研究人員設(shè)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(chǎn)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(xué)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(dāng)?shù)胤峙渲亓�，例如坐著或彎腰時。然而，某些脊柱畸形會導(dǎo)致這些曲線顯著偏離，這可能導(dǎo)致慢性疼痛或嚴(yán)重殘疾。

因此，醫(yī)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(tǒng)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(fèi)時又容易出現(xiàn)人為錯誤和機(jī)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(jīng)深入研究了不同類型的系統(tǒng)和傳感器來測量脊柱曲率。這些替代技術(shù)多種多樣，包括 Vicon 和 Kinect 等運(yùn)動捕捉系統(tǒng)、慣性傳感器或光學(xué)傳感器。然而，它們有一個共同的局限性：它們不能提供準(zhǔn)確的定量測量值，這對于醫(yī)生診斷脊柱彎曲問題至關(guān)重要。

為了解決這個問題，伊朗大不里士大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于光纖的新型傳感器。正如他們在《光學(xué)工程》上發(fā)表的論文中所解釋的，光纖傳感器具有許多優(yōu)點，包括低成本、高靈敏度和小尺寸。這些傳感器已被用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)和機(jī)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(zhàn)——團(tuán)隊通過創(chuàng)新設(shè)計克服了這一挑戰(zhàn)。

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(diào)制”概念。簡而言之，當(dāng)光纖彎曲時，纖芯材料的結(jié)構(gòu)會發(fā)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(jù)光纖彎曲的程度而變化。通過構(gòu)建校準(zhǔn)表，可以根據(jù)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(chǎn)生不對稱的幾何形狀。換句話說，當(dāng)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(shè)計傳感器的挑戰(zhàn)之一是傳感器的輸出與其感測值的關(guān)系。不希望出現(xiàn)的情況是測量項目和輸出之間的非線性關(guān)系�？赡艿臈l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(yōu)勢是它在輸出中顯示線性結(jié)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(xué)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(zhuǎn)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(zhì)上更能抵抗光源中的功率波動——這個問題嚴(yán)重阻礙了基于強(qiáng)度調(diào)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(jìn)一步的研究和設(shè)計改進(jìn)，為醫(yī)生提供一種方便可靠的工具。