[發明專利]基于非對稱鋸齒形多芯光纖傳感的關節彎曲測量裝置、方法

有效

• 申請號: 202011293538.8
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112401878B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 丁磊;余烈
• 申請（專利權）人: 武漢紡織大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;G01B11/24
• 代理公司: 北京同輝知識產權代理事務所(普通合伙) 11357
• 代理人: 孫艷敏

本發明公開了一種基于非對稱鋸齒形多芯光纖傳感的關節彎曲測量裝置、方法，涉及光纖傳感及人體運動檢測領域，該裝置包括掃頻光源模塊、光纖耦合模塊、若干光纖連接器、若干非對稱鋸齒形多芯光纖探測模塊、探測解調模塊、信號處理平臺和上位機，非對稱鋸齒形多芯光纖探測模塊包括多芯光纖，多芯光纖的內部設置有至少兩根纖芯，所有纖芯中，至少兩根纖芯沿偏離中軸線分布，作為偏芯纖芯，多芯光纖的外壁與每個偏芯纖芯相對應之處均設置有鋸齒結構，不同偏芯纖芯對應的鋸齒結構的鋸齒深度不相同，鋸齒結構所在之處為敏感區。本發明具備靈敏度調節和復合探測能力，能夠用于關節運動信息捕捉。

技術領域

本發明涉及光纖傳感及人體運動檢測領域，具體涉及一種基于非對稱鋸齒形多芯光纖傳感的關節彎曲測量裝置、方法。

背景技術

對患者的運動姿勢進行檢測，是診斷和治療神經退行性疾病(例如帕金森病、腦卒中等)的有效輔助手段，而關節的彎曲檢測是與姿態相關的運動監測中最重要的環節之一。因此，通過獲取運動過程中關節的彎曲信息，醫師可以評估患者的病情或者康復程度，進而為患者提供更符合當前病情的個性化醫療服務，關節的彎曲檢測在智能假肢、智能監控、臨床醫學、康復治療、運動分析等眾多領域有著重要的作用。

目前的關節運動信息捕捉系統通常基于圖像傳感器或基于運動傳感器來實現，基于圖像傳感器的運動捕捉系統容易受到背景和光照等環境因素的影響，對測試場景的要求較高，且成本較高；基于運動傳感器的運動信息捕捉系統成本較低，可以與穿戴設備相結合，監測方式靈活，然而該方案容易受到溫度和電磁場的干擾，測試結果的可靠性較差。

光學測角儀如動態測角儀和光電編碼器也被用于關節運動信息捕捉系統，基于光學測角儀的關節運動信息捕捉系統需要高精度機械結構的支持，機械結構在運行過程中會產生干擾噪聲，影響測試結果的準確性。此外，慣性測量單元也被用于檢測膝關節彎曲信息。然而，慣性測量單元在使用過程中需要頻繁的校準，且對電磁場有較高的靈敏度，容易受到電磁場的干擾，測試難度較大，且準確度較低。

近年來，光纖傳感器以其體積小、生物相容性好、抗電磁干擾能力強等優點在生物醫學傳感領域受到了越來越多的重視。目前，已有研究人員將FBG(Fiber Bragg Grating，光纖布拉格光柵)傳感器應用于膝關節運動彎曲的測量。基于頻譜解調的FBG傳感器具較高的靈敏度，然而在監測過程中傳輸的光信號強度容易衰減，且存在應力和溫度交叉敏感等問題。此外，FBG傳感器的生產工藝復雜、加工設備昂貴，導致成本較高，限制了其在膝關節運動彎曲領域的應用。

基于頻譜解調的干涉型光纖曲率傳感器也被用于曲率信息的獲取，干涉模式通常采用基于馬赫增德爾干涉或法布里-珀羅干涉，通過監測諧振波長的漂移值來檢測曲率的變化，然而制作光纖曲率傳感器工藝流程復雜，熔接點易折損，傳感器的性能一致性較差，影響了后續工程化的應用。

目前，基于強度解調的光纖傳感器因其性能一致性較好、成本低等優點，已經被用于曲率檢測的工程化設備中。

申請號為CN201510604659.2的發明專利申請公開了“基于光纖曲率傳感器的水下表面變形實時監測系統”，其包括主控計算機、多個長條帶狀的光纖曲率傳感器陣列，通過監測不同位置的傳感器變形差異所引起的信號衰減變化，來對水下地形地貌進行直接測量。該系統采用強度解調的方式，使用普通單模光纖，探測靈敏度有限，靈敏度無法根據實際需要調節，且無法多參量復合探測。

申請號為CN201510603470.1的發明專利申請公開了“基于光纖曲率傳感器的水下管纜變形自檢系統”，其中包括嵌入硫化橡膠層的光纖曲率傳感器、控制盒、計算機，通過檢測光纖在過度彎曲、扭轉、纏繞等情況下纖芯內光信號的衰減，對水下管纜進行監測。該系統采用強度解調的方式，使用的是未經后期加工的普通單模光纖，探測靈敏度有限，且靈敏度無法調節。