本发明属于电子医疗器械中脉搏波监测技术领域，涉及采用光学器件来进行测量，尤其涉及一种脉搏波传感器、脉搏波监测方法及穿戴装置。
背景技术：
心血管疾病是当前威胁人类健康的首要疾病，人体脉搏波反映心血管系统的机能。脉搏波的强度、速度和节律反映出来的机体生理、精神状态、体力水平等信息可以显示个人健康状态，或作为其他医疗仪器的辅助监测、为医生提供诊断参考等。
目前脉搏波的监测方法主要是采用光电容积法(ppg)或压电感应器原理来间接反映脉搏波的变化。光电容积法是利用血液中血红蛋白的光吸收作用而改变照射到皮肤上的发光二极管(led)的光强，通过对经皮肤反射的光进行测量而间接得到脉搏波波形。例如，中国发明专利申请cn102319075a公开了一种血氧饱和度测量装置和测量方法，该测量装置包括：微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的方波，方波驱动至少两种发光二极管，发光二极管发出的光经被测手指后被光敏器件接收，光敏器件转换成电压信号，电压信号经电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号，模数转换器将预设幅值电压信号转换成数字信号，微处理器对数字信号进行处理，获取血氧饱和度。另外一种压电感应法则通过脉搏的波动引起皮肤的波动，由于传感器与皮肤的间隔十分小，当皮肤发生波动时，引起和受压元件间空气的波动，再作用在压电薄膜上产生电信号，这样就把脉搏的机械波动转换成电信号的变化。例如，中国发明专利申请cn105391830a公开了一种测量脉搏的方法，包括：在移动终端开启预置的应用程序后，若所述移动终端预置的压电感应区域侦测到人体的脉搏压力信号，则将所述脉搏压力信号转换为脉搏电信号。
采用光电容积法(ppg)或压电感应两种方法都存在测量结果不准确、重复性差的问题。在ppg的方案中，所测得的光强曲线的交流分量(ac)同脉压直接相关。因而可用来估算收缩压(sbp)/舒张压(dbp)。但是，由ppg测量所获得的交流分量同样会受到各种因素的影响，比如光发射器/光接受器与血管的相对位置等，因此其测量的准确度和有效性都会降低。为实现可靠监测，ppg方法需要加大光源led的照射面积，其光探测器也要设计的能接受不同部位的反射。这样更多的光能其实浪费在无效的照射上，只有很少部分的反射光真正载有血管里脉搏的信息。
此外，医疗市场上的脉搏波监测仪设备体积都比较大，使用时只能对脉搏进行单点或短时监测，数据不能无线传输、干扰信号较大，并且操作复杂需依赖专业人员的测量，结果受主观因素影响易失真。而家用市场上的脉搏波监测仪则存在测量结果不准确、功耗高、待机时间不够长等问题，不能满足人们的需求。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种脉搏波传感器、腕式脉搏波分析仪、血压监测仪、脉搏波监测方法及可穿戴装置，采用光学扫描方式，通过脉搏波传感器测量光学路径和相位差来准确可靠地反映血管的搏动，从而监测心血管系统状况。
为解决上述技术问题，本发明提供一种脉搏波传感器，包括：
激光发射器，发射第一激光；
分路光波导部件，接收所述第一激光并分路为第二激光和参考光；
光引导输出部件，接收并调整所述第二激光以形成第三激光，使所述第三激光能够入射到血管；
光引导输入部件，接收并调整从所述血管反射的第四激光以形成第五激光；
接收光路部件，接收所述第五激光和所述参考光经双路干涉后形成第六激光；
光探测器，接收所述第六激光。
根据本发明的一个实施例，所述光引导输出部件包括1到m的多路光波导阵列或1到n光波导开关，所述光引导输入部件包括1到m的多路光波导阵列或1到n光波导开关；
其中m、n为整数且大于1。
根据本发明的一个实施例，所述1到m的多路光波导阵列包括多级1到2的分光光路单元，在实现1到m的多路分光后，所有m路的传输光路上设有相位控制部件以改变所述传输光路中光束的相位；所述1到n光波导开关包括多级1到2的光波导开关单元，在每个所述光波导开关单元内双传输光路上设有所述相位控制部件。
根据本发明的一个实施例，所述相位控制部件包括设置在所述传输光路上的金属薄膜，所述相位控制部件通过对所述金属薄膜通电加温以调整所述传输光路的材料的折射率。
根据本发明的一个实施例，所述相位控制部件包括液晶层和双电极，所述液晶层设置在所述传输光路上，所述双电极设置在所述液晶层上，所述相位控制部件通过改变所述双电极的电压来调整所述液晶层的折射率。
根据本发明的一个实施例，所述相位控制部件包括聚合物层和双电极，所述聚合物层设置在输出光路上，所述双电极设置在所述聚合物层上，所述相位控制部件通过改变所述双电极的电压来调整所述聚合物层的折射率。
根据本发明的一个实施例，还包括第一微透镜和第二微透镜，所述第三激光经过所述第一微透镜到达所述血管；所述第四激光经过所述第二微透镜到达所述光引导输入部件。
根据本发明的一个实施例，所述第一微透镜和第二微透镜为层状结构，包含多层具有不同折射率的氮氧化硅层。
根据本发明的一个实施例，所述第一微透镜和所述光引导输出部件一体成型，所述第二微透镜和所述光引导输入部件一体成型。
根据本发明的一个实施例，所述激光发射器是近红外激光发射器。
根据本发明的一个实施例，所述接收光路部件包括双光干涉器。
本发明还提供了一种腕式脉搏波分析仪，包括壳体和与所述壳体连接的带体，所述壳体包括如权利要求1至11任一所述的脉搏波传感器。
本发明还提供了一种一种血压监测仪，包括控制器和至少两组前述的脉搏波传感器，所述两组脉搏波传感器间隔一设定距离；其中所述控制器接收所述两组脉搏波传感器获得的脉搏波来计算脉搏波的传导速度，根据所述传导速度来计算血压。
根据本发明的一个实施例，所述两组脉搏波传感器能共用同一个激光发射器。
本发明还提供了一种血管硬度测定仪，包括控制器和至少两组前述的脉搏波传感器，所述两组脉搏波传感器间隔一设定距离；其中所述控制器接收所述两组脉搏波传感器获得的脉搏波来计算脉搏波的传导速度，根据所述传导速度来计算血管硬度。
本发明还提供了一种颈动脉硬度测定仪，包括控制器和至少两组前述的脉搏波传感器，所述两组脉搏波传感器间隔一设定距离；其中所述控制器接收所述两组脉搏波传感器获得的脉搏波来计算脉搏波的传导速度，根据所述传导速度来计算颈动脉硬度。
本发明还提供了一种光学扫描式心率表，包括前述的脉搏波传感器。
本发明另外提供了一种脉搏波监测方法，包括如下步骤：
第一步，发射第一激光；
第二步，分路所述第一激光为第二激光和参考光；
第三步，调整所述第二激光后形成第三激光入射到血管；
第四步，调整从所述血管反射的第四激光后形成第五激光；
第五步，所述第五激光和所述参考光干涉后形成第六激光；
第六步，接收所述第六激光。
根据本发明的一个实施例，在第三步中，调整所述第二激光的输出角度或调整所述第二激光的输出通道，使所述第三激光能入射到血管。
根据本发明的一个实施例，在第三步后，所述第三激光被聚焦入射到所述血管。
本发明还提供了一种可穿戴装置，包括一电子装置、第一带体和第二带体，所述电子装置连接所述第一带体及所述第二带体，所述电子装置包括前述的脉搏波传感器。
本发明提供的一种脉搏波传感器、腕式脉搏波分析仪、血压监测仪、血管硬度测定仪、颈动脉硬度测定仪、脉搏波监测方法及可穿戴装置，采用光学扫描方式，其中脉搏波传感器采用了相干检测方法，极大提高了接收端的信噪比。此外，采用了光波导阵列或光波导开关结合相位控制的方式来改变聚焦激光光束的指向性以提高激光能量的利用率，从而减少对激光发射器功率的要求并相应的减少系统总体的功耗，以实现连续监测的目标。
附图说明
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1示出了本发明的脉搏波传感器的一个实施例的结构示意图。
图2示出了本发明的脉搏波传感器的1到m的多路光波导阵列的结构示意图。
图3示出了本发明的脉搏波传感器的1到n光波导开关的结构示意图。
图4a示出了现有技术中普通光波导的结构示意图。
图4b是图4a的俯视结构示意图。
图5a是在图4a上设置了相位控制部件的结构示意图(一)。
图5b是在图4a上设置了相位控制部件的结构示意图(二)。
图5c是在图4a上设置了相位控制部件的结构示意图(三)。
图6a示出了本发明的光引导输出部件的一个输出通路和第一微透镜的透视图。
图6b是图6a的侧面结构示意图。
图7示出了本发明的脉搏波传感器的一个实施例的分路光波导部件的结构示意图
图8示出了本发明的脉搏波传感器的一个实施例的接收光路部件的结构示意图。
图9示出了本发明的脉搏波传感器的一个实施例的光探测器的结构示意图。
图10示出了本发明的腕式脉搏波分析仪的一个实施例的结构示意图。
图11示出了本发明的血压监测仪的一个实施例的结构示意图。
图12示出了本发明的穿戴装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图1示出了本发明的脉搏波传感器的一个实施例的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种可采用cvd技术实现的，基于光波导平台的一种脉搏波传感器11。该脉搏波传感器11包括激光发射器20、分路光波导部件70、光引导输出部件40、光引导输入部件50、接收光路部件80和光探测器30。其中，激光发射器20发射出第一激光121。分路光波导部件70接收第一激光121并分路第一激光121为第二激光124和参考光122。第二激光124的光束被引入到光引导输出部件40，光引导输出部件40接收并调整第二激光124以形成第三激光43，第三激光43能够入射到血管101。如图所示，血管101上标注了脉搏波的波动示意曲线102。从血管101反射的第四激光53载有脉搏波的信息，光引导输入部件50接收并调整第四激光53后输出第五激光125。第五激光125和参考光122在接收光路部件80上实现双路干涉，经接收光路部件80后形成第六激光123。第六激光123被光探测器30接收。
具体来说，如图1所示，波动示意曲线102表示血管101的管壁压力变化的脉搏起伏，脉搏起伏会改变探测激光的光束。第三激光43(入射光束)到达血管101，经由血管101表皮反射的第四激光53(反射光束)的光程发生变化，从而引起激光光束的相位变化。在每一个心动周期都会产生一个脉搏波的峰值，峰值重复的频率就是心率。由光探测器30接收的第六激光123(干涉信号)包含了血管101的脉搏波的丰富信息，这些干涉信号在经过模数采样转换，去噪处理等操作后能够被传递到后一级数据处理单元例如监测工作站等以进行脉搏波等数据分析。本发明正是利用了光学扫描式原理能连续精确地采集到血管在每一个心动周期内的管径变化，从而反映出脉搏波的变化波形。
进一步的，为提高激光光束的探测有效性，本发明的一种脉搏波传感器11对射出的激光光束及反射光光束的指向性都加以控制，可以自动调整来寻找血管搏动最强处。其中，光引导输出部件40和光引导输入部件50分别实现激光光束的入射和出射。
光引导输出部件40可以是包括1到m的多路光波导阵列或1到n光波导开关，其中m、n为整数且大于1。在一个实施例中，1到m的多路光波导阵列包括多级1到2的分光光路单元，且在1到m路的多路分光后的每个输出光路上设有相位控制部件。图2示出了本发明的脉搏波传感器的1到m的多路光波导阵列的结构示意图，图中示意的是一个1到8路的光波导阵列46，包括了3级1到2的分光光路单元41，在每个输出光路上设有相位控制部件42。第二激光124经各级分光光路单元41形成8路输出光，相位控制部件42能够调整每一路输出光的相位，所有相位控制部件42能够协调工作，实现第三激光43(入射光束)的角度控制。
在另一个实施例中，1到n的多路光波导开关包括多级1到2的光波导开关单元，且在每个光波导开关单元的双传输光路上设有相位控制部件。图3示出了本发明的脉搏波传感器的1到n的多路光波导开关的结构示意图，图中示意的是一个1到8路的光波导开关47，包括了3级1到2的光波导开关单元71，在每个光波导开关单元71的双传输光路上设有相位控制部件42。第二激光124经各级光波导开关单元71形成8路输出光。相位控制部件42能够调整每个光波导开关单元71的输出光的相位，即对输出光进行通道选择。所有相位控制部件42能够协调工作，实现第三激光43(入射光束)的通道控制。在一个实施例中，光波导开关单元71采用mzi(mach-zehnderinterferometer，马赫-岑德尔干涉仪)结构。
同理，光引导输入部件50也可以是包括1到m的多路光波导阵列或1到n光波导开关，其中m、n为整数且大于1。光引导输入部件50能够对反射光光束的角度或通道加以控制。
即使脉搏波传感器11与血管101的相对位置发生改变，通过光引导输出部件40和光引导输入部件50对激光光束的指向性的控制，仍能保持检测的有效性。例如在行走、奔跑等运动过程中，脉搏波传感器11会与血管101的相对位置发生改变，接收光路部件80的信噪比降低，当发现信噪比降低后脉搏波传感器11可闭环改变相位控制部件42，通过相位控制部件42来调整激光光束的角度或通道，从而保证第三激光43可以入射到血管101上，且第五激光能被接收光路部件80接收，进而实现监测的有效性，降低功耗且提高灵敏度。
图4a示出了现有技术中普通光波导的结构示意图。图4b是图4a的俯视结构示意图。如图所示，传输通道(基本波导结构)通常包括基底61，包层62和核心波导66。激光光束可以从核心波导66的一侧入，另一侧出。
图5a是在图4a上设置了相位控制部件的结构示意图(一)。图5b是在图4a上设置了相位控制部件的结构示意图(二)。图5c是在图4a上设置了相位控制部件的结构示意图(三)。作为举例而非限制，相位控制部件42可以是下述3种结构的一种。
参考图5a，相位控制部件42包括设置在输出光路的包层62上的金属薄膜63。换言之，金属薄膜63可以沉积在包层62上。相位控制部件42通过对金属薄膜63通电加温以调整包层62的折射率。
参考图5b，相位控制部件42包括液晶单元层64、67和双电极65。液晶单元层64、67可以分别是液晶封装玻璃层和液晶材料层。液晶单元层64，67叠置在输出光路的包层62上，制作工艺上可以将液晶材料注入到包层62上，双电极65设置在液晶层64上。液晶材料的折射率可通过电场改变，相位控制部件42通过改变双电极65的电压来调整液晶单元层64、67的折射率。
参考图5c，相位控制部件42包括聚合物层68和双电极65。聚合物层68设置在输出光路的包层62上，制作工艺上可以将聚合物材料注入到包层62上，双电极65设置在聚合物层68上。因为聚合物材料的折射率同样可以通过电场改变，所以相位控制部件42通过改变双电极65的电压来调整聚合物层68的折射率。
在本发明的一个实施例中，脉搏波传感器11还包括第一微透镜和第二微透镜。第三激光43经过第一微透镜到达血管101，第四激光53经过第二微透镜到达光引导输入部件50。较佳地，第一微透镜和光引导输出部件40一体成型。具体来说，可以将第一微透镜置于光引导输出部件40内，即对每一个从光引导输出部件40引出的光波导在波导与自由空间的界面上做透镜功能处理。同样的，第二微透镜和光引导输入部件50一体成型，即对每一个引入到光引导输入部件50的光波导在波导与自由空间的界面上做透镜功能处理。可以理解的，第一微透镜和第二微透镜也可以采用分立的光学透镜来实现光束的聚焦作用。
图6a示出了本发明的光引导输出部件的一个输出通路和第一微透镜的透视图。图6b是图6a的侧面结构示意图。以光引导输出部件40的输出端的一个输出通路和一个第一微透镜48为例做具体说明。参考图6b，左侧是光引导输出部件40的输出端的一个输出通路，右侧是第一微透镜48。输出通道(基本波导结构)包括基底61，包层62和核心波导66。包层62通过高温氧化过程生长在基底61上，核心波导66贯穿该输出通路和第一微透镜48。第一微透镜48为层状结构，包含设置在核心波导66周围的多层具有不同折射率的氮氧化硅层69-1、69-2、69-3。各层氮氧化硅层69-1、69-2、69-3通过沉积方法生长在下一层上。事实上，可以在核心波导66的下面设置两层或三层的氮氧化硅层，也可以在核心波导66的下面设置两层或三层的氮氧化硅层，且每一层通过工艺改变成具有不同折射率的氮氧化硅层。离核心波导66越远的氮氧化硅层的折射率越低。以多路光波导阵列实现为例，激光光束从核心波导66的左侧进入，通过第一微透镜48辐射出的都是相同的椭圆锥形光束，且这些椭圆锥形光束出射角度一致。当这些光束在远场叠加时，根据不同的受控相位，远场光束可在不同的空间位置形成可控的相长或相消干涉，也就是说可以实现激光光束的可控汇聚和扫描。在实际应用中，这些可控聚焦光束会被设定与血管101相对应的预定位置。
第二微透镜52的结构和工作原理与第一微透镜48相同。从血管101反射的第四激光53经过第二微透镜到达光引导输入部件50。
另一方面，激光发射器20采用了近红外激光发射器。近红外激光器的最大优势在于激光具有极高的发光效率和发光强度，且近红外激光器的光束具有很好的方向性，可以有效的聚焦于需要监测的血管部位。同时，由于近红外激光器良好的线宽品质，使得从血管反射回来的光在与部分本地参考光汇合后，实现相干检测。
图7示出了本发明的脉搏波传感器的一个实施例的分路光波导部件的结构示意图。如图所示，分路光波导部件70包括一个2x2光耦合器71。光耦合器71实现1到2的分光功能。第一激光121被分路为第二激光124和参考光122。
图8示出了本发明的脉搏波传感器的一个实施例的接收光路部件的结构示意图。接收光路部件80包括一个2x4的双光干涉器，该双光干涉器由四个2x2的耦合器71组合而成。参考光122和第五激光125经过接收光路部件80产生具有两对相长/相消输出的第六激光123。
图9示出了本发明的脉搏波传感器的一个实施例的光探测器的结构示意图。光探测器30由二个独立的平衡探测器31、32组成，具有平衡式结构。平衡探测器31、32分别探测第六激光123的两对相长/相消输出信号。
本发明还描述了一种腕式脉搏波分析仪。图10示出了本发明的腕式脉搏波分析仪的一个实施例的结构示意图。该腕式脉搏波分析仪100包括壳体81和与壳体81连接的带体91、92，壳体81包括脉搏波传感器11。带体91、92可以贴合用户的手腕，使得腕式脉搏波监测仪100的脉搏波传感器11能够实时监测人体的脉搏波。
本发明还描述了一种血压监测仪。图11示出了本发明的血压监测仪的一个实施例的结构示意图。血压监测仪200包括至少两组如前所述的脉搏波传感器11、11’和一个控制器(图未示意)，且间隔一设定距离。在同一心动周期内，脉搏波从脉搏波传感器11传播到脉搏波传感器11’所需时间，就是脉搏波传导时间(ptt)。从测量的脉搏波传导时间可以计算出脉搏波的传导速度(pwv)，由于脉搏波的pwv取决于血压，所以pwv可以用来估算血压的变化。例如，如果两个脉搏波传感器11、12的间隔是1cm，控制器接收两组脉搏波传感器11、12获得的脉搏波，根据两组脉搏波的相位差来计算ptt，进而获得脉搏波的pwv，推算出人体的血压。在典型的pwv波速3m/s的情况下，此时的ptt是3ms,可以通过血压监测仪100探测到。当血压升高，它会造成血管张力提高，血管壁变硬；变硬的血管会驱使脉搏波行进的更快，造成更短的ptt。相反，则血压降低时，ptt增加。ptt或pwv可在短时间内有效预测血压，因而可作为一种血压变化监测手段，尤其易于监测那些同心血管病有关，由物理或精神活动，或情感带来的血压急速变化。
较佳地，两组脉搏波传感器11、11’能共用同一个激光发射器。
本发明还描述了一种血管硬度测定仪。与血压监测仪200类似的，该血管硬度测定仪包括一个控制器和两组如前所述的脉搏波传感器，两组脉搏波传感器之间间隔一设定距离。通过两组脉搏波传感器获得ptt或pwv，可预测血管硬度，因而可作为一种监测血管硬度的手段。
本发明还描述了一种颈动脉硬度测定仪。该颈动脉硬度测定仪包括一个控制器和两组如前所述的脉搏波传感器，两组脉搏波传感器之间间隔一设定距离。通过该两组脉搏波传感器获得ptt或pwv，可预测颈动脉硬度。
本发明还描述了一种光学扫描式心率表。该光学扫描式心率表包括以上所述的脉搏波传感器，通过该脉搏波传感器来测量人体的脉搏波并进行分析。例如通过对脉搏波的分析可作为心率表来轻松监测心率及心律失常。
本发明还提供了一种脉搏波监测方法，参考图1，包括如下步骤：
第一步，发射第一激光121；
第二步，分路所述第一激光121为第二激光124和参考光122；
第三步，调整所述第二激光124后形成第三激光43入射到血管101；
第四步，调整从所述血管101反射的第四激光53后形成第五激光125；
第五步，所述第五激光125和所述参考光122干涉后形成第六激光123；
第六步，接收所述第六激光123。
较佳地，在第三步中，调整第二激光124的输出角度或调整第二激光124的输出通道，使第三激光43能入射到血管101。
较佳地，在第三步后，第三激光43被聚焦入射到血管101。
本发明还提供了一种可穿戴装置。图12示出了本发明的可穿戴装置的一个实施例的结构示意图。如图所示，可穿戴装置300包括一电子装置110、第一带体128和第二带体129，电子装置110连接第一带体128及第二带体129。其中，该电子装置110可以包括前述的脉搏波传感器。容易理解的，第一带体128及第二带体129可以贴合用户的手腕，使得脉搏波传感器能够实时监测人体的脉搏波。通过电子装置110、第一带体128及第二带体129配合进一步提高了本可穿戴装置300的脉搏波检测准确性。
此外，电子装置110还可以包含一时间显示装置、一计时装置、一无线传输装置、一定位装置、一导航装置、或一生理信息监测装置。该可穿戴装置300具有成本低、体积小、携带方便、功耗低、待机时间长，其具有的无线传输装置能将监测结果无线传输至手机并且存储，还可以用手机app来显示，上传至服务器的特点。具有实时性、持久性监测分析人体脉搏波形态及传导速度的功能，使用者能够在不影响工作、学习和运动的前提下，方便快捷地了解自身的健康状况。通过脉搏波的特征值与监测受试者的数值之间的差异，实现对血管功能健康状况的监测。以上这些功能和设计都可以通过集成光学技术集中在一个光芯片上，其微小的体积使得它可被运用到可穿戴器件上。
本发明提供的一种脉搏波传感器、脉搏波分析仪、血管硬度监测仪、心率表、血压监测仪、脉搏波监测方法及可穿戴装置，采用光学扫描方式，其中脉搏波传感器采用了相干检测方法，极大提高了接收端的信噪比。此外，采用了光波导阵列或光波导开关结合相位控制的方式来改变聚焦激光光束的指向性以提高激光能量的利用率，从而减少对激光发射器功率的要求并相应的减少系统总体的功耗，以实现24/7无创的心率、血压及脉搏波的监测。
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。