監(jiān)測哮喘患者呼吸頻率的光纖傳感探頭設(shè)計

宋大偉

（黑龍江省醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，黑龍江哈爾濱 150036）

0 引言

哮喘是影響人們身心健康的重要疾病。治療不及時、不規(guī)范，哮喘可能致命，主要癥狀是發(fā)作性的喘息，氣急，胸悶，咳嗽。呼吸頻率是監(jiān)測哮喘病人發(fā)作的一項重要指標(biāo)，呼吸次數(shù)超過30次/min，可判定哮喘病人發(fā)病。在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，哮喘患者非常有必要監(jiān)測呼吸頻率。例如在做核磁共振時候，患者獨處半封閉的空間內(nèi)幾分鐘甚至十幾分鐘，當(dāng)疾病發(fā)作時不能有效的監(jiān)測病人狀況，會使患者處于危險中。本文設(shè)計一款新型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測呼吸頻率的光纖器件傳感器，可以在不受強(qiáng)磁、強(qiáng)干擾的影響下監(jiān)測哮喘病人的呼吸頻率。

1 傳感單元的設(shè)計和制作方法及工作原理

光纖傳感器一般由信號光源、傳輸光纖、傳感光纖、光信號反饋檢測等部分組成。對一束光波來說，描述光波形態(tài)的參數(shù)主要有光強(qiáng)、頻率、波長、相位和偏振態(tài)等。因此，在外界環(huán)境的影響下，光纖中的傳輸?shù)墓獠ǖ奶卣鲄⒘咳绻l(fā)生改變，諸如溫度變化、壓力、應(yīng)變等外界環(huán)境變化導(dǎo)致的特征參量變化從而進(jìn)行傳感測量。當(dāng)人體進(jìn)行呼吸活動時，胸腹部相當(dāng)于有規(guī)律或者無規(guī)律的起伏運動，實驗證明，設(shè)計適當(dāng)?shù)膫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)以及利用光纖的應(yīng)力特征參量的改變的變化就能夠測量出人體的呼吸頻率。

設(shè)計的傳感裝置由聚乙烯塑料基座，橡膠圓柱體、圓形上蓋、封閉腔體彈性塑料以及繃帶組成。首先使用硬膠把橡膠粘接在基座的中心位置，固定好后再把上蓋中心位置粘接到橡膠圓柱體的頂端，然后將光纖傳感單元環(huán)繞粘貼到橡膠圓柱體的中心位置，最后使用彈性塑料封閉基座上的圓柱體以及上蓋，粘貼完成后組成了呼吸頻率傳感單元，當(dāng)傳感器受到垂直應(yīng)力起伏擠壓時，通過橡膠圓柱體的膨脹與收縮，來拉伸光纖傳感單元，通過測量光的特征參量的變化來測量所需數(shù)據(jù)。

光纖傳感單元是傳感器核心部件，這是一種——單模多模光柵——單模結(jié)構(gòu)，是在兩段單模光纖中間熔接一段多模光纖光柵。當(dāng)光從單模光纖進(jìn)入到多模光纖時，光場能量會從單模光纖中的單一模式向多模光纖中的多個模式分配。由于存在多個模式，且光從多模光纖再次耦合回單模光纖后各個模式之間會相互干涉，因此單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)具有獨特的性質(zhì)。

2 呼吸頻率傳感單元溫度、應(yīng)力測試實驗

接下來對傳感裝置進(jìn)行傳感特性實驗。將單模-多模光柵-單模結(jié)構(gòu)用高溫膠帶固定在加熱板上，加熱板的溫度可以通過改變其通電功率調(diào)節(jié)。由于對單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了固定，因此可以不考慮應(yīng)力和彎曲的影響。實驗中所用光源為寬譜光源，光從光源入射到單模光纖后耦合進(jìn)多模光纖光柵，即傳感區(qū)。改變這一區(qū)域的溫度，就會對通過這一區(qū)域的光信號產(chǎn)生調(diào)制，這些帶有調(diào)制信息的光信號最后耦合進(jìn)入出射單模光纖，我們利用光譜分析儀對所得信號進(jìn)行解調(diào)，從而得到階躍型單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)的溫度特性。

在從25℃加熱到65℃的過程中，單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)的反射譜和透射譜的形狀都保持地不錯，并隨著溫度的增加向長波方向移動。

類似的，選擇對正軸熔接的階躍型單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)做了應(yīng)力傳感特性實驗。實驗中把待測的單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)固定在一個微調(diào)節(jié)架上。通過調(diào)節(jié)微調(diào)節(jié)架，是微調(diào)節(jié)架橫向移動，從而對單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)施加軸向應(yīng)力。

同溫度實驗一樣，應(yīng)力實驗中所用光源為寬譜光源，光從光源進(jìn)入入射單模光纖然后耦合進(jìn)入傳感區(qū)，改變單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)力，會引起光纖長度、光柵周期以及折射率等特性的變化，使通過其中的光的特性發(fā)生改變，從而實現(xiàn)了對光信號的調(diào)制。這些帶有調(diào)制信息的光信號最后耦合進(jìn)入出射單模光纖。利用光譜分析儀對所得信號進(jìn)行解調(diào)，從而得到所測單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性。實驗所得單模——多模光柵——單模光纖結(jié)構(gòu)的透射譜隨應(yīng)力的變化情況如圖1所示。

圖1 單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)的反射譜與透射譜

圖1為不同應(yīng)力下單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)的反射譜和透射譜。隨著應(yīng)力的增大，單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)的反射譜和透射譜同時向長波方向移動。取其中箭頭所示的反射譜中的反射峰和透射譜中的波谷為研究對象，其應(yīng)力響應(yīng)分別如圖中實線和虛線所示。從圖1中可以看出，在700 με的范圍內(nèi)，單模——多模光柵——單模結(jié)構(gòu)的波長的漂移量與應(yīng)力成線性關(guān)系，其中反射峰的溫度響應(yīng)約為1.17 pm/με，透射譜的溫度響應(yīng)約為1.22 pm/με，反射譜和透射譜的應(yīng)力響應(yīng)也幾乎相同。（注：pm/με為波長和應(yīng)變之間的關(guān)系，即應(yīng)變靈敏度單位，pm/℃為波長和溫度之間的關(guān)系，即溫度靈敏度）。

光譜解調(diào)儀、計算機(jī)、軟件系統(tǒng)組成傳感裝置的測試系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)由課題組自行設(shè)計。進(jìn)行理想狀態(tài)下的呼吸實驗，使用固定頻率的傳動裝置，來測試傳感器。隨后進(jìn)行真人人體呼吸頻率測試實驗。通過調(diào)節(jié)人體佩戴傳感器的松緊程度來調(diào)節(jié)呼吸頻率的峰值，待穩(wěn)定后，進(jìn)行人體呼吸頻率測試。實驗結(jié)果表明，通過外部復(fù)雜環(huán)境和人體溫度不同測試后得到的呼吸頻率的整體誤差水平要高于理想環(huán)境下實驗的測試值，誤差平均值為0.3次/min。

2 總結(jié)

特殊環(huán)境下哮喘患者呼吸頻率是臨床監(jiān)測中一個必不可少的生理指標(biāo)，通過對呼吸頻率的監(jiān)測，可以及時準(zhǔn)確地判斷患者的身體基礎(chǔ)狀態(tài)。患者呼吸頻率傳感器的設(shè)計，不管是從醫(yī)療需求角度還是受測者安全角度來看，都是非常有發(fā)展前景。總結(jié)前人所做的相關(guān)工作，針對現(xiàn)有的光纖傳感的技術(shù)特點，提出一款新結(jié)構(gòu)的監(jiān)測哮喘病人呼吸頻率的光纖傳感探頭，并通過實驗數(shù)據(jù)對該傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行了驗證，同時分析研究了光纖傳感單元的溫度、應(yīng)力傳感特征。