[发明专利]一种可穿戴的光纤实时心率监测装置

说明书

技术领域

本发明属于无创生理信号监测技术领域，具体涉及一种可穿戴的光纤实时心率监测装置。

背景技术

基于医疗织物的无创生理信号监测是健康监控的重要手段之一，可以实时评估患者的身体状况。目前，生理监视器的市场日趋广阔，穿戴更加舒适，操作更加便捷，智能化程度更高的产品不断涌现。

光纤本身易于和织物结合，能够将检测和信号传输合为一体，本身材料无毒无害，抗汗水侵蚀，不产生也不吸收电磁干扰，材质柔软，不会引起过敏，这些优点都是可穿戴设备所追求的。但是，光纤传感器件的重复性差，容易交叉干扰，导致其实用价值不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可穿戴的光纤实时心率监测装置，将适当大小和圈数的光纤环固定在手腕或胸口的织物上，将皮肤的颤动转化为光的相位变化，进一步将马赫-曾德干涉信号转化为电信号来处理，构成一种新颖的心率监测手段，穿戴非常方便舒适，成本低廉，可靠性高。

本发明通过以下技术方案实现：一种可穿戴的光纤实时心率监测装置，其特征在于：由激光二极管模块(1)，单模光纤(2)，Y型3dB耦合器(3)，光纤环(4)，光电二极管模块(5)，仪表放大器模块(6)，ADC模块(7)，微控与显示模块(8)组成；激光二极管模块(1)经单模光纤(2)与Y型3dB耦合器(3)的输入端相连；Y型3dB耦合器(3)的一个输出端与光纤环(4)相连，另一个输出端与光电二极管模块(5)相连；光电二极管模块(5)，仪表放大器模块(6)，ADC模块(7)，微控与显示模块(8)依次相连共同构成信号解调与显示系统。

所述的激光二极管模块(1)为红外激光光源，中心波长为1550nm，输出功率为30mW。

所述的光纤环(4)由单模光纤绕制，直径为2cm～3cm，圈数为5圈～10圈，圆心成直线排列且间距为3mm～5mm，尾纤端面镀有反射膜。

本发明的工作原理是：激光二极管模块(1)产生的激光经单模光纤(2)传输至Y型3dB耦合器(3)的输入端，Y型3dB耦合器(3)将入射光分为等强度的两束出射光，一路传感光传输至光纤环(4)，经端面反射返回Y型3dB耦合器(3)；另一路参考光向光电二极管模块(5)传输。

每一次心脏搏动，血液被压入动脉，血管壁带动附近的皮肤发生颤动。这种颤动能传递到手腕或胸口附近的织物上，造成光纤环(4)中各个环的形状、大小和相对位置发生变化，光纤曲率不同光在光纤内部传输的路径就不同，传感光的光程跟随心脏搏动发生周期性变化，因此传感光和参考光在Y型3dB耦合器(3)中发生马赫-曾德干涉。

光电二极管模块(5)将响应时间内的平均光强度转换为电压信号，经仪表放大器模块(6)将信号放大，ADC模块(7)将模拟信号转化为数字信号并与微控与显示模块(8)SPI通讯。微控与显示模块(8)的作用是通过卡尔曼滤波算法将信号平滑，配合包络算法提取心脏搏动造成的干涉条纹波动，计算信号的周期，最后将信号图像和实时心率显示在屏幕上。

本发明的有益效果是：首先，本发明使用的材料无毒无害，不受汗水侵蚀和磨损，材质柔软亲肤，不会引起过敏，也几乎感觉不到重量，穿戴十分舒适；其次，该设计结构简单，部件都是光通讯领域广泛使用的材料，故障率低，易于维护。因此，本发明具有穿戴舒适，易于生产，成本低廉的优点，是一种有推广潜力的可穿戴心率监测设备。

附图说明

图1是一种可穿戴的光纤实时心率监测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见附图1，一种可穿戴的光纤实时心率监测装置由激光二极管模块(1)，单模光纤(2)，Y型3dB耦合器(3)，光纤环(4)，光电二极管模块(5)，仪表放大器模块(6)，ADC模块(7)，微控与显示模块(8)组成；激光二极管模块(1)经单模光纤(2)与Y型3dB耦合器(3)的输入端相连；Y型3dB耦合器(3)的一个输出端与光纤环(4)相连，另一个输出端与光电二极管模块(5)相连；光电二极管模块(5)，仪表放大器模块(6)，ADC模块(7)，微控与显示模块(8)依次相连共同构成信号解调与显示系统。其中，激光二极管模块(1)为红外激光光源，中心波长为1550nm，输出功率为30mW；光纤环(4)由单模光纤绕制，直径为2cm～3cm，圈数为5圈～10圈，圆心成直线排列且间距为3mm～5mm，尾纤端面镀有反射膜。

理想条件下，光纤环(4)不受外力时，传感光与信号光的相位差恒定，马赫-曾德干涉条纹稳定，光电二极管模块(5)输出的电压信号是不为零的常数；当心脏搏动产生的皮肤颤动迫使光纤环(4)发生变形和移动时，传感光与信号光的相位差规律的变化，马赫-曾德干涉条纹跟随心跳发生多次漂移，此时输出的电压信号是若干毛刺组成的一个波包。通过卡尔曼滤波算法消除干扰信号后，包络算法提取波包的时间位置，相邻波包的时间间隔就是心跳的周期，从而计算出实时心率的大小。