背景介紹
光纖傳感器已成為推動MRI最新功能套件升級和新MRI設(shè)備設(shè)計背后的關(guān)鍵技術(shù)。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(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)傳感器固有的無源性和電磁抗擾性,加上光纖的全絕緣性,對于傳感器設(shè)計和MRI套件的Zone 4區(qū)(MRI掃描儀位置)內(nèi)外的光信號傳輸都是理想的。設(shè)計能夠在MRI設(shè)備中的極端電磁場中工作的設(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、電動機和工業(yè)常用的其他電氣和機電設(shè)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(chǎn)生偽影或扭曲,影響成像結(jié)果的質(zhì)量。我們的核心重點是開發(fā)和應(yīng)用MRI兼容光纖傳感器,這是閉合環(huán)路所必需的,特別是用于測量位置、速度和極限。
光纖&光纖傳感器
1.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)計成堅固,并能抵抗物理虐待,特別是過度彎曲和高拉伸負(fù)荷。軍方在最嚴(yán)格的應(yīng)用中使用光纖,包括飛機、導(dǎo)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(zhì)上只是另一種金屬絲——玻璃絲。
2.什么是光纖傳感器
如圖1所示,光纖傳感器是一種將傳入設(shè)備的物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕脑O(shè)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(zhuǎn)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(xué)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的能力,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。
3.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、偏振等被改變。其他傳感器測量光的飛行時間,而物理特性改變光路長度。光纖傳感器的最簡單形式是光學(xué)限位開關(guān),其中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(guān)狀態(tài)是足夠的,并且工作可靠。不幸的是,對于光纖設(shè)計者來說,光纖鏈路內(nèi)的光學(xué)振幅不穩(wěn)定,無法依靠其進(jìn)行絕對測量。長期光源退化、光纖彎曲和光纖連接器不可重復(fù)性都會隨著時間的推移影響光的傳輸,環(huán)境因素嚴(yán)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(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(shù),它會改變光譜行為,但會受到溫度的影響,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??煽康木?/strong>。
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(zhuǎn)碼盤的位置,內(nèi)部光學(xué)器件被動地將該光脈沖源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)編碼器角度位置的唯一二進(jìn)制表示。在內(nèi)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(xué)返回信號被成像到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MR332“金屬”工業(yè)傳感器設(shè)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(nèi)部,傳感器精確解析到4μm,因此材料的任何移動都會導(dǎo)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(guān)鍵光學(xué)器件的對準(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(xué)技術(shù)也應(yīng)用于光纖線性位置傳感系統(tǒng)。