一种基于定向耦合器的切脉传感器及脉象测量装置的制作方法

本发明属于集成光波导领域，更具体地，涉及一种基于定向耦合器的切脉传感器及脉象测量装置。

背景技术：

在中医诊断中，“望”、“闻”、“问”、“切”是四种最基础重要的诊法，合称四诊。其中“切”指的就是切脉，传统切脉方式是医者通过手指在腕后桡动脉搏动处体察脉象的变化，从而辨别脏腑功能盛衰和气血津精虚滞。从现代生物学角度来看，脉搏是内心脏射血活动引起的一种血液和血管壁的振荡，由于受到不同频率成分谐波的离散、血液和血管壁的粘滞性对脉搏波的阻尼作用以及外周脉管产生的反射波的叠加等因素影响，脉搏波发生了较大的改变并携带了丰富的生理信息。然而在传统的切脉过程中，依赖的是医生对脉象信息的主观感受，因此切脉诊断的结果很大程度上取决于医生的专业水平和工作状态，具有不确定性。此外，在切脉时需要先找到患者寸口的寸关尺三部，这提高了对医生诊断水平的要求并且降低了诊断效率。因此需要标准化的仪器设备来检测脉象信息，从而降低中医切脉的技术难度和误诊率。

压电式传感器和压阻式传感器是目前使用较为广泛的两类脉象传感器。压电式传感器是利用其中的压电材料受力后由于压电效应会在表面产生电荷，从而将所受应力转化为电信号输出，实现对应力的传感。压阻式传感器中的压阻材料在受力形变的应变片作用下，由于压阻效应其电阻率会发生变化，从而影响输出电信号的大小，实现对应力的传感。

压电式传感器和压阻式传感器能够在一定程度上降低切脉的技术难度和误诊率，但是在实际使用中仍存在着局限性。压电式传感器的输出直流响应差，且电荷易跑失而难以进行静态测量，导致在对微弱脉象进行检测时灵敏度不够高；压阻式传感器中的压阻材料和压变片由乳合剂粘合，由于乳合剂的蠕变、机械滞后和非线性限制了压阻式传感器的精度、灵敏度及线性度。此外，这两类传感器在检测前仍需要人为寻找寸关尺三部的位置并且只检测这三个点处的脉象，不能反映整个寸口的脉象信息。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于定向耦合器的切脉传感器及脉象测量装置，其目的在于，解决现有的脉象传感器灵敏度低、采集信息不足以及依赖于人工的问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于定向耦合器的切脉传感器，包括：弹性薄膜以及嵌入在弹性薄膜内的脉搏传感单元阵列；

脉搏传感单元阵列中，每个脉搏传感单元包括1×2定向耦合器、第一光电探测器以及第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器分别与1×2定向耦合器的两个输出端相连接，分别用于检测1×2定向耦合器两个输出端的输出光强度并转换为电信号；1×2定向耦合器的输入端作为脉搏传感单元的输入端，第一光电探测器的输出端作为脉搏传感单元的第二输出端，第二光电探测器的输出端作为脉搏传感单元的第二输出端；

工作时，输入激光经脉搏传感单元的输入端输入，弹性薄膜贴合在腕后桡动脉搏动处，有脉搏跳动时，弹性薄膜会因受力而发生形变，使得相应位置处的脉搏传感单元两输出端输出的电信号发生变化，从而实现对脉搏的传感。

进一步地，弹性薄膜的材料为弹性模量小、对人体无害、绝缘的柔性材料，且其折射率低于脉搏传感单元中1×2定向耦合器的输入波导和耦合波导的折射率，以实现精确、安全的脉搏传感；作为优选地，弹性薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。

进一步地，弹性薄膜的面积大于腕后桡动脉搏动处的面积，以保证能够完整的获取到腕后桡动脉搏动处的脉象信息。

进一步地，第一光电探测器和第二光电探测器均为p-i-n锗探测器。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面提供的基于定向耦合器的切脉传感器的脉象测量装置，包括：激光器阵列、光功分器阵列、切脉传感器以及a/d转换电路；

光功分器阵列与激光器阵列集成在一起，光功分器阵列中的每一个光功分器的输入端分别与激光器阵列中的一个激光器的输出端相连接，每一个光功分器的一个输出端分别与一个脉搏传感单元的输入端相连接；光功分器用于将激光器输出的一路激光分为n路激光后，分别输入至n个脉搏传感单元；

所有脉搏传感单元的输出端均与a/d转换电路的输入端相连接，a/d转换电路用于将各脉搏传感单元输出的电信号转换为数字信号；

其中，切脉传感器为本发明第一方面提供的基于定向耦合器的切脉传感器的脉象测量装置，光功分器的分光比为1:n。

进一步地，本发明第二方面提供的脉象测量装置，还包括激光器控制电路；

激光器控制电路与激光器阵列中的各激光器相连，用于控制激光器阵列中激光器的开关与功率大小，以根据实际测量的空间分辨率要求和被测对象的脉搏强度进行灵活调整。

进一步地，本发明第二方面提供的脉象测量装置，还包括可伸缩护腕，可伸缩护腕两端设置有固定部件；

激光器阵列、光功分器阵列、切脉传感器以及a/d转换电路均固定在可伸缩护腕的中部；

工作时，可伸缩护腕佩戴于被测对象的腕部，其两端通过固定部件固定在一起，以使得切脉传感器均匀紧实地贴合在腕后桡动脉搏动处。

进一步地，可伸缩护腕具有良好的收缩性，以保证切脉传感器能够均匀紧实地贴合在腕后桡动脉搏动处，从而切脉传感器可以感应到传感区域各个位置的受力变化，准确检测脉象信息；作为进一步优选地，可伸缩护腕为压缩尼龙护腕。

进一步地，可伸缩护腕两端的固定部件为魔术贴，魔术贴的勾面和毛面分别位于可伸缩护腕的两端，且分别位于正、反两侧。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提供的基于定向耦合器的切脉传感器及脉象测量装置，由弹性薄膜和嵌入在弹性薄膜内部的脉搏传感单元阵列完成腕后桡动脉搏动处各个位置的脉搏传感，弹性薄膜和脉搏传感单元中的定向耦合器的灵敏度高，因此，本发明的传感灵敏度高，无需人为定位寸关尺三部的准确位置，并且能够获取到整个桡动脉搏动处的二维脉搏信息。总的来说，本发明能够有效解决现有的脉象传感器灵敏度低、采集信息不足以及依赖于人工的问题。

(2)本发明所提供的基于定向耦合器的切脉传感器及脉象测量装置，由于定向耦合器的体积很小，相应地脉搏传感单元的体积也很小，脉搏传感单元阵列中的单元数量可以设置很多，因此，本发明能够取得很高的空间分辨率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的脉象测量装置示意图；

图2为本发明实施例提供的基于定向耦合器的脉搏传感单元示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1——压缩尼龙护腕，2——魔术贴毛面，3——魔术贴勾面，4——二氧化硅衬底，5——电致发光锗硅激光器，6——光功分器，7——激光器控制电路，8——激光器控制电路电源插口，9——聚二甲基硅氧烷薄膜，10——脉搏传感单元，11——a/d转换电路，12——a/d转换电路电源插口，13——a/d转换电路信号输出口，14——输入波导，15——耦合波导，16——输入波导p-i-n锗探测器，17——耦合波导p-i-n锗探测器，18——输入波导p-i-n锗探测器的正电极，19——输入波导p-i-n锗探测器的负电极，20——耦合波导p-i-n锗探测器的正电极，21——耦合波导p-i-n锗探测器的负电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了解决现有的脉象传感器灵敏度低、采集信息不足以及依赖于人工的问题，本发明提供的基于定向耦合器的切脉传感器，如图1所示，包括：弹性薄膜以及嵌入在弹性薄膜内的脉搏传感单元阵列；

弹性薄膜的材料为弹性模量小、对人体无害、绝缘的柔性材料，且其折射率低于脉搏传感单元中1×2定向耦合器的输入波导和耦合波导的折射率，以实现精确、安全的脉搏传感；在本实施例中，弹性薄膜为聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜9；弹性薄膜的面积大于腕后桡动脉搏动处的面积，以保证能够完整的获取到腕后桡动脉搏动处的脉象信息；

脉搏传感单元阵列中，每个脉搏传感单元10的结构如图2所示，包括1×2定向耦合器、第一光电探测器以及第二光电探测器；如图2所示，1×2定向耦合器包括输入波导14和耦合波导15，输入波导14的输入端为1×2定向耦合器的输入端，输入波导14和耦合波导15的输出端为1×2定向耦合器的两个输出端，输入波导14和耦合波导15之间有一部分平行的耦合区域，在该耦合区域内输入光会在两条波导间交替耦合传输；在本实施例中，第一光电探测器为输入波导p-i-n锗探测器16，第二光电探测器为耦合波导p-i-n锗探测器17，输入波导p-i-n锗探测器16的正电极18和输入波导p-i-n锗探测器16的负电极19共同构成输入波导p-i-n锗探测器16的输出端，耦合波导p-i-n锗探测器17的正电极20和耦合波导p-i-n锗探测器17的负电极21共同构成耦合波导p-i-n锗探测器17的输出端；输入波导p-i-n锗探测器16与输入波导14的输出端相连，耦合波导p-i-n锗探测器17与耦合波导15的输出端相连，输入波导p-i-n锗探测器16和耦合波导p-i-n锗探测器17分别用于检测1×2定向耦合器两个输出端的输出光强度并转换为电信号；1×2定向耦合器的输入端作为脉搏传感单元的输入端，输入波导p-i-n锗探测器16的输出端作为脉搏传感单元的第二输出端，耦合波导p-i-n锗探测器17的输出端作为脉搏传感单元的第二输出端；

工作时，输入激光经脉搏传感单元的输入端输入，弹性薄膜贴合在腕后桡动脉搏动处，有脉搏跳动时，弹性薄膜会因受力而发生形变，从而相应位置处的脉搏传感单元中1×2定向耦合器的耦合区域内，输入波导14和耦合波导15之间的距离会发生变化，最终影响到1×2定向耦合器两个输出端的光强，p-i-n锗探测器将两个输出光强转化所得的电信号也会发生变化，从而实现对脉搏的传感。

为便于实施，上述基于定向耦合器的切脉传感器工作时，输入激光的波长可选择为1550nm，该波段是商用的标准通信波段，已经有了与该波段配套的成熟的定向耦合器、激光器、光功分器、光电探测器等光学器件。

应当理解的是，为便于阐明上述切脉传感器的结构和实施原理，图1仅示出了脉搏传感单元阵列中的部分传感单元，“.”表示省略部分，具体应用时其空间分辨率和测量面积取决于脉搏传感单元的数量。

如图1所示，基于上述切脉传感器，本发明提供的脉象测量装置，包括：可伸缩护腕、激光器控制电路7、激光器阵列、光功分器阵列、切脉传感器以及a/d转换电路11；

其中，切脉传感器为上述基于定向耦合器的切脉传感器；

光功分器阵列与激光器阵列集成在二氧化硅衬底4上，光功分器阵列中的每一个光功分器6的输入端分别与激光器阵列中的一个激光器的输出端相连接，每一个光功分器的一个输出端分别与一个脉搏传感单元的输入端相连接；光功分器的分光比为1:n，光功分器用于将激光器输出的一路激光分为n路激光后，分别输入至n个脉搏传感单元；在本实施例中，激光器阵列中的激光器为电致发光锗硅激光器5；

所有脉搏传感单元10的输出端均与a/d转换电路11的输入端相连接，a/d转换电路11用于将各脉搏传感单元10输出的电信号转换为数字信号；a/d转换电路11的信号输出口13可与计算机连接以输出数字信号；

激光器控制电路7与激光器阵列中的各电致发光锗硅激光器5相连，用于控制激光器阵列中激光器的开关与功率大小，以根据实际测量的空间分辨率要求和被测对象的脉搏强度进行灵活调整；

可伸缩护腕具有良好的收缩性，以保证切脉传感器能够均匀紧实地贴合在腕后桡动脉搏动处，从而切脉传感器可以感应到传感区域各个位置的受力变化，准确检测脉象信息；在本实施例中，可伸缩护腕为压缩尼龙护腕1；激光器阵列、光功分器阵列、切脉传感器以及a/d转换电路11均固定在压缩尼龙护腕1的中部；

在压缩尼龙护腕1上还设置激光器控制电路电源插口8和a/d转换电路电源插口12，分别对激光器控制电路7和a/d转换电路11供电；

在压缩尼龙护腕1的两端设置有魔术贴作为固定部件，魔术贴毛面2和魔术贴勾面3分别位于压缩尼龙护腕1的两端，并且分别位于正、反两侧，魔术贴与压缩尼龙护腕1共同形成一个松紧可调节的护腕；

工作时，可伸缩护腕佩戴于被测对象的腕部，其两端通过魔术贴固定在一起，以使得切脉传感器均匀紧实地贴合在腕后桡动脉搏动处。

上述切脉传感器及脉象测量装置，由弹性薄膜和嵌入在弹性薄膜内部的脉搏传感单元阵列完成腕后桡动脉搏动处各个位置的脉搏传感，弹性薄膜和脉搏传感单元中的定向耦合器的灵敏度高，因此，上述切脉传感器及脉象测量装置传感灵敏度高，无需人为定位寸关尺三部的准确位置，并且能够获取到整个桡动脉搏动处的二维脉搏信息，能够有效解决现有的脉象传感器灵敏度低、采集信息不足以及依赖于人工的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。