一种基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统。该系统输出稳定、灵敏度高，传感单元响应时间短，价格低廉，易于制作。本实用新型专利技术采用的技术方案是，系统主要包括呼吸鼻罩传感装置和光纤激光系统，传感装置结构简单，传感单元是将一段纯石英光纤焊接在两段单模光纤之间构成的，并在纯石英光纤表面涂覆水蒸气敏感材料。光纤激光器内腔结构是由中心波长在976nm的半导体激光器泵浦，经980/1550nm波分复用器后被一段3m长的掺铒光纤放大，再先后通过光隔离器，可调衰减器和传感装置，经一个10∶90的耦合器输出至光电探测器。本实用新型专利技术主要应用于生物医学领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统
本技术是一种基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统，实现了呼吸频率、湿度和强度的多参量传感监测，属于光纤传感在生物医学领域的一种应用。
技术介绍
现代社会人们越来越意识到健康的重要性，而呼吸监测则是反映身体健康状况的主要手段之一，因此呼吸传感器受到了越来越多的关注。呼吸传感器可用于监测运动员的血氧含量，可用于监测术后患者基本的生理状态，更可用于家庭监测夜间睡眠质量。做好呼吸监测，也有助于一些疾病的及时诊疗。而目前主流的呼吸监测系统主要是只针对呼吸频率的单一参量传感，实现形式是将弹性腹带绑于胸部或腹部，通过压力传感器内嵌于腹带中，测量呼吸时胸部或腹部的起伏对传感器的挤压来监测呼吸频率。由于捆绑的压力，该传感器可能会使人感受呼吸受阻，给人带来不适感。也有文献报道，使用灵敏度更高的光栅位移传感器代替压力传感器置于腹带中。当腹带上的光栅条随着人体呼吸时腹部的起伏，与标尺光栅产生位移，光栅式光电传感器将分别输出A、B两路相位差90度的数字脉冲信号。光栅条正向运动时A相超前B相90度，在A相脉冲的下降沿处，B相为高电平；而在光栅条反向时，A相滞后B相90度，在A相脉冲的下降沿处，B相输出为低电平。因此当光栅条运动时，通过判断B相电平的高低就可以判断其运动方向(即利用此相频特征可判别光栅条的运动方向)，从而准确判别出用户的呼气及吸气过程，其输出的脉冲的个数与光栅条的位移量成比例关系，因此通过对输出的脉冲计数可以计算出相应光栅条的位移量，从而得到人体呼吸时腹部的变化量。此种方法需要腹带上的光栅条与光栅标尺各参数完全一致，还需使用带有光敏电阻的电路实现光电转化，提高了传感器的复杂性和制作成本。由于光栅位移传感器感知的是腹带周长的变化量，测量时的翻身等动作对测量也会产生影响。且部分处于术后恢复期的病人，无法使用腹带，限制了上述传感器的使用。在本技术中，使用了光纤直接感知鼻息气流来监测呼吸，避免了以上缺点。而且传感单元利用特殊的SNCS结构光纤，并在纯石英光纤的表面涂覆水蒸气敏感材料，在光纤内形成多模干涉。通过呼吸时其透射谱的漂移和强度变化，从而实现了对呼吸频率，湿度和强度的多参量监测。
技术实现思路
本技术的目的在于首次提出了一种基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统。利用特殊的光纤SNCS结构，形成光纤内部的多模干涉。在纯石英光纤表面涂覆水蒸气敏感材料，通过呼吸时其透射谱的漂移和强度的变化，实现对呼吸频率，湿度和强度的监测。本技术完全从另一个思路出发，避免使用腹带式的结构对呼吸造成的压迫，也有效减少了睡眠时的翻身等动作对监测造成的影响。而且有些处于术后康复期的病人，由于手术伤口无法使用腹带。鼻罩式光纤呼吸传感器避免了腹带使用局限性的问题。系统采用光纤激光器内腔结构，减小了信号脉宽，提高了峰值强度，增强了信噪比，使得系统中不需要信号放大，降噪等复杂的设备就能实现高分辨率，降低了系统的复杂性。本技术采用的技术方案如下：本系统主要包括呼吸鼻罩传感装置和光纤激光系统。传感装置结构简单，传感单元主要是一根SNCS(single-mode-no-core-single-mode)光纤。该部分是将一段纯石英光纤焊接在两段单模光纤之间构成的。我们将这一传感单元横向穿过鼻罩导管并尽量靠近鼻子，鼻息气流能够使纯石英光纤发生弯曲形变。光经单模光纤传导后被耦合进纯石英光纤，高阶模被激发。多个模式同时在纯石英光纤中传导，并在纯石英光纤的另一端发生耦合再次进入单模光纤，在光纤内部发生多模干涉，形成特定的透射谱线。当纯石英光纤横向产生弯曲时，其折射率分布会发生改变，导致纯石英光纤透射谱的漂移。在纯石英光纤表面涂覆水蒸气敏感材料，纯石英光纤发生弯曲时，高阶模在倏逝区被该材料吸收，导致透射谱强度的变化。我们通过对透射谱的漂移和强度变化的监测，实现呼吸的湿度，强度和频率的多参量传感。光纤激光器内腔结构是由中心波长在976nm的半导体激光器泵浦，经980/1550nm波分复用器后被一段3m长的掺铒光纤放大，再先后通过光隔离器，可调衰减器和传感装置，经一个10∶90的耦合器输出至光电探测器。光纤激光器内腔结构压缩输出信号的脉宽，3-dB带宽约为0.08nm，提高峰值强度，增强了信噪比，约为60dB，提高了系统的分辨率，整个系统的灵敏度得到了大大的提高。本技术中的光纤激光器内腔系统结构的主要特征是在传统结构的基础上加入了可调衰减器，用于调节整个内腔的阈值，以达到患者呼气时，有激光输出，患者吸气时，无激光输出的效果。这样设计是为了对于气息强弱不同的患者，呼吸传感器的可视情况都能达到相同的效果。本传感单元选用纯石英光纤的长度为125mm，使得SNCS光纤的透射光谱的峰与光纤激光器的增益谱线的峰相重叠，同时也抑制了模式竞争，从而传感器的输出更加稳定。本技术的有益效果：第一，使用了光纤激光器内腔结构，减小了输出信号的脉宽，提高了信号的峰值强度，提高了信噪比，使得信号更容易被识别，并且系统无需信号放大和降噪设备，以及光谱仪，节约成本。第二，加入可调衰减器，使气息强弱不同的患者能达到相同的可视效果。第三，传感探头直接置于鼻子附近感知鼻息气流，相比之前报道的腹带式的结构影响因素更少，在监测时的不可控因素更少，更容易得到真实的结果。第四，SNCS光纤传感单元对应变十分敏感，传感器的响应时间短，并且传感单元价格低廉，易于制作。在临床使用过程中可通过光环形器直接连接在光纤激光内腔系统中，实现使用一次性，有利于产品的卫生。附图说明图1为本技术所使用的光纤激光系统。图2为本技术系统中可调衰减器的示意图。图3为本技术系统中传感鼻罩装置的示意图。附图中的各标号代表的部件列表如下：1-激光泵浦源(带尾纤输出的半导体激光器，固定输出波长为978nm，电流控制输出功率，输出功率最大值为100W)；2-980/1550nm波分复用器；3-3m掺铒光纤；4-光隔离器；5-1*2耦合器(输入光电探测器与回路中的功率比为10∶90)；6-TEC(半导体制冷片)；7-PMF(保偏光纤)；8-3-dB耦合器；9-通用鼻罩；10-减震环；111-减震垫片1；112-减震垫片2；113-减震垫片3；12-弹性薄膜材料；131-紫外胶1；132-紫外胶2；14-传感光纤(SNCS结构，由纯石英光纤两端焊接单模光纤构成，纯石英光纤使用长度为125mm，表面涂有水蒸气敏感材料)。具体实施方式下面结合附图和实施例进一步详细说明本技术。图1所示的是呼吸传感器所使用的光纤激光系统的示意图。相较于目前已有的光纤激光器系统内腔结构，本技术在其中添加了可调衰减器，用于调整整个光纤激光器系统的阈值，实现当呼出气体，光纤向外侧发生弯曲时，激光系统的增益大于损耗，有激光输出，当光纤未发生弯曲或吸入气体，光纤向内侧弯曲时，激光系统的损耗大于增益，无激光输出的效果。这样设计是为了对于气息强弱不同的患者，呼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统，其特征是，本系统主要包括呼吸鼻罩传感装置和光纤激光系统，传感装置结构简单，传感单元主要是一根SNCS光纤，该部分是将一段纯石英光纤焊接在两段单模光纤之间构成的，并在纯石英光纤表面涂覆水蒸气敏感材料；光纤激光器内腔结构是由中心波长在976nm的半导体激光器泵浦，经980/1550nm波分复用器后被一段3m长的掺铒光纤放大，再先后通过光隔离器，可调衰减器和传感装置，经一个10∶90的耦合器输出至光电探测器。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统，其特征是，本系统主要包括呼吸鼻罩传感装置和光纤激光系统，传感装置结构简单，传感单元主要是一根SNCS光纤，该部分是将一段纯石英光纤焊接在两段单模光纤之间构成的，并在纯石英光纤表面涂覆水蒸气敏感材料；光纤激光器内腔结构是由中心波长在976nm的半导体激光器泵浦，经980/1550nm波分复用器后被一段3m长的掺铒光纤放大，再先后通过光隔离器，可调衰减器和传感装置，经一个10∶90的耦合器输出至光电探测器。


2.如权利要求1所述的基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统，其特征是，在呼吸传感装置中，将一段纯石英光纤焊接在两段单模光纤中构成传感单元，鼻息气流能够使纯石英光纤发生弯曲形变。


3.如权利要求1所述的基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统，其特征是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：石嘉，徐伟，郭翠娟，吴亚杰，杨帆，郭昊冈，田琳琳，苏梦雅，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：新型
国别省市：天津;12