[发明专利]基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置

说明书

一种基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，包括，ASE光源、分束器、DWDM、光纤光栅传感器、合束器和光纤光栅解调仪。本发明使用多根端面镀有金膜的光纤光栅作为传感单元探测脊椎骨间多点所受应力信息，每根光纤光栅的中心波长相差2nm，在应力测量时可将光纤光栅分别插入脊椎骨间的不同受力点。通过波分复用技术将多个光纤光栅的信号耦合在一起，并输出到光纤光栅解调仪，使得本发明可同时用于多点的应力测量。利用光纤光栅解调仪解调光纤光栅的中心波长变化，建立中心波长变化量与所受应力线性关系，根据各光纤光栅中心波长变化即可得到对应脊椎骨间各点所受应力信息。

技术领域

本发明涉及光纤传感器件和骨应力分析领域，具体涉及一种基于光纤光栅的脊椎骨间实时多点实时受力测量装置及其测量方法。

背景技术

随着现代医疗技术的进一步发展，研究人员发现脊柱的长期受力失衡会造成椎间盘突出，进而挤压颈椎或腰椎局部动脉、神经，引起一系列的脊柱相关的疾病，其中颈椎病、腰椎间盘突出和脊椎侧弯作为临床常见的疾病，在上班族、电脑族、久坐族、学生群体中具有很高的发病率，严重困扰着人们的生活。目前，对于相关疾病的治疗主要依靠于使用 x射线、CT和核磁共振等常见的医学成像方法对病灶部位成像，通过观察脊柱骨的形态确定具体的发病部位，然后使用手术或非手术的方法对其治疗。手术治疗包括微创手术和常规开放手术。目前主流的手术治疗方式为微创手术治疗，通过使用微创技术，可以减小伤口，使用小手术刀只切去压迫到神经的部分。但至于具体切除多少，切除哪些部分才不会破坏脊柱整体的载重能力，则完全依靠医生的经验，没有理论量化依据。此外，对于脊椎侧弯的治疗，需要通过手术手段对脊柱弯曲部位施加矫形力进行矫正，而施加矫形力的大小则需要精确的力学分析。因此，对脊柱整体进行力学分析以及对于脊柱相关疾病的治疗就显得极为重要。

目前，研究人员对于脊柱的力学分析，主要依赖于使用有限元的方法对脊柱数学建模，通过计算模型得到脊柱各节脊椎的受力情况。虽然通过数学计算的方法可以得到脊椎的受力情况，但是显然理论计算与实际情况总是存在着不可避免地偏差。此外，在脊椎受力的检测方面，研究人员主要使用电阻应变测量的方法。将多个电阻应变片固定在一个待测部位，当待测部位受力发生形变时，则会引起电阻应变片的电阻值发生相应变化，通过信号转换得到应力值。由于其使用电信号来调制待测信息，因此不可避免地会受到外界地电测干扰，此外，为实现更高的监测精度，其通常需要安放多个电阻应变片，增加测量难度和测量成本。因此其无法满足实际测量中对低成本、高精度、简单易操作的需求。

光纤光栅结构简单、应力灵敏度高、质量轻、体积小，因此其可以用于狭小空间的应力力测量，并且可以通过波分复用技术，实现多个点位的同时测量。由于极细的直径与较强的韧性，允许其可以测量脊椎骨间的受力信息。目前，还未报告有基于波分复用的光纤光栅脊椎骨间受力测量系统。

发明内容

本发明目的是针对现有技术对于脊椎力学分析中脊椎骨间受力测量存在的一系列问题，例如基于数学计算的有限元建模方法无法完全与实际情况相匹配和基于电阻应变测量装置的操作复杂、易受外界电磁干扰而导致精度较差的问题，提供一种基于光纤光栅的脊椎骨间多点实时受力测量装置，可以实现对不同受力点的同时测量。

本发明方案中设计的基于光纤光栅脊锥骨间多点实时受力测量装置，不仅可以实时的监测相邻两脊锥骨之间的受力情况，而且可以通过复用技术并联多路光纤光纤链路实现多个点的测量。本发明主要基于光纤光栅的复用技术和光纤光栅的传感特性原理，将多个光纤光栅传感器并联一起，对脊椎骨间所受应力进行测量。

本发明技术方案：