[發(fā)明專利]用于生命體征監(jiān)測和呼吸與心率共提取的微彎曲光纖傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202080003003.4
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112512412A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙前程;梁子翀;郭文生
• 申請（專利權(quán)）人: 香港應(yīng)用科技研究院有限公司
• 主分類號: A61B5/0205
• 分類號: A61B5/0205
• 代理公司: 北京世峰知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11713
• 代理人: 卓霖;許向彤

光纖傳感器墊檢測到人在墊上的移動，該移動導(dǎo)致光纜發(fā)生微彎曲，該光纜被布置到墊內(nèi)的一對對稱的徑向環(huán)組中。在對稱的徑向環(huán)組對內(nèi)沒有交叉點或光纜重疊會導(dǎo)致光纖磨損和噪聲讀數(shù)。壓入網(wǎng)格的光纜的微彎曲調(diào)制接收的光強度，然后通過與多貝西dB5小波和縮放函數(shù)進(jìn)行卷積來分析光強度從而提取呼吸和心臟心沖擊圖(BCG)波形。重構(gòu)的4級細(xì)節(jié)波形作為提取的BCG輸出，而重構(gòu)的6級近似波形作為提取的呼吸波形輸出。呼吸率和心率及變化可以從提取的波形中生成。因此，使用dB5小波的整合的快速小波變換(FWT)生成呼吸率和心率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖傳感器，并且更具體地涉及從微彎曲光纖墊中提取呼吸率和心率。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)上，諸如心率之類的生命體征測量是通過附接到患者胸部的電極進(jìn)行的。最近，已經(jīng)在患者下方放置光纖墊(fiber-optic matt)，當(dāng)患者由于其呼吸而來回緩慢搖動時，可以通過墊中的光纖的光彎曲來確定患者的呼吸率。

干涉儀和相干光源(例如激光器)已被用于光纖墊，但是激光器和干涉儀會增加費用和復(fù)雜性。這樣的敏感設(shè)備可能對溫度敏感并且需要頻繁的重新校準(zhǔn)。

在適當(dāng)選擇光纖直徑的和網(wǎng)格幾何形狀的情況下，可以使用微彎曲，而不是宏彎曲。微彎曲可以消除諸如干涉儀之類的復(fù)雜光學(xué)器件，但它可能對與使光纜變形的網(wǎng)格層的未對準(zhǔn)敏感。這種未對準(zhǔn)會增加噪聲和不可靠性。

光纜的圖案可以降低未對準(zhǔn)敏感度。例如，蛇形圖案或許多圈環(huán)可以降低未對準(zhǔn)敏感度。但是，這樣的圈環(huán)可能會導(dǎo)致交叉點，在交叉點處，光纜在圈環(huán)閉合的地方與自身交叉。這些交叉點是不希望的，因為當(dāng)光纖反復(fù)地相互摩擦?xí)r，它們會由于反復(fù)的墊移動而磨損并損壞光纖。

為了提高靈敏度，可能需要許多圈環(huán)以增加墊中光纖圈環(huán)的密度。壓力點出現(xiàn)在光纖在交叉點交叉的位置。因此，墊中可能存在許多這樣的交叉點，從而增加了光纖磨損或故障的可能性。這些交叉點還可能將噪聲引入測量信號中，這些噪聲是由這些交叉點處的不均勻應(yīng)力引起的。尖峰、不連續(xù)性和非線性可能會從具有許多交叉點的墊被引入到測量信號中。

期望使用光纖墊來測量心跳和呼吸率。諸如FIR濾波器以及從時域到頻域的轉(zhuǎn)換之類的復(fù)雜信號處理已被用于分離心臟和呼吸信號。干涉儀或相干激光也可用于從單個光纖墊中提取心臟和呼吸率。

期望的是一種光纖墊，其減少交叉點的數(shù)量，同時仍然具有高的光纖密度。期望在光纖中使用非相干光，而無需諸如干涉儀的復(fù)雜光學(xué)器件。進(jìn)一步期望從由墊調(diào)制的光信號中提取呼吸率和心率。期望在時域中使用類似的快速小波變換(FWT)函數(shù)來提取心率和呼吸率。

附圖說明

圖1是心臟和呼吸率的光纖傳感器的簡化圖。

圖2更詳細(xì)地示出傳感器墊的組件。

圖3是傳感器墊的截面圖。

圖4是光纜的截面圖。

圖5是網(wǎng)格層的一部分的特寫俯視圖。

圖6示出光纖的一對對稱的徑向環(huán)組。

圖7更詳細(xì)地示出網(wǎng)格。

圖8是來自光接收器的原始數(shù)據(jù)的曲線圖。

圖9示出單個心跳的現(xiàn)有技術(shù)BCG波形。

圖10示出現(xiàn)有技術(shù)的多貝西(Daubechies)dB5小波函數(shù)。

圖11示出現(xiàn)有技術(shù)的多貝西dB5縮放函數(shù)。

圖12是從原始光纖數(shù)據(jù)中提取呼吸率和心率的整合過程的流程圖。

圖13是示出重構(gòu)呼吸波形和BCG波形的整合的多貝西小波過程的圖。

圖14示出由圖13的整合FWT過程生成的重構(gòu)細(xì)節(jié)波形。