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基于夹层多模光纤mzi传感器的人体心率与呼吸率监测研究

基于夹层多模光纤MZI传感器的人体心率与呼吸率监测研究

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作者：周富民重庆理工大学

学位级别：硕士

近年来,人类对于心脏病与睡眠呼吸暂停综合征疾病的关注度越来越高,这些疾病与人体心率（HR）与呼吸率（RR）息息相关。能够有效准确地对人体HR与RR进行监测成为当前一个热门的研究话题。现在被使用的人体HR与RR的检测设备主要为电学类... 详细信息

近年来,人类对于心脏病与睡眠呼吸暂停综合征疾病的关注度越来越高,这些疾病与人体心率（HR）与呼吸率（RR）息息相关。能够有效准确地对人体HR与RR进行监测成为当前一个热门的研究话题。现在被使用的人体HR与RR的检测设备主要为电学类传感器,这些设备通常都是接触式的,在对使用者监测的过程中,需要与使用者的皮肤进行直接接触,这大大的降低了使用者的舒适度,并且很大情况下会导致测量的结果与日常不符。同时这类设备的抗电磁干扰能力差,容易引入电磁噪声,这将会增加测量难度。基于床垫式的光纤传感器虽然可以避免上述问题,但是由于嵌入进床垫中导致光纤传感器的灵敏度太低,并且使用者要躺在床上才可以进行监测。因此,可穿戴式光纤传感器被逐渐应用于人体HR和RR监测领域。其中,光纤马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,mzi）因为其制作简单,灵敏度高等原因被广泛制作成可穿戴设备。本论文设计了一种可穿戴式夹层多模光纤mzi微弯传感器,并将其应用在人体HR与RR的监测研究中。本论文的主要内容如下:（1）详细介绍了夹层多模光纤mzi传感器的结构和工作原理。在Comsol仿真软件中分析渐变型多模光纤（graded-index multimode fiber,GIMMF）的纤芯传输模式LP-LP,采用Rsoft仿真软件计算不同长度的阶跃多模光纤（stepped index-multimode fiber,SIMMF）以及GIMMF对光纤传输光谱的影响,最终将SIMMF与GIMMF的长度设置为2 mm与2 cm。使用微弯变形器对夹层多模光纤mzi传感器进行封装用来提高压力灵敏度以及保护光纤,将微弯变形器的微弯间距Λ与微弯数量N分别设置为1 mm与18用来获得更高的灵敏度,并对封装后的夹层多模光纤mzi传感器的压力灵敏度进行了分析。（2）使用高精度光纤切割装置与光纤熔接机制作了夹层多模光纤mzi传感器。通过实验研究了夹层多模光纤mzi传感器的曲率与应变灵敏度,最大灵敏度分别为-21.75 d B/m和0.00135 d B/με,得出了对曲率响应度高的结论,因此可以通过加入微弯变形器使夹层多模光纤mzi传感器的性能得到提升。使用硅胶管、紫外胶水、非弹性材料魔术贴制备了微弯变形器,并通过魔术贴实现与可穿戴式胸带集成。对封装完成后的夹层多模光纤mzi微弯传感器进行微压力实验,得到了约98 d B/N微压力灵敏度,实验结果表明夹层多模光纤mzi微弯传感器非常适合测量微压力的生理信号。例如心跳信号、心冲击图（BCG）信号以及呼吸信号。（3）将可穿戴式夹层多模光纤mzi微弯传感器放置在心尖搏动区,去获得心跳信号,BCG信号以及呼吸信号。实验针对了5名男性和5名女性受试者分别在坐、站以及躺着的姿势下进行监测实验,使用平均误差（ME）、平均绝对误差（MAE）和平均绝对百分比误差（MAPE）以及它们所对应的标准差对实验误差进行了分析,结果均符合ANSI/AAMI EC13-2002标准。将所有HR数据进行了汇总并计算ME、MAE、MAPE以及其对应的标准差用来与市面上的其他设备进行对比分析,可穿戴式夹层多模光纤mzi微弯传感器的参数分别为-0.1±5.3 bpm、3.8±3.7 bpm以及4.9±4.9 bpm,均要高于市面上所认可的对比设备。计算出总体的HR与RR的Pearson系数为0.92与0.90,这意味着可穿戴式夹层多模光纤微弯mzi传感器达到了医疗设备的水平。并且发现对不同性别的受试者在不同姿势下进行监测时,HR的值会有所差异,具体体现为男性的HR会比女性的低;坐着姿势下的HR要低于站着的时候,并且高于躺着的时候。除此之外,可穿戴式夹层多模光纤mzi微弯传感器还能够测量BCG信号,对BCG信号的波形进行了分析,发现I、J和K特征峰均可以被识别,并且部分的数据中成功测量出F～N波,这表明传感器的灵敏度非常高,并且其准确度及一致性均符合标准。

关键词：夹层多模光纤mzi 微弯传感器心率呼吸率心冲击图

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