出脉搏波传播时脉搏波波形的演变过程，为脉搏波的研究应用提供了新的可能。而且，本发明为无接触式传感，可以嵌入到各种日常用品中，实现无感监测，为人们日常长期的脉搏波实时监测提供了方法，具有很高的经济和社会价值。

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)

1.一种基于光纤传感的脉搏波监测装置，其特征在于：它包括激光光源(1)、光电转换模块(3)、数据处理模块(4)和平行布置的多个光纤传感组件(2)，其中，每个光纤传感组件(2)均包括传感光纤(2.1)、振动敏感膜(2.2)和硬质压线(2.3)，所述硬质压线(2.3)贴敷固定在振动敏感膜(2.2)上，传感光纤(2.1)绕制在振动敏感膜(2.2)上，硬质压线(2.3)位于传感光纤(2.1)与振动敏感膜(2.2)之间，光纤传感组件(2)的传感点位于传感光纤(2.1)与硬质压线(2.3)的交点处；

激光光源(1)用于向各个光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)输出激光信号，各个光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)在人体不同部位受血管中脉搏波引起的压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，各个传感光纤(2.1)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(3)用于将各个传感光纤(2.1)输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征该处血管脉搏波的电信号；

数据处理模块(4)用于从表征脉搏波的电信号中提取出与各个传感光纤(2.1)物理位置相对应的血管不同位置的脉搏波信号，通过相邻光纤传感组件(2)的硬质压线(2.3)之间的距离与相邻光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置，其特征在于：所述多个光纤传感组件(2)垂直人体动脉血管方向平放。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置，其特征在于：相邻光纤传感组件(2)的间距范围为0.5～3cm，所述光纤传感组件(2)的宽度范围为1～5cm。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置，其特征在于：相邻光纤传感组件(2)之间由软质连接层(5)柔性连接。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置，其特征在于：所述数据处理模块(4)用于通过脉搏波波速计算血压，并通过脉搏波的波形得到呼吸和心率。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置，其特征在于：所述激光光源(1)输出的激光信号为相干光源激光信号。

7.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置，其特征在于：所述平行布置的多个光纤传感组件(2)设置于床垫、坐垫、衣物或可穿戴用品中。

8.一种利用权利要求1所述装置的脉搏波监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：激光光源(1)向各个光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)输出激光信号，各个光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)在人体不同部位受血管中脉搏波引起的压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变，各个传感光纤(2.1)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2：光电转换模块(3)将各个传感光纤(2.1)输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征该处血管脉搏波的电信号；

步骤3：数据处理模块(4)从表征脉搏波的电信号中提取出与各个传感光纤(2.1)物理位置相对应的血管不同位置的脉搏波信号，通过相邻光纤传感组件(2)的硬质压线(2.3)之间的距离与相邻光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速。

9.根据权利要求8所述的脉搏波监测方法，其特征在于：所述步骤3中，相邻光纤传感组件(2)的硬质压线(2.3)之间的距离除以相邻光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)接收到脉搏波信号的时间差得到脉搏波波速。

10.根据权利要求8所述的脉搏波监测方法，其特征在于：所述步骤3后还包括步骤4，数据处理模块(4)将每个光纤传感组件(2)测得的脉搏波信号在时间上同步，并将每个光纤传感组件(2)测得的脉搏波信号在按对应光纤传感组件(2)的位置顺序在空间上排列出来，从而还原出脉搏波的在血管中传播的变化过程。

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