阅读说明：本技术 一种可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置 (Wearable optical fiber breathing tidal volume detection device ) 是由 贾大功 秦耀泽 王睿航 张红霞 刘铁根 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置,包括一个柔性弹性带,柔性弹性带上固定有一个弹性拱形基板,弹性拱形基板上有通过光纤与宽带光源相连的传感器；传感器依次连接有光电探测器和数据采集卡,数据采集卡通过蓝牙模块与PC上位机相连；传感器采用单模-少模-单模级联结构的M-Z型光纤传感器；宽带光源发出的入射光,经光纤传输到M-Z型光纤传感器后发生干涉,干涉光谱被光电探测器接收,光电探测器将光强信号转换为电压信号后由数据采集卡采集并通过蓝牙模块传入上位机存储,上位机对数据进行处理,并显示波形。本发明结构简单、易于制备、灵敏度高、不受电磁干扰,传感器易于封装、测量精准,能够对穿戴者呼吸进行实时监测。(The invention discloses a wearable optical fiber breathing tidal volume detection device, which comprises a flexible elastic belt, wherein an elastic arched substrate is fixed on the flexible elastic belt, and a sensor connected with a broadband light source through an optical fiber is arranged on the elastic arched substrate; the sensor is sequentially connected with a photoelectric detector and a data acquisition card, and the data acquisition card is connected with a PC upper computer through a Bluetooth module; the sensor adopts an M-Z type optical fiber sensor with a single-mode-few-mode-single-mode cascade structure; incident light emitted by the broadband light source is transmitted to the M-Z type optical fiber sensor through the optical fiber and then interferes, an interference spectrum is received by the photoelectric detector, the photoelectric detector converts a light intensity signal into a voltage signal, the voltage signal is collected by the data acquisition card and transmitted to the upper computer through the Bluetooth module for storage, and the upper computer processes data and displays a waveform. The invention has simple structure, easy preparation, high sensitivity, no electromagnetic interference, easy packaging of the sensor, accurate measurement and real-time monitoring of the breath of a wearer.)

一种可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置

技术领域

本发明涉及一种医学信号检测装置，特别是涉及一种基于M-Z干涉原理的可穿戴光纤传感器，以实现对呼吸潮气量的检测。

背景技术

呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分，用于评价病人呼吸功能状态、诊断呼吸障碍的类型和程度以及动态监测高危病人的呼吸功能。患者无论是呼吸系统本身的病变，还是其他重要脏器的病变，发展到一定程度都会影响呼吸中枢。呼吸功能的衰竭与其他脏器功能的衰竭互为因果，因此，做好呼吸功能检测对疾病的治疗至关重要。在呼吸信号中，呼吸潮气量是一个重要的检测指标，潮气量作为肺部单次吸入与吸出的气量参数可直观体现呼吸的深度，潮气量的异常与不规律通常暗示潜在的疾病或临床危机，因此对呼吸信号中潮气量的测量具有重要的研究价值与实际意义。

目前在呼吸潮气量测量领域，大多数方法都是基于利用呼吸面罩的方法。其中申请公布号为CN108904938A的住哪里文献中，披露了一种带有触控显示屏和压力表的呼吸潮气量测量装置，这种装置将呼吸测量气囊和呼吸面罩相结合，呼吸气囊底部设有进气管，气囊的顶部设有出气管，出气管的内部设有单向阀，出气管的另一侧连接有过滤装置和呼吸面罩。这种装置可以对患者吸入的呼吸气体进行过滤，且可以通过显示屏和压力表测量患者的呼吸潮气量。但是这种装置的测量方式是基于呼吸面罩的测量方法，适合短时间对患者呼吸潮气量进行测量，不适合对患者自然状态下呼吸潮气量的监测，在很多医疗场合中还是不适用的。

专利授权公告号为CN206434676U的专利文献中，披露了《一种潮气量可视化监测呼吸器》，主要应用于测量麻醉状态下患者的呼吸潮气量动度，它由呼吸腔、气囊、活塞、氧气管以及一些连接头组成，呼吸腔的上端连接有转弯连接头，转弯连接头的底端连接有气囊，呼吸腔的左端连接安装有呼吸管，呼吸管最终用于病人呼吸。该发明也是通过连接在患者口端的呼吸设施来测量患者呼吸的潮气量，最终达到调整供应患者呼吸的呼吸器的供气量以及监测患者呼吸状态的目的。该发明效果显著，但一般只应用于麻醉状态后的患者，结构复杂，不能做成轻便化可穿戴的设备，不适合对患者大多数状态下实时地监测和预防。

专利公开号为CNI01324443A的专利文献中披露了一种空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法，该专利基于白光干涉原理和空分复用技术，通过单模与多个光纤干涉仪级联再由另一段单模光纤输出到反射镜或光电探测器，构造光纤干涉仪阵列或者网络，实现呼吸信号的检测。

2016年，天津大学提出一种呼吸力学参数检测系统，可以用于潮气量的测量。这种系统由监测模块和进行数据处理的上位机系统组成。系统设计了一种可进行拆卸和替换的呼吸管道，通过呼吸管道对人体呼吸潮气量进行实时连续监测。其工作原理为：首先是人的呼吸气流通过呼吸面罩进入呼吸管道，之后利用硅压阻式压力传感器在呼吸管道的取压孔处采集到呼吸气压，最后传感器将呼吸信号转换成模拟电信号输出。该监测系统工作较为稳定，但是测量呼吸潮气量离不开佩戴呼吸面罩，不利于轻便化和可穿戴，难以实现患者潮气量的长时间自然状态监测。

2017年，浙江大学提出一种基于热式流量传感器提出可穿戴呼吸潮气量测量系统。该系统使用CAFS4000微流量传感器为探测器，可获得呼吸频率、潮气量等不同的肺容量参数。该测量系统使用面罩式流量传感器测量呼吸信号，但是由于面罩的存在影响人体正常的呼吸和睡眠，难以获得在自然状态下人体呼吸的潮气量的变化。

美国康涅狄格大学的Bersain A.Reyes、香港理工大学的Youngsun Kong和韩国宋春香大学的Yunyoung Nam等人联合提出一种新型光学监测呼吸潮气量的方法。该方法通过用智能手机摄像头采集志愿者胸部的运动信号，经过智能手机内部算法处理后，可得到呼吸的潮气量信号。这种测量方法简单，易于携带，但要求测量者不能移动，身体微小的移动都有可能造成测量结果的严重偏离。另外这种方法受外部环境的影响比较大，不同的外部光照条件也会造成测量结果的较大偏差。

从上面分析可以看到，对呼吸潮气量的测量是生理信号检测的重要方面。虽然近几年国内外提出了很多的测量方法，但在测量装置的测量精度和可穿戴性方面还难以达到临床现场应用要求。

发明内容

针对现有呼吸潮气量测量方法存在的问题，本发明提出一种可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置，是基于M-Z光纤传感器进行测量人体呼吸的潮气量信号，本发明实现的技术方案具有结构简单、便于使用者佩戴、精度高、抗干扰能力强、临床适用性强等优点。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置，包括一个柔性弹性带，所述柔性弹性带上固定有一个弹性拱形基板，所述弹性拱形基板上设有通过连接光纤与宽带光源相连的传感器；所述传感器连接有一个光电探测器，所述光电探测器连接有一个数据采集卡，所述数据采集卡通过一个蓝牙模块与一PC上位机相连；所述传感器采用单模-少模-单模级联结构的M-Z型光纤传感器；所述宽带光源发出的入射光，经所述连接光纤传输到所述M-Z型光纤传感器后发生干涉，干涉光谱被所述光电探测器接收，所述光电探测器将光强信号转换为电压信号后由数据采集卡采集后通过所述蓝牙模块传入所述PC上位机存储，所述PC上位机对接收到的数据进行处理，并显示波形。

进一步讲，本发明所述的可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置，其中，所述的宽带光源、连接光纤、光电探测器、数据采集卡和蓝牙模块均固定在所述柔性弹性带上，所述柔性弹性带的伸缩引起弹性拱形基板与传感器曲率的变化，进而引起干涉光谱中心波长的漂移。

本发明中，所述M-Z型光纤传感器结构为：由一段单模-少模-单模级联的光纤错位熔接而成，当入射的宽带光源经过输入单模光纤进入少模光纤时，LP₀₁和LP₁₁模式会被同时激发，两种模式的光在少模光纤中传输距离L后将发生干涉，并在输出单模光纤与少模光纤接触端面发生耦合，输出端连接光谱仪后即可获得透射干涉光谱。

L＝80mm±2mm。

与现有呼吸潮气量检测装置相比，本发明具有体积小、重量轻、结构简单、易于制备、灵敏度高、不受电磁干扰等优点，非常方便使用者进行佩戴，可以在自然状态下实时检测使用者呼吸潮气量的变化。

附图说明

图1-1是本发明可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置的结构示意图；

图1-2是人体穿戴图-1所示装置的示意图；

图2-1是本发明中传感器的封装形式主视图；

图2-2是图2-1所示封装形式的俯视图；

图3为本发明可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置进行测量的流程图。

图中：1-宽带光源，2-连接光纤，3-传感器，4-光电探测器，5-采集卡，6-蓝牙模块，7-柔性弹性带，8-弹性拱形基板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明提出的基于M-Z型光纤传感原理的可穿戴呼吸潮气量检测装置的结构示意图如图1-1所示，该装置包括一个柔性弹性带7，所述柔性弹性带7上固定有一个弹性拱形基板8，所述弹性拱形基板8上设有通过连接光纤2与宽带光源1相连的传感器3；所述传感器3连接有一个光电探测器4，所述光电探测器4连接有一个数据采集卡5，所述数据采集卡5通过一个蓝牙模块6与一PC上位机相连；所述传感器3采用单模-少模-单模级联结构的M-Z型光纤传感器。本发明所述的可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置基于强度调制原理，其中入射光由宽带光源1(HYASECG13MFA,输出功率10mW)发出，经连接光纤2传输到M-Z型光纤传感器3后发生干涉，干涉光谱被光电探测器4(PDA10CS(-EC),Thorlabs)接收，所述光电探测器4将光强信号转换为电压信号，信号由采集卡5(USB-6002,NI)采集后通过蓝牙模块6传入PC上位机存储、处理后并显示呼吸波形以及潮气量值。以固定在弹性拱形基板8和柔性弹性带7上的M-Z型光纤传感器为核心的可穿戴呼吸潮气量检测装置穿戴于人体腹部，如图1-2所示。

本发明所述的可穿戴光纤呼吸潮气量检测装置，其中，所述的宽带光源1、连接光纤2、光电探测器4、数据采集卡5和蓝牙模块6均固定在所述柔性弹性带7上，所述柔性弹性带7的伸缩引起弹性拱形基板8与传感器3曲率的变化，进而引起干涉光谱中心波长的漂移。

本发明中，所述M-Z型光纤传感器结构为：由一段单模-少模-单模级联的光纤错位熔接而成，当入射的宽带光源经过输入单模光纤进入少模光纤时，LP₀₁和LP₁₁模式会被同时激发，两种模式的光在少模光纤中传输一段距离L(约80mm左右)后将发生干涉，。并在输出单模光纤与少模光纤接触端面发生耦合，输出端连接光谱仪后即可获得透射干涉光谱。

为得到较高的测量灵敏度，如图2-1和图2-2所示，本发明中以弹性拱形结构作为传感器的基板，使得传感器在测量之前引入一定的初始曲率，例如，初始准确率可以定为2.7m^-1。弹性拱形基板8一般固定在柔性弹性带7上，柔性弹性带7的伸缩性要好，用于呼吸时能带动弹性拱形基板8进行弯曲变化。当使用者呼吸时，固定在使用者腹部的柔性弹性带7受到周向拉力发生变化，带动柔性弹性带7上的弹性拱形基板8进行弯曲变化，从而导致附着在弹性拱形基板8上的传感器3随之在线性工作区内有一定曲率的弯曲变化，随着曲率的变化，会引发连接光纤2中传输的纤芯模的光程差随之发生改变，从而引起干涉谱中心波长的漂移，通过检测干涉光谱的变化，即可获取人体呼吸时腹部的起伏波形。

为了便于使用者穿戴及实时测量，本发明中加入了蓝牙传输装置(即蓝牙模块6)。穿戴者呼吸时腹部的起伏会导致固定在使用者腹部的M-Z型光纤传感器曲率随之改变，进而引起M-Z光纤传感器输出光强的改变，经过集成的光电探测器4接收后将光学信号转化为电学信号传输给集成的采集卡5进行采集，然后通过集成的蓝牙模块6将采集卡5采集到的信号传输给上位机端进行处理。

为了通过采集使用者呼吸时腹部起伏的变化得到使用者潮气量的变化，需要针对具体的个体对检测装置进行“个性化设置”，设置的流程示意图如图3所示。本发明选取标准的肺功能测试仪(BH-AX-MAPG)作为标准潮气量的获取设备，使用者在穿戴本发明的M-Z型光纤传感器于腹部的同时要通过标准的肺功能测试仪测试呼吸潮气量随时间变化的信号。以标准肺功能仪获取的信号作为标准量，通过计算单个呼吸周期内最大体积量与最小体积量的差值即可获得潮气量信息，以穿戴于腹部的M-Z型光纤传感器获得的腹部起伏信号作为测量量，将原始的标准量和测量量数据经过去噪声等处理后，采用数据拟合等方法得到标准量和测量量之间确切的函数关系，即可将M-Z型光纤传感器测得的腹部起伏信号与潮气量进行关联，得到适用于使用者的腹部起伏信号分析模型。此后便可直接用本装置进行使用者潮气量的实时准确测量，这避免了标准的肺功能测试仪需要使用者佩戴呼吸面罩，难以实时对使用者的潮气量进行监测的缺点。“个性化设置”结束后便可直接利用本呼吸潮气量检测装置，通过测量使用者呼吸时腹部的起伏量对使用者潮气量进行准确实时测量。

所述检测装置通过用M-Z型光纤传感器直接测量呼吸时腹部的起伏量，然后经过呼吸检测系统将传感器测得的光学信号转化为电学信号，通过蓝牙模块传输给上位机存储、显示，经过分析后就可以直接得到呼吸时的潮气量值。

本发明具有结构简单、可穿戴性好、易于制备、灵敏度高、不受电磁干扰等优点，M-Z型光学传感器易于封装、测量精准，能够对使用者呼吸进行实时监测，测得的潮气量特征可以作为医学诊断的依据以及人体生理健康的重要检测指标，因此本发明具有重要的参考价值和实际意义。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。