专利名称：一种波长解调系统和心音检测装置及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电技术领域，尤其是一种波长调解系统和心音检测装置及应用。
背景技术：
智能服装是电子信息学科、材料学科、纺织学科及其它相关学科结合与交叉的产物，它不仅能够对人体外部环境或内部状态变化进行感知，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化做出反应，具有携带方便、实时监测等特点。感知、反馈和反应是智能服装的三大要素。智能服装的理念起源与上世纪70年代末80年代初流行的“可穿戴计算机”技术， 由于集成电路技术的进步，原来安装在背包中的计算机系统可以植入衣服中，并通过互联网技术从系统中获取信息。最早的智能服装在1993年诞生于美国麻省理工学院的媒体实验室。目前国外对检测人体生理参数智能服装的研究主要集中在欧洲和美国，研究的主要方向集中在各生理参数的检测方法和传感器织入服装的方法方面，具有代表性的智能服装原型主要有欧洲的VTAMN、WEALTHY、MagIC, MyHeart原型和美国的SmartShirt、LifeShirt 原型。其中，VTAMN原型是一件T恤，内部植入4个干心电(ECG)电极、I个呼吸速率传感器、一个撞击/摔倒探测器和2个温度传感器，这些传感器通过织入服装的导电纤维将感测信号传输给接收设备。可实现人体心率、温度、呼吸运动的监测，以及是否发生摔倒、撞击等突发事件的探测。WEALTHY原型是一件具有无线传输功能的服装，内部嵌入织物传感器，用于对人体生理信号进行同步、连续地采集，所采集的生理信息包括心电图、呼吸、肌电图(EMG)和身体运动情况。这种智能服装嵌入了由具有压阻特性的纱线制作的压力织物传感器和由金属纱线制作的织物电极。MagIC原型是一件嵌入传感器的汗衫，内部集成了织物传感器用于心电和呼吸频率的探测，以及一个便携式电路板用于人体运动的评估和信号的处理。可通过蓝牙(Bluetooth)技术实现智能服装与外部监视器的数据传输。MyHeart智能服装原型用于心血管疾病的早期检测和预防，它可以连续或周期检测与心脏相关的重要数据，从而获取人体健康状况的信息。为了实现这一目的，MyHeart原型中集成了各种体表传感器和电子系统，利用这些装置可实现生理数据的采集、处理和评估。国内的智能服装研究，在检测方法、电路设计、传感器与织物的结合，信号处理等方面均处于起步阶段，与欧洲和美国的研究水平相比，存在着明显的差距。目前，东华大学、华中科技大学、天津工业大学等在智能纤维、织物传感器、功能织物部件、智能服装健康监护系统等方面已经开展了一些研究工作。光纤光栅(FBG)具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、易于实现分布式测量和与纱线兼容等优点，因此，光纤光栅是应用于智能服装中最具优势和潜力的传感元件之一。由于光纤光栅属于一种波长调制型的光纤传感器，为实现对被测物理量的检测，需要进行波长解调系统的研究。本发明涉及的波长解调系统用于实现分布式光纤光栅的动态波长解调，与光纤光栅心音传感器组合构成心音检测装置，该装置可应用于检测人体生理参数的智能服装中，实现人体心音的实时监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种波长调解系统和心音检测装置及应用。本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种应用上述波长调解系统的心音检测装置。本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述心音检测装置的应用。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是如附图I所示，一种波长调解系统，由ASE宽带光源、光隔离器、F-P可调谐滤波器、光环行器、光探测器和用于实现波长解调和心音信号处理的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔离器、F-P可调谐滤波器和光环行器第一输入端口线路连接，所述光环行器第三端口依次与光探测器和信号处理单元输入端口线路连接，所述信号处理单元输出端口与F-P可调谐滤波器控制端口线路连接。优选的，上述波长调解系统，所述信号处理单元由I/V变换电路、低通滤波器电路、DSP芯片、数/模转换电路、电压放大电路组成，其中I/V变换电路依次与低通滤波器和DSP芯片的模/数转换模块输入端口线路连接，所述DSP芯片依次与数/模转换电路和电压放大电路线路连接。优选的，上述波长调解系统，所述DSP芯片型号为TMS320F28335，DAC芯片型号为AD5725。优选的，上述波长调解系统，所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调的信号处理单元输出扫描电压控制F-P滤波器透射波长移动到工作点位置，并加入扰动信号使F-P滤波器透射波长在工作点处稳定，此时光探测器输出信号经I/V变换和低通滤波后得到解调信号，实现对光纤光栅的动态波长解调。优选的，上述波长调解系统，所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调工作点自动校准的信号处理单元首先对F-P滤波器调谐范围进行一次全扫描，同步对光探测器输出信号进行采集，根据采集数据计算出波长解调工作点的阈值电压，然后信号处理单元再次输出扫描电压，控制F-P滤波器透射波长从高到低移动，同时采集光探测器输出信号，当光探测器输出信号大于工作点阈值电压时，停止扫描，此时F-P透射波长到达工作点位置，从而实现工作点自动校准。一种应用上述波长调解系统的心音检测装置，还包括光纤光栅心音传感器，所述光纤光栅心音传感器采用膜盒式结构，光纤光栅粘贴在圆形振动膜片中心，粘帖位置为沿圆形振动膜片直径中心对称，粘合剂使用环氧树脂，所述光纤光栅心音传感器与波长解调系统的光环行器第二端口线路连接。优选的，上述心音检测装置，所述信号处理单元是通过下述方法实现心音信号处理的信号处理单元采用小波消噪的方法从光纤光栅心音传感器输出信号中提取信噪比较好的心音信号，去除人体呼吸运动等对光纤光栅心音传感器输出信号的影响。优选的，上述心音检测装置，所述信号处理单元实现心音信号处理的具体步骤为在采样率为IKHz的情况下，首先选用db4小波基函数对光纤光栅心音传感器输出信号进行5层小波分解，然后对各层分解信号进行硬阈值处理，仅保留d5和d4层信号，其余各层分解信号被舍弃，最后利用d5和d4层信号进行小波重构，从而得到信噪比较好的心音信号。上述心音检测装置在智能服装中的应用。本发明的有益效果本发明的波长解调系统结构简单，能够实现光纤光栅动态波长解调，具有波长解调工作点自动校准和抑制工作点漂移的功能。应用上述波长调解系统的心音检测装置能够实现人体心音的检测，具有检测灵敏度高、抗电磁干扰的特点。应用上 述心音检测装置的智能服装能够对人体心音信号进行实时监测，实现对心血管疾病的早期发现，从而使患者得到及时救治，避免死亡，在临床治疗和居家健康监护等方面具有特别重要的意义。另外，上述智能服装还可以应用于军事与航天、娱乐与通讯、安全与保卫等领域，具有较高的经济效益。
图I是波长解调系统原理框图；图2是信号处理单元的组成框图；图3是将所述的心音检测装置应用于智能服装的设计原理图；图中I-弹性衣料2-光纤光栅心音传感器3-粘锁4-拉链5-传输光纤6-光纤连接器图4是心音检测装置实测结果对比图(其中(a)为心音检测装置检测到的心音信号；(b)为HKY06心音传感器同步检测的心音信号)。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的说明。实施例I如附图I所示，一种波长调解系统，由ASE宽带光源、光隔离器、F-P可调谐滤波器、光环行器、光探测器和用于实现波长解调和心音信号处理的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔离器、F-P可调谐滤波器和光环行器第一输入端口线路连接，所述光环行器第三端口依次与光探测器和信号处理单元输入端口线路连接，所述信号处理单元输出端口与F-P可调谐滤波器控制端口线路连接，所述信号处理单元，如附图2所示，光电探测器输出信号进入I/V变换电路，I/V变换电路依次与低通滤波电路、DSP芯片内部ADC模块线路连接，所述DSP芯片依次与数/模转换电路、电压放大电路连接，电压放大电路输出F-P滤波器控制信号。所述波长解调系统的工作原理如下光纤光栅的反射谱函数RU)和F-P滤波器透射谱函数TU)如下及(又)=R,Cxpf^(A-A1)2]
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权利要求
1.一种波长解调系统，其特征在于由ASE宽带光源、光隔离器、F-P可调谐滤波器、光环行器、光探测器和用于实现波长解调和心音信号处理的信号处理单元组成，其中ASE宽带光源依次与光隔离器、F-P可调谐滤波器和光环行器第一输入端口线路连接，所述光环行器第三端口依次与光探测器和信号处理单元输入端口线路连接，所述信号处理单元输出端口与F-P可调谐滤波器控制端口线路连接。
2.根据权利要求I所述的波长解调系统，其特征在于所述信号处理单元由I/V变换电路、低通滤波器电路、DSP芯片、数/模转换电路、电压放大电路组成，其中I/V变换电路依次与低通滤波器和DSP芯片的模/数转换模块输入端口线路连接，所述DSP芯片依次与数/模转换电路和电压放大电路线路连接。
3.根据权利要求2所述的波长解调系统，其特征在于所述DSP芯片型号为TMS320F28335, DAC 芯片型号为 AD5725。
4.根据权利要求1-3之一所述的波长解调系统，其特征在于所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调的信号处理单元输出扫描电压控制F-P滤波器透射波长移动到工作点位置，并加入扰动信号使F-P滤波器透射波长在工作点处稳定，此时光探测器输出信号经低通滤波后得到解调信号，实现对光纤光栅的动态波长解调。
5.根据权利要求1-3之一所述的波长解调系统，其特征在于所述信号处理单元是通过下述方法实现波长解调工作点自动校准的信号处理单元首先对F-P滤波器调谐范围进行一次全扫描，同步对光探测器输出信号进行采集，根据采集数据计算出波长解调工作点的阈值电压，然后信号处理单元再次输出扫描电压，控制F-P滤波器透射波长从高到低移动，同时米集光探测器输出信号，当光探测器输出信号大于工作点阈值电压时，停止扫描，此时F-P透射波长到达工作点位置，从而实现工作点位置自动校准。
6.一种应用权利要求1-5之一所述波长解调系统的心音检测装置，其特征在于还包括光纤光栅心音传感器，所述光纤光栅心音传感器米用膜盒式结构，光纤布拉格光栅粘贴在圆形振动膜片中心，粘帖位置为沿圆形振动膜片直径中心对称，粘合剂使用环氧树脂，所述光纤光栅心音传感器与波长解调系统的光环行器第二端口线路连接。
7.根据权利要求6所述的心音检测装置，其特征在于所述信号处理单元是通过下述方法实现心音信号处理的信号处理单元采用小波消噪的方法从光纤光栅心音传感器输出信号中提取信噪比较好的心音信号，去除人体呼吸运动、温度变化对传感器输出信号的影响。
8.根据权利要求7所述的心音检测装置，其特征在于所述信号处理单元实现心音信号处理的具体步骤为在采样率为IKHz的情况下，首先选用db4小波基函数对光纤光栅心音传感器输出信号进行5层分解，然后对各层分解信号进行硬阈值处理，仅保留d5和d4层信号，其余各层分解信号被舍弃，最后利用d5和d4层信号进行小波重构，从而得到信噪比较好的心音信号。
9.权利要求6-8之一所述的心音检测装置在智能服装中的应用。
全文摘要
一种波长解调系统和心音检测装置及应用，属于光电技术领域。所述波长解调系统由ASE宽带光源、光隔离器、F-P可调谐滤波器、光环行器、光探测器和用于实现波长解调和心音信号处理的信号处理单元组成，可实现光纤光栅反射波长的动态解调，具有动态解调工作点自动校准和抑制工作点漂移的功能。所述波长解调系统与光纤光栅心音传感器组成心音检测装置，采用小波消噪方法去除波长解调信号中混有的呼吸运动信号成分和其它噪声，提取出信噪比较好的心音信号。将所述的心音检测装置应用于智能服装，对人体心音信号进行实时监测，实现对心血管疾病的早期发现，从而使患者得到及时救治，避免死亡，在临床治疗和居家健康监护等方面具有特别重要的意义。
文档编号A61B7/04GK102813528SQ20121033101
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者苗长云, 张 诚, 高华, 李鸿强 申请人:天津工业大学