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，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(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(shè)計(jì)成堅(jiān)固的，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(jī)、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。

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，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(zhǎng)距離無干擾傳輸?shù)哪芰?/strong>，光纖鏈路提供了將主動(dòng)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(zhǎng)、偏振等會(huì)被改變。其他傳感器測(cè)量光的飛行時(shí)間，而物理特性會(huì)改變光路長(zhǎng)度。光纖傳感器最簡(jiǎn)單的形式是光學(xué)限位開關(guān)，其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/關(guān)狀態(tài)是足夠的，并且結(jié)果可靠。不幸的是，對(duì)于光纖設(shè)計(jì)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(duì)測(cè)量。長(zhǎng)期光源退化、光纖彎曲和光纖連接器的不可重復(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)樗鼈儾皇芄鈴?qiáng)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(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。虹科 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(dòng)地將該光脈沖源轉(zhuǎn)換為通過輸出光纖傳輸?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(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。

虹科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。與最初的虹科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)生的虹科 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)。

PART 3

應(yīng)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(shù)。fMRI的一個(gè)研究領(lǐng)域是研究由損傷或中風(fēng)引起的腦損傷，并對(duì)各種治療和康復(fù)技術(shù)的有效性進(jìn)行后續(xù)評(píng)估。馬奎特大學(xué)設(shè)計(jì)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(cè)踏板的速度和角度位置，實(shí)驗(yàn)成功地將運(yùn)動(dòng)活動(dòng)與相應(yīng)的觀察到的皮層大腦活動(dòng)相關(guān)聯(lián)。一些結(jié)果如圖4B所示，描繪了將三種運(yùn)動(dòng)活動(dòng)（蹬踏、輕腳和手指敲擊）與大腦中特定的皮層活動(dòng)區(qū)域相關(guān)的功能圖像。這項(xiàng)最初的研究是第一次準(zhǔn)確記錄與腳踏相關(guān)的人類大腦活動(dòng)，并與fMRI成像相關(guān)聯(lián)。

PART 4

結(jié)論

總之，光纖傳感器技術(shù)是開發(fā)先進(jìn)醫(yī)學(xué)研究所需的MRI安全運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵推動(dòng)者。光纖傳感器本質(zhì)上是被動(dòng)的，并且不受磁場(chǎng)的影響。光纖在MRI掃描儀（4區(qū)）和MRI控制/設(shè)備室（3區(qū)）之間提供了理想的全介質(zhì)傳輸介質(zhì)。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(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)和周圍安全使用。它們堅(jiān)固、易于安裝，即使在MRI孔內(nèi)使用，也不會(huì)產(chǎn)生偽影或影響成像結(jié)果。