CN104027108B - 一种光学心电、脉搏综合检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光学心电、脉搏综合检测装置，输入信号来自设置于被测者胸前一对的信号电极(1)和设置于手腕静脉处的脉搏传感测试头(5)，分别用于心电信号采集和脉搏信号采集；一路连接信号电极(1)及电光调制器(4)，输出心电测量结果；另一路连接光纤传感测试头(5)及光纤耦合器(3)，输出脉搏波波形图测量结果。与现有技术相比，本发明所提出的光学心电、脉搏综合测量装置可以同时检测人体心电、脉搏信号；结构简单、稳定性好，对电磁环境要求低，利于广泛推广。

Description

一种光学心电、脉搏综合检测装置

技术领域

本发明涉及一种人体心电、脉搏信号检测技术，特别是涉及一种利用光学方法实现的检测人体心电、脉搏信号的装置。

背景技术

随着人们物质生活水平的提高，由于不合理的饮食以及生活习惯所导致的心血管疾病的发病率及患病率呈现不断升高的趋势。在现代科学技术高度发展的今天，越来越多先进的科学技术应用到医疗器械的研制当中。人体重要的生理信息也逐步实现了精确化的实时动态监测中。

人体包含有众多体现生理健康状况的生理参数，比如体温、血压、脉搏、心电等。其中心电与脉搏是两种表征人体心血管***健康状况的最重要、最基本的生理参数。心电图是医生评价心脏功能的重要依据，在临床诊断上有着广泛的意义。脉搏波压力及波形特征的变化是评价人体心血管***生理病理状态的重要依据。无论是中医切脉或是西医心血管检查都可从中提取生理病理信息。心电信号与脉搏信号结合可以提供反映心血管***健康状况的生理信息。为心血管疾病的监测与预防带来重大的意义。

现有技术中，在心电信号测量方面所采用的是基于光电效应原理的心电信号监测装置，它是一种体积小、重量轻、精度高、性能稳定、安全可靠的装置，有着巨大应用潜力。在脉搏信号监测方面，所采用的是光纤传感技术在智能脉诊检测领域的重要应用，即基于光纤光栅对应变敏感的原理，通过对光纤光栅进行一定的封装来实现脉搏跳动信号的采集。

国外针对人体心电、脉搏等生理信号的测量做了大量的研究。

1、美国发明号US20130102871A1、发明名称《SYSTEMANDMETHODFORWIRELESSGENERRATIONOFSTANDARDECGLEADSANDANECGSENSINGUNITTHEREFOR》公开了一种无线心电采集装置，该装置采用标准的12导联测量方法。采集到的心电信号传递到无线信号收发***。使用者不必受到心电图机限制，可以自由移动。但该***收发无线信号受到距离以及建筑物等环境的影响。由于装置本身功率的限制，会给信号接收带来困难。同时无线信号也容易受到电磁信号的干扰。

目前国内用于心电信号检测的方式主要是采用电学测量方法，例如：中国发明号：CN103156592A、发明名称：《无线光学心电探测仪》公开了一种无线光学心电探测仪。该心电探测仪通过红色激光二极管发光穿透血液和血管壁形成一定的微弱反射。血管内的血液在心脏作用下呈搏动性变化。血液对光信号产生一定的吸收，血液量的变化影响信号光强度的变化。反射光经光电探测器接收后转化为一系列呈周期性变化的电信号，对电信号进行处理后可以显示心跳频率。该发明可以有效的检测心率。该测量装置结构简单，但信号光易受人体组织的吸收、存在周围杂散光以及电磁干扰的影响，测量精度较低。同时该装置无法获取准确的心电图。

在心电脉搏联合测量方面，中国发明号：CN102413761A，发明名称：《生物传感装置》公开了一种生物传感器，传感器表面设置有采集心电信号的电极，将手指放置于电极上检测心电信号。与此同时，安装在电极表面的凹处或孔中的发光器向手指照射检测光，并通过安装在电极表面的凹处或孔中的光接收器接收来自手指的检测光的反射光，从而获取与所接收的反射光对应的光电脉搏波信号。此种方案结构简单，但是手指的心电信号十分微弱，为信号的采集带来很大困难，检测精度比较低。

中国发明号：CN101006918、发明名称：《血压、脉搏和心电综合检测装置》公开了一种可以同时测量心电与脉搏的监测装置。该装置分别将测量电极贴于人体心脏周围不同的位置，通过两路电极输出心电信号。压力桥传感器置于人体桡动脉处采集脉搏信号。该测量方法灵敏度高，简单易用。但是直接将传感器长期置于人体皮肤上容易造成皮肤不适，同时有源电子器件存在易老化的问题，灵敏度会随时间延长逐渐降低。

上述发明虽然可以测量人体心电、脉搏生理信号，但是信号采集过程中存在其固有的局限性。比如，电学测量方法在一些复杂电磁环境下如核磁共振、B超检测等，有源电子器件易受电磁干扰，测量结果精度低、准确性差、信号处理困难。因此本发明提出一种稳定性好、测量精度高、结构简单的心电脉搏综合检测装置。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出一种光学心电、脉搏综合检测装置，该装置中采用电光晶体、光纤光栅等作为传感器材料，可以同时检测人体心电以及脉搏信号。

本发明提出的一种光学心电、脉搏综合检测装置，该装置的输入信号来自设置于被测者胸前一对的信号电极1设置于手腕静脉处的光纤传感测试头5，分别用于心电信号采集和脉搏信号采集；其特征在于，该装置包括通过传输光纤12连接的信号电极1、导联线2、光纤耦合器3、电光调制器4、光纤传感测试头5、宽带光源6、光谱解调仪7、光电检测及放大滤波电路8、数据采集卡9、计算机10和显示输出单元11；由稳压电源驱动的宽带光源6输出两路宽带光源，经光纤传输光信号；其中：

一路连接信号电极1及电光调制器4：信号电极1内的电信号传输至光纤耦合器3、光电检测及放大滤波电路8)传输到计算机10，再至显示输出单元11进行测量结果显示输出心电测量结果；

另一路连接光纤传感测试头5及光纤耦合器3：光纤传感测试头5内的测量光栅受到脉搏压力产生应变；此应变改变光栅波长反射条件，光栅解调仪接收到的反射光信号波长发生漂移；反射光信号经光纤耦合器3耦合到传输光纤12中；后被光谱解调仪7所接收，接收到的波长漂移信号根据反射光波长的变化量反算出触头所受到的压力以及根据力学关系转化为脉搏压强实时变化；由数据采集卡9进行数据采集并传输到计算机10，再至显示输出单元11进行测量结果显示输出脉搏波波形图测量结果；

所述光纤传感测试头5包括保护壳体55、测试头底座51及设置于该底座上的杠杆转轴50及转轴轴承52、限位器53和设置于杠杆转轴50一端且从底座通孔探出的硅胶探头54；测量光栅56、光纤固定装置57、参考光栅58设置于杠杆转轴50另一端，且参考光栅58自由端连接设置光纤跳线59，该光纤跳线59从保护壳体55顶部的通孔探出。

与现有技术相比，本发明所提出的光学心电、脉搏综合测量装置可以同时检测人体心电、脉搏信号。结构简单、稳定性好，对电磁环境要求低，利于广泛推广

附图说明

图1为本发明的光学心电、脉搏综合检测***的结构示意图；

图2为光电调制器的结构图；

图3为光纤光栅脉搏传感探头的结构图；

图中附图标记分别表示：1、信号电极；2、导联线；3、光纤耦合器；4、电光调制器；5、光纤传感测试头；6、宽带光源；7、光谱解调仪；8、光电检测及放大滤波电路；9、数据采集卡；10、计算机；11、显示输出单元；12、传输光纤；13、铌酸锂晶体衬底；14、地电极15、光波导；50、杠杆转轴；51、测试头底座；52、杠杆转轴支架；53、限位器；54、硅胶触头；55、保护壳体；56、测量光栅；57、光纤固定装置；58、参考光栅；59、光纤跳线。

具体实施方式

心电信号是心脏本身的生物电信号通过心脏周围的导电组织与导电液，传递到身体表面。身体各部位表面的电信号在每一心动周期都会发生有规律变化。将测量电极放置于人体表面特定部位可检测到心电信号。脉搏检测是基于传统中医脉诊的原理，测量人体桡动脉寸、关、尺三处脉位的脉搏跳动信号。本发明所涉及的心电信号检测的原理是基于电光效应中的线性电光效应。利用电光调制器将电信号转化为光信号输出。现有的可以适合用于电光调制器的材料主要是铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓(GaAs)和聚合物等。砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，它们与单模光纤连接的损耗比铌酸锂晶体与单模光纤要大的多。聚合物调制器的长期稳定性尚不理想。相比之下，铌酸锂调制器啁啾小，传输损耗小，同时可以实现带宽调制，最大的优势在于它的电光系数较高。

本发明所涉及的心电信号测量是基于电光效应中的线性电光效应(普克尔效应)，即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。波导内光信号在外加电场的作用下产生相位变化，两列波导输出光信号相干叠加后转化为光强变化。由光电探测器接收光信号转换成电信号，然后经信号放大、信号滤波、信号分离等步骤获得最终心电信号。

下面将结合附图对本发明具体实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示为本发明的心电、脉搏综合检测***结构示意图。设置于被测者胸前一对的信号电极1和设置于手腕静脉处的脉搏传感测试头5分别用于心电信号采集和脉搏信号采集；并且信号电极1与电光调制器4连接；脉搏传感测试头5与光纤耦合器3连接；由稳压电源驱动的宽带光源6输出两路中心波长为1550nm，谱线宽度为1525-1625nm的宽带光源，经光纤传输光信号到电光调制器4和脉搏传感测试头5；其中连接信号电极1及电光调制器4的一路中：信号电极1内的电信号传输至光纤耦合器3、光电检测及放大滤波电路8传输到计算机(10)，再至显示输出单元11进行测量结果显示输出心电测量结果；而连接光纤传感测试头5及光纤耦合器3的另一路中：脉搏信号测量传感头5内的光纤光栅受到脉搏压力产生应变，经光纤光栅的光信号波长产生一定漂移；反射光信号经光纤耦合器3耦合到传输光纤12中。后被光谱解调仪7所接收，接收到的波长漂移信号被数据采集卡9采集并传输到计算机10，再至显示输出单元11进行测量结果显示输出脉搏测量结果。

其中的宽带光源6的中心波长为1550nm，谱线宽度为1525-1625nm；导联线2现在广泛应用的导联是标准十二导联。本发明可以根据实际测量需求将图中信号电极1置于不同的测量位置，获取心电信号；该脉搏信号测量传感头5基于光纤光栅对应变敏感的原理，实现对脉搏信号的检测。

另外，光电检测装置可以置于远离人体的位置，确保人体测量区域不受电磁信号的干扰。由光电检测装置输出的电信号经过放大、滤波等步骤后被计算机10存储。

最终检测到的心电脉搏信号经计算机10处理分析，最后经显示输出脉搏波波形。

如图2所示，为光电调制器3的结构图。其中：光信号传输至由LiNbO3晶体衬底13构成的光波导15，光波导15接收由宽带光源传输的光信号；两测量电极1贴于人体皮肤。人体释放电激励信号分别由导联线2传输至信号电极1，信号电极1具有不同的电势分别与地电极14之间形成电势差，形成的电场对通过波导的光信号进行电光调制，后输出两列光经光纤耦合器耦合到传输光纤中。根据电光效应的原理，经过电光晶体的光信号将受到外加电场的调制。

光电调制器3可以采用多种材料及结构。图2中介绍的是典型的LiNbO₃晶体衬底13光波导相位调制。选择的是x切y方向传播的LiNbO₃基片，电极位于光波导两侧，水平方向对波导产生调制作用。该结构只是光电调制器构成的一种。

如图3所示为光纤传感测试头5的具体结构图。作为光纤光栅脉搏传感探头，其包括保护壳体55、测试头底座51及设置于该底座上的杠杆转轴50及转轴轴承52、限位器53和设置于杠杆转轴50一端且从底座通孔探出的硅胶触头54；测量光栅56、光纤固定装置57、参考光栅58设置于杠杆转轴50另一端，且参考光栅58自由端连接设置光纤跳线59，该光纤跳线59从保护壳体55顶部的通孔探出。由于人体脉搏波十分微弱，增加了测量过程的困难。因此本发明基于杠杆原理对光纤光栅进行增敏性封装。设置光栅连接端与硅胶探头距离杠杆转轴长度的k倍，则光栅受到的力根据杠杆原理放大或缩小k倍，增加了传感器的灵敏度。k的取值范围在1至10之间

将按照上述结构封装好的光纤传感测试头5置于人体脉位处，脉搏的跳动带动传感探头的运动。最后引起光纤光栅的形变。形变改变光栅波长反射条件，光栅解调仪接受到的反射光信号波长发生漂移。根据反射光波长的变化量可以反算出触头所受到的压力。根据力学关系转化为脉搏压强实时变化。对输出信号进行放大、滤波、分离等处理，得到脉搏波波形图。这也是本发明同时提出的一种光学方法实现对脉搏信号检测。原理主要是：基于光纤光栅对脉搏信号进行准确测量，是一种对传统中医脉诊的智能化检测手段。本发明采用光纤光栅作为脉搏信号测量器件。光纤光栅是一段刻写在光纤中的，纤芯折射率呈周期性变化的结构。光纤光栅的反射波长与纤芯的有效折射率、光栅周期两个因素有关。而这两个因素又受到温度与应变的影响。所以为了消除温度对测量过程的干扰，需要对光纤光栅进行温度补偿性封装。本发明设计了只受温度影响不受应力作用的参考光栅以实现温度补偿。

尽管上面结合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。

Claims (1)

1.一种光学心电、脉搏综合检测装置，该装置的输入信号来自设置于被测者胸前一对的信号电极(1)和设置于手腕静脉处的光纤传感测试头(5)，分别用于心电信号采集和脉搏信号采集；其特征在于，该装置包括通过传输光纤(12)连接的信号电极(1)、导联线(2)、光纤耦合器(3)、电光调制器(4)、光纤传感测试头(5)、宽带光源(6)、光谱解调仪(7)、光电检测及放大滤波电路(8)、数据采集卡(9)、计算机(10)和显示输出单元(11)；由稳压电源驱动的宽带光源(6)输出两路宽带光源，经光纤传输光信号；其中：

一路连接信号电极(1)及电光调制器(4)：信号电极(1)内的电信号传输至光纤耦合器(3)、光电检测及放大滤波电路(8)传输到计算机(10)，再至显示输出单元(11)进行测量结果显示输出心电测量结果；

另一路连接光纤传感测试头(5)及光纤耦合器(3)：光纤传感测试头(5)内的测量光栅受到脉搏压力产生应变；此应变改变光栅波长反射条件，光栅解调仪接收到的反射光信号波长发生漂移；反射光信号经光纤耦合器(3)耦合到传输光纤(12)中；后被光谱解调仪(7)所接收，接收到的波长漂移信号根据反射光波长的变化量反算出触头所受到的压力以及根据力学关系转化为脉搏压强实时变化；由数据采集卡(9)进行数据采集并传输到计算机(10)，再至显示输出单元(11)进行测量结果显示输出脉搏波波形图测量结果；

所述光纤传感测试头(5)包括保护壳体(55)、测试头底座(51)及设置于该底座上的杠杆转轴(50)及转轴轴承(52)、限位器(53)和设置于杠杆转轴(50)一端且从底座通孔探出的硅胶探头(54)；测量光栅(56)、光纤固定装置(57)、参考光栅(58)设置于杠杆转轴(50)另一端，且参考光栅(58)自由端连接设置光纤跳线(59)，该光纤跳线(59)从保护壳体(55)顶部的通孔探出。