用于脉搏和血氧饱和度检测的光纤传感织物及制备方法与流程

1.本发明涉及脉搏、血氧饱和度传感器领域，尤其涉及一种用于脉搏和血氧饱和度检测的光纤传感织物及制备方法。


背景技术：

2.人口老龄化、慢性病普遍化并年轻化等社会问题促使人们更加迫切地关注自身的健康情况，人们对远程医疗、居家健康监护等方面的需求不断增加，这为可穿戴健康医疗的发展培育了市场基础。穿戴式传感器便于实现人体信息的实时监测，成为大健康产业发展的基础和重要方向。
3.传统穿戴式传感器多作为服饰佩戴在人体或服装上，存在体积大、穿着不舒适等不足。要实现传感器真正的“可穿”，织物型传感器是必然选择，其便于与服装结合且穿着舒适。但是，目前商用的织物型传感器极度缺乏，相关技术亟待研究。光纤外形与纱线兼容，能够与织物完美的融合，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐汗液腐蚀等优点，在织物型传感器方面具有巨大的潜在价值。
4.脉搏和血氧饱和度是人体重要的体征参数，有助于评估心脏、心脑血管、血压、呼吸系统的健康情况。在光容积脉搏波和血氧饱和度检测方面，目前商用产品均采取半导体器件实现发光和感光，这些器件难于与织物结合。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述现有技术存在的不足，提出了一种用于脉搏和血氧饱和度检测的光纤传感织物及制备方法。
6.本发明一种用于脉搏和血氧饱和度检测的光纤传感织物，将具有侧发光单元的若干侧发光光纤和具有侧感光单元的若干侧感光光纤与普通纱线通过编织方式形成光纤织物，侧发光光纤与侧感光光纤交替排列，侧发光光纤与侧感光光纤间具有由纱线构成的光隔离区，多个侧发光和侧感光单元在织物表面形成发光和感光阵列，实现红光和红外波段光容积脉搏波的采集与血氧饱和度的计算。
7.光纤传感织物在经向上依次分为上普通织物区域、功能织物区域和下普通织物区域；功能织物区域在纬向上依次分为前光纤固定区、光纤浮长线区和后光纤固定区，光纤浮长线区沿经向方向依次排列3根发光光纤和2根感光光纤，最外侧为发光光纤，发光光纤与感光光纤交替排列，光纤间织入阻光纱线。
8.侧发光单元和侧感光单元从外形上分为微弯凸起结构和侧壁开槽结构，其中，微弯凸起结构通过热压、编织或刺绣方式实现，其中微弯凸起顶部研磨成平面；侧壁开槽结构通过压印、研磨、激光加工方式实现。
9.一种用于脉搏和血氧饱和度检测的光纤传感织物的制备方法，其特征是，采用机织制备方法、针织制备方法或刺绣制备方法。
10.所述机织制备方法采用平纹、斜纹或缎纹的织物组织，侧发光光纤和侧感光光纤
作为纬纱，其它纱线无弹性，侧发光光纤的侧发光单元和侧感光光纤的侧感光单元，以浮长线方式浮在织物表面，侧发光光纤和侧感光光纤间加入直径大于光纤直径的非透明纱线构成光隔离区，用于光隔离的纱线包括加捻纱线和聚合物纤维。
11.所述针织制备方法采取经编衬纬的编织方式，采用编链、编链经平织物组织，侧发光光纤和侧感光光纤作为纬向衬垫纱线衬入针织织物中，用于光隔离的阻光纱线同样作为纬向衬垫纱线衬入，放置在侧发光光纤和侧感光光纤间，用于光隔离的纱线包括加捻纱线和聚合物纤维。
12.所述刺绣制备方法是在无弹性的织物上，侧发光光纤和侧感光光纤以刺绣方式缝入织物，每根光纤仅在织物正面形成一个微弯凸起，将这些微弯凸起以阵列方式排列，形成发光区域和感光区域，在发光区域和感光区域间有黑色不透光纱线刺绣而成的光隔离区。
13.本发明具有如下有益效果：
14.本发明将聚合物光纤作为纱线编织到织物中，相比硅光纤，可提高织物柔韧性，而且聚合物光纤本质安全，不会折断伤人，提高使用的安全性。所研发的微弯凸起和侧壁开槽的光纤侧发光和侧感光结构具有较高的发光和感光效率，有助提高传感信号的信噪比，在使用少量光纤和较低光源功率的情况下，即可实现光容积脉搏波的有效采集。所采集的脉搏光信号沿光纤在织物中进行传输，即便传输路径较长也不会受到外界电磁辐射干扰。所制备的光纤织物具有很好的透气性和散热性，穿着热舒适性好，所选取的聚合物光纤具有生物相容性，长期与人体接触不会对皮肤造成刺激，具有较好的接触舒适性。光纤织物的制备采用现有纺织设备，工艺参数调整方便，有利于批量生产。
附图说明
15.图1是热压方式形成的微弯凸起结构；
16.图2是编织方式形成微弯凸起结构；
17.图3是刺绣方式形成微弯凸起结构；
18.图4是研磨削顶后的微弯凸起结构；
19.图5是压印方式形成侧壁开槽结构；
20.图6是研磨方式形成侧壁开槽结构；
21.图7是激光加工方式形成侧壁开槽结构；
22.图8实施例1中的机织光纤脉搏血氧织物结构；
23.图9(a)是实施例1的指尖红光脉搏波波形；
24.图9(b)是实施例1的指尖红外光脉搏波波形；
25.图10是实施例2中的经编光纤脉搏血氧织物结构。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
27.光纤传感织物在经向上依次分为上普通织物区域、功能织物区域和下普通织物区域；功能织物区域在纬向上依次分为前光纤固定区、光纤浮长线区和后光纤固定区，光纤浮长线区沿经向方向依次排列3根发光光纤和2根感光光纤，最外侧为发光光纤，发光光纤与感光光纤交替排列，光纤间织入阻光纱线。
28.侧发光和侧感光单元从外形上分为微弯凸起结构和侧壁开槽结构，其中，微弯凸起结构可通过热压、编织或刺绣方式实现，微弯凸起顶部可研磨成平面；侧壁开槽结构可通过压印、研磨、激光加工方式实现。
29.热压方式形成微弯凸起结构的方法为：将聚合物光纤放入具有微弯凹槽的模具中，利用热风装置对聚合物光纤局部进行加热，当加热区域的聚合物光纤软化后，对其进行热压固形，冷却后即可形成微弯凸起结构。热压方式形成的微弯凸起结构外形如附图1所示。
30.编织方式形成微弯凸起结构的方法为：通过机织方式，将光纤作为经纱或纬纱，与光纤直径相近且具有一定硬度的纤维对应地作为纬纱或经纱，即光纤与硬性纤维在织物中相互垂直，硬性纤维可以为不锈钢等金属纤维、硬质聚合物纤维、金属纤维合股加捻纱线、聚合物纤维合股加捻纱线等。选择合适的织物组织和纱线密度，光纤4会在与硬性纤维6的交织点处形成微弯凸起结构5，其外形如附图2所示。
31.刺绣方式形成微弯凸起结构的方法为：利用绣花机或者人工刺绣方式将光纤4作为刺绣纱线，绣入无弹性织物7内，织物厚度大于光纤直径。每根光纤仅绣入织物一次，在织物正面可形成微弯凸起结构5，其外形如附图3所示。
32.为提高发光、感光效率，对微弯凸起结构的顶端进行研磨削顶。研磨工具可采用颗粒度较小的砂纸，研磨削顶后的微弯凸起结构如附图4所示。
33.压印方式形成侧壁开槽结构的方法为：将聚合物光纤放置在金属模具的u型槽内并固定，利用具有v型锯齿结构的金属模具从上方按压光纤，可在聚合物光纤侧壁压印出v型凹槽，凹槽的深度可通过压力大小进行改变。其外形如附图5所示。
34.研磨方式形成侧壁开槽结构的方法为：将聚合物光纤放置在金属模具的u型槽内并固定，不同深度的u型槽可控制聚合物光纤的外露尺寸，从而控制研磨开槽的深度。使用电动研磨棒对光纤露出部分进行研磨，形成一定长度的侧壁开槽结构，其外形如图6所示。
35.激光加工方式形成侧壁开槽结构的方法为：采用二氧化碳激光器对聚合物光纤侧壁进行加工，将塑料光纤固定在加工台面上，设置激光器的打标功率、打标速率、打标次数以及打标间隔等参数，启动激光器以蛇形扫描方式对光纤侧壁进行打标，从而形成光栅式的侧壁开槽结构，其外形附图7所示。
36.光纤脉搏织物的机织制备方法，采用平纹、斜纹或缎纹的织物组织，侧发光光纤和侧感光光纤作为纬纱，其它纱线无弹性，光纤的侧发光和侧感光部分以浮长线方式浮在织物表面，侧发光光纤和侧感光光纤间加入直径大于光纤直径的非透明纱线构成光隔离区，用于光隔离的纱线包括加捻纱线和聚合物纤维。
37.光纤脉搏织物的针织制备方法，采取经编衬纬的编织方式，采用编链、编链经平织物组织，侧发光光纤和侧感光光纤作为纬向衬垫纱线衬入针织织物中，用于光隔离的阻光纱线同样作为纬向衬垫纱线衬入，放置在侧发光光纤和侧感光光纤间，用于光隔离的纱线包括加捻纱线和聚合物纤维。
38.光纤脉搏织物的刺绣制备方法，在无弹性的织物上，侧发光光纤和侧感光光纤以刺绣方式缝入织物，每根光纤仅在织物正面形成一个微弯凸起，将这些微弯凸起以阵列方式排列，形成发光区域和感光区域，在发光区域和感光区域间有黑色不透光纱线刺绣而成的光隔离区。
39.实施例1：本实施例展示了一种基于微弯凸起结构的机织工艺光纤脉搏血氧传感织物的制备方法。
40.光纤传感织物的纬纱采用1000μm的pmma聚合物光纤，其余纬纱和经纱采用锦纶黏胶混纺纱线，两根光纤间的阻光纱线采用20根锦纶黏胶混纺纱线的加捻纱，其直径在1至2mm内。脉搏织物在多臂织机上织造完成。
41.侧发光光纤和侧感光光纤都采用聚合物光纤，在聚合物光纤上利用热压法形成微弯凸起结构。
42.将聚合物光纤放入具有微弯凹槽的模具中，利用热风装置对聚合物光纤局部进行加热，当加热区域的聚合物光纤软化后，对其进行热压固形，冷却后形成微弯凸起结构，微弯凸起结构的尺寸由模具的微弯凹槽决定。微弯凸起顶部通过砂纸研磨成平面。
43.如图8所示，光纤传感织物在经向上依次分为上普通织物区域a、功能织物区b域和下普通织物区域c。普通织物区域的经纱和纬纱均为锦纶黏胶混纺纱线，采取平纹组织结构。功能织物区域用于实现脉搏传感。
44.功能织物区域在纬向上又分为左衬垫织物d、光纤织物e、右衬垫织物f。衬垫织物的经纱和纬纱均为锦纶黏胶混纺纱线，不含光纤，采用平纹组织，经密为400根/10cm。
45.光纤织物内集成发光、感光光纤以及阻光纱线，根据编织方式的不同，依次分为前光纤固定区g、光纤浮长线区h和后光纤固定区i。根据图8所示，在光纤织物内，沿经向方向依次排列3根发光光纤1和2根感光光纤2，最外侧为发光光纤，发光、感光光纤交替排列，光纤间织入阻光纱线3。
46.光纤固定区中的光纤采取平纹组织结构，经密为400根/10cm，经纱紧密包裹光纤，将光纤固定在织物中。浮长线区域中的光纤为微弯凸起部分，用于发光和感光，该部分光纤作为浮长线，裸露在织物外，表面无经纱包裹，光纤微弯凸起结构的浮长线宽度约为0.3cm。光纤织物区域中的阻光纱线均采用平纹组织方式进行编织，表面被经纱包裹。
47.光纤传感织物两侧的发光光纤分别利用热塑管进行集束，通过准直装置连接双波长led，led波长为650nm和905nm，织物两侧的感光光纤分别利用热塑管进行集束，通过准直装置连接光探测器。主控电路模块使led交替发出不同波长光，通过发光光纤的微弯凸起将光照射在人体皮肤表面，人体组织的散射光被感光光纤的微弯凸起结构耦合进入感光光纤，经光探测器转换为电信号，由主控电路模块进行采集，获得光容积脉搏波信号，通过进一步处理，计算出脉率和血氧饱和度。图9(a)和图9(b)为测得的指尖部位的光容积脉搏波波形，该波形脉搏特征明显，满足应用要求。
48.实施例2：本实施例展示了一种基于激光开槽结构的针织工艺光纤脉搏血氧传感织物的制备方法。
49.光纤采用直径1000μm的pmma聚合物光纤，阻光纱线采用15或20根低弹性耐高温的粘胶/锦纶纱线的合股加捻纱，其直径在1至2mm内。其余纱线为细度为50tex/3的棉纱线。
50.该织物在经编小样织机上织造完成，其机号为e12，织针为舌针，采用后置导纱架(纱线不需要经过整经处理)，消极送经，直接由导纱架牵引至编织区，进行编织。
51.织物整体采用经编针织织物，其具有尺寸稳定，面料挺括，不易脱散等优点，同时还因线圈结构而具有透气性好、悬垂性佳、织物柔软等特点。光纤本身弯曲模量较大，不适于与其它纺织纱线交织形成针织织物，可以作为衬垫纱线添加到针织织物结构中。
52.如图10所示，本实施例的光纤织物分为上普通织物区域a、功能织物区b域和下普通织物区域c。普通织物区用于保证织物整体尺寸稳定，同时便于与其它织物缝纫连接。功能织物区内含光纤，分为前光纤固定区g、光纤浮长线区h和后光纤固定区i。光纤浮长线区中为发光、感光单元，长度为1.5～2cm。
53.上普通织物区域a和下普通织物区域c选用编链经平组织，保证其尺寸稳定。前光纤固定区g和后光纤固定区i也选用编链经平组织，其对衬纬纱夹持紧、防滑性好，聚合物光纤以衬纬的方式衬入到织物中。光纤浮长线区采用编链组织，光纤与阻光纱线浮于编链组织外。为保证光纤与阻光纱线平直衬入织物，采用全幅衬纬方式，为使光纤发光和感光部分外露，在织造过程中，光纤固定区选择为全幅衬纬，而光纤浮长线区不进行衬纬编织，这样光纤浮长线区的光纤和阻光纱线将浮于织物结构的表面。在织物两端保留一定长度的光纤进行集束，与光源和探测器进行连接。
54.在织造普通织物区和光纤固定区的过程中，前梳编织编链组织，后梳编织经平组织；在织造光纤浮长线区时，位于光纤浮长线区后梳的纱线直接去掉不织，只用前梳编织编链组织。本实施例的织物编织工艺如表1所示，编链经平组织的横密为30/5cm，纵密为24/5cm。
55.表1经编光纤传感织物的编织工艺
56.工艺名称光纤浮长线区光纤固定区普通织物区功能发光感光固定光纤稳定尺寸梳栉单梳双梳双梳穿纱一穿一空一穿一空一穿一空织物组织编链编链经平组织编链经平组织光纤集成方式浮于织物表面全幅衬纬无光纤
57.按照上述工艺完成织物织造后，对光纤浮长线区中的光纤进行激光打标刻槽，制备发光和感光结构。采用10.6μm波长的二氧化碳激光器，通过蛇形扫描方式对浮在织物表面的光纤进行打标刻槽，激光打标功率10w、打标次数5次、打标速度250mm/s，每根光纤9个槽，每个槽的宽度约为1mm，深度约为130μm，光纤上的发光感光区域长度约1cm。在浮于织物的光纤和阻光纱线后放入一隔热膜与该区域的普通纱线织物进行隔离，保护经编织物在激光打标过程中不被损坏。至此，完成基于激光开槽的针织工艺光纤脉搏血氧传感织物的制备。