CN108814632A - 一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置及其应用，属于医疗器械技术领域，包括光纤、换能装置、保护套管，其中，光纤传感区域中刻有FBG阵列，换能装置与FBG一一对应设置，将所述FBG封装，保护套管套在整根所述光纤以及换能装置外周上，并将两端与光纤粘合固定。并公开了应用分布式光纤测量装置的消化道动力学参数检测装置。本发明目的在于通过换能装置及光纤FBG阵列将光纤传感区域所受到的径向压力转换为FBG光栅栅区轴向拉伸，实现压力信号向光信号的转变和传输，从而实现胃肠道动力检测；通过小巧的尺寸设计，减小装置尺寸。由此解决现有技术中消化道动力检测装置测量精度有限及装置尺寸过大引起的患者痛苦的技术问题。

Description

一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置及其应用

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置及其应用。

背景技术

胃肠道动力障碍性疾病是临床常见的一类消化系统疾病，消化系统疾病包括器质性病变和功能性障碍两种，功能性动力障碍疾病占50％以上，胃癌早期70％以上毫无症状或仅出现功能性消化不良等胃动力不足症状，中晚期胃癌往往以胃动力障碍引起的食欲减退、消瘦乏力等症状为首。因此，监测胃肠道动力障碍性疾病生理病变的改变情况，对消化系统疾病的早期诊断及防止消化器官的恶性病变具有重要意义。

器质性病变可以通过传统检测方法有效诊断，如胃镜、智能胶囊内窥镜、医用微型机器人、放射学检查、胃电图、超声检查(液体)等消化道影像技术。但功能性动力障碍疾病难以观测确诊，目前最理想的方法是通过高分辨率胃肠道压力检测技术对一段时间内胃肠道动力值定量测量，精准定位，而实现这一技术的电容式固态高清压力检测系统存在直径较大、难以持续监测、价格昂贵等缺陷。目前常规采用腔内微型传感导管系统，利用微泵向导管内以一定速度注水，水从导管侧面小孔溢出时克服的阻力等效为该段胃肠道内的压力，这种方法比较原始，测量精度低，且会给人体带来损伤和痛苦感。

因此，急需研发适合全消化道检测的小尺寸、高柔性、高精度空间分辨率的分布式动力检测装置，能够准确获取消化道动力参数，确诊胃肠道功能性障碍疾病，减轻病人就诊的痛苦，并推动胃肠道动力学的研究与发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置及其应用，其目的在于通过换能装置及光纤FBG阵列将光纤传感区域所受到的径向压力转换为FBG光栅栅区轴向拉伸，实现压力信号向光信号的转变和传输，从而实现胃肠道动力检测；通过小巧的尺寸设计，减小装置尺寸。由此解决现有技术中消化道动力检测装置测量精度有限及装置尺寸过大引起的患者痛苦的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置，包括光纤、换能装置、保护套管，其中，

所述光纤包括传感区域和非传感区域，其中所述传感区域中刻有FBG(FiberBragg Grating，光纤布拉格光栅)阵列，所述FBG阵列中所述FBG长度相同且等距排列，任意两个所述FBG的反射波长峰值不同，相邻两个所述FBG的反射波长峰值之间取值间隔大于外力作用在在前的所述FBG上时导致的最大光谱波长漂移量，所述非传感区域用于传输光信号；

所述光纤利用压力与布拉格波长的线性关系可实现对压力的绝对测量。多个FBG结构的级联可构成准分布式的光纤光栅压力传感器。FBG结构小巧简单，测量稳定，是一种实用性很好的光纤传感器件。其体积小、无毒无害、抗腐蚀的特点也适用于人体。所述光纤中任意弱反射折射率调制区域的长度均相同。

所述换能装置与所述FBG一一对应设置，将所述FBG封装，用于将光纤承受的径向压力转变为光栅区轴向拉伸；所述换能装置包括基座和薄膜，其中所述基座为长方体结构，所述长方体结构中间设有长方体凹槽，所述凹槽的宽与所述基座的宽平行相等，所述基座两端的上端面沿长度方向中心线对称设置有第一半圆柱型槽和第二半圆柱型槽；所述FBG贯穿放置于所述第一半圆柱型槽、所述凹槽、所述第二半圆柱型槽中，所述第一半圆柱型槽、所述第二半圆柱型槽分别与所述FBG两端的光纤粘合固定；所述薄膜设置于所述基座以及所述光纤的所述FBG上方并与它们粘合固定，用于扩大FBG传感单元与环境的接触面积从而实现增敏效果，同时保护所述光纤中所述FBG；所述薄膜平整无折痕无弯曲；换能装置封装了FBG后两者一起作为传感单元用于检测压力信号；

基座用于将光纤FBG的两端固定，使得传感区域受到径向压力后产生栅区轴向拉伸进而实现光纤光栅反射谱中心波长的漂移，同时作为刚性基底对光纤起支撑作用；基座硬度高，不易弯折，结构合理，易于加工且与膜片配合能得到最大的灵敏度，使得径向压力转化为轴向的拉伸。

基座与光纤的接触区采取胶水粘合，将光纤FBG区域两端固定在基座上，限制光纤因受径向力而相对基座产生轴向滑动，进而满足在径向力作用在光纤时，光纤发生弯曲使光栅区轴向拉伸；

所述保护套管套在整根所述光纤以及所述换能装置外周上，并将两端与所述光纤粘合固定，用于保护所述光纤和所述换能装置，同时具有增敏作用。所述保护套管为采用医用材料制成的软质薄套管。

优选地，所述保护套管材料为聚烯烃。

优选地，所述薄膜厚度为0.03-0.1mm，材料为不锈钢。薄膜的材料弹性模量低，不易产生范性形变，能将所受的压力均匀地传递给光纤。优选地，所述薄膜厚度为0.05mm。

优选地，所述粘合方式为采用紫外胶粘合。

优选地，所述基座制作材料采用硬质金属，长为10mm，宽为3mm，高为2mm；所述基座的所述凹槽的长为8mm，宽为3mm，高为1mm；所述基座的所述第一半圆柱型槽、所述第二半圆柱型槽的半径均为150um；所述薄膜的长为10mm，宽为3mm。

工作时，薄膜受到径向压力后，将压力传递给与其下部贴合的光纤，光纤受力发生弯曲，FBG光栅区轴向拉伸使光栅的周期改变，进而导致光谱反射中心波长的漂移，通过外部光纤解调设备可实现对波长的实时监测用于确定传感区域的位置信息和受力大小。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于分布式光纤测量装置的消化道动力学参数检测装置，其特征在于，包括以上所述分布式光纤测量装置、光源发射装置、解调模块和环形器，其中，所述分布式光纤测量装置的光纤通过所述环形器与所述光源发射装置、解调模块连接，所述环形器将输入信号与输出信号隔离，使所述消化道动力学参数检测装置中信号单向传递；

所述分布式光纤测量装置用于将光纤承受的径向压力转变为传感区域FBG的轴向拉伸，实现压力信号向光信号的转变和传输；

所述光源发射装置，用于提供宽光谱入射光；

所述解调模块，用于收集所述分布式光纤测量装置的光纤传输的光信号，并且将收集到的所述光信号转换为所述分布式光纤测量装置承受的径向压力信息，通过绘制波长-压力的二维图来直观的表示出实时消化道动力信息，可记录病理和正常生理状态下的消化道收缩压力波传递。

工作时，光源发射装置提供的宽谱光进入光纤，外界横向压力作用在薄膜上，压力传递至光纤传感区域FBG，在换能装置基座的固定作用下，光纤中的FBG产生一定程度的轴向拉伸，导致FBG布拉格光栅周期发生改变，使得从光纤反射回的光谱中心波长发生漂移，解调模块将采集到的波长漂移量转换为胃肠道中不同位置的压力信息。

优选地，所述解调模块包括光谱仪、计算机和软件，所述光谱仪用来采集反射光的能量谱和波长谱，所述软件运行在所述计算机上，所述计算机和所述软件将采集到的能量谱和波长谱数据处理成每个传感区域所受压力，并且显示出来。

优选地，所述光谱仪采集到波长谱和能量谱，在得到的能量谱图像中寻找峰状的顶点对应的波长；用高斯拟合对这些图形进行拟合，从而得到能量谱峰值对应的波长；受力前后的能量谱峰值对应的波长之差就是波长漂移量，该漂移量与所受压力成正比。该过程通过计算机软件进行处理，速度很快，能满足实时性的要求。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、分布式光纤测量装置实现了将光纤传感区域所受到的径向压力转换为FBG光栅栅区纵向拉伸，从而实现反射光谱中心波长的漂移，且波长漂移量满足与光纤所受横向压力成线性关系。通过对波长漂移的检测可计算出传感光纤所受到的径向压力大小，从而实现胃肠道动力检测；

2、传感光纤各个光栅区在刻制时拥有不同折射率调制的周期，故各光栅区拥有不同的光栅布拉格波长，在受力漂移时各区域互相不会干扰，可实现实时性分布式测量；

3、该装置检测灵敏度在未加保护套管前平均值是1.697pm/mmHg，加保护套管后由于其增敏作用灵敏度可达3.482pm/mmHg，超过现有设备的指标；

4、该装置的直径在3mm～4mm之间，与现有消化道医用导管相比，尺寸减小明显，可大大减轻患者的不适感；

5、基于分布式光纤测量装置的消化道动力学参数检测装置，检测灵敏度可达3.482pm/mmHg，检测分辨率可以高达1cm，弥补现有技术检测区域段存在测量盲区的不足；直径可为3mm～4mm，可连续监测，克服现有技术中传感器尺寸大而导致人体舒适度差，无法长时间监测的缺点；

6、可实时获得分布式光纤测量装置中薄膜所承受的径向压力数据，然后通过绘制波长-压力的二维图来直观的表示出实时消化道动力信息，可记录病理和正常生理状态下的消化道收缩压力波传递，并且该装置容易实现、成本较低，运行可靠。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中分布式光纤测量装置示意图；

图2是本发明较佳实施例中分布式光纤测量装置的换能装置装配示意图；

图3是本发明较佳实施例中基座示意图；

图4是本发明较佳实施例中消化道动力学参数检测装置示意图；

图5是本发明较佳实施例中光纤测量装置灵敏度测试曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明装置中光纤上有传感区域可以探测到施加在光纤上的压力变化，通过换能装置将径向压力转换为轴向拉伸，从而提高灵敏度。通过探测光纤的反射光的波长漂移量可以标定所受压力，从而达到检测消化道动力的目的。

用相应的工艺处理光纤，使纤芯的折射率沿纵向周期性变化，制成光纤布拉格光栅。此光栅受压力影响时，其有效折射率和光栅周期会随之变化，从而导致布拉格波长的变化，则中心反射波长随之变化，探测器探测反射光的中心波长漂移量就可以标定光栅所受压力大小。普通光纤对压力的灵敏度未到达可以应用的标准。

本发明实施例提供了一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置，如图1所示，包括光纤、换能装置、保护套管，其中，

光纤包括传感区域和非传感区域，用于压力信号的检测与传输；传感区域中刻有周期排列的FBG阵列，用于检测压力信号，非传感区域用于传输光信号；光纤中的FBG阵列中FBG等距排列，任意两个FBG的反射波长峰值不同，相邻两个FBG的反射波长峰值之间取值间隔大于外力作用在在前的FBG上导致的最大光谱波长漂移量，以避免不同FBG反射波长峰值重叠。光纤的纤芯的折射率沿纵向存在周期性变化；

相邻的两个FBG，设在前的FBG的反射波长峰值为A，在后的FBG的反射波长峰值为B，则这两个FBG的反射波长峰值之间取值间隔C＝B-A；设外力作用在在前的FBG上导致的最大光谱波长漂移量为D，则C>D；

换能装置与光纤的FBG一一对应设置，将FBG封装，用于将光纤承受的径向压力转变为光栅区轴向拉伸；换能装置封装了FBG后两者一起作为传感单元用于检测压力信号；

本实施例中传感单元的长度为1cm，相邻两传感单元相距3cm，即该光纤的空间分辨率为3cm，传感单元数量为10，传感区域总长度为10cm，传感单元之间的非传感区总长度为18cm；

保护套管直径略大于换能装置，将整根光纤直接套入套管中。保护套管质地软且薄，封装整根光纤，用于保护光纤和换能装置，增加光纤测量装置的灵敏度，并且便于取用和清洁。本实施例中保护套管采用聚烯烃材料，但本发明保护套管材料并不限制于聚烯烃，还可以是聚乙烯等其他软质医用材料。

如图2所示，换能装置包括薄膜和基座，薄膜封装光纤中传感区域，可以传递压力，增大传感单元受力面积；薄膜将胃肠道作用到装置上的径向压力转化为薄膜的形变，从而拉动光纤改变光纤轴向受力；基座固定光纤中传感区域，并连接光纤传感区域和薄膜。换能装置能提高光纤测量装置灵敏度。

装配时，在光纤与基座相对位置固定后，将薄膜与光纤贴合，与基座两侧的空隙用紫外胶填注，薄膜与换能基座的长宽尺寸相同，可以完整覆盖整个换能装置的上表面。

薄膜需具有高弹性、高韧性的特点，且满足承压范围符合人体胃肠道压力范围，经Ansys Workbench静态压力仿真，薄膜最终采用厚度为0.03-0.1mm，长宽分别为10mm、3mm的金属材料制作而成，该厚度薄膜弹性形变可以承受的压力范围大同时形变量大，本实施例中薄膜采用不锈钢材料，但本发明薄膜材料并不限制于不锈钢，还可以是其他高弹性高韧性屈服强度大的金属材料。

薄膜只有0.03-0.1mm厚，受人体内压力作用时会产生较大的形变从而导致光纤上弱反射折射率调制区域周期的改变，使其光谱中心反射波长发生漂移，公式如下：

Δλ_B/λ_B＝-(1-p_e)(1-2ν_p)P/E_p (1)

其中，Δλ_B为光谱中心反射波长漂移量，λ_B为光谱中心反射波长，p_e为光纤的弹光系数，ν_p为聚合物材料的泊松比，P为光纤测量装置所受压力的大小，E_p为弹性模量。

由上式可知，光纤测量装置所受压力大小与光谱中心反射波长漂移量成正比，当光纤测量装置所受压力有微小的变化时，可以获得较大光谱中心反射波长漂移量，提高了光纤测量装置的灵敏度。

本实施例中薄膜取厚度0.05mm，此厚度灵敏度较大。

如图3所示，经反复测试，基座大小取长×宽×高＝10×3×2mm³，在上方中心处开一8×3×1mm³凹槽，在两端上端面处各开一直径为150μm的半圆槽以固定光纤。

进一步地，本发明实施例提供了一种光纤的制作工艺，使其纤芯的折射率沿纵向存在周期性变化，制成光纤布拉格光栅即FBG阵列。此处光纤布拉格光栅是使用扫描相位掩膜板法刻写的，在普通掩模板法刻光栅的基础上，配合移动掩模板的使用改变波长，移动光纤实现连续刻写(如10个一起刻)。相位掩膜板是一种衍射光学元件，将入射的紫外光衍射成+1与-1级衍射光束，两光束干涉形成明暗条纹，对光纤折射率进行调制。因此我们只需选用一块大啁啾率的啁啾掩模板，就能刻写出折射率调制周期不同的光纤布拉格光栅，这些光栅的布拉格波长各不相同。

进一步地，本发明实施例提供了一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置的制作方法，包括如下步骤：

(1)刻制光栅，移动掩模板改变反射的波长，移动光纤，实现连续刻写，得到不间断完整的测量光纤；

(2)将光纤FBG区域置于基座的凹槽中固定，使光栅的位置位于基座两端点的正中央，用紫外胶粘合光纤和基座，将薄膜置于光纤上部，完全覆盖在基座和光纤之上，并用紫外胶在薄膜两端固定，使得受到压力时光纤两端和金属基座两端不会发生相对滑动，用紫外线照射使紫外胶凝固，则基座，光纤，薄膜三者粘合到一起；

(3)将靠近FBG阵列的光纤端穿过软质薄保护套管，拉着传感光纤牵引含有FBG阵列的传感区域穿过软质薄保护套管；

(4)将保护套管两侧用紫外胶固定使套管与光纤不发生相对位移。

作为本发明的另一种实施方式，前述实施例中薄膜厚度取0.03mm。

作为本发明的另一种实施方式，前述实施例中薄膜厚度取0.1mm。

本发明实施例还提供了一种基于分布式光纤测量装置的消化道动力学参数检测装置，包括前述实施例的分布式光纤测量装置、光源发射装置、解调模块和环形器，其中，所述分布式光纤测量装置的光纤通过所述环形器与所述光源发射装置、解调模块连接，所述环形器将输入信号与输出信号隔离，使所述消化道动力学参数检测装置中信号单向传递；

所述分布式光纤测量装置用于将光纤承受的径向压力转变为传感区域FBG的轴向拉伸，实现压力信号向光信号的转变和传输；

所述光源发射装置，用于提供宽光谱入射光；

所述解调模块，用于收集所述分布式光纤测量装置的光纤传输的光信号，并且将收集到的所述光信号转换为所述分布式光纤测量装置承受的径向压力信息。本实施例解调模块采用bayspec自带函数采集当前时刻的能量谱和波长谱，进行高斯拟合并捕捉能量峰值对应的波长，将此波长与不受力时候的波长相减得到偏移量，再由最开始计算出的偏移量压强关系由医生直接读出压力值。

进一步地，本发明实施例提供了对前述实施例的分布式光纤测量装置的压力灵敏度测试。取薄膜厚度0.05mm，为保证加压的平衡，将一组与所用FBG同一批次生产的金属基座和薄膜制作普通光纤测压导管，将本发明光纤测量装置和普通光纤测压导管固定在等高仪器台上，将一均匀铜棒放在本发明光纤测量装置和普通光纤测压导管上，将光纤测量装置与光栅解调仪相连，光栅解调仪与计算机相连。其中，铜棒与保护套管封装的传感单元接触面积为8×3mm²，在传感单元上方的薄膜上依次加上质量为50g、60g、70g、80g、90g、100g、110g和120g的标准钩码，每改变一次钩码质量，光栅解调仪记录一组调制光信号的数据，并将调制信号送至解调模块解调，得到该被施加压力的传感单元的在该负载质量下的光谱中心反射波长的波峰值。将砝码重量换算成压力单位后绘制曲线如图4所示，图中横坐标表示光纤测量装置所受的压力，纵坐标表示光谱反射中心波长的峰值大小，通过拟合后，直线斜率为0.0039nm/mmHg，分布式光纤测量装置的灵敏度为3.9pm/mmHg。

进一步地，薄膜厚度为0.03mm、0.1mm时，压力灵敏度测试方式相同。

测试结果证明，本发明装置的灵敏度能达到≥3pm/mmHg，大大超过了现有技术装置的灵敏度，使其可以做到更小压力变化的测量，扩大精度；封装后直径小，不到4mm，大大提高了病人吞服的舒适度；测量过程全自动，操作简便，降低了医生的劳动强度。

本发明装置传感单元中包含光谱中心反射波长信息，通过波分复用的解调技术，实现对消化道不同位置压力的同时检测；换能装置将径向压力转化为轴向拉伸，提高了光纤的灵敏度；套管封装层使装置能够用于动态监测。通过光谱采集，对采集到的能量谱和波长谱进行高斯拟合，得到波长漂移量，从而可以计算出传感区域收到的压强大小。本发明具有测量范围大，分辨率和灵敏度高、制作成本低以及舒适度好的优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置，其特征在于，包括光纤、换能装置、保护套管，其中，

所述光纤包括传感区域和非传感区域，其中所述传感区域中刻有FBG阵列，所述FBG阵列中所述FBG长度相同且等距排列，任意两个所述FBG的反射波长峰值不同，相邻两个所述FBG的反射波长峰值之间取值间隔大于在前的所述FBG的最大光谱波长漂移量，所述非传感区域用于传输光信号；

所述换能装置与所述FBG一一对应设置，用于将所述FBG封装，并将光纤承受的径向压力转变为光栅区轴向拉伸；所述换能装置包括基座和薄膜，其中所述基座为长方体结构，所述长方体结构中间设有长方体凹槽，所述凹槽的宽与所述基座的宽平行相等，所述基座两端的上端面沿长度方向中心线对称设置有第一半圆柱型槽和第二半圆柱型槽；所述FBG贯穿放置于所述第一半圆柱型槽、所述凹槽、所述第二半圆柱型槽中，所述第一半圆柱型槽、所述第二半圆柱型槽分别与所述FBG两端的光纤粘合固定；所述薄膜设置于所述基座以及所述FBG上方并与它们粘合固定，用于增敏，同时保护所述FBG；

所述保护套管套在整根所述光纤以及所述换能装置外周上，并将两端与所述光纤粘合固定。

2.如权利要求1所述的一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置，其特征在于，所述薄膜厚度为0.03-0.1mm，材质为不锈钢。

3.如权利要求2所述的一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置，其特征在于，所述薄膜厚度为0.05mm。

4.如权利要求1-3任一所述的一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置，其特征在于，所述保护套管套材料为聚烯烃。

5.如权利要求1所述的一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置，其特征在于，所述粘合方式为采用紫外胶粘合。

6.如权利要求2-5任一所述的一种用于消化道动力学检测的分布式光纤测量装置，其特征在于，所述基座的长为10mm，宽为3mm，高为2mm；所述基座的所述凹槽的长为8mm，宽为3mm，高为1mm；所述基座的所述第一半圆柱型槽、所述第二半圆柱型槽的半径均为150um；所述薄膜的长为10mm，宽为3mm。

7.基于分布式光纤测量装置的消化道动力学参数检测装置，其特征在于，包括权利1-6任一所述分布式光纤测量装置、光源发射装置、解调模块和环形器，其中，所述分布式光纤测量装置的光纤通过所述环形器与所述光源发射装置、解调模块连接，所述环形器将输入信号与输出信号隔离，使所述消化道动力学参数检测装置中信号单向传递；

所述分布式光纤测量装置用于将光纤承受的径向压力转变为传感区域FBG的轴向拉伸，实现压力信号向光信号的转变和传输；

所述光源发射装置，用于提供宽光谱入射光；

所述解调模块，用于收集所述分布式光纤测量装置的光纤传输的光信号，并且将收集到的所述光信号转换为所述分布式光纤测量装置承受的径向压力信息。

8.如权利要求7所述的基于分布式光纤测量装置的消化道动力学参数检测装置，其特征在于，所述解调模块包括光谱仪、计算机和软件，所述光谱仪用于采集反射光的能量谱和波长谱；所述软件运行在所述计算机上，所述计算机和所述软件将采集到的能量谱和波长谱数据处理成每个传感区域所受压力，并且显示出来。