曲面应变片、脉搏信号提取装置及方法和脉象诊疗系统.pdf

本发明属于光学生物脉搏信息监测及远程医疗领域，具体涉及光纤光栅曲面应变片、脉搏信号提取装置及方法和脉象诊疗系统。用于脉搏信号提取的光纤光栅曲面应变片，包括光纤光栅和曲面应变片；本发明还提供了一种脉搏信号提取装置，由腕带、光纤探头组成，所述光纤探头包括上述的光纤光栅曲面应变片、外壳和光纤跳线；所述光纤光栅曲面应变片置于外壳内，所述光纤跳线连接光纤光栅曲面应变片的光纤光栅，并延伸至出所述外壳；所述光纤探头埋入所述腕带内。本发明利用光学检测灵敏度高、噪声低的特点，基于光纤微震动传感器精确提取人体脉搏信息，充分减少人为因素影响，并利用光纤传感可通过远程传输采集数据的特点实现“悬丝诊脉”。

1.  一种用于脉搏信号提取的光纤光栅曲面应变片，其特征在于：包括光纤光栅和曲面应变片；所述曲面应变片由正面应变片和背面应变片两片对称的应变片粘合而成，正面应变片镂空成带有双十字型槽，背面应变片镂空成一字型槽，背面应变片镂空位置与正面应变片镂空部分对应设置；每片应变片均由两端为矩形形状面板和中部结构为双T形状面板的一体化结构组成，且沿纵向轴对称，两端沿纵向轴对称向中间弯曲；所述正面应变片纵向轴线上的槽用于放置光纤光栅；光纤光栅整体处于曲面应变片内；所述光纤光栅上的光栅部分置于槽内，剩余部分固定于曲面应变片上；所述双T形状面板上的沿纵向轴的镂空槽是相通的。

2.  如权利要求1所述的用于脉搏信号提取的光纤光栅曲面应变片，其特征在于，所述光纤光栅剩余部分的固定方式为无影胶封装的方式或焊料点焊的方式。

3.  一种脉搏信号提取装置，其特征在于：由腕带、光纤探头组成，所述光纤探头包括如权利要求1所述的光纤光栅曲面应变片、外壳和光纤跳线；所述光纤光栅曲面应变片置于外壳内，所述光纤跳线连接光纤光栅曲面应变片的光纤光栅，并延伸至出所述外壳；所述光纤探头埋入所述腕带内。

4.  如权利要求3所述的一种腕带式脉搏信号提取装置，所述外壳和腕带采样硅胶或橡胶材料制成。

5.  一种脉象诊疗系统，其特征在于包括家庭终端，医疗终端和传输光缆；所述家庭终端包括计算机和如权利要求3至4任一项所述 的腕带式脉搏信号提取装置；所述医疗终端包括计算机、光纤光栅解调系统、数据处理分析系统和脉象数据库，家庭终端采集信号，传输光缆传递信号至医疗终端进行解调、处理和分析后，输出脉象信息。

6.  一种脉搏波信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)用权利要求3所述的脉搏信号提取装置测量脉搏波信息；
(2)对脉搏波信息的反射中心波长变化做谱图分析，获得特征参量，建立脉象的概率神经网络模型；
(3)将脉象的概率神经网络模型与数据库中的脉象数据比对，得到脉象结果。

曲面应变片、脉搏信号提取装置及方法和脉象诊疗系统
技术领域
本发明属于光学生物脉搏信息监测及远程医疗领域，具体涉及光纤光栅曲面应变片、脉搏信号提取装置及方法和脉象诊疗系统。
背景技术
中医诊脉是一门古老的技术，采用仪器辅助诊脉是一项技术难题，这是由于人体脉象的复杂性、易受干扰性及个体差异性等特点，即使对于经验丰富的老中医而言，脉象仍是只可意会难以言传，一般检测手段很难采集到丰富而详尽的脉象信息，并且非常容易受到人体其它行为的干扰，因此无法给出客观全面的诊脉结果。
针对中医脉象信息进行提取，现有技术主要是采用配备有单探头换能器的脉象仪。人们利用这类仪器可以初步识别浮、沉、虚、实、滑、涩等实际中脉象，但是无法精确测量出多种脉象混叠的数据，因此只能针对某些病患提出试探性的病症诊断。这样的医疗仪器是无法适应中西医结合需求的。光纤传感器是目前能够采用的精度最高的传感器。无论是压电晶体式、光电探测式、压敏电阻式还是超声波式，都无法达到光纤传感器的检测精度。针对漫射光层析成像系统的复杂算法和蒙特卡洛模拟的不确定性，光纤传感器的可行性更高，可以测量出的脉象数据预计也能远远超过现有水平。系统的体积和重量决定应用场景。目前国内外在相关领域，会使用心电图、脑电图等方式进行脉搏信号的检测、体积较大、价格昂贵，同时 在人体上夹持的部位过多。例如心脏手术，如果需要监测脉搏信号，采用心电图显然是不现实的。
在光纤传感器方面，目前医学上应用的主要是传光型光纤传感器。但在目前脉诊客观化的应用上，光纤主要用来传递信号而非感应获取信号，现有的光纤传感装置实质上仍为光电式装置。目前也有提出采用双光纤光栅来消除环境干扰测量脉搏信息的方法，但只是停留在信号的初步提取没有进一步分析及数据处理，停留在能测出脉搏波形的可行性上。该方法是在一根光纤上刻了两个光栅，一个光栅用来测量脉搏信号，另一个用来测量环境干扰。
发明内容
本发明针对的技术问题，为了提高脉搏信号的测量精度以及使传感器小型化，我们选择了光纤光栅。针对现有的光纤光栅传感器没有测量脉搏这种低频、微弱的信号，提出了用光纤光栅曲面应变片来提高光纤光栅传感器与脉搏位置的贴合度与灵敏度，同时一定程度上减弱了干扰。通过光纤光栅传感器测量的精确信号，使得相近脉象的区分更加明显。所采用的光纤为普通单模光纤，与现有光缆网络组网方便，提高了远程医疗的可靠性。实现了脉诊的客观化、精确化、便捷化、可靠化。除了确定脉象外，为方便医者的诊断，同时提供体温、心率的参数，为临床医疗以及远程医疗提供可靠依据。
具体技术方案如下：
一种用于脉搏信号提取的光纤光栅曲面应变片，包括光纤光栅和曲面应变片；所述曲面应变片由正面应变片和背面应变片两片对称的应变片粘 合而成，正面应变片镂空成带有双十字型槽，背面应变片镂空成一字型槽，背面应变片镂空位置与正面应变片镂空部分对应设置；每片应变片均由两端为矩形形状面板和中部结构为双T形状面板的一体化结构组成，且沿纵向轴对称，两端沿纵向轴对称向中间弯曲；所述正面应变片纵向轴线上的槽用于放置光纤光栅；光纤光栅整体处于曲面应变片内；所述光纤光栅上的光栅部分置于槽内，剩余部分固定于曲面应变片上；所述双T形状面板上的沿纵向轴的镂空槽是相通的。
进一步地，所述光纤光栅剩余部分的固定方式为无影胶封装的方式或焊料点焊的方式。
本发明还提供了一种脉搏信号提取装置，由腕带、光纤探头组成，所述光纤探头包括上述的光纤光栅曲面应变片、外壳和光纤跳线；所述光纤光栅曲面应变片置于外壳内，所述光纤跳线连接光纤光栅曲面应变片的光纤光栅，并延伸至出所述外壳；所述光纤探头埋入所述腕带内。
进一步地，所述外壳和腕带采样硅胶或橡胶材料制成。
本发明的一种脉象诊疗系统，包括家庭终端，医疗终端和传输光缆；所述家庭终端包括计算机和所述的脉搏信号提取装置；所述医疗终端包括计算机、光纤光栅解调系统、数据处理分析系统和脉象数据库，家庭终端采集信号，传输光缆传递信号至医疗终端进行解调、处理和分析后，输出脉象信息。
本发明提供的一种脉搏波信号处理方法，包括如下步骤：
(1)用上述的脉搏信号提取装置测量脉搏波信息；
(2)对脉搏波信息的反射中心波长变化做谱图分析，获得特征参量，建
立脉象的概率神经网络(PNN)模型；
(3)将脉象的概率神经网络(PNN)模型与数据库中的脉象数据比对，得到脉象结果。
采用本发明获得的技术效果：本发明利用光学检测灵敏度高、噪声低的特点，基于光纤微震动传感器精确提取人体脉搏信息，充分减少人为因素影响，并利用光纤传感可通过远程传输采集数据的特点实现“悬丝诊脉”。在此基础上通过大量数据采集，对中医脉象建立数据模型，建立起准确而完善的光纤脉象分析诊疗系统。
说明书附图
图1是光纤光栅曲面应变片结构正面示意图；
图2是光纤光栅曲面应变片结构背面示意图；
图3是光纤光栅曲面应变片结构侧面示意图；
图4是脉搏信号提取装置结构示意图；
图5是光纤光栅曲面应变片结构参数设置示意图；
图6是本发明中的脉象诊疗系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3所示，一种光纤光栅曲面应变片1，包括光纤光栅和曲面应变片；所述曲面应变片由正面应变片和背面应变片两片对称的应变片粘合而成，正面应变片镂空成带有双十字型槽4，背面应变片镂空成一字型槽5，背面应变片镂空位置与正面应变片镂空部分对应设置；每片应变片均由两端为矩形形状面板2和中部结构为双T形状面板3的一体化 结构组成，且沿纵向轴对称，两端沿纵向轴对称向中间弯曲；所述正面应变片纵向轴线上的槽用于放置光纤光栅；光纤光栅整体处于曲面应变片内；所述光纤光栅上的光栅部分置于槽内，剩余部分固定于曲面应变片上；所述双T形状面板上的沿纵向轴的镂空槽是相通的。双T形状面板中间部分部跨槽连接厚度为槽厚度的三分之一，起固定光栅作用。
如图4所示，一种脉搏信号提取装置，由腕带6、光纤探头7组成，所述光纤探头7包括光纤光栅曲面应变片1、外壳和光纤跳线；所述光纤光栅曲面应变片置于外壳内，所述光纤跳线连接光纤光栅曲面应变片的光纤光栅，并延伸至出所述外壳；所述光纤探头埋入所述腕带内。
光纤光栅曲面应变片弯曲一定程度圆弧，本实施例弯曲半径为为11.1cm的圆弧。可以调整为如图5中所示的a、b、c、d参数(本实施例的参数值是a＝7mm，b＝3mm，c＝1.5mm，d＝8mm)，提高其灵敏度。光纤光栅曲面应变片制作材料选择是金属或硅胶材料。
光纤探头中运用的光纤光栅曲面应变片，主要作用是：
脉搏波属于低频，微弱信号，裸露的光纤光栅在测量脉搏时，灵敏度不能达到要求，故采用曲面应变片进行增敏处理。在一定程度上增加了信噪比，减小了温度，肌肉抖动的误差。将测得的信号进行脉搏震动时间分布函数的转化，以此实时的监测被检测活体脉搏的震动周期，振幅，并通过其中的拓扑变化关系，为后期的脉搏——中医信号分析做了硬件上的支持。值得注意的是，整个过程中需要比较精准合适的信号放大处理，以便从复杂的背景中提取出有用的脉搏信息。
如图4所示，所述外壳和腕带采样硅胶材料制成。经过腕带包裹的光 纤探头可以受到很好的保护，并可以固定在被检测者的手腕上，并且通过弹性放缩可以使光纤探头很好的贴近脉搏部位，利于提取脉搏信号。
如图6所示，本发明还提供了一种脉象诊疗系统，包括家庭终端8，传输光缆9和医疗终端10；所述家庭终端包括所述的脉搏信号提取装置；所述医疗终端包括计算机、光纤光栅解调系统、数据处理与分析系统和脉象数据库；家庭终端采集到信号，传输光缆传递信号至医疗终端进行解调、处理和分析后，输出脉象信息。
光纤光栅解调系统：对光纤光栅中心反射的微小偏移进行精确测量解调。
数据处理与分析系统：接收到的信号通过数据的初步处理，形成信号波形，分析产生脉搏信号。
本发明提供的一种脉搏波信号处理方法，包括如下步骤：
(1)用本发明中的脉搏信号提取装置测量脉搏波信息；
(2)对脉搏波信息的反射中心波长变化做谱图分析，获得特征参量，建立脉象的概率神经网络(PNN)模型；
(3)将脉象的概率神经网络(PNN)模型与数据库中的脉象数据比对，得到脉象结果。
通过建立脉象的概率神经网络(PNN)模型最终确定并输出脉象。概率神经网络(PNN)模型的识别分类方法是概率统计学中被广泛接受的一种决策方法。该信号分析识别方法，采用三种谱图分析，分别是功率谱、倒谱、传递函数，从中确定八个特征参量。这八个特征参量是由测量光波中心波长变化通过谱图分析确定。
特征参量如下：
1.f_i：经过傅里叶变换后的基频等信息。它反映了心率。
2.N：功率谱谐波个数。反映脉搏节律。
3.SER：谱能比。反映脉搏的能量随频率的分布。
4.C_x0：倒谱零分量。反映脉搏的强度大小。
5.M：传递函数的共振峰个数。反映脉搏系统的共振特征。
6.△F：共振峰平均间距。
7.R.C.：倒谐波的特征。
8.C_x1/C_x0:倒谱第一谐波幅值与倒谱零分量之比。反映脉象的流利程度。
据此建立脉象识别的概率神经网络(PNN)模型，将上述8个特征参量依次简记为x_i(i＝1～8)，将处理后的数据与数据库中的脉象数据比对，最终对脉象进行确定。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。