CN107664513B - 一种级联式光纤呼吸传感系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联式光纤呼吸传感系统，包括稳压电源、宽带光源及其驱动电路、光纤耦合器、级联型光纤传感器、光谱解调仪、数据采集卡、微处理器和显示输出单元；级联型光纤传感器是一种单模‑少模‑多芯‑少模‑单模级联型光纤传感器，包括夹熔在第一和第二少模光纤之间的多芯光纤，第一少模光纤的另一端熔接有输入单模光纤，第二少模光纤的另一端熔接有输出单模光纤。宽带光源的光经光纤耦合器耦合后经过级联型光纤传感器由光谱解调仪接收到波长漂移信号，通过数据采集卡传输至微处理器，微处理器对一系列的波长漂移信号进行放大、滤波、分离得到呼吸信号。本发明具有体积小、重量轻、结构简单、易于制备、灵敏度高、不受电磁干扰等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学信号检测装置，特别是涉及一种利用单模-少模-多芯-少模-单模光纤级联结构实现的呼吸信号传感器。
背景技术
呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分，用于评价病人呼吸功能状态、诊断呼吸障碍的类型和程度以及动态监测高危病人的呼吸功能。患者无论是呼吸系统本身的病变，还是其他重要脏器的病变，发展到一定程度都会影响呼吸中枢。呼吸功能的衰竭与其他脏器功能的衰竭互为因果，因此，做好呼吸功能检测对疾病的治疗至关重要。
在呼吸监测中对呼吸信号的提取方法主要有：压力传感器法和阻抗法，传统的呼吸传感器多为使用电学方式进行测量的器件。其中申请公布号为CNI03300861A《阻抗式呼吸测量系统》发明专利是基于阻抗法检测原理，利用双电极和导联线检测人体阻抗的变化，通过高频交流激励波形获得呼吸载波信号从而解调滤波获得呼吸信号，容易受到电磁干扰、稳定性较差且精度低。在现代医疗环境中，如CT、核磁等系统大多使用了高频电流、微波和X射线，对传统电学式呼吸传感器有很强的电磁干扰。由此可见，使用抗干扰能力极强的光纤式呼吸传感器具有重要意义，在医疗领域中属于前沿的传感技术，拥有广阔的应用前景。
目前，基于压力传感器法的光学呼吸传感器主要分为光电式呼吸传感器、反射式光纤呼吸传感器以及光纤光栅式呼吸传感器。其中授权公布号为CN2885122Y《光电式腹式呼吸传感器》实用新型专利是基于腹部压力传感法检测原理，测试过程可概括为利用呼吸压力拉动传送带及发条盒，通过传送带上不同颜色透光色带的栅格移动，由光电开关测量光强度值再转换为线性电压值输出。该测量装置较为复杂，机械性强稳定性较差，其测量精度取决于栅格数量，精度较低。授权公布号为CN1306799A《反射式光纤呼吸传感器》发明专利是基于呼吸气流压力传感法检测原理，提出了一种直接附着于呼吸道出口的反射式光纤呼吸传感探头。该装置主要依靠敏感膜受力变形引起反射光强相应改变，其灵敏度对敏感膜材料要求较高，且需放置于呼吸道出口，对于日常的呼吸监测并不是十分方便。授权公布号为CN204318732U《光纤传感智能服装》实用专利中提及了一种基于光栅光纤传感原理的呼吸传感器，利用呼吸压力使光纤光栅产生轴向应变，从而导致光纤光栅反射波长发生变化。但由于光栅光纤对温度较为敏感，当其紧贴皮肤时容易受到影响，测量精度很容易受到影响，稳定性不高。
专利公开号为CNI01324443《空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法》发明专利提出了一种空分复用Mach-Zehnder级联式光纤干涉仪及测量方法，基于白光干涉原理和空分复用技术，通过单模与多个光纤干涉仪级联再由另一段单模光纤输出到反射镜或光电探测器，构造出光纤干涉仪阵列或者网络。
申请公布号为CNI03814312A《通信用多芯光纤》发明专利提出了一种通信用多芯光纤，通过在各个纤芯传播光实现多信号传输；申请公布号为CNI03438927A《一种多芯光纤的分布式传感方法》发明专利提出了一种将多芯光纤每个芯作为独立的传感通道的多芯光纤的分布式传感方法，其作用与多次测量的效果相似，旨在将多芯光纤作为传感通道实现多重传感；申请公布号为CN102844689A《利用少模光纤的光传输》发明专利提出了一种应用于光传输的支持至少2个空间模式但不多于50个空间模式的少模光纤。由此可见多芯光纤、少模光纤多数应用于光通信领域，用于传感方向也仅作为传感通道使用。
申请公布号为CNI03076082A《基于单模-多模-单模光纤模间干涉振动、应力传感装置》发明专利提出了一种基于单模-多模-单模光纤模间干涉原理的振动、应力传感装置，其结构由两段G.652标准单模光纤和熔接在它们中间的一段50/125阶跃型多模光纤构成，应用于应力传感装置；同时申请公布号为CNI03076111A《基于单模-多模-单模光纤模间干涉温度测量装置》发明专利提出了一种应用单模-多模-单模结构的光纤温度检测装置，申请公布号CNI03453940A《基于多模结构的光纤传感器》发明专利提出了一种基于多模结构的光纤传感器实现折射率和温度的同时测量，其结构为多模-多模-多模光纤，第一段多模光纤和第三段多模光纤芯径相同，选取105μm，长度5mm，作为模式耦合器，第二段多模光纤芯径选取50μm，长度30mm，作为传感区域，被激励起的纤芯模和包层模具有不同的有效折射率，故在传输相同的距离后产生相位差，输出信号包含纤芯模和包层模两类干涉峰。
授权公布号为CN203083927U《基于单模-细芯-多模-单模结构的光纤折射率传感器》提出了一种测量外部环境折射率变化的仪器，该结构以细纤芯及包层光纤为传感头，利用一段多模光纤激发细芯光纤包层模式，由于倏逝场效应，外界环境的变化将导致细光纤包层和芯层传输模式间的相位差发生变化，从而引起干涉，折射率的变化引起干涉峰移动，通过检测干涉峰的移动实现了折射率的检测。
综上，目前还没有应用单模-少模-多芯-少模-单模结构的光纤传感器，特别是在呼吸生理信号的检测方面。
发明内容
基于上述现有呼吸传感测量技术存在问题，本发明提供一种光纤传感技术，利用单模-少模-多芯-少模-单模级联式光纤传感器来测量人体呼吸信号，实现一种结构简单、便于患者佩戴、精度高、抗干扰能力强、稳定性高的光纤传感器，用于实时监测呼吸信号变化。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种级联式光纤呼吸传感系统，包括稳压电源、宽带光源及其驱动电路、光纤耦合器、级联型光纤传感器、光谱解调仪、数据采集卡、微处理器和显示输出单元；所述级联型光纤传感器是一种单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器，所述级联型光纤传感器的外侧帖服有一层带状弹性织物，所述级联型光纤传感器两端的单模光纤与所述带状弹性织物固定，所述带状弹性织物的拉伸回复率≥90％；所述级联型光纤传感器的一端与所述光纤耦合器之间连接有第一传输光纤，所述级联型光纤传感器的另一端与所述光谱解调仪之间连接有第二传输光纤；由所述稳压电源驱动的宽带光源及其驱动电路输出谱线宽度为1525-1625nm的宽带光源，该宽带光源的光经所述光纤耦合器耦合后依次经过第一传输光纤、所述级联型光纤传感器和第二传输光纤后由所述光谱解调仪所接收，所述光谱解调仪接收到的波长漂移信号被数据采集卡采集并传输到所述微处理器；通过所述微处理器对采集到的一系列的波长漂移信号进行放大、滤波、分离，并送至所述显示输出单元，从而将呼吸信号输出。
进一步讲，本发明中，所述单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器，包括夹熔在第一少模光纤和第二少模光纤之间的多芯光纤，所述第一少模光纤的另一端熔接有输入单模光纤，所述第二少模光纤的另一端熔接有输出单模光纤；其中的多芯光纤为四芯光纤。所述第一少模光纤、第二少模光纤和多芯光纤的外径相同。
利用上述级联式光纤呼吸传感系统的测试方法，步骤如下：
首先，通过带状弹性织物将所述级联型光纤传感器佩戴于被测者胸隔膜所在区域，且所述带状弹性织物与被测者接触；被测者呼吸过程中所述带状弹性织物发生张拉和收缩，所述级联型光纤传感器产生轴向形变，所述光谱解调仪接收到的干涉谱的中心波长发生漂移，所述数据采集卡将采集到的波长漂移量传输到所述微处理器；所述微处理器对接收到的一系列的波长漂移量进行放大、滤波和分离得到呼吸波形，然后对该呼吸波形进行波峰检测得到呼吸频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中采用的单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器，其结构更容易实现多种模式的激发，激发后的模式通过多芯光纤的纤芯传输，包层中传输模式近似于零，最终在接收单模光纤处干涉，相比现有技术中纤芯模与包层模的干涉更为稳定。
本发明中的单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器，其中的少模光纤与多芯光纤级联用于少模光纤激发多种模式后在多芯光纤纤芯分别传输，组成少模-多芯-少模的级联式光纤，多芯光纤后级联单模光纤输出后发生干涉现象，并通过其干涉谱的漂移实现压力传感。与现有技术中将多芯光纤、少模光纤应用于光通信领域的应用原理和使用环境不同，实现了功能性的创新。
本发明中的单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器，其中少模-多芯-少模的结构与现有技术中级联部分使用的光纤的类型不同，干涉原理也显著不同，更容易激发不同模式之间的干涉，能量更为集中、干涉条纹的可见度更好，且由于少模与多芯光纤外径相同，熔接更为方便且稳定性好。
本发明中的单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器通过改变其中少模光纤和多芯光纤的长度可方便调整干涉包络的形状，从而可以显著提高检测的灵敏度。
本发明具有体积小、重量轻、结构简单、易于制备、灵敏度高、不受电磁干扰等优点。
附图说明
图1为级联式光纤呼吸传感系统的结构示意图；
图2为本发明中单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器的结构示意图；
图3为本发明中多芯光纤截面结构示意图；
图4为本发明实施例所用四芯光纤截面结构示意图；
图5是利用本发明级联式光纤呼吸传感系统进行测试的流程图。
图中：
1-稳压电源，2-宽带光源及其驱动电路，3-光纤耦合器，4-单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器，5-传输光纤，6-光谱解调仪，7-数据采集卡，8-微处理器，9-显示输出，10-输入单模光纤，11-第一少模光纤，12-多芯光纤，13-第二少模光纤，14-输出单模光纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明提出的一种级联式光纤呼吸传感系统，包括稳压电源1、宽带光源及其驱动电路2、光纤耦合器3、级联型光纤传感器4、光谱解调仪6、数据采集卡7、微处理器8和显示输出单元9。
所述级联型光纤传感器4是一种单模-少模-四芯-少模-单模级联型光纤传感器，所述级联型光纤传感器4的外侧帖服有一层带状弹性织物，所述级联型光纤传感器4两端的单模光纤与所述带状弹性织物固定，所述带状弹性织物的拉伸回复率≥90％。
所述级联型光纤传感器4的一端与所述光纤耦合器3之间连接有第一传输光纤51，所述级联型光纤传感器4的另一端与所述光谱解调仪6之间连接有第二传输光纤52；由所述稳压电源1驱动的宽带光源及其驱动电路2输出谱线宽度为1525-1625nm的宽带光源，该宽带光源的光经所述光纤耦合器3耦合后依次经过第一传输光纤51、所述级联型光纤传感器4和第二传输光纤52后由所述光谱解调仪6所接收，所述光谱解调仪6接收到的波长漂移信号被数据采集卡7采集并传输到所述微处理器8；通过所述微处理器8对采集到的一系列的波长漂移信号进行放大、滤波、分离，并送至所述显示输出单元9，从而将呼吸信号输出。
如图1和图2所示，当宽带光源的光经传输光纤51耦合到输入单模光纤10进入第一少模光纤11后，激励起第一少模光纤11中各阶模式，引起光场的重新分布；通过对第一少模光纤11和多芯光纤纤芯尺寸的设计，当光经过第一少模光纤11和多芯光纤12(以四芯光纤为例)的分界面时，第一少模光纤11中不同模式的光耦合进四芯光纤的四个纤芯中，由于从第一少模光纤11的纤芯到四芯光纤的不同纤芯的入射角不同，即不同纤芯中传输的纤芯模之间存在光程差；四芯光纤的四个纤芯的光耦合到第二少模光纤13发生干涉，产生的干涉光再由输出单模光纤14输出，通过传输光纤52传输到光谱解调仪6，该干涉谱的中心波长可通过光谱解调仪6得到。通过光谱解调仪6可以观察到对比度明显且清晰的干涉光谱。本发明中，宽带光源选取中心波长为1550nm，谱线宽度为1525-1625nm。传输光纤51和52选用单模光纤；微处理器8通过测试呼吸造成的对应的中心波长的漂移情况显示实时呼吸信号数据。
本发明中，多芯光纤的纤芯放置方式如图3和图4所示。其中一种应用方式以四芯光纤结构为例，四芯光纤的纤芯以正方形的形式排列并置放于正方形的四个角上，如图4所示，这样的结构同时可以保证最大可能的条纹可见度。通过调整第一少模光纤、第二少模光纤及四芯光纤的长度可以控制多芯光纤中传输模式的数量，从而可以改变干涉光谱的包络形状与条纹对比度，提高传感器的灵敏度。本发明中的单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器的传输光谱中主要是多芯光纤不同纤芯中传输的模式间产生了干涉，可以利用多光束干涉进行分析。
本发明中，单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器所用单模光纤纤芯和包层直径分别为9μm和125μm，第一少模光纤11和第二少模光纤13的纤芯和包层直径分别为20-30μm和125μm，如图3所示，多芯光纤12的每个纤芯直径为7-9μm、包层直径为125μm；，多芯光纤12与第一少模光纤11和第二少模光纤13的外径相同。本发明中，可以通过对第一和第二少模光纤11和13和多芯光纤12的纤芯尺寸设计，实现少模光纤与多芯光纤之间纤芯模式光的耦合。本发明中，将单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤的熔接截面分别用光纤保护套管进行保护，并固定在一段弹性带状织物上，弹性带状织物与该级联型光纤传感器长度差不多，弹性带状织物两端与非弹性带状物缝合，通过非弹性带状物末端的粘扣控制佩戴的松紧度。
如图5所示，利用本发明提出的级联式光纤呼吸传感系统进行测试的步骤如下：
首先，通过带状弹性织物将所述级联型光纤传感器4佩戴于被测者胸隔膜所在区域，且所述带状弹性织物与被测者接触；拉力的变化直接地作用于少模光纤内部的光场分布，引起的波长漂移量。
被测者呼吸时，该单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器的轴向拉力发生变化，会引发多芯光纤中纤芯中传输的纤芯模的光程差随之发生改变，从而引起干涉谱中心波长的漂移。所述数据采集卡7可以采集到中心波长的漂移量，将该漂移量传输到所述微处理器8；即单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器轴向拉力的变化量，所述微处理器8对接收到的一系列的波长漂移量进行放大、滤波和分离得到呼吸波形，进而对该呼吸波形进行波峰检测得到呼吸频率。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种级联式光纤呼吸传感系统，其特征在于，包括稳压电源(1)、宽带光源及其驱动电路(2)、光纤耦合器(3)、级联型光纤传感器(4)、光谱解调仪(6)、数据采集卡(7)、微处理器(8)和显示输出单元(9)；
所述级联型光纤传感器(4)是一种单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器，所述级联型光纤传感器(4)的外侧帖服有一层带状弹性织物，所述级联型光纤传感器(4)两端的单模光纤与所述带状弹性织物固定，所述带状弹性织物的拉伸回复率≥90％；
所述级联型光纤传感器(4)的一端与所述光纤耦合器(3)之间连接有第一传输光纤(51)，所述级联型光纤传感器(4)的另一端与所述光谱解调仪(6)之间连接有第二传输光纤(52)；由所述稳压电源(1)驱动的宽带光源及其驱动电路(2)输出谱线宽度为1525-1625nm的宽带光源，该宽带光源的光经所述光纤耦合器(3)耦合后依次经过第一传输光纤(51)、所述级联型光纤传感器(4)和第二传输光纤(52)后由所述光谱解调仪(6)所接收，所述光谱解调仪(6)接收到的波长漂移信号被数据采集卡(7)采集并传输到所述微处理器(8)；通过所述微处理器(8)对采集到的一系列的波长漂移信号进行放大、滤波、分离，并送至所述显示输出单元(9)，从而将呼吸信号输出。
2.根据权利要求1所述级联式光纤呼吸传感系统，其特征在于，所述单模-少模-多芯-少模-单模级联型光纤传感器，包括夹熔在第一少模光纤(11)和第二少模光纤(13)之间的多芯光纤(12)，所述第一少模光纤(11)的另一端熔接有输入单模光纤(10)，所述第二少模光纤(13)的另一端熔接有输出单模光纤(14)，其中的多芯光纤为四芯光纤。
3.根据权利要求2所述级联式光纤呼吸传感系统，其特征在于，所述第一少模光纤(11)、第二少模光纤(13)和多芯光纤(12)的外径相同。
4.一种利用如权利要求1至3中任一所述的级联式光纤呼吸传感系统的测试方法，其特征在于，步骤如下：
首先，通过带状弹性织物将所述级联型光纤传感器(4)佩戴于被测者胸隔膜所在区域，且所述带状弹性织物与被测者接触；
被测者呼吸过程中所述带状弹性织物发生张拉和收缩，所述级联型光纤传感器(4)产生轴向形变，所述光谱解调仪(6)接收到的干涉谱的中心波长发生漂移，所述数据采集卡(7)将采集到的波长漂移量传输到所述微处理器(8)；所述微处理器(8)对接收到的一系列的波长漂移量进行放大、滤波和分离得到呼吸波形，然后对该呼吸波形进行波峰检测得到呼吸频率。
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