基于光纤传感的脉搏波监测装置与方法转让专利
申请号 : CN202110119867.9
文献号 : CN112890796B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 李政颖 , 赵涛 , 黄龙庭 , 詹婧 , 陈可为
申请人 : 武汉理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于光纤传感的脉搏波监测装置,其特征在于:它包括激光光源(1)、光电转换模块(3)、数据处理模块(4)和平行布置的多个光纤传感组件(2),其中,每个光纤传感组件(2)均包括传感光纤(2.1)、振动敏感膜(2.2)和硬质压线(2.3),所述硬质压线(2.3)贴敷固定在振动敏感膜(2.2)上,传感光纤(2.1)绕制在振动敏感膜(2.2)上,硬质压线(2.3)位于传感光纤(2.1)与振动敏感膜(2.2)之间,光纤传感组件(2)的传感点位于传感光纤(2.1)与硬质压线(2.3)的交点处;
激光光源(1)用于向各个光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)输出激光信号,各个光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)在人体不同部位受血管中脉搏波引起的压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变,各个传感光纤(2.1)中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制;
光电转换模块(3)用于将各个传感光纤(2.1)输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征该处血管脉搏波的电信号;
数据处理模块(4)用于从表征脉搏波的电信号中提取出与各个传感光纤(2.1)物理位置相对应的血管不同位置的脉搏波信号,通过相邻光纤传感组件(2)的硬质压线(2.3)之间的距离与相邻光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速;
将多个光纤传感组件(2)并联起来,硬质压线(2.3)用于将脉搏引起的振动信号传递给传感光纤(2.1),所述多个光纤传感组件(2)垂直人体动脉血管方向平放,相邻光纤传感组件(2)之间由软质连接层(5)柔性连接;
相邻光纤传感组件(2)的间距范围为0.5~3cm,所述光纤传感组件(2)的宽度范围为1~5cm。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置,其特征在于:所述数据处理模块(4)用于通过脉搏波波速计算血压,并通过脉搏波的波形得到呼吸和心率。
3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置,其特征在于:所述激光光源(1)输出的激光信号为相干光源激光信号。
4.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置,其特征在于:所述平行布置的多个光纤传感组件(2)设置于床垫、坐垫或衣物中。
5.根据权利要求1所述的基于光纤传感的脉搏波监测装置,其特征在于:所述平行布置的多个光纤传感组件(2)设置于可穿戴用品中。
6.一种利用权利要求1所述装置的脉搏波监测方法,其特征在于,它包括如下步骤:步骤1:激光光源(1)向各个光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)输出激光信号,各个光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)在人体不同部位受血管中脉搏波引起的压力变化而产生对应的光纤弯曲半径改变,各个传感光纤(2.1)中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制;
步骤2:光电转换模块(3)将各个传感光纤(2.1)输出的激光弯曲损耗的调制信号转换为表征该处血管脉搏波的电信号;
步骤3:数据处理模块(4)从表征脉搏波的电信号中提取出与各个传感光纤(2.1)物理位置相对应的血管不同位置的脉搏波信号,通过相邻光纤传感组件(2)的硬质压线(2.3)之间的距离与相邻光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速。
7.根据权利要求6所述的脉搏波监测方法,其特征在于:所述步骤3中,相邻光纤传感组件(2)的硬质压线(2.3)之间的距离除以相邻光纤传感组件(2)的传感光纤(2.1)接收到脉搏波信号的时间差得到脉搏波波速。
8.根据权利要求6所述的脉搏波监测方法,其特征在于:所述步骤3后还包括步骤4,数据处理模块(4)将每个光纤传感组件(2)测得的脉搏波信号在时间上同步,并将每个光纤传感组件(2)测得的脉搏波信号在按对应光纤传感组件(2)的位置顺序在空间上排列出来,从而还原出脉搏波的在血管中传播的变化过程。
说明书 :
基于光纤传感的脉搏波监测装置与方法
技术领域
背景技术
出任何的明显症状,但血压、血流、血管阻力、血管弹性等一系列反映心血管的参数实际上
已经开始发生了变化,并首先反应在脉搏波的变化中。因此,脉搏波信息的量化对心血管疾
病具有重要的参考价值。如果能及时的检测出这些参数的变化,并对其特征进行分析,就可
能早期诊断出高血压和动脉硬化等心血管病的潜在危险因素,为心血管疾病的预防和治疗
争取到宝贵的时间,从而可以有效的控制心血管病的发病率和死亡率。脉搏波无创检测方
法,有助于全面维护心血管健康,为心血管系统疾病的早发现、旱预防、早治疗提供重要医
疗手段;其次,可以简化临床检测过程,降低检测成本,实现心血管疾病适时地健康普检,降
低心血管疾病的致死率和致残率。
扰;光电容积(PPG)通过测量血液浓度的方法检测脉搏波,但只能测指尖、耳垂等人体体表
组织透光好的部位。超声技术容易受背景噪声影响,且设备复杂,不适合日常应用。当前,几
乎所有的无创脉搏波检测技术大都只能检测人体相距较远的多点的脉搏波,只能测出平均
脉搏波速,无法体现出脉搏波形演进的特点和脉搏波速随人体不同区域的变化规律,在实
际应用中受到了很大限制。
发明内容
放,利用光纤传感组件对微振动敏感的特点,测量人体相邻不同部位的脉搏振动信号。
件均包括传感光纤、振动敏感膜和硬质压线,所述硬质压线贴敷固定在振动敏感膜上,传感
光纤绕制在振动敏感膜上,硬质压线位于传感光纤与振动敏感膜之间,光纤传感组件的传
感点位于传感光纤与硬质压线的交点处;
改变,各个传感光纤中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗原理而被调制;
光纤传感组件的传感光纤接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速。
通过光纤输出光强的解调即可还原出振动信号。脉搏波在血管中传播的过程中就是以微弱
振动的形式由近心端向远心端传递的,其中主干动脉血管中的脉搏波信号最强。通过测量
动脉横截面的振动信号,即可得到该处脉搏波信号。同时将一组传感光纤组件用于一段动
脉的测量,即可同时测量出不同位置的脉搏波信号。
品等日用品中。
附图说明
端。
具体实施方式
映出的脉搏波信息就越丰富),其中,每个光纤传感组件2均包括传感光纤2.1、振动敏感膜
2.2和硬质压线2.3,所述硬质压线2.3贴敷固定在振动敏感膜2.2上(硬质压线2.3的长度方
向与振动敏感膜2.2的长度方向相同),传感光纤2.1绕制在振动敏感膜2.2上,硬质压线2.3
位于传感光纤2.1与振动敏感膜2.2之间,光纤传感组件2的传感点位于传感光纤2.1与硬质
压线2.3的交点处;
纤弯曲半径改变,各个传感光纤2.1中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯曲损耗
原理而被调制;
离与相邻光纤传感组件2的传感光纤2.1接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速。
压线2.3处于传感光纤2.1与振动敏感膜2.2之间,传感点位于传感光纤2.1与硬质压线2.3
的交点处。将多个光纤传感组件2并联起来,如图4所示,就构成了脉搏波测量的结构。
曲,增强传感光纤的灵敏度。
量分辨率,就需要非常密集的点来做,也就意味着光纤传感组件必须在物理距离上足够近。
一般来说,健康人体的脉搏波速为10米/秒以内,但这对于测量来说算是很快的速度了,意
味着1厘米/毫秒,而且脉搏波在传播过程中波形会逐步发生变化,同时脉搏波还存在反射
波,对不同位置的波形影响很大。如果相邻组件相距比较远,就无法精细地比较相邻脉搏波
信号的相似度。反过来,如果相邻组件足够近,测量的两路脉搏波信号的演变就相对更清
晰,同时受脉搏反射波影响的变化也相当,这样就更能准确反映出相邻脉搏波的变化过程。
通过反复实验,人体躯干处的脉搏波传播超过10cm就很难从时域波形上判别脉搏波的时
延,也就无法准确计算出脉搏波速。考虑到光纤传感组件的固有宽度,相邻组件的间距不超
过3cm,那么两根相邻光纤之间的距离最多为8cm,还能满足从时域波形上判别相邻光纤段
的时延差,从而计算出脉搏波速。当然,从理论上来讲,相邻组件相距越短越好,但由于制造
工艺的限制和出于产品效益的考虑,设定了0.5~3cm的范围。
脉分叉处,此时的测量情况相对复杂,需要不同大小的光纤传感组件2进行结合,此时各个
光纤传感组件2可以大小不一致,
并联起来(如图4),就构成了脉搏波测量的结构。为了避免振动通过振动敏感膜等连接固体
传播造成传感信号的串扰,本发明将相邻的光纤传感组件2用软质连接层5阻隔开,如图4所
示,振动信号就无法从光纤传感组件2本身传播到相邻的组件,保证每个光纤传感组件2感
测的振动信号都是由人体的脉搏波引起的。
应的光纤弯曲半径改变,各个传感光纤2.1中传输的激光信号在弯曲部位处损耗并基于弯
曲损耗原理而被调制;
距离与相邻光纤传感组件2的传感光纤2.1接收到脉搏波信号的时间差计算出脉搏波波速;
列出来,从而还原出脉搏波的在血管中传播的变化过程,为后期健康筛查与疾病诊断提供
信息参考;
柔性连接材料连接,优选的,柔性连接材料选用纺织织物,各组件间距为1cm。
进行测量,测量区域为心脏偏下一侧,得到图6、图7所示的图谱。
的。
过实际距离和时延的简单计算即可得到脉搏波速,通过脉搏波速的变化可依据脉搏波速与
血压的相关性计算出血压值;此处可以计算出5个脉搏波速,比起长距离的平均脉搏波速,
本实施例给出的细化的脉搏波速更具有参考价值,而且还可计算出5个相应的血压值,可进
一步修正血压计算模型,从而得到更精准的血压值。同时,随着传播远离心脏,脉搏波信号
的轮廓正在慢慢演变,信号上的细节正在慢慢丢失,这为我们深入了解脉搏波和心跳信号
之间的关系提供了非常有价值的工具,也为心血管疾病的评估提供了一种新的方法。
而且,本发明为无接触式传感,可以嵌入到各种日常用品中,实现无感监测,为人们日常长
期的脉搏波实时监测提供了方法,具有很高的经济和社会价值。