Sensors and Actuators B 181 (2013) 172–178

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Sensors and Actuators B: Chemical

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / s n b

A miniature fiber optic blood pressure sensor and its application in in vivo blood pressure measurements of a swine model

Nan Wu ^a, Ye Tian ^a, Xiaotian Zou ^b, Yao Zhai ^b, Kurt Barringhaus ^c, Xingwei Wang ^a,

• Electrical and Computer Engineering Department, University of Massachusetts Lowell, 1 University Ave., Lowell, MA 01854, USA
• Biomedical Engineering and Biotechnology Department, University of Massachusetts Lowell, 1 University Ave., Lowell, MA 01854, USA
• University of Massachusetts Memorial Medical Center, University of Massachusetts Medical School, 55 Lake Ave., North Worcester, MA 01655, USA

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 17 September 2012 Accepted 3 February 2013 Available online 17 February 2013

Keywords:

Blood pressure

Optical fiber

Pressure sensor

Fractional flow reserve

a b s t r a c t

Fractional flow reserve (FFR) is a promising technique in diagnosis of coronary artery stenosis. The technique is applied in coronary catheterization to measure the blood pressure (BP) difference across a coronary artery stenosis in the blood flow. In vivo BP measurement is the key element in FFR diagnosis. This paper describes the utilizing of a novel miniature fiber optic sensor to measure the BP of a swine model in vivo. A 25–50 kg Yorkshire swine model was used as the test target. A guiding catheter was introduced into the coronary artery, and blood pressure signals in aortic arch and right coronary artery were measured by the fiber optic sensor. A standard invasive manometry was used as the reference. Finally, a 2.25 mm balloon was inflated in the catheter to simulate the stenosis and the BP drop was recorded by the fiber optic sensor. The experiment demonstrates that the reported fiber optic sensor has the capability of measuring blood pressure in vivo and can be used for FFR technique.

copy; 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction

Coronary artery disease (CAD), which is caused by the accumu-lation of atheromatous plaques within the walls of the coronary arteries that supply the oxygen and nutrients to the myocardium [1], is the leading cause of the death. Most CAD patients are not aware of the disease for decades as the disease progressing until the first symptoms, often an acute heart attack, finally show up. The disease is the most common cause of sudden death [2] as well as the most common reason for the death of people over 20 years old [3]. Moreover, half of healthy 40-year-old males will probably develop CAD in the future, and one in three healthy 40-year-old women [3].

Percutaneous coronary intervention (PCI) is a common ther-apy directed toward alleviating CAD. It is important to assess the severity of the lesion and its impact on blood flow before, during and after the angioplasty procedure. Assisted by this information, cardiologists can determine whether a PCI is necessary. Tradition-ally, angiography is the standard method to assess the severity of the lesion but is of limited value when lesions of intermediate severity are identified, because it cannot provide adequate infor-mation regarding whether the blood flow can be impacted by such an intermediate lesion. In order to determine the lesionrsquo;s impact on blood flow, additional information is required. By interrogating

Corresponding author.

E-mail address: xingwei wang@uml.edu (X. Wang).

0925-4005/$ – see front matter copy; 2013 Elsevier B.V. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2013.02.002

the frequency shift between the sound wave emanated from the source and that reflected from the moving blood cells, a Doppler ultrasound guidewire can be used to measure the blood flow rate [4]. However, technical limitations have prevented this technol-ogy from becoming clinically useful. Another method, hot-wire anemometry, uses thermistors to monitor a tiny thermal gradient in a fluid flow stream [5]. However, this method may damage blood cells or tissues because of the heat.

Fractional flow reserve (FFR) is an alternative method to evaluate the stenosis in coronary artery [6–12]. The severity of the narrowing is determined by measuring the blood pressure difference across a coronary artery stenosis in the blood flow through coronary catheterization. This method has been eventually accepted by doctors since 1990s. In order to achieve accurate FFR diagnosis, in vivo blood pressure measurement is critical. Various studies have been conducted on how FFR benefits to the diagno-sis of the coronary artery stenosis by conducting the intravascular blood pressure measurement [12]. Most of the sensors used in these studies are electrical sensors which may generate electrical noises to interfere with other electrical equipments in the operating room, where the electromagnetic interference is risky to patients. On the other hand, fiber optic pressure sensor is a potential substitution to the current electrical pressure sensors. The fiber optic pressure sensor can be easily packaged in a guide wire due to its compact size which is generally 125 m in diameter. Due to its all optical operating principle, the fiber optic sensor cannot interfere with other electrical equipments. Samba Sensors released a fiber optic pressure sensor for intravascular blood pressure measurement. The

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sensor is made by attaching a 0.36–0.42 mm diameter silicon sen-sor head to the tip of a

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微型光纤血压传感器及其在猪模型活体血液测量中的应用

马萨诸塞州洛厄尔大学电气与计算机工程系，洛厄尔大学大道1号，马萨诸塞州01854
马萨诸塞州洛厄尔大学生物医学工程与生物技术系，洛厄尔大学大道1号，马萨诸塞州01854
马萨诸塞州纪念医学中心大学，马萨诸塞州大学医学院，北伍斯特湖大道55号，马萨诸塞州01655

血压、光纤、压力传感器、分流储量

摘要：

体内血压测量是FFR诊断的关键因素。分数血流储备（FFR）是诊断冠状动脉狭窄的技术,该技术用冠状动脉导管插入术可以测量血流中冠状动脉狭窄的血压差（BP）。本文介绍了一种新型微型光纤传感器用来测量猪模的型体内血压。用25-50公斤的猪模型作测试。将引导导管引入冠状动脉中，在导管中充入2.25mm的气囊以模拟狭窄通道，标准侵入测压被用作参考并通过光纤传感器测量主动脉弓和右冠状动脉中的血压信号。最后，实验表明，所报道的光纤传感器具有测量体内血压的能力，并可用于FFR技术。

1、介绍

冠状动脉疾病( CAD )，它是由于冠状动脉壁内动脉粥样斑块的积聚而引起的，这些斑块向心肌提供氧和营养。大多数冠心病患者几十年来都没有意识到这种疾病，直到最初的症状(通常是急性心脏病发作)出现。这种疾病是突然死亡的最常见原因，也是20岁以上的人死亡的最常见原因。此外，健康的40岁男性中有一半将来可能会患上冠心病，而健康的40岁女性中有三分之一会患病。

经皮冠状动脉介入治疗（PCI）是一种常见的缓解冠心病的治疗方法。在血管成形术之前、期间和之后评估病变的严重程度及其对血流的影响是很重要的，在这些信息的帮助下，心脏病专家可以确定是否需要PCI。传统上，血管造影是评估病变严重程度的标准方法，但在确定中重度病变时能力有限，因为它不能提供关于血流是否受到这种中等病变影响的充分信息。为了确定病变对血流的影响，需要额外的信息。通过询问从源头发出的声波和从移动血细胞反射的声波之间的频移，超声多普勒导丝可以测量血流量。然而，技术上的局限性阻碍了这一技术在临床上的应用。另一种方法，热线风速仪，采用热敏电阻来监测流体中的微小热梯度。然而，这种方法可能会破坏血液细胞或组织。

血流储备分数（FFR）是评价冠状动脉狭窄的标准之一。狭窄的严重程度是通过测量血流中的冠状动脉狭窄处的血压差来确定的。该方法已最终被医生采用。自上世纪90年代以来，为了实现准确的FFR诊断，体内血压的测量是关键。关于FFR如何通过血管内血压测量有利于诊断冠状动脉狭窄，已经进行了各种研究。这些研究中使用的大多数传感器都是电传感器，它们可能产生电噪声干扰手术室中的其他电气设备，而电磁干扰对病人也是有风险的。光纤压力传感器则是一种潜在的替代品。光纤压力传感器由于其体积小，可以很容易地封装在导丝上，由于其全光工作原理，所以不干扰其他电气设备，传感器是通过连接直径为0.36 - 0.42毫米的硅传感头到一个直径为0.25毫米的光纤接头。

本文介绍了一种单纤直径为125 mm的光纤血压传感器，用于体内血压测量。该传感器在猪模型上做了充分的测试，通过在导管内放置2.25毫米的球囊模拟冠状动脉狭窄。将参考压力计与光纤传感器并排放置以便比较。为了补偿由主动脉弓大曲率引起的弯曲损失，设计了一种特殊的讯问系统。实验结果表明，光纤传感器具有监测血压分布和血压下降的能力。光纤血压传感器证明了它在FFR应用中的冠状动脉狭窄的定位能力。

2、光纤血压传感器

光纤压力传感器是基于法布里 - 珀罗（FP）干涉仪设计的，如图1所示。可以观察到三个元件：单模光纤，多模光纤和硅二氧化硅（SiO2）膜片。多模光纤被用于制造通过氢氟酸（HF）的湿法蚀刻形成的气腔。腔的直径由多模纤芯的直径确定，并且腔的深度由蚀刻持续时间决定。 SiO2膜片通过热结合技术连接到气腔的末端。因此，多模光纤纤芯/气腔界面和气腔/光阑界面形成FP腔，反射光将产生干涉图案。单模光纤引导在FP腔上激发的询问光并收集反射光。

根据FP干涉仪的原理，干涉图样的光学相位由下式决定

其中L是FP腔的长度; n是空腔的折射率，在这种情况下是1（空气）;lambda;0是询问光的波长。 当FP腔的长度由于施加在隔膜上的外部压力而改变时，光学相位改变。 FP腔长度变化与外部压力之间的关系可表示为：

其中Yc是隔膜的中心变形; v是隔膜的泊松比; P是施加在膜片上的外部压力; r是隔膜的半径; h是隔膜的厚度; E是隔膜的杨氏模量。外部压力可以通过询问光学相位变化来确定。 在一个低精度FP腔的情况下，这是由每个反射界面的低反射率引起的反射光强度可以近似为正弦函数

（1）光纤血压传感器的原理结构图

其中I0是平均光强度; V是FP干涉仪的可见度; 0是初始光学相位。 因此，通过询问反射的光强度可以确定施加到光阑的压力。

2.2制造

通过深反应离子蚀刻（RIE）硅衬底背面蚀刻具有氧化物层的硅衬底来释放二氧化硅隔膜。隔膜的厚度由硅衬底上生长的氧化物层的厚度决定。这种方法可以实现具有可控制和均匀厚度的隔膜。纤维是通过将一片MMF与SMF拼接在一起，然后将MMF劈开以便留下约30-40m长的MMF来制备的。通过将具有MMF末端的纤维浸入49％HF中形成FP腔。最后，通过火炬将硅隔膜热结合到蚀刻纤维的端部。制造的传感器的显微照片如图1所示。

隔膜的独立制造消除了由支撑结构引入笨重传感器头的必要性。这种结构的稳健性已经在各种压力测量应用中得到证明。传感器头的均匀直径使传感器保持最小尺寸并允许进行以下包装程序

图1 制造的BP传感器的显微照片（a）侧视图和（b）端面

如图1所示，压力传感器是在一根裸露的光纤上制造的，该裸光纤的尺寸约为人发的大小，没有任何外部保护，例如缓冲器或护套。裸光纤由特殊掺杂的纯玻璃（硅石）制成，其性能和长期耐用性可能受环境条件的影响。直接暴露于复杂的血管环境中，纤维特别是脆弱的隔膜易破裂，光信号不准确。因此，将光纤传感器用作医疗装置需要精密的保护。此外，在体内血压测量应用中还需要可操纵的尖端部分和生物相容性覆盖物。

完整封装的光纤传感器的原理图如图2所示，封装的传感器的顶端部分的照片如图3所示。在剥离的裸光纤周围覆盖着Kapton管，以保护它免受外部压力。卡普顿管和卡圈管加强型卡普顿管一起工作，围绕精巧的纤维尖端以防止周围的接触。 Kapton管材具有允许外部介质的开口与光纤传感区域进行交互。 具有聚合物头的不锈钢线圈粘合在尖端区域以实现灵活的转向。 所有的覆盖材料都是生物相容的聚酰亚胺或与聚四氟乙烯（PTFE）涂层。 全封装器件的不同部分的机械性能因可转向尖端，柔性中间和刚性延伸而变化。 猪模型使用的包装长度超过1.5米。 最终的外径（OD）约为360米，这接近医疗应用的商用导丝。

图2 光纤传感器的原理

图3 传感器的顶端部部分照片

3传感器验证

3.1实验装置

在动物试验之前，进行静态实验以研究传感器的静态性能。图4显示了实验装置的示意图。光纤传感器被放置在一个密封室内，压力由压力控制器（NetScanner Model 9034，Pres-sure Systems Inc.）控制。密封室充满水以模拟猪动脉的内部环境。为了补偿在动物试验期间光纤传感器穿过冠状动脉时发生的弯曲损耗，引入了具有检测弯曲损耗能力的询问系统。使用宽带光源（OEBLS-200，O / E Land Inc.）通过圆环激励光纤传感器。反射光通过分光器分成两根光纤。其中一根光纤通过可调谐滤波器（FOTF-025121333，FOTF-02512133）与光电探测器（PDA10CS，Thorlabs Agiltron）。这个频道被称为窄带频道。另一根光纤直接连接到另一个光电探测器（PDA10CS，Thorlabs）。这个频道被称为宽带频道。

在窄带通道中，可以观察到来自光纤传感器的反射干涉光谱，因为在传感器中连续长度比FP腔长度长得多。相反，宽带信道中不存在干扰，因为相干长度比传感器中的FP腔长度短得多。因此，窄带信道中的光电探测器被用来询问传感器，而宽带信道中的光电探测器被用来检测弯曲损耗。

图4 实验装置的示意图

3.2传感器校准

光纤血压传感器的典型反射光谱如图5a所示，当可调滤波器的峰值波长设置为1547.5 nm时，传感器的校准结果如图5b所示。腔室内的压力从0mmHg增加至200mmHg，步骤为50mmHg，然后以相同的步骤从200mmHg降低至0mmHg。结果表明，根据低标准偏差，传感器具有低滞后和高重复性。灵敏度计算为0.035 mV / mmHg。

图5a 光纤血压传感器的典型反射光谱 图5b 传感器的校准结果

4血管内血压测量

4.1动物试验协议

在进行气管内插管之后，将25-50kg约克夏猪预先肌内注射Glycopirrolate B（0.01mg / kg）和麻醉剂混合物（5mg / kg Telazol; 2.5mg / kg氯胺酮; 2.5mg / kg赛拉嗪） 。吸入2-3％异氟醚维持麻醉。接下来，通过切割获得股骨人造肌，并插入6个法国导引鞘。静脉注射肝素（50单位/ kg），并将6支法国JR-4导管（美敦力;明尼波利斯，明尼苏达州）引导至主动脉弓。使用标准侵入测压法获得基线血压测量结果。光纤血压测量同样获得离线比较。

导引导管前进到主动脉弓。为了证明捕获心跳信号的能力，血压通过光纤血压传感器在两点进行测量：主动脉弓和右冠状动脉。当光纤传感器在导管外时测量主动脉弓处的血压。当光纤传感器位于导管内时，测量右冠状动脉的血压。最后，将2.25mm球囊（Quantum Maverick，Boston Scientific）插入导管以模拟狭窄。当气球充气和放气时，通过光纤传感器测量血压。

4.2主动脉弓的血压测量

图6a示出了主动脉弓中由光纤血压传感器采集的血压测量周期的结果。光纤传感器的结果与参考压力计一致，如图6b所示。压力范围从54mmHg到88mmHg，心跳每分钟大约83次（bpm）。在这个测量中，光纤血压传感器展示了它捕获心跳信号的能力。

图6a 采集的血压测量周期 6b光纤血压传感器捕获心跳信号的能力

4.3 右冠状动脉血压测量

为了到达右冠状动脉，光纤血压传感器必须通过主动脉弓，因为主动脉弓的大弯曲导致光纤损失巨大的光强度损失。 因此，确定光纤何时遭受光强损失至关重要。 光纤传感器的询问系统具有识别光纤弯曲损耗的能力。 图4中的宽带信道被用来捕获由弯曲损耗引起的光强下降，因为它对血压变化不敏感。 因此，信号来自宽带信道用于补偿光纤的弯曲损耗。 来自宽带和窄带信道的电压信号如图7a所示。 在大约249秒时，光纤传感器被推进到右冠状动脉并遭受弯曲损失。 从这两个通道可以看出，存在巨大的电压降。 电压降的不同幅度是由于光电探测器的不同增益设置引起的。 在确定信号下降是由弯曲损耗引起的后，来自宽带信道的信号被用来补偿窄带信道中的信号下降，如图7b所示。

图7a 宽带和窄带信道的电压信号 7b信号补偿

图8a 光纤传感器测得的血压 8b光纤传感器和参考压力计的信号

图8a显示了光纤传感器测得的血压。来自光纤传感器和参考压力计的信号（图8b）不是非常一致。不一致是由于光纤传感器和参考压力计的位置不同造成的。光纤传感器位于导管内，而压力计位于导管的尖端。由于存在导管，导管内的血压可能与外部压力不同。然而，从光纤传感器获得的压力范围是从60mmHg到100mmHg，这与参考压力计（从60mmHg到96mmHg）一致。可以观察到，由光纤传感器和参考压力计采集的右冠状动脉的收缩压和舒张压高于在主动脉弓处采集的压力。

4.4用气球测量血压

在测量不同位置的血压后，为了证明FFR应用中的光纤血压传感器，将2.25mm的气囊插入导管以模拟狭窄。气球膨胀时血压会下降，而气球放气时血压会恢复。充气/放气循环重复3次。图9显示了来自宽带和窄带信道的电压信号。根据宽带通道的电压偏移，当气囊膨胀时，血管的曲率发生变化。因此，可以观察到来自窄带信道的基线变化。图10显示了宽带通道补偿后，整个膨胀/收缩过程中来自光纤传感器的血压读数。可以清楚地看到，有3个循环的气球充气和放气。当球囊膨胀时，血压的峰 - 峰幅度降低。气球放气后，恢复血压峰值到峰值。表1中示出了每个过渡时期的血压的详细信息。

当气球第一次充气时，可以观察到血压的大幅增加。参考压力计也显示相同的血压升高。血压超出参考压力计的读数范围。这可能是因为气球充气时压力增加了。然而，在实际的FFR应用中，血压信号的峰 - 峰幅度更重要，并且FFR应用中没有压力积累。在第二次和第三次充气/放气周期中，可以观察到血压变化的峰值。来自光纤传感器和参考压力计的读数是一致的。在球囊膨胀期间，当球囊放气时血压的幅度下降而血压的幅度增加。

图9 来自宽带和窄带信道的电压信号 图10 光纤传感器的血压读数

图11

5结论

在本文中，一个用于FFR应用的微型光纤血压传感器在猪模型中被设计，制造和测试。进行静态实验来验证传感器的性能。体内实验通过使用猪作为动物目标来进行。为了补偿由于冠状动脉大曲率引起的光纤弯曲损耗，设计了一种特殊的询问系统。

在冠状动脉的不同位置测量血压，以证明光纤传感器捕获心跳信号的能力。审讯系统很好地补偿了由冠状动脉曲度引起的弯曲损失。为了证明传感器在FFR应用中的使用

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