[发明专利]用于生命体征监测和呼吸与心率共提取的微弯曲光纤传感器

说明书

光纤传感器垫检测到人在垫上的移动，该移动导致光缆发生微弯曲，该光缆被布置到垫内的一对对称的径向环组中。在对称的径向环组对内没有交叉点或光缆重叠会导致光纤磨损和噪声读数。压入网格的光缆的微弯曲调制接收的光强度，然后通过与多贝西dB5小波和缩放函数进行卷积来分析光强度从而提取呼吸和心脏心冲击图(BCG)波形。重构的4级细节波形作为提取的BCG输出，而重构的6级近似波形作为提取的呼吸波形输出。呼吸率和心率及变化可以从提取的波形中生成。因此，使用dB5小波的整合的快速小波变换(FWT)生成呼吸率和心率。

技术领域

本发明涉及光纤传感器，并且更具体地涉及从微弯曲光纤垫中提取呼吸率和心率。

背景技术

传统上，诸如心率之类的生命体征测量是通过附接到患者胸部的电极进行的。最近，已经在患者下方放置光纤垫(fiber-optic matt)，当患者由于其呼吸而来回缓慢摇动时，可以通过垫中的光纤的光弯曲来确定患者的呼吸率。

干涉仪和相干光源(例如激光器)已被用于光纤垫，但是激光器和干涉仪会增加费用和复杂性。这样的敏感设备可能对温度敏感并且需要频繁的重新校准。

在适当选择光纤直径的和网格几何形状的情况下，可以使用微弯曲，而不是宏弯曲。微弯曲可以消除诸如干涉仪之类的复杂光学器件，但它可能对与使光缆变形的网格层的未对准敏感。这种未对准会增加噪声和不可靠性。

光缆的图案可以降低未对准敏感度。例如，蛇形图案或许多圈环可以降低未对准敏感度。但是，这样的圈环可能会导致交叉点，在交叉点处，光缆在圈环闭合的地方与自身交叉。这些交叉点是不希望的，因为当光纤反复地相互摩擦时，它们会由于反复的垫移动而磨损并损坏光纤。

为了提高灵敏度，可能需要许多圈环以增加垫中光纤圈环的密度。压力点出现在光纤在交叉点交叉的位置。因此，垫中可能存在许多这样的交叉点，从而增加了光纤磨损或故障的可能性。这些交叉点还可能将噪声引入测量信号中，这些噪声是由这些交叉点处的不均匀应力引起的。尖峰、不连续性和非线性可能会从具有许多交叉点的垫被引入到测量信号中。

期望使用光纤垫来测量心跳和呼吸率。诸如FIR滤波器以及从时域到频域的转换之类的复杂信号处理已被用于分离心脏和呼吸信号。干涉仪或相干激光也可用于从单个光纤垫中提取心脏和呼吸率。

期望的是一种光纤垫，其减少交叉点的数量，同时仍然具有高的光纤密度。期望在光纤中使用非相干光，而无需诸如干涉仪的复杂光学器件。进一步期望从由垫调制的光信号中提取呼吸率和心率。期望在时域中使用类似的快速小波变换(FWT)函数来提取心率和呼吸率。

附图说明

图1是心脏和呼吸率的光纤传感器的简化图。

图2更详细地示出传感器垫的组件。

图3是传感器垫的截面图。

图4是光缆的截面图。

图5是网格层的一部分的特写俯视图。

图6示出光纤的一对对称的径向环组。

图7更详细地示出网格。

图8是来自光接收器的原始数据的曲线图。

图9示出单个心跳的现有技术BCG波形。

图10示出现有技术的多贝西(Daubechies)dB5小波函数。

图11示出现有技术的多贝西dB5缩放函数。

图12是从原始光纤数据中提取呼吸率和心率的整合过程的流程图。

图13是示出重构呼吸波形和BCG波形的整合的多贝西小波过程的图。

图14示出由图13的整合FWT过程生成的重构细节波形。