光纖布拉格光柵在骨骼形變監(jiān)測中的應(yīng)用

祁樂融， 王冠軍， 蔚 旋， 王 高， 桂志國

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室， 山西 太原 030051)

光纖布拉格光柵在骨骼形變監(jiān)測中的應(yīng)用

祁樂融， 王冠軍， 蔚 旋， 王 高， 桂志國

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室， 山西 太原 030051)

針對傳統(tǒng)骨骼形變監(jiān)測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大， 易受電磁干擾， 不易實現(xiàn)體內(nèi)長期監(jiān)測等不足， 采用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)作為骨骼形變監(jiān)測的實現(xiàn)原理及應(yīng)用方式. 基于FBG應(yīng)力傳感原理， 將不同中心波長的FBG粘貼于清理干凈的肋骨上進行載荷實驗， 隨后將采集的布拉格波長換算成形變， 實時顯示骨骼受載荷時的形變趨勢. 實驗采用在多點粘貼FBG的方式， 避免了溫度、 應(yīng)變交叉?zhèn)鞲械膯栴}. 實驗表明， 粘貼在豬肋骨上的FBG的波長變化與該位置受力產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應(yīng)關(guān)系， 光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.005 25 pm/mm. 實驗結(jié)果對發(fā)展微型、 實時、 集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

光纖布拉格光柵； 骨骼形變； 應(yīng)變傳感

0 引 言

骨骼形變是骨裂、 骨折等骨損傷的重要影響因素和主要表現(xiàn)形式， 骨骼所受外力作用可以作為骨損傷預(yù)警的重要監(jiān)測對象， 因此骨骼形變檢測受到人們的廣泛關(guān)注. 當(dāng)前檢測骨骼形變的傳統(tǒng)方法主要是使用應(yīng)力計[1]. 賈鵬[2]使用應(yīng)變片對人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折模型的應(yīng)變情況進行了研究， 羅承剛[3]則使用應(yīng)變片對股骨標本的壓縮載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)進行了測量， 童杰[4]使用應(yīng)變片測得椎骨前緣的載荷大小. 這種測量方法雖然準確且精度較高， 但是由于應(yīng)力計較大的尺寸和非絕緣特性， 使得其難以滿足體內(nèi)長時間、 重復(fù)性的監(jiān)測要求.

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)是一種新型光纖器件， 通過特殊的封裝和結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)多種參量的高精度測量. 與電學(xué)傳感元件不同的是， FBG不僅靈敏度高而且體小量輕， 且抗電磁干擾、 有生物兼容性， 可在臨床中安全使用， FBG集傳感傳輸為一體， 易于復(fù)用和構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)， 能夠滿足骨骼形變監(jiān)測中活體實時監(jiān)測的技術(shù)要求， 因此， 開展此項研究工作將是非常有意義的. 目前FBG已經(jīng)用于人體參量監(jiān)測， 如呼吸、 足底受力、 足跟腱韌帶測量[5]等. Roriz等[6]使用FBG傳感器測量了在軸向擠壓下椎間盤膨出的應(yīng)力， Gabriela C.Marin[7]報道了用FBG傳感器測量人的咬合力， FBG傳感還可以用來測量胸壁形變、 呼吸、 心率和脈搏[8-11]， Ren等[12]用一種FBG位移傳感器測試了不同姿勢和運動下肌腱韌帶的受力情況. 但是， FBG在骨骼形變監(jiān)測中的應(yīng)用少有報道.

本文提出一種新的基于FBG彎曲傳感的骨骼形變監(jiān)測技術(shù)手段， 使用光纖光柵解調(diào)儀對模擬骨骼不同受力情況時的形變進行監(jiān)測. 實驗結(jié)果表明光纖光柵譜峰漂移隨骨骼撓度變化的靈敏度可達39.005 25 pm/mm.

1 原 理

光纖纖芯折射率的周期性變化會對入射的寬帶光譜產(chǎn)生調(diào)制. 寬帶光波在光柵中傳輸時， 特定波長的入射光被反射回來， 其他的光繼續(xù)向前傳輸. 由麥克斯韋經(jīng)典方程結(jié)合耦合模理論可得布拉格條件[13]

式中：λB為反射波的中心波長， 它與光柵周期Λ、 纖芯的有效折射率neff有關(guān). 只有波長滿足上述條件的光波才能被光柵所反射. 任何引起光纖光柵溫度或應(yīng)力變化的因素都會導(dǎo)致FBG中心波長的漂移.

也就是說， FBG反射光中心波長的變化可以反映外界被測信號(如溫度或應(yīng)變)的變化情況. FBG的反射波長的漂移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為

式中：α,ξ分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)；Pe為光纖的有效彈光系數(shù)；ε為光纖軸向應(yīng)變. 光柵周期隨外界溫度、 壓力改變而變化， 光柵反射波中心波長也隨之發(fā)生變化.

2 骨骼形變測試系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用FBG的反射波中心波長與應(yīng)力間的線性關(guān)系， 實時測量傳感器粘貼處所受應(yīng)力. 寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器到達光柵， 當(dāng)骨骼受到應(yīng)力發(fā)生形變時， 粘貼在骨骼上的FBG反射波長也會發(fā)生相應(yīng)改變， 反射波長經(jīng)解調(diào)后實時顯示在屏幕上， 系統(tǒng)原理如圖 1 所示.

圖 1 FBG測骨頭形變原理圖Fig.1 Principle diagram of FBG measuring the deformation of the bone

2.1 傳感器系統(tǒng)

實驗選用長185 mm的新鮮豬肋骨一根， 將新鮮豬肋骨從冰箱中取出， 去除多余軟組織和雜物， 露出骨骼本色后用砂紙打磨FBG粘貼處， 使粘貼部位均勻粗糙. 打磨后用無水乙醇對其表面進行反復(fù)清洗， 確保粘貼位置干凈. 用AB環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠將FBG分別粘貼于豬肋骨表面. 其中光柵2位于豬肋骨的中間位置， 光柵1在骨骼較粗一端， 光柵3在骨骼較細的一端， 光柵1和光柵3分別位于光柵2兩側(cè)20 mm處. 為了對比形變時骨骼兩表面的變化情況， 在光柵3的對面粘貼了中心波長為1 545.109 nm的光柵4.

為了驗證該結(jié)構(gòu)能否對骨骼表面形變有效測量， 在實驗室恒溫條件下將豬肋骨兩端固定， 在骨頭中間位置利用砝碼施加作用力使其產(chǎn)生彎曲形變， 測量4個FBG反射波長的漂移量.

2.2 解調(diào)儀系統(tǒng)

使用光纖光柵解調(diào)儀(sm-125)測量FBG的反射波長. 解調(diào)儀主要由ASE寬帶光源、 耦合器、 可調(diào)諧F-P濾波器、 光電探測器、 數(shù)據(jù)處理器等部分組成. 寬帶光源的波長范圍為1 525～1 565 nm， 解調(diào)系統(tǒng)每個通道的測量頻率均為1 Hz， 波長分辨率為1 pm.

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 標定實驗

將FBG粘貼在簡支梁結(jié)構(gòu)的鋼條上， 對鋼條施加應(yīng)力使其形變， 測量FBG所處位置的形變情況和FBG的反射中心波長， 以完成對其的標定. 鋼條形變范圍為0～6.0 mm， 每隔0.5 mm采集FBG的反射中心波長. 各狀態(tài)下FBG反射中心波長平均值與作用點撓度變化關(guān)系如圖 2 所示.

圖 2 4個光柵的撓度-波長曲線Fig.2 Deflection-wavelength curves of four grating points

從圖 2 可以看出， 4個光柵點的FBG波長變化與光柵處的撓度變化呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系， 說明光柵性能良好， 可以對骨骼形變程度進行有效的測量. 由圖 2 可得各個光柵的比例因子， 如表 1 所示. 可以看出4個光柵點的比例因子相近， 表明這些光柵傳感器靈敏度基本相同， 這有助于在后續(xù)的傳感實驗中直觀地看出各測試點的形變程度.

表 1 各光柵點的比例因子

3.2 FBG測量骨骼形變傳感實驗

實驗中， 在豬肋骨的中間位置施加作用力使其產(chǎn)生彎曲變形. 分別用100, 200,300,400, 500, 600, 700, 800, 900, 1 000, 1 500, 2 000, 2 500 g 砝碼對骨骼中間點即光柵2粘貼點處施加作用力， 測試4個FBG粘貼點處的骨骼形變情況.

圖 3 光柵1、 光柵2、 光柵3的載荷-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curves of grating 1, 2, 3

光柵1, 2, 3處的載荷-形變曲線如圖 3. 可知， 3條曲線的擬合精度分別達到0.991 29, 0.996, 0.991 37. 說明骨骼形變程度與施加的載荷呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系. 計算可得， 處在同一面的光柵1, 2, 3的擬合直線斜率分別為0.927 9， 2.376 8， 1.702 1 mm/N， 說明在施加載荷時， 載荷施加處的光柵2形變量最大， 光柵1和光柵3處的形變略小. 其中， 骨骼細端的光柵1處較骨骼粗端的光柵3處形變小， 說明在相同載荷的情況下， 骨骼較細的一端會發(fā)生更大的撓度變化. 圖3顯示， 在未施加載荷時仍有較小程度的撓度變化， 這可能是由于粘貼傳感器時， AB環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠凝固對傳感器產(chǎn)生作用力所致.

光柵3， 4處的載荷-形變曲線如圖 4， 可以看出其線性度良好， 對其進行直線擬合后可得斜率分別為1.702 1 mm/N和-1.699 mm/N， 絕對值相近， 符號相反， 與光柵3， 4分別粘貼在骨骼同一位置兩表面的實際相符合， 說明在受到載荷時， 骨骼同一位置的兩個表面撓度變化程度相同.

圖 4 光柵3和光柵4的形變曲線Fig.4 Load-deflection curves of grating 3 and 4

4 結(jié) 論

研究采用了FBG作為骨骼形變監(jiān)測的實現(xiàn)原理及應(yīng)用方式， 解決了傳統(tǒng)的骨骼形變檢測技術(shù)中存在的傳感器尺寸較大、 非絕緣特性、 不易實現(xiàn)體內(nèi)長時間重復(fù)性的監(jiān)測的問題. 在實驗室條件下， 將4個FBG傳感器熔接串聯(lián)后粘貼于清理干凈的豬肋骨不同位置上， 利用光柵的反射波長和形變之間的線性關(guān)系， 測得骨骼形變.

實驗證明了利用FBG彎曲傳感技術(shù)對骨骼形變程度進行探測是可行的、 可靠的. 粘貼在豬肋骨上的FBG的波長變化與粘貼位置產(chǎn)生的彎曲形變具有明顯的線性對應(yīng)關(guān)系， 在相同載荷的情況下， 骨骼較細的一端會發(fā)生更大的撓度變化， 且在受到載荷時骨骼同一位置的兩個表面撓度變化程度相同. 實驗在豬肋骨的多個位置粘貼了FBG， 避免了外界環(huán)境溫度可能發(fā)生的變化對FBG傳感的測量結(jié)果造成干擾和影響. 由于FBG傳感技術(shù)與其他傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)相比具有體積小、 不受電磁干擾、 探測靈敏度高、 測量精度高、 復(fù)用性好， 尤其是具有生物相容性， 不會對生物體產(chǎn)生危害的優(yōu)勢， 使得通過其構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)在骨骼形變監(jiān)測中具有很大的潛在價值和應(yīng)用前景. 本文實驗結(jié)果對發(fā)展微型、 實時、 集成骨骼健康監(jiān)控具有一定的參考意義.

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Application of FBG Sensors in Bone Deformation Monitoring

QI Le-rong， WANG Guan-jun， YU Xuan， WANG Gao， GUI Zhi-guo

(National Key Laboratory for Electronic Test Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In view of the problem such as large size, susceptible to electromagnetic interference and difficult to achieve long-term monitoring of the body in the traditional bone deformation monitoring technologies, fiber Bragg grating(FBG)sensing technology is used as realization principles and specific applications mode. FBG sensors with different central wavelengths were applied to the cleaned ribs for loading experiments and the deformation tendency of the bone under load was displayed in real time. In addition, using the method of pasting multi-point FBGs, the effect of changes in ambient temperature on FBG sensing measurement can be eliminated. The experimental results show that the wavelength variation of the FBG attached to the pig ribs has a linear relationship with the bending deformation caused by the force. The sensitivity of the peak shift of the fiber grating with deformation can reach 39.005 25 pm/mm. The results of this paper has certain reference value for developing micro, real-time, integrated bone health monitoring.

fiber Bragg grating; bone deformation; strain sensing

2016-09-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(61573323)； 國家自然科學(xué)基金資助項目(61405127)； 山西省青年基金資助項目(2014021023-1)； 山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項目； 山西省優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人支持計劃

祁樂融(1991-)， 女， 碩士生， 主要從事光纖傳感、 太赫茲光譜的研究.

1673-3193(2017)02-0221-04

TP212

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.022