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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
光纖感測器應用於生醫信號偵測之研究(2)
Study of fibr e-optic sensor on the detection of physiological
signals(2)
計畫編號：NSC 87-2213-E-002-088
執行期限：86 年 8 月 1 日至 87 年 7 月 31 日
主持人：吳建平 台灣大學電機系
一、中文摘要 當光纖被 施以空 間週期性 的微彎 曲 時，會引起傳輸其中的光能量的損失(等效 於 Transmission Coefficient 的改變)，利用 此原理製作感測器可用以量測各種物理 量。本研究為國科會計劃【1】的延伸，改 進該計劃利用前述原理所設計的微彎曲型 光纖感測器系統，包括光纖形變器、電子 電路、系統量測架構及訊號處理方法等， 以降低系統的雜訊干擾。 關鍵詞：光纖感測器、光纖形變器。 Abstr actWhen a sensing fiber is somehow constrained to bend in a periodically regular pattern，the transmission coefficient for light propagating through the bent fiber is in turn changed by a small amount. A fiber-optic sensor system, which is developed in 【1】 by using the microbend technique, is improved upon noise and interference. To achieve this goal, redesigning of deformer 、 sensing structure and signal processing method was performed.
Keywor ds: microbend fiber-optic sensor、
deformer 二、計劃緣由與目的 微曲型光纖感測器有許多優良特性：電 安性高、不易受電磁干擾影響、高靈敏度 及可做遠端量測等。對於醫工應用的高雜 訊環境及考慮儀器間電磁相容性（EMC）以 避免多種儀器同時量測所造成的互相電磁 干擾。此種感測器有其天生抗雜訊及避免 互相干擾的優點。 雖然如此，微曲型光纖感測器在醫工上 的應用報告並不常見，因此探討微曲型光 纖感測器的理論、加以實驗驗證、繼而建 立微曲型光纖感測器系統，並在訊號檢 測、放大的電子電路及訊號處理的設計及 製作上提高訊雜比，以使系統有更高的靈 敏度及可靠度即為本研究的緣由與目的。 我們希望藉此計劃的研究經驗能提供相關 應用領域的設計資訊。 三、系統設計 系統架構如圖一所示，雷射光經光纖 耦 合 器 (coupler)進入光纖中，通過形 變 器、轉彎再繞回形變器，故光纖通過形變 器兩次。形變器的原理如圖二所示，輸出 光訊號由光偵測器(photodetector)轉換為 電訊號。電訊號經帶通濾波器，由膝上型 電腦上的 PCMCIA 16 位元類比/數位轉換 器界面卡取入電腦中。 3.1 雷射 本研究採用波長 632.8 nm 的紅光氦氖 (He-Ne)雷射，輸出功率為 10 mW。 3.2 光纖 使 用 之 光 纖 為 多 模 grade-index 光 纖，蕊心層(core)為 62.5 微米，包覆層 (cladding)為 125 微米，加上緩衝層(buffer coating) 為 直 徑 250 微 米 ， 數 值 孔 徑 0.275，使得多模態光纖乃為提高靈敏度 【2】。 3.3 形變器 形變器的 基座及 上板的三 視圖如 圖
2 三、圖四所示，兩條光纖路徑對應通道為 直徑 300 微米的圓孔，物理量經由形變器 將變化耦合至光纖，對光強度進行調變， 故形變器的角色為換能器(Transducer)。 3.4 光偵測器 所使用之光偵測器為 Burn Brown 編號 OPT 209 的平面型光偵測 IC。此 IC 由光二 極體與轉阻前置放大器所組成，放大倍率 為 106。 3.5 帶通濾波器及 A/D 圖一中之帶通濾波器規格：高通低通 皆為六階 Butterworth 組態濾波器。A/D 轉換器為 Notebook PC 用之 PCMCIA 16 位元 A/D 卡，最高轉換速率 50K Hz。 四、結果與討論 本研究乃針對先前【1】的研究結果作 系統性能的改進。利用光纖連結器及適當 的屏蔽，來自環境的背景光及 120 Hz 日光 燈干擾可以被消除。原本 notch filter 的電 路便可以省略而簡化電子電路的設計。本 研究的光調變原理為光強度調變，但由氦 氖雷射所引起的低頻時變振盪也是雜訊的 來源之一，本研究使用自行發展的數位適 應濾波器可有效的降低時變低貧雜訊，其 處理架構如圖五所示。圖六則為處理前後 的訊號波形。 本研究將原為串接量測的形變器量測 架構重新設計為單端量測的探頭式架構， 配合攜帶式的膝上型電腦，使得量測及實 驗時更為方便。系統朝可攜式量測的發展 更進一步。 五、計劃成果自評 本研究計畫改進系統架構、降低系統 雜訊，相關研究成果正尋求發表論文中。 申請案號 8610074，名稱 「具高通濾波功 能之電流對電壓轉換器」的中華民國專利 業已獲得通過(該電路可使用於光電轉換 處理電路)。 除此之外，系統仍持續改良中以期能 真正實際應用在生醫訊號的量測。 六、參考文獻 [1] 國 科 會 計 劃 編 號 NSC 86-2213-E002-023.
[2] Nicholas Lagakos, J.H. Cole, and J.A. Bucaro, "Microbend fiber-optic sensor", Applied Optics, Vol.26, No. 11, pp. 2171-2180, 1987.
[3] H. Vermarien and E.Van Vollenhoven, "Quantification of the influence of mass and contact diameter of photo-cardiographic tansducers on high frequency heart sound recordings", Acta Cardio. pp. 237-243, 1986.
[4] N. Erik. Stenow and P. Ake Oberg, "Venous occlusion plethysmography using a fiber-optic sensor", IEEE Tran. BME, Vol. 40, No. 3, pp. 284-289, 1993.
[5] K. T. V. Grattan and B. T. Meggit, "Optical Fiber Sensor Technology", Chapan & Hall, London, 1995.
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七、圖表
He-Ne Laser Coupler Probe
Bandpass
Filter P.D.
Optic Fiber PCMCIA A/D card
( Deformer ) 圖一、系統架構方塊圖。 Pressure P K A X T T p f ⋅∆ ∆ ∆ ≈ ∆ ( −1) where T : Transmission coefficient X : Fiber deformation Ap: Area of deformer plate Kf: The bent fiber force constant P : Pressure 圖二、微曲型光纖形變器的原理。 圖三、形變器基座上視、前視及右側視圖。 圖四、形變器上板的上視、前視及右側視 圖。 One sample delay Σ Forward predictor of order M +
-U(n) ( )w Fn [ ]• n F Spectral line tracker (SLT) FM signal generator (FMSG) Σ Adaptive filter of order M' +-
Y(k) E(k) D(k) ) ( ˆn wi ANC AP R(k) fn(m) M samples delayAP: Adaptive predictor ANC: Adaptive noise canceller
圖五、非線性數位適應濾波器訊號處理架 構圖。 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 -0 . 0 1 -0 . 0 0 5 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 . 0 3 5 0 . 0 4 Tim e , S e c R e la ti ve A m p litu d e 圖六、雷射時變雜訊(上圖)及數位適應濾波 器處理後的訊號。
