La spina dorsale o la colonna vertebrale (o la colonna vertebrale) possono essere suddivise in quattro curve principali. Le forme di queste curve consentono al nostro corpo di distribuire correttamente il peso in diverse posizioni e condizioni, come quando ci si siede o si china. Tuttavia, alcune malformazioni della colonna vertebrale possono causare una deviazione significativa di queste curve, che può portare a dolore cronico o gravi disabilità.

Di conseguenza, i medici devono misurare correttamente la curvatura di queste curve della colonna vertebrale per diagnosticare condizioni potenzialmente dannose in una fase iniziale. Il modo tradizionale per farlo è acquisire immagini a raggi X della colonna vertebrale del paziente e calcolare la curvatura di ciascuna sezione, manualmente o utilizzando un software di analisi delle immagini. Sfortunatamente, questo approccio ha alcuni aspetti negativi:richiede tempo ed è soggetto a errori sia umani che meccanici. Inoltre, i raggi X sono dannosi per il nostro organismo, quindi è meglio ridurre al minimo gli esami radiografici.

Prendendo atto di questo problema, i ricercatori hanno approfondito diversi tipi di sistemi e sensori per misurare la curvatura della colonna vertebrale. Queste tecniche alternative sono varie e coinvolgono sistemi di motion capture come Vicon e Kinect, sensori inerziali o sensori ottici. Tuttavia, condividono un limite comune:non possono fornire misurazioni quantitative accurate essenziali ai medici per diagnosticare problemi di curvatura della colonna vertebrale.

Per affrontare questo problema, i ricercatori dell'Università di Tabriz in Iran hanno sviluppato un nuovo tipo di sensore basato su fibre ottiche. Come spiegato nel loro articolo pubblicato su Ingegneria ottica , i sensori in fibra ottica offrono molti vantaggi, tra cui basso costo, alta sensibilità e dimensioni ridotte. Questi sensori sono già stati utilizzati per monitorare la curvatura di strutture e bracci robotici. Ma misurare sia l'entità che la direzione della curvatura della colonna vertebrale rappresenta un'ulteriore sfida, che il team ha superato grazie a un design innovativo.

Nel sensore in fibra ottica proposto, ci sono tre nuclei in fibra attraverso i quali viaggia la luce in ingresso. Il principio di funzionamento del sensore si basa sul concetto di quella che viene chiamata "modulazione della lunghezza d'onda". In parole povere, quando una fibra ottica viene piegata, la struttura del materiale del nucleo della fibra cambia, alterandone la densità. A sua volta, questo modifica l'indice di rifrazione del nucleo e la lunghezza d'onda della luce in uscita cambia a seconda di quanto la fibra è stata piegata. Costruendo tabelle di calibrazione, è possibile stimare l'entità della curvatura della spina dorsale in base alla differenza tra le lunghezze d'onda della luce in ingresso e in uscita in un singolo core.

Ma come fa questo sensore a misurare la direzione di curvatura e la magnitudine? La risposta sta nella posizione relativa dei tre nuclei di fibra, che creano una geometria asimmetrica. In altre parole, ciascuno dei nuclei di fibra viene piegato in modo leggermente diverso quando il sensore viene posizionato contro la colonna vertebrale del paziente. Confrontando le lunghezze d'onda della luce in uscita dai due nuclei di fibra più esterni, è possibile calcolare la componente direzionale della flessione.

"In generale, una delle sfide della progettazione di un sensore è la relazione di uscita del sensore con il valore che sta rilevando. Una situazione indesiderabile sarebbe la relazione non lineare tra l'elemento misurato e l'uscita. La migliore condizione possibile è la lineare forma", ha affermato Somayeh Makouei, uno degli autori del documento. "Un vantaggio significativo della fibra proposta è che mostra risultati lineari nell'output. Inoltre, la lunghezza della curva da misurare è uno dei vincoli nei sensori di misurazione della curvatura, specialmente in quelli ottici. La fibra proposta non ha eventuali limitazioni sulla lunghezza della curva da misurare."

Se confrontato con un altro sensore a fibra ottica a tre core riportato in uno studio precedente, il nuovo sensore offriva una sensibilità sostanzialmente maggiore di circa 1,22 picometri per metro in tutte le direzioni di rotazione. Inoltre, il nuovo sensore era intrinsecamente più resistente alle fluttuazioni di potenza nella sorgente luminosa, un problema che ostacola gravemente i sensori basati sulla modulazione dell'intensità.

Nel complesso, il nuovo sensore a fibra ottica potrebbe aprire la strada a un nuovo metodo di misurazione della curvatura delle diverse sezioni della colonna vertebrale. Possiamo sperare in ulteriori ricerche e miglioramenti del design per portare a uno strumento conveniente e affidabile da utilizzare per i medici. + Esplora ulteriormente

Fibra ottica a base di polimeri per la visualizzazione delle sollecitazioni del materiale