[发明专利]一种基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测系统

说明书

本发明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。本发明采用的技术方案是，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。本发明主要应用于生物医学领域。

技术领域

本发明使用基于表面功能化光纤的多参量呼吸传感监测装置，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。

技术背景

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。

在本发明中，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。

发明内容

本发明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。本发明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。

本发明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。