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国外团队用光纤传感器精准量化患者脊柱的变形曲率

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。”


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