虹科案例 | 虹科Micronor光纖傳感器，實現(xiàn)核磁共振新應用！

光纖傳感器已成為推動MRI最新功能套件升級和新MRI設備設計背后的關鍵技術。將患者的某些活動與MRI成像系統(tǒng)同步是越來越受重視的需求。磁場強度隨著每一代的發(fā)展而增大，因此，組件的電磁透明度在每一代和新應用中變得更加重要。

光學傳感器固有的無源性和電磁抗擾性，加上光纖的全絕緣性，對于傳感器設計和MRI套件的Zone 4區(qū)（MRI掃描儀位置）內外的光信號傳輸都是理想的。設計能夠在MRI設備中的極端電磁場中工作的設備是極具挑戰(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)部件和結構，包括電子設備、電動機和工業(yè)常用的其他電氣和機電設備。磁性吸引的金屬，無論大小，都可能成為有害的拋射物，損壞機器或影響患者/操作員的安全。此外，不合適的材料會產生偽影或扭曲，影響成像結果的質量。

我們的核心重點是開發(fā)和應用MRI兼容光纖傳感器，這是閉合環(huán)路所必需的，特別是用于測量位置、速度和極限。

光纖傳感器的

工作原理

什么是光纖

光纖雖然是由玻璃制成，但是光纖并不脆弱！光纖和電纜被設計成堅固的，并能抵抗物理虐待，特別是過度彎曲和高拉伸負荷。軍方在最嚴格的應用中使用光纖，包括飛機、導彈、衛(wèi)星和最惡劣的環(huán)境--從沙漠到北極，從海底到太空。它本質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備的物理信號轉變?yōu)楣庑盘柕脑O備。從這個意義上說，光纖傳感器不是一個真正的傳感器--它不把一種形式的能量轉換成另一種形式--而是一個傳感元件，它改變注入傳感器的光的特征參數(shù)。因此，一個典型的光纖傳感器系統(tǒng)由三部分組成--光纖耦合的無源光學傳感器、有源詢問器或系統(tǒng)接口，以及連接它們的光纖光路或鏈接。由于其低損耗和長距離無干擾傳輸?shù)哪芰?/strong>，光纖鏈路提供了將主動詢問器/系統(tǒng)接口置于MRI掃描器（4區(qū)）區(qū)域之外的方法。

光纖傳感器是如何工作的

通常，光被發(fā)送到傳感器，其中光的振幅、波長、偏振等會被改變。其他傳感器測量光的飛行時間，而物理特性會改變光路長度。光纖傳感器最簡單的形式是光學限位開關，其必須確定光路中是否存在物體。在這種情況下，評估光的開/關狀態(tài)是足夠的，并且結果可靠。不幸的是，對于光纖設計者來說，光纖鏈路內的光學振幅不穩(wěn)定，無法依靠其進行絕對測量。長期光源退化、光纖彎曲和光纖連接器的不可重復性都會隨著時間的推移影響光的傳輸，環(huán)境因素嚴重影響測量精度。光纖通信鏈路是可靠的，因為它們傳輸數(shù)字信息，并且所有接收器都包含自動增益控制（AGC）放大器。因此，依賴于光幅度調制的位置傳感器被證明是不穩(wěn)定、不準確和不可靠的。

基于光譜的技術更可靠，因為它們不受光強度的影響。無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，它會改變光譜行為，但會受到溫度的影響，從而導致位置傳感器變差。虹科 Micronor MR330系列MRI位置傳感器的關鍵光學創(chuàng)新在于，位置信息嵌入到光譜中，并提供準確、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，詢問器/控制器通過輸入光纖向傳感器發(fā)送寬帶光脈沖。基于旋轉碼盤的位置，內部光學器件被動地將該光脈沖源轉換為通過輸出光纖傳輸?shù)姆祷匦盘?，其中光譜圖案基本上是旋轉編碼器角度位置的唯一二進制表示。在內部，詢問器的功能類似于光譜分析系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，光學返回信號被成像到CCD上，所得光譜特征被分析并轉換為角位置碼。

虹科MR338 MRI安全位置傳感器的第二個創(chuàng)新點是由非金屬材料制成，從而完全射頻透明。與最初的虹科MR332“金屬”工業(yè)傳感器設計相比，這不是一種簡單的非金屬材料替代品。由于所需的精度，材料必須在溫度、濕度和時間上極其穩(wěn)定。在內部，傳感器精確解析到4μm，因此材料的任何移動都會導致位置讀數(shù)錯誤。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。合適的陶瓷類材料用于尺寸關鍵光學器件的對準。該零件使用高精度立體光刻制造技術制造。由此產生的虹科 MR338 MRI位置傳感器系統(tǒng)提供13位（8192計數(shù)或0.044°）單圈分辨率和12位（4096計數(shù)）多圈跟蹤。同樣的光學技術也應用于光纖線性位置傳感系統(tǒng)。

PART 3

應用案例

虹科MICRONOR MR348

功能性核磁共振成像（fMRI）是一種基于腦部血流和氧代謝成像，利用核磁共振成像觀察大腦功能的技術。fMRI的一個研究領域是研究由損傷或中風引起的腦損傷，并對各種治療和康復技術的有效性進行后續(xù)評估。馬奎特大學設計了fMRI患者腳踏裝置，如圖4A所示。使用虹科MICRONOR MR348光纖增量編碼器輸出來監(jiān)測踏板的速度和角度位置，實驗成功地將運動活動與相應的觀察到的皮層大腦活動相關聯(lián)。一些結果如圖4B所示，描繪了將三種運動活動（蹬踏、輕腳和手指敲擊）與大腦中特定的皮層活動區(qū)域相關的功能圖像。這項最初的研究是第一次準確記錄與腳踏相關的人類大腦活動，并與fMRI成像相關聯(lián)。

PART 4

結論

總之，光纖傳感器技術是開發(fā)先進醫(yī)學研究所需的MRI安全運動控制系統(tǒng)的關鍵推動者。光纖傳感器本質上是被動的，并且不受磁場的影響。光纖在MRI掃描儀（4區(qū)）和MRI控制/設備室（3區(qū)）之間提供了理想的全介質傳輸介質。由合適的材料制成，MRI安全光纖傳感器提供電磁透明度，可在MRI掃描儀的極端電磁場強度范圍內和周圍安全使用。它們堅固、易于安裝，即使在MRI孔內使用，也不會產生偽影或影響成像結果。