fiber opti čki senzori krivine na bazi rešetki sa dugim...

J. PETROVIĆ i dr. FIBER OPTIČKI SENZORI KRIVINE NA BAZI REŠETKI SA DRUGIM...

TEHNIKA – ELEKTROTEHNIKA 63 (2014) 3 453

Fiber optički senzori krivine na bazi rešetki sa dugim periodom i njihova primena u pulmologiji

JOVANA S. PETROVIĆ, Univerzitet u Beogradu, Originalni naučni rad Institut za nuklearne nauke „Vinča“, Beograd UDC: 681.586.5 MARIJA D. PETROVIĆ, Univerzitet u Beogradu, Institut za nuklearne nauke „Vinča“, Beograd ALEKSANDAR S. DANIČIĆ, Univerzitet u Beogradu, Institut za nuklearne nauke „Vinča“, Beograd BOŠKO P. BOJOVIĆ, Univerzitet u Beogradu, Institut za nuklearne nauke „Vinča“, Beograd LJUPČO R. HADŽIEVSKI, Univerzitet u Beogradu, Institut za nuklearne nauke „Vinča“, Beograd MIODRAG D. VUKČEVIĆ, Univerzitet u Beogradu, Medicinski fakultet KBC „Bežanijska Kosa“, Beograd THOMAS D. P. ALLSOP, Institute of Photonic Technologies, Aston University, UK DAVID J. WEBB, Institute of Photonic Technologies, Aston University, UK

U ovom radu predstavili smo fiber-optički senzor krivine na bazi rešetke sa dugim periodom i njegovu primenu u praćenju disanja pri mehaničkoj ventilaciji pacijenata. Predložena šema merenja koristi monohromatski izvor svetlosti i fotodiodu kao detektor što je čini ekonomičnom i jednostavnom za upotrebu. Ovde smo demonstrirali primenu senzora u merenju disajnih zapremina koja se zasniva na korelaciji izmeñu promene zapremine pluća i promene lokalne krivine torza. Poreñenjem rezultata studije na skupu od 15 zdravih dobrovoljaca sa konkurentnim metodima zaključujemo da je predloženi neinvazivni metod pogodan za kliničku praksu. Klju čne reči: senzor, fiber-optička rešetka, disajna zapremina

1. UVOD

Senzori u optičkim vlaknima koriste se u industri-jskim pogonima, grañevini, transportu i medicini. Promene parametara sredine, na primer temperature, vlažnosti, koncentracije nekog jedinjenja, kao i sile koje deluju na vlakno i izazivaju njegovo istezanje, krivljenje ili uvrtanje menjaju osobine vlakna kao talasovoda i registruju se kao promena intenziteta svetlosti na njegovom izlazu. Osetljivost senzora se može višestruko povećati ugradnjom mikro- i nano-struktura u vidu rešetki [1, 2], tankih filmova [3] i mi-krokanala [4] u vlakno. U ovom radu bavićemo se re-šetkama u optičkim vlaknima i njihovom primenom kao merača disajnih zapremina u pulmologiji.

Adresa autora: Jovana Petrović, Univerzitet u Beo-gradu, Institut za nuklearne nauke, Vinča, P. fah 552

Rad primljen: 21.02.2014. Rad prihvaćen: 14.04.2014.

Rešetke su strukture sa periodičnom promenom indeksa prelamanja ili geometrije vlakna duž vlakna. Rešetka periodično rasejava svetlost koja se prostire kroz vlakno pri čemu na odreñenim talasnim dužina-ma dolazi do slaganja faza rasejanih talasa i formi-ranja novog moda koji je spregnut sa osnovnim mo-dom. Usled osetljivosti modova na spoljašnje faktore i sile koje deluju na vlakno, rešetke deluju kao pre-tvarači veličine koja se meri u frekvenciju ili snagu reflektovane i/ili propuštene svetlosti.

Prema periodu rešetke se dele na Bragove i re-šetke sa dugim periodom. Bragove rešetke imaju peri-od srazmeran talasnoj dužini svetlosti i na upadnu svetlost deluju kao ogledala koja reflektuju uzak fre-kventni opseg, tj. kao filtri opsega ako se posmatra transmisioni spektar. Zbog toga se koriste u laserima u optičkim vlaknima i optičkim telekomunikacijama, ali i kao senzori temperature, istezanja i pritiska [5]. Rešetke sa dugim periodom imaju periode od neko-



liko desetina do nekoliko stotina mikrometara i rase-javaju svetlost u kodirekcione modove omotača. Ovi modovi trpe velike gubitke usled čega se u transmi-sionom spektru na rezonantnim talasnim dužinama pojavljuju tamne pruge. Iako su rešetke sa dugim pe-riodom razvijene usled potrebe za filterima nepropu-snicima opsega, one imaju mnogo širu primenu kao senzori. Pošto rasejavaju svetlost u modove omotača, ove rešetke su osetljivije na indeks prelamanja sre-dine i krivljenje vlakna nego Bragove rešetke kod ko-jih se svetlost prostire uglavnom kroz jezgro [6].

Zbog inertnosti optičkih vlakana na električne i magnetne smetnje intenzivno se istražuju njihove pri-mene u medicinskoj dijagnostici i praćenju. Senzori pomeraja i savijanja na bazi rešetki imaju širok dina-mički opseg pa su pogodni za merenje površinskih respiratornih i kardiovaskularnih pulsacija [7, 8, 9].

U ovom radu predstavićemo nov način merenja disajnih zapremina pomoću rešetke sa dugim peri-odom. Metod je razvijen u cilju praćenja disanja to-kom mehaničke ventilacije (dugotrajnog veštačkog disanja) pacijenta čije je spontano disanje delimično ili potpuno inhibirano. Razvijeni ureñaj je jednosta-van za primenu, ekonomičan i prenosiv, pa je pogo-dan za upotrebu u kliničkoj i kućnoj nezi.

Rad je koncipiran na sledeći način: u narednoj glavi objašnjeni su princip rada senzora i merna šema, u odeljku 3. date su karakteristike i rezultati kalibra-cije korišćenih senzora krivine, u odeljku 4. opisan je postupak merenja disajnih zapremina na zdravim do-brovoljcima, dok su rezultati merenja i njihova ana-liza dati u odeljku 5. Rad se završava zaključkom i smernicama za unapreñenje predstavljenih senzora.

2. REŠETKE SA DUGIM PERIODOM

Rešetke sa dugim periodom sprežu fundamentalni mod vlakna sa kodirekcionim modovima omotača. Na slici 1a) dat je šematski prikaz rešetke upisane u jezgro vlakna i rasejanja svetlosti na njoj. Rasejanje osnovnog moda sa konstantom prostiranja

effco1 n

2

λπβ = u mod omotača sa eff

co2n

2

λπβ = , gde

su effcon i eff

cln efektivni indeksi prelamanja modova,

vektorski je predstavljeno na slici 1b). Svaki mod omotača spreže se na različitoj talasnoj dužini te se u spektru rešetke vidi više rezonanci, slika 1c). Položaj rezonanci u spektru izvodi se iz uslova slaganja faza i dat je sa

( )Λ−= effcl

effco nnλ

gde je Λ period rešetke. Jačina rezonanci izračunava se iz izraza za transmisiju rešetke koji se dobija rešavanjem sistema jednačina sprezanja modova jezgra i omotača i za slučaj sprezanja dva moda glasi

+

++

+= Lk

k1

1LkT 222

2

2222 σ

σ

σ sincos

pri čemu je k koeficijent sprezanja moda jezgra sa modom omotača, a σ koeficijent samosprezanja koji je srazmeran odstupanju talasne dužine od rezonance i čija nula odreñuje minimum transmisije [1, 10].

Slika 1- Princip rada rešetke sa dugim periodom. a)

Šematski prikaz rešetke u jezgru vlakna i rasejanja svetlosti na njoj. b) Uslov slaganja faza. β su vektori prostiranja modova, kG0 je jedinični vektor a Λ period rešetke. c) Primer spektra rešetke.

Kada je rešetka izložena promenljivim uslovima sredine ili mehaničkoj sili, menjaju se položaj i jačina rezonanci u spektru. Pri savijanju rešetke dolazi do naprezanja materijala vlakna u pravcu radijusa krivine i samim tim do istezanja duž ose vlakna. Ovim se menja gustina usled čega i indeks prelamanja mate-rijala. Promena indeksa prelamanja direktno utiče na prostiranje modova, a posebno na mod omotača koji, za razliku od moda jezgra, oseća promenu indeksa duž celog poprečnog preseka vlakna. Promene u spe-ktru ogledaju se u promeni pozicije i jačine rezona-nce. Napominjemo da je pri savijanju moguće i ce-panje rezonance na dve usled dvojnog prelamanja izazvanog narušavanjem izotropije vlakna [11].

Rešetke sa dugim periodom najčešće su osetljive na više parametara istovremeno. Dok se ovo može iskoristiti za simultano merenje tih parametara, češći je slučaj da se rešetka koristi samo za merenje jednog parametra i da osetljivost na ostale treba eliminisati ili kompenzovati [6]. U primenama opisanim u ovom radu rešetke se koriste isključivo kao senzori krivine, pa su preduzete mere da se njihova osetljivost na pa-rametre sredine maksimalno ublaži.

Rešetke su proizvedene standardnim holografs-kim metodom foto-upisivanja UV laserom u optičko vlakno sa dva omotača pri čemu spoljni ima manji in-



deks prelamanja. Kako kod ovog vlakna dominira sprezanje sa modovima unutrašnjeg omotača, mod je izolovan od okoline čime je eliminisana nepoželjna osetljivost rešetke na promene okolnog indeksa pre-lamanja [9]. Enkapsulacijom senzora u silikon znatno je umanjena i osetljivost rešetke na nagle promene temperature [13].

3. MERNA ŠEMA I KARAKTERIZACIJA SENZORA

Potpuna karakterizacija rešetke i njene osetljivosti vrši se snimanjem transmisionog spektra optičkim analizatorom spektra u širokom opsegu talasnih du-žina. Meñutim, praktična masovna upotreba takve merne šeme ograničena je visokom cenom analizatora spektra. Zbog toga uvodimo jednostavnu monohrom-atsku mernu šemu koja se zasniva na merenju snage pomoću fotodiode. Promena krivine se detektuje kao

promena snage svetlosti transmitovane kroz rešetku na odreñenoj talasnoj dužini do koje dolazi usled po-meranja spektra rešetke i promene njegove amplitude pri krivljenju rešetke. Grafički predstavljeno, dete-ktuje se presek spektara rešetke koji odgovaraju razli-čitim krivinama sa zelenom vertikalnom linijom na slici 2a) koja odgovara talasnoj dužini korišćene lase-rske diode. Pri tom je bitno da je frekvencija izvora stabilisana, što se postiže temperaturnom i strujnom kontrolom laserske diode.

Optimalna radna tačka birana je tako da se nalazi na strmom, linearnom i monotonom delu karakte-ristike čime se obezbeñjuju velika osetljlivost i ma-ksimalan merni opseg (osenčena površina na slici 2b). Rezolucija senzora korišćenog u merenjima disajnih zapremina ograničena je driftom lasera i iznosi 0.3 ml u mernom opsegu od 1000 ml.

Slika 2 - a) Odziv spektra rešetke na promenu krivine. b) Promena snage na radnoj talasnoj dužini lasera od

1470 nm merena analizatorom spektra (zelena linija) i fotodiodom (plava linija). Pomeraj jedne krive u odnosu na drugu posledica je velikih varijacija temeperature kojima je rešetka bila izložena izmeñu merenja. On ne utiče na rezultate pošto je promena osetljivosti rešetke zanemarljiva.

4. MERENJE DISAJNIH ZAPREMINA

Merenje zapremina udahnutog i izdahnutog vaz-duha osnovni je način praćenja efikasnosti mehaničke ventilacije pacijenata [14, 15]. Pri tom se prate zapremina vazduha udahnutog u svakom ciklusu (ti-dalni volumen, Vt) i ukupna zapremina vazduha uda-hnutog u toku jednog minuta (minutni volumen, Vm). Standardni metodi merenja zasnivaju se na merenju protoka vazduha kroz oronazalnu masku. Greške ovih metoda javljaju se usled curenja vazduha kroz sigu-rnosne otvore na masci ili lošeg postavljanja maske i nisu zanemarljive [16]. Stoga su uloženi napori da se pronañu alternativni načini merenja disajnih zapremi-na.

Ključni korak napravljen je uspostavaljanjem ko-relacije izmeñu zapremine pluća i pokreta torza i ab-domena [17] na osnovu čega je razvijen niz metoda meñu kojima je najuspešniji respiratorna indukcijska pletizmografija (RIP), [18]. Meñutim, zbog nedovo-ljne tačnosti [19, 20, 21] i nepredvidljivog drifta

signala [20], ovaj metod se ne primenjuje u me-haničkoj ventilaciji.

Ostali novi metodi su još uvek u fazi ispitivanja, a meñu njima i metodi koji koriste fiber-optičke sen-zore vlažnosti [23], protoka [22], savijanja [24] i is-tezanja [8].

U ovom radu predlažemo upotrebu fiber-optičkih senzora krivine kao alternativnog sistema praćenja di-sajnih zapremina pri mehaničkoj ventilaciji. Naš me-tod se zasniva na pretpostavci da su zapremina uda-hnutog vazduha i promena krivine grudnog koša ko-relisane [25, 26]. Pritom se podrazumeva da se senzor postavlja na čvrsti deo grudnog koša u predelu rebara čime se maksimalno izbegava šum koji potiče od pomeranja mekih tkiva, slika 3.

Postupak merenja sproveden je u dva koraka. U prvom koraku vrši se kalibracija senzora simultanim merenjem senzorom i referentnim metodom. Rezultat je kalibraciona funkcija koja pretvara signale sa senzora u zapreminu vazduha u plućima. Kao refe-



rentni merni instrument korišćen je spirometar rezo-lucije 8ml/s i preciznosti 3% (SpiroTube, Thor Me-dical, Budapest). U drugom koraku vrše se test me-renja, signali sa senzora kalibrišu se funkcijom do-

bijenom u prvom koraku i uporeñuju sa signalima sa spirometra. Slaganje ova dva test signala je mera ta-čnosti metoda. Rezultat prikazan na slici 4 ilustruje ove korake.

Slika 3 - a) Senzor za merenje krivine. b) Položaj senzora na telu.

Pošto je cilj merenja odreñivanje promene zapre-mine vazduha u plućima, a ne apsolutne zapremine vazduha u plućima, pre obrade svakog signala sa nje-ga je skinut drift (slika 4a) tako što su minimumi u svim disajnim ciklusima svedeni na nulu. Kao kali-bracione funkcije korišćeni su polinomi prvog, dru-gog i trećeg reda i ustanovljeno je da linearna zavi-snost daje najmanju grešku. Merenja su izvršena na 15 zdravih dobrovoljaca starosti 32.6 ± 8.0 godina.

5. REZULTATI I ANALIZA

Tipični kalibracioni i test signali prikazani su na slici 4. Na slici 4b) dati su kalibraciona funkcija i ra-

stur rezultata merenja oko nje. Tankim crnim linijama označen je opseg ∆ u kojem se nalazi 68% izmerenih zapremina, što odgovara standardnoj devijaciji.

Slike 4c) i 4d) prikazuju rezultate test merenja tidalnog i minutnog volumena. Kalibracija je vršena na normalnom disanju (400 ml < Vt < 700 ml), a testovi na različitim klini čki relevantnim nivoima di-sanja (plitkom, normalnom i dubokom).

Tidalni volumeni prikazani na slici 4d) dobijeni su kao razlika maksimalne i minimalne zapremine pri svakom udahu. Slaganje test signala senzora i spiro-metra je dobro na svim nivoima disanja od 0 do 1000 ml čime je potvrñena tačnost linearne kalibracije.

Slika 4 - a) Linearna kalibraciona funkcija i rastur rezultata kalibracionog merenja, b) Originalni test signali

sa senzora i spirometra, c) Test signali sa spirometra i senzora posle kalibracije. d) Tidalni volumeni koji odgovaraju signalima sa slike c).



Greška tidalnog volumena za jednog dobrovoljca izračunata je usrednjavanjem srednje relativne greške Vt po svim udasima. Srednja greška tidalnog volume-na dobijena je usrednjavanjem ove greške na celom uzorku. Srednja greška minutnog volumena dobijena je usrednjavanjem relativne greške Vm na celom uzorku. Rezultati za ceo skup ispitanika prikazani su u tabeli 1 u formi (srednja greška ± standardna devi-jacija greške).

Postignuta preciznost merenja je bolja od preci-znosti RIP metoda za koji se u litaraturi, za merenja vršena pod istim uslovima kao našim, navode greške tidalnog volumena do 24% na skupovima od 10 i 7 zdravih dobrovoljaca [27, 28].

Rezultati ispunjavaju i empirijske kriterijume ko-je moraju da ispune klinički metodi po kojima je prihvatljiva greška minutnog volumena do 10%.

Tabela 1. Srednja, minimalna i maksimalna greška merenja disajnih zapremina na skupu od 15 ispitanika izražena u procentima

Disanje <errVt> Min(errVt) Max(errVt) <errVm> Min(errVm)

Max(errVm)

∆ [%]

Normalno 10.8 ± 3.8 5.3 17.0 8.7 ± 4.6 0.4 16.6

Plitko 14.6 ± 4.5 8.5 25.8 9.9 ± 5.3 0.2 18.2

Promenljivo 15.8 ± 6.7 7.9 30.6 10.9 ± 8.4 0.2 32.3

6.8 ± 2.2

Sa stanovišta primene u svakodnevnoj bolničkoj praksi, činjenica da se u predloženoj tehnici postavlja samo jedna enkapsulirana rešetka prosečne veličine 10 cm x 2 cm x 0.5 cm na torzo pacijenta čini naš senzor praktičnijim od konkurentnih senzora sasta-vljenih od optičkih [13] ili električnih [18] elemenata ugrañenih u specijalne trake koje se postavljaju oko torza pacijenta.

6. ZAKLJUČAK

U radu smo ispitivali fiber-optičke senzore kri-vine na bazi rešetki sa dugim periodom. Ove rešetke rasejavaju fundamentalni mod vlakna u kodirekcione modove omotača usled čega se pojavljuju minimumi u odgovarajućim oblastima talasnih dužina u transmi-sionom spektru. Osetljivost rešetke na savijanje vla-kna ispoljava se kroz menjanje talasne dužine i jačine ovih rezonanci. Predložili smo i demonstrirali jedno-stavnu mernu šemu kojom se krivina vlakna odreñuje merenjem promene transmitovane snage na jednoj talasnoj dužini.

Ovakav senzor krivine ima višestruku primenu. Ovde smo razmatrali primenu u praćenju disajnih za-premina u toku mehaničke ventilacije pacijenata. Me-renje se zasniva na korelaciji promene zapremine plu-ća i krivine grudnog koša. U radu smo poreñenjem sa standardnim spirometrijskim metodom pokazali da se mogu precizno meriti sve klinički relevantne zapre-mine (0 – 1000 ml). Predloženi metod merenja disa-jnih zapremina ne zavisi od protoka vazduha i stoga nema grešku koju izaziva curenje vazduha kroz oro-nazalnu masku, a koja je osnovna greška metoda koji se koriste u savremenoj kliničkoj praksi. Senzor i me-rna šema su kompaktni i ekonomični, a merna pro-cedura neinvazivna i jednostavna, čime su ispunjeni tehnički uslovi za primenu ovog metoda u zdravstvu.

LITERATURA

[1] Kashyap, R., Fiber Bragg Gratings, Academic, 2010

[2] Othonos, A. and Kalli, K., Fibre Bragg gratings: fundamentals and applications in telecommunica-tions and sensing, 1999, Artech House

[3] Homola, J. et al., Surface plasmon resonance sen-sors: review, Sensors and Actuators B 54, pp. 3–15, 1999.

[4] Petrovic, J. et al., Numerical and Experimental Stu-dy of Microfluidic Devices in Step-index Optical Fibres, Applied Optics 7, pp. 1410-1416, 2008.

[5] Bennion, I. et al., Optical and Quantum Electronics 28, 2, pp. 93-135, 1996.

[6] James,S. and Tatam, R. , Meas. Sci. Technol. 14, pp. R49-R61, 2003.

[7] Grillet, A. et al., IEEE Sensors Journal, 8, pp. 1215-1222, 2008.

[8] Wehrle, G. et al., Meas. Sci. Technol. 12, pp. 805–809, 2001.

[9] Silva, A. et al., Meas. Sci. Technol. 22, pp. 075801-075805, 2011 .

[10] Erdogan, T., J. Opt. Soc. Am. A, 14, pp. 1760-1773, 1997.

[11] Ye, C. C. et al., Opt. Lett., 25, pp. 1007–1009, 2000.

[12] Allsop, T. et al., J. Lightwave Technol., 21, pp. 264-268, 2003.

[13] Allsop, T. et al., J. Biomed. Opt., 12, p. 064003, 2007.

[14] Mehta S. and Hill N., Am. J. Respir. Crit. Care Med., 163, pp. 540-577, 2001.

[15] Baudouin S. et al., Thorax, 57, pp. 192-211, 2002.



[16] Folke M. et al., Med. Biol. Eng. Comput., 41, pp. 377-383, 2003.

[17] Konno K. and Mead J., J. Appl. Physiol., 22, pp. 407-422, 1967.

[18] Watson, H., ISAM Proc. 3rd Intl. Symp. Ambulatory Monitoring, Academic, San Diego, 1980, p. 537.

[19] Barbosa, R. et al., J. Bras. Pneumol., 38, pp. 194-201, 2012.

[20] P. Neuman et al., Chest, 113, pp. 443-45, 1998.

[21] Whyte K. et al., J. Appl. Physiol., 71, 1866-1871, 1991.

[22] Battista, S. et al., Medical Measurements and Applications Proceedings, pp. 29-34, 2011.

[23] Mathew J., Semenova Y. and Farrell G., Biomed. Opt. Express, 3, pp. 3325-3331 2012.

[24] Babchenko, A. et al., J. Biomed. Opt., 4, pp. 224-229, 1999.

[25] Petrovic, M. et al., Proceedings of Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society 2013, pp. 2660-2663, 2013.

[26] Petrovic, M. et al., Biomed. Opt. Express, 5, pp. 1136-1144, 2014.

[27] Stromberg, O. T., Med. Biol. Eng. Comput., 39, 310-314, 2001.

[28] Wechowski J. et al., J. Appl. Physiol., 68, pp. 1732-1738, 1990.

SUMMARY

LONG-PERIOD GRATING FIBRE-OPTIC SENSORS OF BENDING FOR APPLICATIONS IN PULMONOLOGY

Here we present a fibre-optic sensor of bending and demonstrate its application in monitoring of assisted breathing. The sensor is based on a long-period fibre grating and uses a simple mono-chromatic interrogation scheme. Here, we first explain the working principle of the sensor and then present a method for the measurement of respiratory volumes. The measurement is based on the correlation between a change in lung volume and the corresponding change in a local torso curvature. We validate the method by applying a calibration-test measurement procedure on a set of 15 healthy volunteers. Results show good sensor accuracy in measurements of the tidal and minute respiratory volumes for clinically relevant types of breathing. Finally, we compare the proposed method with the current clinical standards and competing techniques. Key words: sensor, optical fibre grating, respiratory volume

fiber opti čki senzori krivine na bazi rešetki sa dugim...

Documents