使用嵌入式光纤布拉格光栅实时监测呼吸的方法和设备技术

一种用于监测呼吸功能的可穿戴装置包含具有嵌入式光纤布拉格光栅(FBG)的前部部分。所述装置包含至少一个光发射器，每个光发射器被配置成脉冲光波通过对应FBG。所述装置进一步包含被配置成接收所脉冲光波的至少一个光传感器。处理器从所述光传感器接收由至少一个FBG反射的峰值波长，并检测所述至少一个FBG的布拉格波长的一段时间内的人体变形引起的有效偏移，以建立基线呼吸模式。所述装置可将所述基线呼吸模式与轮廓呼吸模式进行比较以确定所述基线呼吸模式是否指示潜在疾病状态，并提供所述潜在疾病状态的警报。提供所述潜在疾病状态的警报。提供所述潜在疾病状态的警报。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用嵌入式光纤布拉格光栅实时监测呼吸的方法和设备
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2020年7月22日提交的第63/054,874号美国临时申请的权益。前述申请的全部教示内容以引用方式并入本文。

技术介绍

[0003]在许多情况下，监测一个人的呼吸状态是健康监测的重要方面。监测对象包含术后患者、患有慢性心肺疾病的患者以及患有呼吸道感染的患者(例如，感染COVID
‑
19的患者)。个体的呼吸频率可以用一个人在一定时间量内所进行的呼吸次数来测量，例如每分钟的呼吸次数。另外，可能由吸气和呼气的幅度和持续时间组成的呼吸模式包含正常和异常呼吸状态的临床指示。由心搏周期引起的呼吸模式波动，称为心源性振荡，可能是例如心力衰竭等心脏病症的指标。潮气量限定呼吸过程中移动通过肺的空气量，并且潮气量和呼吸频率的乘积限定每分钟通气量，这是呼吸健康的重要衡量标准。在医院环境中，临床医生可以使用呼吸频率、每分钟通气量以及呼吸模式测量值来确定患者是否正经历呼吸窘迫和/或功能障碍。另外，呼吸频率和模式测量值也可用于运动医学中，作为运动员以及普通人群健康/耐力评估的证据。

技术实现思路

[0004]符合本专利技术的原理的实施例包含用于监测个体的呼吸功能以检测基线呼吸频率和呼吸信号中可指示疾病或健康状态的任何异常变化的方法和系统。
[0005]在一个实施例中，具有嵌入式光纤布拉格光栅(FBG)的可穿戴装置可穿戴在个人身体上，其方式为可通过测量布拉格波长由于人体变形引起的FBG上的应变而产生的时间相关偏移来检测人体在呼吸频率下的扩张和收缩。通过检测FBG的布拉格波长由一段时间内人体变形引起的有效偏移，装置可建立基线呼吸模式。在一些实施例中，可穿戴装置可以是略微缠绕在胸部或腹部周围的可穿戴背带。在其它实施例中，可穿戴装置可以是具有嵌入式FBG的贴片，其用粘合剂附接到胸部或腹部。使用FBG，装置可将基线呼吸模式与轮廓呼吸模式进行比较，以确定基线呼吸模式是否指示潜在疾病状态，并提供潜在疾病状态的警报。在又其它实施例中，所述装置可以是待放置在个体下方的衬垫，或作为待放置在个体身上的毯子，使得嵌入式FBG可检测个体的呼吸移动。这种实施例在医院环境中可能特别有用，其中装置可将FBG数据提供到处理器和界面，以向医疗保健专业人员提供对患者呼吸模式的监测。
[0006]在其它实施例中，所述装置可进一步继续从多个FBG获取波长数据，以检测呼吸信号中超过可指示疾病状态的设定阈值的任何异常变化中的任何变化；并且提供潜在疾病状态的警报。
[0007]这种装置可以是基于医院的重症或住院护理系统或家庭医疗保健系统的一部分。在另一种形式因素中，这种装置可以是用于普通人群的可穿戴系统，作为移动健康或远程医疗的一部分的作为用于普通人群的全面“可穿戴持续生命体征监测系统”的一部分。这种
装置还可用于实时持续的婴儿健康监测。
附图说明
[0008]从下面对如附图中图示的示例性实施例的更具体的描述会明白前述内容，附图中相似的附图标记指不同视图中的相同部件。附图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在图示实施例。
[0009]图1是光纤芯中的代表性FBG。
[0010]图2是根据本专利技术的原理的可用于监测实时呼吸功能的装置的实施例。
[0011]图3是根据本专利技术的原理的可用于监测实时呼吸功能的装置的另一实施例。
[0012]图4是根据本专利技术的原理的可用于监测实时呼吸功能的装置的另一实施例。
[0013]图5是根据本专利技术的原理的可用于监测实时呼吸功能的装置的另一实施例。
[0014]图6是说明根据本专利技术的原理的监测实时呼吸功能的方法的流程图。
[0015]图7是根据本专利技术的原理的可用于监测实时呼吸功能的系统的实施例。
具体实施方式
[0016]以下是对示例性实施例的描述。
[0017]如图1中所示，光纤布拉格光栅(FBG)100是小长度的光纤120，所述光纤包括产生折射率的周期性变化的多个反射点130a
‑
n。FBG反射以带宽ΔλB为中心的独特波长(λB)。光栅的周期性Λ与布拉格波长λB相关。
[0018]lB＝2.n
eff.
Λ
……………………
(1)
[0019]n
eff
是单模光敏光纤的有效折射率。随着光纤拉伸，光栅参数Λ增加δΛ，而有效折射率n
eff
减小δn
eff
。布拉格波长λB偏移
[0020]δlB＝2{n
eff.
δΛ+Λ.δn
eff
}。
…………………
(1a)
[0021]通过将具有一个或多个FBG的一个或多个光纤嵌入可包裹在人体解剖相关部分的各部分上的可穿戴材料中，可穿戴装置可用于感测由生理过程(例如，呼吸)引起的所述部分的变形。在符合本专利技术的原理的某些实施例中，变形数据可用于测量和建立体内的呼吸和心脏模式。
[0022]在人们可以将嵌入式FBG用作应变计之前，FBG的响应函数和线性应表征为负载的函数。为了表征FBG的响应函数和线性，可以使用电应变计来校准FBG，使得所施加的拉伸负载接近人体移位在三维对象的笛卡尔坐标系内的读数。为了使FBG用作可靠的应变计，FBG在拉伸负载下拉伸时，其反射波长的变化必须线性地跟踪电应变计数据。一旦经校准，FBG的响应就可以可靠地用作用于检测对象表面变形的嵌入式应变计。在对应变计弹性的合理限制内，所述响应还可以用于检测对象表面已移位的程度。基于将压力与应变或波长进行比较的校准曲线，以及来自传感器的应变数据，可以检测移位程度。在其它情况下，校准曲线可以从将所反射的布拉格波长与可能包含基于物理或图像的测量值的辅助呼吸测量值进行比较而导出。
[0023]图2是根据本专利技术的原理的患者穿着并用于监测呼吸活动的服装200的实施例。在服装200中，多个FBG光纤210a
‑
n沿服装横向地嵌入，在平行于扫描平面A的方向上延行。服装200可具有针对透射穿过FBG光纤210a
‑
n的激光或光源的输入220。每个FBG 210a
‑
n连接
到接收来自光源的经脉冲光波的光传感器(未示出)。另外，服装200还可包含输出230，其中光传感器可将关于穿过FBG 210a
‑
n中的每一者的光透射的数据提供到外部处理器，所述外部处理器可标识FBG 210a
‑
n的折射率的偏移，从而表明服装内的对象的表面变形。在其它实施例中，处理器可位于服装内部，并经由无线传输(例如，WiFi或蓝牙)来传输数据。多个FBG 210a
‑
n可有助于标识横截面扫描平面中可能存在特定移动的位置，因为每个FBG沿笛卡尔坐标系提供不同的纵向标记。FBG可使得系统能够测量一段时间内的移位，以建立由吸气和呼气的幅度和持续时间以及呼吸频率组成的呼吸模式。鉴于这种服装的低衰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于监测人体的呼吸频率的方法，所述方法包括：从安置成与人体接触的多个光纤布拉格光栅(FBG)获取峰值波长数据；确定至少一个FBG的布拉格波长由于一段时间内人体变形引起的所述FBG上的轴向应变而产生的有效偏移，以建立基线呼吸模式；将所述基线呼吸模式与轮廓呼吸模式进行比较，以确定所述基线呼吸模式是否指示疾病状态；提供所述疾病状态的警报。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：评估与所述疾病状态相关联的额外生理测量值，以确定所述基线呼吸模式是否指示所述疾病状态。3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：继续从所述多个FBG获取波长数据，以检测呼吸信号中超过能指示潜在疾病状态的设定阈值的任何变化；以及提供所述潜在疾病状态的警报。4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括：评估与所述潜在疾病状态相关联的额外生理测量值，以确定所述基线呼吸模式是否指示所述潜在疾病状态。5.根据权利要求3所述的方法，其中所述呼吸信号中的异常变化包含指示心力衰竭的心源性振荡。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述基线呼吸模式和所述轮廓呼吸模式是每分钟通气量模式。7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：接收所述基线呼吸模式与患病状态相关联的指示；用用于标识所述患病状态的所述基线呼吸模式来更新所述轮廓呼吸模式。8.根据权利要求6所述的方法，其中更新所述轮廓呼吸模式包含提供用于标识所述患病状态的生理状态信息。9.一种用于监测人体的呼吸频率的可穿戴装置，所述方法包括：前部部分，所述前部部分由压缩材料制成并且具有至少一个光纤布拉格光栅(FBG)，所述前部部分安置成与人体接触；至少一个光发射器，每个光发射器被配置成脉冲光波通过对应FBG；至少一个光传感器，每个光传感器附接到对应FBG并且被配置成接收所脉冲光波；处理器，其被配置成：i.从所述光传感器接收由所述至少一个FBG反射的峰值波长；ii.确定所述至少一个FBG的布拉格波长的有效偏移；所述有效偏移是由于一段时间内人体变形引起的所述FBG上的轴向应变而产生的，以建立基线呼吸模式；iii.将所述基线呼吸模式与轮廓呼吸模式进行比较，以确定所述基线呼吸模式是否指示疾病状态；以及iv.提供所述疾病状态的警报。10.根据权利要求9所述的装置，其中所述处理器进一步被配置成评估与所述疾病状态
相关联的额外生理测...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：艾姆皮尼亚公司，
类型：发明
国别省市：