CN113317765B - 一种光学纹身传感薄膜、其制备方法和全光纤数字脉象仪 - Google Patents

一种光学纹身传感薄膜、其制备方法和全光纤数字脉象仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学纹身传感薄膜、其制备方法和全光纤数字脉象仪；属于智能医疗健康设备技术领域；其中，光学纹身传感薄膜包括多个呈阵列排布且相互独立的传感单元，传感单元呈阵列化纹身状排布遵循人体工学，应用于脉象分析时可以大范围有效感知用户寸关尺部位的脉搏信号；且本发明通过可调谐液芯组件根据外界压力信号的强度控制液芯中各液体组分的比例来控制柔性聚合物管和液芯之间的折射率差，可有效控制光学纹身传感薄膜的灵敏度和测压工作范围以适应不同测量情景。另外，本发明中的全光纤数字脉象仪基于光学纹身传感薄膜采集用户的脉象信息，可以紧密贴合在人体皮肤上且方便取下和安装，可以实现无创、无袖、高舒适度的多功能脉象分析。

Description

一种光学纹身传感薄膜、其制备方法和全光纤数字脉象仪
技术领域
本发明属于智能医疗健康设备技术领域，更具体地，涉及一种光学纹身传感薄膜、其制备方法和全光纤数字脉象仪。
背景技术
压力传感器在压力测量场景，如脉象分析、关节角度弯曲测量等场景下至关重要。以脉象分析场景为例，脉学是中国医学宝库中的一项珍贵遗产，在传统的脉象研究中，中医一直是靠不同指法下的指面感觉(简称指感)来分辨脉象，靠运用生动的自然景象或想象的示意图形来比喻脉象的。这些比喻缺乏明确的物理含义，加之各人指下体会难免存在差异,这种脉象鉴别方法不能建立统一的客观标准。因此，中医脉象客观化研究正是当下亟待解决的问题。
现有的中医脉象仪多采用压力传感器来采集脉象信息，常用压电式传感器和压阻式传感器；其中，压电式传感器成本较高，容易受到工频等因素的干扰，且不易进行静态压力的测量，通用性受到一定程度的限制；而压阻式传感器由于受到加工工艺以及结构的影响，灵敏度较低，应用到如脉象检测这种微压力检测场景下时效果不理想；另外，压阻式传感器在使用时需要将应变片粘贴在某些结构上，工作性能会受到粘合剂性能的干扰。另外，由于个体的差异，每个人的脉部区域、脉搏强度等都存在差别，上述压力传感器均未考虑用户个体的差异，其工作范围和工作灵敏度无法根据测量情景进行自适应调整，容易采集到失真的脉搏信号；且现有的中医脉象仪以单部为主，多采用单一传感器，无法全面的获取脉象信息，采集到的信号的可靠性、精度以及敏感度较低，无法达到人手指触觉的精度和敏感度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种光学纹身传感薄膜、其制备方法和全光纤数字脉象仪，用以解决现有技术存在的工作范围和工作灵敏度无法根据测量情景进行自适应调整以及无法全面精确的采集脉象信息的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光学纹身传感薄膜，包括：聚合物基底和多个呈阵列排布且相互独立的传感单元；各传感单元嵌入在聚合物基底内；
其中，传感单元包括多模光纤A、光波导、多模光纤B和可调谐液芯组件；多模光纤A和多模光纤B分别与光波导的首尾两端相连，且多模光纤A和多模光纤B的头部均位于光波导的内部；多模光纤A的纤芯直径小于多模光纤B；可调谐液芯组件与光波导相连；
光波导包括柔性聚合物管和液芯；液芯密封在柔性聚合物管内；液芯包括折射率不同且互溶的多种液体；
多模光纤A用于将探测光信号传入柔性聚合物管中；
光波导用于感知外界压力信号，并在外界压力信号的作用下发生形变，使得探测光信号被外界压力信号调制，得到光调制信号；
多模光纤B用于接收光调制信号，并传输出去；
可调谐液芯组件用于根据外界压力信号的强度控制液芯中各液体组分的比例来控制柔性聚合物管和液芯之间的折射率差，进而控制光波导输出的光调制信号的幅度，以控制传感单元的灵敏度和传感范围；传感范围为传感单元能够探测的压力信号的强度范围。
进一步优选地，可调谐液芯组件包括：液芯原料存贮容器、液芯体积调配器和液芯输送器；
液芯原料存贮容器用于分别存储折射率不同且互溶的多种液体；
液芯输送器用于将柔性聚合物管内的原有液芯抽出，还用于为液芯原料存贮容器补充液体；
液芯体积调配器用于抽取液芯原料存贮容器中的不同液体进行混合构成液芯注入到柔性聚合物管中，并在抽取的过程中根据外界压力信号的强度控制各液体之间的比例，以调整液芯的折射率，进而调整柔性聚合物管和液芯之间的折射率差。
进一步优选地，柔性聚合物管的材料包括稠状液体和用于固化该稠状液体的固化剂；
柔性聚合物管的折射率由稠状液体和用于固化该稠状液体的固化剂的比例控制；液芯的折射率由其中各液体的比例控制。
进一步优选地，柔性聚合物管内壁处设置有微结构阵列；其中，微结构阵列包括由金字塔、立方体、球体、柱子、线或波浪所组成的阵列，使得在外界压力的作用下，柔性聚合物管更容易发生形变从而增强探测光在光波导内的反射和折射效应，从而使其对外界压力更敏感，可以大范围提升光学纹身传感薄膜的灵敏度。
进一步优选地，柔性聚合物管和液芯均透明，以减小探测光信号的传输损耗，从而进一步减小探测功耗。
进一步优选地，柔性聚合物管的折射率小于液芯的折射率时，探测光信号在柔性聚合物管和液芯之间形成全反射，探测光信号被束缚在光波导中；此时，柔性聚合物管和液芯之间的折射率差越大，传感单元的传感范围越大；
柔性聚合物管的折射率大于液芯的折射率时，探测光信号在柔性聚合物管和液芯之间发生折射和反射，使得部分探测光信号从光波导泄露出去；此时，柔性聚合物管和液芯之间的折射率差越大，传感单元的灵敏度越高。
进一步优选地，柔性聚合物管的材料包括PDMS的单体及其固化剂；柔性聚合物管的折射率为1.38～1.47；
进一步优选地，液芯的材料包括甘油和蒸馏水；液芯的折射率为1.4～1.44。
第二方面，本发明提供了上述光学纹身传感薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、分别制备液芯和柔性聚合物管，将液芯密封在柔性聚合物管内，得到光波导，并将光波导与可调谐液芯组件相连；
S2、将多模光纤A和多模光纤B分别从光波导的首尾两端伸入到光波导中，使其头部置于光波导内部，得到传感单元；
S3、制备存在若干凹槽的聚合物基底；其中，各凹槽呈阵列排布，且凹槽的形状与传感单元的形状相同；
S4、按照步骤S1-S2所述的方法制备与凹槽个数相同的传感单元，并将各传感单元分别嵌入到对应的凹槽中，得到光学纹身传感薄膜。
第三方面，一种全光纤数字脉象仪，包括：脉象采集模块、脉象分析模块和可穿戴模块；脉象采集模块包括上述光学纹身传感薄膜；可穿戴模块用于将脉象采集模块固定在手腕桡动脉处，并使光学纹身传感薄膜紧贴在手腕的寸关尺部位；
脉象采集模块用于基于光学纹身传感薄膜使得探测光被外界压力信号调制得到光调制信号，并转换为电信号，以表示脉搏信号；改变光学纹身传感薄膜与皮肤之间的贴合程度来模拟在用户的寸、关、尺部位分别施加浮中沉压力，得到寸、关、尺部位处不同压力下的脉搏信号，将其中的浮中沉脉压下的脉搏信号和最佳脉压下的脉搏信号发送至脉象分析模块；最佳脉压为采集过程中脉搏信号幅值最大时所施加的压力；脉象采集模块还用于根据脉搏信号的强度，控制光学纹身传感薄膜中柔性聚合物管和液芯的折射率差来控制光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围；其中，传感范围为光学纹身传感薄膜能够探测到的压力信号的强度范围；
脉象分析模块用于分别对用户寸、关、尺部位处浮中沉脉压下的脉搏信号和最佳脉压下的脉搏信号提取相应的脉象参数特征，以对脉象进行分析。
进一步优选地，脉象采集模块还包括光发送单元、加压控制单元和光接收单元；加压控制单元与光学纹身传感薄膜中的各传感单元分别相连；
光发送单元用于发射连续探测光信号到光学纹身传感薄膜中；
加压控制单元用于将用户的身高、体重、手腕直径和臂展长度输入到预训练好的寸关尺的空间分布模型中，得到用户寸、关、尺部位的空间位置分布；基于用户寸、关、尺部位的空间位置分布确定光学纹身传感薄膜中各传感单元与用户寸、关、尺部位的对应关系，并将传感单元按照用户寸、关、尺部位进行分组后，在用户的寸、关、尺部位分别施加浮中沉压力，以控制光学纹身传感薄膜与皮肤的贴合程度来模拟浮中沉施压方式；
光接收单元用于接收光学纹身传感薄膜输入的携带脉搏信息的光调制信号，并将携带脉搏信息的光调制信号转化为电信号；
空间分布模型为机器学习模型，其训练方法包括：采集不同用户的身高、体重、手腕直径，臂展长度以及寸关尺部位的空间位置信息；将用户的寸关尺部位的空间位置作为标签与用户的身高、体重、手腕直径，臂展长度信息一一对应，构成空间分布训练集；将空间分布训练集输入机器学习模型中进行训练，得到预训练好的空间分布模型。
进一步优选地，脉象分析模块包括：中医脉象定量化分析单元、心血管健康诊断单元、精神疲劳监测单元和情志监测单元；
中医脉象定量化分析单元用于分别提取用户寸、关、尺部位处浮中沉脉压下脉搏信号的时间特征、幅度特征、角度特征和面积特征，得到用户脉象的定量化指标；
心血管健康诊断单元用于计算用户寸部处最佳脉压下脉搏信号的血压辅助指数、反射波增强指数、血液返流时间、心搏量、心输出量、总外周阻力、动脉顺应性、血液黏度和动脉僵化指数，作为心血管健康的指示参数；
精神疲劳监测单元用于对用户寸、关、尺部位处最佳脉压下脉搏信号进行傅里叶变换得到脉象频谱图；从脉象频谱图中提取出脉搏频率，并基于脉搏频率计算得到用户的心率；对脉象频谱图进行低通滤波滤除掉心跳频率后，从中提取呼吸频率，并基于呼吸频率计算得到用户的呼吸率；计算用户寸、关、尺部位处最佳脉压下脉搏信号的单脉搏周期的标准差得到用户的心率变异性；将所得用户的心率、呼吸率和心率变异性输入到预训练好的疲劳检测模型中，得到用户的疲劳等级；
情志监测单元用于分别提取用户关部处最佳脉压下脉搏信号的时间特征、幅度特征和面积特征，并得到各特征值在预设时间内的变化趋势，以对用户的情志进行监测；
其中，时间特征包括脉搏信号的单脉搏周期、脉图起点到主波峰点的时延、脉图起点到潮波谷点的时延、脉图起点到潮波峰点的时延、脉图起点到降中峡谷点的时延、脉图起点到重搏波峰点的时延、降中峡谷点到脉图终点的时延、主波峰点到潮波谷点的时延和主波峰点到降中峡谷点的时延；幅度特征包括主波波峰幅值、主波波谷幅值、潮波波峰幅值、降中峡谷点的幅值、重搏波峰与降中峡谷点之间的幅值差；角度特征包括：主波上升角和主波角；面积特征包括：收缩期面积、舒张期面积和脉图总面积；脉图为脉搏信号所对应的脉搏图；
疲劳检测模型为机器学习模型；疲劳检测模型的训练方法包括：采集不同用户处于无疲劳、疲劳和严重疲劳三个疲劳等级下的心率、呼吸率和心率变异性，将每一个用户的心率、呼吸率和心率变异性与其疲劳等级一一对应后，构建疲劳检测训练集；将疲劳检测训练集输入到机器学习模型中进行训练，得到预训练好的疲劳检测模型。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种光学纹身传感薄膜，包括多个呈阵列排布且相互独立的传感单元，传感单元呈阵列化纹身状排布遵循人体工学，用于脉象分析时可以大范围有效感知用户寸关尺部位的脉搏信号，以实现全面精确的采集脉象信息；且通过可调谐液芯组件根据外界压力信号的强度控制液芯中各液体组分的比例来控制柔性聚合物管和液芯之间的折射率差，可有效控制光学纹身传感薄膜的灵敏度和测压工作范围以适应不同种类的人群和不同类型的病脉。
2、本发明所提供的光学纹身传感薄膜中，传感单元中的柔性聚合物管的折射率由其材料中稠状液体和用于固化该稠状液体的固化剂的比例控制，除了采用可调谐液芯组件对光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围进行实时调整之外，还可以在光学纹身传感薄膜的制备过程中，通过改变柔性聚合物管中的稠状液体和用于固化该稠状液体的固化剂的比例来对光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围进行调整，简单、方便，可控。
3、本发明所提供的光学纹身传感薄膜中，传感单元之间互相独立，信号互不干扰，保证了寸关尺三部位的脉搏波信号独立从而提升脉象分析信号源的保真度。
4、本发明提供了一种全光纤数字脉象仪，基于光学纹身传感薄膜采集用户的脉象信息，能够有效的感知用户寸关尺部位的脉搏信号，且可以采用不同配比的材料所制备的光学纹身传感薄膜来适应不同种类的人群和不同类型的病脉；另外，本发明所提供的全光纤数字脉象仪可以紧密贴合在人体皮肤上并且方便取下和安装，测量阶段不会引入不适感，可以实现无创、无袖、高舒适度的连续脉象测量，解决了传统脉诊测量装置舒适度较低、电子传感器重复性差等问题。
5、本发明所提供的全光纤数字脉象仪中包括光学纹身传感薄膜，光学纹身传感薄膜中的传感单元基于脉搏微压力信号对探测光产生调制作用，通过测量调制光的输出强度来恢复动脉脉搏压力信息，将携带有心血管生理活动信息的脉搏微压力信号转化为透射光调制信号，光学纹身传感薄膜的直径在微米级别且采用柔性聚合物材料-液芯的光波导结构，结构紧凑，灵敏度高，对外界信号更加敏感，易于获得信噪比高的脉搏波，因而极大地提升传感灵敏度。
6、本发明所提供的全光纤数字脉象仪为多功能全光纤数字脉象仪，包括中医脉象定量化分析单元、心血管健康诊断单元、精神疲劳监测单元和情志监测单元；除了对中医脉象进行定量化分析外，还能够基于特征功参数智能评估心血管健康状态；此外本发明通过建立特殊参数于精神疲劳等级的关系来预测精神疲劳状态，最后本发明还基于特征参数的波动趋势来监测情志状态；本发明的脉象仪不仅局限于传统中医的基本脉象分析，将脉象分析的算法和应用拓展到西医的心血管健康诊断、精神疲劳监测以及情志监测，打破了脉象仪的传统概念大大拓宽脉象仪的应用场景和功能模式，可以实现多功能的脉象分析。
7、本发明所提供的全光纤数字脉象仪的制备材料易于获取，整个装置容易实现、成本较低，可靠性较高，装置的制备方法重复性强，可实现批量化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的光学纹身传感薄膜结构示意图；
图2为本发明实施例1所提供的传感单元结构示意图；
图3为本发明实施例1所提供的传感单元结构示意图；
图4为本发明实施例2所提供的光学纹身传感薄膜的制备流程示意图；
图5为本发明实施例3所提供的全光纤数字脉象仪结构示意图；
图6为本发明实施例3所提供的脉象采集模块的结构示意图；
图7为本发明实施例3所提供的脉图示意图；
图8为本发明实施例3所提供的脉图的二阶导示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1、
一种光学纹身传感薄膜，如图1所示，包括：聚合物基底11和多个呈阵列排布且相互独立的传感单元12；各传感单元12嵌入在聚合物基底11内；
其中，如图2所示，传感单元12包括多模光纤A121、光波导、多模光纤B122和可调谐液芯组件；多模光纤A121和多模光纤B122分别与光波导的首尾两端相连，且多模光纤A121和多模光纤B122的头部均位于光波导的内部；多模光纤A121的纤芯直径小于多模光纤B122的纤芯直径；可调谐液芯组件与光波导相连；
光波导包括柔性聚合物管123和液芯124；液芯密封在柔性聚合物管123内；柔性聚合物管满足人体工学设计，本实施例中，柔性聚合物管呈S形，柔性聚合物管的内径为130um，外径为200um；聚合物基底11的材料可以是硅胶，需要满足其杨氏模量在百兆帕级别，大于柔性聚合物管的杨氏模量；
多模光纤A121用于将探测光信号传入柔性聚合物管123中；
光波导用于感知外界压力信号，并在外界压力信号的作用下发生形变，使得探测光信号被诸如脉搏信号等外界压力信号调制，得到光调制信号；具体地，探测光在充有液芯的柔性聚合物管中向前传播，一部分反射和折射的光线会从柔性聚合物管辐射到环境中，由于探测光存在折射和反射现象，脉搏波压力作用在柔性聚合管上引起柔性管体产生弯曲或挤压，导致柔性聚合物管内探测光存在传输损耗，即脉搏微压力信号对探测光产生调制作用，通过测量调制光的输出强度，从而恢复动脉脉搏压力信息；
多模光纤B122用于接收光调制信号，并传输出去；
可调谐液芯组件用于根据外界压力信号的强度控制液芯中各液体组分的比例来控制柔性聚合物管和液芯之间的折射率差，进而控制光波导输出的光调制信号的幅度，以控制传感单元的灵敏度和传感范围；传感范围为传感单元能够探测的压力信号的强度范围。
优选地，可调谐液芯组件包括：液芯原料存贮容器、液芯体积调配器和液芯输送器；
液芯原料存贮容器用于分别存储折射率不同且互溶的多种液体；
液芯输送器用于将柔性聚合物管内的原有液芯抽出，还用于为液芯原料存贮容器补充液体；
液芯体积调配器用于抽取液芯原料存贮容器中的不同液体进行混合构成液芯注入到柔性聚合物管中，并在抽取的过程中根据外界压力信号(如脉搏信号强度)控制各液体之间的比例，以调整柔性聚合物管中液芯的折射率。
如图3所示，本实施例中，柔性聚合物管上设置有液体注入口和液体吸出口；液芯体积调配器一端与液芯原料存贮容器相连，另一端与柔性聚合物管上的液体注入口相连；液芯输送器与柔性聚合物管上的液体吸出口相连；在探测过程中，液体注入口和液体吸出口均关闭；向柔性聚合物管注入液芯时，液体注入口打开；抽取液芯时，液体吸出口打开。
以将光学纹身传感薄膜用于传感脉搏信号为了，当用户的脉搏压力小于第一预设压力时(本实施例中，当用户的脉搏压力虚浮信号信噪比过低，即脉搏压力小于100Pa时)，对脉搏信号分析造成不便，液芯体积调配器可分别从液芯原料存贮容器抽取各组分液体，调配出更小的折射率液芯，从而增大光波导的灵敏度，调配好之后，打开液体吸出口将柔性聚合物管内的原有液芯抽出，将新的折射率更低的液芯从液体注入口注入到柔性聚合物管内。而当用户的脉搏压力大于第二预设压力时(本实施例中用户的脉搏压力大于500Pa时)，用户的脉搏压力比较强劲，需要传感范围更大的传感单元；此时液芯体积调配器可分别从液芯原料存贮容器抽取各组分液体，调配出更大的折射率液芯，从而增大光波导的传感范围，调配好之后，打开液体吸出口将柔性聚合物管内的原有液芯抽出，将新的折射率更低的液芯从液体注入口注入到柔性聚合物管内。
整个测量过程中均可根据实际需要在线改变传感单元的灵敏度和传感范围，仅需改变同一种液体的不同组分体积配比即可对传感单元的灵敏度和传感范围进行调控，不需改变液体种类，调节方式简洁高效，可调谐的脉象采集模块在面对任何一种脉搏信号均可获得到高保真脉搏波形，从而确保脉象分析的准确性。
进一步地，上述光学纹身传感薄膜的传感区域由传感单元的个数及其传感区域决定，各传感单元的传感区域由聚合物管长度、直径、管壁厚度、软体聚合物管弯曲弧度决定，采用本发明所提供的光学纹身传感薄膜能够更加全面的采集到用户寸关尺部位的脉搏信息。
需要说明的是，多模光纤B的纤芯直径大于多模光纤A的纤芯直径的原因是多模光纤B是用来接收调制光，纤芯面积越大，收光效率越高，光传输损耗越低，从而可以降低系统功耗；由于多模光纤A会引导入射光进入聚合物管，若多模光纤A的直径过小会使入射到聚合物的光功率不足，从而导致接收端探测不到光信号，若多模光纤A的直径过大会导致入射光发散角过大而导致光功率泄露，本实施例中多模光纤A的纤芯直径约为柔性聚合物管直径的一半，多模光纤B的纤芯直径B起到收光作用，其直径越大越好。本实施例中，多模光纤A、多模光纤B通过UV固化胶与柔性聚合物管首位相连并将液芯密封在柔性聚合物管之内；多模光纤A和多模光纤B的材料为二氧化硅，均为纤芯-包层结构；多模光纤A的纤芯直径为62.5um，包层直径为125um；多模光纤B的纤芯直径为105um，包层直径为125um。
进一步地，本发明中柔性聚合物管材料的折射率可调、杨氏模量低、生物相容性好、疏水性强、耐腐蚀，具有优异的耐化学性、光滑的内壁和优异的抗裂和抗老化性能，并与许多常见溶剂兼容；而液芯为准静态、高沸点、无毒、密度小、折射率可调、化学稳定性好的液态物质。具体地，柔性聚合物管的材料包括稠状液体和用于固化该稠状液体的固化剂；液芯包括折射率不同且互溶的多种液体；柔性聚合物管材料中各组分之间的比例可调，且采用不同组分比例的柔性聚合物管材料所制备的柔性聚合物管的折射率不同；液芯材料中各组分之间的比例可调，且采用不同组分比例的液芯材料所制备的液芯的折射率不同。
进一步地，柔性聚合物管的折射率由稠状液体和用于固化该稠状液体的固化剂的比例控制；液芯的折射率由其中各液体的比例控制；不同柔性聚合物管和液芯的折射率差下的光波导输出的光调制信号的幅度不同。通过控制柔性聚合物管和液芯的折射率差可以控制光波导输出的光调制信号的幅度，进而控制光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围(即光学纹身传感薄膜能够探测的压力信号的强度范围)。
除了采用可调谐液芯组件对光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围进行实时调整之外，还可以在光学纹身传感薄膜的制备过程中，通过改变柔性聚合物管中的稠状液体和用于固化该稠状液体的固化剂的比例来对光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围进行调整，简单、方便，可控。具体地，柔性聚合物管的折射率小于液芯的折射率时，探测光信号在柔性聚合物管和液芯之间形成全反射，探测光信号被束缚在光波导中；此时，传感单元的工作范围宽、灵敏度低，适宜于所探测的压力信号的强度范围大、精度小的传感场景，且柔性聚合物管和液芯之间的折射率差越大，光学纹身传感薄膜的传感范围越大，光学纹身传感薄膜的传感范围也越大；柔性聚合物管的折射率大于液芯的折射率时，探测光信号在柔性聚合物管和液芯之间无法形成全反射，会发生折射和反射，使得部分探测光信号从光波导泄露出去；此时，传感单元的工作范围变小、灵敏度变大，适宜于所探测的压力信号的强度范围小、精度高的传感场景；且柔性聚合物管和液芯之间的折射率差越大，传感单元的灵敏度越高，光学纹身传感薄膜的灵敏度也越高。一般情况下，体质偏胖、脉象微弱的人需要灵敏度大的传感模块，选择液芯的折射率小于柔性聚合物管的折射率的光学纹身传感薄膜进行探测；针对脉搏信号搏动幅度强的人则可以选择灵敏度相对低一些但是传感范围大的，即选择液芯的折射率等于或者大于柔性聚合管的折射率的光学纹身传感薄膜进行探测。
优选地，柔性聚合物管的材料包括PDMS的单体及其固化剂；柔性聚合物管的折射率为1.38～1.47。液芯的材料包括甘油和蒸馏水；液芯的折射率为1.4～1.44。
优选地，柔性聚合物管和液芯均优选为透明质地，以减小探测光信号的传输损耗，从而进一步减小探测功耗。
优选地，柔性聚合物管内壁处设置有微结构阵列；其中，微结构阵列包括由金字塔、立方体、球体、柱子、线或波浪所组成的阵列，使得在外界压力的作用下，柔性聚合物管更容易发生形变从而增强探测光在光波导内的反射和折射效应，从而使其对外界压力更敏感，可以大范围提升光学纹身传感薄膜的灵敏度。
进一步地，聚合物基底的杨氏模量大于柔性聚合物管的杨氏模量；本实施例中，聚合物基底的杨氏模量为百MPa量级，柔性聚合物管的杨氏模量为5-10MPa量级；传感单元之间相互独立，且传感单元与传感单元之间的间距为2-3mm。
需要说明的是，上述光学纹身传感薄膜不仅限于应用在脉象分析场景下，也适用于如关节角度弯曲测量等压力测量场景下。本发明所提供的光学纹身传感薄膜可有效控制光学纹身传感薄膜的灵敏度和测压工作范围以适应不同测量情景，同时也可以实现更加全面精确的信息采集。
实施例2、
一种实施例1所述光学纹身传感薄膜的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1、分别制备液芯和柔性聚合物管，将液芯密封在柔性聚合物管内，得到光波导，并将光波导与可调谐液芯组件相连；
具体地，本实施例中，柔性聚合物管为S形，柔性聚合物管的材料包括PDMS的单体及其固化剂；PDMS单体与其固化剂的比例按照所需的折射率和杨氏模量要求配比，采用光热两步固化法打印上述柔性聚合物管结构，通过向其前驱体溶液中加入一定量的(≤20％)可光固化的甲基乙酰氧基丙基甲基硅氧烷和二甲基硅氧烷的共聚物(M-PDMS)赋予其光固化能力；然后，使用紫外光辅助的直书写3D打印机，在墨水挤出的过程中边打印边采用紫外光照射使M-PDMS固化获得高精度的三维结构打印件；最后，将所得三维结构打印件在120℃的高温下热固化交联实现高性能PDMS柔性聚合物管。进一步地，液芯的材料包括甘油和蒸馏水，甘油和蒸馏水的比例按照所需的折射率进行配比。
优选地，柔性聚合物管上设置有液体注入口和液体吸出口，可调谐液芯组件通过液体注入口和液体吸出口与柔性聚合物管相连。
S2、将多模光纤A和多模光纤B分别从光波导的首尾两端伸入到光波导中，使其头部置于光波导内部，得到传感单元；
具体地，多模光纤A和多模光纤B采用二氧化硅材料制备所得。将多模光纤A和多模光纤B的头部分别伸入柔性聚合物管的首尾两端，并将多模光纤A和多模光纤B与柔性聚合物管的连接处采用UV固化胶粘结，UV胶、拉伸强度大、粘结度大，且满足折射率匹配条件与液芯折射率相同。其中，多模光纤A和多模光纤B均与柔性聚合物管采用密封胶连接密封。
S3、制备存在若干凹槽的聚合物基底；其中，各凹槽呈阵列排布，且凹槽的形状与传感单元的形状相同；
具体地，聚合物基底的形态基于人体手腕工学基础设计，聚合物基底上存在若干凹槽；各凹槽呈阵列排布，且凹槽的形状与传感单元的形状相同；采用浇筑模具的制备方式制备该聚合物基底；
S4、按照步骤S1-S2所述的方法制备与凹槽个数相同的传感单元，并将各传感单元分别嵌入到对应的凹槽中，得到光学纹身传感薄膜；
具体地，传感单元嵌入聚合物基底内的深度为传感单元直径的1/2～3/4，即传感单元纵向半身以上嵌入聚合物基底以保证其另一部分可紧贴皮肤，本实施例中，传感单元的嵌入深度为100um。
实施例3、
一种全光纤数字脉象仪，如图5所示，包括：脉象采集模块1、脉象分析模块2和可穿戴模块3；脉象采集模块1包括实施例1中所述的光学纹身传感薄膜；可穿戴模块3用于将脉象采集模块1固定在用户的手腕上，并使光学纹身传感薄膜紧贴在手腕的寸关尺部位；可穿戴模块3的尺寸可以自适应调节以适应不同用户的手腕直径；除此之外，本实施例中，全光纤数字脉象仪还包括智能诊断控制模块4和显示模块5。
脉象采集模块1用于基于光学纹身传感薄膜使得探测光被外界压力信号调制得到光调制信号，并转换为电信号，以表示脉搏信号；改变光学纹身传感薄膜与皮肤之间的贴合程度来模拟在用户的寸、关、尺部位分别施加浮中沉压力，得到寸、关、尺部位处不同压力下的脉搏信号，将其中的浮中沉脉压下的脉搏信号和最佳脉压下的脉搏信号发送至脉象分析模块2；最佳脉压为采集过程中脉搏信号幅值最大时所施加的压力；还用于根据脉搏信号的强度，控制光学纹身传感薄膜中柔性聚合物管和液芯的折射率差来控制光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围；其中，传感范围为光学纹身传感薄膜能够探测到的压力信号的强度范围；
脉象分析模块2用于分别对用户寸、关、尺部位处浮中沉脉压下的脉搏信号和最佳脉压下的脉搏信号提取相应的脉象参数特征，以对脉象进行分析得到脉象分析结果，并发送至智能诊断控制模块4和显示模块5；
智能诊断控制模块4用于基于脉象分析结果，结合医师大数据健康分析库给出用户健康管理建议；其中，医师大数据健康分析库为包括健康指标及其对应的健康管理建议。
显示模块5用于显示用户的脉象分析结果及健康管理建议。
具体地，如图6所示，脉象采集模块还包括光发送单元、加压控制单元和光接收单元；加压控制单元与光学纹身传感薄膜中的各传感单元分别相连；
光发送单元用于发射连续探测光信号到光学纹身传感薄膜中；
加压控制单元用于将用户的身高、体重、手腕直径和臂展长度输入到预训练好的寸关尺的空间分布模型中，得到用户寸、关、尺部位的空间位置分布；基于用户寸、关、尺部位的空间位置分布确定光学纹身传感薄膜中各传感单元与用户寸、关、尺部位的对应关系，并将传感单元按照用户寸、关、尺部位进行分组后，在用户的寸、关、尺部位分别施加浮中沉压力，以控制光学纹身传感薄膜与皮肤的贴合程度来模拟浮中沉施压方式；进一步地，为了保证全光纤数字脉象仪的安全性以及用户的舒适度，加压控制单元还用于监测施脉压力大小，并且在压力达到预设压力值时，停止施压；
光学纹身传感薄膜用于使得探测光被外界压力信号调制得到光调制信号，即把脉搏压力信号转换为光调制信号；光学纹身传感薄膜还用于根据脉搏信号的强度，控制光学纹身传感薄膜中柔性聚合物管和液芯的折射率差来控制光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围；
光接收单元用于接收光学纹身传感薄膜输入的携带脉搏信息的光调制信号，并将携带脉搏信息的光调制信号转化为电信号；
其中，空间分布模型为机器学习模型，可以为SVM、决策树模型等；具体地，其训练方法为：采集不同用户的身高、体重、手腕直径，臂展长度以及寸关尺部位的空间位置信息；将用户的寸关尺部位的空间位置作为标签与用户的身高、体重、手腕直径，臂展长度信息一一对应，构成空间分布训练集；将空间分布训练集输入机器学习模型中进行训练，得到预训练好的空间分布模型。
进一步地，本发明所提供的全光纤数字脉象仪为多功能全光纤数字脉象仪，属于可穿戴设备；其中，脉象分析模块包括：中医脉象定量化分析单元、心血管健康诊断单元、精神疲劳监测单元和情志监测单元；
中医脉象定量化分析单元用于分别提取用户寸、关、尺部位处浮中沉脉压下脉搏信号的时间特征、幅度特征、角度特征和面积特征，得到用户脉象的定量化指标；具体地，将脉搏信号所对应的脉搏图记为脉图，如图7所示，其中，时间特征包括脉搏信号的单脉搏周期t、脉图起点到主波峰点的时延t1、脉图起点到潮波谷点的时延t2、脉图起点到潮波峰点的时延t3、脉图起点到降中峡谷点的时延t4、脉图起点到重搏波峰点的时延t5、降中峡谷点到脉图终点的时延t6、主波峰点到潮波谷点的时延dt12和主波峰点到降中峡谷点的时延dt14。幅度特征包括主波波峰幅值a1(即主波高度，主波峰顶到脉图基线的垂线长度)、主波波谷幅值a2(即潮波谷点到脉搏基线高度)、潮波波峰幅值a3(即潮波高度，潮波峰顶到脉图基线的幅度)、降中峡谷点的幅值a4(即降中峡高度，降中峡谷底到脉图基线的幅度)、重搏波峰与降中峡谷点之间的幅值差a5(即重搏波高度，重搏波峰顶点至过降中峡谷底水平基线的幅度)。角度特征包括：主波上升角U(主波升支与基线的夹角)和主波角P(主波升支与降支的夹角)。面积特征包括：收缩期面积Aa(收缩期脉图基线以上面积)、舒张期面积Ab(舒张期脉图基线以上面积)和脉图总面积At(基线以上脉图总面积)。
需要说明的是，升支为脉搏波形中由基线至主波峰顶的一条上升曲线，是心室的快速射血时期；降支为脉搏波形中由主波峰顶至基线的一条下降曲线，是心室射血后期至下一次心动周期的开始；主波为脉图的主体波幅，一般顶点为脉图的最高峰，反映动脉内压力与容积的最大值；潮波又称重搏前波，位于下降支，主波之后，一般低于主波而高于重搏波，反映左心室停止射血，动脉扩张降压，逆向反射波；降中峡，又称降中波，是主波降支与重搏波升支构成的向下的切迹波谷，表示主动脉静压排空时间，为心脏收缩与舒张的分界点；重搏波是降支中突出的一个上升波，为主动脉瓣关闭、主动脉弹性回缩波。
寸部脉象可反映心脏健康程度；心血管健康诊断单元用于计算用户寸部处最佳脉压下脉搏信号的血压辅助指数H、反射波增强指数Aix、血液返流时间BRT、心搏量SV、心输出量CO、总外周阻力TPR、动脉顺应性AC、血液黏度V和动脉僵化指数SLcf，作为心血管健康的指示参数；具体地，各指示参数的计算公式如下：
Figure BDA0003089076740000181
Figure BDA0003089076740000182
BR T＝t5-t1
Figure BDA0003089076740000183
Figure BDA0003089076740000184
Figure BDA0003089076740000185
Figure BDA0003089076740000191
V＝H×11.43
Figure BDA0003089076740000192
其中，Ps为动脉收缩压，Pd为动脉舒张压，p(tσ)为tσ时刻用户寸部处最佳脉压下脉搏信号；动脉僵化指数SLcf基于脉图的二阶导分析方法计算得到，具体地，如图8所示为本实施例所提供的脉图的二阶导示意图，如图8所示，其中脉象二阶导示意图中时间特征包括Ta、Tb、Tc、Td、Te、Tf，幅度特征包括Ha、Hb、Hc、Hd、He、Hf；需要说明的是，这些时间特征都是二阶导波形不同特征点对应的时间信息，二阶导每一个特征点分别代表脉搏时域上不同的特征点，而时间域上不同的特征点都有自身对应的心血管生理活动状态；本实施例中采用幅值特征点Hf和Hc和时间特征点Tf和Tc来计算动脉僵化指数SLcf；其中，Tf为降中峡所对应的时间点；Tc为主波波峰所对应的时间点；Hf为脉象二阶导示意图中Tf时间点处的幅值；Hc为脉象二阶导示意图中Tc时间点处的幅值。
精神疲劳监测单元用于对用户寸、关、尺部位处最佳脉压下脉搏信号进行傅里叶变换得到脉象频谱图；从脉象频谱图中提取出脉搏频率，并基于脉搏频率计算得到用户的心率HR；对脉象频谱图进行低通滤波滤除掉心跳频率后，从中提取呼吸频率，并基于呼吸频率计算得到用户的呼吸率BR；计算用户寸、关、尺部位处最佳脉压下脉搏信号的单脉搏周期的标准差得到用户的心率变异性SDNN；将所得用户的心率HR、呼吸率BR和心率变异性SDNN输入到预训练好的疲劳检测模型中，得到用户的疲劳等级；其中，疲劳检测模型为机器学习模型，可以为SVM、决策树模型等。
需要说明的是，心率是反映心理和生理应激水平的综合性指标，心理疲劳会削弱中枢和交感神经活动，导致心理和生理负荷水平降低，心率下降；心率变异是由于自主神经系统(ANS)的两个分支：交感神经和副交感神经的协同作用。交感神经加速心率，而副交感神经减慢心率。交感神经和副交感神经协同工作以维持心血管活动，对外部和内部变化做出适当反应。当出现精神疲劳时，ANS能力下降，心跳活动的变异性和复杂性降低，导致心率变异性SDNN明显下降；过度疲劳时可能会发生呼吸紊乱，因此我们将呼吸频率BR作为疲劳识别的特征之一。
在进行疲劳检测之前，需要预先建立心率、心率变异性、呼吸率与疲劳等级的机器学习训练模型，疲劳检测模型的训练方法包括：采集不同用户处于无疲劳、疲劳和严重疲劳三个疲劳等级下的心率HR、呼吸率BR和心率变异性SDNN，将每一个用户的心率HR、呼吸率BR和心率变异性SDNN与其疲劳等级一一对应后，构建疲劳检测训练集；将疲劳检测训练集输入到机器学习模型中进行训练，得到预训练好的疲劳检测模型。
具体地，在本实施例中，使不同的受试者佩戴本发明所提供的全光纤数字脉象仪并执行心理任务；其中，心理任务包括一个休息阶段、三个测试阶段和两个疲劳阶段；精神疲劳等级分为无疲劳、疲劳和严重疲劳三个等级。心理任务开始于一段时间的休息，以确保受试者处于无疲劳状态。然后，受试者经历第一个测试阶段，在此阶段，记录精神疲劳程度和10分钟的生理信号(心率HR、呼吸率BR和心率变异性SDNN)。反应时测试是评估客观表现的常用方法，反映了大脑对刺激的反应速度。在疲劳阶段1，受试者被要求做紧张的脑力工作，如心算运算或阅读专业文献，直到他们感到疲倦和困倦。然后，受试者以与第一阶段相同的方式进行第二次测试。同样，在疲劳第二阶段，受试者进行高强度的脑力劳动，直到他们感到非常疲倦和困倦。之后，执行最后的测试过程。在这个过程中，采集不同受试者处于无疲劳、疲劳和严重疲劳三个疲劳等级下的心率HR、呼吸率BR和心率变异性SDNN，构成疲劳检测训练集。
情志监测单元用于分别提取用户关部处最佳脉压下脉搏信号的时间特征、幅度特征和面积特征，并得到各特征值在预设时间内的变化趋势，以对用户的情志进行监测；
具体地，关部脉象可反映肝脏健康程度，情绪与肝脏疾病密切相关。本实施例中，监测用户关部处最佳脉压下脉搏信号的时间特征、幅度特征和面积特征在20分钟之内的变化趋势来反映情绪波动。对脉搏信号进行傅里叶变换，得到频谱图，不同频率范围内的峰值个数变化可反映情绪的变化；本实施例中的脉象频域分析基于区分5Hz以内功率谱峰值个数，5-10Hz功率谱峰值个数和10Hz以上功率谱峰值个数。
以用户的喜悦和悲伤情绪的监测为例，喜悦情绪会导致左心室射血功能及大动脉顺应性、血管弹性、外周阻力、心输出量均略降低；而悲伤情绪会导致心血管外周阻力显著升高，心率和动脉压力升高持续时间有升高趋势，根据波幅参数(a1、a2、a3、a4、a5、a3/a1、a4/a1、a5/a1)时域参数(t1、t2、t3、t4、t5、t5/t4)和面积指标(Aa、Ab)的变化趋势可以有效的预测用户的喜悦或悲伤情绪。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学纹身传感薄膜，其特征在于，用于传感脉搏信号，包括：聚合物基底和多个呈阵列排布且相互独立的传感单元；各传感单元嵌入在聚合物基底内；
所述传感单元包括多模光纤A、光波导、多模光纤B和可调谐液芯组件；所述多模光纤A和所述多模光纤B分别与所述光波导的首尾两端相连，且所述多模光纤A和所述多模光纤B的头部均位于所述光波导的内部；所述多模光纤A的纤芯直径小于所述多模光纤B的纤芯直径；所述可调谐液芯组件与所述光波导相连；
所述光波导包括柔性聚合物管和液芯；所述液芯密封在所述柔性聚合物管内；所述液芯包括折射率不同且互溶的多种液体；
所述多模光纤A用于将探测光信号传入所述柔性聚合物管中；
所述光波导用于感知外界脉搏压力信号，并在所述外界脉搏压力信号的作用下发生形变，使得所述探测光信号被所述外界脉搏压力信号调制，得到光调制信号；
所述多模光纤B用于接收所述光调制信号，并传输出去；
所述可调谐液芯组件用于根据外界脉搏压力信号的强度控制所述液芯中各液体组分的比例来控制所述柔性聚合物管和所述液芯之间的折射率差，进而控制光波导输出的光调制信号的幅度，以控制所述传感单元的灵敏度和传感范围；所述传感范围为传感单元能够探测的压力信号的强度范围。
2.根据权利要求1所述的光学纹身传感薄膜，其特征在于，所述可调谐液芯组件包括：液芯原料存贮容器、液芯体积调配器和液芯输送器；
所述液芯原料存贮容器用于分别存储折射率不同且互溶的多种液体；
所述液芯输送器用于将所述柔性聚合物管内的原有液芯抽出；
所述液芯体积调配器用于抽取所述液芯原料存贮容器中的不同液体进行混合构成液芯注入到所述柔性聚合物管中，并在抽取的过程中根据所述外界脉搏压力信号的强度控制各液体之间的比例，以调整所述液芯的折射率，进而调整所述柔性聚合物管和所述液芯之间的折射率差。
3.根据权利要求1所述的光学纹身传感薄膜，其特征在于，所述柔性聚合物管的材料包括稠状液体和用于固化所述稠状液体的固化剂；所述柔性聚合物管的折射率由所述稠状液体和用于固化所述稠状液体的固化剂的比例控制。
4.根据权利要求3所述的光学纹身传感薄膜，其特征在于，所述柔性聚合物管的材料包括PDMS的单体及其固化剂；所述柔性聚合物管的折射率为1.38～1.47；
所述液芯的材料包括甘油和蒸馏水；所述液芯的折射率为1.4～1.44。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的光学纹身传感薄膜，其特征在于，所述柔性聚合物管内壁处设置有微结构阵列；其中，所述微结构阵列包括由金字塔、立方体、球体、柱子、线或波浪所组成的阵列。
6.根据权利要求1所述的光学纹身传感薄膜，其特征在于，所述柔性聚合物管的折射率小于所述液芯的折射率时，所述探测光信号在所述柔性聚合物管和所述液芯之间形成全反射，所述探测光信号被束缚在所述光波导中；此时，所述柔性聚合物管和所述液芯之间的折射率差越大，所述传感单元能够探测的压力信号的强度范围越大，即传感范围越大；
所述柔性聚合物管的折射率大于所述液芯的折射率时，所述探测光信号在所述柔性聚合物管和所述液芯之间发生折射和反射，使得部分探测光信号从所述光波导泄露出去；此时，所述柔性聚合物管和所述液芯之间的折射率差越大，所述传感单元的灵敏度越高。
7.权利要求1-6任意一项所述的光学纹身传感薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别制备液芯和柔性聚合物管，将所述液芯密封在所述柔性聚合物管内，得到光波导，并将所述光波导与可调谐液芯组件相连；
S2、将多模光纤A和多模光纤B分别从所述光波导的首尾两端伸入到所述光波导中，使其头部置于所述光波导内部，得到传感单元；
S3、制备存在若干凹槽的聚合物基底；其中，各凹槽呈阵列排布，且所述凹槽的形状与所述传感单元的形状相同；
S4、按照步骤S1-S2所述的方法制备与所述凹槽个数相同的传感单元，并将各传感单元分别嵌入到对应的凹槽中，得到光学纹身传感薄膜。
8.一种全光纤数字脉象仪，其特征在于，包括：脉象采集模块、脉象分析模块和可穿戴模块；所述脉象采集模块包括权利要求1-6任意一项所述的光学纹身传感薄膜；所述可穿戴模块用于将所述脉象采集模块固定在手腕桡动脉处，并使所述光学纹身传感薄膜紧贴在手腕的寸关尺部位；
所述脉象采集模块用于基于所述光学纹身传感薄膜使得探测光被外界脉搏压力信号调制得到光调制信号，并转换为电信号，以表示脉搏信号；改变所述光学纹身传感薄膜与皮肤之间的贴合程度来模拟在用户的寸、关、尺部位分别施加浮中沉压力，得到寸、关、尺部位处不同压力下的脉搏信号，将其中的浮中沉脉压下的脉搏信号和最佳脉压下的脉搏信号发送至所述脉象分析模块；最佳脉压为采集过程中脉搏信号幅值最大时所施加的压力；所述脉象采集模块还用于根据脉搏信号的强度，控制所述光学纹身传感薄膜中柔性聚合物管和液芯的折射率差来控制所述光学纹身传感薄膜的灵敏度和传感范围；其中，所述传感范围为所述光学纹身传感薄膜能够探测到的压力信号的强度范围；
所述脉象分析模块用于分别对用户寸、关、尺部位处浮中沉脉压下的脉搏信号和最佳脉压下的脉搏信号提取相应的脉象参数特征，以对脉象进行分析。
9.根据权利要求8所述的全光纤数字脉象仪，其特征在于，所述脉象采集模块还包括光发送单元、加压控制单元和光接收单元；所述加压控制单元与所述光学纹身传感薄膜中的各传感单元分别相连；
所述光发送单元用于发射连续探测光信号到所述光学纹身传感薄膜中；
所述加压控制单元用于将用户的身高、体重、手腕直径和臂展长度输入到预训练好的寸关尺的空间分布模型中，得到用户寸、关、尺部位的空间位置分布；基于所述用户寸、关、尺部位的空间位置分布确定所述光学纹身传感薄膜中各传感单元与用户寸、关、尺部位的对应关系，并将传感单元按照用户寸、关、尺部位进行分组后，在用户的寸、关、尺部位分别施加浮中沉压力，以控制所述光学纹身传感薄膜与皮肤的贴合程度来模拟浮中沉施压方式；
所述光接收单元用于接收所述光学纹身传感薄膜输入的携带脉搏信息的光调制信号，并将所述携带脉搏信息的光调制信号转化为电信号；
所述空间分布模型为机器学习模型，其训练方法包括：采集不同用户的身高、体重、手腕直径，臂展长度以及寸关尺部位的空间位置信息；将用户的寸关尺部位的空间位置作为标签与用户的身高、体重、手腕直径，臂展长度信息一一对应，构成空间分布训练集；将所述空间分布训练集输入机器学习模型中进行训练，得到预训练好的空间分布模型。
10.根据权利要求8所述的全光纤数字脉象仪，其特征在于，所述脉象分析模块包括：中医脉象定量化分析单元、心血管健康诊断单元、精神疲劳监测单元和情志监测单元；
所述中医脉象定量化分析单元用于分别提取用户寸、关、尺部位处浮中沉脉压下脉搏信号的时间特征、幅度特征、角度特征和面积特征，得到用户脉象的定量化指标；
所述心血管健康诊断单元用于计算用户寸部处最佳脉压下脉搏信号的血压辅助指数、反射波增强指数、血液返流时间、心搏量、心输出量、总外周阻力、动脉顺应性、血液黏度和动脉僵化指数，作为心血管健康的指示参数；
所述精神疲劳监测单元用于对用户寸、关、尺部位处最佳脉压下脉搏信号进行傅里叶变换得到脉象频谱图；从所述脉象频谱图中提取出脉搏频率，并基于所述脉搏频率计算得到用户的心率；对所述脉象频谱图进行低通滤波滤除掉心跳频率后，从中提取呼吸频率，并基于所述呼吸频率计算得到用户的呼吸率；计算用户寸、关、尺部位处最佳脉压下脉搏信号的单脉搏周期的标准差得到用户的心率变异性；将所得用户的心率、呼吸率和心率变异性输入到预训练好的疲劳检测模型中，得到用户的疲劳等级；
所述情志监测单元用于分别提取用户关部处最佳脉压下脉搏信号的时间特征、幅度特征和面积特征，并得到各特征值在预设时间内的变化趋势，以对用户的情志进行监测；
其中，所述时间特征包括脉搏信号的单脉搏周期、脉图起点到主波峰点的时延、脉图起点到潮波谷点的时延、脉图起点到潮波峰点的时延、脉图起点到降中峡谷点的时延、脉图起点到重搏波峰点的时延、降中峡谷点到脉图终点的时延、主波峰点到潮波谷点的时延和主波峰点到降中峡谷点的时延；所述幅度特征包括主波波峰幅值、主波波谷幅值、潮波波峰幅值、降中峡谷点的幅值、重搏波峰与降中峡谷点之间的幅值差；所述角度特征包括：主波上升角和主波角；所述面积特征包括：收缩期面积、舒张期面积和脉图总面积；脉图为脉搏信号所对应的脉搏图；
所述疲劳检测模型为机器学习模型；所述疲劳检测模型的训练方法包括：采集不同用户处于无疲劳、疲劳和严重疲劳三个疲劳等级下的心率、呼吸率和心率变异性，将每一个用户的心率、呼吸率和心率变异性与其疲劳等级一一对应后，构建疲劳检测训练集；将所述疲劳检测训练集输入到机器学习模型中进行训练，得到预训练好的疲劳检测模型。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114469018B (zh) * 2022-02-22 2023-07-21 平安科技（深圳）有限公司 脉诊指法推荐方法、装置、电子设备和存储介质

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1048039A (ja) * 1996-08-07 1998-02-20 Ge Yokogawa Medical Syst Ltd 超音波検出方法および装置並びに超音波撮像装置
JPH10221659A (ja) * 1997-02-05 1998-08-21 Nippon Steel Corp 光デバイス
US6016372A (en) * 1997-10-16 2000-01-18 World Precision Instruments, Inc. Chemical sensing techniques employing liquid-core optical fibers
US6246825B1 (en) * 1997-04-22 2001-06-12 British Telecommunications Plc Liquid filled optical waveguide
JP2004157255A (ja) * 2002-11-05 2004-06-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光変調素子及び光学装置
CN101646924A (zh) * 2007-01-31 2010-02-10 泰瑞连激光技术有限公司 光功率调制
GB201704940D0 (en) * 2017-03-28 2017-05-10 Bae Systems Plc A method for transmitting and/or receiving an optical signal
AU2020102536A4 (en) * 2020-09-30 2020-11-19 Chongqing University Of Posts And Telecommunications A microfiber photoacoustic detection device and its detection method

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010046363A1 (en) * 2000-03-03 2001-11-29 Purchase Ken G. Variable optical attenuators and optical shutters using a coupling layer in proximity to an optical waveguide (II)
CN101049247B (zh) * 2006-04-06 2010-05-12 香港理工大学 中医脉象传感器、三部九候脉象检测仪及脉象检测方法
WO2011053626A2 (en) * 2009-10-30 2011-05-05 Cornell University Optofluidic apparatus, method, and application
EP3194923A1 (en) * 2014-09-17 2017-07-26 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) Method and apparatus for measuring the local birefingence along an optical waveguide
CN105640513A (zh) * 2015-12-31 2016-06-08 中国科学院微电子研究所 脉搏波阵列式传感器采集系统及方法
WO2018160595A2 (en) * 2017-02-28 2018-09-07 The Regents Of The University Of California Optofluidic analyte detection systems using multi-mode interference waveguides
CN108836281A (zh) * 2018-06-28 2018-11-20 中国科学院微电子研究所 用于脉搏特征参数采集的系统
CN112747847B (zh) * 2018-07-02 2021-10-15 上海交通大学 光波导压力测量系统
CN110192854B (zh) * 2019-05-14 2021-08-24 天津工业大学 一种柔性光子皮肤

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1048039A (ja) * 1996-08-07 1998-02-20 Ge Yokogawa Medical Syst Ltd 超音波検出方法および装置並びに超音波撮像装置
JPH10221659A (ja) * 1997-02-05 1998-08-21 Nippon Steel Corp 光デバイス
US6246825B1 (en) * 1997-04-22 2001-06-12 British Telecommunications Plc Liquid filled optical waveguide
US6016372A (en) * 1997-10-16 2000-01-18 World Precision Instruments, Inc. Chemical sensing techniques employing liquid-core optical fibers
JP2004157255A (ja) * 2002-11-05 2004-06-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光変調素子及び光学装置
CN101646924A (zh) * 2007-01-31 2010-02-10 泰瑞连激光技术有限公司 光功率调制
GB201704940D0 (en) * 2017-03-28 2017-05-10 Bae Systems Plc A method for transmitting and/or receiving an optical signal
AU2020102536A4 (en) * 2020-09-30 2020-11-19 Chongqing University Of Posts And Telecommunications A microfiber photoacoustic detection device and its detection method

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