一種介入式光纖傳感探頭的制作方法

本發明屬于光電傳感領域，具體涉及一種介入式光纖傳感探頭。

背景技術：

人體內部的溫度和壓力參數與人體的健康狀況緊密相關。實現對人體內壓力和溫度的可靠監測將有助于診斷人體病情，提到治療效果。

以神經外科重癥治療為例，顱內高壓是神經外科患者術后較為常見的并發癥，是導致神經外科患者術后病情惡化的關鍵誘因。顱內壓增高可影響腦血液循環，導致灌注壓下降，腦血流量減少，靜脈回流受限，顱內血液於滯，甚至引起腦受壓、腦移位，嚴重者形成腦疝，患者常由于繼發腦干損傷而死亡。顱內壓的變化，尤其是短時間內快速變化，常提示患者病情惡化，若能及時發現顱內壓的增高，積極采取措施緩解顱內壓力，解決引起顱內壓增高的病因可使患者轉危為安。因此，顱內壓監測可幫助早期明確診斷并指導顱內壓增高的早期處理，這對改善神經外科患者，尤其是危重癥患者的預后具有重要意義。另外，顱內壓力的變化也與顱內溫度相關聯，亞低溫治療方法已經在臨床顱內高壓的治療上得到推廣。

為了提到神經外科病人的診療效果，需要對顱內壓力和溫度進行實時監測。為了實現對顱內壓力和溫度的可靠監測，需要設計可以對壓力、溫度進行監測的微型介入式傳感探頭。光纖傳感技術具有尺寸微小、抗電磁干擾的優點，可以做為介入式顱內傳感探頭的優選方案。文泓橋【申請號：201110308246.1】公開了一種基于光纖傳感的微型顱內多參數傳感器，使用光纖布拉格光柵技術對溫度進行傳感，使用光纖法珀腔技術對壓力進行傳感。由于光纖材料本身的物理性質特點，光纖布拉格光柵對溫度變化的靈敏度較低，難以實現高精度的人體溫度測量。而且，光纖布拉格光柵對溫度和壓力存在交叉傳感現象，進一步降低了溫度檢測精度。另外，光纖法珀腔存在結構復雜，制作質量控制困難，制作成本高等問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，針對現有光纖布拉格光柵存在對溫度、壓力傳感靈敏度低，且存在溫度、壓力交叉敏感的問題，提供一種介入式光纖傳感探頭，基于雙布拉格光柵設計，能夠同時對壓力和溫度進行監測，成本低廉，制作簡單，監測精度高。

本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：

一種介入式光纖傳感探頭，至少包括光纖接頭、光信號傳導光纖、溫度傳感光柵和壓力傳感光柵，光纖接頭制作在光信號傳導光纖的一端，用于連接外部的光源和檢測部件；溫度傳感光柵和壓力傳感光柵通過紫外激光曝光或其他方法制作在光信號傳導光纖的另一端，溫度傳感光柵配置有溫度傳感光柵封裝，溫度傳感光柵封裝為熱膨脹系數大于光信號傳導光纖的剛性封裝，用于對溫度傳感光柵進行溫度傳感增敏和壓力傳感去敏，壓力傳感光柵配置有壓力傳感光柵封裝，用于對壓力傳感光柵進行壓力增敏。

按上述方案，所述溫度傳感光柵封裝采用一段毛細管，套在溫度傳感光柵外部，毛細管兩端和溫度傳感光柵兩端的信號傳導光纖剛性粘結。

按上述方案，所述壓力傳感光柵封裝制作成U形或弧形，U形或弧形的兩端和壓力傳感光柵兩端的信號傳導光纖剛性粘結。

按上述方案，所述壓力傳感光柵封裝的缺口處覆蓋一層彈性薄膜，或者在壓力傳感光柵封裝的表面套上一段彈性套管(以增加壓力感受面積)。

按上述方案，所述溫度傳感光柵封裝材質為金屬、高分子或其他熱膨脹系數大于光信號傳導光纖的剛性材料(如鋁合金)。

按上述方案，所述壓力傳感光柵封裝為應變方向轉換封裝，用于使壓力傳感光柵在橫向壓力的作用下產生軸向形變。

按上述方案，所述壓力傳感光柵封裝材質為金屬、高分子或鋁合金剛性材料。

按上述方案，所述溫度傳感光柵區域的光信號傳導光纖直徑進行刻蝕(以增加溫度改變引起的光柵形變)，刻蝕后的光信號傳導光纖直徑為20至110μm。

按上述方案，所述壓力傳感光柵區域的光信號傳導光纖直徑進行刻蝕(以增加壓力改變引起的光柵形變)，刻蝕后的光信號傳導光纖直徑為20至110μm。

按上述方案，所述溫度傳感光柵靠近光信號傳導光纖的另一端的內側，壓力傳導光柵靠近光信號傳導光纖的另一端的外側。

本發明的工作原理：探頭使用時，使用白光光源，如發光二極管LED作為探頭的外部激勵光源。將白光光源發出的光信號導入探頭。溫度傳感光柵監測體內溫度，并對壓力傳感光柵進行溫度補償。壓力傳感光柵監測體內壓力，并根據溫度傳感光柵的溫度測量結果對壓力傳感光柵的測量進行溫度補償，以消除壓力傳感光柵對溫度和壓力的交叉傳感效應。使用波長解調模塊接受溫度傳感光柵和壓力傳感光柵反射回的光信號，并對反射光譜進行分辨，波長解調模塊用于分別獲取溫度傳感光柵和壓力傳感光柵的反射光譜變化信息，以進一步計算得到溫度和壓力數據。溫度傳感光柵封裝用于對溫度傳感光柵進行溫度傳感增敏和壓力傳感去敏，壓力傳感光柵封裝用于對壓力傳感光柵進行壓力增敏。

本發明與現有技術相比具有如下有益效果：

1、光纖布拉格光柵制作簡單，成本低廉，為人體溫度、壓力雙參數實時監測提供了高性價比的解決方案；

2、壓力傳感光柵監測體內壓力，并根據溫度傳感光柵的溫度測量結果對壓力傳感光柵的測量進行溫度補償，以消除壓力傳感光柵對溫度和壓力的交叉傳感效應；

3、本發明解決了光纖布拉格光柵對溫度、壓力傳感靈敏度低，且存在溫度、壓力交叉敏感的問題，保證了監測的可靠性。

附圖說明

圖1為介入式光纖探頭結構示意圖。

圖2為溫度傳感光柵實施例示意圖。

圖3為壓力傳感光柵實施例示意圖。

圖中，1光纖接頭，2信號傳導光纖，3溫度傳感光柵，4壓力傳感光柵，5溫度傳感光柵封裝，6壓力傳感光柵封裝。

具體實施方式

下面根據具體實施例并結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明。

光纖布拉格光柵對入射的寬帶光進行選擇性反射。反射光是窄帶光，中心波長滿足布拉格定律，描述如下：

λ_B＝2n_effΛ

其中，λ_B為光柵反射光中心波長，n_eff為光柵有效折射率，Λ為光柵條紋周期。光纖布拉格光柵的反射光中心波長與光柵有效折射率，光柵條紋周期成正比。光柵條紋周期與光柵的軸向形變相關。對于光纖布拉格光柵的增敏，主要是考慮增大光纖光柵在環境溫度或者環境壓力改變時的軸向形變。

參照圖1所示的本發明所述的介入式光纖探頭的整體結構示意圖。介入式光纖探頭至少包括光纖接頭1、光信號傳導光纖2、溫度傳感光柵3和壓力傳感光柵4，光纖接頭1制作在光信號傳導光纖2的一端，用于連接外部的光源和檢測部件；溫度傳感光柵3和壓力傳感光柵4通過紫外激光曝光或其他方法制作在光信號傳導光纖2的另一端，溫度傳感光柵3配置有溫度傳感光柵封裝5，溫度傳感光柵封裝5為熱膨脹系數大于光信號傳導光纖2的剛性封裝，用于對溫度傳感光柵3進行溫度傳感增敏和壓力傳感去敏，壓力傳感光柵4配置有壓力傳感光柵封裝6，用于對壓力傳感光柵4進行壓力增敏。

溫度傳感光柵封裝4材質為金屬、高分子或其他熱膨脹系數大于光信號傳導光纖2的剛性材料。

壓力傳感光柵封裝6為應變方向轉換封裝，用于使壓力傳感光柵4在橫向壓力的作用下產生軸向形變(因為光纖光柵的反射光譜變化對軸向形變更加靈敏，因此通過應變方向轉換封裝實現了對橫向壓力的傳感增敏)。

壓力傳感光柵封裝6材質為金屬、高分子或其他剛性材料。

為了進一步提升溫度傳感光柵3對溫度變化的靈敏度，將溫度傳感光柵3區域的光信號傳導光纖2直徑進行刻蝕，以增加溫度改變引起的光柵形變，刻蝕后的光信號傳導光纖2直徑為20至110μm。

為了進一步提升壓力傳感光柵4對壓力變化的靈敏度，將壓力傳感光柵4區域的光信號傳導光纖2直徑進行刻蝕，以增加壓力改變引起的光柵形變，刻蝕后的光信號傳導光纖2直徑為20至110μm。

為了進一步提升壓力傳感光柵4對壓力變化的靈敏度，在壓力傳感光柵封裝6的缺口處覆蓋一層彈性薄膜，或者在壓力傳感光柵封裝6的表面套上一段彈性套管，以增加壓力感受面積。

本發明具體實施起來可以有多種方式，下面以一種實施方式為例進行說明。

實施例：采用62.5/125μm普通多模光纖作為信號傳導光纖2。采用紫外激光曝光的方法在信號傳導光纖2的一端制作出兩個光纖光柵。其中，靠近內側的為溫度傳感光柵3，靠近外側的為壓力傳導光柵4。

采用一段鋁合金材質的毛細管作為溫度傳感光柵封裝5，套在溫度傳感光柵3外部，使用醫用膠水將毛細管兩端和溫度傳感光柵3兩端的信號傳導光纖2剛性粘結起來，如圖2所示。鋁合金材質具有較大的熱膨脹系數，在溫度變化時會產生較大的形變，繼而迫使溫度傳感光柵3產生附加形變，實現了溫度傳感增敏功能。鋁合金材質具有較大的剛性，可以屏蔽掉外界壓力對溫度傳感光柵3的影響，實現壓力傳感去敏功能。為了進一步提高溫度傳感光柵的靈敏度，對溫度傳感光柵3區域的信號傳導光纖2直徑進行了刻蝕處理，刻蝕后的直徑為50μm。

采用鋁合金制作壓力傳感光柵封裝6，如圖3所示。壓力傳感光柵封裝6為U形或弧形，使用醫用膠水將U形或弧形的兩端和壓力傳感光柵4兩端的信號傳導光纖2剛性粘結起來。來自壓力傳感光柵4側面的壓力將導致壓力傳感光柵4發生軸向形變。為了進一步提高壓力傳感光柵4對壓力變化的靈敏度，對所述壓力傳感光柵4區域的信號傳導光纖2直徑進行了刻蝕處理，刻蝕后的直徑為50μm。壓力傳感光柵4存在對溫度變化的交叉敏感，采用溫度傳感光柵3的輸出結果對壓力傳感光柵4進行溫度補償。

最后所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。