国外团队用光纤传感器精准量化患者脊柱的变形曲率

2022-09-29 15:03

在诊断背痛和相关残疾方面，评估脊柱弯曲度是非常关键的一个维度。众所周知，脊柱变形（VC）这症状可谓“牵一发而动全身”，轻则导致轻微疼痛，重则会让患者瘫痪无法活动。

但从以往来看，评估脊柱弯曲度的流程其实并不够灵活便捷。目前常用的测量脊柱变形的方法包括医生常用的机械测量，有时还包括计算机辅助的结果分类，但这些方案都比较耗时，而且容易出现人为的误差。

当然，基本的光学传感器技术也常常会派上用场，但传感器的输出与它所感知的值之间的关系成为了一个挑战，导致难以精准量化脊柱变形的曲率。

可喜的是，伊朗大不里士大学（University of Tabriz）的一个项目最近开发了一种可用于替代的、更复杂的光学设备，采用三核光子晶体光纤（TCPCF）作为矢量弯曲传感器，用于精准测量脊柱弯曲度。该研究成果发表在《国际光学工程学会光学工程》（SPIE Optical Engineering）上。

该项目采用的三核光子晶体光纤（TCPCF）包含三个六边形核，每个核具有相同的属性，每个核的直径为9微米。当光纤弯曲时，机械应力会改变光纤的折射率，而这些非线性变化会影响穿过光纤的光的波长。接着，当光纤连接到脊柱变形患者身上时，只要建立了合适的校准表，就可以根据单芯输入光和输出光的波长差来估计脊柱弯曲的大小。

根据项目团队的说法，通过监测三个核心的相对位置和它们的非对称几何形状，三核心结构可以测量曲率的方向和大小。如果每个光纤芯的弯曲略有不同，那么比较最外层的两个光纤芯输出光的波长，就有可能计算弯曲的方向分量。

大不里士大学的研究人员Somayeh Makouei支出：“被测项目和输出之间的非线性关系是不可取的，但这种光纤的一个显著优势就在于它能够在输出中显示线性结果。此外，被测量曲线的长度是曲率测量传感器（尤其是光学传感器）的约束条件之一，而这种光纤对待测量曲线的长度没有任何限制。”

在模拟试验中，三核光子晶体光纤传感器在所有旋转方向上的灵敏度约为1．22皮米／米，这比传统光纤传感器有了很大的改进。它能够感知到±12度之间的曲率范围。

上述项目指出，该传感器还具有本质上基于波长调制的优势，而不是像以往那样基于在光纤中传输的光强度的调制。研究人员表示：“强度调制传感器容易受到来自光源功率波动的噪声影响，这一问题严重阻碍了此类传感器的开发。我们希望通过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。”