一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统及方法，系统包括床垫、若干体征光纤光栅传感器、解调仪、上位机；体征光纤光栅传感器包括若干分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器以及分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器；体征光纤光栅传感器均固定设置在埋入床垫内床网与面料中间的填充物中，并保持深度在同一水平面上；体征光纤光栅传感器均与解调仪连接，并通过串口将解调仪输出信号传输给上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测，包括心率、呼吸、体温等体征参数；并根据用户睡眠状态下压力场监测情况，分析睡姿、离床情况。本发明专利技术通过分布式多参数光纤光栅传感器组网实现多体征及睡眠运动状态信息的监测。

【技术实现步骤摘要】
一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统及方法
本专利技术属于智能家居、医疗保健等
，涉及一种睡眠状态多体征分布式光纤智能监测技术，具体涉及一种非侵入式多体征分布式光纤感知的智能床垫及感知方法。
技术介绍
人口老龄化问题已成为当前全世界各国面临的共同话题。据相关资料统计分析，我国在2035年60岁以上的老年人口将达4亿，因此，如何保障老年人的健康将成为国家和社会的关注重点。通常，清醒状态老人体征突然产生变化时，其自身和旁人可及时察觉，以及时救治。但睡眠状态且无人陪护时，老人易出现如因急性病导致体温骤升或骤降、呼吸暂停、心率中断以及滚落床等突发状况。此时，老人处于自身护理存在难度或无人/错过护理状态，特别是养老院和ICU等场所的老人或病患，极易错过黄金救治时间。对于老人或病患进行睡姿及离床监测的必要性在于：1、睡姿监测：老人或病患长时间保持相同睡姿睡眠可能会影响正常呼吸、血液流通，从而导致呼吸暂停、心脏缺血骤停、身体局部麻痹等问题，严重影响老人或病患的健康。例如：在美国，每年有150万人因身体局部组织长期受到压迫，供血不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统，其特征在于：包括床垫、若干体征光纤光栅传感器、解调仪、上位机；/n所述若干体征光纤光栅传感器包括若干分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器以及分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器；/n所述若干体征光纤光栅传感器均固定设置在所述埋入床垫内床网与面料中间的填充物中，并保持深度在同一水平面上；/n所述若干体征光纤光栅传感器均与所述解调仪连接，并通过串口将所述解调仪输出信号传输给所述上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测。/n

【技术特征摘要】
1.一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统，其特征在于：包括床垫、若干体征光纤光栅传感器、解调仪、上位机；
所述若干体征光纤光栅传感器包括若干分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器以及分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器；
所述若干体征光纤光栅传感器均固定设置在所述埋入床垫内床网与面料中间的填充物中，并保持深度在同一水平面上；
所述若干体征光纤光栅传感器均与所述解调仪连接，并通过串口将所述解调仪输出信号传输给所述上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测。


2.根据权利要求1所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统，其特征在于：所述分布式温度光纤光栅传感器由第一光纤(101)、第一光纤光栅FBG(102)，铜管(103)、第一粘接剂(104)组成；
所述铜管(103)套设在所述第一光纤(101)上，两端通过所述第一粘接剂(104)封闭；所述第一光纤光栅FBG(102)设置在所述第一光纤(101)上，位于所述铜管(103)内部；所述第一光纤(101)在所述铜管(103)内呈松弛状态，以避免应变耦合，进而实现人体温度的测量。


3.根据权利要求1所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统，其特征在于：所述分布式压力光纤光栅传感器由第二光纤(201)、第二碳纤维弹性梁(202)、第二粘接剂(203)、第二基底(204)、第二光纤光栅FBG(205)组成；
所述第二碳纤维弹性梁(202)中部凸起，两端与所述第二基底(204)固定连接在一起；所述第二光纤(201)横穿所述第二碳纤维弹性梁(202)，并通过所述第二粘接剂(203)将第二光纤(201)与第二碳纤维弹性梁(202)连接处封闭；
所述第二光纤光栅FBG(205)设置在所述第二光纤(201)上，位于所述第二碳纤维弹性梁(202)与所述第二基底(204)之间的空腔内；所述第二光纤(201)在所述第二碳纤维弹性梁(202)与所述第二基底(204)之间的空腔内呈紧绷状态。


4.根据权利要求1所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统，其特征在于：所述分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器由第三光纤(301)、第三碳纤维弹性梁(302)、第三基底(303)、第三光纤光栅FBG1(304)、第四光纤光栅FBG2(305)、挂部件(306)、第三粘结剂(307)、第四光纤(308)组成；
所述第三碳纤维弹性梁(302)中部凸起，两端与所述第三基底(303)固定连接在一起；所述第三光纤(301)横穿所述第三碳纤维弹性梁(302)，并通过所述第三粘接剂(307)将第三光纤(301)与第三碳纤维弹性梁(302)连接处封闭，所述第三光纤(301)在所述第三碳纤维弹性梁(302)与所述第三基底(303)之间的空腔内呈紧绷状态；
所述第三基底(303)上设置有光纤安装槽，所述第四光纤(308)安装在所述光纤安装槽内，两端通过所述第三粘接剂(307)封闭，所述第四光纤(308)在所述第三基底(303)的光纤安装槽内呈紧绷状态；
所述挂部件(306)设置在所述第三碳纤维弹性梁(302)的凸起部内腔上壁上，所述第三光纤(301)、第四光纤(308)均挂设在所述挂部件(306)上，使光纤形成弯曲紧绷状态；
所述第三光纤光栅FBG1(304)设置在所述第三光纤(301)上，位于所述第三碳纤维弹性梁(302)与所述第三基底(303)之间的空腔内；所述第四光纤光栅FBG2(305)、设置在所述第四光纤(308)上，位于所述第三碳纤维弹性梁(302)与所述第三基底(303)之间的空腔内。


5.根据权利要求1-4任意一项所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统，其特征在于：所述床垫分成A区和B区两个传感器布置区域；所述A区布置分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器、分布式温度光纤光栅传感器及分布式压力光纤光栅传感器，其中，分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器用于测量心率与呼吸体征参数；所述B区并排布置分布式压力光纤光栅传感器、分布式温度光纤光栅传感器，和所述A区布置的分布式温度光纤光栅传感器、分布式压力光纤光栅传感器共同监测人体的温度场、压力场情况，用于测量温度、分析睡姿、离床情况。


6.根据权利要求1-4任意一项所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测系统，其特征在于：所述床垫若干，每个所述床垫中均固定设置有若干体征光纤光栅传感器；所述若干体征光纤光栅传感器均与所述解调仪连接，并通过串口将所述解调仪输出信号传输给所述上位机，对用户在睡眠时的健康状态进行监测。


7.一种人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，其特征在于：通过分布式心跳/呼吸光纤光栅传感器，测量心率与呼吸体征参数；通过分布式压力光纤光栅传感器与分布式温度光纤光栅传感器监测人体的温度场、压力场情况，测量温度、分析睡姿、离床情况。


8.根据权利要求7所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，其特征在于：所述分布式温度光纤光栅传感器，当被测环境温度发生变化，第一光纤光栅FBG(102)中心波长产生漂移，通过漂移值获得温度变化量，从而实现温度监测；
其中，根据光纤光栅传感原理，波长漂移与温度变化量关系如下：



其中，λB为初始状态下光纤光栅中心波长，KT为光纤光栅对温度灵敏度系数，ΔT为温度变化量，ΔλB为第一光纤光栅FBG(102)中心波长偏移值，ζ表示第一光纤(101)的热光系数，α表示第一光纤(101)的热膨胀系数。


9.根据权利要求8所述的人体睡眠多体征非侵入式分布式光纤监测方法，其特征在于：所述分布式压力光纤光栅传感器，当第二碳纤维弹性梁(202)凸起部受力产生向下位移时，第二光纤(201)产生轴向拉伸，即产生轴向应变，进而使第二光纤光栅FBG(205)中心波长产生偏移，通过偏移值测量压力变化；
其中，分布式压力光纤光栅传感器受压时其轴向应变变化量为：



式中：L为光纤原长，ΔL为光纤的纵向伸缩量；
其中，ΔL求解方法如下：
取第二碳纤维弹性梁(202)左半部分为求解对象，建立以A点为原点，AB方向为x轴正方向，与AB垂直的向上为y轴正方向的坐标系，通过几何关系转化，可得到AOB弧段上某点在x轴，y轴上的分量：
当时：

【专利技术属性】
技术研发人员：李天梁，郭文卓，苏轶飞，郭金秀，谭跃刚，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42