交叉引用的相關(guān)申請

本申請根據(jù)35u.s.c§119(e)主張美國臨時申請第62/057237號，申請日為2014年9月30日的優(yōu)先權(quán)，在此以引用的方式將全文并入本申請中。

本發(fā)明主要涉及光纖領(lǐng)域，特別涉及光纖傳感器及方法，用于監(jiān)測病人的生理參數(shù)。

背景技術(shù)：

隨著互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)字醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的到來，健康和健康監(jiān)測已成為一個日益關(guān)注的領(lǐng)域。監(jiān)控生命體征諸如心率、心沖擊信號以及呼吸率，在醫(yī)療保健機構(gòu)內(nèi)外都是需要的。在醫(yī)療機構(gòu)內(nèi)，生命體征跟蹤可能是必不可少的：對于醫(yī)療服務(wù)提供者不在床邊時確?；颊甙踩?、診斷疾病、監(jiān)測病人的進展、規(guī)劃病人的護理。在醫(yī)療機構(gòu)外，跟蹤生命體征及姿態(tài)使個人能將他們的健康狀況量化和概念化，因此，幫助個人保持關(guān)注他們的健康和健康需要、明確進度、保持實現(xiàn)健康和健身目標(biāo)所需的動力。

當(dāng)前消費品市場上的生命體征追蹤器相當(dāng)紛擾，例如，當(dāng)前心率監(jiān)視器通常需要把監(jiān)視器放在病人的胸腔周圍。很多生命體征追蹤器僅包括一種類型的傳感器僅監(jiān)測一種生命體征，諸如，例如心率。另外，在消費品市場很多生命體征監(jiān)控器很不準(zhǔn)確的。在醫(yī)療機構(gòu)內(nèi)部，也有很多更精確的設(shè)備，但通常是很大的設(shè)備且放在病床邊，需要連接到插座和用導(dǎo)線連接到患者。這些床頭設(shè)備的附件會引起病人的焦慮，而且設(shè)備昂貴，不易攜帶，容易產(chǎn)生電磁干擾(emi)。

在研究替代現(xiàn)有生命體征監(jiān)控器設(shè)備方面，光纖傳感器已經(jīng)獲得了越來越多的關(guān)注。光纖傳感器具有化學(xué)惰性且抗emi。進一步地，他們可以攜帶并集成到設(shè)備中，諸如床墊和墊子中。固定裝置集成設(shè)備(fixture-integrateddevices)比起床邊設(shè)備和可穿戴設(shè)備具有更多優(yōu)勢。例如，固定裝置集成設(shè)備允許減少傳感器、電子產(chǎn)品和電源之間的松散連接線或無線數(shù)據(jù)發(fā)射機。這種減少可以導(dǎo)致更高的可靠性、數(shù)據(jù)質(zhì)量和安全性。

然而，光纖傳感器發(fā)展至今，并沒有被證明是傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)的合適替代。例如，題為“光纖傳感器嵌入醫(yī)療監(jiān)控用醫(yī)用紡織品”一文，《ieee傳感器》期刊，2008年8(7)，第1215-1222頁，作者格里耶等人建議將單模宏彎光纖傳感器集成到測量呼吸速率的帶子中。由于纖維軸宏觀偏離直線，宏彎傳感器通常會遇到顯著的光損失，導(dǎo)致低靈敏度。這種傳感器不可能探測到需要精確測量心率或心沖擊信號的胸壁的細(xì)微活動。

在努力提高靈敏度方面，有人提出光纖傳感器的替代方法。例如，美國專利第6,498,652號，瓦沙尼亞等人揭露了一種光纖監(jiān)控器，其利用光學(xué)相位干涉法來監(jiān)控患者生命體征。光學(xué)相位干涉法有一些限制。例如，法布里-珀羅(fabry-perot)干涉型傳感器和馬赫曾德耳(mach-zehader)干涉型傳感器對身體的機械振動敏感，同時也對身體之外的機械振動、以及溫度、聲波、磁場、以及環(huán)境噪聲高度敏感。因此，如果沒有適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，干涉型傳感器不適合用于監(jiān)控生命體征，因為環(huán)境噪聲引起相變而導(dǎo)致的信號衰落和不準(zhǔn)確性造成不可靠性能。過濾環(huán)境噪聲所需的設(shè)備包括昂貴的相位調(diào)制器和相干光源，顯著增加成本和復(fù)雜性且使得這種傳感器并不適于商業(yè)廣泛應(yīng)用。其他建議的設(shè)計也是設(shè)法平衡靈敏度、準(zhǔn)確性和成本。

進一步地，多數(shù)生命體征光纖傳感器的發(fā)展僅限于檢測心率、呼吸率和/或表示身體位置變化的宏運動。這些傳感器的主要限制是不能獲得高靈敏度的心沖擊(bcg)波形。bcg是一種用來記錄由于心臟的機械活動而產(chǎn)生的身體振動的技術(shù)。特別是，bcg測量在心博周期內(nèi)與心臟收縮相關(guān)的力產(chǎn)生的心臟整體活動和血液循環(huán)。從歷史上看，bcg波形需要使用非常大的懸吊臺支撐躺在其上的病人；這樣一個懸吊臺很沉重、非便攜的、且需要大量機械維修。由于復(fù)雜的系統(tǒng)要求，在二十世紀(jì)，bcg并沒有得到太多的關(guān)注或使用；然而，可靠的bcg波形可提供病人心臟健康的重要見解。除了揭示病人的心跳不引人注目外、實時bcg波形在確定心率變異性方面非常有用，心率變異性是身體壓力的標(biāo)志。進一步地，比較bcg和eeg波形，特別是，eeg波形的r峰與bcg波形的j峰之間的時間檢測，表示每一搏動的血壓變化。另外，如前所述，例如，在e﹒皮涅魯?shù)劝l(fā)表的題為“在不引人注目的心血管系統(tǒng)表現(xiàn)方面的理論和發(fā)展；心沖擊圖”一文，《開放生物醫(yī)學(xué)工程》雜志，2010年第4期第201-216頁，其全文內(nèi)容在此以引用的方式并入，已發(fā)現(xiàn)和建議bcg波形的特點與很多疾病相關(guān)。例如，從心絞痛、無癥狀性冠狀動脈疾病、急性心肌梗塞、高血壓、主動脈縮窄以及二尖瓣狹窄等僅舉幾例的個體檢測到不規(guī)則的bcg波形。

盡管監(jiān)控bcg有臨床價值，但在醫(yī)療機構(gòu)中并非常規(guī)監(jiān)測，因為缺乏合適的檢測系統(tǒng)。檢測bcg波形需要一定的靈敏度和精度，而這正是現(xiàn)有傳感器所缺乏的。因此，需要能夠可靠地檢測bcg波形的生理參數(shù)監(jiān)測裝置。也需要檢測生命體征的方法，包括bcg波形，以克服現(xiàn)有方法的局限性。因此，需要一種新型而有用的生命體征光纖傳感器及其相關(guān)使用方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供新型而有用的光纖傳感器及其相關(guān)系統(tǒng)和方法用于監(jiān)控bcg波形以及其他生命體征。在此提供的各種實施例克服了先前設(shè)計的生命體征光纖檢測系統(tǒng)的一種或多種缺陷。

本發(fā)明的多個目的在于揭露生命體征光纖傳感器以及檢測生命體征的相關(guān)方法。各種實施例的生命體征傳感器包括單層網(wǎng)格(例如，網(wǎng)眼)結(jié)構(gòu)以及連接到led光源的多模光纖。各種實施例的所述傳感器配置成能獲得高靈敏度和低成本來監(jiān)控心跳動力學(xué)、呼吸模式和身體活動。患者身體的心跳動力學(xué)、呼吸模式和身體活動導(dǎo)致微觀或宏觀運動從而施加力在所述網(wǎng)格上。作為響應(yīng)，所述單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在多模光纖上施加一連續(xù)的作用力或壓力。所述心跳動力學(xué)、呼吸模式和身體活動各自施加一作用力于所述傳感器上，其導(dǎo)致傳感器的光纖微彎且因此調(diào)節(jié)多模光纖中傳輸?shù)墓獾膹姸?。所述系統(tǒng)通過監(jiān)測直接從多模光纖中出來的光的強度變化，從而獲得心跳動力學(xué)、呼吸模式和/或其他身體活動的信號。

因為主要傳感器結(jié)構(gòu)由多模光纖、一層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、一led光源以及一光信號接收器組成，因此各種實施例的傳感器均獲得很高的靈敏度以及很低的成本。特別地，在各種實施例中，這些組件不變，而可以改變傳感器的大小和形狀到任何尺寸和形狀，但成本卻基本相同。本發(fā)明的各種實施例中，led光源和光信號接收器用于檢測光強度變化。不需要額外的光耦合器或光干涉結(jié)構(gòu)來解調(diào)信號。因此，所述系統(tǒng)的成本比光干涉型系統(tǒng)的成本顯著降低。除了節(jié)約成本外，使用最小結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高靈敏度。高靈敏度允許各種實施例的傳感器檢測和提供除其他生命體征之外的具體的心沖擊波形。

本發(fā)明的一個目的在于揭露一種用于檢測生理參數(shù)的傳感器。各種實施例的傳感器包括多模光纖、led光源、led驅(qū)動器、接收器以及一變形結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，多模光纖包括內(nèi)芯、包層和外涂層。且在光纖中，內(nèi)芯的直徑大于包層直徑的50％。所述led光源與所述光纖的第一端耦合且將光發(fā)射到所述光纖的第一端。led驅(qū)動器電耦合于所述led光源且配置成能調(diào)節(jié)led光源的功率從而調(diào)節(jié)發(fā)射到光纖中的初始光強。接收器耦合于光纖第二端且配置成能檢測穿過光纖的光的強度變化。變形結(jié)構(gòu)由形成有開口的網(wǎng)眼的單層網(wǎng)格層(singlemeshlayer)構(gòu)成。在一些實施例中，所述開口的表面積占網(wǎng)格層總表面積的30％至60％之間。各種實施例的光纖被布置在一平面內(nèi)與變形結(jié)構(gòu)的表面接觸，因此，向傳感器上施加力可導(dǎo)致光纖的第一部分彎曲進入網(wǎng)格層一個開孔內(nèi)且光纖第二部分則彎曲抵靠于所述網(wǎng)眼。各種實施例中，光纖的這種變形導(dǎo)致通過包層的光損耗，因此調(diào)解到達接收器的光強度。

在一些實施例中，簡化光纖傳感器配置成能檢測患者的心沖擊圖。光纖傳感器也可用于檢測患者的心率、呼吸速率或宏運動。

這里所用的，在各種實施例中，光纖的總直徑是由橫穿內(nèi)芯、包層和外涂層的直徑組成。

一些實施例中的網(wǎng)格層是由交織的纖維構(gòu)成。在一些實施例中，每根交織的纖維的直徑是光纖總直徑的25％以內(nèi)。又例如，在一些實施例中，每根交織的纖維的直徑是光纖總直徑的75％～125％。在一些實施例中，所述交織纖維包括一聚合物織物。一些實施例中的網(wǎng)格層被配置成能均勻地分配施加在光纖上的力。在一些實施例中，所述網(wǎng)格層的開口是光纖總直徑的100％～300％。在一些實施例中，所述網(wǎng)格層的開口是光纖總直徑的130％～170％。

一些實施例中的光纖布置在所述平面內(nèi)，以利于光纖的彎曲直徑大于1.5cm。在一些實施例中，光纖最少10米長。

在一些實施例中，led光源是一個低功率led，具有1310nm或850nm中心波長和165nm半峰全寬(fullwidthathalfmaximum,fwhm)。一些實施例中,光纖是通過直接光纖連接器耦合于led光源和接收器，而不需要使用單獨的引導(dǎo)纖維。在一些實施例中，光纖數(shù)值孔徑小于或等于0.29μm。

一些實施例中，傳感器也包括一種柔性外罩以封閉光纖和變形結(jié)構(gòu)。一些實施例的所述外罩由硅樹脂制成。

本發(fā)明的另一目的在于揭露一種檢測生理參數(shù)的方法。各種實施例的所述方法包括：定位一傳感器在身體下方，其中所述傳感器包括：由內(nèi)芯、包層和外涂層構(gòu)成的多模光纖，其中光纖內(nèi)芯直徑大于包層直徑的50％；耦合于光纖的第一端的光源；電耦合于led光源且調(diào)節(jié)led光源功率的led驅(qū)動器；耦合于光纖第二端的接收器；以及一變形結(jié)構(gòu)。所述變形結(jié)構(gòu)由設(shè)有開口的單層網(wǎng)格層構(gòu)成，所述開口的表面積占網(wǎng)格層總表面積的30％至60％之間。光纖被布置在與變形結(jié)構(gòu)的表面接觸的平面內(nèi)。各種實施例所述的方法進一步包括：用接收器檢測穿過光纖的光強度變化，其中光強變化對應(yīng)于由身體活動引起的光纖變形；以及根據(jù)光強變化確定生理參數(shù)。

身體活動可以是宏運動(macro-movement)，諸如身體位置的改變；或者身體活動也可以是微觀運動，這些運動諸如由心臟收縮、通過血管的血液的加速或身體的呼吸等引起的運動。一些實施例中，確定生理參數(shù)的方法是或包括心沖擊波形(bcg)。在這些實施例中，確定生理參數(shù)包括：確定身體的bcg波形；確定身體的心電圖(eeg)波形；以及計算eeg波形的r峰和bcg波形的j峰之間的時間從而確定每一搏動的血壓變化。

在一些實施例中，確定生理參數(shù)包括：記錄接收器檢測的信號；將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形；從數(shù)字波形中過濾呼吸和身體活動波形從而提取心跳波形；通過將心跳波形分離為用于時域分析的第一信道以及用于頻域分析的第二信道，從心跳波形識別心跳峰值；以及在頻域應(yīng)用快速傅立葉變換(fft)，而得到心跳速率值。

上述技術(shù)特征，以及本發(fā)明技術(shù)方案的其他特征、目的和優(yōu)點將結(jié)合本發(fā)明的各種實施例及附圖進行描述。然而，所揭露的說明性實施例僅僅是示例，并不用于限定本發(fā)明的范圍。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種基于光強度的光纖傳感器示意圖。

圖2a和2b是現(xiàn)有技術(shù)的一種基于光強度的光纖傳感器的剖視示意圖。

圖3揭示根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)基于光強度的光纖傳感器的一種實施例的示意圖。

圖4a揭示根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的基于強度的光纖傳感器的一種實施例的剖視示意圖。

圖4b本發(fā)明實施例的網(wǎng)眼變形結(jié)構(gòu)俯視示意圖，諸如網(wǎng)眼變形結(jié)構(gòu)存在于圖4a所示實施例的基于光強度的光纖中。

圖5揭示根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的多模光纖的一種實施例的剖視示意圖。

圖6揭示根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的基于強度的光纖傳感器系統(tǒng)的一個實施例的框圖。

圖7a-7d是由本發(fā)明實施例的基于光強度的光纖傳感器系統(tǒng)分別獲得的原始數(shù)字信號、心跳和呼吸結(jié)合的波形、心跳波形和呼吸波形的一個例子。

圖8揭示通過本發(fā)明教導(dǎo)的基于強度的光纖傳感器系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)進行濾波和分析的方法的一種實施例的流程圖。

圖9a和9b揭示根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的基于光強度的光纖傳感器系統(tǒng)檢測生理參數(shù)的方法的一種實施例的流程圖。

圖10a和10b分別由現(xiàn)有技術(shù)的光纖傳感器系統(tǒng)以及本發(fā)明光纖傳感器系統(tǒng)所獲得的心沖擊波形。

具體實施方式

本發(fā)明所提供的附圖及下述某些實施例的描述并非將發(fā)明限制在這些實施例中，而是提供給本領(lǐng)域任何一個普通技術(shù)人員來制造和使用本發(fā)明。在此揭露了新的光纖傳感器及使用光纖傳感器的相關(guān)方法。特別地，揭露了使用光纖傳感器監(jiān)控生命體征的實施例。

光纖可用作傳感器來測量應(yīng)變(strain)、溫度、壓力(pressure)和其他數(shù)量，是通過改變光纖從而使得待測數(shù)量調(diào)制通過光纖的光強度、相位、偏振、波長或通過時間。光纖傳感器有四種類型：基于強度的光纖傳感器(intensity-basedfiberopticsensors)、光譜光纖傳感器(spectrallybasedfiber-opticsensors)、干涉型光纖傳感器(interferometricfiber-opticsensors)、以及多路復(fù)用分布式光纖傳感器(multiplexedanddistributedopticalfibersensors)。這些類型傳感器中的兩種：干涉型光纖傳感器和基于強度的光纖傳感器在檢測生命體征方面已初見成效且在現(xiàn)有技術(shù)中已為這種目的而進行過試驗。

如前所述，例如，在瓦沙尼亞等人發(fā)明的專利號為6,498,652的美國專利中，在此引入其說明書全文，一種干涉型光纖傳感器可實現(xiàn)高靈敏度。然而，一個重要的挑戰(zhàn)在于需要從所需信號中區(qū)分環(huán)境擾動，如溫度、應(yīng)變、壓力等。原則上，通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換機械，所有的環(huán)境擾動均可能被轉(zhuǎn)換為光信號。然而，有時多個效應(yīng)可能同時以類似的方式促進和改變光纖中的光。例如，溫度、應(yīng)變、壓力或其他任何機械擾動的改變，通過改變光纖長度和折射率，而都可能影響光纖內(nèi)的光，因此很難從一個擾動區(qū)分另一個擾動。為了克服這個障礙，需要非常昂貴、復(fù)雜、高維護(high-maintenance)的設(shè)備，諸如昂貴的相位調(diào)制器和相干光源。因此，高成本，復(fù)雜性和需要連續(xù)維護等已經(jīng)限制了這類傳感器在健康與養(yǎng)身監(jiān)控方面的商業(yè)應(yīng)用。

基于強度的光纖傳感器是更簡單的傳感器，使用簡單的光源(例如，低功率led)以及不需要相位調(diào)制器的簡單檢測器就能夠工作。然而，對于光纖傳感器領(lǐng)域而言，開發(fā)簡單、低成本而又具有足夠高的靈敏度從而使得這種基于強度的光纖傳感器成為切實可行且可應(yīng)用的選擇，已證實是一種挑戰(zhàn)。已開發(fā)多種光強度傳感器以期努力獲得足夠的靈敏度。一種基于強度的光纖傳感器，特別是顯示了一些希望：是光纖微彎傳感器。光纖微彎傳感器依賴于例如因外力或壓力導(dǎo)致光纖微彎，從而誘導(dǎo)光強度調(diào)制。多模光纖的微彎誘導(dǎo)強度調(diào)制被認(rèn)為是一種用于檢測環(huán)境變化諸如壓力、溫度、加速度、磁場和電場的傳導(dǎo)機制(transductionmechanism)。光纖的微彎局部導(dǎo)致光纖內(nèi)傳播的光的強度調(diào)制。微彎技術(shù)早在19世紀(jì)70年代開始研究，然而近40年后，目前仍沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格或測試方法。那是因為有太多的參數(shù)影響光纖微彎性能，包括光纖長度、反射率、光纖內(nèi)芯和包層直徑，以及變形剛度(deformerstiffness)、材料、周期性、直徑等。進一步地，如下文所述，過去的研究者沒有開發(fā)出靈敏可靠且足以在實驗室以外持續(xù)準(zhǔn)確地檢測bcg波形的光纖微彎傳感器結(jié)構(gòu)。

光纖微彎傳感器

圖1揭示的是現(xiàn)有技術(shù)的光纖微彎傳感器。傳感器100包括一雙變形結(jié)構(gòu)(dualdeformerstructure)，其包括一頂部網(wǎng)格層102以及一底部網(wǎng)格層104，該兩層之間夾入光纖106。光纖106的第一端與光源108連接，光纖106的第二端與信號接收器110連接。信號接收器進一步與信號放大器112及信號處理單元114耦合。光源108的電子元器件、信號接收器110、放大器112以及信號處理單元114共同構(gòu)成檢測單元116。類似的光纖微彎傳感器的揭露，例如，陳等人發(fā)明的美國專利申請公開第2012/0203117號，在此引入其揭露的全部內(nèi)容。陳等人揭露了用多模光纖微彎傳感器(microbendingmultimodefiberopticsensor)同時測量呼吸速率和心率。類似結(jié)構(gòu)例如陳等人發(fā)表的題為“家用便攜式光纖心沖擊傳感器”，2012年出版，第8218卷，第82180x--82180x—7頁，在此引入其揭露的全部內(nèi)容。

人們普遍認(rèn)為、如陳等人所述，雙變形結(jié)構(gòu)是必須的，以產(chǎn)生足夠大的微彎響應(yīng)從而可檢測身體的微觀運動、生理參數(shù)指標(biāo)如心跳和呼吸等。據(jù)推測及教導(dǎo)，光纖的每一側(cè)需要放置一個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在且要對齊，使得一個網(wǎng)格層的纖維直接居中在另一網(wǎng)格層的開口內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)在光纖的頂側(cè)和底側(cè)都產(chǎn)生壓力點，有利于纖維變形。

已有開發(fā)出方程式來解釋這種現(xiàn)象并確定雙變形結(jié)構(gòu)的理想尺寸和布置?，F(xiàn)有技術(shù)的雙變形結(jié)構(gòu)例如圖2a和2b所示。

如圖2a和圖2b所示，光纖100放置于雙變形結(jié)構(gòu)200內(nèi)，雙變形結(jié)構(gòu)200是由一交織纖維頂層202和一交織纖維底層204構(gòu)成。光纖100夾入雙變形結(jié)構(gòu)200的所述兩層之間。一蓋體206包圍所述雙變形結(jié)構(gòu)。雙變形結(jié)構(gòu)的總高度為ls。變形結(jié)構(gòu)的層內(nèi)周期(intra-layerperiodicityofthedeformer)，是指一個網(wǎng)格層內(nèi)相鄰的平行纖維之間的距離，為λd。變形結(jié)構(gòu)的層間周期(inter-layerperiodicity)，是指上下層變形結(jié)構(gòu)的纖維間的水平距離，即λs。在雙變形結(jié)構(gòu)中，外力集中在光纖100在網(wǎng)狀纖維的位置上，為使力均勻施加在光纖100上，λs必須是λd的一半。為獲得最大彎曲度從而獲得最高靈敏度，λs必須是λd的一半。

變形結(jié)構(gòu)200的上層網(wǎng)格層和下層網(wǎng)格層橫向位移偏離時，所施加的力不再均勻地分布在光纖100上，且λs也不再一致。這種情況下，如圖2b所示，λs由λs1(上層網(wǎng)格層和下層網(wǎng)格層之間的纖維的左側(cè)距離)以及λs2(上層網(wǎng)格層和下層網(wǎng)格層之間的纖維的右側(cè)距離)代替。

對于一種漸變折射率、微彎曲的光纖，其變形結(jié)構(gòu)的最佳層內(nèi)周期λd是由下述方程式獲得的；

如上所述，例如，拉加科斯(lagakosetal)等人發(fā)表的題為“光纖微彎傳感器”一文，《應(yīng)用光學(xué)》(appl.opt.)雜志1987年1月出版的第26卷第11期，第2171-2180頁，在此引入其揭露的全部內(nèi)容。在方程中，a是內(nèi)芯半徑，n0是內(nèi)芯的折射率，n.a.是光纖的數(shù)值孔徑。拉加科斯等人得出測試光纖的以下數(shù)值：a＝47.5um，n.a.＝0.13，以及n0＝1.458時得出結(jié)論：層內(nèi)周期(λd)為3.35mm時壓力傳感器獲得最高微彎靈敏度。陳在美國專利申請公開第2012/0203117號中使用相同的方程式，得出結(jié)論為：周期為1.68mm。

在雙變形結(jié)構(gòu)中，通過在給定的壓力下最大化光損失，層內(nèi)周期λd的方式程可用于將壓力傳感器的性能最大化。目的是達到最高的光纖彎曲損耗。換言之，達到最高的δx。

kdualδx＝δfbending

在雙層變形結(jié)構(gòu)中，

其中ey楊氏模量(young'smodulus)，ibend是彎曲慣性矩(bendingmomentofinertia)，以及λd是層內(nèi)周期。彎曲慣性矩(ibend)表征彈性構(gòu)件的剛度，對于具有圓形截面的物體，如光纖，由以下方程給出：

其中dfiber是光纖直徑。

在雙變形結(jié)構(gòu)中，光纖250，夾入一對變形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格層202、204之間，被限制在具有周期λd的固定模式內(nèi)彎曲。變形結(jié)構(gòu)200，響應(yīng)適當(dāng)?shù)沫h(huán)境變化(environmentchange)δε，向光纖250施加力δf，使光纖產(chǎn)生變形量δx。通過彎曲光纖傳播的光的傳輸系數(shù)的變量δt則為：

其中

dδe＝δx(2)

這里d是一個常數(shù)，它取決于環(huán)境的變化δε。根據(jù)作用力δf，方程式(1)變?yōu)椋?/p>

其中kf是光纖彎曲力常數(shù)且asys/ls是力常數(shù)。這里as、ys以及l(fā)s分別是：雙層變形結(jié)構(gòu)的橫截面積、楊氏模量、以及高度。因此，光檢測器輸出信號的變化用于檢測原始環(huán)境擾動(environmentperturbation)δε。

根據(jù)變形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，原則上可以檢測各種環(huán)境參數(shù)。變形結(jié)構(gòu)將環(huán)境參數(shù)(environmentalparameter)δε的改變，根據(jù)方程式：δf＝δε*c，轉(zhuǎn)換成彎曲光纖上的力δf。對于一般的雙變形結(jié)構(gòu)，參數(shù)c可以表達為各種環(huán)境傳感器的變形參數(shù)的一個簡單函數(shù)。對于壓力傳感器，c就等于變形結(jié)構(gòu)板面積ap，如果，方程式(3)變成

其中δρ是壓力變量(changeinpressure)。如是一個高靈敏度的壓力傳感器的常數(shù)asys/ls應(yīng)該足夠小以至于有效順應(yīng)性(effectivecompliance)取決于光纖的順應(yīng)性(compliance)，其本身是相當(dāng)大的。在這種情況下，方程式(4)變成

方程式(5)可寫成方程式(1)，此時δε表示環(huán)境改變(environmentalchange)，例如，壓力和溫度，且d是由各種環(huán)境傳感器在前述方程中確定的一個常數(shù)。在一個環(huán)境擾動δε下，光電探測器(photodetector)信號輸出is為：

其中h是普朗克氏常數(shù)(planck'sconstant)，v是光頻率，q是檢測器量子效率(detectorquantumefficiency)，e是電子電荷，w0是輸入光功率。假設(shè)一個散粒噪聲檢測系統(tǒng)(shot-noise-limiteddetectionsystem)，則光電探測器噪聲的均方為：

在s/n＝1的給定條件下，可以檢測到的最小信號，為：

第一因子對于特定設(shè)計的環(huán)境傳感器而言是具體的；然而，第二因子則普遍適用于所有環(huán)境微彎傳感器。一個通用的微彎傳感器可定義為測量如方程式(2)所定義的δε。于是，結(jié)合方程式(2)和(8)可得：

其提供檢測環(huán)境擾動的光纖必須微彎的最小數(shù)量。基于這些結(jié)果，可以確定最小可探測環(huán)境變化δε。根據(jù)陳申請的美國專利申請公開第2012/0203117號，具有雙變形結(jié)構(gòu)的光纖傳感器對于心跳和呼吸作為可檢測環(huán)境擾動是足夠靈敏的。陳在題為“家用便攜式光纖心沖擊傳感”一文中進一步提議這種結(jié)構(gòu)檢測bcg波形具有足夠靈敏度的。然而，如上所述，具有雙變形結(jié)構(gòu)的傳感器的靈敏度依賴于λs等于λd的一半。當(dāng)λs不等于λd的一半時，微彎變形結(jié)構(gòu)的預(yù)定周期λd不是達到最佳的性能的優(yōu)化值。除非上部和下部的網(wǎng)格層能夠保持正確的對齊方式，否則，陳缺乏足夠的靈敏度和可靠性來監(jiān)測bcg波形。

加入專門的支撐結(jié)構(gòu)是可以保持上下網(wǎng)格層的正確對齊的；然而，這種做法大大增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，這使得系統(tǒng)對于消費者應(yīng)用，諸如長期生命體征監(jiān)控系統(tǒng)等并不切實際。

如果沒有這種昂貴的支撐結(jié)構(gòu)，在實踐中，雙變形結(jié)構(gòu)并不適合實驗室之外檢測bcg波形。雖然雙層變形結(jié)構(gòu)的兩網(wǎng)格層可以對齊地配置并產(chǎn)生靈敏可靠的實驗室結(jié)果，但當(dāng)消費者使用時，時常導(dǎo)致一個變形層相對于另一變形層滑動。生命體征監(jiān)測的實際應(yīng)用中，個人坐在或躺在光纖傳感器上，有不同方向的壓力和力量常規(guī)地施加在傳感器上。這種壓力或力可分為垂直和水平分量。垂直分量是在光纖上導(dǎo)致向下的力的分量，對應(yīng)地，微彎光纖。然而，體重的變化幾乎總是有水平分量。由病人的移動引起的水平分量誘導(dǎo)一個力，可改變網(wǎng)格層之間的周期。λs和λd的改變大大降低了系統(tǒng)的靈敏度，因為最大微彎量將不再可能獲得的。進一步地，λs和λd的改變大大降低了系統(tǒng)的可靠性，因為光纖上分布的力變得不可預(yù)測，系統(tǒng)的信號處理器執(zhí)行的所有計算都是基于假設(shè)λs和λd保持不變。因此，當(dāng)傳感器系統(tǒng)使用時，雙變形式光纖傳感器變得不可靠且敏感性降低。這對于商業(yè)應(yīng)用是不可接受的。因此，需要不同的方法和不同的結(jié)構(gòu)。

單一變形傳感器

如上所述，以前人們認(rèn)為獲得足以檢測生命體征的一個微彎量，雙變形結(jié)構(gòu)是必要的。作者驚人地發(fā)現(xiàn)：可以使用單一變形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)足以檢測生命體征，包括bcg波形的微彎量，如果光纖傳感器利用包括具有特定性能的光纖，如進一步所述，已發(fā)現(xiàn)光纖特性和單層網(wǎng)格層之間的特定關(guān)系，使這樣的系統(tǒng)獲得可靠和敏感的結(jié)果。

圖3所示為本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)的一個實施例。傳感器300包括一多模光纖302以及一單層網(wǎng)格304，二者一起夾持在在前蓋306和后蓋308之間且共同形成一傳感器片(sensorsheet)。光纖302一端連接于光源310，在一優(yōu)選的實施例中，光源310由led驅(qū)動器312操控的led光源。光纖302的另一端與光信號接收器314連接，一放大器316與光信號接收器314耦合，以放大光信號大到足夠可以用模數(shù)轉(zhuǎn)換器318進行處理。光電元件(310、312、314、416、318)與控制處理模塊320連接。所提供的傳感器配置成能用于光強度監(jiān)測，輸入光是由光源310產(chǎn)生且發(fā)射到多模光纖302中。在體重、心跳、呼吸或其他生理參數(shù)產(chǎn)生的外力的作用下，這種力均勻地分布在光纖302和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)304上。這些力使多模光纖微彎，且一些光由于微彎效應(yīng)而泄漏。光信號接收器314接收剩余光，光強度的變化量是由控制處理模塊320處理和確定的。

不同于現(xiàn)有技術(shù)的傳感器使用兩個微彎變形層，本發(fā)明的傳感器使用具有由一個單層網(wǎng)格構(gòu)成的變形結(jié)構(gòu)。

圖4a和4b揭示了本發(fā)明變形結(jié)構(gòu)的一個實施例。在本發(fā)明的變形結(jié)構(gòu)中，使用一個單層網(wǎng)格402獲得多模光纖401上的微彎。這里使用的網(wǎng)格可以指具有貫通孔的重復(fù)圖案的任何合適的材料。在一些實施例中，網(wǎng)格由交織的纖維構(gòu)成，諸如，例如，聚合物織物纖維、天然織物纖維、復(fù)合織物纖維、金屬纖維或其他纖維。在該網(wǎng)格層內(nèi)，ao是通孔403的開口面積(openarea)。每根網(wǎng)格纖維在x方向上的直徑或?qū)挾仁莇1。各網(wǎng)格纖維在z方向上的直徑或高度是d2。每個網(wǎng)格開口的寬度為w。當(dāng)體重、心跳、呼吸、或其他生理參數(shù)產(chǎn)生的外力施加于傳感器上時，這種力均勻地分布在外罩404和多模光纖100上。

在本發(fā)明的一種新型傳感器結(jié)構(gòu)中，一個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)402，諸如聚合物開口網(wǎng)格織物，是用作所述單層變形結(jié)構(gòu)(singlelayerdeformer)；外罩材質(zhì)404，如硅膠，被配置成圍繞多模光纖401和網(wǎng)格層402的周圍以均勻分布施加在傳感器上的力。

在本發(fā)明的一層變形結(jié)構(gòu)中，施加的外力均勻地沿光纖長度分布。單位長度的力表示為fdist，變形量是：

kdistrubutedδx＝δfdist

其中，

其中ey是楊氏模量，ibend是彎曲慣性矩，λd是周期長度。彎曲慣性矩表征彈性構(gòu)件的剛度，對于具有圓形截面的物體如光纖，其為：

其中dfiber是光纖直徑，因此

在使用單層變形結(jié)構(gòu)的傳感器中，

λl＝d1+w

結(jié)合這些信息可以得出，向具有單層變形結(jié)構(gòu)的傳感器結(jié)構(gòu)施加力，作為響應(yīng)，光纖彎曲量，具體為：

如圖所示，由單層網(wǎng)格制成變形結(jié)構(gòu)的傳感器比雙變形結(jié)構(gòu)具有不同的彎曲參數(shù)。在當(dāng)前提供的實施例中，采用單層變形結(jié)構(gòu)的每一實施例中，彎曲量不僅取決于所施加的力，但也取決于光纖直徑、網(wǎng)格纖維的直徑，以及網(wǎng)格中的開口尺寸。通過平衡這些參數(shù)，傳感器可以產(chǎn)生足夠彎曲量來檢測響應(yīng)身體在傳感器上的微運動的力的光損失。

網(wǎng)格層與光纖參數(shù)的關(guān)系

作者的意外發(fā)現(xiàn)，使用如上所述的變形結(jié)構(gòu)，如果適當(dāng)?shù)剡x擇變形結(jié)構(gòu)的尺寸以及適當(dāng)尺寸的光纖配對，可以創(chuàng)建一個更可靠和足夠敏感的傳感器。特別是，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，消除第二個網(wǎng)格層可顯著降低由于兩個網(wǎng)格層相對滑動產(chǎn)生的噪音和錯誤。進一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形結(jié)構(gòu)僅包括一層網(wǎng)格層時，如果使用特定的多模光纖，獲得的微彎量足夠檢測光損耗。產(chǎn)生足夠的微彎既是光纖的特性，又是光纖特性與網(wǎng)格層特性之間關(guān)系。

例如，本發(fā)明特定的多模光纖具有大芯徑來接收和傳輸相對大量的光。進一步地，該特定的多模光纖是一種高度柔性的裸光纖，其包括光纖內(nèi)芯、外包層、以及涂層，但不包括緊包層(tightbufferlayer)。使用包圍在光纖和變形結(jié)構(gòu)周圍的高柔性的外罩404給光纖和系統(tǒng)提供額外的保護，而不是使用緊包層。

本發(fā)明的作者發(fā)現(xiàn)，如果選擇合適的包芯比(ratioofcoretocladding)、如果變形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格層相對于光纖具有適當(dāng)尺寸，且如果使用適當(dāng)?shù)墓β孰娖綍r，多模裸光纖將彎曲足夠量來響應(yīng)所感興趣的生理參數(shù)。

本發(fā)明公開的各種實施例的光纖傳感器各有一個新的配置使得使用僅有一層網(wǎng)格層的變形結(jié)構(gòu)能夠獲得足夠的微彎量。下面描述實施例的每一個光纖傳感器均具有足夠的微彎量用來監(jiān)控bcg波形、心率、呼吸速率以及其他生理參數(shù)。

本發(fā)明提供的多模光纖如圖5。如圖所示，光纖500是由內(nèi)芯光纖502、包層504和外涂層506組成。各種實施例中，內(nèi)芯502的直徑等于或大于包層504直徑的50％。在優(yōu)選實施例中，內(nèi)芯502的直徑大于包層504直徑的50％。在一些實施例中，內(nèi)芯502的直徑實質(zhì)地大于50％，例如，至少是包層504直徑的75％、80％或90％。在此使用的內(nèi)芯的直徑是指橫跨內(nèi)芯的直徑；所述包層直徑是指橫跨整個包層和內(nèi)芯橫截面的直徑；外涂層直徑或光纖總直徑是指橫跨整個外涂層、包層以及內(nèi)芯橫截面的直徑，在一些實施例中，包層直徑是125μm。在這些實施方式中，內(nèi)芯直徑最少是62.5μm。在一些實施例中，內(nèi)芯直徑大于62.5μm。例如，在一些實施例中，內(nèi)芯直徑至少是80μm、至少為90μm、至少為100μm、或至少為110μm。在一個實施例中，光纖的內(nèi)芯直徑為100μm以及包層直徑為125μm。各種實施例中，外涂層增加了光纖的額外寬度。在有些實施例中，光纖總直徑為250μm。在另外一些實施例中，光纖包層直徑為250μm。在一些這樣的實施例中，內(nèi)芯直徑等于或大于125μm。還有一些這樣的實施例中，內(nèi)芯直徑大于150μm、大于160μm、大于170μm、大于180μm、大于190μm、大于200μm、大于210μm或大于225μm。

各種實施例揭露的光纖傳感器中，變形結(jié)構(gòu)(deformer)的網(wǎng)格層(meshlayer)配置成纖維之間的開口面積ao占網(wǎng)格總表面積(totalmeshsurfacearea)的30％～60％之間。在一些實施例中，網(wǎng)格層的通孔的尺寸設(shè)置成可以接收光纖的整個直徑。在一些實施例中，網(wǎng)格層的通孔的尺寸設(shè)置成可以接收光纖結(jié)構(gòu)的寬度，包括光纖及其周圍的外涂層。因此，在一些實施例中，網(wǎng)格層的開口為光纖如果總直徑的100％～300％，在一些實施例中，網(wǎng)格層開口的為光纖總直徑的130％～170％。

在另一實施例中，優(yōu)選地選擇網(wǎng)格開口w為200～750μm之間。在另一個實施例中，網(wǎng)格開口的高達光纖總直徑的三倍以上。

在一些實施例中，每個網(wǎng)格纖維的直徑在光纖總直徑的25％以內(nèi)。在一些實施例中，每根網(wǎng)格纖維直徑等于光纖總直徑的75％～110％。在一些實施例中，每根網(wǎng)格纖維的直徑大于光纖總直徑的70％但小于100％。在一些實施例中，光纖包層直徑為125μm且光纖總直徑為250μm，每根網(wǎng)格纖維的直徑選定在180～240μm的范圍內(nèi)。

在一優(yōu)選的實施例中，多模光纖的數(shù)值孔徑小于或等于0.29μm、內(nèi)芯直徑為100μm、包層直徑125μm、總直徑250μm。在一些實施例中，例如，在優(yōu)選的實施例中，網(wǎng)格纖維的直徑在180至240μm之間。在一些實施例中，例如，在優(yōu)選實施例中，網(wǎng)格開口w的尺寸設(shè)置在330至375μm之間。

光纖可以是適用于檢測區(qū)域的任意長度。在一些實施例中，傳感器包括至少10m長的多模光纖。在一些這樣的實施例中，多模光纖沿一平面布置，且沿平面彎曲、盤繞或迂回。宏彎效應(yīng)能顯著降低微彎效應(yīng)且優(yōu)選地可避免。對于直徑小于1.5厘米的彎曲，在0.29的微米數(shù)值孔徑的光纖中的宏彎損耗高。因此，在一些實施例中，在平面上鋪設(shè)光纖時，使用彎曲直徑大于1.5cm。在一些實施例中，光纖直接布置在網(wǎng)格層上。

本發(fā)明各種實施例揭露的傳感器，配置成能以低的制造成本和復(fù)雜性實現(xiàn)高靈敏度和可靠的性能。

光纖傳感器導(dǎo)線(fibersensorleads)也影響靈敏度。在一些實施例中，需要一條導(dǎo)線纖維(leadfiber)耦合從光源到光纖的光，且需要另一導(dǎo)線纖維與檢測器連接。在這些實施例中，導(dǎo)線的芯的尺寸應(yīng)該與傳感光纖的尺寸大致相同以減少熔接損耗(fusionloss)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，通過直接將多模光纖與電子和光學(xué)元器件連接，從而消除對單獨光纖傳感器導(dǎo)線的需要。

在一優(yōu)選實施例中，一低功率、低成本的、具有850nm或1310nm中心波長、165nm的半值寬度(fwhm)的led用作光源。光電探測器范圍(770nm至860nm或1100nm至1650nm)、響應(yīng)度為0.4a/w的光電探測器用作光接收器。在其它實施例中，也可使用任何合適的led光源或其他低功率、低成本的光源。此外，在其它實施例中，也可以使用任意合適的光接收器。

電光單元和控制器

圖6的框圖說明了光強度光纖微彎傳感器系統(tǒng)600用于檢測和顯示身體的生理參數(shù)。在圖示實施例中，提供了一種低成本光纖傳感器片601，可包括任何實施例的頂蓋、多模光纖、網(wǎng)格層以及這里所述的底蓋，例如，與圖3-5相關(guān)。光源602向傳感器片601內(nèi)嵌入的多模光纖提供光輻射。光源602可以是165nm的寬帶光源、1310nm的fwhmled光源或任何其他合適的光源。led驅(qū)動器604驅(qū)動光纖的光源602，且由處理器606控制，處理器606執(zhí)行儲存在存儲器608中的指令。多模光纖的另一端連接到光信號接收器610，其由光電探測器構(gòu)成，在一些實施例中，光電探測器的探測范圍從1100nm至1650nm且響應(yīng)度為0.4a/w。光信號接收器610將光強度轉(zhuǎn)換成模擬電信號，然后由電放大器612放大。模數(shù)轉(zhuǎn)換器614將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至處理器606進行處理，在一些實施例中，可提供用戶界面616給用戶使用，以控制部分或全部設(shè)備功能。所述數(shù)字信號可由處理器606選擇性地進行處理，原始的或處理過的數(shù)字信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程系統(tǒng)650以對信號進行顯示或進一步處理。遠(yuǎn)程系統(tǒng)650可以是智能手機、平板電腦、其他移動計算設(shè)備，或具有適當(dāng)通信能力的其他計算機。在一些實施例中，原始的或處理過的數(shù)字信號由無線地傳輸至遠(yuǎn)程系統(tǒng)650，例如，利用發(fā)射器620的射頻(rf)信號。一些實施例的發(fā)射器620配置成能傳輸或其他rf信號。在一些實施例中，遠(yuǎn)程系統(tǒng)650可以依次控制和激活傳感器系統(tǒng)600，是通過發(fā)送信號到接收器618，例如可以是一個rf信號接收器。

處理器606、存儲器608以及信號處理元件(例如，放大器612以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器614)可包括一種軟硬件結(jié)合，該軟硬件結(jié)合配置成能控制光源發(fā)出的光的頻率、強度、和/或激化，且進一步配置為將信號接收器接收的信號轉(zhuǎn)換為有意義的數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會體會到可以使用許多不同的結(jié)構(gòu)組件架構(gòu)來實現(xiàn)這些功能。雖然分別說明，值得說明的是，系統(tǒng)的各個模塊不必是單獨的結(jié)構(gòu)元件。例如，與存儲器數(shù)據(jù)通信的處理器內(nèi)，可以用可單芯片或兩個或多個芯片實現(xiàn)。

處理器606可以是一個通用微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器(dsp)、現(xiàn)場可編碼門陣列(fpga)、專用集成電路(asic)、或其他可編程邏輯器件、或其他離散的計算機可執(zhí)行部件設(shè)計為執(zhí)行所述的功能。所述處理器也可以由運算裝置(computingdevices)的組合形成，例如，dsp和微處理器、多個微處理器、一個或多個微處理器結(jié)合dsp內(nèi)核、或任何其他合適的配置。

各種實施例中，處理器606通過一個或多個總線耦合于存儲器608以從存儲器608中讀取信息并從寫入信息。處理器606又或者可以包含存儲器608。存儲器608可以包括，例如，處理器緩存(cache)。存儲器608可以是任何合適的計算機可讀介質(zhì)，存儲計算機可讀且由計算機可執(zhí)行部件執(zhí)行的指令。例如，計算機可讀指令可以存儲于ram、rom、閃存、eeprom、硬盤驅(qū)動器、固態(tài)驅(qū)動器、或任何其他合適的裝置中的一個或其結(jié)合。各種實施例中，計算機可讀指令包括非臨時格式存儲的軟件。處理器606，結(jié)合儲存在存儲器608內(nèi)的軟件，執(zhí)行操作系統(tǒng)以及存儲軟件應(yīng)用程序。此處描述的各種方法可被編程為存儲在存儲器608中的軟件指令。

用戶界面616可包括戶輸入設(shè)備，如按鈕、觸發(fā)器(toggle)、開關(guān)(switch)、觸摸屏、或小鍵盤、和/或一種輸出設(shè)備，如顯示屏、光顯示、音頻輸出、或觸覺輸出。用戶輸入設(shè)備可以被配置成能接收用戶命令來啟動和關(guān)閉傳感器。在一些實施例中，用戶的數(shù)據(jù)也可以通過用戶輸入設(shè)備輸入。

各種實施例的接收器618接收和解調(diào)通過通信網(wǎng)絡(luò)接收的數(shù)據(jù)。發(fā)射器620根據(jù)一個或多個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)來準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。在一些實施例中，收發(fā)器天線既充當(dāng)接收器又充當(dāng)發(fā)射器。又或者，在一些實施例中，該系統(tǒng)包括一個數(shù)據(jù)總線(databus)通過有線連接發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)到一個或多個遠(yuǎn)程組件。

在一些實施例中，處理器606配置成能從傳播的光強度的變化計算施加的力。在一些實施例中，處理器606配置成從施加的力的數(shù)據(jù)計算用戶的一個或多個生命體征。在一些實施例中，一些或所有這些數(shù)據(jù)通過有線或無線連接傳輸至遠(yuǎn)程系統(tǒng)650進行儲存和/或顯示。

在一些實施例中，處理器606配置成從原始信號提取心跳波形、呼吸波形、和運動波形。這種信號提取的例子示于圖7a-7d。原始信號700a是在信號處理組件接收的。如圖7a所示，在時間窗口(timewindow)702內(nèi)，光強度處于最高水平，這意味著沒有用戶在傳感器上。沒有光纖彎曲的光損耗。時間窗口704表示用戶坐、站或躺在傳感器上的時刻，使得接收到的光強度在很短的時間內(nèi)顯著下降；之后信號保持一致的低電平如706內(nèi)，如時間窗口706和710所示，用戶坐在或躺在傳感器上并沒有移動。在這些時間段內(nèi)，光強度保持在一個相對狹窄的范圍。通過在時間窗口706或710放大信號，一個具體的信號可被檢測，包括心臟波形和呼吸波形，如圖7b所示的信號700b。當(dāng)用戶保持坐著、站立或躺在傳感器上但改變位置或移動，導(dǎo)致如顯示在時間窗口708的信號。如圖所示，在這些顯示時間段，光強度變化范圍大于由呼吸和心跳引起的強度變化范圍，但比由完全在傳感器上增加或移去身體而引起的強度變化的范圍要小得多。一些實施例的處理器606配置成從該信號識別活動的頻率和振幅。時間窗口712描繪用戶離開傳感器時的信號。接收到的光強度恢復(fù)到原來的水平，如714內(nèi)所示。

為從該信號中提取心臟波形，亦稱心沖擊波形(bcg)，處理器606可結(jié)合不同階的高通和低通濾波器來消除噪聲。bcg波形700c，例于在圖7c所示，提供每一次心跳的詳細(xì)信息。本系統(tǒng)采集的bcg波形有很清晰的h，i，j，k，l，和m峰。通過確定心跳峰值，可以計算相鄰心跳720，722之間的時間差。處理器606可以計算心率，通過收集所有的時間差異并將它們轉(zhuǎn)換成頻率。處理器606可以計算心率變異性，通過計算相鄰峰之間的平均時間差。處理器606可以從心率變異性來確定壓力水平(stresslevel)，如心理應(yīng)激水平。

圖7d所示的呼吸信號700d較心跳信號更易于提取，是因為呼吸運動生物力學(xué)引起的光損失比心跳運動造成的光損失大得多。在一些實施例中，心跳信號未從呼吸波形中過濾出來。在一些實施例中，呼吸速率計算是由處理器執(zhí)行的，通過識別每個呼吸波形的峰值來得到兩個呼吸周期的時間差730。

使用方法

圖8所示為信號濾波和數(shù)據(jù)分析過程800的一個實施例，是由本發(fā)明描述的光纖傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的處理器來執(zhí)行的。當(dāng)在傳感器上的用戶而沒有太多移動時，能執(zhí)行從原始信號中提取心跳/呼吸波的信號處理。這個過程可以由例如圖6所示的處理器606來完成。在一些實施例中，處理器從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收原始數(shù)據(jù)，如圖所示的模塊802。當(dāng)數(shù)字信號被接收時，光強度的絕對值可以被檢查到，如圖所示的模塊804。當(dāng)光強度的絕對值已知時，一些實施例的處理器將所接收的信號與光強度絕對值進行比較從而決定是否有用戶在傳感器上，如圖所示的模塊806。如果用戶在傳感器上，則會有顯著的光損失和由此產(chǎn)生的光強度的下降。當(dāng)用戶不在傳感器上時，一些實施例的硬件運行睡眠模式以節(jié)省電池電力，如圖所示的模塊808。當(dāng)檢測到光損耗很高時，一些實施例的處理器繼續(xù)確定用戶是否移動，如圖所示的模塊810。如果處理器檢測重復(fù)的或持續(xù)較大的光損失變化，處理器將這個時刻定義為移動時刻并輸出運動波形，如圖所示的模塊812。如果光強度保持相對穩(wěn)定不變，這個時刻可以被定義為心跳/呼吸處理的時刻且原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號被分割成兩個信道，如圖所示的模塊814。

在圖示的實施例中，模塊816，一個信道中的信號經(jīng)過多個濾波階段。在一個實施例中，執(zhí)行五個階段的高和低帶通濾波移除原始數(shù)據(jù)內(nèi)的噪聲并隔離心跳波形，如圖所示的模塊818。有很多方法可以用來處理心跳波形。各種實施例中，可以使用相對簡單且需要低處理功率的方法，以適應(yīng)具有相對低的處理功率和電池容量的便攜式傳感器的性能。在一些實施例中，時域和頻域分析相結(jié)合，用于獲得穩(wěn)健的心跳值。在這些實施例中，心跳波形被分割成兩個信道。一個信道是時域分析，而另一個信道是頻域分析。時域分析中，執(zhí)行一個標(biāo)準(zhǔn)程序820使數(shù)據(jù)一致以利于分析。數(shù)據(jù)可以通過放大和縮小被保存在一個固定的窗口，如圖所示的模塊822。在頻域中，數(shù)據(jù)進行平方，如圖所示的模塊824，在模塊826執(zhí)行快速傅立葉變換(fastfouriertransformation)以得到峰值頻率。峰值頻率是心跳率。在模塊828進行心跳率匹配以降低錯誤率。各種實施例中，在模塊830處理器輸出心跳速率值。

在一些實施例中，原始數(shù)字信號的另一信道是在模塊832通過平均信號和應(yīng)用低通濾波器進行處理。呼吸波形在模塊834處輸出。在一些實施例中，多數(shù)據(jù)點的時間窗口，例如，在模塊836，儲存1000個數(shù)據(jù)點以在模塊838發(fā)現(xiàn)時域峰值。通過識別呼吸波形的峰值，可以獲得呼吸速率，平均呼吸速率可與最新呼吸速率在模塊840進行匹配以獲得呼吸速率。如圖所示的模塊842，在一些實施例中，處理器輸出呼吸速率值。

上述光纖傳感器以及信號濾波和數(shù)據(jù)分析的相關(guān)方法可用作確定患者一個或多個生理參數(shù)。決定病人生理參數(shù)的方法的一個例子如圖9a和9b。如圖所示的模塊910，在各種實施例中，傳感器置于患者身體的下方?；颊呖晌挥趥鞲衅魃险玖ⅰ⒆蛱芍?。傳感器可以是本發(fā)明實施例描述的任何光學(xué)傳感器。模塊920中，該系統(tǒng)檢測穿過傳感器的光纖的光的強度變化。各種實施例中，光強度的變化是由光接收器檢測且由處理器進行處理。如前所述，光強度的變化與身體活動產(chǎn)生的光纖變形相對應(yīng)。身體活動可以是微觀運動(例如呼吸和心跳)或者宏運動(如體位改變)。使用圖8所示的方法或本領(lǐng)域技術(shù)人員悉知的其他方法，光纖傳感器的處理器根據(jù)光強度的變化來確定生理參數(shù)，如圖所示的模塊930。生理參數(shù)可能是，例如，bcg波形、心率、吸速率，或其他生命體征或參數(shù)。

在一些實施例中，確定生理參數(shù)包括確定每一搏動的血壓變化。如圖9b所示，這樣的確定可以通過識別bcg波形來執(zhí)行，如圖所示的模塊932并如上詳細(xì)描述；如圖所示的模塊934，接收eeg波形；以及如圖所示的模塊936，計算eeg波一個r峰與bcg波形j峰之間的時間。eeg波形可由處理器從eeg傳感器接收，在一些實施例中，eeg傳感器位于所述光纖傳感器的外部。r峰和j峰之間的時間表示每一搏動的血壓變化。

在一些實施例中，由醫(yī)療專業(yè)人員執(zhí)行的方法包括：放置光纖傳感器，諸如所述任何單變形結(jié)構(gòu)的傳感器，位于患者下方。傳感器可設(shè)置在，例如，座墊、椅、床、床墊、床墊褥、毛毯、墊子或任何其他合適結(jié)構(gòu)內(nèi)部，患者可坐在、躺在或站在上面。由醫(yī)療專業(yè)人員執(zhí)行的方法還可進一步包括：激活傳感器以及觀察傳感器輸出的生理參數(shù)。在一些實施例中，生理參數(shù)包括bcg波形。一些實施例的方法進一步包括診斷健康狀況，至少部分地，根據(jù)從bcg波形中檢測到的異常。

所述的各種實施例中，光纖傳感器配置成獲得非常清晰、可靠、重現(xiàn)性好的bcg波形。雖然bcg波形的某些外觀也可以通過現(xiàn)有技術(shù)的某些具有雙變形結(jié)構(gòu)的光纖傳感器檢測，但其波形不足以用于臨床監(jiān)測和診斷的目的。例如，通過現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)獲取的bcg波形不可靠往往是因為當(dāng)變形結(jié)構(gòu)的層之間方向偏離時造成噪聲和不準(zhǔn)確性。進一步地，通過現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)獲取的bcg波形不穩(wěn)定。一個清晰、穩(wěn)定的bcg波形包括幾個特征，包括通常表示為h，i，j，k，l，m，和n的特征。如圖10a所示，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)獲取的bcg波形產(chǎn)生了非常不穩(wěn)定的bcg波形，其中h波經(jīng)常丟失。與此相反，本發(fā)明實施例的系統(tǒng)產(chǎn)生非常清晰、穩(wěn)定、可靠、重現(xiàn)性好的如圖10b所示的bcg波形。

在一些使用方法中，醫(yī)療專業(yè)人士可依賴于這樣一個可靠的bcg波形，便于診斷一個或多個健康狀況。例如，bcg波形中特征性異常的識別可用于診斷心絞痛(diagnoseanginapectoris)、無癥狀性冠狀動脈疾病(asymptomaticcoronaryarterydisease)、急性心肌梗死(acutemyocardialinfarction)、高血壓、主動脈縮窄、二尖瓣狹窄和其他心臟疾病，如前所述，例如，在e·皮涅羅等人發(fā)表的題為“在一個不突出的心血管系統(tǒng)表現(xiàn)中的理論的發(fā)展；心沖擊波形”，《開放生物醫(yī)學(xué)工程》雜志2010年第4期，第201-216頁，在此引入其全部內(nèi)容。

結(jié)論

如在說明書及權(quán)利要求書中所使用，單數(shù)形式“一(a)”、“一(an)”和"這個(the)"包括單數(shù)和復(fù)數(shù)的引用，除非上下文清楚地指示。例如，術(shù)語“一個傳感器”可以包括、并考慮包括多個傳感器。有時，權(quán)利要求書和說明書可包括術(shù)語例如“多個”、“一個或多個”或“至少一個”。然而，沒有使用這些術(shù)語并不意味著、且不應(yīng)該被解釋為，不包括多個。

術(shù)語“大約”或者“近似”當(dāng)用于數(shù)字的限定或者范圍(例如，定義長度或者壓力)之前，表示的近似可能是(+)或者(-)5％、1％或者0.1％的范圍變化。此處提供的所有數(shù)值范圍包含已定義的起始數(shù)字?！皩嵸|(zhì)”一詞表示主要(即大于50％)或者實質(zhì)上為全部的設(shè)備、物質(zhì)或組成。

此處使用的術(shù)語“包含”("comprising"或者"comprises")意在表示設(shè)備、系統(tǒng)和方法包括所引用的元件，還可以包括任何其他元件?！氨举|(zhì)上組成”(consistingessentiallyof)應(yīng)當(dāng)意味著設(shè)備、系統(tǒng)和方法包括所引用的元件但不包括對于既定目的的結(jié)合具有重要意義的其他元件。因此，一個系統(tǒng)或者方法由此定義的本質(zhì)上組成的元件并不排除那些并不實質(zhì)影響權(quán)利要求所限定的基礎(chǔ)和具有新穎性的其他物質(zhì)、特性、或者步驟。“組成consistingof”應(yīng)當(dāng)意味著設(shè)備、系統(tǒng)和方法包括所引用的元件且排除任何超過一個微不足道的或無關(guān)緊要的元件或步驟。由每個這些過渡術(shù)語定義的實施例均屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

為了簡單的描述，此處描述的實施例包括術(shù)語“患者(patients)”“人(person)”、和/或“個人(individual)”，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可意識到此處描述的各種實施例適用于，并擬應(yīng)用于，對任何哺乳動物，包括寵物、家畜和健康個體如辦公人員、嬰兒、或非病人的醫(yī)療機構(gòu)的其他人等進行的生命體征監(jiān)控。

這里列舉的例子和附圖所示，僅作為示范說明但并不作為限定，本發(fā)明可實現(xiàn)的具體實施例。由此可利用或派生其他實施例，以便于在不脫離本發(fā)明揭露的范圍內(nèi)可進行結(jié)構(gòu)和邏輯替換及改變。僅為方便起見，本發(fā)明保護主題的這些實施例單獨地或共同指作“本發(fā)明”，但如果不止一個發(fā)明被披露時，并不主觀地限定本申請的范圍為任何單一發(fā)明或發(fā)明概念。因此，盡管在此揭露了具體實施例，但仍然可以由獲得相同目的的任何方案替代所示的具體實施例。本說明書意圖涵蓋各種實施例的任何和所有的適應(yīng)性或變換方式。上述實施例的組合，以及其他未特別說明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于上述說明書的描述是顯而易見的。