宋大偉，周大猛，李廣武，劉天

1.黑龍江省醫(yī)院　a.器材科；b.醫(yī)學(xué)工程科，黑龍江　哈爾濱　150036；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)　輕工學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150076

光纖光柵呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

宋大偉1a，周大猛1a，李廣武1b，劉天2

1.黑龍江省醫(yī)院a.器材科；b.醫(yī)學(xué)工程科，黑龍江哈爾濱150036；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院，黑龍江哈爾濱150076

0　前言

3.0T以上磁共振及64排以上CT掃描不適用于佩戴有金屬物質(zhì)的患者，需要利用非金屬物質(zhì)的監(jiān)測系統(tǒng)對這些患者進(jìn)行監(jiān)測。

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧等優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)了重要的應(yīng)用價值[1]。FBG傳感器是由非金屬物質(zhì)構(gòu)成的檢測終端，利用光纖材料的特殊光敏性，通過紫外線曝光的方法將相干圖樣（均等分）寫入纖芯，在光纖內(nèi)部沿纖芯軸向產(chǎn)生周期性變化的折射率，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。

醫(yī)用FBG傳感器的主要工作原理是FBG根據(jù)被測量物周圍的溫度和應(yīng)力的變化發(fā)生形變，使光柵被拉伸或者彎曲導(dǎo)致反射光的波長漂移，再根據(jù)漂移量來計算變化量，通過計算使變化量轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量所需要的數(shù)值[2-5]。

我院利用FBG制作了一套呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)，針對性地應(yīng)用在一些禁止金屬干擾的檢測設(shè)備上，作為輔助檢測儀器來確定患者的生命體征是否平穩(wěn)。

1　FBG呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由自制的解調(diào)儀、自制封裝的FBG探頭、自主設(shè)計的數(shù)據(jù)分析軟件以及顯示終端構(gòu)成。監(jiān)視系統(tǒng)框圖，見圖1。其工作原理是以高速CPU為計算控制中心，控制高速波長掃描激光的波長變化。4個光纖傳感光路通過光纖分路器被注入了變化的激光，定義每個光路為1個醫(yī)用傳感儀，通過測量，每個光路的波長范圍可達(dá)80n m，可最大限度的接入40個及以上的FBG傳感器（可同時接入40個監(jiān)測點）。4個通道可以進(jìn)行無時間延遲的同步采集。采集結(jié)果再通過計算機(jī)轉(zhuǎn)換成方便醫(yī)療工作者判斷患者生命體征的醫(yī)用數(shù)據(jù)。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2　FBG傳感探頭

FBG傳感器是在系統(tǒng)終端直接測量患者生命體征的傳感原件，不同的測量方式對其封裝材料的品質(zhì)、軟硬程度有著嚴(yán)格要求。本實驗采用的FBG探頭是我院自主研制封裝的，1550n m中心波長的FBG是購買的。

根據(jù)人體呼吸所產(chǎn)生的壓力試驗數(shù)據(jù)，設(shè)計了一款由特殊樹脂封裝的FBG傳感探頭，見圖2。封裝用樹脂軟硬適當(dāng)，經(jīng)過大量實驗證明其符合呼吸壓力檢測指標(biāo)的要求。

圖2　樹脂封裝的壓力測試探頭

3　FBG呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)測試

實驗測試包括2個方面的內(nèi)容：對設(shè)備強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射的干擾及自身輸出的干擾情況的測試；系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出情況的測試。

從腹部的周期性波動出發(fā)，將封裝好的FBG粘貼到固定在腹部的束帶內(nèi)側(cè)，這樣腹部的周期性跳動都會轉(zhuǎn)換成周期性的壓力傳遞到FBG上。腹部跳動的快慢以及幅度大小對應(yīng)著施加在FBG上的壓力變化快慢以及壓力大小，不同的壓力大小對應(yīng)著不同的光纖布拉格反射波長，壓力的持續(xù)變化也會造成反射波長的持續(xù)變化，可從FBG解調(diào)儀上來觀察從光柵返回的布拉格波長的變化波形曲線。最終可以通過波長的變化、大小來對應(yīng)測定呼吸頻率。FBG壓力傳感器在此種情況下感受到的壓力信號非常微弱。這時可以在信號檢測部分將由光信號轉(zhuǎn)換成的電信號進(jìn)行放大。通過對放大后的電信號的檢測便可輕松地完成對呼吸頻率信號的檢測[6]。FBG解調(diào)儀，見圖3。

圖3　光纖光柵解調(diào)儀

4　測試結(jié)果分析

本次實驗在核磁工作室內(nèi)進(jìn)行，首先觀察實驗數(shù)據(jù)在3.0T強(qiáng)核磁下的工作波動情況：在核磁啟動情況下，核磁設(shè)備未檢測到金屬物質(zhì)，沒有警報，且核磁工作磁場沒有受到干擾；呼吸頻率檢測設(shè)備布置在外部的工作臺上，數(shù)據(jù)平緩輸出、無波動干擾；可對人的呼吸頻率和緊張程度進(jìn)行實時監(jiān)測，而傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備只能在核磁室外進(jìn)行監(jiān)測。

實驗中波長變化曲線圖，見圖4。在正常呼吸狀態(tài)下得到的一組波長變化曲線圖，見圖5。急速呼吸狀態(tài)下得到的波長變化曲線圖，見圖6。其中縱軸代表的是波長變化，單位為n m；橫軸代表時間，單位為s。

對比上述圖片，正常呼吸的波形變化比較緩慢，大約是每2s發(fā)生1次周期變化，波峰也不是很陡峭。而在急速呼吸時，波形變化比較快速，大約每0.5s就發(fā)生1次周期變化，波峰較為陡峭。這反映了正常呼吸與急速呼吸時腹部跳動的頻率程度，可達(dá)到分析呼吸頻率的目的。

圖4　實驗中隨機(jī)波長變化曲線圖

圖5　正常呼吸

圖6　急速呼吸

5　結(jié)論與展望

本文闡述了FBG呼吸頻率檢測系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)與測試結(jié)果，表明把FBG傳感解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是可行的。該系統(tǒng)采用光纖布拉格光柵，當(dāng)外界某些因素作用在光柵上時，中心反射波長會發(fā)生變化，通過觀察波長的變化來察覺作用在FBG上的物理量的變化。其中，溫度和應(yīng)變是引起光柵中心反射波長變化的最基本的物理量，其他物理量都是基于溫度和應(yīng)變衍生出來的，由此可以設(shè)計多種類型的FBG傳感器。本論文中的FBG呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)也存在著一些問題，如光柵周圍所處環(huán)境溫度變化較大，故不能準(zhǔn)確得出輸出反射波長與溫度、應(yīng)變的響應(yīng)曲線；系統(tǒng)靈敏性也有待于進(jìn)一步完善。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 周紅,喬學(xué)光,王宏亮,等.光纖光柵封裝耦合對應(yīng)變傳感增敏的實驗研究[J].西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,34(4):347-350.

[2] 戚仕濤,湯黎明,劉鐵兵,等.基于光纖光柵的超聲傳感器實驗研究[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2006,25(4):410-411,414.

[3] 王惠文.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1999.

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[5] 姜德生,何偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J].光電子激光,2002,13(4):420-430．

[6] 戚仕濤,湯黎明,沈蘇靜.光纖光柵超聲傳感器實驗研究[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2005,20(11):1-2.

作者郵箱：13804525103@126.com

[中圖分類號]TP212.14

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]B

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.043

[文章編號]1674-1633(2014)02-0130-02

收稿日期：2013-05-20修回日期：2013-11-11

基金項目：黑龍江省衛(wèi)生廳科研項目（2009-494）。

Design and Application of FBG Monitoring System for Respiratory Rate

SONG Da-wei1a, ZHOU Da-meng1a, LI Guang-wu1b, LIU Tian2
1.a.Department of Equipment; b.Department of Medical Engineering, Heilongjiang Provincial Hospital, Harbin Heilongjiang 150036, China; 2. College of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin Heilongjiang 150076, China

[摘要]本文闡述了自主設(shè)計的光纖光柵（FBG）呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)在強(qiáng)磁環(huán)境中的應(yīng)用。系統(tǒng)由自制的解調(diào)儀、樹脂封裝的FBG探頭、軟件系統(tǒng)及顯示終端組成，人體模擬實驗（MI S T）表明，在強(qiáng)磁的醫(yī)療環(huán)境下，F(xiàn)BG呼吸頻率監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出平緩、數(shù)值準(zhǔn)確、靈敏度高，無波動干擾，表明FBG可用于監(jiān)測人體呼吸頻率。

[關(guān)鍵詞]光纖光柵；樹脂封裝；呼吸頻率；解調(diào)儀

Abstract：This paper introduces the application of fiber bragg grating (FBG) monitoring systemfor respiratory rate in the environment with intense magnetic. Man-in-simulant test shows that the output data of the systemwith high sensitivity and no interference which is composed of homemade demodulation instrument, fiber bragg grating probe packaged with resin, software systemand display terminal is stable and accurate in the environment with intense magnetic. Thus this paper pointes out that FBG can be used to monitor respiratory rate of human.

Key words：fiber bragg grating; resin package; respiratory rate; demodulation instrument