光纤布拉格光栅在骨骼形变监测中的应用

祁乐融， 王冠军， 蔚 旋， 王 高， 桂志国

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051)

光纤布拉格光栅在骨骼形变监测中的应用

祁乐融， 王冠军， 蔚 旋， 王 高， 桂志国

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051)

针对传统骨骼形变监测技术中存在的传感器尺寸较大， 易受电磁干扰， 不易实现体内长期监测等不足， 采用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)作为骨骼形变监测的实现原理及应用方式. 基于FBG应力传感原理， 将不同中心波长的FBG粘贴于清理干净的肋骨上进行载荷实验， 随后将采集的布拉格波长换算成形变， 实时显示骨骼受载荷时的形变趋势. 实验采用在多点粘贴FBG的方式， 避免了温度、 应变交叉传感的问题. 实验表明， 粘贴在猪肋骨上的FBG的波长变化与该位置受力产生的弯曲形变具有明显的线性对应关系， 光纤光栅谱峰漂移随骨骼挠度变化的灵敏度可达39.005 25 pm/mm. 实验结果对发展微型、 实时、 集成骨骼健康监控具有一定的参考意义.

光纤布拉格光栅； 骨骼形变； 应变传感

0 引 言

骨骼形变是骨裂、 骨折等骨损伤的重要影响因素和主要表现形式， 骨骼所受外力作用可以作为骨损伤预警的重要监测对象， 因此骨骼形变检测受到人们的广泛关注. 当前检测骨骼形变的传统方法主要是使用应力计[1]. 贾鹏[2]使用应变片对人工股骨髓内钉转子间骨折模型的应变情况进行了研究， 罗承刚[3]则使用应变片对股骨标本的压缩载荷-应变数据进行了测量， 童杰[4]使用应变片测得椎骨前缘的载荷大小. 这种测量方法虽然准确且精度较高， 但是由于应力计较大的尺寸和非绝缘特性， 使得其难以满足体内长时间、 重复性的监测要求.

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)是一种新型光纤器件， 通过特殊的封装和结构设计可以实现多种参量的高精度测量. 与电学传感元件不同的是， FBG不仅灵敏度高而且体小量轻， 且抗电磁干扰、 有生物兼容性， 可在临床中安全使用， FBG集传感传输为一体， 易于复用和构成传感网络， 能够满足骨骼形变监测中活体实时监测的技术要求， 因此， 开展此项研究工作将是非常有意义的. 目前FBG已经用于人体参量监测， 如呼吸、 足底受力、 足跟腱韧带测量[5]等. Roriz等[6]使用FBG传感器测量了在轴向挤压下椎间盘膨出的应力， Gabriela C.Marin[7]报道了用FBG传感器测量人的咬合力， FBG传感还可以用来测量胸壁形变、 呼吸、 心率和脉搏[8-11]， Ren等[12]用一种FBG位移传感器测试了不同姿势和运动下肌腱韧带的受力情况. 但是， FBG在骨骼形变监测中的应用少有报道.

本文提出一种新的基于FBG弯曲传感的骨骼形变监测技术手段， 使用光纤光栅解调仪对模拟骨骼不同受力情况时的形变进行监测. 实验结果表明光纤光栅谱峰漂移随骨骼挠度变化的灵敏度可达39.005 25 pm/mm.

1 原 理

光纤纤芯折射率的周期性变化会对入射的宽带光谱产生调制. 宽带光波在光栅中传输时， 特定波长的入射光被反射回来， 其他的光继续向前传输. 由麦克斯韦经典方程结合耦合模理论可得布拉格条件[13]

式中：λB为反射波的中心波长， 它与光栅周期Λ、 纤芯的有效折射率neff有关. 只有波长满足上述条件的光波才能被光栅所反射. 任何引起光纤光栅温度或应力变化的因素都会导致FBG中心波长的漂移.

也就是说， FBG反射光中心波长的变化可以反映外界被测信号(如温度或应变)的变化情况. FBG的反射波长的漂移与温度和应变的关系为

式中：α,ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数；Pe为光纤的有效弹光系数；ε为光纤轴向应变. 光栅周期随外界温度、 压力改变而变化， 光栅反射波中心波长也随之发生变化.

2 骨骼形变测试系统

该系统利用FBG的反射波中心波长与应力间的线性关系， 实时测量传感器粘贴处所受应力. 宽带光源发出的光经耦合器到达光栅， 当骨骼受到应力发生形变时， 粘贴在骨骼上的FBG反射波长也会发生相应改变， 反射波长经解调后实时显示在屏幕上， 系统原理如图 1 所示.

图 1 FBG测骨头形变原理图Fig.1 Principle diagram of FBG measuring the deformation of the bone

2.1 传感器系统

实验选用长185 mm的新鲜猪肋骨一根， 将新鲜猪肋骨从冰箱中取出， 去除多余软组织和杂物， 露出骨骼本色后用砂纸打磨FBG粘贴处， 使粘贴部位均匀粗糙. 打磨后用无水乙醇对其表面进行反复清洗， 确保粘贴位置干净. 用AB环氧结构胶将FBG分别粘贴于猪肋骨表面. 其中光栅2位于猪肋骨的中间位置， 光栅1在骨骼较粗一端， 光栅3在骨骼较细的一端， 光栅1和光栅3分别位于光栅2两侧20 mm处. 为了对比形变时骨骼两表面的变化情况， 在光栅3的对面粘贴了中心波长为1 545.109 nm的光栅4.

为了验证该结构能否对骨骼表面形变有效测量， 在实验室恒温条件下将猪肋骨两端固定， 在骨头中间位置利用砝码施加作用力使其产生弯曲形变， 测量4个FBG反射波长的漂移量.

2.2 解调仪系统

使用光纤光栅解调仪(sm-125)测量FBG的反射波长. 解调仪主要由ASE宽带光源、 耦合器、 可调谐F-P滤波器、 光电探测器、 数据处理器等部分组成. 宽带光源的波长范围为1 525～1 565 nm， 解调系统每个通道的测量频率均为1 Hz， 波长分辨率为1 pm.

3 实验结果及分析

3.1 标定实验

将FBG粘贴在简支梁结构的钢条上， 对钢条施加应力使其形变， 测量FBG所处位置的形变情况和FBG的反射中心波长， 以完成对其的标定. 钢条形变范围为0～6.0 mm， 每隔0.5 mm采集FBG的反射中心波长. 各状态下FBG反射中心波长平均值与作用点挠度变化关系如图 2 所示.

图 2 4个光栅的挠度-波长曲线Fig.2 Deflection-wavelength curves of four grating points

从图 2 可以看出， 4个光栅点的FBG波长变化与光栅处的挠度变化呈现良好的线性关系， 说明光栅性能良好， 可以对骨骼形变程度进行有效的测量. 由图 2 可得各个光栅的比例因子， 如表 1 所示. 可以看出4个光栅点的比例因子相近， 表明这些光栅传感器灵敏度基本相同， 这有助于在后续的传感实验中直观地看出各测试点的形变程度.

表 1 各光栅点的比例因子

3.2 FBG测量骨骼形变传感实验

实验中， 在猪肋骨的中间位置施加作用力使其产生弯曲变形. 分别用100, 200,300,400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 500, 2 000, 2 500 g 砝码对骨骼中间点即光栅2粘贴点处施加作用力， 测试4个FBG粘贴点处的骨骼形变情况.

图 3 光栅1、 光栅2、 光栅3的载荷-挠度曲线Fig.3 Load-deflection curves of grating 1, 2, 3

光栅1, 2, 3处的载荷-形变曲线如图 3. 可知， 3条曲线的拟合精度分别达到0.991 29, 0.996, 0.991 37. 说明骨骼形变程度与施加的载荷呈现良好的线性关系. 计算可得， 处在同一面的光栅1, 2, 3的拟合直线斜率分别为0.927 9， 2.376 8， 1.702 1 mm/N， 说明在施加载荷时， 载荷施加处的光栅2形变量最大， 光栅1和光栅3处的形变略小. 其中， 骨骼细端的光栅1处较骨骼粗端的光栅3处形变小， 说明在相同载荷的情况下， 骨骼较细的一端会发生更大的挠度变化. 图3显示， 在未施加载荷时仍有较小程度的挠度变化， 这可能是由于粘贴传感器时， AB环氧结构胶凝固对传感器产生作用力所致.

光栅3， 4处的载荷-形变曲线如图 4， 可以看出其线性度良好， 对其进行直线拟合后可得斜率分别为1.702 1 mm/N和-1.699 mm/N， 绝对值相近， 符号相反， 与光栅3， 4分别粘贴在骨骼同一位置两表面的实际相符合， 说明在受到载荷时， 骨骼同一位置的两个表面挠度变化程度相同.

图 4 光栅3和光栅4的形变曲线Fig.4 Load-deflection curves of grating 3 and 4

4 结 论

研究采用了FBG作为骨骼形变监测的实现原理及应用方式， 解决了传统的骨骼形变检测技术中存在的传感器尺寸较大、 非绝缘特性、 不易实现体内长时间重复性的监测的问题. 在实验室条件下， 将4个FBG传感器熔接串联后粘贴于清理干净的猪肋骨不同位置上， 利用光栅的反射波长和形变之间的线性关系， 测得骨骼形变.

实验证明了利用FBG弯曲传感技术对骨骼形变程度进行探测是可行的、 可靠的. 粘贴在猪肋骨上的FBG的波长变化与粘贴位置产生的弯曲形变具有明显的线性对应关系， 在相同载荷的情况下， 骨骼较细的一端会发生更大的挠度变化， 且在受到载荷时骨骼同一位置的两个表面挠度变化程度相同. 实验在猪肋骨的多个位置粘贴了FBG， 避免了外界环境温度可能发生的变化对FBG传感的测量结果造成干扰和影响. 由于FBG传感技术与其他传统的传感器技术相比具有体积小、 不受电磁干扰、 探测灵敏度高、 测量精度高、 复用性好， 尤其是具有生物相容性， 不会对生物体产生危害的优势， 使得通过其构成的传感网络在骨骼形变监测中具有很大的潜在价值和应用前景. 本文实验结果对发展微型、 实时、 集成骨骼健康监控具有一定的参考意义.

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[2]贾鹏. 髓内钉修复股骨转子间骨折愈合过程的生物力学研究[D]. 天津： 天津医科大学, 2015.

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[13]Hayes J. Fiber Optics Technician’s Manual[M]. Delmar： Thomson Delmar Learning, 2006.

Application of FBG Sensors in Bone Deformation Monitoring

QI Le-rong， WANG Guan-jun， YU Xuan， WANG Gao， GUI Zhi-guo

(National Key Laboratory for Electronic Test Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In view of the problem such as large size, susceptible to electromagnetic interference and difficult to achieve long-term monitoring of the body in the traditional bone deformation monitoring technologies, fiber Bragg grating(FBG)sensing technology is used as realization principles and specific applications mode. FBG sensors with different central wavelengths were applied to the cleaned ribs for loading experiments and the deformation tendency of the bone under load was displayed in real time. In addition, using the method of pasting multi-point FBGs, the effect of changes in ambient temperature on FBG sensing measurement can be eliminated. The experimental results show that the wavelength variation of the FBG attached to the pig ribs has a linear relationship with the bending deformation caused by the force. The sensitivity of the peak shift of the fiber grating with deformation can reach 39.005 25 pm/mm. The results of this paper has certain reference value for developing micro, real-time, integrated bone health monitoring.

fiber Bragg grating; bone deformation; strain sensing

2016-09-16

国家自然科学基金资助项目(61573323)； 国家自然科学基金资助项目(61405127)； 山西省青年基金资助项目(2014021023-1)； 山西省高等学校科技创新项目； 山西省优秀青年学术带头人支持计划

祁乐融(1991-)， 女， 硕士生， 主要从事光纤传感、 太赫兹光谱的研究.

1673-3193(2017)02-0221-04

TP212

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.022