Ryggraden eller ryggraden (eller kotpelaren) kan delas in i fyra huvudkurvor. Formerna på dessa kurvor gör att våra kroppar kan fördela vikten korrekt i olika positioner och förhållanden, till exempel när man sitter eller böjer sig ner. Vissa ryggradsmissbildningar kan dock göra att dessa kurvor avviker avsevärt, vilket kan leda till kronisk smärta eller allvarliga funktionsnedsättningar.

Som ett resultat måste läkare korrekt mäta krökningen av dessa ryggradskurvor för att diagnostisera potentiellt skadliga tillstånd i ett tidigt skede. Det traditionella sättet att göra detta är att ta röntgenbilder av patientens ryggrad och beräkna krökningen för varje sektion, antingen manuellt eller med hjälp av ett bildanalysprogram. Tyvärr har detta tillvägagångssätt några nackdelar:det är tidskrävande och benäget för både mänskliga och maskinella fel. Dessutom är röntgenstrålning skadlig för våra kroppar, så det är bäst att hålla röntgenundersökningar till ett minimum.

Med hänsyn till detta problem har forskare grävt i olika typer av system och sensorer för att mäta ryggradens krökning. Dessa alternativa tekniker är varierade och involverar rörelsefångningssystem som Vicon och Kinect, tröghetssensorer eller optiska sensorer. De har dock en gemensam begränsning:de kan inte tillhandahålla exakta kvantitativa mätningar som är nödvändiga för läkare att diagnostisera problem i ryggradens krökning.

För att komma till rätta med detta problem utvecklade forskare från University of Tabriz i Iran en ny typ av sensor baserad på optiska fibrer. Som förklaras i deras artikel publicerad i Optical Engineering , optiska fibersensorer erbjuder många fördelar, inklusive låg kostnad, hög känslighet och liten storlek. Dessa sensorer har redan använts för att övervaka krökningen av strukturer och robotarmar. Men att mäta både storleken och riktningen på ryggradens krökning utgör en ytterligare utmaning – en utmaning som teamet övervann genom innovativ design.

I den föreslagna optiska fibersensorn finns det tre fiberkärnor genom vilka ingångsljuset färdas. Funktionsprincipen för sensorn är baserad på konceptet med vad som kallas "våglängdsmodulering". Enkelt uttryckt, när en optisk fiber böjs, förändras strukturen av fiberkärnans material, vilket förändrar dess densitet. Detta modifierar i sin tur kärnans brytningsindex, och våglängden på det utgående ljuset ändras beroende på hur mycket fibern böjdes. Genom att konstruera kalibreringstabeller kan storleken på ryggradens krökning uppskattas baserat på skillnaden mellan våglängderna för ingångs- och utgående ljus i en enda kärna.

Men hur mäter denna sensor både krökningsriktningen och storleken? Svaret ligger i den relativa positionen för de tre fiberkärnorna, som skapar en asymmetrisk geometri. Med andra ord böjs var och en av fiberkärnorna lite olika när sensorn placeras mot patientens ryggrad. Genom att jämföra våglängderna för det utgående ljuset från de två yttersta fiberkärnorna är det möjligt att beräkna riktningskomponenten för böjningen.

"I allmänhet är en av utmaningarna med att designa en sensor sensorns utgångsrelation med värdet den känner av. En oönskad situation skulle vara den icke-linjära relationen mellan det uppmätta föremålet och utgången. Det bästa möjliga tillståndet är den linjära form", sa Somayeh Makouei, en av författarna till tidningen. "En betydande fördel med den föreslagna fibern är att den visar linjära resultat i utsignalen. Och dessutom är längden på kurvan som mäts en av begränsningarna i kurvaturmätningssensorerna, särskilt i optiska. Den föreslagna fibern har inte eventuella begränsningar av längden på kurvan som ska mätas."

Jämfört med en annan optisk fibersensor med tre kärnor som rapporterats i en tidigare studie, erbjöd den nya sensorn en betydligt högre känslighet på cirka 1,22 picometer per meter i alla rotationsriktningar. Dessutom var den nya sensorn i sig mer motståndskraftig mot effektfluktuationer i ljuskällan - ett problem som allvarligt hindrar intensitetsmodulationsbaserade sensorer.

Sammantaget kan den nya optiska fibersensorn bana väg för en ny metod för att mäta krökningen av de olika delarna av ryggraden. Vi kan hoppas på ytterligare forskning och designförbättringar som leder till ett bekvämt och pålitligt verktyg för läkare att använda. + Utforska vidare

Polymerbaserad optisk fiber för visualisering av materialspänning