CN112568880A - 一种用于监测呼吸率的光纤传感***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于监测呼吸率的光纤传感***及方法，包括：液体软袋、细管、连接所述液体软袋与细管的导管、设置于细管中的光纤传感器、以及生命体征采集监测模块；其中，所述液体软袋与所述细管内放置有液体，且通过所述导管连通；所述光纤传感器用于测量所述细管内液体的位置变化，并将相关数据发送至所述生命体征采集监测模块；所述生命体征采集监测模块用于根据所接收到的光纤传感器的测量数据进行处理，提取出人体的生命体征数据。本发明监测呼吸率的光纤传感***结构简单、可长期使用，且使用舒适，普适性好，方便居家使用。
Description
技术领域
本发明涉及呼吸监测处理技术领域，尤其涉及一种用于监测呼吸率的光纤传感***及方法。
背景技术
新冠病毒(COVID-19)的爆发对人类造成了重大影响，这其中一方面是因为病毒感染力与毒性超强、现有医疗***不足以支撑，另一方面因为防疫以及检测相关的技术欠缺，缺乏全面、***、普适的新冠肺炎检测方法、不能及时大面积地发现感染者，导致感染着传染范围得不到及时控制。
另外，从新冠病毒中康复的人，可能会存在数月的呼吸急促表现，专家们呼吁尽快开展相关研究，调查新冠病毒对人体的持续影响。此外，呼吸急促也是新冠肺炎患者病情由轻转重的一个信号。
而呼吸率作为评估肺部功能的重要医学指标，肺部病变会导致呼吸率升高。长期监测新冠康复患者的呼吸率，进行自身数据对比，有助于研究新冠病毒对人体肺功能的持续影响。目前，医院一般是使用捆绑式呼吸检测带或者是在鼻孔处贴片式传感器检测呼吸率，然而，这两种方案均存在使用不便的问题，且难以居家使用。
针对上述现有技术存在的问题，有必要进行开发研究，以提供一种解决方案，可长期使用、且使用舒适，方便居家使用。
上述背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于监测呼吸率的光纤传感***及方法，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种用于监测呼吸率的光纤传感***，包括：液体软袋、细管、连接所述液体软袋与细管的导管、设置于细管中的光纤传感器、以及生命体征采集监测模块；其中，所述液体软袋与所述细管内放置有液体，且通过所述导管连通；所述光纤传感器用于测量所述细管内液体的位置变化，并将相关数据发送至所述生命体征采集监测模块；所述生命体征采集监测模块用于根据所接收到的光纤传感器的测量数据进行处理，提取出人体的生命体征数据。
在一些实施例中，所述液体软袋表面包覆有软质本体，通过软质本体与外界人体接触，以感应人体的生命特征活动而产生的作用力。
在一些实施例中，所述生命体征采集监测模块包括有显示屏，通过所述显示屏以对所提取出的人体生命体征数据进行实时显示。
在一些实施例中，所述光纤传感器安装固定于细管中；所述光纤传感器包括光源、光纤、以及光感。
在一些实施例中，所述光纤设置有纤芯显露区，所述纤芯显露区被配置为使得所述光纤的纤芯暴露于光纤包层。
在一些实施例中，所述纤芯显露区是通过将光纤的包层打磨露出纤芯而成；纤芯显露区一部分位于液体中，另一部分位于气体中，从而使得一部分纤芯与细管内的气体接触，形成纤芯-气体界面，另一部分纤芯与细管内的液体接触，形成纤芯-液体界面。
在一些实施例中，所述光纤传感器的光源被设置为处于细管内的空气中，所述光感被设置为处于细管内的液体中。
在一些实施例中，还包括有液体温度控制模块，所述软质本体上布置有温度传感器，用于检测人体与所述液体软袋的温度。
本发明实施例另一技术方案为：
一种监测呼吸率的方法，包括如下步骤：
S10、提供与外界人体接触的液体软袋，以感应人体的生命特征活动而产生的作用力；
S20、提供一光纤传感器；其中，所述光纤传感器安装于一细管内，所述细管通过导管与所述液体软袋连通，使得所述液体经过导管可在液体软袋与细管中流动，细管内填充有气体以及所述液体，通过光纤传感器测量所述细管内液体的位置变化；
S30、提供生命体征采集监测模块，以用于根据所接收到的光纤传感器的测量数据进行处理，提取出人体的生命体征数据，并对所提取出的人体生命体征数据进行实时显示。
在一些实施例中，所述光纤传感器设置有纤芯显露区，所述纤芯显露区被配置为使得所述光纤的纤芯暴露于光纤包层；其中，所述纤芯显露区一部分位于液体中，另一部分位于气体中，从而使得一部分纤芯与细管内的气体接触，形成纤芯-气体界面，另一部分纤芯与细管内的液体接触，形成纤芯-液体界面。
本发明技术方案的有益效果是：
相较于现有技术，本发明用于监测呼吸率的光纤传感***结构简单、可长期使用，且使用舒适，普适性好，方便居家使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一个实施例用于监测呼吸率的光纤传感***的结构示意图；
图2是根据本发明另一个实施例用于监测呼吸率的光纤传感***的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例用于监测呼吸率的光纤传感***的局部结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例用于监测呼吸率的光纤传感***的光路示意图；
图5是根据本发明另一个实施例监测呼吸率的方法流程图示。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1-图3所示，图1为根据本发明实施例提供的一种用于监测呼吸率的光纤传感***100，***包括液体软袋10、细管20、连接所述液体软袋10与细管20的导管30、设置于细管20中的光纤传感器40、以及生命体征采集监测模块(未图示)；其中，所述液体软袋10与所述细管20内放置有液体50，且通过所述导管30连通；所述光纤传感器40用于测量所述细管20内液体50的位置变化，并将相关数据发送至所述生命体征采集监测模块；所述生命体征采集监测模块用于根据所接收到的光纤传感器的测量数据进行处理，提取出人体的生命体征数据；在一些实施例中，所述生命体征采集监测模块包括有显示屏60，通过所述显示屏60以对所提取出的人体生命体征数据进行实时显示。
具体地，所述液体软袋10表面包覆有软质本体70，通过软质本体70与外界人体接触，以感应人体的生命特征活动而产生的作用力；需要说明的是，在一些实施例中，也可以通过所述液体软袋表面直接与外界人体接触。其中，所述液体软袋为可逆形变的高弹性聚合物材料制成，对外界压力变化的敏感度高，可感知到微弱的压力变化，例如橡胶；所述软质本体为柔性材质，可以将外界的压力变化准确地传导至液体软袋。
所述导管30一端连接液体软袋10，另一端连接细管20，使得所述液体50经过导管30可在液体软袋10与细管20中流动；其中，所述导管30表面对外界压力变化的敏感度低，即外界压力变化作用于导管上时，一般不会引起导管的粗细发生改变。
所述细管20内填充有气体以及所述液体，在本发明实施例中，所述细管呈竖直放置，所述气***于液体的上方；当然，所述细管20也可以采用水平放置或者其它方式放置，在本发明实施例中不作特别限制；其中，细管填充有气体的一端连接有气压控制模块，以用于控制所述细管内气体的体积、温度和物质的量等理化参数。所述细管20对外界压力变化的敏感度低，即外界压力变化作用于细管上时，一般不会引起细管的形状发生改变。在本发明实施例中，所述细管为规则的柱状；可以理解的是，在一些实施例中，所述细管也可以为不规则形状。
所述光纤传感器40安装固定于细管20中；所述光纤传感器包括光源401、光纤402、以及光感403；其中，所述光纤设置有纤芯显露区403，所述纤芯显露区403被配置为使得所述光纤的纤芯暴露于光纤包层；在一些实施例中，所述纤芯显露区是通过将光纤的包层打磨露出纤芯而成；纤芯显露区一部分位于液体中，另一部分位于气体中，从而使得一部分纤芯与细管内的气体接触，形成纤芯-气体界面，另一部分纤芯与细管内的液体接触，形成纤芯-液体界面。
在本发明实施例中，所述光纤传感器40的光源401被设置为处于细管内的空气中，而所述光感402被设置为处于细管内的液体中。当然，也可以将所述光源与光感的放置位置交换，即，将将光源处于细管内的液体中，而光感处于细管内的空气中。下面以光源处于细管内空气中为例进行说明。
参照图3、图4所示，光源401发出的光进入光纤40，在光纤40中传输的光在纤芯显露区403于纤芯-气体界面处和纤芯-液体界面处发生反射和折射，由于气体和液体两种介质的折射率不同，所以光纤中的光在纤芯-气体界面和纤芯-液体界面这两个界面处的光强反射率也不同。反射率大，则光纤中传输的光损耗就小，相反，反射率小，则光损耗就大，光感接收到的光强就小，光感接收到的光强与界面处的光强反射率成正比，因此，细管内液体的高度(或长度)低将直接影响光感接收到的光强。由此，通过预先进行标定，根据光感处接收到的光强变化通过计算可获得细管内液体的位置变化信息，即得到细管内液体的高度(或长度)。其中，光纤竖立放置时为高度，而光纤水平放置时为长度。
具体地，参照图4所示进一步分析说明界面处的光强反射率，其中，介质1折射率为n1，介质2折射率为n2，入射角为i1的光在介质1和介质2的界面处发生反射和折射，折射角为i2，则根据菲尼尔定理，反射光的光强反射率R为：
可见，在入射角i1、介质1折射率n1为定值时，光强的反射率R为介质2的折射率n2的函数，即反射光强度受介质2的折射率n2调制。
在本发明实施例中，所述光源401为红色发光二极管，所述光纤为塑料光纤，所述光感402为光电二极管，而所述细管为不透明黑色PE管，所述气体为室内空气，所述液体为纯净水。需要说明的是，在其他一些实施例中，所述光源也可以为其他的可发光器件，光纤也可以为其他材质的光纤，所述光感、细管以及气体和液体也可以选择其他可替代物，在本发明实施例中不再一一详细举例说明，无论选择何种物体，只要不脱离本发明的主旨，均应属于本发明的保护范围。
参照图1、图3所示，记导管30处的压强为PB，则压强为PB为细管40内的气体压强PA与液体压强PL之和，即：
PB＝PA+PL＝nRT/v+ρgh＝nRT/s(L-h)+ρgh
气体压强PA＝nRT/s(L-h)，液体压强PL＝ρgh；其中，n为气体物质的量，R为常数，T为气体温度，ρ为液体密度，g为重力加速度。
当气压控制模块封闭细管内气体，即n为定值时，人体的吸气会传导到液体软袋上，使得液体软袋的承受的压强增加(即PB增大)，此过程中n、R、L、s、ρ、g皆为定值，由于呼吸过程较为平缓，此过程中细管内气体温度T亦为定值。在人体吸气即PB增大过程中，气体压强PA与h成正比，液体压强ρgh与h成正比，即PB与h成正比，h将会增大，h的大小变化会被光纤传感器检测到，进而将人体的吸气过程量化，实现呼吸率的监测。
通过采用气压控制模块，气体的n成为可变量，气体压强PA与n成正比，当R、L、s、ρ、g为定值，PB变化一定时，n越小，h变化越大，则光纤传感器的检测精度越高，所以气压控制模块可提高检测的精度。当细管的尺寸与液体、气体材料固定时，可以通过气压控制模块调节n的大小进而调节呼吸检测精度，n越小，精度越高。
另一方面，PB与h成正比，在PB变化一定时，s越小，h变化越大，所以通过改进细管尺寸，使得细管越细，也可以提高光纤传感器的检测精度。
应用时，所述液体软袋贴近人体，人体的呼吸、心跳、体动等生命活动产生的力作用于所述液体软袋上，进而导致引起所述细管中所述液***置的变化，所述液***置的变化被所述光纤传感器检测到，所述光纤传感器的数据传输至所述生命体征采集监测模块进行处理，提取出人体的生命体征数据；其中，所述生命体征数据包括但不限于呼吸率、呼吸波形、心率、心跳波形、在床/离床、体动、打鼾等相关信息数据。
参照图2所示，在一些实施例中，还包括有液体温度控制模块，所述软质本体70上布置有温度传感器80，用于检测人体与所述液体软袋的温度，所述温度传感器的数据上传至所述生命体征采集监测模块和所述液体温度控制模块。
在一些实施例中，所述软质本体的具体形态包括但不限于枕头、床垫、坐垫、衣物等。
参照图5所示，作为本发明另一实施一种检测呼吸率的方法，方法包括如下步骤：
S10、提供与外界人体接触的液体软袋，以感应人体的生命特征活动而产生的作用力；
其中，所述液体软袋内放置有液体，液体软袋为可逆形变的高弹性聚合物材料制成，对外界压力变化的敏感度高，可感知到微弱的压力变化，例如橡胶。在一些实施例中，也可以在所述液体软袋表面包覆软质本体，通过软质本体与外界人体接触，以感应人体的生命特征活动而产生的作用力。
S20、提供一光纤传感器；其中，所述光纤传感器安装于一细管内，所述细管通过导管与所述液体软袋连通，使得所述液体经过导管可在液体软袋与细管中流动，细管内填充有气体以及所述液体，通过光纤传感器测量所述细管内液体的位置变化，采集人体的生命特征活动而产生的力的效果；
具体地，所述光纤传感器设置有纤芯显露区，所述纤芯显露区被配置为使得所述光纤的纤芯暴露于光纤包层；纤芯显露区一部分位于液体中，另一部分位于气体中，从而使得一部分纤芯与细管内的气体接触，形成纤芯-气体界面，另一部分纤芯与细管内的液体接触，形成纤芯-液体界面。光源发出的光进入光纤，在光纤中传输的光在纤芯显露区于纤芯-气体界面处和纤芯-液体界面处发生折射和反射后由光感接收，根据光感处接收到的光强变化通过计算可获得细管内液体的位置变化信息。
S30、提供生命体征采集监测模块，以用于根据所接收到的光纤传感器的测量数据进行处理，提取出人体的生命体征数据，并对所提取出的人体生命体征数据进行实时显示。
其中，所述生命体征数据包括但不限于呼吸率、呼吸波形、心率、心跳波形、在床/离床、体动、打鼾等。
本发明还提出了一种计算机可读存储介质，计算机刻度存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例方案的检测呼吸率的方法。所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。
本发明的实施例可以包括或利用包括计算机硬件的专用或通用计算机，如下面更详细讨论的。在本发明的范围内的实施例还包括用于携带或存储计算机可执行指令和/或数据结构的物理和其他计算机可读介质。这样的计算机可读介质可以是可以被通用或专用计算机***访问的任何可用介质。存储计算机可执行指令的计算机可读介质是物理存储介质。携带计算机可执行指令的计算机可读介质是传输介质。因此，作为示例而非限制，本发明的实施例可以包括至少两种截然不同的计算机可读介质：物理计算机可读存储介质和传输计算机可读介质。
本申请实施例还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时至少实现前述实施例方案中所述的检测呼吸率的方法。
可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。
Claims (10)
1.一种用于监测呼吸率的光纤传感***，其特征在于，包括：液体软袋、细管、连接所述液体软袋与细管的导管、设置于细管中的光纤传感器、以及生命体征采集监测模块；其中，所述液体软袋与所述细管内放置有液体，且通过所述导管连通；所述光纤传感器用于测量所述细管内液体的位置变化，并将相关数据发送至所述生命体征采集监测模块；所述生命体征采集监测模块用于根据所接收到的光纤传感器的测量数据进行处理，提取出人体的生命体征数据。
2.如权利要求1所述用于监测呼吸率的光纤传感***，其特征在于：所述液体软袋表面包覆有软质本体，通过软质本体与外界人体接触，以感应人体的生命特征活动而产生的作用力。
3.如权利要求2所述用于监测呼吸率的光纤传感***，其特征在于：所述生命体征采集监测模块包括有显示屏，通过所述显示屏以对所提取出的人体生命体征数据进行实时显示。
4.如权利要求3所述用于监测呼吸率的光纤传感***，其特征在于：所述光纤传感器安装固定于细管中；所述光纤传感器包括光源、光纤、以及光感。
5.如权利要求4所述用于监测呼吸率的光纤传感***，其特征在于：所述光纤设置有纤芯显露区，所述纤芯显露区被配置为使得所述光纤的纤芯暴露于光纤包层。
6.如权利要求5所述用于监测呼吸率的光纤传感***，其特征在于：所述纤芯显露区是通过将光纤的包层打磨露出纤芯而成；纤芯显露区一部分位于液体中，另一部分位于气体中，从而使得一部分纤芯与细管内的气体接触，形成纤芯-气体界面，另一部分纤芯与细管内的液体接触，形成纤芯-液体界面。
7.如权利要求6所述用于监测呼吸率的光纤传感***，其特征在于：所述光纤传感器的光源被设置为处于细管内的空气中，所述光感被设置为处于细管内的液体中。
8.如权利要求7所述用于监测呼吸率的光纤传感***，其特征在于：还包括有液体温度控制模块，所述软质本体上布置有温度传感器，用于检测人体与所述液体软袋的温度。
9.一种监测呼吸率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10、提供与外界人体接触的液体软袋，以感应人体的生命特征活动而产生的作用力；
S20、提供一光纤传感器；其中，所述光纤传感器安装于一细管内，所述细管通过导管与所述液体软袋连通，使得所述液体经过导管可在液体软袋与细管中流动，细管内填充有气体以及所述液体，通过光纤传感器测量所述细管内液体的位置变化；
S30、提供生命体征采集监测模块，以用于根据所接收到的光纤传感器的测量数据进行处理，提取出人体的生命体征数据，并对所提取出的人体生命体征数据进行实时显示。
10.如权利要求9所述的监测呼吸率的方法，其特征在于：所述光纤传感器设置有纤芯显露区，所述纤芯显露区被配置为使得所述光纤的纤芯暴露于光纤包层；其中，所述纤芯显露区一部分位于液体中，另一部分位于气体中，从而使得一部分纤芯与细管内的气体接触，形成纤芯-气体界面，另一部分纤芯与细管内的液体接触，形成纤芯-液体界面。
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