- 用于測量脊柱偏差的光纖傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2022/10/9
研究人員設計的用于測量脊柱曲率的三芯光纖傳感器。三個光纖芯的位置在所提出的傳感器中產生了不對稱的幾何形狀，使其能夠測量脊柱曲率的方向和大小。來源：光學工程（2022 年）。DOI：10.1117/1.OE.61.9.097102
脊椎或脊柱（或脊柱）可分為四個主要曲線。這些曲線的形狀使我們的身體能夠在不同的位置和條件下適當地分配重量，例如坐著或彎腰時。然而，某些脊柱畸形會導致這些曲線顯著偏離，這可能導致慢性疼痛或嚴重殘疾。
因此，醫生需要正確測量這些脊柱曲線的曲率，以便及早診斷潛在的有害狀況。這樣做的傳統方法是拍攝患者脊柱的 X 射線圖像，然后手動或使用圖像分析軟件計算每個部分的曲率。不幸的是，這種方法有一些缺點：它既費時又容易出現人為錯誤和機器錯誤。此外，X 射線輻射對我們的身體有害，因此盡量減少 X 射線檢查。
注意到這個問題，研究人員已經深入研究了不同類型的系統和傳感器來測量脊柱曲率。這些替代技術多種多樣，包括 Vicon 和 Kinect 等運動捕捉系統、慣性傳感器或光學傳感器。然而，它們有一個共同的局限性：它們不能提供準確的定量測量值，這對于醫生診斷脊柱彎曲問題至關重要。
為了解決這個問題，伊朗大不里士大學的研究人員開發了一種基于光纖的新型傳感器。正如他們在《光學工程》上發表的論文中所解釋的，光纖傳感器具有許多優點，包括低成本、高靈敏度和小尺寸。這些傳感器已被用于監測結構和機械臂的曲率。但同時測量脊柱曲率的大小和方向提出了一個額外的挑戰——團隊通過創新設計克服了這一挑戰。
在所提出的光纖傳感器中，輸入光通過三個光纖芯。傳感器的工作原理基于所謂的“波長調制”概念。簡而言之，當光纖彎曲時，纖芯材料的結構會發生變化，從而改變其密度。反過來，這會改變纖芯的折射率，并且輸出光的波長會根據光纖彎曲的程度而變化。通過構建校準表，可以根據單個核心中輸入和輸出光的波長之間的差異來估計脊柱曲率的大小。
但是這個傳感器是如何測量曲率方向和大小的呢？答案在于三個纖芯的相對位置，這會產生不對稱的幾何形狀。換句話說，當傳感器靠在患者的脊椎上時，每個光纖芯的彎曲程度都略有不同。通過比較兩個外層纖芯的輸出光的波長，可以計算出彎曲的方向分量。
“一般來說，設計傳感器的挑戰之一是傳感器的輸出與其感測值的關系。不希望出現的情況是測量項目和輸出之間的非線性關系。可能的條件是線性形式，”該論文的作者之一 Somayeh Makouei 說。“擬議光纖的一個顯著優勢是它在輸出中顯示線性結果。而且，被測量曲線的長度是曲率測量傳感器的限制之一，尤其是在光學傳感器中。擬議的光纖沒有對要測量的曲線長度的任何限制。”
與先前研究中報道的另一個三芯光纖傳感器相比，新傳感器在所有旋轉方向上提供了大約每米 1.22 皮米的更高靈敏度。此外，新傳感器本質上更能抵抗光源中的功率波動——這個問題嚴重阻礙了基于強度調制的傳感器。
總的來說，新的光纖傳感器可以為測量脊柱不同部分曲率的新方法鋪平道路。我們可以期待進一步的研究和設計改進，為醫生提供一種方便可靠的工具。
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