設計一款基于光纖光柵的脈搏測量傳感器

宋大偉 黑龍江省醫(yī)院醫(yī)學工程科

引言：脈搏在臨床醫(yī)學上是人體中重要的生理參數(shù)之一，某一時間段內(nèi)脈搏的異常變化也是人體眾多疾病前兆的提示，脈搏的變化不僅僅在于頻次的變化，在這些變化中它還蘊藏著血管相關(guān)的生理參數(shù)的表達，脈搏的波形也與生理和病理的變化息息相關(guān)，而這些對人體生理狀況和健康狀況評估有重要的價值。

本文設計了一款基于布拉格光纖光柵的脈搏測量裝置，促進了脈搏測量的發(fā)展，使它更進一步貼合實際的應用需求，為人體生理傳感參數(shù)的檢測方法研究提供了必要的參考和依據(jù)。

1 產(chǎn)品設計與工作原理

光纖光柵（fiber grating）是指通過一定方法，使光纖纖芯的折射率在光纖軸向上形成周期性調(diào)制的衍射光柵，是非常常見且應用較廣泛的一種光纖器件。光纖光柵相比于普通空間光柵具有體積小、質(zhì)量輕、復用性好、全兼容于光纖、熔接損耗小、與其他材料兼容性好等優(yōu)點，而且對應變、溫度、折射率、濃度等變化具有較高的靈敏度。

在光纖布拉格光柵中，光柵的諧振波長滿足布拉格方程，即

其中，neff和Λ分別為光纖的有效折射率光柵周期，是光纖光柵的工作波長。由公式（2 21）可知，F(xiàn)BG的工作波長與有效折射率neff和光柵周期Λ有關(guān)。對公式（2-21）兩邊求導可得

因為光纖的有效折射率neff和光柵周期Λ會隨著外界環(huán)境變化（如溫度、應力等）而變化，F(xiàn)BG的工作波長也隨之變化，這就是光柵傳感的基本原理。

本文設計了一款基于光纖光柵的脈搏傳感器，首先將一段光纖光柵固定在柔性薄鋼片上，將鋼片粘合在袖帶上，袖帶內(nèi)部帶有氣囊可以手持加壓。在測量時候，將鋼片上的光纖光柵對準橈動脈，鎖緊袖帶后加壓到腕部，當手腕被施加壓力后，皮膚與傳感器緊密貼合，脈搏的應力直接傳導到柔性薄鋼片上，致使鋼片產(chǎn)生微小彎曲，使得光纖光柵被有規(guī)律的拉伸，光纖光柵的反射波長隨著脈搏的波動發(fā)生規(guī)律性的周期性變化，通過檢測波長的輸出變化，可以得到脈搏的次數(shù)。

2 實驗與測試

為了研究光纖光柵結(jié)構(gòu)的微彎特性，實驗過程中采用了實驗裝置來測試粘貼在柔性鋼片上的光纖光柵對外界彎曲變化的響應。將待測的光纖光柵固定在軟鋼片上后，該鐵片固定在一個微調(diào)節(jié)架上。通過調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)微調(diào)節(jié)架左右移動，對軟鋼片施加一個橫向擠壓的力，使軟鋼片在壓力的作用下有一個向上的彎曲。該彎曲的曲率可以通過測量軟鐵片的長度和微調(diào)節(jié)架的位移量來計算。實驗所用光源為ASE寬譜光源，用光譜儀（OSA）測量不同曲率下的光纖光柵結(jié)構(gòu)的反射譜，就可以得到其彎曲響應。實驗所測光纖光柵采用了波長解調(diào)方式，橫坐標是外界彎曲曲率，縱坐標是反射峰對應的中心波長。可以得到結(jié)果，反射峰的中心波長基本上不隨所加微彎曲率的變化產(chǎn)生漂移。但是由于引入了彎曲，光纖中會有一部分光泄露到包層中，使光強變低，因此還可以采用測量反射峰中心波長處的光強的方法來測量曲率的變化。后續(xù)實驗采用了強度解調(diào)方式，橫坐標是外界彎曲曲率，縱坐標是反射峰對應的中心波長的相對光強，單位是dB。結(jié)果顯示，反射峰對應的微彎靈敏度為-0.6 dB/m-1。

接下來做真人測試，實驗過程中采用了年齡分別為10歲、20歲、40歲、60歲五人穿戴傳感器，用光譜儀來觀察光纖光柵對外界彎曲變化的響應。將待測的光纖光柵傳感器袖帶固定在每個人的手腕上，使得手腕平方在桌子上。通過調(diào)節(jié)呼吸來增加或者減少脈搏波動，使用課題組自制的軟件來解調(diào)光強與脈搏頻率之間的轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)論

利用布拉格光纖光柵的傳感特性來制作此款傳感器脈搏信噪比控制的較好，光譜中的反射峰基本不會漂移。布拉格光纖光柵的測量細節(jié)相比于其他類型的傳感器更加豐富，這時由于測量方式?jīng)Q定的，因為其他測量的方式是根據(jù)血管的容積變化來間接的血壓測量，而光纖光柵是利用血管壁的應力傳導來改變光纖光柵的形變，充分考慮到血管壁的自然形態(tài)，而血管壁的自然形態(tài)是導致血壓升高的重要因素。