基于四锥光纤干涉仪的生命体征参数监测装置及方法与流程

本发明属于生命体征参数实时监测技术领域，尤其涉及一种基于四锥光纤干涉仪的生命体征参数监测装置及方法。

背景技术：

近年来心脑血管疾病发病率持续增高，而对人体的生命体征参数实时在线检测能达到预防心脑血管疾病的效果，对于生命体征参数监测设备大致分为侵入式和非侵入式两种，侵入式生命体征参数监测设备需与待测者皮肤紧密接处，不适合长期监测使用。非侵入式生命体征监测设备存在技术上的优势，无需与待测者皮肤直接接触就可测得待测者的生命体征参数。但多为电子传感监测装置，受电磁干扰的影响较大，不适合在ct和核磁共振检查时使用。光纤传感器不受电磁干扰，因此，基于光纤的生命体征参数传感器用于医院甚至家庭有一定优势。美国专利us6498652b1提出利用光纤干涉仪监测生命体征参数，在实施例中，包括了多种光纤干涉仪。中国专利也提出采用马赫曾德干涉原理对生命体征参数进行监测（中国专利cn206342462u）。这些光纤干涉仪，都有传感臂和参考臂，为使参考臂不受外界环境的影响，增加了传感器封装的难度和成本。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明通过对光纤干涉仪的改进，使其无需隔离传感臂和参考臂，获得结构简单、成本低廉、灵敏度高的生命体征参数监测装置。在本发明方案中，采用的四锥传感光纤的纤芯和包层既作为参考臂，也作为传感臂。当人体震动微扰施加于四锥传感光纤时，干涉相位差、光纤纤芯和包层中的光强会同步产生变化，输出光强就跟着变化。通过解调输出光强，即可还原身体震动的信息，如，呼吸，心跳和体动等。本发明具体采用以下技术方案：

一种基于四锥光纤干涉仪的生命体征参数监测装置，其特征在于，包括通过传输光纤依次连接的：光源、四锥传感光纤和光电探测器，以及与所述光电探测器连接的上位机。

优选地，所述光源为fp或dfb或vecel光源或白光源。

优选地，第一传输光纤分别连接光源的输出端和四锥传感光纤的输入端；第二传输光纤分别连接四锥传感光纤的输出端和光电探测器的输入端。

优选地，所述第一传输光纤和第二传输光纤为单模光纤。

优选地，所述四锥传感光纤带有纤芯和包层，包括两个锥腰。

优选地，所述四锥传感光纤采用长度为50cm，内外芯径为9/125um的单模光纤拉锥制成；所述锥腰的直径为50-70微米，两个锥腰的间距大于1cm。

优选地，所述四锥传感光纤采用多模光纤拉锥制成。

优选地，所述上位机采用fft高次谐波提取心跳信息。

优选地，所述四锥传感光纤采用以下方法拉锥制成：

步骤a1：截取长度为50cm，内外芯径为9/125um的结构由纤芯和包层组成单模光纤；

步骤a2：采用二氧化碳激光器熔融拉制形成包括两个锥腰的四锥结构的四锥传感光纤；所述锥腰的直径为50-70微米，两个锥腰的间距大于1cm。

以及以上装置的优选工作方法，其特征在于：

设光源的工作波长为λ，四锥传感光纤的输出功率为p；当入射光在四锥传感光纤的第一锥腰处传播时，芯模被分裂为基模和高阶模，基模和高阶模都在光纤中传输，然后累积相移；所述基模和高阶模在第二锥腰处重新组合、干涉；假设只有两个模式共同传播，当两个场组合在一起并产生一个与波长相关的强度干涉时，四锥传感光纤的干涉输出可以表示为:

；

；

其中表示干涉信号的强度，、分别是四锥传感光纤纤芯基模和最低阶包层模式的强度；、分别为四锥传感光纤纤芯基模和最低阶包层模的有效折射率；l为光纤两个锥腰的间距；

受到人体的体动、呼吸、心跳的扰动，所述四锥传感光纤的光谱发生漂移，工作波长处的光强发生变化；此时四锥传感光纤的输出功率变化为；所述上位机通过对光电探测器采集信号的分析获得生命体征参数信息，其中心跳信息采用fft高次谐波提取。

本发明及其优选方案相比其他干涉型光纤生命体征参数监测系统优势在于：参考臂和干涉臂没有分开，避免环境对参考臂的影响。对于四锥传感光纤传感而言，其本身既是传感光纤又是参考光纤，没有外界影响参考臂的问题和对生命体征参数监测的干扰。同时具有结构简单，工艺步骤简便，制备容易，产品稳定性好，使用寿命长等优点，可以实现实时测量，达到对人体的生命体征参数不间断测量，不仅相干光源可用，非相干光源也可用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例整体结构示意图；

图2为本发明实施例四锥传感光纤结构示意图；

图3为本发明实施例工作原理示意图；

图4为本发明实施例实施结果示意图；

图中：11-光源；12-第一传输光纤；13-四锥传感光纤；14-第二传输光纤；15-光电探测器；16-上位机；131-第一锥腰；132-第二锥腰；31-飘移前光谱；32-飘移后光谱。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图1所示，本实施例装置包括：包括通过传输光纤依次连接的：光源11、四锥传感光纤13和光电探测器15，以及与光电探测器15连接的上位机16。该上位机16一般为pc或智能手机，承载有生命体征参数提取和分析算法模块，该提取和算法模块除了采用fft高次谐波提取心跳信息之外，采用的是现有技术已有的生命体征参数提取和分析算法，故在此不多做赘述。

具体地，在本实施例中，光源11为fp或dfb或vecel光源11或白光源11。

第一传输光纤12分别连接光源11的输出端和四锥传感光纤13的输入端；第二传输光纤14分别连接四锥传感光纤13的输出端和光电探测器15的输入端。

第一传输光纤12和第二传输光纤14为单模光纤。

具体地，四锥传感光纤13采用以下方法拉锥制成：

步骤a1：截取长度为50cm，内外芯径为9/125um的结构由纤芯和包层组成普通单模光纤；

步骤a2：采用拉锥的方法，如采用二氧化碳激光器熔融拉制形成如图2所示的包括两个锥腰的四锥结构的四锥传感光纤13；锥腰的直径为50-70微米，两个锥腰的间距大于1cm。

同理，四锥传感光纤13也可以采用多模光纤拉锥制成。

在本实施例中，光电探测器15可以通过蓝牙等无线传输方式连接上位机16，以确保整体装置的轻便性。上位机16当中的生命体征参数提取和分析算法模块用于处理光电探测器15输出的原始信号，然后得到生命体征参数信息。

本实施例的具体工作方法和原理如下：

如图3所示，在初始状态下，设（激光）光源11的工作波长为λ，此时四锥传感光纤13的输出功率为p；当入射光在四锥传感光纤13的第一锥腰131处传播时，芯模被分裂为基模和高阶模，基模和高阶模都在光纤中传输，然后累积相移；基模和高阶模在第二锥腰132处重新组合、干涉；假设只有两个模式共同传播，当两个场组合在一起并产生一个与波长相关的强度干涉时，形成飘移前光谱31，四锥传感光纤13的干涉输出可以表示为:

；

；

其中表示干涉信号的强度，、分别是四锥传感光纤13纤芯基模和最低阶包层模式的强度；、分别为四锥传感光纤13纤芯基模和最低阶包层模的有效折射率；l为光纤两个锥腰的间距；

受到人体的体动、呼吸、心跳的扰动，折射率和器件长度会发生变化，四锥传感光纤13的光谱发生漂移，形成飘移后光谱32，工作波长处的光强发生变化；此时四锥传感光纤13的输出功率由p变化为；如图4所示，上位机16通过对光电探测器15采集信号的分析即可获得生命体征参数信息，由于心跳基频信号干扰严重，其中心跳信息采用fft高次谐波提取。

若采用多模光纤制作干涉仪，其工作原理属于多光束干涉，结果类似。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于四锥光纤干涉仪的生命体征参数监测装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。