一种光学扫描式血压监测仪及腕式血压表的制作方法

本实用新型属于电子医疗器械中血压监测技术领域，涉及采用光学器件来进行测量，尤其涉及一种光学扫描式血压监测仪及腕式血压表。

背景技术：

血压是血液在血管里流动对管壁造成的压力，由心脏和血管系统的功能共同决定。因此血压是反映心血管系统功能的综合指标，在很大程度上反映身体的健康状况。正常人一天中血压呈现规律性的波动，幅度在20-30毫米汞柱之间。老年人的波动幅度较大些。一天中血压波动幅度最大是在清晨，血压迅速上升是很多心源性猝死和脑卒中的主要原因。因此，监控血压，并在血压骤升或初升前了解和控制血压关乎高血压病人和家属的生命和健康。此外，监控药物对血压的控制情况能在很大程度上使高血压病人的血压保持平稳，减少意外的发生。同时也有利于医生的远程监测和治疗，可以很大程度上节省医疗资源。

血压测量的方法可以分直接和间接。直接测量是将压力传感器通过插管直接放到动脉里，实施有创、连续、实时的血压监测，通常用在医院里手术病人。间接测量都是无创的。医院里最常用也比较可靠的是水银袖带式血压计。利用袖带加压使血管内外的压力差发生变化，引起血管壁的振动，然后通过听柯氏音判断血压(主要是收缩压和舒张压)，所测血压是不连续的。只能间隔一段时间之后再测，实现不了血压的连续和及时测量。另外，加压的袖带也容易让受试者产生不适，加上测试者的主观因素，使血压测量不准。

目前家用市场上的血压计主要有两大类：利用光电容积测量法的光电式血压计和利用压电效应的压电式血压计。

光电式血压计测量原理是基于血管中的血液在心动周期中容积会发生改变而引起血红蛋白对光反射量的变化。血压计上装有发光LED和光敏传感器:发光LED 发出一定波长(红或绿色，多为绿光)的光波，光敏传感器可以接收手臂皮肤的反射光并感测光场强度的变化并换算成血压。当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最大，检测到的光强度最小。而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，光接收器接收到的光强度随心动周期呈脉动性变化。

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CN203000918U公开了一种基于脉搏波的无创血压监测系统，就是利用压电薄膜传感器采集脉搏波信号，并将其转换为电压信号输出至控制器。

上述两种电血压计的优点是携带方便，适合连续佩戴和测量。但需要传感器和皮肤紧密接触，佩戴不舒适、不方便，运动中腕带移动产生摩擦等不舒适感，并造成腕带移位，测量不准确，甚至丢失信号。尤其是光电式血压计因为基于光电强度的信号极其微弱，非常容易受到各种因素的影响。当外界干扰稍大，例如在运动时，就会导致测量数据不准确，误差大。另外，运动时光发射器/光接受器与血管的相对位置发生变化，更导致测量的准确度和有效性降低。因此只适合在安静状态下测量。为实现可靠监测，可以加大光源的照射面积，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波的信息。因此，存在功耗高、待机时间不够长等问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种光学扫描式血压监测仪及腕式血压表，可实时、连续、精确地测量血压。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种光学扫描式血压监测仪，包括至少两组血压传感器，两组所述血压传感器间隔一设定距离,每组所述血压传感器包括：

近红外激光发射器，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，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；

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，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；

接收光路部件，包括双光干涉器，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；

其中M、N为整数且大于1。

根据本实用新型的一个实施例，还包括控制器，所述控制器接收两组所述血压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。

根据本实用新型的一个实施例，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的双传输光路上设有所述相位控制部件。

根据本实用新型的一个实施例，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。

根据本实用新型的一个实施例，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。

根据本实用新型的一个实施例，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所述传输光路上，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。

根据本实用新型的一个实施例，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。

根据本实用新型的一个实施例，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。

本实用新型还提供了一种腕式血压表，包括表体和与所述表体连接的表带， 所述表体包括前述的光学扫描式血压监测仪。

根据本实用新型的一个实施例，所述表体还包括信息处理模块、显示模块、电源模块、通信模块和GPS定位模块，所述电源模块分别电连接所述光学扫描式血压监测仪、所述显示模块、通信模块和GPS定位模块。

本实用新型提供的一种光学扫描式血压监测仪及腕式血压表，利用光学扫描式干涉原理通过测量动脉反射回来激光光束与参考光之间光学路径和相位差来准确可靠地记录动脉在每个心动周期中的收缩和舒张的幅度、时间。通过函数换算成血压，连续测量即可监测脉搏波和血压的变化，因此能够实时、连续、精确地测量静息和运动中血压。

附图说明

包括附图是为提供对本实用新型进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本实用新型的实施例，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中：

图1示出了本发明的一个实施例的血压监测仪的结构示意图。

图2示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的结构示意图。

图3示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的1到M的多路光波导阵列的结构示意图。

图4示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的1到N光波导开关的结构示意图。

图5A示出了现有技术中普通光波导的结构示意图。

图5B是图5A的俯视结构示意图。

图6A是在图5A上设置了相位控制部件的结构示意图(一)。

图6B是在图5A上设置了相位控制部件的结构示意图(二)。

图6C是在图5A上设置了相位控制部件的结构示意图(三)。

图7A示出了本实用新型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7B是图7A的侧面结构示意图。

图8示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的分路光波导部件的结构示意图。

图9示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的接收光路部件的结构示意图。

图10示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的光探测器的结构示意图。

图11示出了本实用新型的腕式血压表的一个实施例的结构示意图。

图12示出了本实用新型的腕式血压表表体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实用新型的实施例。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，尽管本实用新型中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本实用新型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实用新型。

本实用新型提供了一种可采用CVD技术实现的，基于光波导平台的一种光学扫描式血压监测仪。图1示出了本实用新型一个实施例的血压监测仪的结构示意图。该光学扫描式血压监测仪包括至少两组血压传感器11、12，两组血压传感器11、12间隔一设定距离后放置与血管101附近，在血管101上标注了脉搏波的波动示意曲线102。在一个实施例中，血压监测仪还包括控制器(图未示)。该控制器用于接收两组血压传感器11、12获得的脉搏波来计算脉搏波的传导速度，根据传导速度来计算血压。具体来说，在同一心动周期内，脉搏波从血压传感器11传播到血压传感器12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，如果两个血压传感器11、12的间隔是1cm，控制器接收两组血压传感器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，因而可作为一种有效血压变化监测手段，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。

图2示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的结构示意图。如图2所示，以血压传感器11为例进行说明，其包括近红外激光发射器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和接收光路部件80。其中，近红外激光发射器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。

为提高激光光束的探测有效性，本实用新型的血压传感器11对第二激光124及第四激光53(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。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。其中光引导输出部件40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；同样的，光引导输入部件50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。

具体来说，如图2所示，波动示意曲线102标识的是脉搏波造成的血管101的管壁起伏，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舒张的峰值，峰值重复的频率就是心率。

进一步的，血压传感器11还包括光探测器30。光探测器30接收第六激光123(干涉信号)，第六激光123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从而获得心率。

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3示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的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4示出了本实用新型一个实施例的血压传感器的1到N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-Zehnder interferometer，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。

即使血压传感器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，仍能保持监测的有效性。例如在行走、奔跑等运动过程中，血压传感器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血压传感器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5A示出了现有技术中普通光波导的结构示意图。图5B是图5A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6A是在图5A上设置了相位控制部件的结构示意图(一)。图6B是在图5A上设置了相位控制部件的结构示意图(二)。图6C是在图5A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6A，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6B，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6C，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。

在本实用新型的一个实施例中，血压传感器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。第一微透镜可以是通过晶圆生长工艺生产，第一微透镜被设置在波导阵列41的输出端。

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7A示出了本实用新型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7B是图7A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7B，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。由于第三激光43的每个光束的相位都受控于其对应的光引导输出部件40的相位控制，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，参考图2，采用近红外激光发射器20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8示出了本实用新型一个实施例的血压传感器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9示出了本实用新型一个实施例的血压传感器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经过四个2X2的耦合器71产生具有两对相长/相消输出的第六激光123。

图10示出了本实用新型一个实施例的血压传感器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。

本实用新型还描述了一种腕式血压表。图10示出了本实用新型的腕式血压表的一个实施例的结构示意图。如图所示，该腕式血压表100包括表体110和与表体110连接的表带120，表体110包括前述的光学扫描式血压监测仪。表带120适于贴合用户的手腕，进一步提高了腕式血压表100的监测准确性。腕式血压表100通过光学扫描式血压监测仪来测量人体的心率。

图12示出了本实用新型的腕式血压表表体的一个实施例的结构示意图。如图所示，表体110还包括(内置)信息处理模块112、显示模块113、电源模块114、通信模块115和GPS定位模块116。电源模块114分别电连接光学扫描式血压监测仪118、信息处理模块112、显示模块113、通信模块115和GPS定位模块116。信息处理模块112，并向它们提供电力。信息处理模块112能够从光学扫描式血压监测仪118获取监测数据，并通过显示模块113来显示血压数值。信息处理模块112还可以将获得的血压信号或转换后得到的血压数值通过通信模块115无线发送至外围设备，例如电脑、手机或iPAD等智能产品上，以便于外围设备进行离线分析、显示处理和远程监测。

可以理解的，表体110还可以内置计时模块、三轴重力加速度传感器或生理信息监测模块。这些模块与光学扫描式血压监测仪118的血压传感器配合使得腕式血压表100具有能记录多种参数，例如记步、闹钟、定位/导航等多功能监测的特点。

本实用新型提供的一种血压传感器及腕式血压表采用了相干检测方法，极大提高了接收端的信噪比。同时，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，从而减少对近红外激光发射器功率的要求并相应的减少系统总体的功耗。使得腕式血压表具有体积小、携带方便、功耗低、待机时间长等特点，能够实时监测分析人体血压的功能，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；还能在运动中实时、准确、不受干扰地记录心率，来实现安全、有效的健身目的。其具有的通信装置能将监测结果无线传输至手机并且存储，用手机app来显示，还可以上传至服务器，用于大数据分析和处理，及协助远程医疗。

本领域技术人员可显见，可对本实用新型的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本实用新型的精神和范围。因此，旨在使本实用新型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实用新型的修改和变型。