CN114259208B - 一种监测设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种监测设备，监测设备包括：激光模块用于发射激光束；干涉模块的输入端与激光模块的输出端连接；摄像模块与干涉模块的输出端连接；处理模块与摄像模块连接；其中，干涉模块根据激光束生成参考光束和测量光束；干涉模块基于参考光束和反射的测量光束形成载有被测表面振动信息的干涉变化条纹；摄像模块根据干涉变化条纹信息转换为干涉信号，处理模块根据干涉信号还原出被测表面的生理信息。本申请实施例中，本申请的干涉模块通过对激光束的参考光束和测量光束进行处理，可提升系统信噪比，提高灵敏检测灵敏度，以更精准检测出被测表面的生理信号，从而获取被测表面的生理变化信息，进而实现了非接触式的生理信息监测。
Description
技术领域
本申请涉及生理监测领域，具体涉及一种监测设备。
背景技术
随着科技水平的发展与提高，智能医疗等多种领域的技术需求也日趋强烈，如对心跳异常变化进行有效预警，以便在事件发生之前给予及时的治疗。
为了实现对心跳异常变化的有效预警，需要对患者用户进行日常监测，通过监测其相关生理指标的变化，从而对即将发生的恶化事件进行预判。目前，呼吸或心跳等生命体征的监测主要依赖于接触式监测设备，然而接触式监测设备不仅佩戴程序繁琐，且使用不便。
因此，如何解决上述技术问题成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本申请公开的一种无感式监测设备，其有效解决了现有技术中存在的心跳或呼吸传感器需要与监测人员进行接触给监测人员带来不适等问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种监测设备，包括：激光模块，用于发射激光束；
干涉模块，的输入端与所述激光模块的输出端连接；
摄像模块，与所述干涉模块的输出端连接；
处理模块，与所述摄像模块连接；
其中，所述干涉模块根据激光束生成参考光束和测量光束，所述测量光束用于照射被测表面；所述干涉模块基于所述参考光束和反射的所述测量光束形成载有被测表面振动信息的干涉变化条纹；所述摄像模块根据所述干涉变化条纹信息转换为干涉信号，所述处理模块根据所述述干涉信号还原出被被测表面的生理信息。
一些实施例中，所述干涉模块包括迈克尔逊干涉仪。
一些实施例中，所述激光模块包括DFB激光器。
一些实施例中，所述干涉模块根据光强度干涉公式处理以生成干涉信息，光强度干涉公式满足下述条件式，
其中，ηk为光外差混频效率，fIF＝fs-fl为外差差频项，其中，fIF为0；为外差探测的信号相位项；El(t)参考光束的光电场强度，Es(t)测量光束的光电场强度，Ad为光电探测器的有效面积,/>为E(t)的时间平均值。
一些实施例中，所述摄像模块包括摄像机；其中，摄像机的帧频不小于每秒20帧/秒。
一些实施例中，所述干涉模块包括与被测表面平行设置半反半透结构，及透镜组和分光镜，所述半反半透结构、所述透镜组和所述分光镜布置于激光束的传播方向上，所述半反半透结构具有参考面；
其中，激光束在所述参考面处形成所述参考光束和所述测量光束。
一些实施例中，所述干涉模块包括与被测表面垂直设置全反镜结构，及透镜组和分光镜，所述全反镜结构、所述透镜组和所述分光镜布置于激光束的传播方向上，所述全反镜结构具有参考面；
其中，激光束在所述参考面处形成所述参考光束和所述测量光束。
一些实施例中，所述干涉信号中相位变化满足条件式：/>λ为激光束波长，ΔL为光程变化。
一些实施例中，所述处理模块根据所述干涉信号分别进行图像二值化处理和图像卷积算法处理，并根据处理结果获取被测表面的振动信息。
一些实施例中，还包括：基于所述处理模块对所述干涉信号进行图像二值化处理的处理结果，进行图像修复处理。
本申请公开的监测设备，包括：激光模块用于发射激光束；干涉模块的输入端与所述激光模块的输出端连接；摄像模块与所述干涉模块的输出端连接；处理模块与所述摄像模块连接；其中，所述干涉模块根据激光束生成参考光束和测量光束，所述测量光束用于照射被测表面；所述干涉模块基于所述参考光束和反射的所述测量光束形成载有被测表面振动信息的干涉变化条纹；所述摄像模块将所述干涉变化条纹信息转换为干涉信号，所述处理模块根据所述干涉信息还原出被测表面的生理信息。一方面，本申请的干涉模块通过对激光束的参考光束和测量光束进行处理，可提升系统信噪比，以更精准检测出被测表面的生理信号，从而获取被测表面的生理变化信息，进而实现了非接触式的生理信息监测；另一方面，本申请的监测设备使用方便，有利于提升用户的使用体验。
附图说明
图1是本申请一实施例提供的监测设备结构示意图；
图2是本申请另一实施例提供的监测设备结构示意图；
图3A-3B是本申请实施例的通过摄像模块接收的干涉信息的效果图；
图4是本申请实施例的处理模块的处理流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。
下面将结合附图、通过对本申请的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本申请的技术方案。
参考图1-2，本申请提供了的一种监测设备，监测设备包括激光模块10、干涉模块、摄像模块30和处理模块40。激光模块用于发射激光束；干涉模块的输入端与激光模块的输出端连接；摄像模块与干涉模块的输出端连接；处理模块与摄像模块连接。
其中，干涉模块根据激光束生成参考光束和测量光束，测量光束用于照射被测表面；干涉模块基于参考光束和反射的测量光束形成载有被测表面振动信息的干涉变化条纹；摄像模块将干涉变化条纹信息转换为干涉信号，处理模块根据干涉信号还原出被测表面的生理信息。被测表面可以是人体的表面皮肤。生理信息包括心跳或呼吸引起的振动信息。处理模块为计算机或者微型计算机。
本申请实施例中，一方面，本申请的干涉模块通过对激光束的参考光束和测量光束进行处理，可提升系统信噪比，以更精准检测出被测表面的生理信号，从而获取被测表面的生理变化信息，进而实现了非接触式的生理信息监测；另一方面，本申请的监测设备使用方便，有利于提升用户的使用体验。
一些实施例中，干涉模块为光学干涉模块，其具有迈克尔逊干涉仪光学结构。
本申请中，具有迈克尔逊干涉仪光学结构的干涉模块，可获取性能稳定的干涉场，提升设备的可靠性。
一些实施例中，激光模块包括DFB激光器(分布式反馈激光器)。
本申请实施例中，激光模块采用DFB激光器，有利于判断被测表面的工作位置。
另一些实施例中，激光器选用单模激光器。单模激光器因为价格相对较低，及具有线宽相对较窄，且可以有较长的干涉长度，因而更加适合较远距离的非接触工作。
一些实施例中，干涉模块根据光强度干涉公式处理以生成干涉信息，光强度干涉公式满足下述条件式，
其中，ηk为光外差混频效率，fIF＝fs-fl为外差差频项，其中，fIF为0；为外差探测的信号相位项；El(t)参考光束的光电场强度，Es(t)测量光束的光电场强度，Ad为光电探测器的有效面积,/>为E(t)的时间平均值。
一些实施例中，摄像模块包括摄像机；其中，摄像机的帧频不小于每秒20帧/秒。进一步，摄像机为高分辨率数字摄像机，且其响应波长与激光器波长范围相对应。
一些实施例中，干涉模块包括与被测表面平行设置半反半透结构，及透镜组和分光镜，半反半透结构、透镜组和分光镜布置于激光束的传播方向上，半反半透结构具有参考面；其中，激光束在参考面处形成参考光束和测量光束。
参考图1，干涉模块20a包括半反半透结构21a，及透镜组和分光镜22a。分光镜为偏振分光棱镜。透镜组包括第一透镜212a、玻片213a、准直透镜214a、第二透镜215a和第三透镜216a；其中，分光镜、第一透镜、玻片、准直透镜和半反半透结构沿激光束的传播方向上依次布置，且分光镜靠近激光模块的输出端，半反半透结构靠近被测表面50。继续参考图1，第二透镜和第三透镜布置于激光束的反射路径上，第二透镜和第三透镜间设置有光阑217a；其中，第二透镜靠近分光镜布置，第三透镜靠近摄像模块的输入端设置。
一些实施例中，玻片选用四分之一玻片。半反半透结构呈环形，其具有参考面。由图1可知，半反半透结构位于准直透镜和被测表面之间的位置处。
继续参考图1，激光模块发射的激光束照射到分光镜，激光束透过分光镜后照射到第一透镜，激光束通过第一透镜进行聚焦，且激光束的光点聚焦在玻片上。进一步，激光束穿过玻片后到达准直透镜，然后再穿过准直透镜抵达半反半透结构的参考面211a。其中，激光束通过参考面形成参考光束和照射光束，参考光束于参考面处进行反射。测量光束穿过半反半透结构照射到被测表面，并经被测表面和参考面反射。反射的测量光束和参考光束依次穿过准直透镜、玻片、第一透镜和分光镜后照射至第二透镜，并依次通过第二透镜、光阑和第三透镜后输出干涉变化条纹至摄像模块，干涉变化条纹为第三透镜输出的平行光。摄像模块基于干涉变化条纹生成干涉信号，摄像模块与处理模块相连，处理模块基于干涉信号获取被测表面的生理信息。
其中，参考图1，半反半透结构的参考面与被测表面平行设置时，摄像模块基于干涉变化条纹生成等厚干涉条纹，即圆环条纹。
另一个实施例中，半反半透结构的参考面与被测表面不平行设置时，摄像模块基于干涉变化条纹生成等倾干涉条纹，即平行条纹。
一些实施例中，干涉模块包括与被测表面垂直设置全反镜结构，及透镜组和分光镜，全反镜结构、透镜组和分光镜布置于激光束的传播方向上，全反镜结构具有参考面；其中，激光束在参考面处形成参考光束和测量光束。
一个实施例中，参考图2，干涉模块20包括全反镜结构21，及透镜组和分光镜22。分光镜为普通分光棱镜。透镜组包括第一透镜212、第二透镜213、第三透镜214和第四透镜215。其中，第一透镜、第三透镜、第四透镜和全反镜结构共轴线布置，激光模块与第二透镜相对设置。进一步，激光模块与第二透镜的连线与第一透镜、第三透镜、第四透镜和半反半透结构的连线相交。第四透镜的输出端与摄像模块连接，第一透镜靠近半反半透结构，第二透镜靠近被测表面。
继续参考图2，激光模块的激光束照射到分光镜生成参考激光束和照射光束，参考光束通过分光镜反射到第一透镜，通过第一透镜后照射到全反镜结构的参考面211，参考光束通过参考面返回第一透镜，并透过分光镜。照射光束依次透过分光镜和第二透镜，并聚焦到被测表面50。且照射光束通过被测表面反射至第一透镜，且经过分光镜反射后与参考光束一起进入第三透镜。照射光束和参考光束穿过第三透镜后通过光阑216和第四透镜后输出干涉变化条纹至摄像模块，干涉变化条纹为第三透镜输出的平行光。摄像模块基于干涉变化条纹生成干涉信号，摄像模块与处理模块相连，处理模块基于干涉信号获取被测表面的生理信息。
其中，参考图2，全反镜结构的参考面与被测表面垂直设置时，摄像模块基于干涉变化条纹生成等厚干涉条纹，即圆环条纹。
另一个实施例中，全反镜结构的参考面与被测表面不垂直设置时，摄像模块基于干涉变化条纹生成等倾干涉条纹，即平行条纹。
一些实施例中，干涉信号中相位变化满足条件式：/>λ为激光束波长，ΔL为光程变化。
图3A和图3B分别为被测表面振动前后获取的干涉条纹变化(干涉变化条纹)情况，如图3A所示，由于呼吸或心跳引起圆形干涉条纹移动方向为收缩或伸展。如图3B所示，由于呼吸或心跳引起圆形干涉条纹移动方向为左右移动，通过提取干涉条纹的变化周期和位移可用来表征用户有关呼吸或心跳的周期和幅度等振动信号。
一些实施例中，处理模块根据干涉信号分别进行图像二值化处理和卷积算法处理，并根据处理结果获取被测表面的生理信息。
一些实施例中，还包括：基于处理模块对干涉信号进行图像二值化处理的处理结果，进行图像修复处理。
图4是本申请实施例处理模块基于条纹信息的系统处理流程图，处理流程包括图像预处理、图像二值化、图像骨架修复、条纹标定、图像卷积算法处理。具体地，处理模块输入端接收摄像模块的干涉信号，处理模块对接收的干涉信号生成条纹信息，条纹信息为干涉条纹图像，并对其进行图像预处理以及图像二值化处理，用于提高信噪比；进一步，处理模块将二值化的干涉条纹图像进行图像修复处理，图像修复处理包括图像骨架修复，并进行条纹标定处理。条纹标定包括基于卷积算法的运算处理，以提取出干涉条纹的频率和幅度等振动信息。最后处理模块将干涉条纹的频率和幅度等振动信息转化为所监测用户的心跳或呼吸的频率和幅度等对应的振动信息，进而完成心跳或呼吸的监测工作。
本申请中，通过图像二值化处理，以提取干涉条纹的轮廓，基于提取的轮廓对条纹进行条纹标定，呼吸或心跳会引起标定条纹发生位移变化，通过变换前后条纹算法的运算，以获取条纹移动的频率和幅度，从而获取呼吸或心跳等振动信息。
一些实施例中，监测设备还包括报警模块，报警模块与处理模块连接，当处理模块获取的心动或呼吸频率或幅度超出心跳或呼吸对应的预设阀值时，处理模块输出报警信号；报警模块响应于报警信号启动报警。其中，报警模块通过有线或无线的连接方式与处理模块连接。
应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种监测设备，其特征在于，包括：
激光模块，用于发射激光束；
干涉模块，的输入端与所述激光模块的输出端连接；
摄像模块，与所述干涉模块的输出端连接；
处理模块，与所述摄像模块连接；
其中，所述干涉模块根据激光束生成参考光束和测量光束，所述测量光束用于照射被测人体皮肤表面；所述干涉模块基于所述参考光束和反射的所述测量光束形成载有被测人体皮肤表面振动信息的干涉变化条纹；所述摄像模块将所述干涉变化条纹信息转换为干涉信号，所述处理模块根据所述干涉信号还原出被测表面的生理信息；
所述处理模块进行图像预处理以及图像二值化处理，用于提高信噪比；
所述处理模块将二值化的干涉条纹图像进行图像修复处理，图像修复处理包括图像骨架修复，并进行条纹标定处理；所述条纹标定包括基于卷积算法的运算处理，提取出干涉条纹的频率和幅度振动信息；
所述处理模块将干涉条纹的频率和幅度振动信息转化为所监测用户的心跳或呼吸的频率和幅度对应的振动信息。
2.根据权利要求1所述的监测设备，其特征在于，所述干涉模块包括迈克尔逊干涉仪。
3.根据权利要求1所述的监测设备，其特征在于，所述激光模块包括DFB激光器。
4.根据权利要求1所述的监测设备，其特征在于，所述干涉模块根据光强度干涉公式处理以生成干涉信息，光强度干涉公式满足下述条件式，
其中，ηk为光外差混频效率，fIF＝fs-fl为外差差频项，其中，fIF为0；为外差探测的信号相位项；El(t)参考光束的光电场强度，Es(t)测量光束的光电场强度，Ad为光电探测器的有效面积,/>为E(t)的时间平均值。
5.根据权利要求1所述的监测设备，其特征在于，所述摄像模块包括摄像机；其中，摄像机的帧频不小于每秒20帧/秒。
6.根据权利要求1所述的监测设备，其特征在于，所述干涉模块包括与被测表面平行设置半反半透结构，及透镜组和分光镜，所述半反半透结构、所述透镜组和所述分光镜布置于激光束的传播方向上，所述半反半透结构具有参考面；
其中，激光束在所述参考面处形成所述参考光束和所述测量光束。
7.根据权利要求1所述监测设备，其特征在于，所述干涉模块包括与被测表面垂直设置全反镜结构，及透镜组和分光镜，所述全反镜结构、所述透镜组和所述分光镜布置于激光束的传播方向上，所述全反镜结构具有参考面；
其中，激光束在所述参考面处形成所述参考光束和所述测量光束。
8.根据权利要求1所述监测设备，其特征在于，所述干涉信号中相位变化满足条件式：/>λ为激光束波长，ΔL为光程变化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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