虹科案例 | 光纖傳感器實(shí)現(xiàn)了新的核磁共振應(yīng)用!

背景介紹

光纖傳感器已成為推動(dòng)MRI最新功能套件升級(jí)和新MRI設(shè)備設(shè)計(jì)背后的關(guān)鍵技術(shù)。將患者的某些活動(dòng)與MRI成像系統(tǒng)同步是越來(lái)越受重視的需求。磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著每一代的發(fā)展而增大（3.0T是當(dāng)今最高的標(biāo)準(zhǔn)），因此，組件的電磁透明度在每一代和新應(yīng)用中變得更加重要。光學(xué)傳感器固有的無(wú)源性和電磁抗擾性，加上光纖的全絕緣性，對(duì)于傳感器設(shè)計(jì)和MRI套件的Zone 4區(qū)（MRI掃描儀位置）內(nèi)外的光信號(hào)傳輸都是理想的。設(shè)計(jì)能夠在MRI設(shè)備中的極端電磁場(chǎng)中工作的設(shè)備是極具挑戰(zhàn)性的。MRI套件不允許使用由鐵基材料、鎳合金和大多數(shù)不銹鋼材料制成的常規(guī)部件和結(jié)構(gòu)，包括電子設(shè)備、電動(dòng)機(jī)和工業(yè)常用的其他電氣和機(jī)電設(shè)備。磁性吸引的金屬，無(wú)論大小，都可能成為有害的拋射物，損壞機(jī)器或影響患者/操作員的安全。此外，不合適的材料會(huì)產(chǎn)生偽影或扭曲，影響成像結(jié)果的質(zhì)量。我們的核心重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用MRI兼容光纖傳感器，這是閉合環(huán)路所必需的，特別是用于測(cè)量位置、速度和極限。

光纖&光纖傳感器

光纖并不脆弱

雖然是由玻璃制成，但光纖并不脆弱! 光纖和電纜被設(shè)計(jì)成堅(jiān)固，并能抵抗物理虐待，特別是過(guò)度彎曲和高拉伸負(fù)荷。軍方在最嚴(yán)格的應(yīng)用中使用光纖，包括飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和最?lèi)毫拥沫h(huán)境--從沙漠到北極，從海底到太空。它本質(zhì)上只是另一種金屬絲——玻璃絲。

什么是光纖傳感器？

如圖1所示，光纖傳感器是一種將傳入設(shè)備的物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)的設(shè)備。從這個(gè)意義上說(shuō)，光纖傳感器不是一個(gè)真正的傳感器--它不把一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式--而是一個(gè)傳感元件，它改變注入傳感器的光的特征參數(shù)。 因此，一個(gè)典型的光纖傳感器系統(tǒng)由三部分組成--光纖耦合的無(wú)源光學(xué)傳感器、有源詢(xún)問(wèn)器或系統(tǒng)接口，以及連接它們的光纖光路或鏈接。由于其低損耗和長(zhǎng)距離無(wú)干擾傳輸的能力，光纖鏈路提供了將主動(dòng)詢(xún)問(wèn)器/系統(tǒng)接口置于MRI掃描器（4區(qū)）區(qū)域之外的方法。

光纖傳感器是如何讓工作的？

通常，光功率被發(fā)送到傳感器，其中光的振幅、波長(zhǎng)、偏振等被改變。其他傳感器測(cè)量光的飛行時(shí)間，而物理特性改變光路長(zhǎng)度。光纖傳感器的最簡(jiǎn)單形式是光學(xué)限位開(kāi)關(guān)，其中必須確定光路中是否存在物體。在這種情況下，評(píng)估光的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)是足夠的，并且工作可靠。不幸的是，對(duì)于光纖設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，光纖鏈路內(nèi)的光學(xué)振幅不穩(wěn)定，無(wú)法依靠其進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。長(zhǎng)期光源退化、光纖彎曲和光纖連接器不可重復(fù)性都會(huì)隨著時(shí)間的推移影響光的傳輸，環(huán)境因素嚴(yán)重影響測(cè)量精度。光纖通信鏈路是可靠的，因?yàn)樗鼈儌鬏敂?shù)字信息，并且所有接收器都包含自動(dòng)增益控制（AGC）放大器。因此，依賴(lài)于光幅度調(diào)制的位置傳感器被證明是不穩(wěn)定、不準(zhǔn)確和不可靠的。基于光譜的技術(shù)更可靠，因?yàn)樗鼈?strong>不受光強(qiáng)度的影響。無(wú)論光水平是低還是高，光纖中的光譜光分布都保持不變。例如，光纖布拉格光柵就是這樣一種技術(shù)，它會(huì)改變光譜行為，但會(huì)受到溫度的影響，從而導(dǎo)致位置傳感器變差。Micronor MR330系列MRI位置傳感器的關(guān)鍵光學(xué)創(chuàng)新在于，位置信息嵌入到光譜中，并提供準(zhǔn)確、高分辨率的位置信息，不受光纖鏈路中變化損耗或退化的影響。利用光譜而不是振幅作為信息載體，即使在光纖鏈路安裝退化的情況下，也能確保可靠的精度。

如圖3所示，詢(xún)問(wèn)器/控制器通過(guò)輸入光纖向傳感器發(fā)送寬帶光脈沖?；谛D(zhuǎn)碼盤(pán)的位置，內(nèi)部光學(xué)器件被動(dòng)地將該光脈沖源轉(zhuǎn)換為通過(guò)輸出光纖傳輸?shù)姆祷匦盘?hào)，其中光譜圖案基本上是旋轉(zhuǎn)編碼器角度位置的唯一二進(jìn)制表示。在內(nèi)部，詢(xún)問(wèn)器的功能類(lèi)似于光譜分析系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，光學(xué)返回信號(hào)被成像到CCD上，所得光譜特征被分析并轉(zhuǎn)換為角位置碼。

MR338 MRI安全位置傳感器的第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是由非金屬材料制成，從而完全射頻透明。與最初的MR332“金屬”工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)相比，這不是一種簡(jiǎn)單的非金屬材料替代品。由于所需的精度，材料必須在溫度、濕度和時(shí)間上極其穩(wěn)定。在內(nèi)部，傳感器精確解析到4μm，因此材料的任何移動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致位置讀數(shù)錯(cuò)誤。有許多塑料材料具有合適的低溫系數(shù)，然而，正如塑料的典型情況一樣，它們具有吸濕性，這意味著它們根據(jù)水分含量改變尺寸。合適的陶瓷類(lèi)材料用于尺寸關(guān)鍵光學(xué)器件的對(duì)準(zhǔn)。該零件使用高精度立體光刻制造技術(shù)制造。由此產(chǎn)生的MR338 MRI位置傳感器系統(tǒng)提供13位（8192計(jì)數(shù)或0.044°）單圈分辨率和12位（4096計(jì)數(shù)）多圈跟蹤。同樣的光學(xué)技術(shù)也應(yīng)用于光纖線性位置傳感系統(tǒng)。