[发明专利]分布式血管内光纤布拉格压力传感器

说明书

本发明涉及一种压力感测设备(10)，包括：光纤(12)，所述光纤(12)包括中心轴(L)和至少一个光纤纤芯(14)，所述至少一个光纤纤芯(14)具有一个或多个反射FBG结构；以及围绕所述光纤(12)的涂层(16)，所述涂层(16)具有沿着中心轴(L)径向不对称的机械属性。

技术领域

本发明涉及压力感测。具体地，本发明公开了一种压力感测设备，其中，涂层围绕着具有一个或多个反射式光纤布拉格光栅结构的光纤。涂层展现出沿着设备的中心轴径向不对称的机械属性。此外，本发明公开了一种用于确定压力的对应方法。

背景技术

针对压力感测的重要技术领域是要求高敏感性和准确性的血管内压力感测。血管内压力测量(诸如带有单个集成压力传感器的导丝)是测量血管的通畅性和功能性的重要工具。这些单传感器导丝的问题在于：医师每次想在沿着血管的不同位置处测量压力时，都必须移动导丝或导管。这导致“丢失丝线位置”，这需要对丝线的耗时的重新定位，并且甚至可能导致在血管内的错误位置处进行压力感测。沿着动脉来回移动导丝不仅会延长流程，而且还带来不良事件的风险，诸如血管剖开。

为了解决该问题，一种方案在于：提供具有多个传感器的导丝或导管，所述多个传感器能够在沿着导丝或导管的长度的各个点处测量压力。遗憾的是，简单地将多个额外的(电容式或压电式)压力传感器添加到导丝中导致多个问题：额外的传感器以及其线缆要求使所得的导丝太僵硬、太脆弱并且太昂贵。一种可能的解决方案在于选取一种不同的传感器技术，所述技术更适合于多个或分布式传感器。

光纤布拉格光栅(FBG)已经被建议作为一种用于分布式感测的方法。FBG是折射率周期性变化的光纤。仅当光的波长λ满足布拉格条件时，FBG才会反射所述光：

λ＝2Γn_eff (1)

其中，Γ和n_eff分别是光栅的光栅周期和纤芯的有效折射率(https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating)。不满足布拉格条件的光将通过FBG。FBG适用于分布式感测，因为多个布拉格光栅能够被集成在单个光纤中，并且能够个体地读取。例如，这被用在光学形状感测技术中，其中，具有集成FBG的光纤能够检测到数米距离内的光纤弯曲。FBG将感测到光栅的周期长度Γ或折射率n的任何变化。这样的变化能够通过例如温度、应变或压力来引起。

使用FBG作为血压传感器的问题是其对压力的低敏感性，并且对温度和应变的相对较高的敏感性。血压测量所需的压力范围约为从-30mmHg至300mmHg(约-4kPa至40kPa)。精度应当为≤2mmHg(即，≤约0.3kPa)。

二氧化硅FBG的压力敏感度约为0.003pm/k Pa(0.0004pm/mmHg)，而温度敏感度约为10pm/℃，并且应变敏感度约为≈1.3pm/pε，其中，1个皮氏应变(picostrain)pε被定义为相对物理长度变化ΔL/L的10^-12倍(K.Bhowmik等人的“Experimental Study and Analysisof Hydrostatic Pressure Sensitivity of Polymer Fiber Bragg Gratings”，J.Lightwave Tech.33(12)，2456-2462(2015年6月)；US 2015/0141854 A)。因此，约2mmHg的压力变化将导致FBG中的波长偏移约为0.0008pm。这是非常小的波长偏移。为了进行比较，典型的市售FBG询问器的波长分辨率约为1pm(参见http://www.micronoptics.com、http://www.opto-works.co.jp/FBG/BaySpec-Datasheet-FBGA-IRS-R(1).pdf或https://www.hbm.com/en/4604/fs22-industrial-braggmeter-optical-interrogator/)，并且一些达到的分辨率可低至0.05pm(参见http://www.technobis.com)。