阅读说明：本技术 分布式血管内光纤布拉格压力传感器 (Distributed intravascular fiber Bragg pressure sensor ) 是由 M·米勒 J·J·H·B·施莱彭 于 2019-01-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种压力感测设备(10),包括：光纤(12),所述光纤(12)包括中心轴(L)和至少一个光纤纤芯(14),所述至少一个光纤纤芯(14)具有一个或多个反射FBG结构；以及围绕所述光纤(12)的涂层(16),所述涂层(16)具有沿着中心轴(L)径向不对称的机械属性。(The invention relates to a pressure sensing device (10) comprising: an optical fiber (12), the optical fiber (12) comprising a central axis (L) and at least one optical fiber core (14), the at least one optical fiber core (14) having one or more reflective FBG structures; and a coating (16) surrounding the optical fiber (12), the coating (16) having mechanical properties that are radially asymmetric along a central axis (L).)

分布式血管内光纤布拉格压力传感器

技术领域

本发明涉及压力感测。具体地，本发明公开了一种压力感测设备，其中，涂层围绕着具有一个或多个反射式光纤布拉格光栅结构的光纤。涂层展现出沿着设备的中心轴径向不对称的机械属性。此外，本发明公开了一种用于确定压力的对应方法。

背景技术

针对压力感测的重要技术领域是要求高敏感性和准确性的血管内压力感测。血管内压力测量(诸如带有单个集成压力传感器的导丝)是测量血管的通畅性和功能性的重要工具。这些单传感器导丝的问题在于：医师每次想在沿着血管的不同位置处测量压力时，都必须移动导丝或导管。这导致“丢失丝线位置”，这需要对丝线的耗时的重新定位，并且甚至可能导致在血管内的错误位置处进行压力感测。沿着动脉来回移动导丝不仅会延长流程，而且还带来不良事件的风险，诸如血管剖开。

为了解决该问题，一种方案在于：提供具有多个传感器的导丝或导管，所述多个传感器能够在沿着导丝或导管的长度的各个点处测量压力。遗憾的是，简单地将多个额外的(电容式或压电式)压力传感器添加到导丝中导致多个问题：额外的传感器以及其线缆要求使所得的导丝太僵硬、太脆弱并且太昂贵。一种可能的解决方案在于选取一种不同的传感器技术，所述技术更适合于多个或分布式传感器。

光纤布拉格光栅(FBG)已经被建议作为一种用于分布式感测的方法。FBG是折射率周期性变化的光纤。仅当光的波长λ满足布拉格条件时，FBG才会反射所述光：

λ＝2Γn_eff (1)

其中，Γ和n_eff分别是光栅的光栅周期和纤芯的有效折射率(https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating)。不满足布拉格条件的光将通过FBG。FBG适用于分布式感测，因为多个布拉格光栅能够被集成在单个光纤中，并且能够个体地读取。例如，这被用在光学形状感测技术中，其中，具有集成FBG的光纤能够检测到数米距离内的光纤弯曲。FBG将感测到光栅的周期长度Γ或折射率n的任何变化。这样的变化能够通过例如温度、应变或压力来引起。

使用FBG作为血压传感器的问题是其对压力的低敏感性，并且对温度和应变的相对较高的敏感性。血压测量所需的压力范围约为从-30mmHg至300mmHg(约-4kPa至40kPa)。精度应当为≤2mmHg(即，≤约0.3kPa)。

二氧化硅FBG的压力敏感度约为0.003pm/k Pa(0.0004pm/mmHg)，而温度敏感度约为10pm/℃，并且应变敏感度约为≈1.3pm/pε，其中，1个皮氏应变(picostrain)pε被定义为相对物理长度变化ΔL/L的10^-12倍(K.Bhowmik等人的“Experimental Study and Analysisof Hydrostatic Pressure Sensitivity of Polymer Fiber Bragg Gratings”，J.Lightwave Tech.33(12)，2456-2462(2015年6月)；US 2015/0141854 A)。因此，约2mmHg的压力变化将导致FBG中的波长偏移约为0.0008pm。这是非常小的波长偏移。为了进行比较，典型的市售FBG询问器的波长分辨率约为1pm(参见http://www.micronoptics.com、http://www.opto-works.co.jp/FBG/BaySpec-Datasheet-FBGA-IRS-R(1).pdf或https://www.hbm.com/en/4604/fs22-industrial-braggmeter-optical-interrogator/)，并且一些达到的分辨率可低至0.05pm(参见http://www.technobis.com)。

典型FBG的压力敏感性低的原因是硅纤维的低弹性，该硅纤维形成市售FBG的基础。液体静压改变纤维的物理长度L，导致Γ的变化。另外，压力改变了纤维的折射率n_eff。在根据M.G.Xu等人的“Optical Fibre Sensor for High Pressure Measurement Using anin-fibre Grating”，http://eprints.soton.ac.uk/77273/1/663.pdf(1993)中，液体静压变化ΔP将导致布拉格波长的变化Δλ：

其中，E是杨氏模量，ν是泊松比，p₁₂和p₁₁是应变光学张量的分量。针对玻璃的典型值为E＝70GPa和ν＝0.17、p₁₂＝0.27和p₁₁＝0.17。从该方程式明显看出，波长偏移与E成反比。

通过利用低杨氏模量的材料制造FBG，能够增强压力敏感性。K.Bhowmik等人的“Experimental Study and Analysis of Hydrostatic Pressure Sensitivity ofPolymer Fibre Bragg Gratings”，J.Lightwave Tech.33(12)，2456-2462(2015年6月)公开了在自制聚合物纤维中制造FBG，其波长敏感性在原始纤维中为Δλ/ΔP≈0.027pm/mmHg，并且在将纤维蚀刻到直径55μm后最高为Δλ/ΔP≈0.1pm/mmHg。然而，这样的聚合物FBG目前并不适合于在商业应用中使用。没有可商购的聚合物FBG。单模聚合物纤维是小生境(niche)。这些纤维和所需的支撑技术(拼接、切割、抛光、FBG书写等)不可用。这是部分由于聚合物纤维的公知问题，诸如塑性变形、缺乏均质性、由于吸水而引起的属性变化等。最后重要的一点：使用聚合物FBG也将增加应变和温度敏感性，因此需要应变和温度补偿技术。

已经提出了用于增加FBG的压力敏感性的多种备选方法。V.R.Pachava等人的“Ahigh sensitive FBG pressure sensor using thin metal diaphragm”公开了通过将FBG集成到膜中而使压力敏感性Δλ/ΔP>4pm/mmHg。压力引起的膜弯曲将轴向液体静压转化为FBG更加敏感的形状变化(并且因此，纵向应变变化)。然而，该原理并不适用于小型化或分布式感测。

已经提出了许多其他方案来提高FBG的压力敏感性，包括使用带孔光纤以及使用光纤Fabry-Pérot-谐振器。例如，US 5297437 A公开了一种嵌入在弹性材料中的光纤Fabry-Pérot-干涉仪。

WO 2015/106887 A1公开了一种被设计用于分布式压力感测的感测线缆，其包括一根或多根光纤，所述光纤包括永久性地写入光纤的纤芯内部的连续的弱纤维布拉格光栅，并且其中，所述感测线缆被配置为使得被施加到感测线缆的压力改变一根或多根光纤中的双折射。在实施例中，感测线缆包括由涂层围绕的光纤，所述涂层包括在横截面上的四种不同材料的四个不同部分，从而形成圆形的周边。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤的压力感测设备以及一种确定压力的方法，其中，已经克服了上述缺点。具体地，目的在于提供基于光纤的压力感测设备，其中，光纤对低压力(例如，血管中普遍存在的液体静压)展现出足够的敏感性。另外的目的在于提供一种分布式感测设备。

另一目的在于提供基于光纤的压力感测设备，其具有降低的或消除的温度敏感性。

在本发明的第一方面中，提出了一种压力感测设备，其包括：

光纤，其包括或者由以下项组成：中心轴和至少一个光纤纤芯，所述至少一个光纤纤芯具有一个或多个反射FBG结构；以及

围绕所述光纤的涂层，所述涂层具有沿着中心轴径向不对称的机械属性。

在本发明的另一方面中，提供一种用于确定压力的方法。所述方法包括：

光学地确定光纤的弯曲，所述光纤包括或者由以下项组成：中心轴和至少一个光纤纤芯，所述至少一个光纤纤芯具有一个或多个反射FBG结构，其中，涂层围绕光纤，所述涂层具有沿着中心轴径向不对称的机械属性；以及

根据涂层的弯曲来计算压力或压力差。

在本发明的又一方面，提供了一种系统，所述系统包括本压力感测设备；以及一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码单元，当所述计算机程序在包括本压力感测设备的系统上被执行时，所述程序代码单元用于使计算机执行在本文中所公开的方法的步骤。

在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的方法、系统、计算机程序和介质具有与所要求保护的系统相似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所定义和本文所公开的。

本发明基于以下发现：通过将一个或多个反射FBG结构集成到机械属性沿着光纤的中心轴径向不对称的设备中，可以改善光纤的压力敏感性，同时降低其温度敏感性。

因此，涂层的机械属性，特别是弹性的杨氏模量、热膨胀系数和泊松比中的一项或多项，在沿着设备长度的所有点上不是径向对称的，而是随方位角

而变化。任何压力，特别是液体静压，将在设备上(并且特别是在一个或多个反射FBG结构上)施加径向力。所述径向力能够导致设备和/或光纤的局部径向变形或弯曲。能够利用现有技术，特别是利用光学形状感测技术(诸如Philips的FORS技术)来检测变形或弯曲。与设备的简单纵向压缩/膨胀相比，所述设备的这种局部弯曲导致较大的应变信号，并且因此产生较大的压力敏感性。

本发明由此提供了一种新的方式来增强光纤对压力(特别是液体静压)的敏感性，所述光纤包括或者由以下项组成：中心轴和至少一个光纤纤芯，所述至少一个光纤纤芯具有一个或多个反射FBG结构，特别是FBG。本发明辅助避免现有技术方案的大多数局限性，并且适用于在例如导丝大小设备中的分布式感测。能够以仅对压力(诸如液体静压)敏感而对温度不敏感的方式来优化设计。

如上文已经指出的，本感测原理能够与光学形状感测技术、特别是与Philips的FORS技术进行有益的组合。例如，其可以为形状感应导丝增加压力敏感性。利过使用被集成在细长设备中的光学形状感测光纤的FORS，能够获知设备的三维形状，并且因此，可以使直到设备的尖端“可见”，但是设备本身对于用户眼睛而言是不可见的。在医学应用中，FORS光纤能够被集成到各种细长的医学设备中，诸如导管、导丝或内窥镜，以提供对医学流程的实况引导或导航。应当理解，本发明并不限于医学应用，而是还能够被广泛地用于工业技术领域。利用FORS，能够同时地跟踪两个或更多个细长设备。在这种情况下，所跟踪的设备中的每个设备都配备有FORS光纤。同时地询问各个体设备的光纤，并且能够相应地重建所述设备中的每个设备的3D形状。所重建的形状能够在显示器或监视器的屏幕上一起被可视化。

通常，本压力感测设备适用于以高精度≤10mmHg对约-8kPa至80kPa的低压力的分布式感测/确定。具体地，本压力感测设备能应用于血管内血压感测，特别是用于血管内血压感测的导丝。血管内血压感测与介入心脏病学(例如，血流储备分数(FFR))相关，但是也与外周脉管系统中的应用相关，并且可能与某些种类的结构性心脏介入以及预测心力衰竭相关。

光纤的“中心轴”或“中性轴”可以对应于圆柱坐标系的纵轴。在光纤是多纤芯光纤的情况下，所述中心轴优选对应于至少一个光纤纤芯之一的轴。备选地，所述中心轴偏离并且平行于至少一个光纤纤芯之一的轴。

光纤可以是单模光纤或多模光纤。

光纤可以包括任意数量的光纤纤芯，诸如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或甚至多于15。多纤芯光纤(优选多纤芯FBG光纤)类似于光学形状感测中所使用的光纤(优选具有一个额外的纤芯，因为液体静压会添加一个额外的自由度)。这样，导丝既能够感测其位置，又能够感测周围的液体静压。

优选地，光纤是玻璃纤维，更优选是二氧化硅纤维。这些光纤和/或者由这些材料制成的光纤纤芯的使用具有如下优点：例如，用于制备和/或修改光纤和/或光纤纤芯的适当技术在本领域是可用并且公知的。

如本文所使用的表达“一个或多个反射FBG结构”涉及嵌入到光纤纤芯中的一个或多个周期性或准周期性的结构，诸如啁啾结构(chirped structure)。这些多个光纤布拉格光栅(FBG)结构之一能支持布拉格反射。光纤布拉格光栅是一小段光纤，其反射特定波长的光并且透射所有其他波长的光。这是通过在光纤纤芯中添加折射率的周期性变化来实现的，这生成特定于波长的介电镜。因此，光纤布拉格光栅能够被用作内联光纤以阻挡特定波长，或者用作特定于波长的反射器。在光纤布拉格光栅的操作背后的基本原理是在折射率正在变化的每个界面处的菲涅耳反射。对于一些波长，各个周期的反射光是同相的，从而存在相长干涉以进行反射，并且因此存在相消干涉以进行传输。布拉格波长对应变以及温度都是敏感的。这意味着布拉格光栅能够用作光纤传感器中的感测元件。优选地，光纤纤芯具有写入的至少一个长的或多个短的FBG。长的FBG属于长周期光纤光栅，其周期比在光纤中传播的辐射的波长大得多，诸如大1000倍或更多。光纤可以包含具有其自己的FBG的一个或多个光纤纤芯。如果使用单个光纤纤芯，则纤芯优选偏离中性轴。

至少一个光纤纤芯具有一个或多个反射FBG结构。优选地，每个光纤纤芯具有至少一个或多个反射FBG结构，诸如2、3、4、5、6、7、8、9、10或者甚至大于15。

除了一个或多个FBG反射结构之外，光纤纤芯可以包括非周期性结构，其例如通过瑞利散射引起折射率的随机变化。瑞利散射可以用在标准的单模通信光纤中，使得能够利用常规光纤中固有的反向散射。瑞利散射由于光纤纤芯中折射率的随机波动而发生。能够将这些随机波动建模为布拉格光栅，其振幅和相位沿光栅长度而随机变化。通过在多纤芯光纤的单个长度内延伸的三个或更多个纤芯中使用该效果，能够跟随感兴趣表面的3D形状和动力学。

涂层可以以不同的方式产生。例如，可以提供具有至少一个光纤纤芯的常规光纤。至少一个光纤纤芯的表面部分通过使用研磨剂(优选使用激光)而暴露。备选地，可以采用化学或机械研磨剂。然后将表面部分涂有沿着中心轴径向不对称的机械属性的材料。特别的优点在于：具有所需机械属性的材料(诸如聚合物，优选为橡胶)是本领域已知的。这同样适用于所需的涂层技术。

优选的是：涂层沿着轴L具有恒定的厚度。在所述情况下，机械属性是由于使用不同的涂层材料而产生的。

由于诸如导丝和微导管的光纤是细长的圆柱形状，所以可以采用圆柱坐标。轴向维度是长度L，其从近端到远端。力、应力、应变和(近似)平行于长度的其他向量被称为纵向。(近似)垂直于轴的力和其他向量称为径向的。属性和力能够随方位角

而变化。与方位角无关的属性被称为径向对称。液体静压是径向力的示例，所述径向力也是径向对称的。

如本文所使用的表达“泊松比”是泊松效应的量度，并且优选是如在https://en.wikipedia.org/wiki/Poisson％27s_ratio中所定义的横向应变与轴向应变的符号比。

根据本发明的一个实施例，压力感测设备适于确定局部压力，所述局部压力在涂层上施加径向力。

压力可以是任何种类的压力。压力优选是局部液体静压，诸如在血管中普遍存在的局部液体静压。涂层材料的至少部分适于在待检测的压力下变形或弯曲。优选地，待检测的压力在-8kPa至80kPa的范围内、优选为-4kPa至40kPa、或-2kPa至20kPa。备选地或另外地，精度为≤10mmHg、≤5mmHg、≤3.5mmHg、或者优选为≤2mmHg，例如≤1.5mmHg、≤1mmHg或者≤0.5mmHg。

根据本发明的另一实施例，机械属性是平衡的，使得热影响和/或应变影响被最小化，从而光纤的任何变形/弯曲将主要由压力引起。措辞“主要由压力引起”优选是指至少90％，诸如至少95％、至少98％、至少99％或者至少99.5％的弯曲是由压力引起的。这可以被计算和/或通过实验确定出。优选地，仅压力变化导致光纤变形。

因此，在施加其他环境效应时，优选在施加热效应和/或应变时，涂层材料不变形/弯曲或最小程度地变形/弯曲。例如，这可以通过使用具有一种或多种相似的热膨胀系数、相似的杨氏弹性模量和不同的泊松比的材料来实现。优选地，材料展现出至少相似的热膨胀系数，以减小热效应或者甚至完全抵消热效应。这些材料属性是已知的，并且可以从普通教科书中得出。将意识到，这些材料属性的绝对值并不重要，因为仅需要考虑其相对彼此的关系。用于测量所讨论的材料属性的设备和方法不是决定性的，而仅仅是可以将这些值相互比较的可能性。这能够通过使用任何设备来建立，但是优选地，使用相同的设备和相同的方法进行比较。

平衡的机械属性具有这样的效果：本设备在向设备施加压力时不会在特定方向上弯曲，而是改变涂层的机械属性，使得不同的弯曲方向相互抵消。结果，即使在多个不同局部压力的感测条件下，本设备也可以保持基本线性的形状。换言之，光纤经受局部弯曲，所述局部弯曲可以被测量但是不影响光纤的整体方向。基本的线性形状优选是指这样的形状，其中：光纤的第一端形成尖端，而光纤的第二端形成(假想的)直圆锥的圆形区域的任何点。在光纤的第一端与第二端之间的任何点都位于圆锥体的体积内或圆锥体的表面上。圆锥体的高度优选为大约200μm至800μm，诸如300μm至700μm、400μm至600μm、或者550μm至650μm，半径为大约35μm至45μm，诸如38μm至42μm或40μm。

通过使用光学形状感测算法，也能够部分地或者完全地补偿作用在涂层上的其他影响，诸如应变压力和/或温度。具体地，可以容易地应用已知的光学形状感测技术。也可以设想到采用一种机器学习算法，其基于经受局部压力、温度和应变的不同变型的系统的比较，并且教导该系统使得有效地消除了后两者。

优选使用数值模拟来执行得出由针对设备的液体静压引起的弯曲效果的精确值。为了得出近似值，可以采用已经开发的方程式来导出由热膨胀引起的双金属带的弯曲半径。线性热膨胀由以下方程式给出(https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion#Coefficient_of_thermal_ex pansion)：

其中，α是热膨胀系数，并且ΔT是温度变化。相比之下，由于压力引起的长度的纵向变化能够被近似为：

因此，能够通过将α替换为并且利用ΔP替换ΔT来适应双金属束的Timoshenko方程式(例如，参见https://en.wikipedia.org/wiki/Bimetallic_strip)。然后，能够通过以下方程式来估算弯曲设备的曲率κ：

其中，h是涂层的厚度。这种简单的估算有力地进行了简化：其是从二次截面而不是圆形截面得出的，并且忽略了光纤的影响。

根据本发明的另外的实施例，涂层具有至少两个纵向部分，所述至少两个纵向部分中的每个纵向部分具有由第一材料制成的第一环形子部分，以及由不同于第一材料的第二材料制成的第二环形子部分，其中，第一材料具有热膨胀系数CTE₁、杨氏弹性模量E₁和泊松比ν₁，并且第二材料具有热膨胀系数CTE₂、杨氏弹性模量E₂和泊松比ν₂，其中，CTE₁和CTE₂的偏差中的至少一个相对于CTE₁和CTE₂的最低值≤10％，E₁和E₂的偏差相对于E₁和E₂的最低值≤10％，并且ν₁和ν₂的偏差相对于ν₁和ν₂的最低值≥75％。替代ν₁和ν₂的偏差，可以考虑针对ν₁和ν₂的绝对值之间的差。该差为0.05或以上，诸如0.075或以上、0.1或以上、0.15或以上、0.2或以上或者0.25或以上。在所述情况下，如果没有关于使用不同的条件/测量方法来确定ν₁和ν₂的指示，则使用相同的条件/测量方法来确定ν₁和ν₂，或者优选从相同的文献源导出ν₁和ν₂。针对一些值的合适文献源例如是https://en.wikipedia.org/wiki/Poisson％27s_ratio。

可以从可用的教科书中导出针对这样的相似的热膨胀系数、相似的杨氏弹性模量和不同的泊松比的相应值。备选地，可以通过使用任何设备和方法来测量这些值，前提是针对待比较的材料使用相同的设备和方法。热膨胀系数、杨氏弹性模量和泊松比分别采用的值展现出的误差容限小于相对于最低值的偏差的50％。然而，在误差容限超出所述范围的情况下，可以采用误差容限的算术平均值。将意识到，并非所有三个条件都需要同时被满足。而是每种组合都是可能的，诸如相似的热膨胀系数和不同的泊松比，或者相似的杨氏弹性模量和不同的泊松比。

特别优选的是ν₁≈0.49，即，ν₁为0.46至0.5，诸如0.48至0.49或0.49，并且第二涂层材料的泊松数ν₂为约0.2或更少，诸如0.18或更少，或者0.15或更少。

优选地，CTE₁和CTE₂的偏差≤8％，诸如≤5％或≤2％。仍然优选地，E₁和E₂的偏差≤8％，诸如≤5％或≤2％。更优选地，ν₁和ν₂的偏差≥100％，诸如≥110％或≥120％。

根据本发明的实施例，其中，至少两个纵向部分中的每个部分具有第一环形子部分和第二环形子部分，第一环形子部分具有方位角

其中，

第二环形子部分具有方位角

其中，第一环形子部分可以具有在上述范围内的任意方位角诸如0°至45°、0°至60°、0°至90°、0°至120°。

优选地，中心轴对应于圆柱坐标系的纵向轴。如果考虑具有单个光纤纤芯的光纤，则尤其如此。在光纤具有两个或更多个光纤纤芯的情况下，中心轴优选对应于至少一个光纤纤芯之一的轴或者具有光纤横截面的几何中心。备选地，中心轴偏离并且平行于至少一个光纤纤芯之一的轴。

可以采用任意数量的纵向截面，诸如2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50或100。每个纵向部分由至少两个环形子部分制成。两个环形子部分具有不同的机械属性，特别是在上文所指示的范围内的不同的热膨胀系数、杨氏弹性模量和泊松比中的至少一个或多个。

优选地，仅采用两个环形子部分。特别优选的是，第一环形子部分具有环形方位角

其中，第二环形子部分具有环形方位角

其中，

备选地，第一环形子部分具有环形方位角

而第二环形子部分具有环形方位角

和

中的任一个为100°至200°，特别是120°或180°，并且

根据本发明的另一实施例，至少两个纵向部分的第一环形子部分围绕光纤交错，使得至少两个纵向部分的第一环形子部分不重叠。

例如，第一部分的第一环形子部分角度为

而另外的第一纵向部分的第一环形子部分的角度为

优选的是，具有不同角度的环形子部分的比率为0.8至1.2，诸如0.9至1.1，优选为0.95至1.05，诸如1.0。第一环形子部分可以彼此相邻或者由轴向对称涂层共享。所述轴向对称涂层是没有明显机械属性的纵向截面，诸如完全由特定材料制成的纵向截面。

此外能设想到的是，第一环形子部分和/或第二环形子部分的方位起始位置是π的倍数，从而导致光纤响应于压力的面内振荡行为。备选地，第一环形子部分和/或第二环形子部分的方位起始位置处于与π不同的方位角处，从而响应于压力而基本上导致光纤的螺旋形状。这导致本设备对例如压力变化具有更高的敏感性。仍然备选地，第一环形子部分和/或第二环形子部分的方位起始位置根据沿着光纤的纵向位置而连续地变化。

根据本发明的又一实施例，所述纵向部分中的每个纵向部分涵盖一个或多个反射FBG结构中的至少一个。

纵向截面的(一个或多个)光纤纤芯内可以包含任意数量的反射FBG结构，特别是FBG，诸如1个或更多个、2个或更多个、3个或更多个、4个或更多个、5个或更多个或者10个或更多个。一个或多个反射FBG结构中的至少一个优选在各个纵向部分的(一个或多个)光纤纤芯内对称地定位，诸如中心对称。数量更多的反射FBG结构改善了压力测量的敏感性，并且还可以辅助提高测量的准确度。

根据本发明的另外的实施例，本压力感测设备还包括的至少一个轴向对称涂层。

轴向对称涂层是没有明显机械属性的纵向截面，诸如完全由特定材料制成的纵向截面。

轴对称涂层通常由相同的材料制成。这种材料在光纤周围形成完整的环面。可以存在被轴向对称涂层覆盖的任何数量的区域，诸如至少1个或多个，诸如2、3、4、5、6、7、8、9或10。覆盖有轴向对称涂层的区域可以被纵向部分夹置在中间。优选地，利用轴向对称涂层覆盖的区域的数量与纵向部分的数量之比为0.8至1.2，诸如0.9至1.1，或者1.0。

根据本发明的实施例，第一环形子部分具有并且第二环形子部分具有

根据本发明的另一实施例，提供了一种用于压力感测的系统。所述系统包括本压力感测设备和介入设备，其中，光纤的一端被耦合到介入设备。

介入设备优选是血管内设备。介入设备可以是适合于被引入到患者血管中的导管、导丝等。介入设备可以包括任何合适长度(例如，1m)的细长轴。所述系统还可以包括工作站或控制台，介入设备可以连接到该工作站或控制台以进行通信，特别是一个或多个控制台部件的光学通信，例如光学询问器和/或适于评估信号的控制台部件的光学通信。包括本压力感测设备的介入设备的一部分可以被配置为可***到血管中。除了本压力感测设备之外，所述介入设备还可以具有适于不同目的的任意数量的额外(常规)光纤，诸如此类的光学形状感测(OSS)。光学形状感测是一种光学测量技术，用于确定三维空间中的结构的位置和形状，由此提供例如相对于患者特定身体部位的血压的精确相关性。优选的是，所述系统还向用户提供同时显示液体静压和设备位置两者的显示器等。将容易理解的是，本发明不限于介入设备，而是可以包括用于确定压力的任何设备或系统。

根据本发明的又一实施例，介入设备是导丝或导管。

根据本发明的另一实施例，介入设备包括光学询问器。

光学询问器用于生成测量信号，所述测量信号是散射谱信号，特别是反射谱信号，指示形状感测元件的细长部分中的散射的幅度和/或相位。能够从散射谱信号中导出反映作用在光纤的不同纵向部分上的局部压力(特别是局部液体静压)的局部应变数据，其中，能够从局部应变数据获得光纤的局部曲率和/或扭转角。光学询问器还可以适于生成适用于不同目的的(一个或多个)任何额外(常规)光纤的相应测量信号。

根据本发明的优选实施例，压力是患者的血管中的血压。

根据本发明的另一优选实施例，通过校准测量和/或FEM(有限元方法)模拟执行根据光纤的弯曲来计算压力差。

校准测量和FEM模拟在本领域中是公知的。备选地或另外地，可以采用以下方程式：

其中，κ是光纤(12)的弯曲的曲率，E₁是涂层(16)的第一材料的杨氏弹性模量，E₂是涂层(16)的第二材料的杨氏弹性模量，ν₁是涂层(16)的第一材料的泊松比，ν₂是涂层(16)的第二材料的泊松比，h是涂层(16)的厚度，并且ΔP是压差。

优选地，可以提供一种用于制备压力感测设备的方法。

所述方法包括：

提供包括中心轴L和至少一个光纤纤芯的光纤，所述至少一个光纤纤芯具有一个或多个反射FBG结构，

对所述光纤进行涂层，使得涂层围绕光纤，并且涂层具有沿着中心轴径向不对称的机械属性。

优选地，利用涂层来涂覆所述光纤包括以径向不对称方式在光纤上施加涂层材料。

优选地，所述方法还包括化学和/或物理处置所述涂层。

化学处置包括例如对表面部分的蚀刻。物理处置可以包括利用合适的光源来辐射涂层的聚合物，以使其硬化和/或通过使用激光来蚀刻表面部分。优选地，利用不同的光源和/或光强度来处置相同的材料，以生成所需的环形子部分的不同机械属性。

附图说明

参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐述。在以下附图中：

图1以示意图示出了在血管中采用本压力感测设备的压力感测系统；

图2示出了用于本发明的圆柱坐标系的示意图；

图3示出了根据本发明的压力感测设备的部分的示意图；

图4a和图4b示出了非径向对称涂层图案如何将液体静压转变成形状变化的示意图；并且

图5示出了具有施加到光纤上的涂层的不同不对称性的压力感测设备的部分的示意图。

具体实施方式

参考图1，将描述一种用于压力感测的系统30。系统30允许确定血管中的血压。所述系统包括本压力感测设备10，压力感测设备10被配置为可***到血管50中。系统30还包括介入设备32。介入设备32可以是导管、导丝等。介入设备32的至少部分适合于被引入到患者的血管50中。介入设备32包括可以具有大于1m的长度的细长轴34。介入设备32的尖端36(诸如无创尖端)适于在血管50中往复运动而不会对血管50造成伤害。

系统30还包括工作站或控制台60，介入设备32可以被连接到该工作站或控制台60以进行通信，特别是一个或多个控制台部件的光学通信。介入设备32的部分长度被配置为可***到血管22中。

图2示出了在本发明中所使用的圆柱坐标系的示意图。光纤的轴向维度是长度L，其从近端到远端。在本申请中，力、应力、应变和(近似)平行于长度的其他向量被称为纵向。(近似)垂直于轴的力和其他向量被称为径向。属性和力会随方位角而变化。与方位角无关的属性是径向对称的。

图3示出了根据本发明的压力感测设备10的部分。压力感测设备10包括具有至少一个较长或多个较短的FBG被写入的光纤纤芯14。备选地，光纤可以包含具有其自己的FBG的多个光纤纤芯。如果使用单纤芯光纤，则优选纤芯偏离中性轴。光纤纤芯14被涂覆有与血流直接压力接触的涂层。涂层不是轴向对称的。而是，沿设备的长度的多个纵向部分20每个都展现第一环形子部分22，即，每个纵向部分20的部分(优选为一半)(例如，方位角)涂覆有第一涂层材料，并且第二环形子部分24(方位角

)涂覆有第二涂层材料。在沿着设备的长度的其他位置处，涂层可以颠倒，或者光纤可以仅被涂覆一个轴向对称涂层26。优选地，具有这两个涂层的原始次序的设备的累积长度L_O等于具有反向涂层的设备的累积长度L_I。第一涂层材料和第二涂层材料具有泊松数和/或杨氏模量的不同值。理想地，第一涂层材料是一种橡胶，其泊松数ν₁≈0.49，并且第二涂层材料的泊松数ν₂约为0.2或更低。理想地，第一涂层和第二涂层具有相似的热膨胀系数CTE₁和CTE₂，其中，CTE₁和CTE₂的偏差≤10％，这被称为CTE₁和CTE₂的最小值。此外，(一个或多个)光纤纤芯14被连接到光学询问器(由附图标记38示出)，优选地是FGB询问器。(一个或多个)光纤纤芯14的另一侧朝无创伤尖端延伸或者是无创伤尖端。

图4a和图4b示出了非径向对称涂层图案如何将液体静压转变成形状变化的示意图。从图4a可以得出，血液的液体静压在涂层16上施加径向力(应力)70、72。所述力引起涂层在径向上的压缩(轴向应变)并且伴随有纵向上的膨胀(横向应力)。应力(或压力)与应变的比率由杨氏模量给出，而横向应变与轴向应变的比率由涂层材料的泊松数给出。通常，血管内部的设备10上的液体静压与方位角

无关，即径向对称。如果涂层也是径向对称的，则所得到的纵向膨胀也将是径向对称的，并且设备和光纤将根据上述方程式(2)简单地在长度上膨胀。在由轴向对称涂层26覆盖的区域中就是这种情况。但是在利用第一涂层材料覆盖的第一环形子部分22和利用第二涂层材料覆盖的第二环形子部分24中，涂层不是径向对称的。第一涂层将变形为不同于第二涂层。结果，设备10将局部地弯曲或变形(由附图标记18所指示的)，这在图4b中示出。能够经由光学询问器38读取形状的局部变化，并且用于重建液体静压。由于热效应和额外应变会影响读数，因此这种重建在计算上可能会很困难。但是如果第一涂层和第二涂层具有相似或甚至对应的热膨胀系数，则弯曲效果与温度无关。能够通过使用光学形状感测算法来完成针对应变的补偿。对于本实施例中所描述的设备，由液体静压引起的弯曲效果的精确值最好使用上文相对于方程式(3)至(5)所指示的数值模拟来执行。对于聚合物涂层E₁＝E₂＝3GPa，获得ν₁＝0.49和ν₂＝0.2，并且涂层厚度h＝75μm，曲率

或者

图5示出了具有施加到光纤的涂层的不同不对称性的压力感测设备的部分的示意图。该实施例类似于图3，但是使用了施加到光纤纤芯14的第一环形子部分22和第二环形子部分24的涂层的不同的不对称性。根据图3，以交替方式沿着光纤的周长施加两个不同的涂层。以这种方式，各个涂层部分的方位角起始位置是π的倍数，如在图A中所示的。由于施加到光纤纤芯14上的力的对称性，这种情况下，光纤将局部弯曲，如在图4b中所图示的，并且将显示出平面内振荡行为。不仅能够通过简单地交替这两种涂层材料，而且还能够通过以不同于π的方位角施加后续涂层部分(图B)，来破坏这种对称性。结果，涂层材料开始螺旋围绕纵轴。由于现在被施加到FBG的力的不对称性，因此光纤形状现在将在3D空间中振荡，呈螺旋的形状。由于现在允许FBG在3D空间中而不是在2D平面中扩展，因此预期得到的应变和曲率根据所施加的压力与情况A相比更大，从而提高了设备的压力敏感性。图C图示了涂层部分的方位起始位置根据沿着光纤的纵向位置连续变化的情况：这两个涂层部分都不以离散的方式改变位置，而是以连续方式螺旋围绕光纤纤芯14。

因此，本发明可以提供一种用于血管内设备的压力感测设备，例如导丝或微导管，其包含具有一个或多个光纤布拉格光栅的光纤，其中，

设备的机械属性(尤其是杨氏模量或泊松比)在沿着导管长度的所有点处不径向对称，而是根据轴向位置L随光纤的方位角而变化；

从而，液体静压将在设备和FBG上施加径向力，这能够被检测以确定局部液体静压；

特别是在那些径向力将导致设备和/或所包含的光纤的能被检测到的局部径向变形(弯曲)的情况下；

特别是以仅有液体静压(而不是热效应或应变)将导致这样的变形(弯曲)的方式机械属性达到平衡的情况下。这能够例如通过使用具有相似热膨胀系数和相似杨氏模量但是具有不同泊松比的材料来完成；

特别是在使用光学形状感测方法来检测变形的情况下；

特别是在径向不对称受限于沿着设备的长度的特定测量点的情况下；

特别是在径向不对称包括半径一半部的材料参数的一个集合(例如，

)和第二半部的材料参数的第二集合(例如，

)的情况下；

特别是在径向不对称交错的情况下，局部变形通常会相互抵消，并且不会导致整个设备的强烈变形，特别是在通过将不对称旋转180°来完成时；

特别是在材料参数不对称是光纤涂层的形式的情况下。这种不对称能够通过以下方式引起：(1)以不对称方式将涂层物理地施加到光纤上，或者(2)以不对称方式通过例如光照射来处置对称施加的涂层；

其中，光学形状感测技术被用于读取关于局部压力的信息，并且其中，向用户显示液体静压和设备位置。

尽管已经在附图和前面描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不意味着不能有利地使用这些措施的组合。

计算机程序可以存储在/分发在合适的非瞬态介质上，例如与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式(诸如经由互联网或者其他有线或无线电信系统)来分发。

权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制范围。