Sensor Serat Optik untuk Pemantauan Pernapasan

Sensor Serat Optik yang Dapat Dipakai untuk Pengukuran Biomekanik

• Sensor serat optik yang fleksibel memungkinkan pengukuran parameter deformasi besar pada tubuh manusia.
• Interogator kecil meningkatkan portabilitas.

Konstruksi Sensor SLIMS

• SLIMS (stretchable lightguide for multimodal sensing) memiliki inti yang terbuat dari elastomer poliuretan (Clear Flex 30) dengan indeks refraksi tinggi (ncore = 1.47).
• Lapisan SLIMS terbuat dari elastomer silikon (Dragon Skin 20) dengan indeks refraksi rendah (ncladding = 1.41).
• SLIMS terdiri dari dua inti penampang persegi panjang yang ditumpuk, dipisahkan oleh bahan pelapis.
• Salah satu inti transparan, yang lain mengandung pewarna penyerap (EP7701).
• Dua chip sensor warna RGB (TCS3472, ams AG) dipasang di ujung serat.
• Dapat digunakan sebagai intensitas inti yang diwarnai dan inti transparan, juga sebagai detektor kolorimetri.

Pengukuran Parameter Biomekanik Manusia

• Pasien dengan stroke atau cedera otot/sendi memerlukan latihan dasar seperti latihan pernapasan, gerakan sendi ekstremitas atas, dan latihan berjalan.
• Sensor serat optik dapat disematkan pada bahan fleksibel atau perangkat eksoskeleton untuk mengukur berbagai kuantitas fisik.

Pemantauan Denyut Nadi, Detak Jantung, atau Laju Pernapasan

• Detak jantung dan laju pernapasan adalah parameter dasar yang mengkarakterisasi kesehatan fisiologis manusia.
• Sensor serat optik dapat ditempatkan di berbagai bagian tubuh untuk mendapatkan detak jantung atau laju pernapasan.
• Sensor serat optik leher cocok adalah sensor serat optik plastik berdasarkan modulasi intensitas cahaya yang dipantulkan.
• Sensor mencakup tempat silinder untuk memasang POF pada jarak 3 mm dari ujung kepala sensor, reflektor berlapis aluminium melingkar ditempelkan pada kulit arteri karotis.
• Gerakan kecil arteri karotis akan mengubah jarak antara reflektor dan serat untuk memodulasi cahaya yang dipantulkan, memungkinkan pemantauan denyut arteri karotis noninvasif.
• Sensor berbasis diafragma juga digunakan untuk memantau denyut nadi di pergelangan tangan.
• Untuk meningkatkan sensitivitas penginderaan deformasi kecil, serat optik biasa ditarik menjadi MNF dan ditempelkan pada film PDMS dari resonator simpul mikroserat plasmonik hibrida (HPMKR).
• Ada dua cara untuk memantau laju pernapasan dengan sensor serat optik: sensor serat optik dikombinasikan dengan pita elastis.

Tabel I: Pengukuran Informasi Fisiologis dan Gerakan Manusia Berdasarkan Penginderaan Serat Optik

• Arteri karotis: Sensor POF, koefisien sensitivitas 727µV/µm; resolusi perpindahan 0,1µm.
• Pergelangan tangan: Resonator simpul mikroserat plasmonik hibrida, respons regangan di bawah 1‰.
• Dada atau perut: Sensor POF sisi-poles, dapat secara bersamaan memantau detak jantung dan laju pernapasan terlepas dari gerakan tubuh dan lokasi pemantauan.
• Digantung di telinga: Bahan peka kelembaban yang dienkapsulasi sensor FBG, kesalahan persentase absolut rata-rata dari laju pernapasan kurang dari 2%.
• Sendi jari: Pemandu cahaya yang dapat diregangkan untuk penginderaan multi-modal, memiliki sensitivitas terhadap peregangan yang berada dalam 2-5 dBe-1 dan dapat secara bersamaan menangkap gerakan proprioseptif dari tiga sendi jari dan sensasi eksternal dari penekanan eksternal.
• Sendi siku: Sensor POF sisi-poles, kesalahan sudut adalah 6,33° untuk kecepatan tekuk yang berbeda dan 5,31° untuk peserta yang berbeda.
• Bahu, siku, pergelangan tangan, sendi lutut atau perut: Serat optik mirip kulit dan dapat diregangkan, batas regangan dapat mencapai 100%; kesalahan histeresis kurang dari 4,07%; rentang pengukuran sudut: 0-120°.
• Sendi lutut atau jari: Sensor serat optik yang dibuat bahan fleksibel, batas regangan dapat mencapai 300%, radius tekuk dapat mendekati 0, dan kedalaman indentasi dapat mencapai 62,5% dari diameter serat.
• Punggung: Bahan fleksibel yang dienkapsulasi sensor FBG, koefisien sensitivitas adalah 0,2nm/mε.
• Sendi pergelangan kaki: Sensor F-P, sensitivitas rata-rata adalah 0,029±0,001mW.
• Posisi plantar: Sensor FBG polimer, koefisien sensitivitas minimum adalah 7,71pm/KPa; koefisien sensitivitas maksimum adalah 8,51pm/KPa.
• Posisi plantar (Karpet): Sensor POF sisi-poles, kesalahan relatif rata-rata adalah 2,9%.

Pemantauan Suhu dan Kelembaban Permukaan Tubuh

• Pengukuran suhu dan kelembaban banyak digunakan dalam pemantauan lingkungan di bidang industri, pertanian, dan konstruksi.
• Dalam pelatihan rehabilitasi untuk pasien stroke atau cedera tubuh, pemantauan suhu dan kelembaban permukaan dan mensintesis informasi fisik lainnya dapat mengkarakterisasi keadaan pelatihan dan tingkat kelelahan pasien secara lebih komprehensif.
• Jaringan saraf BP yang dikombinasikan dengan sistem pengukuran suhu FBG diusulkan untuk memodelkan bidang suhu permukaan tubuh manusia.

Pemantauan Sudut Sendi

• Mengukur rentang gerakan sendi anggota badan seperti sendi jari-pergelangan tangan-siku dan pinggul-lutut-pergelangan kaki adalah langkah dasar untuk mengevaluasi mobilitas pasien dengan cedera otot, tulang, atau saraf.
• Sensor serat optik telah berkembang dari pemantauan sudut sendi tunggal ke pemantauan sudut sendi ganda.
• Bahan enkapsulasi atau fabrikasi untuk sensor serat optik telah diubah dari kaca silika menjadi bahan yang lebih fleksibel.

Pemantauan Ekstensi dan Fleksi Otot

• Sensor serat optik dapat merasakan niat gerakan manusia dengan mendeteksi ekstensi dan fleksi otot pasien atau gaya interaksi manusia-komputer untuk mengendalikan eksoskeleton.
• Niat fleksi atau ekstensi sepasang otot di lengan (lengan bawah) dapat dideteksi menggunakan prinsip kehilangan mikro-bending sensor serat optik.

Tabel II: Aplikasi Penginderaan Serat Optik dalam Perangkat Rehabilitasi

• Fleksor dan ekstensor lengan bawah, sensor kehilangan mikro-bending serat optik, dapat menilai secara real-time fleksi dan ekstensi kesadaran otot untuk menyelesaikan pegangan dan pelepasan objek.
• Fleksor dan ekstensor tulang kering, sensor FBG polimer enkapsulasi fleksibel, kesalahan relatif dari gaya interaksi manusia-komputer kurang dari 4,5%.
• Sendi lutut eksoskeleton, sensor POF sisi-poles, kesalahan kuadrat tengah akar pengukuran sudut sendi lutut eksoskeleton adalah 3,8°.

Pemantauan Bentuk

• Penginderaan bentuk adalah menempatkan sensor serat optik pada objek yang perlu mengukur bentuk, regangan pada permukaan objek dikonversi menjadi perubahan kelengkungan dan torsi serat.
• Sensor serat optik dibuat menjadi sensor bentuk dan sudut untuk dipasang pada sendi pergelangan tangan dan jari manusia, mereka memantau kurva gerakan spasial dari dua derajat kebebasan dorsifleksi-palmfleksi pergelangan tangan.

Pemantauan Gaya Berjalan

• Penyakit neurodegeneratif dan penuaan fisik dapat menyebabkan gangguan berjalan.
• Analisis gaya berjalan dapat mendeteksi penyimpangan negatif dari pola berjalan normal dan penyebabnya untuk mengkuantifikasi parameter yang terlibat dalam gerakan ekstremitas bawah.
• Kurva gaya berjalan dapat diperoleh dengan memantau sudut sendi lutut, sudut sendi pergelangan kaki, atau tekanan plantar.
• Sensor FBG polimer dan sensor FBG silika umumnya digunakan dalam sol tekanan.
• Serat optik polimer memiliki batas regangan yang lebih tinggi, ketangguhan fraktur, sifat tekuk, ketahanan benturan, dan koefisien sensitivitas yang lebih tinggi daripada sensor serat optik dengan struktur yang sama yang terbuat dari silika.

Pemantauan Kuantitas Fisik Terdistribusi

• Selain pemantauan titik tunggal yang dirangkum di atas, sensor serat optik juga dapat digunakan untuk pemantauan kuasi-terdistribusi dan terdistribusi.
• Teknologi multi-pleksing sensor serat optik diusulkan berdasarkan perubahan intensitas cahaya serat optik polimer untuk mewujudkan teknologi multi-pemantauan kuasi-terdistribusi dengan cara multi-pleksing waktu.
• Metode multi-pemantauan yang menggunakan sensor serat optik titik tunggal juga mencakup multi-pemantauan divisi panjang gelombang, divisi frekuensi pembawa, divisi spasial, dan divisi domain koheren.

Pemantauan Kuantitas Fisik Terdistribusi

• Sensor serat optik mendeteksi parameter eksternal melalui berbagai intensitas cahaya yang tersebar, frekuensi, dan informasi fase dalam serat.
• Teknologi interogasi penginderaan serat optik terdistribusi termasuk reflektometri domain waktu optik (OTDR), reflektometri domain frekuensi optik (OFDR), dan reflektometri domain koherensi optik (OCDR).

Perbandingan Skenario Aplikasi OFS dan Sensor Elektronik

• Penerapan luas sensor serat optik dalam rehabilitasi medis adalah solusi yang baik bagi mereka untuk menjadi sistem yang dapat dipakai.
• Sensor serat optik tidak terpengaruh oleh lingkungan pengukuran dan lebih aman dalam mengukur kelembaban permukaan tubuh.
• Beberapa parameter dapat diukur secara independen atau bersamaan.
• Sensor serat optik lebih murah daripada sol elektronik komersial.
• Integrasi yang tinggi banyak digunakan di bidang rehabilitasi medis, presisi dan akurasi pengukuran yang tinggi.

Pelajari tentang penggunaan sensor serat optik dalam dunia medis, khususnya untuk memantau pernapasan dan parameter biomekanik tubuh. Temukan berbagai metode pengukuran dan teknik inovatif yang digunakan dalam rehabilitasi pasien.