CN217611079U - 一种基于光纤环形腔的bcg探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光纤环形腔的BCG探测装置，属于检测技术领域，解决了现有微弯光纤BCG传感器中的光源光功率波动会引入测量误差的问题。基于光纤环形腔的BCG探测装置包括：脉冲光源，与光纤环形腔的信号输入端连接；光纤环形腔，在信号输入端和信号输出端之间的第一光纤部分的下方铺设纤维网格结构构成微弯光纤传感器；以及光电探测器，与光纤环形腔的信号输出端连接以接收第二光脉冲信号并转换为电信号。在原有微弯光纤BCG传感器的基础上融入光纤环形腔，通过光纤环形腔的衰落时间获得BCG信号，从而抑制光源光功率波动导致的测量误差。

Description

一种基于光纤环形腔的BCG探测装置

技术领域

本实用新型涉及检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤环形腔的BCG探测装置。

背景技术

生命四大体征包括呼吸、脉搏、体温和血压，是标志生命活动存在与质量的重要征象，是评估身体的重要项目之一。目前生命体征传感技术有光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmo Graphy，PPG)、心电图(Electrocardiography，ECG)和心冲击图(Ballistocardiogram，BCG)等。PPG和ECG信号的监测大多采用皮肤接触式，BCG信号的监测大多采用非皮肤接触式。BCG是心脏搏动和动脉血流动导致的人体表面对外压力的微弱变化，是由心脏的机械活动引起的身体的运动，其规律与心脏周期同步，反映了心血管系统的信息。

感知BCG信号的方法主要有基于压电薄膜感知和基于光纤感知。对于压电薄膜BCG传感器，它易受外界环境干扰，不易实现。对于光纤BCG传感器，它具有灵敏度高、舒适性好和抗电磁干扰等优点。目前已报道的光纤BCG传感器有基于光纤光栅的BCG传感器、基于光纤干涉仪的BCG传感器和基于微弯光纤的BCG传感器。对于基于光纤光栅的BCG传感器，它受限于波长解调设备，不仅体积较大，而且价格昂贵；对于基于光纤干涉仪的BCG传感器，它受限于环境噪声引起参考臂相位漂移；对于基于微弯光纤的BCG传感器，它具有结构简单、成本低等优点，其结构如图1所示，当BCG信号作用在由光纤和网格结构组成的微弯光纤传感器上时，光电探测端的接收光强会随之变化，通过检测光强变化可获得BCG信号，进而获得生命体征信息，但是该系统中的光源光功率波动会引入测量误差。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种基于光纤环形腔的BCG探测装置，用以解决现有微弯光纤BCG传感器中的光源光功率波动会引入测量误差的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于光纤环形腔的BCG探测装置，包括：脉冲光源，与所述光纤环形腔的信号输入端连接；光纤环形腔，在所述信号输入端和信号输出端之间的第一光纤部分的下方铺设纤维网格结构构成微弯光纤传感器；以及光电探测器，与所述光纤环形腔的信号输出端连接以接收第二光脉冲信号并转换为电信号。

上述方案的有益效果如下：本实用新型在原有微弯光纤传感器的基础上融入光纤环形腔，利用光纤环形腔形成环形光路，使得脉冲光源生成的第一光脉冲信号能够在光纤环形腔中多次环行并不断衰减，相应地，代替通过直接检测光强变化获得BCG信号，通过光纤环形腔的衰落时间获得BCG信号，从而可抑制光源光功率波动导致的测量误差。

基于上述方案的进一步改进，所述光纤环形腔还包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和光纤环形腔的第二光纤部分，其中，所述第一光纤耦合器，用作所述信号输入端；所述第一光纤部分，与所述第一光纤耦合器的第一端和所述第二光纤耦合器的第一端连接；所述第二光纤部分，与所述第一光纤耦合器的第二端和所述第二光纤耦合器的第二端连接以构成封闭式的光纤环形腔；以及所述第二光纤耦合器，用作所述信号输出端。

基于上述方案的进一步改进，所述微弯光纤传感器还包括上部柔性外罩和下部柔性外罩，其中，所述上部柔性外罩，设置在所述第一光纤部分上方并与所述第一光纤部分的上表面接触；以及所述下部柔性外罩，设置在所述纤维网格结构下方并与所述纤维网格结构的下表面接触。

基于上述方案的进一步改进，所述光纤环形腔及所述上部柔性外罩和下部柔性外罩内置于日常用品内，其中，所述日常用品包括床垫、坐垫或枕头。

基于上述方案的进一步改进，人体通过所述上部柔性外罩或所述下部柔性外罩与所述光纤环形腔接触。

基于上述方案的进一步改进，所述上部柔性外罩和所述下部柔性外罩由硅胶制成。

基于上述方案的进一步改进，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器包括多模光纤耦合器、保偏光纤耦合器或单模光纤耦合器。

基于上述方案的进一步改进，所述第一光纤部分和所述第二光纤部分包括多模光纤、保偏光纤或单模光纤。

基于上述方案的进一步改进，基于光纤环形腔的BCG探测装置还包括数字信号处理电路和显示器，其中，所述数字信号处理电路，与所述光电探测器连接，以根据所述电信号获取BCG信号，进而获得生命体征信息；以及所述显示器，与所述数字信号处理电路连接，以显示所述生命体征信息，其中，所述生命体征信息包括心率和呼吸率。

基于上述方案的进一步改进，所述光纤环形腔的腔长为10至100米。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

1、本实用新型在原有微弯光纤BCG传感器的基础上融入光纤环形腔，利用光纤环形腔形成环形光路，使得脉冲光源生成的第一光脉冲信号能够在光纤环形腔中多次环行并不断衰减，相应地，代替通过直接检测光强变化获得BCG信号，通过光纤环形腔的衰落时间获得BCG信号，从而可抑制光源光功率波动导致的测量误差。

2、本实用新型微弯光纤传感器可置于普通床垫之下，能适用于长时间生命体征信息监测与特殊病人(如皮肤烧伤病人)生命体征信息监测，可记录、分析睡眠过程中的生命体征、睡眠质量，具有灵敏度高、舒适性好和抗电磁干扰等优点。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为传统的基于微弯光纤的BCG传感器的示意图。

图2为根据本实用新型实施例的基于光纤环形腔的BCG探测装置的结构示意图。

图3为根据本实用新型实施例的探测装置的光纤环形腔及输入输出信号的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的一个具体实施例，公开了一种基于光纤环形腔的BCG探测装置。参考图2，基于光纤环形腔的BCG探测装置包括：脉冲光源1，与光纤环形腔2的信号输入端连接；光纤环形腔2，在信号输入端和信号输出端之间的第一光纤部分(又称为传感光纤7)的下方铺设纤维网格结构12构成微弯光纤传感器；以及光电探测器3，与光纤环形腔的信号输出端连接以接收第二光脉冲信号并转换为电信号。

本实施例提供非皮肤接触式BCG信号的监测，例如光纤环形腔2及上部柔性外罩10和下部柔性外罩11可内置于床垫或坐垫中，在受试者躺下或坐着时获得心率和呼吸率等生命体征信息，从而适用于长时间监测与特殊病人(如皮肤烧伤病人)监测。

与现有技术相比，本实施例提供的基于光纤环形腔的BCG探测装置，在原有微弯光纤BCG传感器的基础上融入光纤环形腔，利用光纤环形腔形成环形光路，使得脉冲光源1生成的第一光脉冲信号能够在光纤环形腔中多次环行并不断衰减，相应地，代替通过直接检测光强变化获得BCG信号，通过光纤环形腔的衰落时间获得BCG信号，从而可抑制光源光功率波动导致的测量误差。

下文中，参考图2至图3，对根据本实用新型实施例的基于光纤环形腔的BCG探测装置进行详细描述。基于光纤环形腔2的探测装置包括：脉冲光源1、光纤环形腔2、光电探测器3、数字信号处理电路4和显示器。

脉冲光源1与光纤环形腔2的信号输入端连接。脉冲光源1用于生成第一光脉冲信号并输入光纤环形腔2。具体地，第一光脉冲信号的脉冲时间宽度小于光在光纤环形腔内环形一周所需要的时间，以避免光纤环形腔输出的前一圈光与后一圈光之间发生干涉。

光纤环形腔2在信号输入端和信号输出端之间的第一光纤部分7的下方铺设纤维网格结构12构成微弯光纤传感器。具体地，光纤环形腔2还包括第一光纤耦合器5、第二光纤耦合器6和光纤环形腔2的第二光纤部分8。第一光纤耦合器5用作信号输入端。第一光纤部分7与第一光纤耦合器5的第一端和第二光纤耦合器6的第一端连接。第二光纤部分8与第一光纤耦合器5的第二端和第二光纤耦合器6的第二端连接以构成封闭式的光纤环形腔2。第二光纤耦合器6用作信号输出端。

参考图2，基于光纤环形腔的BCG探测装置还包括上部柔性外罩10和下部柔性外罩11。上部柔性外罩10设置在第一光纤部分7上方并与第一光纤部分7的上表面接触。下部柔性外罩11设置在纤维网格结构12下方并与纤维网格结构12的下表面接触。人体通过上部柔性外罩10或下部柔性外罩11与光纤环形腔2接触。上部柔性外罩10和下部柔性外罩11由硅胶制成。第一光纤耦合器5和第二光纤耦合器6包括多模光纤耦合器、保偏光纤耦合器或单模光纤耦合器。第一光纤部分7和第二光纤部分8的材料可以不同。在优选实施例中，第一光纤部分7和第二光纤部分8的材料相同。第一光纤部分7和第二光纤部分8包括多模光纤、保偏光纤或单模光纤。例如，光纤环形腔的腔长为10至100米。

例如，脉冲光源在图3中示出为两个第一光脉冲信号，该两个第一光脉冲信号分别对应于从光纤环形腔2输出的两组第二光脉冲信号。第一光脉冲信号在输入光纤环形腔2后，在光纤环形腔2多次环行，并不断衰减。

光电探测器3与光纤环形腔的信号输出端连接以从信号接收端接收第二光脉冲信号并转换为电信号。具体地，光电探测器3的响应时间小于第一光脉冲信号的脉冲时间宽度，并且小于光在光纤环形腔内环形一周所需的时间。

数字信号处理电路4与光电探测器3连接，以根据电信号获取BCG信号，进而获得生命体征信息。具体地，数字信号处理电路4包括衰落时间检测模块和生命体征参数提取模块。衰落时间检测模块用于基于来自于光电探测器的电信号获取出光纤环形腔的衰落时间。生命体征参数提取模块用于基于光纤环形腔的衰落时间能够获取BCG信号，进而基于BCG信号提取生命体征信息，其中，通过光纤环形腔的衰落时间获取第一光纤部分的光传输损耗，BCG信号的强度与第一光纤部分的光传输损耗成正比。

显示器与数字信号处理电路4连接，以显示生命体征信息，其中，生命体征信息包括心率和呼吸率。在可选实施例中，数字信号处理电路4还包括显示器，用于显示生命体征信息。

下文中，以具体实例的方式，参考图2至图3，对根据本实用新型实施例的基于光纤环形腔的BCG探测装置进行详细描述。

通过检测光纤环形腔的衰落时间获得腔内光纤的光强损耗信息。一束占空比较小的脉冲激光通过第一光纤耦合器5进入光纤环形腔，由光纤环形腔的性质可知，脉冲激光将在环形腔内逆时针重复绕行；每绕行一圈，都有固定小比例光通过第二光纤耦合器6输出，另外大部分能量通过第一光纤耦合器5仍在环形腔中传输。当脉冲激光的脉冲时间宽度小于光在腔内环行一周所需的时间时，由于第一光纤部分7的传输损耗，光电探测器3接收到的信号强度呈指数衰减，强度衰减到初始强度1/e的所需时间称为光纤环形腔的衰落时间，该光纤环形腔的衰落时间表征了第一光纤部分7的光强损耗信息。因此，通过检测光纤环形腔的衰落时间可获得第一光纤部分7的光强损耗信息，进而获得BCG信号。

如图2所示，基于光纤环形腔的BCG探测装置包括：脉冲光源、光纤环形腔、光电探测器和数字信号处理电路；所述光纤环形腔由第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和传感光纤组成；传感光纤下铺设网格结构，网格由交织的纤维组成，传感光纤与网格结构组成微弯光纤传感器；传感光纤和网格结构两侧为柔性外罩，外罩由硅胶制成。

该装置中的器件的参数可以设置为：脉冲光源：波长为1550nm、1310nm或850nm，脉冲激光的脉冲时间宽度小于光在腔内环行一周所需的时间。例如：当腔长L＝50米、折射率n_e＝1.46时，光在腔内环行一周所需时间为0.24μs，则脉冲激光的脉冲时间宽度需小于0.24μs。

光纤环形腔：腔长为10～100米；由两个光纤耦合器和一段腔内光纤组成，光纤耦合器类型为单模光纤耦合器、保偏光纤耦合器或多模光纤耦合器；腔内传感光纤类型为多模光纤、保偏光纤或单模光纤；光纤耦合器可采用1×2的光纤耦合器或2×2的光纤耦合器，其中一端耦合输出强度在1％～10％。

光电探测器：采用APD探测器，其响应时间小于脉冲激光的脉冲时间宽度，且小于光在腔内环行一周所需时间。例如：当腔长L＝50米、折射率n_e＝1.46时，光在腔内环行一周所需时间为0.24μs，则光电探测器的响应时间需小于0.24μs。

数字信号处理电路：包括衰落时间检测模块和生命体征参数提取模块，衰落时间检测模块是用于检测光纤环形腔的衰落时间，过程为：针对入射光纤环形腔的一个光脉冲，采集并储存光纤环形腔第一次出射光的光强，之后对每次出射光的光强进行判断，当该光强小于第一次出射光强的1/e时，此时的时间间隔即判断为光纤环形腔的衰落时间。生命体征参数提取模块是用于提取心率和呼吸率等生命体征信息，过程为：针对成人的心率在0.50Hz和3.00Hz之间，呼吸率在0.16Hz和0.50Hz之间，使用带通滤波器抑制其他噪声，获取心率或呼吸率信息。

综上所述，本实用新型提出一种基于光纤环形腔的BCG探测装置。在原有微弯光纤BCG传感器的基础上融入光纤环形腔，利用光纤环形腔形成环形光路，使得脉冲光源生成的光脉冲信号能够在光纤环形腔中多次环行并不断衰减，相应地，代替通过直接检测光强变化获得BCG信号，通过光纤环形腔的衰落时间获得BCG信号(其中，通过光纤环形腔的衰落时间能够获得微弯光纤的光传输损耗信息，进而获得BCG信号)，从而可抑制光源光功率波动导致的测量误差。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中衰落时间检测模块和生命体征参数提取模块所涉及的程序/软件为现有技术常见的方法，如将现有数字信号处理电路中的方法在衰落时间检测模块和生命体征参数提取模块中运行即可，本实用新型不涉及任何软件方面的改进。本实用新型仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的连接关系进行连接即可，其中并不涉及任何程序软件方面的改进。而至于各个相应功能的硬件装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，包括：

脉冲光源，与所述光纤环形腔的信号输入端连接；

光纤环形腔，在所述信号输入端和信号输出端之间的第一光纤部分的下方铺设纤维网格结构构成微弯光纤传感器；以及

光电探测器，与所述光纤环形腔的信号输出端连接以接收第二光脉冲信号并转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，所述光纤环形腔还包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和光纤环形腔的第二光纤部分，其中，

所述第一光纤耦合器，用作所述信号输入端；

所述第一光纤部分，与所述第一光纤耦合器的第一端和所述第二光纤耦合器的第一端连接；

所述第二光纤部分，与所述第一光纤耦合器的第二端和所述第二光纤耦合器的第二端连接以构成封闭式的光纤环形腔；以及

所述第二光纤耦合器，用作所述信号输出端。

3.根据权利要求1所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，所述微弯光纤传感器还包括上部柔性外罩和下部柔性外罩，其中，

所述上部柔性外罩，设置在所述第一光纤部分上方并与所述第一光纤部分的上表面接触；以及

所述下部柔性外罩，设置在所述纤维网格结构下方并与所述纤维网格结构的下表面接触。

4.根据权利要求3所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，所述光纤环形腔及所述上部柔性外罩和下部柔性外罩内置于日常用品内，其中，所述日常用品包括床垫、坐垫或枕头。

5.根据权利要求3所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，人体通过所述上部柔性外罩或所述下部柔性外罩与所述光纤环形腔接触。

6.根据权利要求3所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，所述上部柔性外罩和所述下部柔性外罩由硅胶制成。

7.根据权利要求2所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器包括多模光纤耦合器、保偏光纤耦合器或单模光纤耦合器。

8.根据权利要求2所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，所述第一光纤部分和所述第二光纤部分包括多模光纤、保偏光纤或单模光纤。

9.根据权利要求1所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，还包括数字信号处理电路和显示器，其中，

所述数字信号处理电路，与所述光电探测器连接，以根据所述电信号获取BCG信号，进而获得生命体征信息；以及

所述显示器，与所述数字信号处理电路连接，以显示所述生命体征信息，其中，所述生命体征信息包括心率和呼吸率。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的基于光纤环形腔的BCG探测装置，其特征在于，所述光纤环形腔的腔长为10至100米。

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