專利名稱：光纖患者健康多參數監(jiān)測裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明 一般涉及對患者健康進行監(jiān)測，更特別地涉及用于對患者健 康進行監(jiān)測的多參數光纖監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
考慮到患者的虛弱和對成人認為是無害的醫(yī)療感測裝置的敏感性， 監(jiān)測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以免外面環(huán)境的干擾。因為進行護 理要打開保育箱、處理新生兒、將傳感器或者設備作用于皮膚上、清洗、 和實行保持該護理區(qū)域所必須的其它職責，從而實際上擾亂了該環(huán)境， 所以醫(yī)療工作人員對患者進行身體檢查是有問題的。某些活動提高了周 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 生活質量，從而對小孩的未來產生潛在嚴重的暗示。
使用粘附性的皮膚電極例如以監(jiān)測新生兒的生命特征可能在之后 的某一時刻傳感器被移除時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疼的而增加了不適。
另外，對要求粘附在皮膚上的傳感器的使用通常對患者來說是侵入 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無意識地影響了傳感器，對傳感 器的使用將導致差的傳感器讀出。
患者護理區(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MRI設備的情況下。由這些設備產生的RF噪聲或者渦流能導致對 非基于光學的患者感測設備的干擾，這是由于該干擾設備所產生的電磁 場在所獲得的傳感器數據上造成了電氣假象。
如在當今的醫(yī)院中所熟知的患者監(jiān)測器通常對每個傳感器具有一 個相關的電纜。在高敏的護理環(huán)境中，例如，IO個用于心臟活動的ECG 傳感器、1個用于表面溫度的傳感器和1個用于血液氧飽和度的傳感器已經使得掛在患者身上的電纜達12條。雖然無害，但這對于臨床醫(yī)師 來說是個麻煩并且導致在對患者進行護理時，互動緩慢。對每個患者的 相互作用的整個工作班次所引起的稍微耽擱導致護理者一方的生產力 的明顯損失。
患者的儀器設備常常是專用的，它被設計以在醫(yī)院環(huán)境中執(zhí)行 一 系 列特定任務。在其它情況中，儀器設備能執(zhí)行任意的任務，只要是支持 該任務的模塊被物理地連接到該模塊上。這是有問題的，因為用來檢測 參數的傳感器要求適合要求的專用電子設備。護理機構因此必須管理多 個裝置、附件、配置和模塊以為當地居民提供足夠水平的護理支持。
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 重危害免疫系統(tǒng)還遠未發(fā)育的新生兒的健康。
上述問題一般已經通過使用單點傳感器監(jiān)測保育箱的環(huán)境和用紅 外線輻射對新生兒加熱而解決。另外，已經利用使用體佩(body-worn)
傳感器來捕捉生物數據的標準監(jiān)測設備來進行對新生兒的監(jiān)測。但是上 述方法是有問題的，在于以下所涉及的方面(但不限于此)l)對空氣 傳播和水傳播的病原體的實時、連續(xù)監(jiān)測，該病原體與操作加濕器增濕
該環(huán)境相關聯，2)用于表征和控制該熱環(huán)境的分布式溫度感測3)用于表 征新生兒的運動活動從而評估神經機能或機能障礙的方法。
因此，存在對患者健康多參數監(jiān)測系統(tǒng)和/或患者健康多參數監(jiān)測裝 置的需求，以克服與當前患者健康監(jiān)測系統(tǒng)和裝置相關聯的前述缺點。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個方面， 一種光纖監(jiān)測系統(tǒng)包括 具有預定長度的至少一個光纖或光纖條帶(braid);和 至少一個衍射光柵，該衍射光柵集成到該至少一個光纖或者光纖條 帶的所希望的部分中，該至少一個光纖或者光纖條帶以及該至少一個衍 射光柵被配置在 一起以致該至少 一 個衍射光柵的有效折射率與至少一 個預定的外部剌激串聯地(in tandem with)改變。
根據本發(fā)明的另一個方面，光纖傳感器包括至少一個衍射光柵，該
衍射光柵集成到至少一個光纖或者光纖條帶的所希望的部分中，以致該 至少一個衍射光柵的有效折射率或者該光柵周期響應于至少一個預定
的外部剌激而改變。
5根據本發(fā)明的又 一 個方面，對患者的生理參數進行監(jiān)測的方法包
括
提供至少一個光纖傳感器，該至少一個光纖傳感器被配置為響應于 由該至少一個光纖傳感器接收的至少一個外部刺激來反射一個或多個 所希望波長的光；
配置該至少一個光纖傳感器來與患者身體形成物理接觸；
向該至少一個光纖傳感器傳輸光；
測量響應于該至少一個外部刺激由該至少一個光纖傳感器在每個
所希望的波長處產生的反射光的功率水平；和
基于在每個所希望的波長的反射光的功率水平，確定至少一個預定
患者生理參數的變化。


當參考附圖閱讀了下面的詳細說明后，本發(fā)明的這些和其它特征、 方面和優(yōu)勢將變得更加好懂，在全部附圖中相似的標記表示相似的部 件，其中
圖1示出根據本發(fā)明的一個方面的基于光纖光柵微應變的生理感測 元件；
圖2示出根據本發(fā)明的一個方面的基于光纖光柵的機械的溫度感測 元件；
圖3是說明根據本發(fā)明的一個方面的光纖應變感測模塊的感測機理 操作的視圖4是說明根據本發(fā)明的 一 個方面的光纖溫度感測模塊的感測機理 操作的視圖5示出根據本發(fā)明的一個方面的基于加載光纖光柵的生理感測模
塊；
圖6是說明根據本發(fā)明的一個方面的生理參數感測原理的視圖7示出根據本發(fā)明的一個方面的光纖生理感測模塊；
圖8示出根據本發(fā)明的另一個方面的光纖生理感測模塊；
圖9示出根據本發(fā)明的又一個方面的光纖生理感測模塊；
圖IO示出根據本發(fā)明的又一個方面的光纖生理感測模塊；
圖11示出根據本發(fā)明的一個方面的光纖生理加速度計模塊的應用；圖12示出根據本發(fā)明的一個方面的光纖生理測試設備系統(tǒng)； 圖13示出根據本發(fā)明的一個方面的單個嬰兒生理參數監(jiān)測生物醫(yī) 學系統(tǒng)；
圖14示出根據本發(fā)明的一個方面的多新生兒生理參數監(jiān)測生物醫(yī) 學系統(tǒng)；
圖15示出根據本發(fā)明的一個方面的生理多參數光纖感測系統(tǒng)。 盡管上面提到的附圖提出了可替換實施例,正如在討論中提到的那 樣，也可以被設想本發(fā)明的其它實施例。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)明的所示實施例。本領域技術人員可以設計 出許多其它修改和實施例，這些修改和實施例均落入本發(fā)明的原則范圍
和精神內。
具體實施例方式
圖l示出根據本發(fā)明的一個方面的基于光纖布拉格光柵的、基于微
應變的生理感測元件(光纖傳感器)10。光纖布拉格光柵主要是其纖芯
折射率被周期性調制的光纖電纜。這種調制使得在每一個折射率界面處 能夠相干散射，從而引起在下面進一步詳述的布拉格波長處的相長共
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 術燒進光纖纖芯14中的布拉格光柵12的一組鏡子元件。鏡子12以這 樣的方式燒進光纖14:沿著光纖14傳輸的光的所希望的波長或波長范 圍將根據^ = 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是該光柵結構的周期。光在所希望的波長范圍之外 的其它波長將朝著光纖14的輸出端通過鏡子元件12而沒有減弱。
鏡子元件12能以圖1所示的傾斜角燒進光纖14。這樣的對角燒使 得光學傳感器10具有更高的光的反向傳播并且具有更少的衰減，導致 光學傳感器10具有比使用諸如圖2所示的垂直燒構造所得到的效率更 高的效率水平。另一方面，傾斜的光柵結構能夠通過正向與反向傳播的 導引模式之間的耦合和導引的纖芯模式與包層模式之間的耦合辨別出 溫度和拔i應變效應。
光纖14嵌入保護涂層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提供外加的機械強度和其它功能。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 且包括其保護涂層16的完整的光學傳感器10,根據一個實施例，具有
7250nm的標稱外徑(對于丙烯酸脂涂覆的光纖傳感器)、150jum的標 稱外徑(對于聚酰亞胺和金屬涂覆的光纖傳感器)以達到單獨與所希望 的傳感器模式(諸如溫度、呼吸、脈搏、肢體加速(limb acceleration) 等等)相關聯的所希望的光傳播水平。
圖2示出根據本發(fā)明的另一個方面的基于光纖光柵機械的溫度感測 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 的結構相似；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的變跡結構(apodized structure)以 反射沿著光纖24傳輸的光的所希望的波長或波長范圍。光在所希望的 波長范圍之外的其它波長將通過鏡子元件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成以提供諸如增強的機械強度的所希望的 功能或光纖傳感器20的靈敏度水平所希望的提高。
圖3是說明根椐本發(fā)明的一個方面的應變感測沖莫塊30的感測機理 操作的視圖。應變感測模塊30包括基于光纖布拉格光柵的溫度感測元 件31和基于微應變的感測元件33，諸如參考圖l-2在上面所描述的元 件。這里，溫度感測元件屬于無應變構造。
應變感測模塊30可以工作在壓應變狀態(tài)32，無應變狀態(tài)34,或者 張應變狀態(tài)36。無應變狀態(tài)34將導致該應變感測模塊具有基線波長特 征35,以致該模塊34將反射預定量預定波長的光。壓應變狀態(tài)32將導 致該應變感測模塊具有下移的波長特征37，以致該模塊34將反射不同 預定波長的等量的光功率。張應變狀態(tài)36將導致該應變感測模塊具有 上移的波長特征39,以致該模塊34將反射不同于基線波長特征35或偏 移的波長特征37的預定波長的等量的光功率。
僅通過從與基于預先加栽的光纖微應變的感測元件33相關聯的該
聯的基線波長偏移，可以在環(huán)境溫度下校準應變感測模塊30。
圖4是說明根據本發(fā)明的又一個方面的基于光纖布拉格光柵的溫度 感測模塊40的感測機理操作的視圖。雖然應變感測模塊30響應于感測 元件的機械壓應變和張應變來起作用，溫度感測模塊40響應于由周圍 溫度的變化而引起的光纖感測元件的膨脹和壓縮來起作用。光纖感測元 件沒有膨脹和壓縮的無膨脹狀態(tài)46產生基線波長特征41,以致該模塊40將反射預定波長的預定量的光功率。由于光纖感測元件的膨脹引起的 膨脹狀態(tài)44將產生上移的波長特征43，以致該模塊40將反射不同預定 波長的等量的光功率。由于光纖感測元件的壓縮引起的壓縮狀態(tài)45將 產生下移的波長特征45,以致該模塊40將反射不同于基線波長特征41 或偏移的波長特征43的預定波長的等量的光功率。
根據本發(fā)明的一個方面，基于光纖布拉格光柵的溫度感測模塊40 展示出由下面所示的關系定義的波長偏移
其中A是該光柵結構的周期，r是絕對溫度，々是熱-光系數，約等 于Sx10-6〃°C，"是熱膨脹系數，對于500nm厚的Al金屬化表面42,"約 等于23xl0—6〃°C。
圖5示出根據本發(fā)明的一個方面的光纖動態(tài)感測模塊50，該模塊包 括基于光纖布拉格光柵加載的生理感測機構。該感測機構既包括基于布 拉格光柵的光纖溫度感測元件51，又包括基于光柵顫動/加速微應變的 感測元件53。盡管和應變感測才莫塊30相似，動態(tài)感測才莫塊50還對與基 于顫動/加速微應變的感測元件53相關聯的彎矩做出響應。
基于光柵顫動/加速微應變的感測元件53可以工作在壓應變狀態(tài) 52，無顫動狀態(tài)54,或者張應變狀態(tài)56。無顫動狀態(tài)54將導致該動態(tài) 感測模塊50具有非常小的標準偏差的波長偏移特征55,以致該模塊50 將簡單的對環(huán)境溫度變化做出響應而不展示出顫動特征。壓應變狀態(tài)52 將導致該動態(tài)感測模塊具有下移的波長特征57,以致該模塊50將反射 預定波長范圍內的預定量的光功率。張應變狀態(tài)56將導致該動態(tài)感測 模塊50具有上移的波長特征59，以致該模塊50將反射不同于下移波長 特征57的預定波長范圍內的等量的光功率。
通過從與基于預先加栽的光纖的顫動/加速微應變的感測元件53相
元件51相關聯的基線波長偏移，可以在環(huán)境溫度下校準動態(tài)感測模塊 50。
圖6是說明根據本發(fā)明的一個方面的生理參數感測原理的視圖。根 據一個實施例，通過基于光纖布拉格光柵的傳感器60來監(jiān)測生理參數 (將在下面更詳細地描述)。傳感器60根據一個方面工作以響應于該 傳感器60的波長偏移62來改變由該傳感器60反射的光功率，該傳感器60的波長偏移62由正被監(jiān)測的變化的生理參數，例如溫度和應變， 決定。
響應于由溫度的變化所造成的傳感器60的波長偏移，可以監(jiān)測例 如患者溫度隨時間的變化64。響應于由于諸如但不限于代謝活動或者肢 移動(Hmb displacement)的生理活動所造成的傳感器60的波長偏移， 還可以隨時間監(jiān)測生理活動66。前述的溫度和應變的測量數據接著被轉 換為對應的心搏率67和對應的呼吸率68。
圖7-10示出根椐本發(fā)明的各個方面的光纖生理感測模塊。例如，圖 7描述光纖感測帶型模塊72，其包括多個諸如上面參考圖l-5所描述的 光纖傳感器。
圖8示出根據本發(fā)明的另 一 個方面的光纖生理感測模塊74 。感測模 塊74包括多個諸如上面參考圖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示出根據本發(fā)明的又一個方面的光纖生理感測模塊76。感測模 塊76包括多個諸如上面參考圖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電纜型的導管集成。
圖10示出根據本發(fā)明的又一個方面的光纟千生理感測模塊78。感測 模塊78包括多個諸如上面參考圖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接線墊(patch pad)內。
圖11示出根據本發(fā)明的一個方面的光纖生理加速度計84的應用。 光纖生理感測模塊84構成包括多個單個的傳感器結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運轉以監(jiān)測，非限定 的，胸壁擴展-呼吸，胸壁擴展-心率，代謝活動-溫度，肢移動-活動，能 量使用和經皮02-血液/氣信息。由這樣的集成溫度傳感器和加速度計的 感測模塊得到的微分測量(differential measurement)提供患者的體溫和 與例如胸壁擴展-呼吸的生理活動之一相關聯的動態(tài)應變。
光纖生理加速度計84可以包括一個或多個例如上面參考圖5所描 述的光纖動態(tài)感測4莫塊50，并且由光纖支持的震波物質(seismic mass ) 構成。由患者運動賦予的微應變引起波長偏移，該波長偏移可由問診系 統(tǒng)86檢測。問診系統(tǒng)86經由使用軟件區(qū)分不同患者的生理參數的計算 機來監(jiān)測波長偏移并傳送被遠程接收的無線信號。
圖12示出根據本發(fā)明的一個方面的光纖生理測試設備系統(tǒng)90。光纖生理測試設備系統(tǒng)90包括多個住院嬰兒護理設施94, 96。每個住院 嬰兒護理設施94, 96包括多個例如上面參考圖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經由多個光耦合器92耦合 在一起。光纖98被耦合到光纖生理測試設備系統(tǒng)99,該光纖生理測試 設備系統(tǒng)99可以包括計算機或者其它使用軟件區(qū)分不同患者生理參數 的裝置。
光纖生理測試設備系統(tǒng)卯有利地使用一種體系結構，該體系結構 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的生理測試設備系統(tǒng)相關聯的整體系統(tǒng)成本。
圖13示出根據本發(fā)明的一個方面的單個嬰兒生理參數監(jiān)測生物醫(yī) 學系統(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 模塊84相同的或相似的光纖生理加速度計模塊實施，但不限于此。
圖14示出根據本發(fā)明的一個方面的多嬰兒生理參數監(jiān)測生物醫(yī)學 系統(tǒng)IIO。多嬰兒生理參數監(jiān)測生物醫(yī)學系統(tǒng)IIO使用多個例如在圖11 和13中描述的單個嬰兒生理參數監(jiān)測生物醫(yī)學系統(tǒng)100。該多嬰兒生理 參數監(jiān)測生物醫(yī)學系統(tǒng)110是可擴展的以致它能滿足特殊設施或者環(huán)境 的需要。系統(tǒng)110能監(jiān)測與單個患者相關聯的生理參數或者能夠在幾乎 沒有或沒有額外硬件/軟件費用的情況下使用單個信號處理接口擴展來 監(jiān)測數以千計的患者。
圖15示出根據本發(fā)明的另一個方面的生理多參數光纖傳感器模塊 120。光纖傳感器模塊120具有沿著光纖122的長度集成在一起的光纖 溫度感測傳感器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管套 124以提供額外的張力或者機械強度，并且保護光纖傳感器101、 102、 104、 105和光纖122免遭環(huán)境損壞。
每個光纖傳感器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以通過相應的光纖傳感器的希望的光 波長的反射光功率達到所希望的水平的方式燒進光纖中。該與特定傳感 器101、 102、 104、 105相關聯的反射光功率取決于它的響應于所希望 的患者生理變量的相應的波長偏移107。
該波長偏移107經由分布式感測系統(tǒng)108監(jiān)測，該分布式感測系統(tǒng) 108包括例如可調諧激光器、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 準器，光電探測器(PD)，個人計算機(PC)，數字信號處理器(DSP)或者任 何合適的信號處理裝置來將對應波長的反射的光功率水平轉換為所希 望的對應的患者生理變量的測量數據。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)院的大型設施中的FBG1到 FBGn。
概要地說，已經描述了包括一個或多個光纖傳感器或者感測模塊的 光纖患者健康多參數監(jiān)測系統(tǒng)。光纖監(jiān)測系統(tǒng)及其相關的(多個)傳感 器能夠提供連續(xù)地、實時地監(jiān)測微環(huán)境和周圍環(huán)境中的空氣傳播和水傳 播的病原體。對于通過分布式傳感器的閉環(huán)溫度控制，光纖監(jiān)測系統(tǒng)及 其相關的(多個)傳感器能夠表征遍及比使用已知監(jiān)測系統(tǒng)目前可達到 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 要求來通過波分復用(WDM)支持每個傳感器的測試裝置相關聯的成本。 另外，在使用導電的、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，身體運動，血液分析物，溫度，身體表面的電活 動，壓力，超聲，心搏出量)相關的傳感器的改進的耐磨性和可用性。 此處描述的光纖傳感器具有足夠小的直徑，例如來允許對明顯在胎齡以 下的嬰兒身上的留置導管進行實時的、連續(xù)的監(jiān)測。
此處所描述的光纖傳感器提供的其它優(yōu)勢包括利用生物相容的材 料以支持侵入性的過程或支持在水環(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光纖或者多個條帶的配置，這取決于 對傳感器冗余或者單位光纖長度的傳感器密度的水平。
由上述光纖傳感器所提供的特點考慮到了在必要或必須時使用便 攜式詢問器和傳感器系統(tǒng)以應用新的遙測技術。此處描述的光纖傳感器 的大小、結構和操作特點進一步有利地通過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。
在進一步概要說明中，例如上面所述，此處所述的生理感測平臺通過使用沿光纖的長度設置的例如布拉格光柵的衍射光柵來工作。每個光 柵的用途是將正向傳播的光在光來的方向沿著光纖向回反射。隨著該光 的光譜被評估，已被反射的光現在含有對應沿著光纖長度每個單獨的光
柵的光譜特征標(spectal signature )。在每個光柵的位置，或者光纖纖 芯或者包層已經被顯著的改性以致該光柵結構的有效折射率在特有外 部刺激，例如，但不限于溫度，壓力，或者運動，的情況下以串聯的方 式改變。該折射率的改變導致與每個光柵相關的光譜特征標的相應波長 和強度偏移。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。
相比于已知監(jiān)測裝置和系統(tǒng)，根據本發(fā)明的不同方面在此處描述的 光纖患者多參數監(jiān)測裝置和系統(tǒng)提供了許多優(yōu)勢。光纖(即在上述實施 例中所使用的14, 24)的細長度，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)境中出現傳感器的可能性。另外，因為光學 傳感器是本質上是光學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監(jiān)測裝置和系統(tǒng)也有利地避開了患者 護理區(qū)域，特別是存在電灸、去顫或者MRI設備的情況下，的潛在苛刻 的電氣環(huán)境，這是因為光纖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的。
此處描述的光纖患者多參數監(jiān)測裝置和系統(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施例被處理以響應。
此處描述的光纖患者多參數監(jiān)測裝置和系統(tǒng)所提供的幾種附加優(yōu) 勢涉及、但不限于電纜的束縛(tethering)、傳感器交換能力(sensor swapping capability)、可擴展性和新參數測量能力。通常已知的并且在 當今的醫(yī)院中使用的患者監(jiān)測器對于每個傳感器通常具有至少一個與 其相關的電纜。在高敏度的護理環(huán)境中，例如，IO個ECG傳感器被用 于進行心臟活動的監(jiān)測，1個傳感器被用于進行表面溫度的監(jiān)測，和1 個傳感器被用于進行血液氧飽和度的監(jiān)測，這已經使得掛在患者身上的 電纜有12條。上述光纖裝置和系統(tǒng)有利地使用單個電纜，而與所涉及 的光纖傳感器的類型和數量無關。因為和每個光纖傳感器相關聯的反射光占據在此處描述的光纖患 者多參數監(jiān)測系統(tǒng)中使用的總的光譜中的 一 小部分，光纖患者多參數監(jiān) 測裝置和系統(tǒng)能被設計以通過在被分配的帶內把每個傳感器的光譜恰 當地隔開來容納幾百到幾千的傳感器。該技術也稱為波分復用，如在此 之前所述。如果一個傳感器系統(tǒng)在監(jiān)測微環(huán)境中使用，該系統(tǒng)能為整個 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)院的測試裝置 成本。
本發(fā)明人認識到在結合微生物病原體或者生物分子的屬性進行光 纖感測的性質能夠空間分布地、遠程地感測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 物能嚴重危害免疫系統(tǒng)還遠未發(fā)育的嬰兒的健康。例如，通過以特別結
病
光的波長。
根據另一實施例，四個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)測溫度，呼吸速率，心率和嬰兒總的身體運動。單點或 分布式即插即用感測模塊被安裝在具有評估傳感器和外部環(huán)境間的相 互作用的單個光學詢問器的感測系統(tǒng)中，該感測系統(tǒng)對在醫(yī)療裝置
(medical setting)中通常遇到的電磁RF輻射完全免疫。
根據此處描述的原理所實現的光纖傳感器的另一個好處是職能化 該周期光柵結構的外包層以響應感興趣的現象的能力，如此前所述。使
過對整個光柵結構的有效折射率進行調制來將感興趣的現象進行轉換。 因此，假如該現象能被轉換為機械位移或者介電變化，那么任何感興趣 的參數都能被觀察到。
盡管此處僅僅示出和描述了本發(fā)明的某些特征，本領域技術人員將 想到很多修改和改變。因此，應當理解所附的權利要求意圖覆蓋所有這 樣的修改和改變以致落入本發(fā)明的真實精神中。
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14元件列表
>光纖傳感器
12〕布拉格光柵
14〕光纖纖芯
16)保護涂層
20)光纖傳感器
22)布拉格光柵
24)光纖纖芯
26)保護涂層
30)應變感測才莫塊
31 )基于光纖布拉格光柵的溫度感測元件
32)壓應變狀態(tài)
33)基于微應變感測元件
34)無應變狀態(tài)
35)基線波長特征
36)張應變狀態(tài)
37)下移波長特征
39)上移波長特征
40)基于光纖布拉格光柵的溫度感測元件
41 )基線波長特征
43)上移波長特征
44)擴展狀態(tài)
45)下移波長特征
46)無膨脹狀態(tài)
48)壓縮狀態(tài)
50)光纖動態(tài)感測模塊
51 )基于布拉格光柵的光纖溫度感測元件
52)壓應變狀態(tài)
53 )基于光纖顫動/加速微應變的感測元件
54)無顫動狀態(tài)
55 )小的標準偏差特征
56)張應變狀態(tài)(57)下移波長特征
(59) 上移波長特征
(60) 基于光纖布拉格光柵的傳感器 (62)傳感器波長偏移
(64)患者體溫
(66)生理活動
(67 )心搏率
(68)呼吸率
(72)光纖感測帶型模塊
(74)光纖生理感測模塊
(76)光纖生理感測模塊
(78)光纖生理感測模塊
(80)光纖表面溫度、加速系統(tǒng)
(82)傳感器節(jié)點
(84)光纖生理加速度計
(90)光纖生理測試設備系統(tǒng)
(92)光耦合器
(94)醫(yī)院嬰兒護理設施
(96)醫(yī)院嬰兒護理設施
(98) 光纖
(99) 光纖生理測試設備系統(tǒng)
(100) 單個嬰兒生理參數監(jiān)測生物醫(yī)學系統(tǒng)
(106) 衍射光柵
(107) 波長偏移
(108) 分布式感測系統(tǒng)
(110)多嬰兒生理參數監(jiān)測生物醫(yī)學系統(tǒng) (120)生理的多參數光纖傳感器模塊 (102)光纖溫度感測傳感器
(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)保護管套
權利要求
1.一種光纖傳感器(120)，包括集成在至少一個光纖(122)或者光纖條帶的所希望部分中的至少一個衍射光柵(106)，以致該至少一個衍射光柵的有效折射率或者該至少一個衍射光柵的光柵周期響應于至少一個預定的外部刺激而改變。
2. 根據權利要求1的光纖傳感器(120),其中至少一個衍射光柵(106) 是具有微曲敏感表面以提高應變靈敏度的布拉格光柵結構。
3. 根據權利要求1的光纖傳感器(120)，其中至少一個衍射光柵(106) 是具有金屬化涂層(124)以提高傳感器的機械強度或者提高傳感器的 溫度靈敏度的布拉格光柵結構。
4. 根據權利要求1的光纖傳感器(120),其中該至少一個衍射光柵 (106)被配置為將正向傳播的光在其進入該至少一個光柵(122)或光柵 條帶的方向沿著該至少一個光柵(122)或光柵條帶向回反射，并且進 一步其中該被反射的正向傳播的光占據預定光譜的一小部分，以致多個 衍射光柵可以被集成在光纖監(jiān)測系統(tǒng)(108 )中，在該光纖監(jiān)測系統(tǒng)(108 ) 中每個衍射光柵與對應于該特定衍射光柵的預定光譜的一'J、部分相關 聯。
5. 根據權利要求1的光纖傳感器(120),其中該至少一個衍射光柵 (106)具有在大約3000微米和大約10000微米之間的長度，并且進一步 具有在大約6微米和大約IO微米之間的直徑。
6. 根據權利要求1的光纖傳感器(120),其中該至少一個衍射光柵 (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 磁共振成像設備的工作頻率處是基本不傳導的。
7. 根據權利要求1的光纖傳感器(120)，進一步包括衍射光柵包層 (124)或者纖芯，其用被配置為結合在預定的微生物上的標記處理，以致將預定病原體粘附在該至少一個衍射光柵(106)上改變了該至少 一個衍射光柵(106)的有效折射率。
8. 根據權利要求1的光纖傳感器(120)，其中該至少一個衍射光柵 (106)被配置為結合不同的衍射光柵起作用，以致該至少 一個衍射光柵和 該不同的光柵一起補償包括信號漂移的預期的假象。
9. 根據權利要求1的光纖傳感器(120),其中該至少一個光纖(122) 或光纖條帶被配置為與患者身體形成物理接觸，以致該至少一個預定的外部刺激由患者生理參數提供。
10.根據權利要求1的光纖傳感器，其中該至少一個光纖(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監(jiān)測裝置和系統(tǒng)。該患者監(jiān)測系統(tǒng)包括多個沿光纖的長度集成的衍射光柵，其中該光纖和每一個光柵一起被配置為響應于至少一個期望的外部刺激，沿著該光纖在光柵的相應位置改變相應光柵的有效折射率或者光柵的周期。
文檔編號A61B5/00GK101491433SQ20091000278
公開日2009年7月29日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權日2008年1月22日
發(fā)明者C·M·楊, D·F·施特勞赫, D·M·達文波特, L·E·利納姆, L·G·T·埃克, M·L·凱利, M·R·拉皮杜斯, S·M·法爾克, 華 夏 申請人:通用電氣公司