CN116869500A - 一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统 - Google Patents
一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116869500A CN116869500A CN202311153520.1A CN202311153520A CN116869500A CN 116869500 A CN116869500 A CN 116869500A CN 202311153520 A CN202311153520 A CN 202311153520A CN 116869500 A CN116869500 A CN 116869500A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- blood pressure
- comb
- microcavity
- array
- frequency double
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 130
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 title claims abstract description 62
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 title abstract description 10
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 claims abstract description 21
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000009191 jumping Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 15
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 11
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 2
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 5
- 230000035487 diastolic blood pressure Effects 0.000 description 4
- 210000002321 radial artery Anatomy 0.000 description 4
- 230000035488 systolic blood pressure Effects 0.000 description 4
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 206010020772 Hypertension Diseases 0.000 description 2
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 206010002383 Angina Pectoris Diseases 0.000 description 1
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 208000029078 coronary artery disease Diseases 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 206010012601 diabetes mellitus Diseases 0.000 description 1
- 230000003205 diastolic effect Effects 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 208000010125 myocardial infarction Diseases 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 1
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
- A61B5/021—Measuring pressure in heart or blood vessels
- A61B5/02108—Measuring pressure in heart or blood vessels from analysis of pulse wave characteristics
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
- A61B2562/0233—Special features of optical sensors or probes classified in A61B5/00
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/04—Arrangements of multiple sensors of the same type
- A61B2562/046—Arrangements of multiple sensors of the same type in a matrix array
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Abstract
本申请实施例提供一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，涉及光学传感技术领域。光强度调制器的输入端分别与激光器、波形发生器连接，光强度调制器的输出端、偏振控制器、片上光学微腔阵列依次连接；光强度调制器基于电调制信号对单频光进行调制，获得光学频率双梳信号；光学频率双梳信号经过偏振控制器后进入片上光学微腔阵列，片上光学微腔阵列贴合待测动脉位置，片上光学微腔阵列包括多个传感单元，每个传感单元产生独立的一条脉搏信号，片上光学微腔阵列基于光学频率双梳信号和待测动脉位置的跳动挤压获得传感信号，信号处理机构基于传感信号获得血压值信息。该探测系统可以实现提高血压测量的精确性和便捷性的技术效果。
Description
技术领域
本申请涉及光学传感技术领域，具体而言，涉及一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统。
背景技术
血压是衡量人类健康程度的重要参数指标，因为高血压能够引起冠心病、心绞痛、心梗以及糖尿病等一系列疾病。而在高血压的治疗中，连续的血压监测数据有重要的指导意义。
现有技术中，血压的连续测量只有以插管为标准的有创测量方法才能实现，该方法使用压力计测量任何动脉部位的血压。其他常见方法如柯氏音法、示波法等血压测量在时间上是离散的，测量时间间隔较长，且需要充气袖带施加外力来辅助测量。而波速法测量血压需要在体表设立两个测量点，通过测量脉搏波在两个测量点的时间延迟代替传统血压测量的膨胀袖带进行无创和连续的血压估计。一般地，大多数使用波速法会在心脏和手腕处设立两处测量点，长距离的测量对位置稳定性及空间尺寸有较高要求。
光学传感的发展趋向是要求解调系统具有探测的实时性、复用数量大、高精度等，而这就相应地对用于传感系统的激光光源提出更高的要求：具有高的扫频速率、宽扫描范围、窄瞬时线宽等。所以目前传感的发展不仅受限于器件本身还极大受限于光源，光学频率梳是一种非常有前景的新型光源。而一般的光学频率梳采用的锁模激光器产生，这种方法的精度和速度有较大的缺陷，并且不能够灵活调节。此外，传统的双梳需要两个激光器，大大增加了系统的复杂度。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统及方法，可以实现提高血压测量的精确性和便捷性的技术效果。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，包括激光器、波形发生器、光强度调制器、偏振控制器、片上光学微腔阵列和信号处理机构；
所述光强度调制器的输入端分别与所述激光器、所述波形发生器连接，所述光强度调制器的输出端、所述偏振控制器、所述片上光学微腔阵列依次连接，所述激光器发出预设频率的单频光，所述波形发生器基于预设时域信号生成电调制信号，所述预设时域信号通过具有预设梳齿间隔及预设频率差值的两组频率梳齿信号经过傅里叶逆变换并叠加获得；
所述光强度调制器基于所述电调制信号对所述单频光进行调制，获得光学频率双梳信号；所述光学频率双梳信号经过所述偏振控制器后进入片上光学微腔阵列，所述片上光学微腔阵列贴合待测动脉位置，所述片上光学微腔阵列包括多个传感单元，每个所述传感单元产生独立的一条脉搏信号，所述片上光学微腔阵列基于所述光学频率双梳信号和所述待测动脉位置的跳动挤压获得传感信号，所述信号处理机构基于所述传感信号获得血压值信息。
在上述实现过程中，该基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统通过激光器、波形发生器、光强度调制器获得光学频率双梳信号，将片上光学微腔阵列贴合待测动脉位置，并将光学频率双梳信号输入至片上光学微腔阵列、在待测动脉位置的跳动挤压下获得传感信号，基于传感信号获得血压值信息；该基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统使用数字光频双梳作为光源，具有高带宽、高精度、高速可自由调节的优点，且通过使用阵列化光学微环可以在极短距离内测量两点的时间延迟，一方面提升了系统稳定性，另一方面节省了空间尺寸，更加便捷；从而，该基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统可以实现提高血压测量的精确性和便捷性的技术效果。
进一步地，所述信号处理机构包括掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器与所述片上光学微腔阵列连接。
在上述实现过程中，由于片上光学微腔阵列本身有一定损耗加上封装耦合的损耗，通过掺铒光纤放大器对信号进行放大。
进一步地，所述信号处理机构还包括相干接收机，所述相干接收机分别与所述掺铒光纤放大器、所述激光器连接。
进一步地，所述信号处理机构还包括示波器，所述示波器与所述相干接收机连接。
在上述实现过程中，放大过后的传感信号进入相干接收机，且激光器发出单频光时将分路的参考光发送至相干接收机，传感信号和参考光一同进入相干接收机进行解调，最后通过示波器采集频梳数据来还原脉搏波波形。
进一步地，所述传感信号满足以下关系：
；
其中，λ为所述片上光学微腔阵列的微环谐振腔的谐振波长，Δλ为谐振波长的变化量，Δl为波导形变量，l为原波导总长度，Δn为波导折射率变化量，n为原波导折射率。
进一步地，所述片上光学微腔阵列包括两个传感单元，每个传感单元产生一组传感信号，根据两组传感信号、以及两组传感信号的连续时间差基于波速法进行分析，获得血压值信息。
进一步地，所述待测动脉位置为桡动脉位置。
第二方面，本申请实施例提供了一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测方法，应用于第一方面任一项所述的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，所述探测方法包括：
通过激光器发出预设频率的单频光；
通过波形发生器基于预设时域信号生成电调制信号，所述预设时域信号通过具有预设梳齿间隔及预设频率差值的两组频率梳齿信号经过傅里叶逆变换并叠加获得；
基于所述电调制信号对所述单频光进行调制，获得光学频率双梳信号；
将所述光学频率双梳信号传输至片上光学微腔阵列，获得传感信号，所述片上光学微腔阵列贴合待测动脉位置；
根据所述传感信号获得待测动脉位置的血压值信息。
进一步地，在通过波形发生器基于预设时域信号生成电调制信号的步骤之前，所述方法还包括：
利用伪随机序列码生成梳齿间隔不同、且具有预设频率差值的两组频率梳齿；
通过快速傅里叶逆变换将所述两组频率梳齿转变为两组时域信号并叠加，获得预设时域信号。
进一步地，在根据所述传感信号获得待测动脉位置的血压值信息的步骤之后，所述方法还包括：
根据所述传感信号通过频梳监测频移的获得脉搏波波形信息。
本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的片上光学微腔阵列的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测方法的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测方法的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的两组频率梳齿的示意图；
图6为本申请实施例提供的频梳解调的原理示意图；
图7为本申请实施例提供的长时间稳定测量数据的示意图；
图8为本申请实施例提供的两组脉搏波时间差的示意图；
图9为本申请实施例提供的血压值信息-时间的探测示意图。
图标：激光器100；波形发生器200；光强度调制器300；偏振控制器400；片上光学微腔阵列500；传感单元510；光纤520；信号处理机构600；掺铒光纤放大器610；相干接收机620；示波器630。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，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本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分（具体的种类和构造可能相同也可能不同），并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
本申请实施例基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统及方法，可以应用于连续的血压监测中；该基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统通过激光器、波形发生器、光强度调制器获得光学频率双梳信号，将片上光学微腔阵列贴合待测动脉位置，并将光学频率双梳信号输入至片上光学微腔阵列、在待测动脉位置的跳动挤压下获得传感信号，基于传感信号获得血压值信息；该基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统使用数字光频双梳作为光源，具有高带宽、高精度、高速可自由调节的优点，且通过使用阵列化光学微环可以在极短距离内测量两点的时间延迟，一方面提升了系统稳定性，另一方面节省了空间尺寸，更加便捷；从而，该基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统可以实现提高血压测量的精确性和便捷性的技术效果。
近些年，随着片上光学工艺、光源技术及光信息处理的高速发展，使得用更灵敏、更高速的光学方法在生物医疗等领域实现更高质量的传感探测成为可能，光学微腔的高集成度、易于阵列化的特点与灵活度极高的数字光频梳相结合，相比于各种传统血压探测方法实现了一种更精确、更便捷的血压测量。
请参见图1和图2，图1为本申请实施例提供的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统的结构示意图，图2为本申请实施例提供的片上光学微腔阵列的结构示意图；该基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统包括激光器100、波形发生器200、光强度调制器300、偏振控制器400、片上光学微腔阵列500和信号处理机构600；
示例性地，光强度调制器300的输入端分别与激光器100、波形发生器200连接，光强度调制器300的输出端、偏振控制器400、片上光学微腔阵列500依次连接，激光器100发出预设频率的单频光，波形发生器200基于预设时域信号生成电调制信号，预设时域信号通过具有预设梳齿间隔及预设频率差值的两组频率梳齿信号经过傅里叶逆变换并叠加获得。
示例性地，光强度调制器300基于电调制信号对单频光进行调制，获得光学频率双梳信号；光学频率双梳信号经过偏振控制器400后进入片上光学微腔阵列500，片上光学微腔阵列500贴合待测动脉位置，片上光学微腔阵列500包括多个传感单元，每个传感单元产生独立的一条脉搏信号，片上光学微腔阵列500基于光学频率双梳信号和待测动脉位置的跳动挤压获得传感信号，信号处理机构600基于传感信号获得血压值信息。
示例性地，信号处理机构600包括掺铒光纤放大器610，掺铒光纤放大器610与片上光学微腔阵列500连接。
示例性地，由于片上光学微腔阵列500本身有一定损耗加上封装耦合的损耗，通过掺铒光纤放大器对信号进行放大。
示例性地，信号处理机构600还包括相干接收机620，相干接收机620分别与掺铒光纤放大器610、激光器100连接。
示例性地，信号处理机构600还包括示波器630，示波器与相干接收机620连接。
示例性地，放大过后的传感信号进入相干接收机620，且激光器100发出单频光时将分路的参考光发送至相干接收机620，传感信号和参考光一同进入相干接收机620进行解调，最后通过示波器630采集频梳数据来还原脉搏波波形。
示例性地，传感信号满足以下关系：
；
其中，λ为片上光学微腔阵列的微环谐振腔的谐振波长，Δλ为谐振波长的变化量，Δl为波导形变量，l为原波导总长度，Δn为波导折射率变化量，n为原波导折射率。
示例性地，片上光学微腔阵列500包括两个传感单元510，每个传感单元510产生一组传感信号，根据两组传感信号、以及两组传感信号的连续时间差基于波速法进行分析，获得血压值信息；可选地，片上光学微腔阵列500的两端分别连接对应的光纤520。
示例性地，待测动脉位置为桡动脉位置。
请参见图3，图3为本申请实施例提供的一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测方法的流程示意图，应用于图1和图2所示的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，探测方法包括如下步骤：
S100：通过激光器发出预设频率的单频光；
S200：通过波形发生器基于预设时域信号生成电调制信号，预设时域信号通过具有预设梳齿间隔及预设频率差值的两组频率梳齿信号经过傅里叶逆变换并叠加获得；
S300：基于电调制信号对单频光进行调制，获得光学频率双梳信号；
S400：将光学频率双梳信号传输至片上光学微腔阵列，获得传感信号，片上光学微腔阵列贴合待测动脉位置；
S500：根据传感信号获得待测动脉位置的血压值信息。
请参见图4，图4为本申请实施例提供的另一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测方法的流程示意图。
示例性地，在S200：通过波形发生器基于预设时域信号生成电调制信号的步骤之前，方法还包括：
S110：利用伪随机序列码生成梳齿间隔不同、且具有预设频率差值的两组频率梳齿；
S120：通过快速傅里叶逆变换将两组频率梳齿转变为两组时域信号并叠加，获得预设时域信号。
示例性地，在S500：根据传感信号获得待测动脉位置的血压值信息的步骤之后，方法还包括：
S600：根据传感信号通过频梳监测频移的获得脉搏波波形信息。
在一些实施方式中，本申请实施例提供的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，可以利用片上光学微腔阵列对桡动脉两处位置的脉搏波进行并行测量，由于一般的单波长激光器无法满足阵列化探测需求，引入一种高带宽、高精度、高速可自由调节的数字光频双梳进行探测与解调；通过对脉搏波信号的采集，提取较近两处不同位置的脉搏波时间延迟，结合时间差到血压的数学模型可以得到较为精确的收缩压和舒张压；从而， 该基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统改善了目前血压测量的间断不连续以及传统波速法的不稳定、便捷性差的问题。
在一些实施方式中，结合图1至图4，本申请提供的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测方法，具体工作过程示例如下：
通过激光器发出频率为f 0单频光，进入光强度调制器进行调制；
由电脑端利用伪随机序列码生成带宽为2GHz、梳齿间隔分别为3.920MHz、3.913MHz的两组的频率梳齿（频率差约为7kHz），如图5所示，图5为本申请实施例提供的两组频率梳齿的示意图；
示例性地，图5所示，为仿真频域上两组梳齿的频差递增的示意图；
通过快速傅里叶逆变换将两组频率梳齿（频域信号）均转变为时域信号并叠加、生成预设时域信号，随后将生成的预设时域信号的代码导入到60GS/s的信号发生器中，产生与代码一致的电信号，该电信号作为光强度调制器的调制信号对激光器分路出来的信号光进行调制；
经过光强度调制器后的光学频率双梳信号（光信号）在频域上就是一系列与之前设计一致的光学频率梳齿，双梳在解调端相互拍频，实现下变频降低的解调端带宽需求，提高了采样率，提升了脉膊探测的时间分辨率；
光学频率双梳信号进过偏振控制器后直接进入片上光学微腔阵列，阵列中的每个传感单元都可以产生独立的一条脉搏信号，片上光学微腔阵列顺着桡动脉的走势与之贴合，桡动脉跳动对片上光学微腔阵列产生挤压，片上光学微腔阵列的微腔受力发生形变，导致折射率改变，谐振峰发生漂移，根据微环谐振公式2πnR＝mλ可以推导出下式关系：
；
其中，λ为微环谐振腔的谐振波长，Δλ为谐振波长的变化量，Δl为波导形变量，l为原波导总长度，Δn为波导折射率变化量，n为原波导折射率；
通过频梳监测频移的方法还原脉搏波波形，如图6所示，图6为本申请实施例提供的频梳解调的原理示意图；
示例性地，图6所示，其纵坐标为采集的单帧双梳拍频后的频域图像，根据频域上的谐振峰凹陷读出这一时刻脉搏波的幅值信息（幅值强度与谐振峰偏移量对应），梳齿间隔为脉搏波的纵向分辨率；横坐标为连续长时间采样下的连续脉搏信息，每帧频谱图像的采样率即为脉搏波的横向分辨率。粗实线为还原的脉搏波信号；
因为片上光学微腔阵列的传感单元（以两个传感单元为例）放置位置有先后，且每一个传感单元产生一组传感信号、因此两组传感信号会有相应的时间差，基于波速法的原理对连续时间差进行分析，代入波速—血压模型公式，得到血压值；
由于芯片本身有一定损耗加上封装耦合的损耗，所以后续需要通过掺铒光纤放大器进行放大；放大过后的光信号与之前分路的参考光一同进入相干接收机进行解调，最后通过示波器采集频梳数据来还原波形，原理如图7和图8所示，图7为本申请实施例提供的长时间稳定测量数据的示意图，图8为本申请实施例提供的两组脉搏波时间差的示意图。
示例性地，脉搏波波速法是基于Moens–Korteweg方程给出了脉搏波波速PWV与血管动脉壁弹性模量Ein的关系，表达式为：
；
其中，h为动脉壁厚度，ρ为血液密度，r为动脉半径。血管动脉壁弹性模量E in与血压直接相关，关系式为：
；
其中，P即为平均血压（Mean Blood Pressure，MBP）；由于：
；
再结合Bramwell–Hill公式可以进一步得到收缩压（Systolic Blood Pressure，SBP）和舒张压（Diastolic Blood Pressure，DBP）的值：
；
；
其中，PTT为传播时间，A为个体特异性差异可以通过大量数据分析获得的经验均值，SBP0、DBP0、PTT0分别为收缩压、舒张压、传播时间预设初始值，也可以与其他初始值一同标定。至此，只要通过频梳法将每次两点之间的时间差识别出来，即可实现血压的连续无创测量，图9展示了每隔1小时的10s内血压平均值。
在一些实施场景中，通过实际实验发现，本申请实施例的片上光学微腔结合数字光频双梳系统能够对脉搏实现精确探测，能够准确识别脉搏波的主波、重搏波和降中峡等特征参数点以及两组数据的时间延迟。数字光频梳系统的使用，使阵列化脉搏探测更为便捷。同时通过上述公式的推导，可以得到准确的脉搏收缩压和舒张压，是一种更加准确便捷的光学阵列化血压测量方法。
在本申请所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。
应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，其特征在于，包括激光器、波形发生器、光强度调制器、偏振控制器、片上光学微腔阵列和信号处理机构；
所述光强度调制器的输入端分别与所述激光器、所述波形发生器连接，所述光强度调制器的输出端、所述偏振控制器、所述片上光学微腔阵列依次连接，所述激光器发出预设频率的单频光，所述波形发生器基于预设时域信号生成电调制信号，所述预设时域信号通过具有预设梳齿间隔及预设频率差值的两组频率梳齿信号经过傅里叶逆变换并叠加获得；
所述光强度调制器基于所述电调制信号对所述单频光进行调制，获得光学频率双梳信号；所述光学频率双梳信号经过所述偏振控制器后进入片上光学微腔阵列，所述片上光学微腔阵列贴合待测动脉位置，所述片上光学微腔阵列包括多个传感单元，每个所述传感单元产生独立的一条脉搏信号，所述片上光学微腔阵列基于所述光学频率双梳信号和所述待测动脉位置的跳动挤压获得传感信号，所述信号处理机构基于所述传感信号获得血压值信息。
2.根据权利要求1所述的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，其特征在于，所述信号处理机构包括掺铒光纤放大器，所述掺铒光纤放大器与所述片上光学微腔阵列连接。
3.根据权利要求2所述的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，其特征在于，所述信号处理机构还包括相干接收机，所述相干接收机分别与所述掺铒光纤放大器、所述激光器连接。
4.根据权利要求3所述的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，其特征在于，所述信号处理机构还包括示波器，所述示波器与所述相干接收机连接。
5.根据权利要求1所述的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，其特征在于，所述传感信号满足以下关系：
；
其中，λ为所述片上光学微腔阵列的微环谐振腔的谐振波长，Δλ为谐振波长的变化量，Δl为波导形变量，l为原波导总长度，Δn为波导折射率变化量，n为原波导折射率。
6.根据权利要求1或5所述的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，其特征在于，所述片上光学微腔阵列包括两个传感单元，每个传感单元产生一组传感信号，根据两组传感信号、以及两组传感信号的连续时间差基于波速法进行分析，获得血压值信息。
7.根据权利要求1所述的基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统，其特征在于，所述待测动脉位置为桡动脉位置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311153520.1A CN116869500A (zh) | 2023-09-08 | 2023-09-08 | 一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311153520.1A CN116869500A (zh) | 2023-09-08 | 2023-09-08 | 一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116869500A true CN116869500A (zh) | 2023-10-13 |
Family
ID=88268516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311153520.1A Pending CN116869500A (zh) | 2023-09-08 | 2023-09-08 | 一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116869500A (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103560769A (zh) * | 2013-11-04 | 2014-02-05 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种任意波形发生器及任意波形产生方法 |
| CN111721839A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-09-29 | 中山大学 | 一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法 |
| CN112485222A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-03-12 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法 |
| CN114509097A (zh) * | 2022-01-05 | 2022-05-17 | 华中科技大学 | 一种基于光频梳和捷变频的快速布里渊光学时域分析仪 |
| KR20220085321A (ko) * | 2020-12-15 | 2022-06-22 | 이민희 | 비침습 3d 혈액 영상 및 성분 분석 장치 |
| CN114755216A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-07-15 | 中山大学 | 基于双光频梳的相干反斯托克斯拉曼光谱测量系统及方法 |
| CN114899688A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-08-12 | 西北大学 | 一种偏振复用双光频梳的产生装置及产生方法 |
| CN115316966A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-11-11 | 中山大学 | 一种基于片上光学微腔的血压探测装置及方法 |
| WO2023095171A1 (en) * | 2021-11-26 | 2023-06-01 | Bluesemi Research & Development Private Limited | Non-invasive sensor fusion and ai technology for human vital measurement |
-
2023
- 2023-09-08 CN CN202311153520.1A patent/CN116869500A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103560769A (zh) * | 2013-11-04 | 2014-02-05 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种任意波形发生器及任意波形产生方法 |
| CN111721839A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-09-29 | 中山大学 | 一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法 |
| CN112485222A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-03-12 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种高集成超高分辨率中红外双光梳光谱测量装置与方法 |
| KR20220085321A (ko) * | 2020-12-15 | 2022-06-22 | 이민희 | 비침습 3d 혈액 영상 및 성분 분석 장치 |
| WO2023095171A1 (en) * | 2021-11-26 | 2023-06-01 | Bluesemi Research & Development Private Limited | Non-invasive sensor fusion and ai technology for human vital measurement |
| CN114509097A (zh) * | 2022-01-05 | 2022-05-17 | 华中科技大学 | 一种基于光频梳和捷变频的快速布里渊光学时域分析仪 |
| CN114755216A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-07-15 | 中山大学 | 基于双光频梳的相干反斯托克斯拉曼光谱测量系统及方法 |
| CN114899688A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-08-12 | 西北大学 | 一种偏振复用双光频梳的产生装置及产生方法 |
| CN115316966A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-11-11 | 中山大学 | 一种基于片上光学微腔的血压探测装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| AKIKO NISHIYAMA 等: "《High-Sensitivity Doppler-Free Optical-Optical Double-Resonance Dual-Comb Spectroscopy》", 《2018 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS (CLEO)》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Diaphragm‐based optical fiber sensor for pulse wave monitoring and cardiovascular diseases diagnosis | |
| CN104027108A (zh) | 一种新型光学心电、脉搏综合检测装置 | |
| RU2498768C2 (ru) | Устройство и способ для определения физиологического параметра | |
| JP3824377B2 (ja) | 血中成分の無血診断のための最適診断点検索方法、血中成分の濃度算出方法及び無血診断器 | |
| CN101732040B (zh) | 一种无创多路脉搏波检测方法 | |
| EP2296539B1 (en) | Method for estimating a central pressure waveform obtained with a blood pressure cuff | |
| US20110021927A1 (en) | Blood pressure measurement apparatus, recording medium on which blood pressure derivation program is recorded, and method for deriving blood pressure | |
| CN106264504A (zh) | 基于手指动脉波的无创血压检测系统及方法 | |
| US20100286497A1 (en) | Method and Apparatus for Determining One or More Blood Parameters From Analog Electrical Signals | |
| Leitão et al. | Optical fiber sensors for central arterial pressure monitoring | |
| CN111166306A (zh) | 生理信号采集方法及计算机设备、存储介质 | |
| JP7235120B2 (ja) | 血圧計 | |
| Sirkis et al. | Fiber sensor for non-contact estimation of vital bio-signs | |
| Liang et al. | Wearable and multifunctional self-mixing microfiber sensor for human health monitoring | |
| Samartkit et al. | Validation of fiber optic-based Fabry–Perot interferometer for simultaneous heart rate and pulse pressure measurements | |
| CN116869500A (zh) | 一种基于数字光频双梳的阵列化微腔血压探测系统 | |
| CN116182916B (zh) | 一种宽带相位调制处理的光子传感系统 | |
| CN108937850B (zh) | 一种集成光纤传感在体多参量测量的oct成像系统 | |
| RU2393759C1 (ru) | Способ неинвазивной пульсовой диагностики сердечной деятельности пациента и измерения скорости пульсовой волны и устройство для реализации этого способа | |
| CN115316966A (zh) | 一种基于片上光学微腔的血压探测装置及方法 | |
| CN113566862B (zh) | 一种基于压缩感知原理的光纤白光干涉解调方法及系统 | |
| JP2000023947A (ja) | 生体光計測方法 | |
| US10779755B2 (en) | Non-invasive blood sugar measurement method and device using optical reflectometry | |
| US11109780B2 (en) | ECG-based glucose monitoring system | |
| CN114081483A (zh) | 一种基于深度学习扩散相关光谱的组织血流和血氧饱和度测量方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |