专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
申请号 | CN202311725859.4 | 申请日 | 2023-12-14 |
公开(公告)号 | CN117695478A | 公开(公告)日 | 2024-03-15 |
申请人 | 大连理工大学; | 申请人类型 | 学校 |
发明人 | 刘云; 郑代富; 王晨浩; 余慧; | 第一发明人 | 刘云 |
权利人 | 大连理工大学 | 权利人类型 | 学校 |
当前权利人 | 大连理工大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
省份 | 当前专利权人所在省份:辽宁省 | 城市 | 当前专利权人所在城市:辽宁省大连市 |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:辽宁省大连市甘井子区凌工路2号 | 邮编 | 当前专利权人邮编:116024 |
主IPC国际分类 | A61M5/168 | 所有IPC国际分类 | A61M5/168 ; A61M5/172 ; A61J1/10 ; A61J1/22 ; G01F23/22 ; G02B6/032 |
专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
专利代理机构 | 北京高沃律师事务所 | 专利代理人 | 贾瑞华; |
摘要 | 本 发明 公开了输液袋液位监测系统、方法及柔性 泄漏 光纤制备方法,涉及光纤传感技术领域,包括:发光 二极管 、输液袋、柔性泄漏光纤液位 传感器 、光 信号 采集单元及 数据处理 单元;柔性泄漏光纤 液位传感器 设置在输液袋内, 发光二极管 和 光信号 采集单元分别设置在柔性泄漏光纤液位传感器的两端;发光二极管用于为柔性泄漏光纤液位传感器提供光信号;柔性泄漏光纤液位传感器用于检测光信号因输液袋内光纤表面介质折射率变化而改变后输出的光信号;光信号采集单元用于将输出的光信号转换为 数字信号 ,并将其传输到数字处理单元;数据处理单元用于对所述数字信号进行分析和处理,得到液位的高度信息。本发明中的上述方案可以实现高 精度 测量和不受环境的干扰。 | ||
权利要求 | 1.一种输液袋液位监测系统,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 一种输液袋液位监测系统、方法及柔性泄漏光纤制备方法技术领域背景技术[0002] 静脉输液是临床医学中常见的辅助医疗手段。传统的输液监控采用人工监控方式,但由于输液过程时间较长,医护人员现场工作忙碌,病人受病情影响容易昏睡,陪护人员在长时间陪护过程中产生疲劳而注意力分散,所以当输液系统出现异常时,以上人工监控方式的缺陷会导致医疗处理不及时,尤其在输液结束时,如果没有及时拔针,会出现血液回流、血液凝固、空气栓塞等后果,这些后果会耽误治疗甚至导致医疗事故。如何提升输液治疗的安全性和可靠性一直是医疗行业要解决的问题,及时准确的输液监测能有效提高静脉输液的安全性,目前应用最广泛的液位监测装置大多基于电容式传感器,超声波技术传感器和称重传感器。然而,电容式液位传感器的导电电极遭到液体溅射时容易产生误导通的现象,标定校准困难,降低了液位检测的可靠性。超声波测量液位的方式在液体中存在气泡的情况下,测量信号和真实状态误差较大,需要进行复杂的校正算法来对检测信号进行补偿。基于称重传感器的液位监测设备体积大,价格昂贵,在输液过程中容易受到其他外力的干扰。由于以上原因,这些传感器的应用经常受到限制,不能满足疾病患者对静脉输液的医疗环境要求。柔性光纤传感器具有体积小、灵活性高、安全性高、稳定性高和抗电磁干扰等优点,是解决上述问题的有效手段。 [0003] 通过对比了传统的传感器在测量液位方面存在的不足与缺陷,从而设计出一种基于聚合物近红外柔性泄漏光纤的输液袋液位监测传感器,借助于柔性光纤具有灵敏度高、传输速度快、在恶劣环境下稳定性好、抗电磁干扰能力强等优点。因此用光纤传感技术取代传统的电子传感元件是提高性能的理想方法。另外结合图像处理技术,实现液位的精准测量。 [0004] 光纤传感技术可以应用到各个方面,其中包括医疗生化、电力、石油化工、航空航天、环境保护、国防建设等领域。 [0005] 现有的基于光纤传感技术的输液袋液位监测主要有以下两种情况: [0006] 压力式光纤液位传感器:这类传感器是利用液体高度所形成的压力作用于光纤传感探头,由光纤传感探头的信号推算出液面的高度。近年来,研究得比较多的两种压力式光纤液位传感器是光纤法布里‑泊罗腔液位传感器和光纤光栅液位传感器。光纤法布里‑泊罗腔液位传感器不能进行液位绝对测量,光纤光栅液位传感器波长解调技术难度大,解调仪价格昂贵。而且这两种方法中,液体压力转换精度很难保证,因而影响测量精度。 [0007] 反射式光纤液位传感器:反射式光纤传感器是将待测液位作为一个反射平面,由光纤输出的光线垂直于待测液面,经液面反射后的光强垂直于液面进入到光纤,通过检测光纤中的光强变化即可测量液位的高度值,因此它是一种基于强度调制型的光纤液位传感器。 发明内容[0008] 本发明的目的是提供一种柔性泄漏光纤液位传感器、制备方法及液位监测方法,借助于柔性光纤本身优良的特性,可以实现高精度测量和不受环境的干扰。 [0009] 为实现上述目的,本发明提供了如下方案: [0010] 第一方面,本发明提供了一种输液袋液位监测系统,包括: [0013] 所述发光二极管用于为所述柔性泄漏光纤液位传感器提供光信号; [0014] 所述柔性泄漏光纤液位传感器用于检测光信号因输液袋内光纤表面介质折射率变化而改变后输出的光信号; [0016] 所述数据处理单元用于对所述数字信号进行分析和处理,得到液位的高度信息。 [0017] 可选的,还包括: [0018] 滤光片,用于滤除自然光的干扰信号。 [0019] 可选的,所述柔性泄漏光纤液位传感器包括:全包层参考光纤和泄漏光纤,所述全包层参考光纤和所述泄漏光纤粘合在一起。 [0020] 可选的,通过修正灰度公式修正所述全包层参考光纤和泄漏光纤因形变产生的同比例变化,所述修正灰度公式如下: [0021] [0022] 其中,L为测量光纤的初始光强,l为测量光纤的实时光强,l0为参考光纤的初始光强,lr为参考光纤的实时光强。 [0023] 可选的,所数据全包层参考光纤尺寸为5mm*5mm,纤芯尺寸为3mm*3mm,包层厚度为1mm。 [0024] 可选的,所述泄漏光纤尺寸为5mm*4mm,纤芯尺寸为3mm*3mm,包层厚度为1mm。 [0025] 可选的,对所述数字信号进行分析和处理具体包括: [0026] 从所述数字信号中分解出参考光纤纤芯和泄漏光纤纤芯所对应的灰度值,然后使用所述修正灰度公式算出对应的灰度值,最后得到对应液位的高度信息 [0027] 第二方面,本发明提供了一种输液袋液位监测方法,所述监测方法包括: [0028] 开启发光二极管,发射光信号; [0029] 安装在柔性光纤液位传感器出射端的光信号采集单元,将光信号转换为数字信号; [0030] 通过光信号采集单元采集数字信号并将其传输至数据处理单元; [0031] 数据处理单元对采集到的数字信号进行处理从中计算出液位的高度信息,最终做出反馈。 [0032] 第三方面,本发明提供了一种柔性泄漏光纤制备方法,所述制备方法包括: [0033] 制备全包层参考光纤; [0034] 制备泄漏光纤。 [0035] 可选的,所述制备全包层参考光纤包括: [0036] 步骤一:制作包层:选取不锈钢凹型槽、不锈钢条以及两个不锈钢凹形垫片作为模具,将包层PDMS溶液注入不锈钢条和凹型槽的夹层,直到硅橡胶溶液填满凹型槽;注入完成后放置于70℃的恒温箱内直至固化,将不锈钢条抽出,得到空心管包层; [0037] 步骤二:注入纤芯:将纤芯PDMS溶液注入至步骤一中得到的包层内,放置于恒温箱内70℃直至固化; [0038] 步骤三:成品脱模:固化完成后,将成品光纤从凹型槽剥离,至此,全包层参考光纤便制作完成。 [0039] 可选的,所述制备泄漏光纤包括如下步骤: [0040] 步骤一:利用凹形垫片将不锈钢条固定于凹型槽中心,将包层溶液注入不锈钢条和凹型槽的夹层,直到硅橡胶溶液液面与不锈钢条齐平,注入完成后放置于70℃的恒温箱内直至固化,将不锈钢条抽出,得到凹型包层; [0041] 步骤二:注入纤芯:将纤芯溶液注入至步骤一中得到的包层内,放置于恒温箱内70℃直至固化; [0042] 步骤三:成品脱模。固化完成后,将成品光纤从凹型槽剥离,至此,泄漏光纤便制作完成 [0043] 根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果: [0044] 1、自主设计倒模法制作聚合物近红外柔性光纤,具备高柔韧性,不易腐蚀,抗干扰,近红外传输超稳定等特性,因此相比于传统的输液袋液位测量方法,该传感器具有抗干扰能力强,耐腐蚀等优点,解决了传统方法存在的不足之处。 [0045] 2、相对来说,聚合物柔性光纤的应用很广泛且制作成本更低,而且搭建本套系统也相对容易,因此对比传统的方法,本方法的成本更加低廉。 [0047] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0048] 图1为本发明输液袋液位监测系统装配图主视图; [0049] 图2为本发明柔性泄漏光纤液位传感器主视图; [0050] 图3为本发明柔性泄漏光纤液位传感器的制作过程;图3(a)本实例中所选模具的规格;图3(b)全包层光纤结构示意图;图3(c)泄漏光纤结构示意图;图3(d)装配好的柔性泄漏光纤液位传感器; [0051] 图4为本发明输液袋液位监测系统的图像处理算法的程序流程图; [0052] 图5为本发明输液袋液位监测系统的不同液位高度对应传感器亮度信息的示意图。 [0053] 附图标记说明 [0054] 1、发光二极管;2、输液袋;3、柔性泄漏光纤传感器;4、近红外摄像头;5、数据处理单元;6、全包层光纤;7、泄漏光纤;8、滤波片;9、参考光纤包层;10、参考光纤纤芯;11、泄漏光纤纤芯;12、泄漏光纤包层;13、不锈钢凹型槽;14、不锈钢凹形垫片;15、不锈钢条。 具体实施方式[0055] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。 [0056] 本发明的目的是提供一种柔性泄漏光纤液位传感器、制备方法及液位监测方法,借助于柔性光纤本身优良的特性,可以实现高精度测量和不受环境的干扰。 [0057] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0058] 实施例一 [0059] 参见图1‑图2,本发明提供了一种输液袋液位监测系统,包括: [0060] 发光二极管1、输液袋2、柔性泄漏光纤液位传感器3、光信号采集单元4以及数据处理单元5; [0061] 其中,发光二极管为980nm发光二极管;所述光信号采集单元选择(800~1000nm)近红外摄像头4并结合900nm滤波片8,所述数据处理单元选择PC机5。 [0062] 柔性泄漏光纤液位传感器3设置在所述输液袋2内,所述发光二极管1和光信号采集单元4分别设置在所述柔性泄漏光纤液位传感器3的两端;其中发光二极管和光信号采集单元需要正对着柔性光纤的输入端和出射端。 [0063] 上述若干个部分内嵌连接为一个整体,所述980nm发光二极管1用于给柔性泄漏光纤传感器提供光信号,所述输液袋2用于盛装待测量液位的液体,所述柔性泄漏光纤液位传感器3用于检测光源信号因输液袋内光纤表面介质折射率变化而改变后输出的光信号,所述光信号采集单元4主要用途是将输出的近红外光信号转换为数字信号,然后将采集到的数字信号传输到数字处理单元5。滤波片8位于光信号采集单元的上方,用于过滤自然光的干扰信号。柔性泄漏光纤液位传感器3检测到变化的光信号后,通过光信号采集单元4将光信号转换为数字信号,然后传输到数据处理单元5,数据处理单元的图像处理模块对数字信号进行分析和处理,最后给出液位的高度信息。 [0064] 如图2所示,所述柔性泄漏光纤液位传感器包括一根全包层参考光纤和一根泄漏光纤,二者主要组成了柔性泄漏光纤液位传感器,用于对光信号的检测。所述光纤用于探测光源信号因输液袋内光纤纤芯表面介质折射率变化而改变后输出的光信号。通过光源亮度信息来测量液位高度时所使用的原理是:利用光的传输损耗特性,将光纤纤芯一侧裸露作为测量光纤,当液位升高(或降低)时,纤芯的外部介质折射率变化,光的传输损耗随之相应改变,通过测量输出光强,即可得出光强损耗量。因此可以通过分析光信号变化的强弱来获取一些指标,比如液位等。 [0065] 所述全包层参考光纤为自制聚合物柔性光纤,全包层光纤6尺寸为5mm*5mm,纤芯10尺寸为3mm*3mm,包层11厚度为1mm。泄漏光纤7尺寸为5mm*4mm,纤芯11尺寸为3mm*3mm,包层12厚度为1mm。 [0066] 参考光纤与泄漏光纤通过硅胶黏合剂紧密粘合在一起,以保证参考光纤和测量光纤同步发生任何可能的形变,两根光纤的截面以及泄露光纤纤芯表面整齐且平整。 [0067] 在上述情况下,两根光纤中的光强因形变而等比变化。通过修正灰度公式消除这种因形变而产生的同比例变化,并得到接近理论值的修正灰度值。 [0068] 进一步地,所述修正灰度具体公式如下: [0069] [0070] 其中,L为测量光纤的初始光强,l为测量光纤的实时光强,l0为参考光纤的初始光强,lr为参考光纤的实时光强。 [0071] 如图3中的(a)部分~(d)部分所示,本实施案例中,所述聚合物柔性光纤传感器的制作步骤包括制备全包层参考光纤和制备泄漏光纤,其中,制备全包层参考光纤的步骤如下: [0072] 步骤一:制作包层。选取不锈钢凹型槽13(内部空间:5mm*5mm*200mm)和不锈钢条15(3mm*3mm*200mm)以及两个不锈钢凹形垫片14(外径:5mm*5mm*200mm,内径:3mm*3mm* 5mm)作为模具,不锈钢材质光滑,不会影响光信号的传输和输出,如果表面不平整的话就无法保证采集到的光信号的完整性。不锈钢条的尺寸决定内径的直径,利用凹形垫片将不锈钢条固定于凹型槽中心。将包层PDMS溶液(主剂:交联剂=20:1,折射率≈1.41)注入不锈钢条和凹型槽的夹层,直到硅橡胶溶液填满凹型槽。注入完成后放置于70℃的恒温箱内直至固化,将不锈钢条抽出,得到空心管包层。 [0073] 步骤二:注入纤芯。将纤芯PDMS溶液(主剂:交联剂=5:1,折射率≈1.43)注入至步骤一中得到的包层内,放置于恒温箱内70℃直至固化。 [0074] 步骤三:成品脱模。固化完成后,将成品光纤从凹型槽剥离,至此,全包层柔性光纤6便制作完成。 [0075] 制作泄漏光纤的步骤如下: [0076] 步骤一:利用凹形垫片14将不锈钢条15固定于凹型槽13中心。将包层溶液注入不锈钢条和凹型槽的夹层,直到硅橡胶溶液液面与不锈钢条齐平。注入完成后放置于70℃的恒温箱内直至固化,将不锈钢条抽出,得到凹型包层。 [0077] 步骤二:注入纤芯。将纤芯溶液注入至步骤一中得到的包层内,放置于恒温箱内70℃直至固化。 [0078] 步骤三:成品脱模。固化完成后,将成品光纤从凹型槽剥离,至此,泄漏光纤7便制作完成。 [0079] 本系统中,光源发出的光信号通过输液袋中的柔性泄漏光纤液位传感器时,由于液体的高度发生变化,泄漏光纤纤芯表面介质折射率发生变化,光信号也会随之发生变化。因此,可以通过分析光信号前后的变化得出一些有用的指标。具体地,以水、生理盐水和葡萄糖溶液为例进行液位的测量,柔性泄漏光纤液位传感器通过检测光信号的变化,收集液位变化数据,如图5所示。 [0080] 在PC端的图像处理算法上面,要求写出的程序最好考虑周全、易维护,具有健壮性。 [0081] 如图4所示,本发明还公开一种基于柔性泄漏光纤液位传感器的输液袋液位监测方法,包括如下步骤: [0082] 步骤1、开启980nm发光二极管,随着输液袋内液位高度的变化,由于泄漏光纤表面介质折射率发生变化,发光二极管发出的光信号在泄露光纤中的传输模式改变,所以经过泄漏光纤的光信号的强度发生变化。 [0083] 步骤2、安装在柔性光纤液位传感器出射端的光信号采集单元,负责将因纤芯表面介质折射率改变而变化的光信号转换为数字信号。 [0084] 步骤3、通过光信号采集单元采集数字信号并将其传输至数据处理单元。 [0085] 步骤4、数据处理单元对采集到的数字信号进行处理,从中计算出液位的高度信息,最终做出反馈。 [0086] 具体的,是对采集到的数字信号进行分解,得到参考光纤纤芯和泄漏光纤纤芯所对应的灰度值,然后处理,从中计算出液位的高度信息,最终做出反馈。 [0087] 本测量方法很好的解决了传统输液袋液位监测方法存在的缺点。相比于传统的传感器,该传感器不仅具有不易磨损,耐腐蚀,测量精度高,体积小,功能完善等优点;而且抗电磁干扰能力强,抗形变能力强,系统的组装容易,应用范围广。监测系统可以对任何医用静脉注射溶液的液位进行测量,比如生理盐水、葡萄糖溶液等。 [0089] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 |