CN102499665A - 一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，包括有光源系统、信号处理系统、环行器和光纤微型颅内多参数传感器探头；其中光源系统中的发光二极管发出的宽带光经过环行器后到达光纤微型颅内多参数传感器探头，光纤微型颅内多参数传感器探头反射回来的光再次经过环行器，然后由信号处理系统接收，信号处理系统通过波长扫描装置检测光信号中的波长变化情况，将接收到的光信号转换为电信号，并经过计算给出颅内压和脑温数据。本发明的优点是：以最大程度的减小创口，降低感染几率，可以和CT、MRI或者脑电图等检查兼容；不怕电磁干扰，患者可在进行颅内压、脑温监测的同时进行CT、MRI或者脑电图的检查，极大方便了诊断与治疗。

Description

一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别是涉及一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器。

背景技术

重型颅脑损伤是神经科常见的危急重症，具有病情变化快、并发症多、致残和死亡率高的特点，如果不能及时发现并进行有效的治疗，将产生难以逆转的脑损伤甚至危及患者的生命。因此，及时、准确的获取患者的颅内特征数据及其变化趋势是观察颅脑疾病患者病情变化、判断手术时机、指导临床用药以及评估预后的必备手段，而先进的传感器技术则是实现这一目标的基础。

对颅脑损伤患者颅内特征数据的监测包括颅内压(Intracranial pressure，ICP)、脑温(brain temperature，BT)、脑电图、血压的监测等等，其中对颅内压的监测最为重要且难以准确获得。

颅内压增高是神经科疾病引起死亡的最主要原因之一，对其的实时监测非常重要。现有的颅内压监测技术分为非创伤性监测和创伤性监测。非创伤性监测包括Homburg等人提出的经颅多普勒法、周冀英等人提出的经眼监测法等等，但是目前这些监测方法还普遍存在准确性和可靠性较差的缺点，在临床上的应用有限。

创伤性颅内压监测指标可靠，适应范围广，在监测的同时还可以实现引流等治疗手段。从最初的腰椎穿刺测量法发展到脑室穿刺直接测量法，创伤性颅内压监测在技术上已经有了很大进步，例如Fisterer等人提出的被称为ICP监护“金标准”的脑室内插管法、Czosnyka等人提出的光纤压力监测技术等，是目前临床上使用最多的监测方法。但是，如何对压力传感器进行微型化以减小创伤，达到降低颅内感染、出血等并发症的发生是目前需要的改进之处。

脑温是脑外伤时决定脑损伤程度的重要因素之一，其数值与颅内压存在关联，在对脑损伤患者进行亚低温治疗过程中实时获得脑温数据对治疗有重要的指导作用。脑温监测一般采用金属或光纤温度探头进行颅内测量。

在颅脑损伤重症监测中，单一的颅脑指标有时敏感性不够，特异性不强，因此，近年来国内外研究机构都在致力于将颅脑损伤的监测向低创伤、多指标联合监测的方向发展。许多研究报道表明，在颅内压监护同时进行脑温、脑电图等特征参数的监测，是早期发现和治疗颅内疾病的重要措施，可为对症处理、防止继发性脑损害提供更多信息。因此，用一种传感器尽可能实现多的参数监测是降低损伤、提高诊断和治疗水平的最有效手段。

目前，光纤压力传感器和光纤温度传感器在工程上的研究应用已经比较成熟。但是，在如何用其获取人体颅脑内的压力和温度信号，这方面的研究还很少。一方面，颅内参数的监测对精度要求高；另一方面，在进行颅内参数监测时要求创口面积尽可能小，对传感器微型化有很高要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，采用单根光纤作为传感媒质，在能够实时、准确的监测患者颅内压参数的同时，还能同时获取患者的颅内温度数据。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，包括有光源系统、信号处理系统、环行器和光纤微型颅内多参数传感器探头；

其中光源系统中的发光二极管(SLED)发出的宽带光经过环行器后到达光纤微型颅内多参数传感器探头，光纤微型颅内多参数传感器探头反射回来的光再次经过环行器，然后由信号处理系统接收，信号处理系统通过波长扫描装置检测光信号中的波长变化情况，将接收到的光信号转换为电信号，并经过计算给出颅内压和脑温数据。

按上述方案，所述的光纤微型颅内多参数传感器探头，包括有连接光纤、光纤布拉格光栅(FBG)、单芯玻璃毛细管、玻璃套管和玻璃隔膜，其中，光纤布拉格光栅通过准分子激光器采用紫外曝光法刻写在连接光纤上，且靠近连接光纤的经过抛光后的端面；连接光纤经过抛光后的端面的一端固定在单芯玻璃毛细管中，并和单芯玻璃毛细管一起被固定在玻璃套管中；玻璃隔膜固定在玻璃套管的一端，和连接光纤经过抛光的端面形成法布里-泊罗腔结构，且连接光纤、单芯玻璃毛细管、玻璃套管及玻璃隔膜之间的固定采用紫外固化胶进行固定。

按上述方案，所述的连接光纤的经过抛光后的端面与玻璃隔膜之间的距离为10～100微米。距离值的大小决定了法布里-泊罗干涉条纹的疏密程度。

按上述方案，所述的光纤布拉格光栅与连接光纤的经过抛光后的端面的距离为5mm～10mm。

按上述方案，所述的连接光纤为经过载氢处理的普通单模光纤或者光敏光纤。

按上述方案，所述的单芯玻璃毛细管的外径为0.99mm，内径为0.126mm，所述的玻璃套管内径为1.01mm，外径为1.8mm。

按上述方案，根据测量范围和精度，所述的玻璃隔膜的厚度为50～200微米。玻璃隔膜越厚，传感器灵敏度越低；玻璃隔膜越薄，传感器灵敏度越高。

本发明所述的光纤布拉格光栅的作用是监测颅内温度，光纤布拉格光栅是一种窄带滤波器件，当宽带光入射时，满足该光栅布拉格条件的光被反射回去，而其余波长的光则透射，当光纤布拉格光栅周围的温度发生变化时，其反射回去的光的波长也发生相应变化，通过检测反射光的波长的变化，可以推算出温度。

本发明根据颅内压监测的特点，本发明通过设计的光纤法布里-泊罗腔结构来检测颅内压的变化，法布里-泊罗腔是一个干涉型滤波器件，由两个平行的反射面组成，入射光在反射面间不断反射和透射，发生多光束干涉，当两个反射面之间的距离(即腔长)发生变化时，干涉谱线会向左或向右移动。本发明的光纤微型颅内多参数传感器探头的光纤法布里-泊罗腔结构的制作原理是：连接光纤的端面被研磨并抛光，插入单芯玻璃毛细管用胶固定，该端面作为法布里-泊罗腔的其中一个反射面，固定了连接光纤的单芯玻璃毛细管又被插入玻璃套管，玻璃套管的另一端用胶粘上玻璃隔膜，玻璃隔膜作为法布里-泊罗腔的另一个反射面。玻璃套管的两端均用胶密封，所以当外界压力发生变化时，玻璃隔膜会向内凹陷或者向外鼓起，致使法布里-泊罗腔的腔长发生变化，从而使得干涉谱线发生移动，通过检测干涉谱线的移动，可以推算出外界压强的变化。

本发明的优点是：

通过在同一根连接光纤上制作出光纤布拉格光栅和光纤法布里-泊罗腔结构，可以同时获取颅内压和脑温信息，光纤微型颅内多参数传感器探头集成在单根连接光纤上，其直径最大处约1.8毫米，以最大程度的减小创口，降低感染机率，且整个装置均没有金属，可以和CT、MRI或者脑电图等检查兼容，为其它检测提供了便利；

本发明的监测信号以光的形式返回，不怕电磁干扰，患者可在进行颅内压、脑温监测的同时进行CT、MRI或者脑电图的检查，极大方便了诊断与治疗，另外，通过研究和分析这些参数之间的关联及变化，可更好的判断病情的发展趋势，对患者的治疗和预后都将起到非常重要的作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为光纤微型颅内多参数传感器探头的结构示意图；

图3为一个光纤布拉格光栅实例的光谱图；

图4为一个法布里-泊罗腔结构实例的反射光谱图；

图中1、光源系统；2、信号处理系统；3、环行器；4、连接光纤；5、光纤微型颅内多参数传感器探头；6、光纤布拉格光栅；7、单芯玻璃毛细管；8、玻璃套管；9、玻璃隔膜。

具体实施方式

一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，包括有光源系统1、信号处理系统2、环行器3和光纤微型颅内多参数传感器探头5；

其中光源系统1中的发光二极管(SLED)发出的宽带光经过环行器3后到达光纤微型颅内多参数传感器探头，光纤微型颅内多参数传感器探头5反射回来的光再次经过环行器3，然后由信号处理系统2接收。信号处理系统2通过波长扫描装置检测光信号中的波长变化，将接收到的光信号转换为电信号，并经过计算给出颅内压和脑温数据。

按上述方案，所述的光纤微型颅内多参数传感器探头5，包括有连接光纤4、光纤布拉格光栅(FBG)6、单芯玻璃毛细管7、玻璃套管8和玻璃隔膜9，其中，光纤布拉格光栅6通过准分子激光器采用紫外曝光法刻写在连接光纤4上，且靠近连接光纤4的经过抛光后的端面；连接光纤4经过抛光后的端面的一端固定在单芯玻璃毛细管7中，并和单芯玻璃毛细管7一起被固定在玻璃套管8中；玻璃隔膜9固定在玻璃套管8的一端，和连接光纤4经过抛光的端面形成法布里-泊罗腔结构，且连接光纤4、单芯玻璃毛细管7、玻璃套管8及玻璃隔膜9之间的固定采用紫外固化胶进行固定。

按上述方案，所述的连接光纤4的经过抛光的端面与玻璃隔膜之间的距离值为10～100微米。距离值的大小决定了法布里-泊罗干涉条纹的疏密程度。

按上述方案，所述的光纤布拉格光栅与连接光纤的经过抛光的端面的距离为5mm～10mm。

按上述方案，所述的连接光纤4为经过载氢处理的普通单模光纤或者光敏光纤。

按上述方案，所述的单芯玻璃毛细管7的外径为0.99mm，内径为0.126mm，所述的玻璃套管内径为1.01mm，外径为1.8mm。

按上述方案根据测量范围和精度，所述的玻璃隔膜的厚度为50～200微米。玻璃隔膜越厚，传感器灵敏度越低；玻璃隔膜越薄，传感器灵敏度越高。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明，但是不会构成对本发明的限制。

如图2所示，基于光纤传感的微型颅内多参数传感器探头由连接光纤4、光纤布拉格光栅(FBG)6、单芯玻璃毛细管7、玻璃套管8和玻璃隔膜9等组成，其制作方法与过程如下：

首先，在准备好的连接光纤4上制作光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅是采用准分子激光器通过紫外曝光的方法获得，连接光纤4选用经过载氢处理的普通单模光纤，或者选用光敏光纤，准分子激光器发出的紫外光经过相位掩模版后，在光纤上一段5mm的位置上形成折射率的周期性分布，从而形成光纤布拉格光栅结构。光纤布拉格光栅的中心波长由相位掩模版的栅距决定。图3所示的是一个光纤布拉格光栅实例的频谱响应图，其中心波长为1542.6nm，反射率约为90％。在实际应用中可根据需要选择其它的波长。当光纤布拉格光栅不受外界应力时，其中心波长λ_B的变化量Δλ_B对温度T变化的响应由以下公式决定：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B=[\mathrm{\α}+\frac{\left(\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{dT}}\right)}{n_{\mathrm{eff}}}]\·\mathrm{\ΔT}$

α为光纤材料的热膨胀系数，n_eff为光纤的有效折射率，ΔT为温度变化量。其中n_eff随温度的变化极小，可以认为，光纤布拉格光栅的中心波长变化量与温度变化量是成线性关系的，通过标定以及测量中心波长的变化量，就可获得温度的数值。

然后，用光纤切割刀在距离光纤布拉格光栅5mm的位置将光纤切断，并进行端面研磨、抛光处理，使其形成一个良好的反射面。将该光纤端面插入单芯玻璃毛细管7，使光纤端面与单芯玻璃毛细管7的端面平齐，或者稍微露出，并用紫外固化胶将光纤端头固定在单芯玻璃毛细管7中，本发明所用的单芯玻璃毛细管7的外径为0.99mm，内径为0.126mm。

下一步，将玻璃隔膜9用紫外固化胶粘在玻璃套管8的一端，本发明所用的玻璃套管内径为1.01mm，外径为1.8mm，这样可保证单芯玻璃毛细管7能够插入玻璃套管8，并能紧密贴合。玻璃隔膜9的厚度决定了压力灵敏度，玻璃隔膜越薄，传感器的压力灵敏度越高；玻璃隔膜越厚，传感器的压力灵敏度越低，本发明所用的玻璃隔膜9的厚度是100微米。

最后，将处理好的光纤端面和单芯玻璃毛细管7从另一端插入玻璃套管8中，使光纤端面与玻璃隔膜9之间的距离为L，并用紫外固化胶将单芯玻璃毛细管7固定好。这样光纤端面和玻璃隔膜9就成为了两个平行的反射面，形成了法布里-泊罗腔结构。法布里-泊罗腔反射光强I与L的关系由如下公式确定：

$I=\frac{4R\·{\sin }^2(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}n\·L)}{{(1-R)}^2+4R\·{\sin }^2(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}n\·L)}\·I_0$

R为玻璃与空气介面的反射率，λ为光波长，n为空气折射率，I₀为入射光强。如图4是一个法布里-泊罗腔实例的反射光谱，其端面反射率为0.04，两个反射面之间的距离为60微米。当满足条件(m为正整数)：

L＝m·λ/(2n)

法布里-泊罗腔反射光强I具有极小值，及光谱图中的波谷位置。当法布里-泊罗腔外部压强发生变化时，玻璃隔膜9的受力就发生变化，从而导致L值改变，反射光谱图的波谷位置也相应发生变化，通过检测波谷位置的变化可以推算出外部压强的变化。

基于光纤传感的微型颅内多参数传感器的反射光谱是由光纤布拉格光栅的光谱与法布里-泊罗腔的光谱叠加而成。本发明所用的光纤布拉格光栅的反射率一般为90％以上，可以很好的从法布里-泊罗腔光谱中区分出来。分别检测光纤布拉格光栅反射波峰的移动和法布里-泊罗腔波谷位置的移动，就可以获得温度与外部压力的信息。

Claims (7)

1.一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，包括有光源系统(1)、信号处理系统(2)、环行器(3)和光纤微型颅内多参数传感器探头(5)；

其中光源系统1中的发光二极管发出的宽带光经过环行器(3)后到达光纤微型颅内多参数传感器探头，光纤微型颅内多参数传感器探头(5)反射回来的光再次经过环行器(3)，然后由信号处理系统(2)接收，信号处理系统通过波长扫描装置检测光信号中的波长变化情况，将接收到的光信号转换为电信号，并经过计算给出颅内压和脑温数据。

2.按权利要求1所述的基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，其特征在于所述的光纤微型颅内多参数传感器探头(5)，包括有连接光纤(4)、光纤布拉格光栅(6)、单芯玻璃毛细管(7)、玻璃套管(8)和玻璃隔膜(9)，其中，光纤布拉格光栅(6)通过准分子激光器采用紫外曝光法刻写在连接光纤(4)上，且靠近连接光纤(4)的经过抛光后的端面；连接光纤(4)经过抛光后的端面的一端固定在单芯玻璃毛细管(7)中，并和单芯玻璃毛细管(7)一起被固定在玻璃套管(8)中；玻璃隔膜(9)固定在玻璃套管(8)的一端，和连接光纤(4)经过抛光的端面形成法布里-泊罗腔结构，且连接光纤(4)、单芯玻璃毛细管(7)、玻璃套管(8)及玻璃隔膜(9)之间的固定采用紫外固化胶进行固定。

3.按权利要求2所述的基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，其特征在于所述的连接光纤4的端面与玻璃隔膜之间的距离值为10～100微米。

4.按权利要求2或3所述的基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，其特征在于所述的光纤布拉格光栅(6)与连接光纤(4)的端面的距离为5mm～10mm。

5.按权利要求2或3所述的基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，其特征在于所述的连接光纤(4)为经过载氢处理的普通单模光纤或者光敏光纤。

6.按权利要求2或3所述的基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，其特征在于所述的单芯玻璃毛细管(7)的外径为0.99mm，内径为0.126mm，所述的玻璃套管(8)内径为1.01mm，外径为1.8mm。

7.按权利要求2或3所述的基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，其特征在于根据测量范围和精度，所述的玻璃隔膜的厚度为50～200微米。

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