專利名稱：光纖患者健康多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 一般涉及對(duì)患者健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)，更特別地涉及用于對(duì)患者健 康進(jìn)行監(jiān)測(cè)的多參數(shù)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
考慮到患者的虛弱和對(duì)成人認(rèn)為是無(wú)害的醫(yī)療感測(cè)裝置的敏感性， 監(jiān)測(cè)明顯在典型孕齡以下的新生兒的微環(huán)境和/或生理狀態(tài)是特別費(fèi)力 的并且是具有潛在損傷的。新生兒被要求待在培育室(保育箱)中，該培 育室提供熱的和幾乎沒有聲音的保護(hù)以免外面環(huán)境的干擾。因?yàn)檫M(jìn)行護(hù) 理要打開保育箱、處理新生兒、將傳感器或者設(shè)備作用于皮膚上、清洗、 和實(shí)行保持該護(hù)理區(qū)域所必須的其它職責(zé)，從而實(shí)際上擾亂了該環(huán)境， 所以醫(yī)療工作人員對(duì)患者進(jìn)行身體檢查是有問(wèn)題的。某些活動(dòng)提高了周 圍噪聲的水平、打亂了幼兒的熱環(huán)境、干擾了生物鐘，并且一般降低了 生活質(zhì)量，從而對(duì)小孩的未來(lái)產(chǎn)生潛在嚴(yán)重的暗示。
使用粘附性的皮膚電極例如以監(jiān)測(cè)新生兒的生命特征可能在之后 的某一時(shí)刻傳感器被移除時(shí)由于新生兒的皮膚極其柔軟和柔韌并且與 成年人的皮膚相比還沒有被硬化而導(dǎo)致皮膚的撕裂。皮膚的這種開口給 感染提供了通道，并且由于皮膚的撕裂是相當(dāng)疼的而增加了不適。
另外，對(duì)要求粘附在皮膚上的傳感器的使用通常對(duì)患者來(lái)說(shuō)是侵入 性的，增加了他們的不適度。在有些情形下，如果粘附性凝膠失去粘性 或者如果患者用手指摸索或抓等方式來(lái)無(wú)意識(shí)地影響了傳感器，對(duì)傳感 器的使用將導(dǎo)致差的傳感器讀出。
患者護(hù)理區(qū)域的電氣環(huán)境可能是苛刻的，特別是在存在電灸、除顫
或者M(jìn)RI設(shè)備的情況下。由這些設(shè)備產(chǎn)生的RF噪聲或者渦流能導(dǎo)致對(duì) 非基于光學(xué)的患者感測(cè)設(shè)備的干擾，這是由于該干擾設(shè)備所產(chǎn)生的電磁 場(chǎng)在所獲得的傳感器數(shù)據(jù)上造成了電氣假象。
如在當(dāng)今的醫(yī)院中所熟知的患者監(jiān)測(cè)器通常對(duì)每個(gè)傳感器具有一 個(gè)相關(guān)的電纜。在高敏的護(hù)理環(huán)境中，例如，IO個(gè)用于心臟活動(dòng)的ECG 傳感器、1個(gè)用于表面溫度的傳感器和1個(gè)用于血液氧飽和度的傳感器已經(jīng)使得掛在患者身上的電纜達(dá)12條。雖然無(wú)害，但這對(duì)于臨床醫(yī)師 來(lái)說(shuō)是個(gè)麻煩并且導(dǎo)致在對(duì)患者進(jìn)行護(hù)理時(shí)，互動(dòng)緩慢。對(duì)每個(gè)患者的 相互作用的整個(gè)工作班次所引起的稍微耽擱導(dǎo)致護(hù)理者一方的生產(chǎn)力 的明顯損失。
患者的儀器設(shè)備常常是專用的，它被設(shè)計(jì)以在醫(yī)院環(huán)境中執(zhí)行 一 系 列特定任務(wù)。在其它情況中，儀器設(shè)備能執(zhí)行任意的任務(wù)，只要是支持 該任務(wù)的模塊被物理地連接到該模塊上。這是有問(wèn)題的，因?yàn)橛脕?lái)檢測(cè) 參數(shù)的傳感器要求適合要求的專用電子設(shè)備。護(hù)理機(jī)構(gòu)因此必須管理多 個(gè)裝置、附件、配置和模塊以為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┳銐蛩降淖o(hù)理支持。
此外，為了保持皮膚的柔韌性，新生兒的微環(huán)境中的濕度通常比外 面的周圍環(huán)境的濕度高得多。這也是微生物的滋生地，這些微生物能嚴(yán) 重危害免疫系統(tǒng)還遠(yuǎn)未發(fā)育的新生兒的健康。
上述問(wèn)題一般已經(jīng)通過(guò)使用單點(diǎn)傳感器監(jiān)測(cè)保育箱的環(huán)境和用紅 外線輻射對(duì)新生兒加熱而解決。另外，已經(jīng)利用使用體佩(body-worn)
傳感器來(lái)捕捉生物數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行對(duì)新生兒的監(jiān)測(cè)。但是上 述方法是有問(wèn)題的，在于以下所涉及的方面(但不限于此)l)對(duì)空氣 傳播和水傳播的病原體的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，該病原體與操作加濕器增濕
該環(huán)境相關(guān)聯(lián)，2)用于表征和控制該熱環(huán)境的分布式溫度感測(cè)3)用于表 征新生兒的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)從而評(píng)估神經(jīng)機(jī)能或機(jī)能障礙的方法。
因此，存在對(duì)患者健康多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和/或患者健康多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝 置的需求，以克服與當(dāng)前患者健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和裝置相關(guān)聯(lián)的前述缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括 具有預(yù)定長(zhǎng)度的至少一個(gè)光纖或光纖條帶(braid);和 至少一個(gè)衍射光柵，該衍射光柵集成到該至少一個(gè)光纖或者光纖條 帶的所希望的部分中，該至少一個(gè)光纖或者光纖條帶以及該至少一個(gè)衍 射光柵被配置在 一起以致該至少 一 個(gè)衍射光柵的有效折射率與至少一 個(gè)預(yù)定的外部剌激串聯(lián)地(in tandem with)改變。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，光纖傳感器包括至少一個(gè)衍射光柵，該
衍射光柵集成到至少一個(gè)光纖或者光纖條帶的所希望的部分中，以致該 至少一個(gè)衍射光柵的有效折射率或者該光柵周期響應(yīng)于至少一個(gè)預(yù)定
的外部剌激而改變。
5根據(jù)本發(fā)明的又 一 個(gè)方面，對(duì)患者的生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法包
括
提供至少一個(gè)光纖傳感器，該至少一個(gè)光纖傳感器被配置為響應(yīng)于 由該至少一個(gè)光纖傳感器接收的至少一個(gè)外部刺激來(lái)反射一個(gè)或多個(gè) 所希望波長(zhǎng)的光；
配置該至少一個(gè)光纖傳感器來(lái)與患者身體形成物理接觸；
向該至少一個(gè)光纖傳感器傳輸光；
測(cè)量響應(yīng)于該至少一個(gè)外部刺激由該至少一個(gè)光纖傳感器在每個(gè)
所希望的波長(zhǎng)處產(chǎn)生的反射光的功率水平；和
基于在每個(gè)所希望的波長(zhǎng)的反射光的功率水平，確定至少一個(gè)預(yù)定
患者生理參數(shù)的變化。


當(dāng)參考附圖閱讀了下面的詳細(xì)說(shuō)明后，本發(fā)明的這些和其它特征、 方面和優(yōu)勢(shì)將變得更加好懂，在全部附圖中相似的標(biāo)記表示相似的部 件，其中
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的基于光纖光柵微應(yīng)變的生理感測(cè) 元件；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的基于光纖光柵的機(jī)械的溫度感測(cè) 元件；
圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖應(yīng)變感測(cè)模塊的感測(cè)機(jī)理 操作的視圖4是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的 一 個(gè)方面的光纖溫度感測(cè)模塊的感測(cè)機(jī)理 操作的視圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的基于加載光纖光柵的生理感測(cè)模
塊；
圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的生理參數(shù)感測(cè)原理的視圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖生理感測(cè)模塊；
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的光纖生理感測(cè)模塊；
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面的光纖生理感測(cè)模塊；
圖IO示出根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面的光纖生理感測(cè)模塊；
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖生理加速度計(jì)模塊的應(yīng)用；圖12示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖生理測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)； 圖13示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的單個(gè)嬰兒生理參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī) 學(xué)系統(tǒng)；
圖14示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的多新生兒生理參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī) 學(xué)系統(tǒng)；
圖15示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的生理多參數(shù)光纖感測(cè)系統(tǒng)。 盡管上面提到的附圖提出了可替換實(shí)施例,正如在討論中提到的那 樣，也可以被設(shè)想本發(fā)明的其它實(shí)施例。在所有的情況中，該公開以代表 而非限制的方式提出了本發(fā)明的所示實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì) 出許多其它修改和實(shí)施例，這些修改和實(shí)施例均落入本發(fā)明的原則范圍
和精神內(nèi)。
具體實(shí)施例方式
圖l示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的基于光纖布拉格光柵的、基于微
應(yīng)變的生理感測(cè)元件(光纖傳感器)10。光纖布拉格光柵主要是其纖芯
折射率被周期性調(diào)制的光纖電纜。這種調(diào)制使得在每一個(gè)折射率界面處 能夠相干散射，從而引起在下面進(jìn)一步詳述的布拉格波長(zhǎng)處的相長(zhǎng)共
振。光纖傳感器10包括諸如例如使用例如相位掩膜和紫外激光刻字技 術(shù)燒進(jìn)光纖纖芯14中的布拉格光柵12的一組鏡子元件。鏡子12以這 樣的方式燒進(jìn)光纖14:沿著光纖14傳輸?shù)墓獾乃Ｍ牟ㄩL(zhǎng)或波長(zhǎng)范 圍將根據(jù)^ = 2"八被反射回或彈回光纖14的輸入端，其中n是光纖纖芯 中的有效折射率，A是該光柵結(jié)構(gòu)的周期。光在所希望的波長(zhǎng)范圍之外 的其它波長(zhǎng)將朝著光纖14的輸出端通過(guò)鏡子元件12而沒有減弱。
鏡子元件12能以圖1所示的傾斜角燒進(jìn)光纖14。這樣的對(duì)角燒使 得光學(xué)傳感器10具有更高的光的反向傳播并且具有更少的衰減，導(dǎo)致 光學(xué)傳感器10具有比使用諸如圖2所示的垂直燒構(gòu)造所得到的效率更 高的效率水平。另一方面，傾斜的光柵結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)正向與反向傳播的 導(dǎo)引模式之間的耦合和導(dǎo)引的纖芯模式與包層模式之間的耦合辨別出 溫度和拔i應(yīng)變效應(yīng)。
光纖14嵌入保護(hù)涂層16中，諸如但不限于，聚合物、玻璃纖維或 者金屬化的涂層，以便向光纖14提供外加的機(jī)械強(qiáng)度和其它功能。光 纖14具有125|um的外徑,而鏡子元件(光柵)12具有6-9pm的外徑，并 且包括其保護(hù)涂層16的完整的光學(xué)傳感器10,根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，具有
7250nm的標(biāo)稱外徑(對(duì)于丙烯酸脂涂覆的光纖傳感器)、150jum的標(biāo) 稱外徑(對(duì)于聚酰亞胺和金屬涂覆的光纖傳感器)以達(dá)到單獨(dú)與所希望 的傳感器模式(諸如溫度、呼吸、脈搏、肢體加速(limb acceleration) 等等)相關(guān)聯(lián)的所希望的光傳播水平。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的基于光纖光柵機(jī)械的溫度感測(cè) 元件(光纖傳感器)20。光纖傳感器20與圖1中所示的光纖傳感器10 的結(jié)構(gòu)相似；除了光纖傳感器20包括光纖布拉格光柵22,該光纖布拉 才各光柵22具有垂直排列的鏡子22的變跡結(jié)構(gòu)(apodized structure)以 反射沿著光纖24傳輸?shù)墓獾乃Ｍ牟ㄩL(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍。光在所希望的 波長(zhǎng)范圍之外的其它波長(zhǎng)將通過(guò)鏡子元件22而沒有減弱。
光纖傳感器20還包括表面涂層26，該表面涂層26由(但不限于) 所希望的金屬或者聚合物構(gòu)成以提供諸如增強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度的所希望的 功能或光纖傳感器20的靈敏度水平所希望的提高。
圖3是說(shuō)明根椐本發(fā)明的一個(gè)方面的應(yīng)變感測(cè)沖莫塊30的感測(cè)機(jī)理 操作的視圖。應(yīng)變感測(cè)模塊30包括基于光纖布拉格光柵的溫度感測(cè)元 件31和基于微應(yīng)變的感測(cè)元件33，諸如參考圖l-2在上面所描述的元 件。這里，溫度感測(cè)元件屬于無(wú)應(yīng)變構(gòu)造。
應(yīng)變感測(cè)模塊30可以工作在壓應(yīng)變狀態(tài)32，無(wú)應(yīng)變狀態(tài)34,或者 張應(yīng)變狀態(tài)36。無(wú)應(yīng)變狀態(tài)34將導(dǎo)致該應(yīng)變感測(cè)模塊具有基線波長(zhǎng)特 征35,以致該模塊34將反射預(yù)定量預(yù)定波長(zhǎng)的光。壓應(yīng)變狀態(tài)32將導(dǎo) 致該應(yīng)變感測(cè)模塊具有下移的波長(zhǎng)特征37，以致該模塊34將反射不同 預(yù)定波長(zhǎng)的等量的光功率。張應(yīng)變狀態(tài)36將導(dǎo)致該應(yīng)變感測(cè)模塊具有 上移的波長(zhǎng)特征39,以致該模塊34將反射不同于基線波長(zhǎng)特征35或偏 移的波長(zhǎng)特征37的預(yù)定波長(zhǎng)的等量的光功率。
僅通過(guò)從與基于預(yù)先加栽的光纖微應(yīng)變的感測(cè)元件33相關(guān)聯(lián)的該
聯(lián)的基線波長(zhǎng)偏移，可以在環(huán)境溫度下校準(zhǔn)應(yīng)變感測(cè)模塊30。
圖4是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面的基于光纖布拉格光柵的溫度 感測(cè)模塊40的感測(cè)機(jī)理操作的視圖。雖然應(yīng)變感測(cè)模塊30響應(yīng)于感測(cè) 元件的機(jī)械壓應(yīng)變和張應(yīng)變來(lái)起作用，溫度感測(cè)模塊40響應(yīng)于由周圍 溫度的變化而引起的光纖感測(cè)元件的膨脹和壓縮來(lái)起作用。光纖感測(cè)元 件沒有膨脹和壓縮的無(wú)膨脹狀態(tài)46產(chǎn)生基線波長(zhǎng)特征41,以致該模塊40將反射預(yù)定波長(zhǎng)的預(yù)定量的光功率。由于光纖感測(cè)元件的膨脹引起的 膨脹狀態(tài)44將產(chǎn)生上移的波長(zhǎng)特征43，以致該模塊40將反射不同預(yù)定 波長(zhǎng)的等量的光功率。由于光纖感測(cè)元件的壓縮引起的壓縮狀態(tài)45將 產(chǎn)生下移的波長(zhǎng)特征45,以致該模塊40將反射不同于基線波長(zhǎng)特征41 或偏移的波長(zhǎng)特征43的預(yù)定波長(zhǎng)的等量的光功率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，基于光纖布拉格光柵的溫度感測(cè)模塊40 展示出由下面所示的關(guān)系定義的波長(zhǎng)偏移
其中A是該光柵結(jié)構(gòu)的周期，r是絕對(duì)溫度，々是熱-光系數(shù)，約等 于Sx10-6〃°C，"是熱膨脹系數(shù)，對(duì)于500nm厚的Al金屬化表面42,"約 等于23xl0—6〃°C。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖動(dòng)態(tài)感測(cè)模塊50，該模塊包 括基于光纖布拉格光柵加載的生理感測(cè)機(jī)構(gòu)。該感測(cè)機(jī)構(gòu)既包括基于布 拉格光柵的光纖溫度感測(cè)元件51，又包括基于光柵顫動(dòng)/加速微應(yīng)變的 感測(cè)元件53。盡管和應(yīng)變感測(cè)才莫塊30相似，動(dòng)態(tài)感測(cè)才莫塊50還對(duì)與基 于顫動(dòng)/加速微應(yīng)變的感測(cè)元件53相關(guān)聯(lián)的彎矩做出響應(yīng)。
基于光柵顫動(dòng)/加速微應(yīng)變的感測(cè)元件53可以工作在壓應(yīng)變狀態(tài) 52，無(wú)顫動(dòng)狀態(tài)54,或者張應(yīng)變狀態(tài)56。無(wú)顫動(dòng)狀態(tài)54將導(dǎo)致該動(dòng)態(tài) 感測(cè)模塊50具有非常小的標(biāo)準(zhǔn)偏差的波長(zhǎng)偏移特征55,以致該模塊50 將簡(jiǎn)單的對(duì)環(huán)境溫度變化做出響應(yīng)而不展示出顫動(dòng)特征。壓應(yīng)變狀態(tài)52 將導(dǎo)致該動(dòng)態(tài)感測(cè)模塊具有下移的波長(zhǎng)特征57,以致該模塊50將反射 預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的預(yù)定量的光功率。張應(yīng)變狀態(tài)56將導(dǎo)致該動(dòng)態(tài)感測(cè) 模塊50具有上移的波長(zhǎng)特征59，以致該模塊50將反射不同于下移波長(zhǎng) 特征57的預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的等量的光功率。
通過(guò)從與基于預(yù)先加栽的光纖的顫動(dòng)/加速微應(yīng)變的感測(cè)元件53相
元件51相關(guān)聯(lián)的基線波長(zhǎng)偏移，可以在環(huán)境溫度下校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)感測(cè)模塊 50。
圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的生理參數(shù)感測(cè)原理的視圖。根 據(jù)一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)基于光纖布拉格光柵的傳感器60來(lái)監(jiān)測(cè)生理參數(shù) (將在下面更詳細(xì)地描述)。傳感器60根據(jù)一個(gè)方面工作以響應(yīng)于該 傳感器60的波長(zhǎng)偏移62來(lái)改變由該傳感器60反射的光功率，該傳感器60的波長(zhǎng)偏移62由正被監(jiān)測(cè)的變化的生理參數(shù)，例如溫度和應(yīng)變， 決定。
響應(yīng)于由溫度的變化所造成的傳感器60的波長(zhǎng)偏移，可以監(jiān)測(cè)例 如患者溫度隨時(shí)間的變化64。響應(yīng)于由于諸如但不限于代謝活動(dòng)或者肢 移動(dòng)(Hmb displacement)的生理活動(dòng)所造成的傳感器60的波長(zhǎng)偏移， 還可以隨時(shí)間監(jiān)測(cè)生理活動(dòng)66。前述的溫度和應(yīng)變的測(cè)量數(shù)據(jù)接著被轉(zhuǎn) 換為對(duì)應(yīng)的心搏率67和對(duì)應(yīng)的呼吸率68。
圖7-10示出根椐本發(fā)明的各個(gè)方面的光纖生理感測(cè)模塊。例如，圖 7描述光纖感測(cè)帶型模塊72，其包括多個(gè)諸如上面參考圖l-5所描述的 光纖傳感器。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另 一 個(gè)方面的光纖生理感測(cè)模塊74 。感測(cè)模 塊74包括多個(gè)諸如上面參考圖1-5所描述的光纖傳感器，其中這些光纖 傳感器以矩陣樣式安置。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面的光纖生理感測(cè)模塊76。感測(cè)模 塊76包括多個(gè)諸如上面參考圖l-5所描述的光纖傳感器，其中這些光纖 傳感器沿著光纖感測(cè)電纜型的導(dǎo)管集成。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面的光纟千生理感測(cè)模塊78。感測(cè) 模塊78包括多個(gè)諸如上面參考圖l-5所描述的光纖傳感器，其中這些光 纖傳感器被布置在光纖感測(cè)接線墊(patch pad)內(nèi)。
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖生理加速度計(jì)84的應(yīng)用。 光纖生理感測(cè)模塊84構(gòu)成包括多個(gè)單個(gè)的傳感器結(jié)82的光纖表面溫度 加速系統(tǒng)80的一部分。光纖表面溫度加速系統(tǒng)80運(yùn)轉(zhuǎn)以監(jiān)測(cè)，非限定 的，胸壁擴(kuò)展-呼吸，胸壁擴(kuò)展-心率，代謝活動(dòng)-溫度，肢移動(dòng)-活動(dòng)，能 量使用和經(jīng)皮02-血液/氣信息。由這樣的集成溫度傳感器和加速度計(jì)的 感測(cè)模塊得到的微分測(cè)量(differential measurement)提供患者的體溫和 與例如胸壁擴(kuò)展-呼吸的生理活動(dòng)之一相關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。
光纖生理加速度計(jì)84可以包括一個(gè)或多個(gè)例如上面參考圖5所描 述的光纖動(dòng)態(tài)感測(cè)4莫塊50，并且由光纖支持的震波物質(zhì)(seismic mass ) 構(gòu)成。由患者運(yùn)動(dòng)賦予的微應(yīng)變引起波長(zhǎng)偏移，該波長(zhǎng)偏移可由問(wèn)診系 統(tǒng)86檢測(cè)。問(wèn)診系統(tǒng)86經(jīng)由使用軟件區(qū)分不同患者的生理參數(shù)的計(jì)算 機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)偏移并傳送被遠(yuǎn)程接收的無(wú)線信號(hào)。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖生理測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)90。光纖生理測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)90包括多個(gè)住院嬰兒護(hù)理設(shè)施94, 96。每個(gè)住院 嬰兒護(hù)理設(shè)施94, 96包括多個(gè)例如上面參考圖n所描述的光纖生理模 塊84。所有的光纖生理模塊84沿著光纖98經(jīng)由多個(gè)光耦合器92耦合 在一起。光纖98被耦合到光纖生理測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)99,該光纖生理測(cè)試 設(shè)備系統(tǒng)99可以包括計(jì)算機(jī)或者其它使用軟件區(qū)分不同患者生理參數(shù) 的裝置。
光纖生理測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)卯有利地使用一種體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu) 顯著降低一般與不是那么容易集成為單一的、非冗余的硬件/軟件系統(tǒng)的 更?，F(xiàn)的生理測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的整體系統(tǒng)成本。
圖13示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的單個(gè)嬰兒生理參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī) 學(xué)系統(tǒng)100。系統(tǒng)IOO能以和上面參考圖11所描述的光纖生理加速度計(jì) 模塊84相同的或相似的光纖生理加速度計(jì)模塊實(shí)施，但不限于此。
圖14示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的多嬰兒生理參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī)學(xué) 系統(tǒng)IIO。多嬰兒生理參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)IIO使用多個(gè)例如在圖11 和13中描述的單個(gè)嬰兒生理參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)100。該多嬰兒生理 參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)110是可擴(kuò)展的以致它能滿足特殊設(shè)施或者環(huán)境 的需要。系統(tǒng)110能監(jiān)測(cè)與單個(gè)患者相關(guān)聯(lián)的生理參數(shù)或者能夠在幾乎 沒有或沒有額外硬件/軟件費(fèi)用的情況下使用單個(gè)信號(hào)處理接口擴(kuò)展來(lái) 監(jiān)測(cè)數(shù)以千計(jì)的患者。
圖15示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面的生理多參數(shù)光纖傳感器模塊 120。光纖傳感器模塊120具有沿著光纖122的長(zhǎng)度集成在一起的光纖 溫度感測(cè)傳感器102、光纖呼吸傳感器104,光纖脈搏傳感器105和光 纖肢體加速傳感器101等等。光纖覆蓋有例如之前所描述的保護(hù)管套 124以提供額外的張力或者機(jī)械強(qiáng)度，并且保護(hù)光纖傳感器101、 102、 104、 105和光纖122免遭環(huán)境損壞。
每個(gè)光纖傳感器101、 102、 104、 105包括例如光纖布拉格光柵(FBG) 的衍射光柵106，該衍射光柵106以通過(guò)相應(yīng)的光纖傳感器的希望的光 波長(zhǎng)的反射光功率達(dá)到所希望的水平的方式燒進(jìn)光纖中。該與特定傳感 器101、 102、 104、 105相關(guān)聯(lián)的反射光功率取決于它的響應(yīng)于所希望 的患者生理變量的相應(yīng)的波長(zhǎng)偏移107。
該波長(zhǎng)偏移107經(jīng)由分布式感測(cè)系統(tǒng)108監(jiān)測(cè)，該分布式感測(cè)系統(tǒng) 108包括例如可調(diào)諧激光器、發(fā)光二極管和超輻射發(fā)光燈
ii(superluminescent lamp)的寬帶光源，光耦合器，法布里-帕羅(FP)校 準(zhǔn)器，光電探測(cè)器(PD)，個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或者任 何合適的信號(hào)處理裝置來(lái)將對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的反射的光功率水平轉(zhuǎn)換為所希 望的對(duì)應(yīng)的患者生理變量的測(cè)量數(shù)據(jù)。例如光纖布拉格光柵(FBG)的 光纖傳感器可以是潛在地分布在例如醫(yī)院的大型設(shè)施中的FBG1到 FBGn。
概要地說(shuō)，已經(jīng)描述了包括一個(gè)或多個(gè)光纖傳感器或者感測(cè)模塊的 光纖患者健康多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其相關(guān)的(多個(gè))傳感 器能夠提供連續(xù)地、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)微環(huán)境和周圍環(huán)境中的空氣傳播和水傳 播的病原體。對(duì)于通過(guò)分布式傳感器的閉環(huán)溫度控制，光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及 其相關(guān)的(多個(gè))傳感器能夠表征遍及比使用已知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前可達(dá)到 的微環(huán)境更大量的微環(huán)境的溫度和濕度。
此處描述的光纖傳感器能被有利地配置為傳感器陣列以降低與被 要求來(lái)通過(guò)波分復(fù)用(WDM)支持每個(gè)傳感器的測(cè)試裝置相關(guān)聯(lián)的成本。 另外，在使用導(dǎo)電的、傳統(tǒng).電子傳感器是很不理想并且由于電磁干擾促 使了傳感器信號(hào)惡化的環(huán)境中，此處描述的光纖傳感器有利地提供了安 全可靠的操作。
另外，此處描述的光纖傳感器有利地提供了與患者健康(包括，但 不限于，呼吸，心率，身體運(yùn)動(dòng)，血液分析物，溫度，身體表面的電活 動(dòng)，壓力，超聲，心搏出量)相關(guān)的傳感器的改進(jìn)的耐磨性和可用性。 此處描述的光纖傳感器具有足夠小的直徑，例如來(lái)允許對(duì)明顯在胎齡以 下的嬰兒身上的留置導(dǎo)管進(jìn)行實(shí)時(shí)的、連續(xù)的監(jiān)測(cè)。
此處所描述的光纖傳感器提供的其它優(yōu)勢(shì)包括利用生物相容的材 料以支持侵入性的過(guò)程或支持在水環(huán)境中的傳感器保真度。此處所描述 的光纖傳感器有利地允許使用單個(gè)光纖或者多個(gè)條帶的配置，這取決于 對(duì)傳感器冗余或者單位光纖長(zhǎng)度的傳感器密度的水平。
由上述光纖傳感器所提供的特點(diǎn)考慮到了在必要或必須時(shí)使用便 攜式詢問(wèn)器和傳感器系統(tǒng)以應(yīng)用新的遙測(cè)技術(shù)。此處描述的光纖傳感器 的大小、結(jié)構(gòu)和操作特點(diǎn)進(jìn)一步有利地通過(guò)即插即用光纖傳感器交換能 力(swap capability )使用不同的傳感器光纖提供模塊化的功能性、多樣 性和靈活的功能性。
在進(jìn)一步概要說(shuō)明中，例如上面所述，此處所述的生理感測(cè)平臺(tái)通過(guò)使用沿光纖的長(zhǎng)度設(shè)置的例如布拉格光柵的衍射光柵來(lái)工作。每個(gè)光 柵的用途是將正向傳播的光在光來(lái)的方向沿著光纖向回反射。隨著該光 的光譜被評(píng)估，已被反射的光現(xiàn)在含有對(duì)應(yīng)沿著光纖長(zhǎng)度每個(gè)單獨(dú)的光
柵的光譜特征標(biāo)(spectal signature )。在每個(gè)光柵的位置，或者光纖纖 芯或者包層已經(jīng)被顯著的改性以致該光柵結(jié)構(gòu)的有效折射率在特有外 部刺激，例如，但不限于溫度，壓力，或者運(yùn)動(dòng)，的情況下以串聯(lián)的方 式改變。該折射率的改變導(dǎo)致與每個(gè)光柵相關(guān)的光譜特征標(biāo)的相應(yīng)波長(zhǎng) 和強(qiáng)度偏移。因此，隨著光沿著光纖向下傳播并被反射，該外部刺激也 能被監(jiān)測(cè)。
相比于已知監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)，根據(jù)本發(fā)明的不同方面在此處描述的 光纖患者多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)提供了許多優(yōu)勢(shì)。光纖(即在上述實(shí)施 例中所使用的14, 24)的細(xì)長(zhǎng)度，例如，考慮到了將光纖織入可被穿著 的衣服以減少緊靠患者的環(huán)境中出現(xiàn)傳感器的可能性。另外，因?yàn)楣鈱W(xué) 傳感器是本質(zhì)上是光學(xué)的并且被緊密的束縛在患者上，該裝置將不那么 取決于傳感器和皮膚之間界面，從而提高了正確的傳感器讀出的可能 性。
此處描述的光纖患者多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)也有利地避開了患者 護(hù)理區(qū)域，特別是存在電灸、去顫或者M(jìn)RI設(shè)備的情況下，的潛在苛刻 的電氣環(huán)境，這是因?yàn)楣饫w的基于二氧化硅的材料在該干擾裝置的工作 頻率處通常是不傳導(dǎo)的。
此處描述的光纖患者多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)還使用抗液體的基于 二氧化硅的光纖材料。該光纖的基于二氧化硅的材料一般具有生物惰 性，除非如所迷地為了上述的特定實(shí)施例被處理以響應(yīng)。
此處描述的光纖患者多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)所提供的幾種附加優(yōu) 勢(shì)涉及、但不限于電纜的束縛(tethering)、傳感器交換能力(sensor swapping capability)、可擴(kuò)展性和新參數(shù)測(cè)量能力。通常已知的并且在 當(dāng)今的醫(yī)院中使用的患者監(jiān)測(cè)器對(duì)于每個(gè)傳感器通常具有至少一個(gè)與 其相關(guān)的電纜。在高敏度的護(hù)理環(huán)境中，例如，IO個(gè)ECG傳感器被用 于進(jìn)行心臟活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，1個(gè)傳感器被用于進(jìn)行表面溫度的監(jiān)測(cè)，和1 個(gè)傳感器被用于進(jìn)行血液氧飽和度的監(jiān)測(cè)，這已經(jīng)使得掛在患者身上的 電纜有12條。上述光纖裝置和系統(tǒng)有利地使用單個(gè)電纜，而與所涉及 的光纖傳感器的類型和數(shù)量無(wú)關(guān)。因?yàn)楹兔總€(gè)光纖傳感器相關(guān)聯(lián)的反射光占據(jù)在此處描述的光纖患 者多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的總的光譜中的 一 小部分，光纖患者多參數(shù)監(jiān) 測(cè)裝置和系統(tǒng)能被設(shè)計(jì)以通過(guò)在被分配的帶內(nèi)把每個(gè)傳感器的光譜恰 當(dāng)?shù)馗糸_來(lái)容納幾百到幾千的傳感器。該技術(shù)也稱為波分復(fù)用，如在此 之前所述。如果一個(gè)傳感器系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)微環(huán)境中使用，該系統(tǒng)能為整個(gè) 病房或者醫(yī)院提供寬廣的傳感器覆蓋范圍，從而降低了醫(yī)院的測(cè)試裝置 成本。
本發(fā)明人認(rèn)識(shí)到在結(jié)合微生物病原體或者生物分子的屬性進(jìn)行光 纖感測(cè)的性質(zhì)能夠空間分布地、遠(yuǎn)程地感測(cè)微生物的病原體或者生物分 子的存在或者不存在。光纖傳感器能被處理為，例如，結(jié)合到感興趣的 病原體或者生物分子。在嬰兒的微環(huán)境中，濕度通常比外面的周圍環(huán)境 的濕度高得多以保持皮膚的柔韌性。這也是微生物的滋生地，這些微生 物能嚴(yán)重危害免疫系統(tǒng)還遠(yuǎn)未發(fā)育的嬰兒的健康。例如，通過(guò)以特別結(jié)
病
光的波長(zhǎng)。
根據(jù)另一實(shí)施例，四個(gè)光纖生理傳感器模塊被集成在褥墊或者毯子 中以非侵入地監(jiān)測(cè)溫度，呼吸速率，心率和嬰兒總的身體運(yùn)動(dòng)。單點(diǎn)或 分布式即插即用感測(cè)模塊被安裝在具有評(píng)估傳感器和外部環(huán)境間的相 互作用的單個(gè)光學(xué)詢問(wèn)器的感測(cè)系統(tǒng)中，該感測(cè)系統(tǒng)對(duì)在醫(yī)療裝置
(medical setting)中通常遇到的電磁RF輻射完全免疫。
根據(jù)此處描述的原理所實(shí)現(xiàn)的光纖傳感器的另一個(gè)好處是職能化 該周期光柵結(jié)構(gòu)的外包層以響應(yīng)感興趣的現(xiàn)象的能力，如此前所述。使
過(guò)對(duì)整個(gè)光柵結(jié)構(gòu)的有效折射率進(jìn)行調(diào)制來(lái)將感興趣的現(xiàn)象進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 因此，假如該現(xiàn)象能被轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移或者介電變化，那么任何感興趣 的參數(shù)都能被觀察到。
盡管此處僅僅示出和描述了本發(fā)明的某些特征，本領(lǐng)域技術(shù)人員將 想到很多修改和改變。因此，應(yīng)當(dāng)理解所附的權(quán)利要求意圖覆蓋所有這 樣的修改和改變以致落入本發(fā)明的真實(shí)精神中。
處將反
行14 了
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上
光
趣微在
興對(duì)附
感現(xiàn)粘
在實(shí)體
合來(lái)原
14元件列表
>光纖傳感器
12〕布拉格光柵
14〕光纖纖芯
16)保護(hù)涂層
20)光纖傳感器
22)布拉格光柵
24)光纖纖芯
26)保護(hù)涂層
30)應(yīng)變感測(cè)才莫塊
31 )基于光纖布拉格光柵的溫度感測(cè)元件
32)壓應(yīng)變狀態(tài)
33)基于微應(yīng)變感測(cè)元件
34)無(wú)應(yīng)變狀態(tài)
35)基線波長(zhǎng)特征
36)張應(yīng)變狀態(tài)
37)下移波長(zhǎng)特征
39)上移波長(zhǎng)特征
40)基于光纖布拉格光柵的溫度感測(cè)元件
41 )基線波長(zhǎng)特征
43)上移波長(zhǎng)特征
44)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)
45)下移波長(zhǎng)特征
46)無(wú)膨脹狀態(tài)
48)壓縮狀態(tài)
50)光纖動(dòng)態(tài)感測(cè)模塊
51 )基于布拉格光柵的光纖溫度感測(cè)元件
52)壓應(yīng)變狀態(tài)
53 )基于光纖顫動(dòng)/加速微應(yīng)變的感測(cè)元件
54)無(wú)顫動(dòng)狀態(tài)
55 )小的標(biāo)準(zhǔn)偏差特征
56)張應(yīng)變狀態(tài)(57)下移波長(zhǎng)特征
(59) 上移波長(zhǎng)特征
(60) 基于光纖布拉格光柵的傳感器 (62)傳感器波長(zhǎng)偏移
(64)患者體溫
(66)生理活動(dòng)
(67 )心搏率
(68)呼吸率
(72)光纖感測(cè)帶型模塊
(74)光纖生理感測(cè)模塊
(76)光纖生理感測(cè)模塊
(78)光纖生理感測(cè)模塊
(80)光纖表面溫度、加速系統(tǒng)
(82)傳感器節(jié)點(diǎn)
(84)光纖生理加速度計(jì)
(90)光纖生理測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)
(92)光耦合器
(94)醫(yī)院嬰兒護(hù)理設(shè)施
(96)醫(yī)院嬰兒護(hù)理設(shè)施
(98) 光纖
(99) 光纖生理測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)
(100) 單個(gè)嬰兒生理參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)
(106) 衍射光柵
(107) 波長(zhǎng)偏移
(108) 分布式感測(cè)系統(tǒng)
(110)多嬰兒生理參數(shù)監(jiān)測(cè)生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng) (120)生理的多參數(shù)光纖傳感器模塊 (102)光纖溫度感測(cè)傳感器
(104) 光纖呼吸傳感器
(105) 光纖脈搏傳感器
(101 )光纖肢體加速傳感器 (122)光纖(124)保護(hù)管套
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感器(120)，包括集成在至少一個(gè)光纖(122)或者光纖條帶的所希望部分中的至少一個(gè)衍射光柵(106)，以致該至少一個(gè)衍射光柵的有效折射率或者該至少一個(gè)衍射光柵的光柵周期響應(yīng)于至少一個(gè)預(yù)定的外部刺激而改變。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器(120),其中至少一個(gè)衍射光柵(106) 是具有微曲敏感表面以提高應(yīng)變靈敏度的布拉格光柵結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器(120)，其中至少一個(gè)衍射光柵(106) 是具有金屬化涂層(124)以提高傳感器的機(jī)械強(qiáng)度或者提高傳感器的 溫度靈敏度的布拉格光柵結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器(120),其中該至少一個(gè)衍射光柵 (106)被配置為將正向傳播的光在其進(jìn)入該至少一個(gè)光柵(122)或光柵 條帶的方向沿著該至少一個(gè)光柵(122)或光柵條帶向回反射，并且進(jìn) 一步其中該被反射的正向傳播的光占據(jù)預(yù)定光譜的一小部分，以致多個(gè) 衍射光柵可以被集成在光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(108 )中，在該光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(108 ) 中每個(gè)衍射光柵與對(duì)應(yīng)于該特定衍射光柵的預(yù)定光譜的一'J、部分相關(guān) 聯(lián)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器(120),其中該至少一個(gè)衍射光柵 (106)具有在大約3000微米和大約10000微米之間的長(zhǎng)度，并且進(jìn)一步 具有在大約6微米和大約IO微米之間的直徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器(120),其中該至少一個(gè)衍射光柵 (106)包括基于二氧化硅的材料，該基于二氧化硅的材料在電灸、去顫和 磁共振成像設(shè)備的工作頻率處是基本不傳導(dǎo)的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器(120)，進(jìn)一步包括衍射光柵包層 (124)或者纖芯，其用被配置為結(jié)合在預(yù)定的微生物上的標(biāo)記處理，以致將預(yù)定病原體粘附在該至少一個(gè)衍射光柵(106)上改變了該至少 一個(gè)衍射光柵(106)的有效折射率。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器(120)，其中該至少一個(gè)衍射光柵 (106)被配置為結(jié)合不同的衍射光柵起作用，以致該至少 一個(gè)衍射光柵和 該不同的光柵一起補(bǔ)償包括信號(hào)漂移的預(yù)期的假象。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器(120),其中該至少一個(gè)光纖(122) 或光纖條帶被配置為與患者身體形成物理接觸，以致該至少一個(gè)預(yù)定的外部刺激由患者生理參數(shù)提供。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖傳感器，其中該至少一個(gè)光纖(122)或 光纖條帶被附著在衣服或者毯子的物品上，其方便維持在光纖傳感器 (120)和患者身體之間的物理接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖患者健康多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)。該患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)沿光纖的長(zhǎng)度集成的衍射光柵，其中該光纖和每一個(gè)光柵一起被配置為響應(yīng)于至少一個(gè)期望的外部刺激，沿著該光纖在光柵的相應(yīng)位置改變相應(yīng)光柵的有效折射率或者光柵的周期。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101491433SQ20091000278
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者C·M·楊, D·F·施特勞赫, D·M·達(dá)文波特, L·E·利納姆, L·G·T·?？? M·L·凱利, M·R·拉皮杜斯, S·M·法爾克, 華 夏 申請(qǐng)人:通用電氣公司