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(shí)、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(cè)哮喘病人發(fā)作的一項(xiàng)重要指標(biāo)，呼吸次數(shù)超過(guò)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(cè)呼吸頻率。例如在做核磁共振時(shí)候，患者獨(dú)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(shí)不能有效的監(jiān)測(cè)病人狀況，會(huì)使患者處于危險(xiǎn)中。本文設(shè)計(jì)一款新型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)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(cè)哮喘病人的呼吸頻率。

1 傳感單元的設(shè)計(jì)和制作方法及工作原理

光纖傳感器一般由信號(hào)光源、傳輸光纖、傳感光纖、光信號(hào)反饋檢測(cè)等部分組成。對(duì)一束光波來(lái)說(shuō)，描述光波形態(tài)的參數(shù)主要有光強(qiáng)、頻率、波長(zhǎng)、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(cè)量。當(dāng)人體進(jìn)行呼吸活動(dòng)時(shí)，胸腹部相當(dāng)于有規(guī)律或者無(wú)規(guī)律的起伏運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)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(cè)量出人體的呼吸頻率。

設(shè)計(jì)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(shí)，通過(guò)橡膠圓柱體的膨脹與收縮，來(lái)拉伸光纖傳感單元，通過(guò)測(cè)量光的特征參量的變化來(lái)測(cè)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(shí)，光場(chǎng)能量會(huì)從單模光纖中的單一模式向多模光纖中的多個(gè)模式分配。由于存在多個(gè)模式，且光從多模光纖再次耦合回單模光纖后各個(gè)模式之間會(huì)相互干涉，因此單?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的性質(zhì)。

2 呼吸頻率傳感單元溫度、應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

接下來(lái)對(duì)傳感裝置進(jìn)行傳感特性實(shí)驗(yàn)。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(guò)改變其通電功率調(diào)節(jié)。由于對(duì)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(shí)驗(yàn)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(huì)對(duì)通過(guò)這一區(qū)域的光信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制，這些帶有調(diào)制信息的光信號(hào)最后耦合進(jìn)入出射單模光纖，我們利用光譜分析儀對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得到階躍型單?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)的溫度特性。

在從25℃加熱到65℃的過(guò)程中，單?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)的反射譜和透射譜的形狀都保持地不錯(cuò)，并隨著溫度的增加向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。

類似的，選擇對(duì)正軸熔接的階躍型單?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)做了應(yīng)力傳感特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中把待測(cè)的單?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)固定在一個(gè)微調(diào)節(jié)架上。通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)節(jié)架，是微調(diào)節(jié)架橫向移動(dòng)，從而對(duì)單?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)施加軸向應(yīng)力。

同溫度實(shí)驗(yàn)一樣，應(yīng)力實(shí)驗(yàn)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?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)力，會(huì)引起光纖長(zhǎng)度、光柵周期以及折射率等特性的變化，使通過(guò)其中的光的特性發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的調(diào)制。這些帶有調(diào)制信息的光信號(hào)最后耦合進(jìn)入出射單模光纖。利用光譜分析儀對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得到所測(cè)單?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性。實(shí)驗(yàn)所得單?！嗄９鈻拧獑文９饫w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?！嗄９鈻拧獑文＝Y(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?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)的反射譜和透射譜同時(shí)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。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(duì)象，其應(yīng)力響應(yīng)分別如圖中實(shí)線和虛線所示。從圖1中可以看出，在700 με的范圍內(nèi)，單?！嗄９鈻拧獑文＝Y(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)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(zhǎng)和應(yīng)變之間的關(guān)系，即應(yīng)變靈敏度單位，pm/℃為波長(zhǎng)和溫度之間的關(guān)系，即溫度靈敏度）。

光譜解調(diào)儀、計(jì)算機(jī)、軟件系統(tǒng)組成傳感裝置的測(cè)試系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)由課題組自行設(shè)計(jì)。進(jìn)行理想狀態(tài)下的呼吸實(shí)驗(yàn)，使用固定頻率的傳動(dòng)裝置，來(lái)測(cè)試傳感器。隨后進(jìn)行真人人體呼吸頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)人體佩戴傳感器的松緊程度來(lái)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(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)外部復(fù)雜環(huán)境和人體溫度不同測(cè)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(shí)驗(yàn)的測(cè)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(cè)中一個(gè)必不可少的生理指標(biāo)，通過(guò)對(duì)呼吸頻率的監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)準(zhǔn)確地判斷患者的身體基礎(chǔ)狀態(tài)?；颊吆粑l率傳感器的設(shè)計(jì)，不管是從醫(yī)療需求角度還是受測(cè)者安全角度來(lái)看，都是非常有發(fā)展前景?？偨Y(jié)前人所做的相關(guān)工作，針對(duì)現(xiàn)有的光纖傳感的技術(shù)特點(diǎn)，提出一款新結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)哮喘病人呼吸頻率的光纖傳感探頭，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)分析研究了光纖傳感單元的溫度、應(yīng)力傳感特征。