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Formsensorik

FBGS bietet eine neuartige Lösung für die Formsensorik mit Hilfe unserer speziell entwickelten Multicore-Fasertechnologie (MCF) in Kombination mit unserer DTG®-Technologie (Draw Tower Grating).

Die Faseroptik-Formerfassung bietet für verschiedene medizinische und industrielle Anwendungen ein großes Potenzial, um Krümmungen und Formen in 2D und 3D zu erfassen. Aufgrund der geringen Abmessungen der Faser, der Störfestigkeit gegen Strahlung und der Flexibilität bei der Integration eröffnet die Faseroptik-Formerfassung eine völlig neue Kategorie derzeit nicht vorhandener Messmöglichkeiten.

Die Verwendung von Ziehturmgittern in Mehrkernfasern (MCF-DTG®) bietet eine saubere und elegante Möglichkeit, die Form entlang der Länge einer optischen Faser mit einer hohen räumlichen Auflösung zu verfolgen. Daraus lässt sich nicht nur die Größe der Krümmung, sondern auch deren Richtung ableiten, was zu einer Rekonstruktion der Faserform in 3D führt. In Kombination mit der geringen Größe, der hohen Empfindlichkeit und der MRT-Kompatibilität der optischen Faser eröffnet diese sogenannte „Formerkennung“ ein völlig neues Gebiet für medizinische und industrielle Anwendungen. Das Aufkommen des MCF-DTG® für die Formerfassung ist daher ein Paradigmenwechsel und wird für viele Anwendungen eine bevorzugte Lösung gegenüber herkömmlichen Methoden sein. Die Technologie wird völlig neue Anwendungen im Bereich der minimal-invasiven Roboter- und Nicht-Roboter-Chirurgie ermöglichen, wie z. B. Positionsverfolgung, Instrumenten- und Katheternavigation, Kraft- und Biegeerkennung und Verformungsüberwachung.

Ziehturmgitter aus Multicore-Fasern: Ein Paradigmenwechsel in der Krümmungsmessung

Die faseroptische Formsensorik hat ein großes Potenzial für eine Reihe von medizinischen und industriellen Anwendungen, da alternative Lösungen für ähnlich kleine Größen praktisch nicht vorhanden sind. FBGS hat die Machbarkeit der Formmessung mit einer neu entwickelten Multicore-Lichtleitfaser (MCF) gezeigt, die mit Draw Tower Gratings (DTG®) beschriftet ist. Das resultierende MCF-DTG® weist die vorteilhaften Eigenschaften einer Standard-Einkern-DTG wie hohe mechanische Robustheit und höhere Sensordichte auf, einschließlich der Möglichkeit für Systementwickler und Integratoren, die Vorteile der dicht konfigurierten Arrays von DTGs zu nutzen. Die Entwicklung des MCF-DTG soll einen Paradigmenwechsel in der Krümmungs-, Form- und Ablenksensorik darstellen und wird für viele Anwendungen die bevorzugte Lösung gegenüber herkömmlichen Kamera- oder Röntgenverfahren sein.

Multicore-Faser-DTGs

MCFs sind speziell konfigurierte Lichtwellenleiter mit mehreren Single-Mode-Kernen, die denselben Mantel aufweisen. Die Adern können alle einzeln angesprochen werden. Der DTG-Herstellungsprozess wurde erfolgreich angewendet, um Faser-Bragg-Gitter (FBGs) in die MCFs zu schreiben. Somit kann man gleichzeitig DTGs mit spezifischen Konfigurationen von bis zu 7 Kernen an derselben exakten axialen Position und mit derselben Wellenlänge erzeugen. Diese Präzision bei der Beschriftung dieser hochdichten DTGs im MCF ist ein wichtiger Meilenstein..

Krümmungssensorik mit MCF-DTGs

Ein Krümmungserfassungssystem umfasst einen Sensor, ein Messgerät und die Software, die alle Algorithmen zum Auslesen und Verarbeiten von Daten verwaltet. Der Hauptbestandteil für diese Art der Erfassung basiert auf der gleichzeitigen und Echtzeitüberwachung der induzierten Dehnung in mindestens drei äußeren Kernen des MCF-DTG. Abhängig von der Krümmungsorientierung des MCF erfahren einige der DTGs an den äußeren Kernen eine relative Längsspannung oder -kompression in Bezug auf den zentralen Kern und registrieren daher positiv oder negativ induzierte Dehnungsänderungen. Zur Berechnung der lokalen Krümmung (oder des Biegeradius) werden die relativen Dehnungen gemessen, verarbeitet und analysiert. Um das Krümmungsprofil eines MCF zu rekonstruieren, können die gesammelten Daten als Funktion der DTG-Position entlang der optischen Faser aufgezeichnet werden.

Signalabfrageschemata

Zwei gut etablierte Detektionsschemata – WDM (Wavelength Division Multiplexing) und OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) – eignen sich gut zur Überwachung der Wellenlängenverschiebung, die mit den induzierten Dehnungen der MCF-DTG-Sensoren verbunden ist. Die Signale der einzelnen Kerne werden über ein speziell konfiguriertes Glasfaser-Fan-Out-Gerät zu separaten Glasfasern geleitet, die einfach an die verschiedenen Kanäle des Interrogators angeschlossen werden können. Diese Techniken sind für Erkennungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 Hz für OFDR und mehreren Kilohertz für WDM ausgelegt.

Testdaten

Die WDM-Technik kann die genauen Positionen der DTGs entlang der Länge der optischen Faser durch die eindeutig definierte Bragg-Wellenlänge für jede Gitterposition identifizieren. Die gemessenen Daten geben die tatsächlichen Krümmungen der Faser entlang ihrer Länge wieder. Mit diesen Werten können die Form und die Faserposition mit Hilfe von selbst entwickelten Algorithmen berechnet werden. Mit dem richtigen Faser- und Systemdesign ist es möglich, die Faserform präzise vorherzusagen.

Verwandte Designprobleme

Abhängig von den Anwendungsanforderungen müssen Sensoren bestimmte physikalische Eigenschaften erfüllen, um in ihre Landschaft zu passen und darin zu navigieren zu können. Ein günstiges Konstruktionsmerkmal sind derzeitige MCF-DTGs mit einem Plattendurchmesser kleiner oder gleich 125 μm. Neben seiner guten Krümmungsempfindlichkeit widersteht es auch der Beanspruchung durch enge Krümmungen (R> 3 mm). Die Anpassungsflexibilität der MCF-DTG-Konfiguration (Anzahl, Größe, Abstand und Layout der Kerne) und der Parameter (Anzahl, Wellenlänge, Länge, Dichte und Abstand der FBGs) bietet ein leistungsstarkes Konstruktionsmerkmal zur Optimierung der Systemleistung.

Ein wachsendes Interesse des Gesundheitssektors ist die Entwicklung zuverlässigerer und innovativerer interventioneller (diagnostischer und therapeutischer) Instrumente, die eine bessere Wirksamkeit bei geringeren Kosten bieten können. Dieser Trend treibt die Medizintechnikbranche dazu, neuartige und intelligentere Sensoren zu entwickeln, die in die minimalinvasive Ausrüstung integriert werden können. Die MCF-DTG eignen sich aufgrund ihrer geringen Größe gut für diesen Zweck. Aufgrund ihrer Größe sind sie ideal für die Integration in Einführhilfen, Kathetern, Nadeln, Laparoskopen, Endoskopen und Roboterarmen mit starren oder flexiblen Schäften geeignet, insbesondere dann, wenn Einwegartikel oder eine eingeschränkte Wiederverwendbarkeit Teil der Versorgungsprojektionen sind. Diese Geräte kommen häufig in Anwendungen zum Einsatz, in denen die MCF-DTG-Sensoren Hochfrequenz-, Mikrowellen-, Laser- oder kryogene Ablationsverfahren unterstützen können. Sie sind auch eine hervorragende Option für die Navigation von Biopsie- und Brachytherapie-Nadeln unter MRT-Bildgebung, für die Krümmungserfassung von endoskopischen Geräten und für die Abgabe von Arzneimitteln an empfindliche und enge Räume in vivo usw.

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Referenzen für Formsensorik

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