用于测量脊柱偏差的光纤传感器

研究人员设计的用于测量脊柱曲率的三芯光纤传感器。三个光纤芯的位置在所提出的传感器中产生了不对称的几何形状，使其能够测量脊柱曲率的方向和大小。来源：光学工程（2022 年）。DOI：10.1117/1.OE.61.9.097102

脊椎或脊柱（或脊柱）可分为四个主要曲线。这些曲线的形状使我们的身体能够在不同的位置和条件下适当地分配重量，例如坐着或弯腰时。然而，某些脊柱畸形会导致这些曲线显着偏离，这可能导致慢性疼痛或严重残疾。

因此，医生需要正确测量这些脊柱曲线的曲率，以便及早诊断潜在的有害状况。这样做的传统方法是拍摄患者脊柱的 X 射线图像，然后手动或使用图像分析软件计算每个部分的曲率。不幸的是，这种方法有一些缺点：它既费时又容易出现人为错误和机器错误。此外，X 射线辐射对我们的身体有害，因此尽量减少 X 射线检查。

注意到这个问题，研究人员已经深入研究了不同类型的系统和传感器来测量脊柱曲率。这些替代技术多种多样，包括 Vicon 和 Kinect 等运动捕捉系统、惯性传感器或光学传感器。然而，它们有一个共同的局限性：它们不能提供准确的定量测量值，这对于医生诊断脊柱弯曲问题至关重要。

为了解决这个问题，伊朗大不里士大学的研究人员开发了一种基于光纤的新型传感器。正如他们在《光学工程》上发表的论文中所解释的，光纤传感器具有许多优点，包括低成本、高灵敏度和小尺寸。这些传感器已被用于监测结构和机械臂的曲率。但同时测量脊柱曲率的大小和方向提出了一个额外的挑战——团队通过创新设计克服了这一挑战。

在所提出的光纤传感器中，输入光通过三个光纤芯。传感器的工作原理基于所谓的“波长调制”概念。简而言之，当光纤弯曲时，纤芯材料的结构会发生变化，从而改变其密度。反过来，这会改变纤芯的折射率，并且输出光的波长会根据光纤弯曲的程度而变化。通过构建校准表，可以根据单个核心中输入和输出光的波长之间的差异来估计脊柱曲率的大小。

但是这个传感器是如何测量曲率方向和大小的呢？答案在于三个纤芯的相对位置，这会产生不对称的几何形状。换句话说，当传感器靠在患者的脊椎上时，每个光纤芯的弯曲程度都略有不同。通过比较两个外层纤芯的输出光的波长，可以计算出弯曲的方向分量。

“一般来说，设计传感器的挑战之一是传感器的输出与其感测值的关系。不希望出现的情况是测量项目和输出之间的非线性关系。可能的条件是线性形式，”该论文的作者之一 Somayeh Makouei 说。“拟议光纤的一个显着优势是它在输出中显示线性结果。而且，被测量曲线的长度是曲率测量传感器的限制之一，尤其是在光学传感器中。拟议的光纤没有对要测量的曲线长度的任何限制。”

与先前研究中报道的另一个三芯光纤传感器相比，新传感器在所有旋转方向上提供了大约每米 1.22 皮米的更高灵敏度。此外，新传感器本质上更能抵抗光源中的功率波动——这个问题严重阻碍了基于强度调制的传感器。

总的来说，新的光纤传感器可以为测量脊柱不同部分曲率的新方法铺平道路。我们可以期待进一步的研究和设计改进，为医生提供一种方便可靠的工具。