专利名称：生命特征检测装置和用于检测生命特征的方法
技术领域：
本发明通常涉及生命特征检测装置和用于检测生命特征的方法。
背景技术：
呼吸频率/心跳率/身体活动是在患者临床监测中使用的典型生命特征參数。心脏和肺部疾病通常都会影响到呼吸频率/心跳率。还可能期望得知卧床患者在特定时段中的身体活动。因此，监测这些生命特征參数会是医疗护理计划中的ー种有效诊断方法。通常使用电学传感器来监测这些參数。例如，US2007/0008156中使用了压电传感器。但是，人们已经认识到，电学传感器例如在区分浅呼吸和没有呼吸吋，不够敏感。此外， 电学传感器通常易受电磁干扰(EMI)的影响，在某些临床检查(例如磁共振成象(MRI)检查)中，电磁干扰可能是ー个很重要的问题。作为替代方案，已经开始研究使用光纤传感器。光纤传感器本身不受电磁干扰的诊ロ向并且小起化字作用。在“Optica丄 fiore sensors embedded into medical textiles for heathcare monitoring(植入用于健康护理监测的医用织品中的光纤传感器)”，IEEE Sensor J. 8 (7)，1215-1222，2008中，Grillet等人使用了宏弯传感器。该传感器是用于测量呼吸频率的带形单模光纤。虽然问诊(interrogation)比较简单、所需成本低且所需部件紧凑，但是宏弯传感器通常灵敏度较低，因此即便该传感器装入床中，通常也很难检测到胸壁在呼吸期间活动。光纤中宏弯与微弯之间的区别已经确定。由于光纤轴宏观地偏离直线，因此宏弯通常使光从光纤中泄漏出来。另ー方面，微弯通常是因为导致局部中断的光纤上的机械应力，这会使得光经由模式耦合从光纤纤芯泄漏到包层。在第6，498，652号美国专利中，虽然发现基于光学相位干涉测量的光纤传感器具有更高的灵敏度，但是使用的传感器系统较为复杂，导致成本増加，这会阻碍其实际实施。Grillet等人还测试了基于光纤布拉格光栅(FBG)的传感器和基于光时域反射仪(OTDR)的传感器，以用于測量呼吸频率。 但是，发现这两种传感系统太过复杂且非常昂贵。在“A smart bed for non-intrusive monitoring of patient physiological factors (用于患者生理參数的非插入监测的智能床)”，Meas. Sci. Technol. 15， 1614-1620,2004中，Spillman等人建议使用光纤光统计模式(STM)传感器和高阶模式激励(HOME)传感器，以测量呼吸频率/心跳。但是，已经发现这些传感器需要高度相干的光源及体积庞大的高阶模式发电机。在“Application of long period grating sensors to respiratory function monitoring(长周期光栅传感器在呼吸功能监测中的应用)”， Proc. SPIE，5588，148-156，2004中，Allsop等人使用基于长周期光栅的传感器，以监测呼吸频率。但是，他们发现这些系统太过复杂且非常昂贵。在“Monitoring of the Heartbeat Sounds using an Optical Fiber Bragg Grating Sensor(利用光纤光栅传感器监测心跳声)，，，IEEE Sensor conference, pp 306-309，2005 中，Gurkan 等人提出使用 FBG 传感器， 以测量心跳。已经发现虽然基于FBG传感器的系统具有较好的灵敏度，但是该系统的成本非常高。
因此，需要ー种生命特征检测装置和用于检测生命特征的方法，以解决至少ー个上述问题。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了ー种生命特征检测装置，该装置包括检测单元、多模光纤和机械结构。多模光纤设置为连接到光源和检测单元。机械结构设置为用于接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的ー个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压カ下使多模光纤产生微弯。其中，多模光纤基本在所施加的压カ方向中设置在机械结构的第一和第二组微弯部件之间。第一组微弯部件可以包括在机械结构的第一层中，第二组微弯部件可以包括在第 ニ层中，并且其中多模光纤可以设置第一层和第二层之间。第一和第二层的每个都可以包括网状结构。机械结构可以与多模光纤交织，因此第一组微弯部件可以设置在多模光纤的上表面，第二组微弯部件可以设置在多模光纤的下表面。机械结构可以包括网状结构。该装置还可以包括用于将光输入到多模光纤的光源，以及检测单元包括用于检测多模光纤中的光调制的光检测单元。该装置还可以包括反射镜，在多模光纤的一端处反射镜附接到多模光纤上，以将光反射到光纤的另一端。该装置还可以包括1 X 2光纤耦合器，1 X 2光纤耦合器将光源和光检测单元在光纤的另一端处，连接到多模光纤。该装置还可以包括在多模光纤的一端处连接至多模光纤的1X2光纤耦合器， 1 X2光纤耦合器配置为将光重新定向到光纤的另一端。该装置还可以包括第二 1X2光纤耦合器，1X2光纤耦合器将光源和光检测单元在光纤的另一端处，连接到多模光纤。根据本发明的另一方面，提供了ー种生命特征检测装置，该装置包括检测单元，多模光纤和机械结构。多模光纤设置为连接到光源和检测单元。机械结构设置为接收由人体施加的压力，和在所施加的压カ下使多模光纤产生微弯。以及其中，检测单元适于基于由微弯引发的弯曲损耗所产生的光强变化，至少来确定人的心率。检测单元可以包括信号处理单元。信号处理单元可以设置为提取心跳率、呼吸频率和身体活动的至少ー个的信息。可以基于信号处理单元执行的信号偏离跟踪处理，来提取身体活动信息。对于与呼吸有关的应用，可以基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检測、 振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少ー种处理，来提取呼吸频率信息，处理可以信号处理单元中执行。对于与心跳有关的应用，可以基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检測、 振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少ー种处理，来提取心跳率信息，该处理可以在信号处理单元中执行。信号处理单元可以包括显示功能，以显示所提取的信息。
信号处理单元可以具有在其上执行的报警功能，以基于所提取的信息启动报警。使用吋，多模光纤和机械结构可以用作光纤模式变换器。根据本发明的另一方面，提供了ー种用于检测生命特征的方法，该方法包括设置检测单元；将多模光纤连接至光源和检测单元；设置机械结构，以接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的ー个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压カ下使多模光纤产生微弯。并且其中，多模光纤基本在所施加的压カ方向中设置在机械结构的第一和第二组微弯部件之间。第一组微弯部件可以包括在机械结构的第一层中，第二组微弯部件可以包括在第 ニ层中，并且其中多模光纤可以设置第一层和第二层之间。第一和第二层的每个都可以包括网状结构。机械结构可以与多模光纤交织，因此第一组微弯部件可以设置在多模光纤的上表面，第二组微弯部件可以设置在多模光纤的下表面。机械结构可以包括网状结构。该方法还可以包括将光输入到多模光纤中并且检测在多模光纤中的光调制。该方法还可以包括在多模光纤的ー个端处将反射镜附接到多模光纤上，以将光反射到光纤的另一端。该方法还可以包括使用第二 1X2光纤耦合器，以在光纤的另一端处，将光源和光检测单元连接到多模光纤。该方法还可以包括将1X2光纤耦合器在多模光纤的一端处连接至多模光纤1X2 光纤耦合器，1X2光纤耦合器配置为将光重新定向到光纤的另一端。该方法还可以包括使用第二 1X2光纤耦合器，以在光纤的另一端处，将光源和光检测单元连接到多模光纤。根据本发明的另一方面，提供了ー种用于检测生命特征的方法，该方法包括设置检测单元；将多模光纤连接至光源和检测单元；设置机械结构，以接收由人体施加的压力， 和在所施加的压カ下使多模光纤产生微弯；以及基于由微弯引发的弯曲损耗所产生的光强变化，至少来确定人的心率。该方法还包括提取从光强变化中提取心跳率、呼吸频率和身体活动的至少ー个的
イロ‘ >E、。可以基于信号偏离跟踪处理，来提取身体活动信息。对于与呼吸有关的应用，可以基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检測、 振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少ー种处理，来提取呼吸频率信息。对于与心跳有关的应用，可以基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检測、 振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少ー种处理，来提取心跳率信息。 该方法还可以包括显示所提取的信息。该方法还可以包括基于所提取的信息启动报警。在所施加的压カ下，多模光纤可以用作光纤模式变换器。根据本发明的另一方面，提供一种在其上存储有计算机代码的数据存储介质，以指示计算装置执行用于检测生命特征的方法，该方法包括从多模光纤接收光信号；基于由机械结构引发的弯曲损耗所引起的光强变化，来至少确定人的心率，该机械结构设置为接收由人体施加的压カ和在所施加的压カ下产生多模光纤的微弯。附图简要说明结合附图，从以下仅作为实施例的书面描述中，本领域普通技术人员将更好理解且易于明白本发明的实施方式言
图1是示出示例性实施方式中的传感器垫的示意图。图2是示出示例性实施方式中因变形而微弯的多模光纤的示意图。图3是示出示例性实施方式中的传感器系统的示意图。图4是示出示例性实施方式的传感器装置中调制后信号处理的示意性方框图。图5是示出示例性实施方式中传感装置的工作流程的示意流程图。图6是示出示例性实施方式中的传感器系统的示意图。图7是示出示例性实施方式中的传感器系统的示意图。图8是示出示例性实施方式中传感器垫的网状结构部分的实施例的俯视图。图9(a)是示出示例性实施方式中传感器系统的示意图。图9(b)是示出示例性实施方式中与多模光纤交织的聚酯纤维层的图像。图10是示出示例性实施方式中测量的呼吸信号的示例性频谱图。图11是示出示例性实施方式中测量的心跳信号的示例性频谱图。图12是示例性实施方式中第一人的心跳信号的频谱测量数据。图13是示例性实施方式中第二人的心跳信号的频谱测量数据。图14是示出示例性实施方式用于检测生命特征的方法的示意流程图。图15是示出示例性实施方式用于检测生命特征的方法的示意流程图。图16是用于执行示例性实施方式的方法和系统的计算机系统的示意图。图17是示出示例性实施方式用于检测生命特征的方法的示意流程图。
具体实施例方式在示例性实施方式中，提供了ー种生命特征检测/传感装置。该装置包括光纤传感器垫和问诊器(interrogator)，以用于測量生命特征。设置传感器垫，以使上层和下层都包括聚酯纤维制成的大面积网状结构。传感器垫还包括一部分设置在顶层和底层之间的多模光纤。问诊器包括光源、检测器和信号处理单元。问诊器还包括显示器和报警功能，以将測量数据报告给使用者和/或提醒使用者。在示例性实施方式中，一部分多模光纤夹在两个具有大面积网状结构的聚酯纤维片之间。聚酯纤维网状结构保护多模光纤。此外，网状结构形成机械结构，以用于在多模光纤上产生微弯效果。机械结构可以接收由于人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的 ー个或多个而通过人体施加的压力，并且可以在所施加的压カ下使多模光纤产生微弯。因此，在示例性实施方式中，多模光纤基本在施加压カ的方向中设置在机械结构的第一组和第二组微弯部件之间。在该示例性实施方式中，第一组微弯部件被包括在传感器垫的上层， 第二组微弯部件被包括在传感器垫的下层。在示例性实施方式中，使用所述传感器垫，呼吸频率的测量对身体活动不敏感，或者当传感器垫安装在运动中的汽车上吋，呼吸频率的测量对汽车运动不敏感。在示例性实施方式中，可以检测因微弯效果而产生的弯曲损耗，以提取信息。此外，该装置可以有利地适于确定心跳率。此外，通过将多模光纤设置在机械结构的第一组和第二组微弯部件之间，可以增大可达到的微弯效果。该结构与设置有仅在光纤ー侧上作用的弯曲元件的结构(例如具有设置在一层微弯部件上的光纤的结构)相比，会具有很多优点。在微弯光纤传感器中，多模光纤波导的机械扰动使光纤中的光功率在模式之间重新分配。机械扰动或弯曲越剧烈，越多的光就被耦合到更高阶的模式乃至辐射模式并且消失。微弯光纤光传感器是光强传感器，并且光强随机械弯曲而减小。图1是示出示例性实施方式中的传感器垫100的示意图。一部分多模光纤102夹在网状结构104、106之间。光射入(数字108处)多模光纤102的一端中，且从多模光纤 102的另一端射出(数字110处)。网状结构104、106可以在这部分多模光纤102上产生微弯效果。当使用传感器垫100吋，可以经由产生的微弯效果和由此产生的射出光(数字 110处)来检测活动，例如与呼吸有关的胸部活动或与心跳有关的活动。因此，在示例性实施方式中，例如当存在施加至传感器垫100的呼吸/心跳时，经由微弯效果来调制光。应当理解，图1示出了使用者没有压在传感器垫上时的实施方式。使用吋，例如当使用者压在传感器垫100上吋，由于使用者压在传感器垫100上，所以网状结构104、106互相连接，并且该部分多模光纤102弯曲。因此，结构104、106和该部分多模光纤102的构造作为光纤模式变换器。光纤模式变换器可以通过使产生有效模式耦合的光纤102弯曲，而稳定在多模光纤102中传播的模式。在多模光纤102中传播多种模式，并且光纤102上的任何外部扰动都可能使模式功率重新分配。当多模光纤102被弯曲吋，沿光纤102传送的光会減少。多模光纤102中的弯曲损耗可用于获取期望的信息。例如，当对多模光纤102 施以曲率弯曲吋，光损失随弯曲长度的数量而增加，且当弯曲半径减少吋，光损失增加。图2是示出示例性实施方式中因变形而微弯的多模光纤201的示意图200。微弯的多模光纤201包括包层202和缓冲层204，缓冲层204包住包层202。包层202包住光纤
纤芯206。在示例性实施方式中，基于用于阶跃折射率光纤的公式
权利要求
1.生命特征检测装置，所述装置包括；检测单元；多模光纤，设置为连接到光源和所述检测単元；机械结构，设置为接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的ー个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压カ下使所述多模光纤产生微弯；其中，所述多模光纤基本在所施加的压カ方向中设置在所述机械结构的第一和第二组微弯部件之间。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一组微弯部件被包括在所述机械结构的第 ー层中，所述第二组微弯部件被包括在第二层中，并且，所述多模光纤设置在所述第一层和所述第二层之间。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一层和第二层的每个都包括网状结构。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述机械结构与所述多模光纤交织，以使得所述第一组微弯部件设置在所述多模光纤的上表面，所述第二组微弯部件设置在所述多模光纤的下表面。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述机械结构包括网状结构。
6.如前述权利要求任一项所述的装置，还包括用于将光输入到所述多模光纤的光源， 并且所述检测単元包括用于检测在所述多模光纤中的光调制的光检测单元。
7.如权利要求6所述的装置，还包括反射镜，所述反射镜在所述多模光纤的一端处附接到所述多模光纤上，以将光反射到所述光纤的另一端。
8.如权利要求7所述的装置，还包括1X2光纤耦合器，以将所述光源和所述光检测单元在所述光纤的所述另一端处连接到所述多模光纤。
9.如权利要求6所述的装置，还包括在所述多模光纤的一端处连接至所述多模光纤的 1 X2光纤耦合器，所述1 X2光纤耦合器配置为将光重新定向到所述光纤的所述另一端。
10.如权利要求9所述的装置，还包括第二1X2光纤耦合器，以将所述光源和所述光检测单元在所述光纤的所述另一端处连接至所述多模光纤。
11.生命特征检测装置，所述装置包括；检测单元；多模光纤，设置为连接到光源和所述检测単元；机械结构，设置为接收由人体施加的压力，并且在所施加的压カ下使所述多模光纤产生微弯；以及其中，所述检测单元适于基于由所述微弯引发的弯曲损耗所产生的光强变化，至少来确定人的心率。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述检测単元包括信号处理单元。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述信号处理单元设置为提取心跳率、呼吸频率和身体活动的至少ー个的信息。
14.如权利要求13所述的装置，其中，基于在所述信号处理单元执行的信号偏离跟踪处理，来提取身体活动信息。
15.如权利要求13或14所述的装置，其中，对于与呼吸有关的应用，基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少ー种处理，来提取所述呼吸频率信息，所述处理在所述信号处理单元中执行。
16.如权利要求13-15中任一项所述的装置，其中，对于与心跳有关的应用，基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取心跳率信息，所述处理在所述信号处理单元中执行。
17.如权利要求13-16中任一项所述的装置，其中，所述信号处理单元包括显示功能， 以显示所提取的信息。
18.如权利要求13-17中任一项所述的装置，其中，所述信号处理单元具有在其上执行的报警功能，以基于所提取的信息启动报警。
19.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，使用吋，所述多模光纤和所述机械结构用作光纤模式变换器。
20.用于检测生命特征的方法，所述方法包括；提供检测单元；将多模光纤连接至光源和所述检测単元；提供机械结构，用于接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的ー个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压カ下使所述多模光纤产生微弯；其中，所述多模光纤基本在所施加的压カ方向中设置在所述机械结构的第一和第二组微弯部件之间。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述第一组微弯部件被包括在所述机械结构的第一层中，所述第二组微弯部件被包括在第二层中，并且所述多模光纤设置在所述第一层和所述第二层之间。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述第一层和第二层的每个都包括网状结构。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述机械结构与所述多模光纤交织，以使得所述第一组微弯部件设置在所述多模光纤的上表面，所述第二组微弯部件设置在所述多模光纤的下表面。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述机械结构包括网状结构。
25.如权利要求20-24中的任一项所述的方法，还包括将光输入到所述多模光纤，以及检测在所述多模光纤中的光调制。
26.如权利要求25所述的方法，还包括在所述多模光纤的一端处将反射镜附接到所述多模光纤上，以将光反射到所述光纤的另一端。
27.如权利要求沈的方法，还包括使用1X2光纤耦合器，以在所述光纤的所述另一端处将所述光源和光检测单元连接到所述多模光纤
28.如权利要求25所述的方法，还包括在所述多模光纤的一端处将IX2光纤耦合器连接至所述多模光纤，所述1X2光纤耦合器配置为将光重新定向到所述光纤的所述另一端。
29.如权利要求观的方法，还包括使用1X2光纤耦合器，以在所述光纤的所述另一端处将所述光源和光检测单元连接到所述多模光纤。
30.用于检测生命特征的方法，所述方法包括；提供检测单元；将多模光纤连接至光源和所述检测単元；提供机械结构，以接收由人体施加的压力，并且在所施加的压カ下使所述多模光纤产生微弯；以及基于由所述微弯引发的弯曲损耗所产生的光强变化，至少确定人的心率。
31.如权利要求30所述的方法，还包括从所述光强变化中提取心跳率、呼吸频率和身体活动的至少ー个的信息。
32.如权利要求31所述的方法，其中，基于信号偏离跟踪处理，提取所述身体活动信肩、ο
33.如权利要求31或32的任一项所述的方法，其中，对于与呼吸有关的应用，基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少一种处理，来提取所述呼吸频率信息。
34.如权利要求31-33中任一项所述的方法，其中，对于与心跳有关的应用，基于信号滤波处理，以及基于峰值检测、谷值检测、振幅检测、快速傅里叶变换和小波分析中的至少 ー种处理，来提取所述心跳率信息。
35.如权利要求31-34中任一项所述的方法，还包括显示所提取的信息。
36.如权利要求31-35中任一项所述的方法，还包括基于所提取的信息启动报警。
37.如权利要求20-36中任一项所述的方法，其中，在所施加的压カ下所述多模光纤用作光纤模式变换器。
38.具有在其中存储的计算机代码的数据存储介质，以指示计算装置执行用于检测生命特征的方法，所述方法包括从多模光纤中接收光信号；以及基于由机械结构引发的弯曲损耗所引起的光强变化，来至少确定人的心率，所述机械结构设置为接收由人体施加的压カ以及在所施加的压カ下产生所述多模光纤的微弯。
全文摘要
提供一种生命特征检测装置和对于检测生命特征的方法。生命特征检测装置包括检测单元；多模光纤设置为连接到光源和检测单元；机械结构设置为用于接收因人体活动、人体呼吸行为和人体心跳行为中的一个或多个而通过人体施加的压力，并且在所施加的压力下使所述多模光纤产生微弯。其中，多模光纤基本在所施加的压力方向中设置在机械结构的第一和第二组微弯部件之间。
文档编号A61B5/00GK102573615SQ201080045035
公开日2012年7月11日 申请日期2010年4月21日 优先权日2009年8月6日
发明者张榉腾, 杨秀峰, 陈智浩 申请人:新加坡科技研究局