CN113288055A - 一种分布式拉曼光纤多目标探测系统 - Google Patents

一种分布式拉曼光纤多目标探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式拉曼光纤多目标探测系统，包括光发生模块、传感器模块和信号解析模块；其光发生模块是由激光器发出激光，并设置由光环形器和光纤布拉格光栅构成的各级联单元，获得各不同光谱段的反射光进入光复用器，并经选择形成出射光进入传感器模块；传感器模块是由各光纤布拉格光栅依次串联构成的纵向结构，使出射光在传感器模块中各光纤布拉格光栅上一一对应得到反射并进入信号解析模块；经解析获得测量区域的温度信息和化学信息，其测量区域是与纵向结构对应的纵向位置。本发明尤其适于术后封闭伤口检测，能够实时定量获取术后封闭伤口关于物质和温度的信息，从而实现对术后封闭伤口状态的量化表征。

Description

一种分布式拉曼光纤多目标探测系统
技术领域
本发明涉及分布式拉曼光纤多目标探测系统，更具体的说是一种尤其适于术后封闭伤口检测的分布式拉曼光纤多目标探测系统。
背景技术
在医疗器械领域中，手术部位感染(Surgical site infection,SSI)是手术伤口或手术过程中打开或操作的器官/间隙的任何感染，为常见的术后并发症。为减少微生物进入、减少开裂、加快愈合，大部分术后伤口会采取包括缝合、敷料覆盖等措施使伤口处于“封闭”状态。术后封闭伤口在数百万例/年的手术伤口中占有较大比例，其感染是SSI中难以及早发现、检测难度最高的一种，会对患者造成沉重的医疗负担甚至危及生命。
目前SSI的诊断主要依靠临床判断，包括切口部位产生红斑、硬结、发热和疼痛以及全身红肿、发热和白细胞增多等。这些诊断方法存在很大的主观性，对医生的经验和一致性要求很高，无法及时有效诊断感染情况。封闭伤口往往涉及较深的位置，且不同深度特性各异，监测术后封闭伤口内不同深度分布的微生物、抗生素、温度这些发生SSI的主要参数能为实时观测术后封闭伤口愈合状态、做出合理的诊断结果与治疗方案提供重要依据，有利于及早发现感染、减少治疗误区、缩短疗程、减轻痛苦。而已有单一深度探测的方案无法反应感染的真实情况。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种分布式拉曼光纤多目标探测系统，其尤其是应用于术后封闭伤口的探测，采用单探测器进行监测，实现针对术后封闭伤口内的微生物、抗生素，以及温度变化的实时监测，获得微生物、抗生素和温度的三项感染关键因素沿伤口深度方向的分布情况，为根据术后封闭伤口愈合状态给出合理的诊断结果和治疗方案提供可靠依据。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明分布式拉曼光纤多目标探测系统的特点是：包括光发生模块、传感器模块和信号解析模块；所述光发生模块是由激光器发出激光，设置由光环形器和光纤布拉格光栅构成的各级联单元，获得各不同光谱段的反射光进入光复用器，经光复用器的选择形成出射光进入传感器模块；所述传感器模块是由各光纤布拉格光栅依次串联构成的纵向结构，使出射光在传感器模块中各光纤布拉格光栅上一一对应得到反射并进入所述信号解析模块；经由所述信号解析模块的解析获得测量区域的温度信息和化学信息，所述测量区域是指与纵向结构相对应的纵向位置。
本发明分布式拉曼光纤多目标探测系统的特点也在于：
所述光发生模块是由激光器发出激光I1，所述各级联单元分别是：
第1级联单元：由第1光环形器和第1光纤布拉格光栅FBG1构成，激光I1经第1光环形器入射到第1光纤布拉格光栅FBG1，形成透射光I2以及波长为λ1的反射光R1，所述反射光R1再经第1光环形器进入光复用器；
第2级联单元到第n-1级联单元的各中间级联单元：是由本级光环形器接收上一级透射光并入射到本级光纤布拉格光栅，经本级光纤布拉格光栅分别形成本级透射光和本级反射光，所述本级反射光再经本级环形器进入光复用器；
第n级联单元：由第n光环形器和第n光纤布拉格光栅FBGn构成，透射光In经第n光环形器入射到第n光纤布拉格光栅FBGn，形成波长为λn的反射光Rn，所述反射光Rn再经第n光环形器进入光复用器；
由此获得各不同光谱段的反射光R1、R2……Rn-1、Rn进入光复用器，由所述光复用器选择形成出射光I，所述出射光I经过中央光环形器进入传感器模块；
所述传感器模块为一纵向结构，所述纵向结构是由依次为第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1、第n+2光纤布拉格光栅FBGn+2、……第2n-1光纤布拉格光栅FBG2n-1和第2n光纤布拉格光栅FBG2n的各光纤布拉格光栅串联构成；所述第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1、第n+2光纤布拉格光栅FBGn+2、……第2n-1光纤布拉格光栅FBG2n-1和第2n光纤布拉格光栅FBG2n的各光纤布拉格光栅具有与反射光Rn+1、Rn+2……R2n-1、R2n一一对应的反射波长，使所述出射光I在所述传感器模块中各光纤布拉格光栅上一一对应进行反射，再次经过所述中央光环形器进入信号解析模块；
在传感器模块中各光纤布拉格光栅之间分别设置纳米拉曼增强测量段，是以各光纤布拉格光栅为分段节点，使所述出射光I与光纤外探测物接触并经光纤表面纳米拉曼增强层获得增强，对应产生各级拉曼散射光Ra1、Ra2……Ran-1、Ran，所述各级拉曼散射光与传感器模块中各光纤布拉格光栅上对Rn+1、Rn+2……R2n-1、R2n的反射光共同形成信号光R。
所述解析模块将信号光R经二向色镜分别形成反射光K1和透射光K2，在所述解析模块中，将所述反射光K1导入第一光谱仪获得到温度信号光谱图，并经解析获得测量区域的温度信息；将所述透射光K2导入第二光谱仪获得拉曼信号光谱图，经过解析获得测量区域物质的化学信息。
本发明分布式拉曼光纤多目标探测系统的特点也在于：所述光发生模块与传感器模块中各光纤布拉格光栅按相同的次序一一对应为参数相同的器件，其是指光发生模块中第1光纤布拉格光栅FBG1与传感器模块中第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1为参数相同的器件，……，光发生模块中第n光纤布拉格光栅FBGn与传感器模块中第2n光纤布拉格光栅FBG2n为参数相同的器件；所述第1光环形器到第n光环形器及中央光环形器均为相同器件，其工作波长范围覆盖从所述激光器发出激光I1到在所述激光器发出激光I1激发下待测物质产生的所有拉曼波长。
本发明分布式拉曼光纤多目标探测系统的特点也在于：在所述信号发生模块中，针对第1光纤布拉格光栅FBG1至第n光纤布拉格光栅FBGn的各光纤布拉格光栅一一对应设置压电陶瓷，用于在温度发生变化时进行反射波长匹配，保持信号发生模块和传感器模块中对应的光纤布拉格光栅的反射波长相一致。
本发明分布式拉曼光纤多目标探测系统的特点也在于：在传感器模块中，在第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1至第2n光纤布拉格光栅FBG2n的各光纤布拉格光栅的表面附着温度敏感层，以提高传感器的温度灵敏度。
本发明分布式拉曼光纤多目标探测系统的特点也在于：通过调整传感器模块中各光纤布拉格光栅之间的纳米拉曼增强测量段的长度以调整拉曼信号强度、信噪比和光纤测量位置精度。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用激光为光源，利用光路器件构建分布式拉曼光纤测温探针系统，采用拉曼散射测量和FBG技术实现关键物质和温度的同时测量，能够实时定量获取术后封闭伤口分布的微生物、抗生素等关键物质和温度信息，进一步通过分析关键物质和温度及其深度方向的分布实现对物质状态的实时量化表征。
2、本发明采用单探测器系统，其结构简单紧凑，装配过程简捷，安装精度要求低，降低感染风险，对医护和患者友好，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明系统光路原理图；
图2为本发明系统中第一光谱仪SP1获得的温度光谱图；
图3为本发明系统中第二光谱仪SP2获得的拉曼光谱图；
图中标号：1激光器，21第1光环形器，22第2光环形器，2n第n光环形器，3压电陶瓷,31第1光纤布拉格光栅，32第2光纤布拉格光栅，3n-1第n-1光纤布拉格光栅，3n第n光纤布拉格光栅，4光复用器，51第n+1光纤布拉格光栅，52第n+2光纤布拉格光栅，5n-1第2n-1光纤布拉格光栅，5n第2n光纤布拉格光栅，6纳米拉曼增强测量段，7温度敏感层，8二向色镜，9中央光环形器，A光发生模块，B传感器模块，C信号解析模块，SP1第一光谱仪，SP2第二光谱仪，P1温度光谱信号，P2拉曼光谱信号。
具体实施方式
参见图1，本实施例中分布式拉曼光纤多目标探测系统包括光发生模块A、传感器模块B和信号解析模块C；光发生模块A是由激光器发出激光，设置由光环形器和光纤布拉格光栅构成的各级联单元，获得各不同光谱段的反射光进入光复用器，经光复用器的选择形成出射光进入传感器模块B；传感器模块B是由各光纤布拉格光栅依次串联构成的纵向结构，使出射光在传感器模块中各光纤布拉格光栅上一一对应得到反射并进入所述信号解析模块C；经由信号解析模块C的解析获得测量区域的温度信息和化学信息，测量区域是指与纵向结构相对应的纵向位置。
如图1所示，本实施例中光发生模块A是由激光器1发出激光I1，各级联单元分别是：
第1级联单元：由第1光环形器21和FBG1第1光纤布拉格光栅31构成，激光I1经第1光环形器21入射到FBG1第1光纤布拉格光栅31，形成透射光I2以及波长为λ1的反射光R1，反射光R1再经第1光环形器21进入光复用器4。
第2级联单元到第n-1级联单元的各中间级联单元：是由本级光环形器接收上一级透射光并入射到本级光纤布拉格光栅，经本级光纤布拉格光栅分别形成本级透射光和本级反射光，本级反射光再经本级环形器进入光复用器4，其中：
第2级联单元：由第2光环形器22和FBG2第2光纤布拉格光栅32构成，激光I1经第2光环形器22入射到FBG2第2光纤布拉格光栅32，形成透射光I3以及波长为λ2的反射光R2，反射光R2再经第2光环形器22进入光复用器4。
第n-1级联单元：由第n-1光环形器和FBGn-1第n-1光纤布拉格光栅3n-1构成，激光In-1经第n-1光环形器入射到FBGn-1第n-1光纤布拉格光栅3n-1，形成透射光In以及波长为λn-1的反射光Rn-1，反射光Rn-1再经第n-1光环形器进入光复用器4。
第n级联单元：由第n光环形器2n和FBGn第n光纤布拉格光栅3n构成，透射光In经第n光环形器2n入射到FBGn第n光纤布拉格光栅3n，形成波长为λn的反射光Rn，反射光Rn再经第n光环形器2n进入光复用器4。
由此获得各不同光谱段的反射光R1、R2……Rn-1、Rn进入光复用器4，由光复用器4选择形成出射光I，出射光I经过中央光环形器9进入传感器模块B。
图1所示的传感器模块B为一纵向结构，纵向结构是由依次为FBGn+1第n+1光纤布拉格光栅51、FBGn+2第n+2光纤布拉格光栅52、……FBG2n-1第2n-1光纤布拉格光栅5n-1、FBG2n第2n光纤布拉格光栅5n的各光纤布拉格光栅串联构成；FBGn+1第n+1光纤布拉格光栅51、FBGn+2第n+2光纤布拉格光栅52、……FBG2n-1第2n-1光纤布拉格光栅5n-1、FBG2n第2n光纤布拉格光栅5n的各光纤布拉格光栅具有与反射光Rn+1、Rn+2……R2n-1、R2n一一对应的反射波长，使出射光I在传感器模块B中各光纤布拉格光栅上一一对应进行反射，再次经过中央光环形器9进入信号解析模块C。
在传感器模块B中各光纤布拉格光栅之间分别设置纳米拉曼增强测量段6，是以各光纤布拉格光栅为分段节点，使出射光I与光纤外探测物接触并经光纤表面纳米拉曼增强层6获得增强，对应产生各级拉曼散射光Ra1、Ra2……Ran-1、Ran，各级拉曼散射光与传感器模块B中各光纤布拉格光栅上对Rn+1、Rn+2……R2n-1、R2n的反射光共同形成信号光R。
解析模块C将信号光R经二向色镜8分别形成反射光K1和透射光K2，在解析模块C中，将反射光K1导入第一光谱仪SP1获得温度光谱信号P1及如图2所示的温度光谱图，经解析获得测量区域的温度信息；将透射光K2导入第二光谱仪SP2获得拉曼光谱信号P2及如图3所示的拉曼光谱图，经解析获得测量区域物质的化学信息；测量区域是指传感器模块B的纵向结构对应的纵向位置。
具体实施中，相应的技术措施也包括：
光发生模块A与传感器模块B中各光纤布拉格光栅按相同的次序一一对应为参数相同的器件，其是指光发生模块A中FBG1第1光纤布拉格光栅31与传感器模块B中FBGn+1第n+1光纤布拉格光栅51为参数相同的器件，……，光发生模块A中FBGn第n光纤布拉格光栅3n与传感器模块B中FBG2n第2n光纤布拉格光栅5n为参数相同的器件。
第1光环形器21到第n光环形器2n及中央光环形器9均为相同器件，其工作波长范围覆盖从激光器1发出激光I1到在激光器1发出激光I1激发下待测物质产生的所有拉曼波长。
在信号发生模块A中，针对FBG1第1光纤布拉格光栅31至FBGn第n光纤布拉格光栅3n的各光纤布拉格光栅一一对应设置压电陶瓷3，用于在温度发生变化时进行反射波长匹配，保持信号发生模块A和传感器模块B中对应的光纤布拉格光栅的反射波长相一致。
在传感器模块B中，在FBGn+1第n+1光纤布拉格光栅51至FBG2n第2n光纤布拉格光栅5n的各光纤布拉格光栅的表面附着温度敏感层7，以提高传感器的温度灵敏度。
通过调整传感器模块B中各光纤布拉格光栅之间的纳米拉曼增强测量段6的长度以调整拉曼信号强度、信噪比和光纤测量位置精度。
具体实施中，设置合适的光纤形态以增加拉曼信号的增强比例；通过调整光纤承载纳米拉曼增强剂的数量和物理特性，以增强拉曼信号；
系统中所有光纤布拉格光栅的反射波长随折射率和光栅周期变化而变化；传感器模块B中第n+1光纤布拉格光栅51、第n+2光纤布拉格光栅52、……第2n-1光纤布拉格光栅5n-1以及第2n光纤布拉格光栅5n各光纤布拉格光栅的温度变化引起周期和折射率变化，且光栅周期变化强于折射率变化；由第二光谱仪SP2的光谱分辨率乘以符合奈奎斯特采样定理的系数来确定光纤布拉格光栅的半波峰宽以及反射光谱区间。
图2所示为本实施例中由第一光谱仪SP1获得的温度光谱图，图2中横坐标为光纤布拉格光栅FBG反射回的光束的波长，曲线a1为R1经过传感器模块B中第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1反射的光，曲线b1为R2经过传感器模块B中第n+2光纤布拉格光栅FBGn+2反射的光，曲线c1为R3经过传感器模块B中第n+3光纤布拉格光栅FBGn+3反射的光，图2可见本发明通过区分传感器模块B中各光纤布拉格光栅反射回的光的波长即可确定位置处的温度值。
图3所示为本实施例中第二光谱仪SP2获得的拉曼光谱图，图3中横坐标为不同激发波长条件下同一物质产生的拉曼光谱，曲线a2为图2中光谱为曲线a1的光激发待测物质D时形成的拉曼光，曲线b2为图2中光谱为曲线a2的光激发待测物质D时形成的拉曼光，曲线c2为图2中光谱为曲线a3的光激发待测物质D时形成的拉曼光；图3可见，对于同一种物质D，即使激发光波长不同，其形成的拉曼光仍然相同，因此本发明对物质的探测不受激发波长的影响。
本发明应用于术后封闭伤口检测是指：在一些伤口治疗过程中，在完成清创等治疗后会采用缝合、覆盖敷料等方法处理伤口以加速愈合、防止再次感染，称之为术后封闭伤口，这类伤口中有10％左右会再次感染，由于已经缝合或者覆盖敷料，当伤口感染发生时很难及时发现，待症状明显时感染程度已经加重，需要采取拆线、引流、再次清创等操作；更有甚至会导致截肢、患者死亡等严重后果。由于伤口内不同深度方向组织结构不同，感染一般不会瞬间发生在所有深度，而是不可预期地从某深度开始，现有技术无法及时有效地探测术后封闭伤口内不同深度的感染状态，难以及时发现感染。本发明将传感器模块B设置为纵向结构，多个拉曼增强光纤段分时复用地采集各段信息，能在很短时间内获取整个深度方向上全部的感染状态，及时为医生提供术后封闭伤口内不同层的感染相关的微生物分布、温度分布、药物分布等信息，有效减少或减轻术后封闭伤口二次感染带来的不良后果，促进外科手术医学方向的进步。
除此之外，本发明还能够应用于水质等液体分层检测。环境检测的水质检测方面一般要求对水体不同深度进行采样，而大部分水体是流动的，这给采样造成了较大的困难。目前已有在线检测方法可以采用沿水深度方向布置多个测量点，每个测量点布置多个传感器的方案加以实现。但是，由于水质检测指标较多，单测量点的传感器数量和整体体积很大且价格昂贵，导致该方案几乎没有可行性。SERS具有公认的多目标、高灵敏度探测的特点，本发明采用在传感器模块B中设置多个拉曼增强光纤段的技术，采取分时复用地采集各个段的信息，能在很短时间内获取整个深度方向上水质检测的所有指标，相对于已有方案，本发明具有多指标探测、采样时间短、灵敏度高、结构简单、体积小，光纤直径只有几百微米、价格低等特点，能实现目前难以实现的水体深度方向多点快速(几十秒内)探测，能够广泛地适用于各种类型的流体检测。
尽管示出本发明具体实施方式，对于本领域普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明原理的情况下可以对具体实施方式进行多种变型，本发明保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种分布式拉曼光纤多目标探测系统，其特征是：包括光发生模块(A)、传感器模块(B)和信号解析模块(C)；所述光发生模块(A)是由激光器发出激光，设置由光环形器和光纤布拉格光栅构成的各级联单元，获得各不同光谱段的反射光进入光复用器，经光复用器的选择形成出射光进入传感器模块(B)；所述传感器模块(B)是由各光纤布拉格光栅依次串联构成的纵向结构，使出射光在传感器模块中各光纤布拉格光栅上一一对应得到反射并进入所述信号解析模块(C)；经由所述信号解析模块(C)的解析获得测量区域的温度信息和化学信息，所述测量区域是指与纵向结构相对应的纵向位置。
2.根据权利要求1所述的分布式拉曼光纤多目标探测系统，其特征是：
所述光发生模块(A)是由激光器(1)发出激光I1，所述各级联单元分别是：
第1级联单元：由第1光环形器(21)和第1光纤布拉格光栅FBG1(31)构成，激光I1经第1光环形器(21)入射到第1光纤布拉格光栅FBG1(31)，形成透射光I2以及波长为λ1的反射光R1，所述反射光R1再经第1光环形器(21)进入光复用器(4)；
第2级联单元到第n-1级联单元的各中间级联单元：是由本级光环形器接收上一级透射光并入射到本级光纤布拉格光栅，经本级光纤布拉格光栅分别形成本级透射光和本级反射光，所述本级反射光再经本级环形器进入光复用器(4)；
第n级联单元：由第n光环形器(2n)和第n光纤布拉格光栅FBGn(3n)构成，透射光In经第n光环形器(2n)入射到第n光纤布拉格光栅FBGn(3n)，形成波长为λn的反射光Rn，所述反射光Rn再经第n光环形器(2n)进入光复用器(4)；
由此获得各不同光谱段的反射光R1、R2……Rn-1、Rn进入光复用器(4)，由所述光复用器(4)选择形成出射光I，所述出射光I经过中央光环形器(9)进入传感器模块(B)；
所述传感器模块(B)为一纵向结构，所述纵向结构是由依次为第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1(51)、第n+2光纤布拉格光栅FBGn+2(52)、……第2n-1光纤布拉格光栅FBG2n-1(5n-1)和第2n光纤布拉格光栅FBG2n(5n)的各光纤布拉格光栅串联构成；所述第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1(51)、第n+2光纤布拉格光栅FBGn+2(52)、……第2n-1光纤布拉格光栅FBG2n-1(5n-1)和第2n光纤布拉格光栅FBG2n(5n)的各光纤布拉格光栅具有与反射光Rn+1、Rn+2……R2n-1、R2n一一对应的反射波长，使所述出射光I在所述传感器模块(B)中各光纤布拉格光栅上一一对应进行反射，再次经过所述中央光环形器(9)进入信号解析模块(C)；
在传感器模块(B)中各光纤布拉格光栅之间分别设置纳米拉曼增强测量段(6)，是以各光纤布拉格光栅为分段节点，使所述出射光I与光纤外探测物接触并经光纤表面纳米拉曼增强层(6)获得增强，对应产生各级拉曼散射光Ra1、Ra2……Ran-1、Ran，所述各级拉曼散射光与传感器模块(B)中各光纤布拉格光栅上对Rn+1、Rn+2……R2n-1、R2n的反射光共同形成信号光R。
所述解析模块(C)将信号光R经二向色镜(8)分别形成反射光K1和透射光K2，在所述解析模块(C)中，将所述反射光K1导入第一光谱仪(SP1)获得到温度信号光谱图(P1)，并经解析获得测量区域的温度信息；将所述透射光K2导入第二光谱仪(SP2)获得拉曼信号光谱图(P2)，经过解析获得测量区域物质的化学信息。
3.根据权利要求2所述的分布式拉曼光纤多目标探测系统，其特征是：所述光发生模块(A)与传感器模块(B)中各光纤布拉格光栅按相同的次序一一对应为参数相同的器件，其是指光发生模块(A)中第1光纤布拉格光栅FBG1(31)与传感器模块(B)中第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1(51)为参数相同的器件，……，光发生模块(A)中第n光纤布拉格光栅FBGn(3n)与传感器模块(B)中第2n光纤布拉格光栅FBG2n(5n)为参数相同的器件；所述第1光环形器(21)到第n光环形器(2n)及中央光环形器(9)均为相同器件，其工作波长范围覆盖从所述激光器(1)发出激光I1到在所述激光器(1)发出激光I1激发下待测物质产生的所有拉曼波长。
4.根据权利要求2所述的分布式拉曼光纤多目标探测系统，其特征是：在所述信号发生模块(A)中，针对第1光纤布拉格光栅FBG1(31)至第n光纤布拉格光栅FBGn(3n)的各光纤布拉格光栅一一对应设置压电陶瓷(3)，用于在温度发生变化时进行反射波长匹配，保持信号发生模块(A)和传感器模块(B)中对应的光纤布拉格光栅的反射波长相一致。
5.根据权利要求2所述的分布式拉曼光纤多目标探测系统，其特征是：在传感器模块(B)中，在第n+1光纤布拉格光栅FBGn+1(51)至第2n光纤布拉格光栅FBG2n(5n)的各光纤布拉格光栅的表面附着温度敏感层(7)，以提高传感器的温度灵敏度。
6.根据权利要求2所述的分布式拉曼光纤多目标探测系统，其特征是：通过调整传感器模块(B)中各光纤布拉格光栅之间的纳米拉曼增强测量段(6)的长度以调整拉曼信号强度、信噪比和光纤测量位置精度。
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