Czujnik czynności oddechowej oraz pracy serca oparty na światłowodowych siatkach Bragga

• Autorzy: Dziuda Ł. , Skibniewski F. , Krej M. , Lewandowski J.

Warianty tytułu

EN

Fiber Bragg grating based sensor for monitoring respiration and cardiac activity

• Konferencja: Konferencja Techniki Próżni. 9 ; Workshop on Field Emission from Carbonaceous Materials ; 6-9.06.2011; Cedzyna, Polska
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule zaprezentowano koncepcję, przykład wykonania oraz rezultaty badań laboratoryjnych światłowodowego czujnika podstawowych czynności życiowych. Idea czujnika została oparta na światłowodowych siatkach Bragga, znanych przede wszystkim jako tensometry optyczne wykorzystywane do precyzyjnych pomiarów naprężeń występujących w strukturach skrzydeł samolotów lub masztów statków morskich - konstrukcjach szczególnie narażonych na oddziaływania sił zewnętrznych. Zdolności pomiarowe światłowodowych siatek Bragga zaadoptowano w obszarze medycyny poprzez skonstruowanie urządzenia pozwalającego na monitorowanie drgań ciała powodowanych takimi czynnościami życiowymi jak oddychanie oraz praca serca. Urządzenie składa się z siatki Bragga wpisanej w światłowód jednomodowy i pracującej na centralnej długości fali o wartości ok. 1550 nm (III okno transmisyjne), wbudowanej wewnątrz pneumatycznej poduszki umieszczanej pomiędzy oparciem fotela a plecami monitorowanej osoby. Odkształcania poduszki, stąd również siatki Bragga, są proporcjonalne do drgań ciała osoby opartej o poduszkę. Badania laboratoryjne wykazały, iż odpowiednia obróbka i analiza sygnału pochodzącego z czujnika umożliwia ekstrakcję informacji o czynności oddechowej oraz akcji serca. Czujnik pozwala na uzyskanie dynamicznych odkształceń na elemencie pomiarowym opartym na FBG rzędu 50-124 µstrain powodowanych oddychaniem oraz ok. 8,3 µstrain wywołanych pracą serca. Takie wartości naprężeń są pełni mierzalne przez współczesne systemy interrogacji. Maksymalny względnych błąd pomiaru prezentowanego czujnika wynosi 12%. Nieskomplikowana budowa czyni czujnik łatwym w implementacji, np. w fotelach lotniczych i samochodowych dla celów monitorowania stanu fizjologicznego pilotów oraz kierowców.

EN

This article shows an example of the design of a fiber-based sensor for basic living activities in human body and the results of laboratory studies carried out on it. The idea of this kind of a sensor is based on fiber Bragg gratings (FBGs), mainly known as optical strain gauges. They are used for precise measurement of tensions occurring in aireraft wings or ship masts, because these elements are particularly exposed to the hazardous effects of external forces. The measuring abilities demonstrated by FBGs have been already utilized within the field of medicine. The authors have developed a device that allows for monitoring the vibrations of human body evoked by living activities such as breathing and cardiac rhythm. The device consists of a Bragg grating inscribed into a single mode optical fiber and operating on a wavelength of around 1550 nm (III transmission window). The FBG is mounted in a pneumatic bag to be placed between the backrest of the seat and the back of the monitored person. Deformations of the bag, involving deformations of the Bragg grating, are proportional to the vibrations of the body leaning on the bag. Laboratory studies have shown that adequate processing and analysis of the signals coming from the sensor allow for extracting information on breathing and cardiac rhythm. The sensor allows for obtaining dynamic strains on the sensing FBG in the range of 50-124 µstrain caused by breathing and approx. 8.3 µstrain induced by heartbeat, which are fully measurable by today's interrogation systems. The maximum relative measurement error of the presented sensor is 12%. The sensor's simple design enables it to be easily implemented in pilot's and driver's seats for monitoring the physiological condition of pilots and drivers.

Słowa kluczowe

PL

częstość oddechu; częstość skurczów serca; FBG; pomiar naprężeń; system interrogacji; światłowodowe siatki Bragga

EN

breathing rate; FBG; fiber Bragg grating; heart rate; interrogation system; strain measurement

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 52, nr 8
• Strony: 98--106
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Dziuda Ł.

autor

Skibniewski F.

autor

Krej M.

autor

Lewandowski J.

• Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej, Zakład Bioinżynierii Lotniczej, Warszawa

Bibliografia

• [1] Chamadiya B. K., Heuer S., Hofmann U. G., Wagner M.: Towards a capacitively coupled electrocardiography system for car seat integration. IFMBE Proceedings, 22, 10, 2009, 1217-1221.
• [2] Walter M., Eilebrecht B., Wartzek T., Leonhardt S.: The smart car seat: personalized monitoring of vital signs in automotive applications, Personal and Ubiquitous Computing, 2011.
• [3] Maniewski R.: Magnetyczne badania elektrycznej i mechanicznej czynności serca. Prace habilitacyjne, Polska Akademia Nauk, Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej, 1987.
• [4] Strona producenta: http://emfit.com/
• [5] Koivistoinen T., Junnila S., Varri A., Koobi T.: A new method for measuring the ballistocardiogram using EMFi sensors in a normal chair. IEEE EMBS, 2004.
• [6] Dziuda L., Fusiek G., Niewczas P., Burt G. M., McDonald J. R.: Laboratory evaluation of the hybrid fiber-optic current sensor., Sensors and Actuators A, 136, 1, 2007, 184-190.
• [7] Culshaw B.: Optical fiber sensor technologies: opportunities and - perhaps - pitfalls. Journal of Lightwave Technology, 22, 1, 2004, 39-50.
• [8] Betts R. A., Tjugiarto T., Xue Y. L., Chu P. L.: Nonlinear refractive index in erbium doped optical fiber: theory and experiment. IEEE Journal of Quantum Electronics, 27, 4, 1991, 908-913.
• [9] Kaczmarek T.: Zwarte równanie wartości własnych światłowodu dwuskokowego o dowolnym praktycznie użytecznym profilu współczynnika załamania. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne, 2005.
• [10] Abdi A. M., Suzuki S., Schulzgen A., Kost A. R.: Modeling, design, fabrication, and testing of a fiber Bragg grating strain sensor array. Applied Optics, 46, 14, 2007, 2563-2574.
• [11] Xu M. G.: The measurement of physical fields using optical fibres and fibre gratings. Rozprawa doktorska, University of Southampton, Department of Electronics and Computer Science, 1995.
• [12] Dankin J., Culshaw B.: Optical Fibre Sensors Vol. 4: Applications, Analysis, and Future Trends, Artech House, Inc., Boston, London, 1997.
• [13] Dziuda Ł.: Novel approaches to hybrid voltage and current sensing for condition monitoring of remotely operated electrical plant. Rozprawa doktorska, University of Strathclyde, Department of Electronic and Electrical Engineering, 2007.
• [14] Optical sensing interrogator sm130, informacja techniczna dostępna na stronie producenta: http://www.micronoptics.com/
• [15] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1994.