CN116269250A - 一种采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置及其应用 - Google Patents

一种采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置及其应用 Download PDF

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CN116269250A
CN116269250A CN202310158316.2A CN202310158316A CN116269250A CN 116269250 A CN116269250 A CN 116269250A CN 202310158316 A CN202310158316 A CN 202310158316A CN 116269250 A CN116269250 A CN 116269250A
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李佩昀
高远
任勇
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Abstract

一种采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置及其应用，该装置包括支撑支架，架设于支撑支架上的转动轮，所述的转动轮与支撑支架之间设置有转动轴，所述的转动轴能带动所述的转动轮周向转动；所述的转动轮沿周向缠绕有含有光纤布拉格光栅的光纤，所述的光纤的一端固定于夹持平台、另一端拉紧延伸；所述的转动轮上设置有探针，探针的一端连接于转动轮上、另一端用于与待测脉搏点位抵靠接触，所述的转动轮与支撑支架之间还设置有扭簧，所述的扭簧用于驱动转动轮转动后的复位；本申请通过改变震动的传导方向，使得脉搏信号的变化得以转化成为光纤沿轴向的应变变化，从而可以达到放大信号。

Description

一种采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置及其 应用
技术领域
本申请涉及脉搏波检测的技术领域，具体的涉及一种采用布拉格光栅光纤(光纤布拉格光栅(FBG))在体表测量脉搏波的放大装置及其应用。
背景技术
脉搏波速(Pulse Wave Velocity,PWV)被广泛认为是动脉硬化的临床指标，其定义是血液波/脉搏波在循环系统内的传播速度，是医疗保健和临床应用中的一个基本参数，特别是在心血管疾病的诊断中有重要参考价值。申请人此前申请过采用光纤布拉格光栅(FBG)同步检测全身多处脉搏波速，皆因光纤布拉格光栅的独特优越性能，如高灵敏度，抗电磁干扰，重量轻，柔软，亲肤，低成本和极高的设计灵活度。然而，由于脉搏震动较为微弱，虽然光纤布拉格光栅传感器可以完整捕捉脉搏震动的全部特征，但是获得的信号信噪比较低，对进一步的分析处理增加了难度。
针对该困难，一种解决方案是制作一种放大装置以物理方式增强光纤对脉搏震动的灵敏度，从而得以提高信噪比。由于光纤布拉格光栅是通过应变变化检测外部震动的，现有技术多是将光纤布拉格光栅直接贴合于需要检测的皮肤位置，此时光栅布拉格光栅所在的光纤其轴向与待测位置几乎平行，因此脉搏震动的方向几乎垂直于光纤轴线方向，这种方式下脉搏的振动能够引起光纤轴向应变比较小，因此会导致脉搏振动在传感器单元产生的应变较为微弱，不利于测量。
然而针对此类放大装置，现有文献中的报道的寥寥无几。申请人搜索到的一款技术中，其脉搏波动采用的是通过杠杆拉伸光纤以达到放大目的，然而该现有技术仍然存在多处不足：1.由于光纤直径微小，该设计中的杠杆直径过小，其刚度可能不满足传递微小波动的需求。2.由于杠杆长度固定，脉搏放大比率固定，无法在后续进行调节，对于不同测量场景适应性弱，因而无法满足常规的使用需求。
因此，本领域需要一种放大装置，以使得其能够在满足脉搏微小震动传递要求的同时、还可调节压力大小适应不同测量场景，实现改变光纤布拉格光栅的应变方向，达到放大信号、增加信噪比的效果。
发明内容
本申请针对现有技术的上述不足，提供一种通过改变震动的传导方向，使得脉搏信号的变化得以转化成为光纤沿轴向的应变变化，从而可以达到放大信号的用于布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置。
为了解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：一种用于布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，该装置包括支撑支架，架设于支撑支架上的转动轮，所述的转动轮与支撑支架之间设置有转动轴，所述的转动轴能带动所述的转动轮周向转动；所述的转动轮沿周向缠绕有含有光纤布拉格光栅的光纤，所述的光纤的一端固定于夹持平台、另一端拉紧延伸；所述的转动轮上设置有探针，探针的一端连接于转动轮上、另一端用于与待测脉搏点位抵靠接触，所述的转动轮与支撑支架之间还设置有扭簧(扭转弹簧)，所述的扭簧用于驱动转动轮转动后的复位。
采用上述结构，在进行脉搏监测时，首先抬起探针，将探针压于桡动脉，此时在脉搏跳动力作用下可以驱动转动轮周向转动，而扭转弹簧此时提供反向扭矩为探针提供向下压力，脉搏波动带动探针上下微小运动从而带动转动轮来回转动，转动轮转动过程由于是周向运行因此在光栅处体现为径向的应力变化，从而监测脉搏；而布拉格光栅光纤传感器对于震动的传感是通过外部的震动引起光栅间距的变化，从而影响透射波谱/反射波谱中心波长的移动来实现的，因而若相同的外部震动引起的轴向应变被放大，则检测到的信号(及中心波长)的变化就越大，而本申请这种结构将传统的脉搏跳动与光纤轴向垂直转换成脉搏跳动与光纤轴向平行的方式，提高了轴向应变效果，从而实现了放大信号的效果，提高检测的灵敏度。
进一步的，本申请所述的转动轮沿着周向设置有径向向内的凹槽，所述的光纤缠绕于所述的凹槽内；采用上述结构，本申请可以将光纤设置于凹槽内，可以提高光纤与转动轮之间连接的牢固度，在转动轮工作过程保证应力传递的稳定性。
进一步的，本申请所述的转动轮沿着径向至少设置有两个探针的连接点位；采用上述结构，可以根据检测的环境调整探针与转动轮中心之间的距离，从而调整脉搏震动被放大的倍数，可以满足不同体型、人体不同部位的脉搏检测。
更进一步的，所述的转动轮沿着径向设置有三个探针的连接点位，且三个连接点位沿着同一径向方向向外顺次延伸设置；采用该结构，可以进一步增加可调整的点位数量，提高适应性。
更进一步的，所述的转动轮的直径为5-12cm。
更进一步的，所述的探针连接点位距离转动轮中心点间的距离与转动轮的半径之比为K，所述的K＝1/1，1/2或者1/3。
进一步的，本申请所述的光纤布拉格光栅可蚀刻(或者光刻)于夹持平台与转动轮之间水平延伸的光纤上；采用该结构，在探针被脉搏跳动驱动带动转动轮周向转动过程，可以始终保持光纤布拉格光栅轴向与转动轮应力变化的方向一致，提高整体装置检测的灵敏度。
进一步的，所述的夹持平台固定光纤的上端面与所述的转动轮缠绕光纤的端面处于同一水平面上；采用上述结构，光纤抵靠的这两处等高，可以使得夹持平台与转动轮之延伸的光纤更加的平直，在探针驱动转动轮转动过程，可以将脉搏波动转化为光纤径向应力变化，使测量结果精准度提高，减少信噪比。
更进一步的，所述的探针的尾端为圆球状；采用该结构，可以使得探针与人体皮肤接触过程更加的舒适，避免探针对人体皮肤的刺激。
进一步的，所述的探针位于转动轮的转动轴的左侧或者右侧，且所述的扭簧的扭矩与探针驱动转动轮的扭转方向相反；采用上述结构，探针的位置可以保证在与脉搏波接触过程始终可以使得扭簧作用，而且扭矩相反的设置可以使得扭簧通过转动轮驱动探针对脉搏检测位点进行按压。
进一步的，本申请所述的光纤半缠绕于所述的凹槽内，且光纤两端的延伸方向呈垂直设置；采用该结构，不需要光纤多股缠绕于转动轮上，降低光纤使用长度，光纤使用过程中的折损率减少，可节省成本；而且光纤延伸的两端呈垂直设置，能够进一步保证光纤布拉格光栅轴向与转动轮应力变化的方向一致，提高整体装置检测的灵敏度。
进一步的，本申请所述的扭簧和探针分设于转动轮轴向方向的两侧；采用该结构，探针和扭簧可以彼此独立运行，互不干扰。
进一步的，本申请所述的转动轮轴向设置有键槽，对应的所述的转动轴上也设置有键槽，所述的键槽内插接有连接键；采用上述结构，通过连接键和键槽，将转动轮与转动轴之间连接。
本申请还提供一种上述放大装置在可穿戴监测设备中的应用。
附图说明
图1本申请放大装置第一角度的结构示意图。
图2本申请放大装置第二角度结的构示意图。
图3本申请放大装置第三角度的结构示意图。
图4本申请放大装置扭簧与转动轮配合可见的结构示意图。
图5本申请放大装置去除转动轮后的结构示意图。
图6本申请放大装置键槽可见的结构示意图。
图7本申请放大装置剖视图的结构示意图。
图8本申请转动轮的轴侧图的结构示意图。
如附图所示：1.支撑支架，2.转动轮，201.凹槽，202.连接点位，3.转动轴，4.光纤布拉格光栅，5.光纤，6.夹持平台，7.探针，8.扭簧，9.键槽，10.连接键。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是优选实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围；
此外要说明的是：当部件被称为“固定于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者也可以存在另一中间部件，通过中间部件固定。当一个部件被认为是“连接”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在另一中间部件。当一个部件被认为是“设置于”另一个部件，它可以是直接设置在另一个部件上或者可能同时存在另一中间部件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如附图1-7所示，为本申请的一种用于布拉格光栅光纤测量动脉脉搏波的放大装置，该装置包括支撑支架1，架设于支撑支架1上的转动轮2，所述的转动轮2与支撑支架1之间设置有转动轴3，所述的转动轴3能带动所述的转动轮2周向转动；所述的转动轮沿周向缠绕有含有光纤布拉格光栅4的光纤5，所述的光纤5的一端固定于夹持平台6、另一端拉紧延伸；所述的转动轮2上设置有探针7，所述的探针7的一端连接于转动轮2(探针与转动轮的连接端能相对转动轮转动、二者不是不能相对转动的固定连接，相对转动连接以使得转动轮在转动过程不会带动探针跟随一起周向转动，从而可以使得探针始终处于垂直状态)上、另一端用于与待测脉搏点位(人体的脉搏点位)抵靠接触，所述的转动轮2与支撑支架1之间还设置有扭簧(扭转弹簧)8，所述的扭簧8用于驱动转动轮2转动后的复位。
采用上述结构，在进行脉搏监测时，首先抬起探针，将探针压于桡动脉，此时在脉搏跳动力作用下可以驱动转动轮周向转动，而扭转弹簧此时提供反向扭矩为探针提供下压力使得探针能够跟随脉搏波上下波动，脉搏波动带动探针上下微小运动从而带动转动轮来回转动，转动轮转动过程由于是周向运行因此在光栅处体现为径向的应力变化，从而实现脉搏监测；而布拉格光栅光纤传感器对于震动的传感是通过外部的震动引起光栅间距的变化，从而影响透射波谱/反射波谱中心波长的移动来实现的，因而相同的外部震动若引起轴向(布拉格光栅光纤传感器)应变越大，则对测量到的信号越明显，而本申请这种结构将传统的脉搏跳动与光纤轴向垂直转换成脉搏跳动与光纤轴向平行的方式，提高了轴向应变效果，从而实现了信号放大的效果，提高检测的灵敏度。
如附图1-4所示，本申请所述的转动轮2沿着周向设置有径向向内的凹槽201，所述的光纤5缠绕于所述的凹槽201内(凹槽的缝隙宽度与光纤的直径适配，避免光纤在凹槽内移位；凹槽的深度可以大于光纤的直径，使得光纤完全凹陷于凹槽内，避免受到外界的损伤)；采用上述结构，本申请可以将光纤设置于凹槽内，可以提高光纤与转动轮之间连接的牢固度，在转动轮工作过程保证应力传递的稳定性。
作为示例，本申请所述的转动轮2沿着径向至少设置有两个探针7的连接点位202(连接点位可以是设置于转动轮上的调心球轴承，既可以用于探针的固定支撑，还可以相对转动轮转动，使得探针始终保持竖向垂直状态，与待测点位有稳定的抵靠)；采用上述结构，可以根据检测的环境调整探针与转动轮中心之间的距离，可以满足不同体型人体的脉搏检测。
作为示例如附图1、4和6所示，本申请所述的转动轮2沿着径向设置有三个探针7的连接点位202，且三个连接点位202沿着同一径向方向向外顺次延伸设置(沿着径向在同一直线上)；采用该结构，可以进一步增加可调整的点位数量，提高适应性。
作为示例，本申请所述的转动轮2的直径为5-12cm；优选的可以采用10cm的直径，本申请的探针长度与转动轮适配，并且不妨碍不同体型人体的脉搏检测。
作为示例，本申请所述的探针7的连接点位202距离转动轮2的中心点间的距离与转动轮2的半径之比为K，所述的K＝1/1，1/2或者1/3；作为优选实施例，本申请的连接点位202距离转动轮2的中心点间的距离与转动轮2的半径之比为K＝1/1，即探针连接于最外侧的连接点位上。
如附图1-2所示，本申请所述的光纤布拉格光栅4可蚀刻(或者光刻)于夹持平台6与转动轮2之间水平延伸的光纤5上(即位于夹持平台与转动轮之间的光纤上)；采用该结构，在探针被脉搏跳动驱动带动转动轮周向转动过程，可以始终保持光纤布拉格光栅轴向与转动轮应力变化的方向一致，提高整体装置检测的灵敏度。
如附图1-2所示，本申请所述的夹持平台6固定光纤5的上端面与所述的转动轮2缠绕光纤5的端面(即转动轮最下端的凹槽底部)处于同一水平面上；采用上述结构，光纤抵靠的这两处等高，可以使得夹持平台与转动轮之延伸的光纤更加的平直，在探针驱动转动轮转动过程，可以将脉搏波动转化为光纤径向应力变化，使测量结果精准度提高，减少信噪比；如附图1-2所示，本申请的夹持平台用于夹持光纤的上端面上也设置有凹槽，所述的光纤设置于该凹槽内，然后通过粘结剂或者其他能够固定光纤的物质于该端面上，实现光纤该端的固定。
如附图4所示，本申请所述的探针7的尾端为圆球状(即不是尖锐的尖端结构，而是一个球形结构)；采用该结构，可以使得探针与人体皮肤接触过程更加的舒适，避免探针对人体皮肤的刺激。
如附图1、4和6所示，本申请所述的探针7位于转动轮2的转动轴3的左侧或者右侧(即探针与转动轮的连接点位不是在转动轴的正下方，是轴向偏离转动轴的；或者所述的探针7与转动轮2的连接点位202与转动轴径向方向的连线不是竖向垂直线)，且所述的扭簧8的扭矩与探针7驱动转动轮2的扭转方向相反；采用上述结构，探针的位置可以保证在与脉搏波接触过程始终可以使得扭簧作用，而且扭矩相反的设置可以使得扭簧通过转动轮驱动探针对脉搏检测位点进行按压和转动轮的复位。
如附图1-6所示，本申请所述的光纤5半缠绕于所述的凹槽201内，且光纤5两端的延伸方向呈垂直设置；采用该结构，不需要光纤多股缠绕于转动轮上，不会采用大量的光纤、节省了成本；而且光纤延伸的两端呈垂直设置，能够进一步保证光纤布拉格光栅轴向与转动轮应力变化的方向一致，提高整体装置检测的灵敏度。
如附图5-7所示，本申请所述的转动轮2轴向设置的键槽9，对应的所述的转动轴上也设置有键槽9，所述的键槽9内插接有连接键10；采用上述结构，通过连接键和键槽，将转动轮与转动轴之间连接，使得二者可以周向同步转动；本申请的转动轴的两端与支架之间通过轴承(如深沟球轴承等)连接，可以实现转动轮相对支架的周向转动。
本申请还提供一种上述放大装置在可穿戴监测设备中的应用，用于更加准确、灵敏的检测脉搏波。
本申请的布拉格光栅光纤即光纤布拉格光栅(FBG)通过本领域常规的蚀刻或者光刻工艺形成于光纤上，且光纤布拉格光栅(FBG)为本领域常规的FBG传感器结构，能实现脉搏波的感应传感即可应用于本申请的结构中；本申请主要是通过上述这种特定的放大装置，实现信号的放大，使得检测的更加准确。
本申请的放大装置具体的工作原理和过程如下：将探针安装在转动轮上，转动轮与转动轴之间通过连接键和键槽进行连接，扭转弹簧一端与转动轮(转动轮轴向外端面设置供扭簧一端插接的连接槽位)连接，另一端与支撑支架(支撑支架的内端面上也设置有扭簧另一端插接的连接槽位)连接；将光纤缠绕在转动轮的凹槽内，下端延长并通过外置的夹持平台固定，光纤布拉格光栅(FBG)可蚀刻或者光刻于平台与转动轮之间延伸的水平光纤处，光纤另一端牵引固定至连接结构上(能固定光纤的结构均可)；在进行脉搏监测时，首先抬起探针，将探针的下端压于桡动脉处，脉搏波动通过探针带动转动轮转动、由于转动轮转动使得扭转弹簧受到扭转，扭簧对转动轮施以反向扭矩，使探针向下施加正压力，以贴合皮肤，探测动脉搏动；脉搏波动带动探针上下微小运动从而带动转动轮转动，转动轮转动在光纤布拉格光栅处体现为径向应力变化，从而监测脉搏；将光纤一段固定于夹持平台，确保刻有光栅处光纤略微紧绷；脉搏扩张时，推动探针竖直向上运动，转动轮将此种平动转换成转动，转动轮转动对切线方向的光纤产生拉伸应力，布拉格光栅接收应力变化产生信号；脉搏回位时，探针在扭转弹簧的作用下回落，转动轮同时回位，对光纤的应力消失，布拉格光栅完整接收一个脉搏周期变化。
本申请的上述放大装置，是基于如下原理设置而成：布拉格光栅光纤传感器对于震动的传感，依据外部的震动会引起光栅间距的变化，从而影响透射波谱/反射波谱中心波长的移动；因而相同的外部震动若引起轴向应变越大，则对测量到的信号越明显；本申请的放大装置与现有技术的放大装置对比如下(具体见附图8)：参考量及参数说明：石英(光纤)泊松比ν＝0.15-0.19，杨氏模量72GPa，探测段光纤质量m，转动轮的直径R，探针安装位置距离圆心位置L，探针安装点为径向最外侧连接点位A，转动轮的圆心为O，光纤缠绕进入点为B，角加速度为α，径向单位向量以er表示，轴向单位向量以eθ表示(逆时针为正)，摩擦忽略，脉搏提供向上加速度a，力F0，位移D；
(1)光纤与脉搏振动方向相互垂直时，轴向受压使径向产生拉伸，以泊松比相反数代替位移比(即光纤沿轴向位移与脉搏处震动位移之比)
εr＝-vε0
Figure BDA0004093312370000081
(2)本申请中，若转动小角度θ，A点脉搏位移θ×L，B点位移θ×R，光纤拉伸产生位移，对比原始脉搏位移：
Figure BDA0004093312370000082
K＝1/1，1/2，1/3。
此即本申请上述K取值的倒数，因此无论取何值，均远大于现有技术测量方法的比值，因而本申请的这种放大装置的结构，可以增大相同脉搏震动幅度下传感器中心波长位移的响应。
现阶段对信号分析有影响的噪声来源有二：一是环境、肌肉震动等引起的低频噪声，二是仪器本身的内部噪声(引起中心波长的随机微小偏移)。由于光纤布拉格光栅是通过应变变化检测外部震动的，在现有技术将光纤直接贴于皮肤表面采集脉搏信号时，脉搏震动垂直于光纤轴线，因而在传感器单元产生的应变较为微弱，不利于测量；由于本申请中光栅并未直接贴近皮肤，且传感器部分一端固定，外部环境引起的低频噪声的影响大大减弱；另一方面，通过改变震动的传导方向，使得脉搏信号的变化得以转化成为光纤沿轴向的应变变化，由于增大了传感器对于外部震动的响应，即相同脉搏震动幅度下传感器中心波长的位移增强，因而信号与内部噪声引起的位移的比值增大，从而也增加了信噪比。

Claims (10)

1.一种采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：该装置包括支撑支架，架设于支撑支架上的转动轮，所述的转动轮与支撑支架之间设置有转动轴，所述的转动轴能带动所述的转动轮周向转动；所述的转动轮沿周向缠绕有含有光纤布拉格光栅的光纤，所述的光纤的一端固定于夹持平台、另一端拉紧延伸；所述的转动轮上设置有探针，探针的一端连接于转动轮上、另一端用于与待测脉搏点位抵靠接触，所述的转动轮与支撑支架之间还设置有扭簧，所述的扭簧用于驱动转动轮转动后的复位。
2.根据权利要求1所述的采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：所述的转动轮沿着周向设置有径向向内的凹槽，所述的光纤缠绕于所述的凹槽内。
3.根据权利要求1所述的采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：所述的转动轮沿着径向至少设置有两个探针的连接点位。
4.根据权利要求3所述的采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：所述的转动轮沿着径向设置有三个探针的连接点位，且三个连接点位沿着同一径向方向向外顺次延伸设置。
5.根据权利要求1所述的采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：所述的转动轮的直径为5-12cm；所述的探针连接点位距离转动轮中心点间的距离与转动轮的半径之比为K，所述的K＝1/1，1/2或者1/3。
6.根据权利要求1所述的采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：所述的光纤布拉格光栅光刻于夹持平台与转动轮之间水平延伸的光纤上；所述的夹持平台固定光纤的上端面与所述的转动轮缠绕光纤的端面处于同一水平面上。
7.根据权利要求1所述的采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：所述的探针的尾端为圆球状；所述的探针位于转动轮的转动轴的左侧或者右侧，且所述的扭簧的扭矩与探针驱动转动轮的扭转方向相反。
8.根据权利要求1所述的采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：所述的光纤半缠绕于所述的凹槽内，且光纤两端的延伸方向呈垂直设置。
9.根据权利要求1所述的采用布拉格光栅光纤在体表测量脉搏波的放大装置，其特征在于：所述的扭簧和探针分设于转动轮轴向方向的两侧；所述的转动轮轴向设置的键槽，对应的所述的转动轴上也设置有键槽，所述的键槽内插接有连接键；采用上述结构，通过连接键和键槽，将转动轮与转动轴之间连接。
10.一种权利要求1-9任一权利要求所述的放大装置在可穿戴监测设备中的应用。
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