设计一款基于光纤光栅的脉搏测量传感器

宋大伟 黑龙江省医院医学工程科

引言：脉搏在临床医学上是人体中重要的生理参数之一，某一时间段内脉搏的异常变化也是人体众多疾病前兆的提示，脉搏的变化不仅仅在于频次的变化，在这些变化中它还蕴藏着血管相关的生理参数的表达，脉搏的波形也与生理和病理的变化息息相关，而这些对人体生理状况和健康状况评估有重要的价值。

本文设计了一款基于布拉格光纤光栅的脉搏测量装置，促进了脉搏测量的发展，使它更进一步贴合实际的应用需求，为人体生理传感参数的检测方法研究提供了必要的参考和依据。

1 产品设计与工作原理

光纤光栅（fiber grating）是指通过一定方法，使光纤纤芯的折射率在光纤轴向上形成周期性调制的衍射光栅，是非常常见且应用较广泛的一种光纤器件。光纤光栅相比于普通空间光栅具有体积小、质量轻、复用性好、全兼容于光纤、熔接损耗小、与其他材料兼容性好等优点，而且对应变、温度、折射率、浓度等变化具有较高的灵敏度。

在光纤布拉格光栅中，光栅的谐振波长满足布拉格方程，即

其中，neff和Λ分别为光纤的有效折射率光栅周期，是光纤光栅的工作波长。由公式（2 21）可知，FBG的工作波长与有效折射率neff和光栅周期Λ有关。对公式（2-21）两边求导可得

因为光纤的有效折射率neff和光栅周期Λ会随着外界环境变化（如温度、应力等）而变化，FBG的工作波长也随之变化，这就是光栅传感的基本原理。

本文设计了一款基于光纤光栅的脉搏传感器，首先将一段光纤光栅固定在柔性薄钢片上，将钢片粘合在袖带上，袖带内部带有气囊可以手持加压。在测量时候，将钢片上的光纤光栅对准桡动脉，锁紧袖带后加压到腕部，当手腕被施加压力后，皮肤与传感器紧密贴合，脉搏的应力直接传导到柔性薄钢片上，致使钢片产生微小弯曲，使得光纤光栅被有规律的拉伸，光纤光栅的反射波长随着脉搏的波动发生规律性的周期性变化，通过检测波长的输出变化，可以得到脉搏的次数。

2 实验与测试

为了研究光纤光栅结构的微弯特性，实验过程中采用了实验装置来测试粘贴在柔性钢片上的光纤光栅对外界弯曲变化的响应。将待测的光纤光栅固定在软钢片上后，该铁片固定在一个微调节架上。通过调节旋钮调节微调节架左右移动，对软钢片施加一个横向挤压的力，使软钢片在压力的作用下有一个向上的弯曲。该弯曲的曲率可以通过测量软铁片的长度和微调节架的位移量来计算。实验所用光源为ASE宽谱光源，用光谱仪（OSA）测量不同曲率下的光纤光栅结构的反射谱，就可以得到其弯曲响应。实验所测光纤光栅采用了波长解调方式，横坐标是外界弯曲曲率，纵坐标是反射峰对应的中心波长。可以得到结果，反射峰的中心波长基本上不随所加微弯曲率的变化产生漂移。但是由于引入了弯曲，光纤中会有一部分光泄露到包层中，使光强变低，因此还可以采用测量反射峰中心波长处的光强的方法来测量曲率的变化。后续实验采用了强度解调方式，横坐标是外界弯曲曲率，纵坐标是反射峰对应的中心波长的相对光强，单位是dB。结果显示，反射峰对应的微弯灵敏度为-0.6 dB/m-1。

接下来做真人测试，实验过程中采用了年龄分别为10岁、20岁、40岁、60岁五人穿戴传感器，用光谱仪来观察光纤光栅对外界弯曲变化的响应。将待测的光纤光栅传感器袖带固定在每个人的手腕上，使得手腕平方在桌子上。通过调节呼吸来增加或者减少脉搏波动，使用课题组自制的软件来解调光强与脉搏频率之间的转化。

3 结论

利用布拉格光纤光栅的传感特性来制作此款传感器脉搏信噪比控制的较好，光谱中的反射峰基本不会漂移。布拉格光纤光栅的测量细节相比于其他类型的传感器更加丰富，这时由于测量方式决定的，因为其他测量的方式是根据血管的容积变化来间接的血压测量，而光纤光栅是利用血管壁的应力传导来改变光纤光栅的形变，充分考虑到血管壁的自然形态，而血管壁的自然形态是导致血压升高的重要因素。