一种脉搏测量传感装置及测量系统

1.本发明涉及脉搏测量领域，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅及力敏柔性机构的脉搏测量传感装置及测量系统。


背景技术：

2.脉搏作为人体最主要的生命体征信号之一，是人体健康状况评估的重要指标。在临床诊断方面，通过对脉搏信号分析得到的心率、脉搏波形参数等指标是医生判断病情、病因的诊断依据。长期以来，动脉脉冲波形分析是临床检查和疾病诊断的重要方法；而且中医诊脉理论经过长时间的发展和实践验证，在当今医学领域内依然具有重要的研究价值。在临床研究过程中，利用高保真度桡动脉脉冲波形对主动脉中心压力进行估计的方法得以广泛研究和应用，桡动脉脉搏波形也被证实为是心血管疾病的预测因子；通过对动脉脉搏波形进行分析，可以得到的动脉顺应性情况，而动脉顺应性是反映血管弹性的重要指标，也是心血管疾病诊断的重要指标之一。此外，中心主动脉压力比外周动脉压力更能预测心血管状况，而颈动脉更接近中心主动脉，其脉搏被认为是衡量主动脉中心压力的最佳指标。因此开发简单、方便、实时、高灵敏度的脉搏测量技术，以获取清晰度高的脉搏波形有着非常重要的研究价值。
3.为实现人体脉搏信号的准确测量，研究人员开发了基于超声装置、光电体积描记术、电容传感单元等多种类型的传感测量装置。其中：基于超声设备的动脉探测可以在无创的情况下测量血管直径变化，进而对收缩期和舒张期的局部脉搏波速及血压等进行评估，这些参数可反映血管壁特性。然而该方法分辨率有限，所需测量系统较为复杂且体积庞大，不适合长期临床监测或穿戴式监测。光容积描记传感器由于其结构简单、使用方便、成本低廉等优点被广泛应用于各种智能手环对脉搏信号进行测量。然而，该方法测量精度有限，所测得的脉搏波形一般不具有清晰的细节特征，仅适合用于脉搏频率的监测。此外，基于光学成像、霍尔元件等类型的传感装置也被开发出来以用于脉搏测量，然而，该类型传感器存在测量过程复杂、灵敏度低、传感精度较差或易受环境干扰等问题，因此难以被广泛推广应用。
4.为了解决传感技术存在的局限性和应用困难，光纤布拉格光栅传感器凭借良好的传感性能被广泛应用于脉搏测量领域。然而，目前主流传感技术普遍采用将光纤封装于薄膜结构的设计方法，使得光纤测量传感器依然存在工艺复杂、加工难度大、测量灵敏度低、精准度差、脉搏波形不清晰、工作频率受限以及无法应用于可穿戴测量等不足。


技术实现要素：

5.为了解决现有光纤布拉格光栅传感器应用于脉搏测量时存在的上述一个或多个问题，本发明提供了一种体积小、结构简单、加工制备容易、测量灵敏度高，且能够高精度获取脉搏波形的脉搏测量传感装置及测量系统；该装置通过配置具有力放大作用的力敏柔性机构，输出放大后的脉搏冲击力并将其作用于加载于该机构x方向的光纤布拉格光栅上，使
得光纤布拉格光栅能够产生更加显著的波长偏移信号，继而输出更为精准、清晰的脉搏波形。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种脉搏测量传感装置，包括作为传感元件的光纤布拉格光栅以及用于输出并放大脉搏垂直作用力的力敏柔性机构；其中：
7.所述力敏柔性机构包括可相对移动的顶板与底座，所述顶板与底座之间相互平行且连接设置两组四连杆放大机构，两组所述四连杆放大机构关于z-x平面对称分布，每组所述四连杆放大机构分别包括两个关于z-y平面对称设置的柔性连杆机构，所述柔性连杆机构包括第一刚性杆、第二刚性杆，所述第一刚性杆与顶板、第二刚性杆与底座以及第一刚性杆与第二刚性杆之间分别通过柔性铰链相连接；当顶板与底座之间的垂直距离减小时，四个所述柔性连杆机构可协同产生x方向的位移运动；
8.所述光纤布拉格光栅加载于平行设置的两组四连杆放大机构上，且所述光纤布拉格光栅与x轴平行。
9.作为优选，两组平行设置的四连杆放大机构之间连接设置两个关于y方向对称的光纤固定平台，所述光纤布拉格光栅呈两端固定中间悬空的方式分别连接于两个光纤固定平台上；设置于两个光纤固定平台上的光纤布拉格光栅位于z-x平面上且与顶板以及底座之间的间距相等。
10.作为优选，所述光纤布拉格光栅在预紧力作用下，以张紧状态固定于两个光纤固定平台上。
11.作为优选，所述柔性连杆机构中，第一刚性杆与顶板以及第二刚性杆与底座之间的夹角相同且大于90
°
小于180
°
。
12.作为优选，所述第一刚性杆与顶板以及第二刚性杆与底座之间的夹角设置范围为150
°‑
160
°
。
13.作为优选，所述脉搏测量传感装置还包括用于与脉搏处相贴合的接触凸台，所述接触凸台为圆柱形，圆柱形接触凸台的中心轴线与z轴方向重叠。
14.作为优选，所述接触凸台设置于顶板上，所述顶板为移动平台，底座为固定平台；所述底座的截面面积大于顶板的截面面积。
15.作为优选，所述力敏柔性机构为采用刚体置换法得到的一体成型式柔性铰链机构；所述力敏柔性机构可通过3d打印机技术一体化制造得到。
16.作为优选，所述脉搏测量传感装置为可穿戴式。
17.本发明还提供了一种脉搏测量系统，包括信号处理单元以及上述的脉搏测量传感装置，所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪以及计算机系统，所述光纤光栅解调仪与光纤布拉格光栅相连接，所述计算机系统与光纤光栅解调仪相连接，用于将光栅应变信号转换为数字信号并输出测量得到的脉搏波形。
18.本发明重点提供了一种颈动脉脉搏测量装置，包括上述脉搏测量系统，其中：所述传感装置的底座上开设有关于y方向对称的两个安装槽，所述安装槽内分别连接设置弹性带，所述弹性带用于佩戴固定于人体
19.本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
20.1、本发明所述的脉搏测量传感装置中，所述力敏柔性机构包括顶板、底座以及连
接底座与顶板的两组四连杆放大机构，两组所述四连杆放大机构呈平行、对称分布，且与顶板及底座之间可分别围合形成柔性类六连杆放大机构，两组柔性类六连杆放大机构可放大输入的脉搏垂直作用力，并产生x方向的微位移运动(本技术中即：左、右两侧张开的位移)；同时，由于本技术中，固定于两组四连杆放大机构上的光纤布拉格光栅与x轴呈平行布置，因此使得光纤布拉格光栅位于柔性铰链机构对光纤施加的拉力方向上；继而实现光纤在较大输出力的作用下，始终处于有规律的水平受拉状态，并相应产生较为灵敏、显著、均匀性好及线性度更高的应变信号；与传统脉搏测量装置相比，具有测量灵敏度高、准确性好及方便快捷的特点。
21.2、本发明所述的脉搏测量传感装置中，所述光纤布拉格光栅在预紧力作用下，呈两端固定中间悬空的方式张紧布置于力敏柔性机构z-x平面水平向中心位置上；当所述力敏柔性结构在脉搏冲击力作用下产生变形或向两侧张开的位移时，张紧布置于中空结构内部的光纤布拉格光栅可以获得较高的灵敏度、较高的分辨率以及更大的测量范围；而且这种两点式固定的布置方式，与传统将整根光纤直接粘贴或将光纤部分粘贴或将光纤设置于套管内的方式相比，可以有效避免由于光栅应变不均匀产生的啁啾现象。
22.3、本发明所述的脉搏测量传感装置中，所述力敏柔性机构中的第一刚性杆与第二刚性杆之间的夹角相同且大于90
°
；其中：当第一刚性杆与顶板以及第二刚性杆与底座之间的夹角越大，越有利于提高力敏柔性机构对脉搏冲击力的放大倍数，但是相应的传感器结构强度较低；因此，为了综合考虑传感器的结构强度以及放大倍数，本技术将所述第一刚性杆与顶板以及第二刚性杆与底座之间的夹角限定为150
°‑
160
°
，优选150
°
时，既可以保证力敏柔性机构的结构强度，同时可以输出最大放大倍数的脉搏冲击力。
23.4、本发明所述脉搏测量传感装置中，所述力敏柔性机构除了具有放大脉搏冲击力，提高装置的测量灵敏度外；两组四连杆放大机构平行并联布置，在保证高灵敏度的同时，还具有较强的抗径向串扰的能力，因此所述传感装置还具有较强的抗干扰性能。
24.5、本发明所述脉搏测量传感装置中，四个柔性连杆机构依靠其结构薄弱部分(即：柔性铰链)的弹性变形与弹性恢复力实现微位移运动，具有结构简单、运动灵敏、免润滑、无摩擦等优点。
25.6、本发明所述脉搏测量传感装置中的力敏柔性结构采用刚体置换法得到，避免了复杂的刚性铰链连接结构；同时，所述力敏柔性结构可以通过3d打印方式一体化制造，具有结构简单、体积小的特点，因此易于设计成可穿戴的方式，以便于实际应用时方便、快捷地实现人体脉搏的长期监测。
26.7、本发明所述脉搏测量传感装置中，通过设置具有力放大能力的柔性连杆机构，使得力敏柔性机构具有结构紧凑以及良好的动态特性。
27.8、本发明还提供了一种脉搏测量系统，该测量系统应用于颈动脉脉搏测量时，可将颈动脉脉搏冲击产生的垂直位移/力转化为力敏柔性机构的x方向伸缩位移，并放大脉搏冲击力；同时，放大后的脉搏冲击力作用于悬置于力敏柔性机构中心的光纤布拉格光栅上，可以输出更加均匀、更加灵敏、线性度高的反射中心波长偏移信号，通过信号处理单元对该应变信号进行处理，即可继而输出更为清晰、精准的颈动脉脉搏波形，进而实现对颈动脉脉搏信号的快捷、方便、实时的测量，为人体生理健康状况评估和疾病诊断提供波形清晰、特征明显的高保真脉搏信号。
附图说明
28.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。
29.图1为本发明实施例所述脉搏测量传感装置立体结构示意图。
30.图2为本发明实施例所述力敏柔性机构的立体结构示意图。
31.图3为本发明实施例中，通过刚体置换法得到力敏柔性机构的转换示意图。
32.图4为本发明实施例所述力敏柔性机构的刚性原型及实现力放大的原理示意图。
33.图5为本发明实施例所述脉搏测量传感装置中，光纤应变与受力之间的关系曲线图。
34.图6为本发明实施例所述颈动脉脉搏测量系统示意图。
35.图7为本发明实施例中，通过所述颈动脉脉搏测量系统测量得到的人体颈动脉脉搏波形图。
36.标号说明：1、力敏柔性机构；11、顶板；12、底座；121、安装槽；13、柔性连杆机构；131、第一刚性杆；132、柔性铰链；133、第二刚性杆；14、光纤固定平台；15、接触凸台；2、光纤布拉格光栅；3、弹性带；4、光纤光栅解调仪；5、计算机系统。
具体实施方式
37.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
38.实施例1：如图1至3所示，一种脉搏测量传感装置，包括作为传感元件的光纤布拉格光栅2以及用于输出并放大脉搏垂直作用力的力敏柔性机构1；其中：
39.所述力敏柔性机构1包括可相对移动的顶板11与底座12，所述顶板11与底座12之间相互平行且连接设置两组四连杆放大机构，两组所述四连杆放大机构平行设置且关于z-x平面对称分布，每组所述四连杆放大机构分别包括两个关于z-y平面对称设置的柔性连杆机构13，所述柔性连杆机构13包括第一刚性杆131、第二刚性杆133，所述第一刚性杆131与顶板11、第二刚性杆133与底座12以及第一刚性杆131与第二刚性杆133之间分别通过柔性铰链132相连接；当顶板11与底座12之间的垂直距离减小时，四个所述柔性连杆机构13可协同产生x方向的位移运动；
40.所述光纤布拉格光栅2加载于平行设置的两组四连杆放大机构上，且所述光纤布拉格光栅2与x轴相平行。
41.具体地，本实施例1中，所述柔性铰链132可以为圆弧切口形式的柔性铰链、椭圆切口形式或直角切口形式的柔性铰链，还可以为其它类型的柔性铰链；其中，圆弧形切口形式的柔性铰链具有刚度大、加工方便、精度高的特点，因此，如图1、2所示，本实施例所述脉搏测量传感装置中，柔性铰链的结构形式优选圆弧切口形式的柔性铰链。
42.进一步地，如图1、2、3所示，本实施例中，平行且对称设置的两组四连杆放大机构与顶板11及底座12之间可分别围合形成柔性类六连杆放大机构，两组柔性类六连杆放大机构可放大输入的脉搏垂直作用力，并产生x方向的微位移运动，并直接作用于与x向平行设
置的光纤布拉格光栅2上；具体地，本实施例中，作为较优的实施方式，所述光纤布拉格光栅2通过以下方式连接设置于力敏柔性机构上：
43.如图2所示，两组平行设置的四连杆放大机构之间连接设置两个关于y方向对称的光纤固定平台14，所述光纤布拉格光栅2呈两端固定中间悬空的方式加载于两个光纤固定平台14上；进一步地，设置于两个光纤固定平台14上的光纤布拉格光栅2位于z-x平面上(即：两组四连杆放大机构的对称平面上)且与顶板11以及底座12之间的间距相等。这种设置方式使得光纤布拉格光栅2直接设置在力敏柔性机构x方向的最大位移输出方向上且能够在最大输出(即放大倍数最大)的脉搏作用力作用下，产生极为显著且灵敏度更高的光栅应变信号；而且这种两点式固定的布置方式，与传统将整根光纤直接粘贴或将光纤部分粘贴或将光纤设置于套管内的方式相比，可以有效避免由于光栅应变不均匀产生的啁啾现象。
44.作为进一步优选，本实施例1所述的脉搏测量传感装置中，可在预紧力作用下，将所述光纤布拉格光栅2以张紧状态固定于两个光纤固定平台14上；当所述力敏柔性结构在脉搏冲击力作用下产生变形或向两侧张开的位移时，张紧布置于中空结构内部的光纤布拉格光栅2可以获得更高的灵敏度、更高的分辨率以及更大的测量范围。
45.本实施例1所述的脉搏测量传感装置为对称式结构，具有较高的整体刚性；当脉搏冲击力沿该机构z轴方向施加于顶板11上时，顶板11与底座12之间的垂直距离减少，位于顶板11两侧的呈左、右对称布置的两组柔性连杆机构可分别输出放大后的脉搏冲击力，继而使得加载于力敏柔性机构上的光纤布拉格光栅在较大水平拉力作用下，产生显著的光栅应变信号，将光栅应变信号经转换后，即可输出精准、清晰的脉搏波形，具体工作原理如下：
46.如图1、2、3所示，本实施例1中，所述脉搏测量传感装置为对称结构，左侧结构与右侧结构完全相同，四连杆机构中两个柔性连杆机构13与顶板11以及底座12之间可围合形成柔性类六连杆机构；当垂直位移(脉搏冲击力f)沿力敏柔性机构的z方向输入时，顶板11与底座12之间的垂直距离减少，两个平行并联布置的柔性类六连杆机构在柔性铰链的弹性形变下，具有向两侧张开(即：x方向)的位移，并相应输出放大后的脉搏冲击力，进而直接作用于布置方向与x方向相平行光纤布拉格光栅上，继而使得光纤布拉格光栅进行规律的伸缩，并产生显著的、均匀的、线性度较高的应变信号；进一步地，光纤布拉格光栅上的应变会使光栅的栅距发生变化，进而导致光栅反射波中心波长产生漂移，光纤布拉格光栅中心波长漂移与应变的关系为：
[0047][0048]
其中，λ为光纤布拉格光栅的初始中心波长，δλ为光栅的中心波长漂移量，αf为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤材料的热光系数，pe为光纤的弹光系数；δε为光纤光栅产生的应变变化；
[0049]
由于光纤布拉格光栅的反射中心波长随着脉搏的冲击以及四连杆机构的拉伸和弹性形变的恢复会产生规律的周期性变化，因此通过检测反射中心波长得到相对应的光栅应变信号，即可输出相应的脉搏波形。
[0050]
进一步地，本实施例中，所述力敏柔性机构为力放大机构，可以输出放大后的脉搏冲击力，具体原理解释如下：
[0051]
如图4所示，由于力敏柔性机构为对称结构，左侧结构与右侧结构完全相同，所以以其中一组柔性连杆机构fe和ed为例说明如下：
[0052]
对点d和点e进行力学分析：
[0053]ffbg
＝2*f
de
*cosα；
[0054][0055]
该机构力放大比可以用光纤布拉格光栅受到的拉力f
fbg
和脉冲输入f
in
之比计算；其中，当限定刚性杆de与顶板之间的夹角为150
°
时，α＝30
°
，结果如下所示：
[0056][0057]
说明了本发明设计得到的力敏柔性机构的力放大能性能，放大倍数为3.46。
[0058]
实施例2：如图1至3所示，一种脉搏测量传感装置，与实施例1的区别在于，本实施例重点对柔性连杆机构13进行限定如下：
[0059]
所述柔性连杆机构13中，所述第一刚性杆131与顶板11以及第二刚性杆132与底座12之间的夹角相同且大于90
°
小于180
°
。其中：当第一刚性杆131与顶板11以及第二刚性杆132与底座12之间的夹角越大，越有利于提高力敏柔性机构对脉搏冲击力f的放大倍数，但是相应的不利于传感器保持较好的结构强度；因此，为了综合考虑传感器的结构强度以及放大倍数，本实施例中将所述第一刚性杆131与顶板11以及第二刚性杆132与底座12之间的夹角限定为150
°‑
160
°
。进一步，当所述夹角限定为150
°
时，既可以确保力敏柔性机构的结构强度，同时可以输出最大放大倍数的脉搏冲击力。
[0060]
实施例3：本实施例在实施例1、2的基础上，进一步限定如下：如图1至3所示：
[0061]
本实施例中，将顶板11限定为移动平台，与人体脉搏处相接触，用于输入z方向的垂直位移或脉搏垂直作用力(又“脉搏冲击力”)f，所述底座12限定为固定平台，用于承载径向载荷；进一步地，本实施例中，将顶板11与底座12的截面形状分别设置为方形，优选为矩形；且将底座12的截面面积限定为大于顶板11的截面面积；这种设置方式使得力敏柔性机构的整体底部刚度较大，稳固性强，且具有较高承受径向载荷的能力。
[0062]
进一步地，本实施例中，为了更好实现垂直位移或脉搏垂直作用力f的输入，可在顶板11上设置用于与测试者脉搏处相贴合的接触凸台15；其中：作为优选，如图2所示，可将接触凸台15设置为圆柱形，并将圆柱形接触凸台的中心轴线限定为与z轴方向重叠，继而确保垂直位移或脉搏垂直作用力f能够沿力敏柔性机构的z轴方向均匀地传递至平行且对称设置的两组四连杆机构上，继而对称性输出x方向的位移及放大后的脉搏冲击力。
[0063]
此外，作为优选的实施方式，如图3所示，本发明实施例1至3中，所述力敏柔性机构为一体成型的柔性铰链机构，可通过刚体置换法对六连杆机构中的连接节点进行柔性铰链的置换得到。作为进一步优选，所述力敏柔性机构可通过3d打印机技术一体化制造得到。因此，本发明所述测量传感装置具有结构简单、体积小、制备方便的特点；在实际使用时，可以通过集成弹性带，即可实现可穿戴测量，使得测量极为方便、快捷。
[0064]
综上，本发明提供了一种脉搏测量传感装置，该装置中：所述力敏柔性机构通过刚体置换法设计得到；具体地，所述力敏柔性机构包括平行设置的移动平台与固定平台，移动平台与固定平台之间连接设置两组平行、对称布置的四连杆放大机构，每组四连杆放大机
构分别由两个对称设置的柔性连杆机构组成，这种结构设置的力敏柔性机构左侧结构与右侧结构完全相同，可对输入的脉搏冲击力进行放大，继而提高了传感装置的测量灵敏度；进一步地，两组四连杆放大机构平行并联布置，在保证高灵敏度的同时，实现了较强的抗径向串扰的能力，因此所述测量装置还具有较强的抗干扰性能。
[0065]
验证分析：
[0066]
本发明通过ansys仿真软件对本发明实施例所述脉搏测量传感装置进行验证分析，并输出光纤布拉格光栅(简称：光纤)应变与受力的关系曲线图，如图5所示。
[0067]
由图5可知，所述脉搏测量传感装置中光纤应变与受力的关系呈线性，计算得到斜率为1541.5με/n。对于中心波长为1550nm的光纤，中心波长偏移量约为光纤应变的1.2倍，故测量装置灵敏度约为1849.8pm/n，证明了本发明所述传感装置的高线性度和高灵敏度优势，因此用于脉搏测量时可以得到精确的脉搏波形，为人体健康评估提供高保真的脉搏数据。
[0068]
实施例4：如图6所示，一种脉搏测量系统，包括信号处理单元以及上述实施例中的脉搏测量传感装置；其中：
[0069]
所述信号处理单元包括光纤光栅解调仪4以及计算机系统5；所述光纤光栅解调仪4与光纤布拉格光栅2相连接；所述计算机系统5与光纤光栅解调仪4相连接，用于将光栅应变信号转换为数字信号并输出测量得到的脉搏波形。
[0070]
实施例5：本发明实施例4所述的脉搏测量系统可适用测量的脉搏部位包括桡动脉，其次有颞浅动脉、颈动脉、肱动脉、足背动脉、胫后动脉、股动脉等；具体地，本实施例提供了一种适用于颈动脉脉搏测量的可穿戴式测量系统，与实施例4的区别在于：
[0071]
如图1、2所示，在所述实施例3所述脉搏传感装置的底座12上开设关于y方向对称的两个安装槽121，所述安装槽121内分别连接设置弹性带3；测量时，通过安装于传感装置底座两侧的弹性带3，将传感装置穿戴于脖颈处，并将接触凸台15贴合于颈动脉，通过信号处理单元，即可输出相应的脉搏波形，具有简单、方便、快捷的特点。
[0072]
具体地，本实施例所述的测量系统测量过程如下：在测量开始前，确保从传感装置引出的光纤布拉格光栅已连接到光纤光栅解调仪4，光纤光栅解调仪4与计算机系统5通讯正常；受试者应避免剧烈运动，并以正常舒适的姿态坐在椅子上以保持稳定状态，以确保在脉搏测量过程中干扰最小。在测量过程中，受试者首先将传感装置接触凸台测量接触点抵于颈部颈动脉搏动明显处，然后在辅助人员的帮助下利用弹性带将装置主体结构稳定佩戴在恰当位置，并进一步调整弹性带的粘接位置来调整带松紧程度以获得良好的测量效果，并保证受试者测量过程中的穿戴舒适性。测量的脉博信息将通过传感装置、解调仪及计算机系统转化为实时显示的脉搏波形。如图7所示，所述测量系统测得脉搏波形清晰，幅值高于300pm，这一指标高于众多同类传感器，验证了该测量装置良好的脉搏波形测量能力。通过对该波形进行分析可以进一步评估该受试者的心血管健康状况。
[0073]
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。