CN109330565B - 一种测量肺泡气压的光纤传感探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量肺泡气压的光纤传感探头，包括能够在肺部支气管内进行弯曲导管，靠近气孔的导管内部设有使该导管内径缩小的凸起，所述凸起的一端设有单模光纤，所述单模光纤从导管的一端穿入且凸起限制该单模光纤的进一步移动，靠近凸起的另一侧且位于导管内壁上开设有凹槽，所述凹槽用于固定弹簧的一端且凸起限制该弹簧进一步的移动，所述弹簧的另一端为自由端，与聚合物探头的杆体的一端相接触，所述聚合物探头的杆体的一端与导管间隙配合，聚合物探头的探头部分为环节状结构。对支气管有保护作用。当探头进入到狭小支气管部位时，已经没有纤毛和痰液，但是支气管直径非常小，此时弹簧起到缓冲作用，避免伤害到支气管。
Description
技术领域
本公开涉及医疗测量装置技术领域，特别是涉及一种测量肺泡气压的光纤传感探头。
背景技术
当今世界，健康问题是困扰人类的一大难题，肺是人类与外界气体进行交换的器官，肺部的疾病对人类健康的危害不可忽视。人肺的基本组成单元是肺泡，实现对肺泡气压的测量可以有效地帮助医生进行肺部疾病的检测及诊断。
人的支气管(第1级)至肺泡约有24级分支，级数越高直径越小，终末细支气管的直径通常<1mm，而肺泡的平均直径通常在0.5mm左右，这对传感器介入式测量带来很大的难度，一般的传感器体积都非常大，无法插入支气管进行测量，而光纤传感器直径为125um，具有体积小的优势。
发明人在研究中发现，在吸气时，肺内压较大气压约低0.133-0.266kPa(1-2mmHg)，即肺内压为-0.266—-0.133kPa(-2—-1mmHg)；呼气时较大气压约高0.133-0.266kPa(1-2mmHg)。气压的变化范围较小，普通传感器测量的气压灵敏度远远达不到要求，但是光纤F-P腔传感器可以实现灵敏度>100Pa。
发明人在研究中还发现，通常的肺部气压检测伴随着磁共振、CT等手段同时进行，有较强的电磁干扰，对普通传感器造成很大影响。而光纤传感器具有抗电磁干扰的特性，不受其影响。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种测量肺泡气压的光纤传感探头，利用光纤FP腔传感器的体积小、灵敏度高、生物兼容性好等优势，通过口腔插入末端细支气管，实现对肺泡气压的测量。
为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：
一种测量肺泡气压的光纤传感探头，包括能够在肺部支气管内进行弯曲导管，所述导管靠近端部的位置开设有若干气孔；
靠近气孔的导管内部设有使该导管内径缩小的凸起，所述凸起的一端设有单模光纤，所述单模光纤从导管的一端穿入且凸起限制该单模光纤的进一步移动，靠近凸起的另一侧且位于导管内壁上开设有凹槽，所述凹槽用于固定弹簧的一端且凸起限制该弹簧进一步的移动，所述弹簧的另一端为自由端，与聚合物探头的杆体的一端相接触，所述聚合物探头的杆体的一端与导管间隙配合，聚合物探头的探头部分为环节状结构。
进一步的技术方案，所述单模光纤的一端带有FP腔，且FP腔与凸起的一侧相接触。
进一步的技术方案，所述气孔直径约为70um，在导管的上下左右四个方向各有三个气孔，当气孔打开时，实现内部光纤传感部位即FP腔与外界气体的连通；当气孔关闭时，隔绝外界气体，使光纤传感器无法测量。
进一步的技术方案，所述导管为不锈钢导管，不锈钢导管的长度约为1～2m，外径250um，内径130±5um。
进一步的技术方案，所述弹簧最大端直径略微大于导管内径。以实现将弹簧固定在导管凹槽内。
进一步的技术方案，所述气孔是通过激光打孔加工而成，从而与肺泡内气体相通，实现对气压的测量。
进一步的技术方案，所述聚合物探头可变向，且由较柔软的聚合物材料制成，弹簧的自由端在与聚合物探头相接触时可直接嵌入进聚合物探头。
本申请还公开了一种测量肺泡气压的装置，包括测量肺泡气压的光纤传感探头，光纤传感探头采集的气压信号后续直接传输至光谱分析仪，光谱分析仪与计算机连接，通过计算机上的数据处理，得到气压信号。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本装置体积小，直径仅为250um，可深入到支气管非常细小的部位进行测量。
(2)气压测量灵敏度高，灵敏度优于100Pa。
(3)生物兼容性好，不会对人体有毒性。
(4)抗电磁干扰，可与核磁共振、CT等检查同时进行。
(5)气孔具有开关功能，可防止气管内液体进入导管内部。
(6)根据气孔的开闭，可识别出探头当前是否为非接触状态。
(7)对支气管有保护作用。当探头进入到狭小支气管部位时，已经没有纤毛和痰液，但是支气管直径非常小，此时弹簧起到缓冲作用，避免伤害到支气管。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请实施例子的导管结构主视图；
图2为本申请实施例子的导管结构俯视图；
图3为本申请实施例子的导管结构左视图；
图4为本申请实施例子的装配图；
图5为本申请实施例子的弹簧与导管的结构示意图；
图6为本申请实施例子的使用状态示意图；
图中，1.单模光纤，2.F-P腔，3.导管，4.聚合物探头。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本申请的一种典型的实施例子中，公开了光纤传感器探头结构如图1-4所示，主要包括：单模光纤1；单模光纤带有F-P腔2，SUS301不锈钢导管3，导管前端开有许多细小的气孔及聚合物探头4。
具体的，由于光纤分为单模光纤和多模光纤，光只在纤芯中传播，而没有包层传播模式的光纤称为单模光纤。单模光纤的直径为125um，纤芯直径9um。F-P腔是一种光纤内部充满空气的空腔，长度d一般为几十微米左右。
本申请的上述实施例子中，选择带有F-P腔的光纤传感器可以准确的测出气压的大小，且光纤传感器对气压测量具有很高的灵敏度、分辨率，因此选择该光纤。
本实施例子的传感元件是带有F-P腔光纤通过电弧放热加工技术加工而成，具体的，光纤包层的直径为125um，通常测量气压的灵敏度优于100Pa，光纤包层直径为125um。
作为优选的，导管的材料是SUS301(17Cr-7Ni)不锈钢，它的耐腐蚀性强且弹性良好，可以在肺部支气管内进行弯曲，同时也对光纤起到保护作用，防止光纤断裂在支气管内。导管的长度约为1～2m，外径250um，内径130±5um。
另外，在导管的内部，距离前端约1mm的部位，缩小为内径100um的凸起，具有定位作用，可以实现光纤和弹簧的定位。导管内部有一固定弹簧的小凹槽，如图5所示，弹簧最大端直径略微大于导管内径。以实现将弹簧固定在导管凹槽内。
具体的，在导管的前端，有1mm长度的一段开有气孔，气孔是通过激光打孔加工而成。从而与肺泡内气体相通，实现对气压的测量。光纤从导管的末端插入，直至光纤顶端碰到凸起位置。
在具体实施例子中，气孔直径约为70um，在导管的上下左右四个方向各有三个，其功能：当气孔打开时，实现内部光纤传感部位与外界气体的连通；当气孔关闭时，隔绝外界气体，使光纤传感器无法测量。总而言之，起到开关的作用。
其中，聚合物探头从导管的前端插入，配合方式为间隙配合。可变向的探头为较柔软的聚合物材料(橡胶、塑料、纤维)，探头为环节状结构，起到在支气管内引导变向、保护气管粘膜的作用。聚合物探头的长度约为1mm左右，直径比导管略微大些许，聚合物探头左端有一弹簧。聚合物探头与弹簧的连接关系为：由于探头为聚合物，弹簧可直接嵌入进探头中，实现连接。
在上述实施例子中，有关气压测量的原理：由于光纤内部F-P腔的存在，导致两反射光束之间存在光程差，最终产生干涉，而光程差的大小与F-P腔腔长有关。当外界气压发生变化时，光纤前端的石英薄膜弯曲程度发生改变，从而导致F-P腔长发生变化。
在本申请的另一具体实施例子中，公开一种测量肺泡气压的装置，由于气压信号的大小根据光谱分析仪中反射光谱的波峰/波谷发生的偏移距离进行计算。因此，光纤传感探头采集的气压信号后续直接传输至光谱分析仪，即光纤与光谱分析仪是直接连接的。然后光谱分析仪与计算机连接，通过计算机上的LabVIEW数据处理程序，可以直接读出气压信号。
在具体的测试时，如图6所示，弹簧的作用如下：
在自然状态下，由于聚合物探头没有受力，气孔处于与外界气体连通的状态，此时通过FP光纤探头测量出外界的气压。
当聚合物探头进入气管时，气管部有大量纤毛，纤毛上面附着有痰液。由于探头为环节状结构，受到纤毛上摆的作用，会使弹簧压缩，从而封闭气孔，避免痰液与光纤传感探头接触，影响测量精度。
当聚合物探头进入到末端细支气管时，已经没有纤毛和痰液，但是支气管直径非常小，此时弹簧起到缓冲作用，避免伤害到支气管。
当气孔封闭时，单模光纤传感器无法与外界气体连通，此时压力不会发生变化。借此原理，可以识别光纤测压装置是否插入到极限位置。
若插入到极限细的位置，探头处于压缩状态，此时无法实现气压的探测。只有当探头处于自然状态，才能实现气压的测量。
本实施例子主要利用光纤FP腔传感器的体积小、灵敏度高、生物兼容性好等优势，通过口腔插入末端细支气管，实现对肺泡气压的测量，在未来的医学领域有着广泛的应用前景。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种测量肺泡气压的光纤传感探头，其特征是，包括能够在肺部支气管内进行弯曲的导管，所述导管靠近端部的位置开设有若干气孔；
靠近气孔的导管内部设有使该导管内径缩小的凸起，所述凸起的一端设有单模光纤，所述单模光纤从导管的一端穿入且凸起限制该单模光纤的进一步移动，靠近凸起的另一侧且位于导管内壁上开设有凹槽，所述凹槽用于固定弹簧的一端且凸起限制该弹簧进一步的移动，所述弹簧的另一端为自由端，与聚合物探头的杆体的一端相接触，所述聚合物探头的杆体的一端与导管间隙配合，聚合物探头的探头部分为环节状结构；
所述气孔直径约为70um，在导管的上下左右四个方向各有三个气孔，当气孔打开时，实现内部光纤传感部位即FP腔与外界气体的连通；当气孔关闭时，隔绝外界气体，使光纤传感器无法测量。
2.如权利要求1所述的一种测量肺泡气压的光纤传感探头，其特征是，所述单模光纤的一端带有FP腔，且FP腔与凸起的一侧相接触。
3.如权利要求1所述的一种测量肺泡气压的光纤传感探头，其特征是，所述导管为不锈钢导管，不锈钢导管的长度为1～2m，外径250um，内径130±5um。
4.如权利要求1所述的一种测量肺泡气压的光纤传感探头，其特征是，所述弹簧最大端直径略微大于导管内径，以实现将弹簧固定在导管凹槽内。
5.如权利要求1所述的一种测量肺泡气压的光纤传感探头，其特征是，所述气孔是通过激光打孔加工而成，从而与肺泡内气体相通，实现对气压的测量。
6.如权利要求1所述的一种测量肺泡气压的光纤传感探头，其特征是，所述聚合物探头可变向，且由较柔软的聚合物材料制成，弹簧的自由端在与聚合物探头相接触时可直接嵌入进聚合物探头。
7.一种测量肺泡气压的装置，其特征是，包括权利要求1-6任一所述的测量肺泡气压的光纤传感探头，光纤传感探头采集的气压信号后续直接传输至光谱分析仪，光谱分析仪与计算机连接，通过计算机上的数据处理，得到气压信号。
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