宋大偉 黑龍江省醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科

引言：脈搏在臨床醫(yī)學(xué)上是人體中重要的生理參數(shù)之一，某一時(shí)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(yùn)藏著血管相關(guān)的生理參數(shù)的表達(dá)，脈搏的波形也與生理和病理的變化息息相關(guān)，而這些對(duì)人體生理狀況和健康狀況評(píng)估有重要的價(jià)值。

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

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工作原理

光纖光柵（fiber grating）是指通過(guò)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(jiàn)且應(yīng)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(fù)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(diǎn)，而且對(duì)應(yīng)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(zhǎng)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(zhǎng)。由公式（2 21）可知，F(xiàn)BG的工作波長(zhǎng)與有效折射率neff和光柵周期Λ有關(guān)。對(duì)公式（2-21）兩邊求導(dǎo)可得

因?yàn)楣饫w的有效折射率neff和光柵周期Λ會(huì)隨著外界環(huán)境變化（如溫度、應(yīng)力等）而變化，F(xiàn)BG的工作波長(zhǎng)也隨之變化，這就是光柵傳感的基本原理。

本文設(shè)計(jì)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(cè)量時(shí)候，將鋼片上的光纖光柵對(duì)準(zhǔn)橈動(dòng)脈，鎖緊袖帶后加壓到腕部，當(dāng)手腕被施加壓力后，皮膚與傳感器緊密貼合，脈搏的應(yīng)力直接傳導(dǎo)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(zhǎng)隨著脈搏的波動(dòng)發(fā)生規(guī)律性的周期性變化，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)的輸出變化，可以得到脈搏的次數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

為了研究光纖光柵結(jié)構(gòu)的微彎特性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)試粘貼在柔性鋼片上的光纖光柵對(duì)外界彎曲變化的響應(yīng)。將待測(cè)的光纖光柵固定在軟鋼片上后，該鐵片固定在一個(gè)微調(diào)節(jié)架上。通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)微調(diào)節(jié)架左右移動(dòng)，對(duì)軟鋼片施加一個(gè)橫向擠壓的力，使軟鋼片在壓力的作用下有一個(gè)向上的彎曲。該彎曲的曲率可以通過(guò)測(cè)量軟鐵片的長(zhǎng)度和微調(diào)節(jié)架的位移量來(lái)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)所用光源為ASE寬譜光源，用光譜儀（OSA）測(cè)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(yīng)。實(shí)驗(yàn)所測(cè)光纖光柵采用了波長(zhǎng)解調(diào)方式，橫坐標(biāo)是外界彎曲曲率，縱坐標(biāo)是反射峰對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)?？梢缘玫浇Y(jié)果，反射峰的中心波長(zhǎng)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(huì)有一部分光泄露到包層中，使光強(qiáng)變低，因此還可以采用測(cè)量反射峰中心波長(zhǎng)處的光強(qiáng)的方法來(lái)測(cè)量曲率的變化。后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用了強(qiáng)度解調(diào)方式，橫坐標(biāo)是外界彎曲曲率，縱坐標(biāo)是反射峰對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)的相對(duì)光強(qiáng)，單位是dB。結(jié)果顯示，反射峰對(duì)應(yīng)的微彎靈敏度為-0.6 dB/m-1。

接下來(lái)做真人測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(lái)觀察光纖光柵對(duì)外界彎曲變化的響應(yīng)。將待測(cè)的光纖光柵傳感器袖帶固定在每個(gè)人的手腕上，使得手腕平方在桌子上。通過(guò)調(diào)節(jié)呼吸來(lái)增加或者減少脈搏波動(dòng)，使用課題組自制的軟件來(lái)解調(diào)光強(qiáng)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(lái)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(huì)漂移。布拉格光纖光柵的測(cè)量細(xì)節(jié)相比于其他類(lèi)型的傳感器更加豐富，這時(shí)由于測(cè)量方式?jīng)Q定的，因?yàn)槠渌麥y(cè)量的方式是根據(jù)血管的容積變化來(lái)間接的血壓測(cè)量，而光纖光柵是利用血管壁的應(yīng)力傳導(dǎo)來(lái)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(dǎo)致血壓升高的重要因素。