Światłowodowe czujniki wielkości chemicznych, środowiskowych i biologicznych – EWOFS 2013

Nowe rozwiązania czujników światłowodowych 

Szczególne zainteresowanie znajdują światłowodowe czujniki biomedyczne nieinwazyjne bazujące na nowych koncepcjach pomiarowych. Taką grupą czujników są mikro-tonometry stosowane do szczegółowych pomiarów profilu fali ciśnienia w tętnicach centralnych przez skórę, np. wspólnej tętnicy szyjnej. Silnym motywatorem prac nad czujnikami tego rodzaju jest znaczny rozwój chorób układu krwionośnego człowieka. Rolą czujników fotonicznych jest łatwe określenie przynajmniej niektórych parametrów hemodynamicznych, w uzupełnieniu, lub prostszym zastąpieniu metod ultradźwiękowych i dopplerowskich oraz koronograficznych, takich jak ciśnienie, przepływ, opory przepływu, fale ciśnienia, naczyniowe odbicia fali ciśnienia, lepkość krwi, krążenie mózgowe, perfuzję narządową, wazodylatację. 

Propagacja fali ciśnienia (patologie w tej propagacji) w drzewie naczyniowym jest obecne uważana za jeden z dobrych czynników oceny ryzyka chorób układu krążenia. Odbicia fali ciśnienia naczyniowego są oceniane ilościowo i jakościowo poprzez analizę profilu ciśnienia centralnego. Obecnie uzyskiwane czułości sensora piezoelektryczno – światłowodowego z siatką Bragga dorównują jakością sygnału inwazyjnym sondom elektromechanicznym, tonometrom dokonującym pomiaru wewnątrz tętnicy. Przetwornik piezoelektryczny przekazuje sygnał mechaniczny do włókna optycznego przestrajając długość fali Bragga. Czujnik składa się z głowicy pomiarowej, szerokopasmowego źródła światła, cyrkulatora optycznego oraz spektrometru. Czułość pomiaru przetwornika piezo-fotonicznego jest rzędu 10 pm/mm, przesunięcia długości fali Bragga w funkcji przesunięcia mechanicznego głowicy czujnika. Nieinwazyjny, miniaturowy przetwornik piezo-fotoniczny daje bardzo dobre odwzorowanie fali ciśnienia, w szczególności maksimów ciśnienia wprzód i wstecz oraz wzajemnego położenia tych pików, co pozwala na bardzo dobrą uzupełniającą analizę stanu układu krążenia. W sztywniejszych naczyniach krwionośnych impuls ciśnienia propaguje się szybciej powodując szybsze przybycie fali odbitej. Stanowi to dodatkowe narzędzie oceny stanu zagrożenia jak: niewydolności nerek, choroby niedokrwiennej serca, przerostu mięśni serca, zawału.

Badanych jest wiele nowych konstrukcji czujników światłowodowych, także z wykorzystaniem nowych metod technologicznych, jak np. chiralne siatki Bragga, i nowych materiałów, jak niskostratne materiały półmagnetyczne i optyczne oraz mikrofalowe (dla pasma terahercowego) niskostratne metamateriały rezonansowe.

Sieć obszaru ciała 

Mikrosystemy i sieci zabezpieczenia osobistego typu sieć obszaru ciała obejmują pomiary/monitoring coraz większej ilości parametrów fizjologicznych organizmu i związanych z tzw. dobrostanem człowieka. Obejmuje to w najprostszych przypadkach np. tętno, częstość oddechu, temperaturę i w bardziej zaawansowanych oksymetrię krwi, pozycję ciała, przyspieszenia, uderzenia, ciśnienie krwi, stan oczu – otwarte, zamknięte, ruchy gałek ocznych, ruchy rąk i nóg, ogólna aktywność ruchowa, głębokość oddechu, i potencjalnie wiele innych.

Wiele z tych parametrów może być mierzonych metodami fotonicznymi, elektronicznymi i hybrydowymi przy pomocy układów MEMS, MOEMS oraz bezpośrednio czujnikami światłowodowymi i siecią fotoniczną, elektroniczną mikro-kablową lub wi-fi, zintegrowaną np. z bielizną i ubraniem osoby monitorowanej. Światłowody plastikowe są stosowane w takich układach jako sieć czujnikowa i jako czujniki amplitudowe, transiluminacyjne, kolorymetryczne, mikrozgięciowe, fotopletyzmograficzne, fluorescencyjne, polarymetryczne, fazowe itp. Zastosowania czujnikowych systemów sieciowych obszaru ciała są medyczne, geriatryczne, turystyczne, sportowe i wojskowe.

W kraju prowadzone są od kilkudziesięciu lat badania nad światłowodami specjalizowanymi dla czujników światłowodowych i nad wieloma innowacyjnymi konstrukcjami czujników fotonicznych. 

Literatura:

[1] 15 Krajowa Konferencja „Światłowody i ich Zastosowania”, styczeń/luty 2014, Białystok i Lipowy Most, [http://we.pb.edu.pl/światłowody]

[2] I Krajowe Sympozjum Światłowody i ich Zastosowania, Jabłonna 16–17 lutego 1976, PWN, Warszawa 1977.

[3] Romaniuk R.S., W.Wójcik (editors), Optical Fibers and their Applications, Proc.SPIE 8698, 2012.

[4] Dorosz J., Romaniuk R.S. (editors), Optical Fibers and their Applications, Proc.SPIE 8010, 2011.

[5] Woliński W.L., Jankiewicz Z., Romaniuk R.S. (editors), Laser Technology 2012: Progress in Lasers, Proc. SPIE 8702, 2012.

[6] Woliński W.L., Jankiewicz Z., Romaniuk R.S. (editors), Laser Technology 2012: Applications of Lasers, Proc. SPIE 8703, 2012.

[7] Romaniuk R.S. (editor), Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2013, Proc. SPIE 8903, 2013.

[8] Romaniuk R.S. (editor), Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2012, Proc. SPIE 8454, 2012.

[9] Romaniuk R.S. (editor), Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2011, Proc. SPIE 8008, 2011.

[10] Romaniuk R.S., Kulpa K. (editors), Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2010, Proc. SPIE 7745, 2010.

[11] 5th European Workshop on Optical Fibre Sensors, Proc. SPIE 8794, 2013.

[12] Photonics Society of Poland: [photonics.pl] 

[13] Dybko A. i in.: Fibre-optic pH-sensor, International Journal of Optoelectronics, Taylor&Francis, London, Vol. 7, No. 3, 1991, pp. 443-448.

[14] Dybko A. i in.: Application of optical fibres in oxidation – reduction titrations, Sensors and Actuators B, Chemical, Vol. 29, No 1–3, 1995, pp. 374–377.

[15] Dybko A. i in.: Polymer track membranes as a trap support for reagent in fiber optic sensors, Journal of Applied Polymer Sciences, Vol. 59, 1996, pp. 719–723.

[16] Dybko A. i in.: Efficient reagent immobilization procedure for ion-sensitive optomembranes, Sensors and Actuators B, Chemical 38–39 (1997), No 1, vol. 34, pp. 207–211.

[17] Dybko A. i in.: Assessment of water quality based on multiparameter fiber optic probe, Sensors and Actuators, Vol. B. 51, 1998, pp. 208–213.

[18] Romaniuk R., Tensile strength of tailored optical fibers, Opto Electronics Review, Nr 2, 2000, pp. 1013–116.

[19] Romaniuk R., Manufacturing and Characterization of ring-index optical fibers, Optica Applicata, vol. 31, no. 2, 2001, pp. 425–444.

[20] Dorosz J., Romaniuk R., Fiber Optic Department of Biaglass, Twenty years of research activities, Optica Applicata, vol.38, no.4, 1998, pp. 267–291.

[21] Dorosz J., Romaniuk R., Multicrucible technology of tailored optical fibers, Optica Applicata, vol. 28, no. 4, 1998, pp. 293–322.

[22] Romaniuk R., Dorosz J., Multicore single-mode soft-glass optical fibers, Optica Applicata, vol. 29, no. 1–2, 1999, pp. 15–49.

[23] Romaniuk R., Światłowody kształtowane, Część I, Elektronika, Nr 3, 2002, str. 3–10.

[24] Romaniuk R., Światłowody kształtowane, Część II, Elektronika, Nr 4, 2002, str. 6–13.

[25] Romaniuk R.: Szkło dla fotoniki. Część 13. Rodzaje szkieł światłowodowych, Elektronika, 2009, vol. 50, no. 10, str. 132–136.

[26] Romaniuk R.: Szkło dla fotoniki, Cześć 14. Parametry szklanego włókna optycznego, Elektronika, 2009, vol. 50, no. 11, str. 119–128.

[27] Romaniuk R.: Szkło dla fotoniki. Cześć 15. Synteza szkła światłowodowego z fazy gazowej, Elektronika, 2009, vol. 50, no. 12, str. 137–143.

[28] Romaniuk R., Szkło dla fotoniki, Część 16: Synteza szkła światłowodowego metodą hydrolizy płomieniowej, Elektronika, vol. 51, no. 1, str. 133–139.

[29] Romaniuk R.S., Zaawansowane systemy elektroniczne – Wilga 2013, Elektronika, no. 9, vol. 54, 2013, str. 162–170.

[30] Romaniuk R.S.: Europejskie warsztaty czujników światłowodowych 2013 – Czujniki wielkości fizycznych, Elektronika, no. 12, vol. 54, str. 100–108, 2013.