Волоконно-оптический датчик силы (давления) мышц языка

Аннотация

волоконно оптический датчик диагностика

Предмет и цель работы. На начальной стадии диагностики заболевания, связанного с врожденными расщелинами верхней губы и нёба и другими аномалиями ротовой полости, необходимы соответствующие медицинские технические средства диагностики. В настоящее время для измерения силы (давления) мышц языка используют методы диагностики, реализуемые с помощью электрических средств измерений. Однако такие средства измерений небезопасны для жизни пациентов, не исключается электромагнитное воздействие со стороны средства измерений на тело пациента и возможен электрический пробой электрической части датчика.

Целью данного исследования является разработка безопасных для здоровья пациентов волоконно-оптических технических средств диагностики заболеваний, связанных с врожденными расщелинами верхней губы и нёба и другими аномалиями ротовой полости.

Материалы и методы. При разработке конструкции волоконнооптического датчика силы (давления) мышц языка использованы основы схемотехнического проектирования измерительных устройств, методы геометрической и волоконной оптики. Результаты.

Предложен волоконно-оптический датчик силы (давления) мышц языка на нёбо для использования в терапевтической стоматологии. Разработаны рекомендации по укладке оптических волокон в датчике, обеспечивающие повышение чувствительности преобразования оптических сигналов в измерительном преобразователе.

Выводы. Новое техническое решение волоконнооптического датчика силы (давления) мышц языка позволит обеспечить безопасное, точное и надежное измерение в стоматологии, улучшить качество обслуживания маленьких пациентов на начальной стадии диагностики заболевания, связанного с врожденными расщелинами верхней губы и нёба и другими аномалиями ротовой полости.

Ключевые слова: стоматология, волоконно-оптический датчик, давление, пациент, язык, нёбо, пластина, оптическое волокно

Abstract

FIBER-OPTIC SENSOR OF FORCE (PRESSURE) OF MUSCLES OF LANGUAGE

E. A. Badeeva, T. I. Murashkina, Yu. A. Vasiliev, D. I. Serebryakov,

В настоящее время для измерения силы (давления) мышц языка используют методы диагностики, реализуемые с помощью электрических средств измерений [3-6]. Например, известен способ измерения силы давления мышц языка, когда в полость рта пациента вводят два и более датчика усилия электрического типа (рис. 1) [3].

Рис. 1. Способ измерения силы давления мышц языка на сегменты смежных анатомических образований полости рта

Датчики крепятся на отдельных держателях, изготовленных в виде пластин, форма и размер которых соответствуют выбранным сегментам анатомических образований. Для измерения давления мышц языка на нёбо и верхние фронтальные и боковые зубы на держателе закрепляют консоль в виде пружинящей проволоки или ленты. С каждого датчика усилия при произношении пациентом функциональной пробы считывают электрический сигнал за выбранный промежуток времени. Интегрируют и отображают измеряемую величину в средних значениях силы мышц языка.

Такие средства измерений небезопасны для жизни пациентов, так как возможен электрический пробой электрической части датчика. Кроме того, не исключается электромагнитное воздействие со стороны средства измерений на тело пациента. Исследование посвящено возможности применения безопасных для здоровья пациентов волоконно-оптических технических средств диагностики заболеваний, связанных с врожденными расщелинами верхней губы и нёба и другими аномалиями ротовой полости.

Результаты и обсуждение

В туннельных ВОДД модуляция мощности потока оптического излучения происходит вследствие сближения под действием давления двух сред, в одной из которых распространяется поток оптического излучения на расстояние, соизмеримое с длиной волны. На рис. 2 приведена одна из возможных конструкций туннельных ВОДД.

Датчик состоит из пластины 9, прикрепленной к мембране 8, и оптического волокна (ОВ) 5. На определенном участке ОВ, свернутого в плоскую спираль, снята отражающая оболочка. Пластина изготавливается из материала, у которого коэффициент преломления больше, чем коэффициент преломления материала сердцевины волокна. При сближении пластины 9 и ОВ 5 часть оптического излучения под действием давления «перетекает» из волокна в пластину.

В ВОДД на базе изогнутых оптических волокон модуляция мощности потока оптического излучения обусловлена изменением радиуса изгиба ОВ, зависящего от приложенного давления.

ВОДД на базе микроизогнутых (или микроизгибных) ОВ характеризуются тем, что в них модуляция мощности потока оптического излучения происходит при его распространении по волокну, который вследствие воздействия давления подвергается нескольким микроизгибам. Радиус каждого из микроизгибов соизмерим с диаметром используемого волокна.

Рис. 2. Конструкция туннельного ВОДД: 1 - волоконно-оптический кабель;

2 - фиксатор; 3 - наконечник; 4 - корпус; 5 - оптическое волокно, часть которого свернута в плоскую спираль; 6, 10 - регулировочные винты; 7 - отверстие с заглушкой для регулирования давления в подмембранной полости; 8 - мембрана; 9 - плоская пластина; 11 - жесткий опорный диск; 12 - крышка

Для повышения чувствительности преобразования волоконнооптического преобразователя микроизгибного типа в работе предложено использовать промежуточный элемент между волокном и воспринимающим давление элементом в виде двух металлических стержней (рис. 3).

Давление от элемента 1 (например, в нашем случае - языка) передается через металлические стержни 2 диаметром 1 мм на ОВ 5, под которым находится упругая резиновая подкладка 3. При оказании воздействия на ОВ 5 происходит значительное падение уровня оптического сигнала, что связано с нарушением условия полного внутреннего отражения и вытеканием из волокна внеапертурных лучей.

Рис. 3. Схема измерительного преобразователя волоконно-оптического датчика на базе микроизогнутого оптического волокна: 1 - воспринимающий элемент;

2 - металлические стержни; 3 - упругие резиновые подкладки; 4 - основание;

5 - микроизогнутое оптическое волокно

В качестве иллюстрации на рис. 4 показан фрагмент конструкции ВОДД, в котором для создания микроизгибов ОВ 5 используется набор цилиндрических валиков 2 и 4.

Рис. 4. Фрагмент конструкции ВОДД на базе микроизогнутого ОВ:

1 - деформеры; 2, 4 - цилиндрические валики; 3 - мембрана с жестким центром;

5 - микроизогнутый ОВ; 6 - эластичное вещество

Последние сдавливаются деформерами 1, изготовленными в форме двух зубчатых пластин. Один из деформеров неподвижен, другой перемещается при прогибе мембраны 3. ОВ 5 окружено эластичным веществом 6, коэффициент преломления которого больше, чем коэффициент преломления оболочки ОВ.

Недостатки указанных технических решений следующие:

- чувствительность преобразования оптического сигнала в зоне измерения недостаточна для измерения силы (давления) языка, особенно в том случае, если речь идет о ребенке;

- технологичность конструкции низкая, так как очень сложная процедура юстировки, которая требует прецизионной установки верхней пласти

- ны относительно нижней со сдвигом, равным половине диаметра оптического волокна, т.е. речь идет о микронах;

- датчик невозможно установить в полости рта из-за больших габаритных и установочных размеров измерительного преобразователя, превышающих размеры рта ребенка.

Конструкция волоконно-оптического датчика силы (давления) мышц языка

Приведенные недостатки конструктивного исполнения датчиков устранены в предлагаемом волоконно-оптическом датчике давления (рис. 5).

Рис. 5. Фрагмент конструкции разрабатываемого ВОДД на базе микроизогнутого ОВ

ВОДД 1 содержит две пластины 2 и 3, между которыми расположено оптическое волокно 4, один торец которого подстыкован к источнику излучения 5, а второй - к приемнику излучения 6, расположенному в электронном блоке 7 (рис. 6).

Рис. 6. Схема расположения волоконно-оптического датчика силы (давления) в полости рта и схема его соединения с регистрирующим устройством

Верхняя пластина 2выполнена в виде перевернутого стакана, донышко 8 которого имеет возможность прогибаться вверх под действием давления языка, нижняя пластина 3 в зоне взаимодействия с языком выполнена плоской толщиной ґпл, равной толщине донышка ґ_донверхней пластины 2, которая с помощью клея 10 по контуру крепится на выступе 11 верхней пластины 2, причем высота внутренней полости стакана Н_с определяется выражением (1):

где й_ов - диаметр оптического волокна; А - допуск на клеевое соединение.

Датчик 1 устанавливают в полость рта пациента таким образом, чтобы донышко 8 верхней пластины 2 соприкасалось с нёбом 12 пациента.

Волоконно-оптический датчик давления работает следующим образом.

Язык пациента с усилием давит на нижнюю пластину 3. Она прогибается в сторону нёба 12. При этом оптические волокна 4 испытывают деформацию. Световой поток, прошедший от источника излучения 5 в зону измерения, изменяет при деформации свою интенсивность. При этом изменяется уровень сигнала на приемнике излучения 6.

Самая простая схема расположения оптического волокна 4 между пластинами 2 и 3, когда витки оптического волокна 4 расположены в виде буквы «О», начало и конец которой выходят в прорезь 13 боковой поверхности верхней пластины 2 (рис. 7,а).

в) г) д)

Рис. 7. Схемы укладки оптических волокон в верхней пластине ВОДД

Но такая схема расположения оптического волокна может не обеспечить необходимой чувствительности преобразования оптического сигнала.

Для увеличения чувствительности преобразования оптического сигнала возможно несколько схем расположения оптического волокна: по спирали (рис. 7,6), в виде буквы «В» (рис. 7,в), в виде цифры 6 (рис. 7,г), в виде двух взаимно перпендикулярных букв «П» (рис. 7,6). Та или иная схема расположения оптического волокна определяется особенностями полости рта пациента.

В зависимости от схемы расположения оптических волокон выбирается числовое значение перед членом ё_ов в выражении (1). Если применяется схема рис. 7,а, то выбирается цифра «1», в остальных случаях - цифра «2». Это обусловлено появлением второго слоя оптических волокон. Необходимо в этом случае второй слой располагать как можно ближе к внешнему контуру верхней пластины, чтобы не снизить чувствительность преобразования оптических сигналов.

Заключение

- конструктивное исполнение и принцип действия волоконнооптического датчика давления языка на нёбо для использования в терапевтической стоматологии;

- рекомендации по укладке оптических волокон в ВОДД, обеспечивающие повышение чувствительности преобразования оптических сигналов в измерительном преобразователе;

- применение ВОДД в стоматологии позволит улучшить качество обслуживания маленьких пациентов на начальной стадии диагностики заболевания, связанного с врожденными расщелинами верхней губы и нёба и другими аномалиями ротовой полости.

Библиографический список

2. Виноградов, Д. И. Постановка голоса / Д. И. Виноградов. - Москва : Просвещение, 1997. - 110 с.

3. Патент 2623309 RUСпособ измерения силы давления мышц языка на сегменты смежных анатомических образований полости рта / Сибгатулина Е. М., Сибга- тулин Р. А., Матвеев Р. С. - Опубл. 23.06.2017.

4. Датчики давления для диагностики заболеваний внутри полости рта / А. А. Куликов, В. В. Юдин, В. И. Щепочкин, Р. А. Сибгатулин, Е. М. Сибгатулина // Радиоэлектронная техника. - 2015. - № 2(8). - С. 239-243.

5. Уракова, Е. В. Морфофункциональная оценка языка и ее клиническое значение : автореф. дис. ... канд. мед. наук / Уракова Е. В. - Казань, 1998. - 15 с.

6. Ямашев, И. Г. Язык: клинико-функциональные методы диагностики патологических состояний : монография / И. Г. Ямашев, Р. С. Матвеев. - Чебоксары : АУ Чувашии ИУВ, 2012. - 168 с.

7. Мурашкина, Т. И. Волоконно-оптические приборы и системы : Научные разработки НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» Пензенского государственного университета / Т. И. Мурашкина, Е. А. Бадеева. - Санкт-Петербург : Политехника, 2018. - Ч. I. - 187 с.

8. Патент 4286468 US, МПК G01 N29/04. Frustrated total internal reflection fiberoptic small-motion sensor for hydrophone use / D. E. Altman. - Опубл. 01.09.1981. - 5 с.

9. Redko, V. V. Classification of Fiber-Optic Pressure Sensors with Amplitude Modulation of Optical Signal / V. V. Redko, V. T. Kondratov // Sensors & Transducers. - 2009. - Vol. 100, № l. - P. 146-169.

10. Патент 1571455 SU, МПК G 01 L 23/06. Волоконно-оптический датчик давления / Р. В. Бутелков, М. Я. Меш, Н. В. Абросимова и др. - Опубл. 15.06.1990. - 3 с.

11. Патент 4918305 US, МПК H01 J 5/16. Fiber optic pressure sensor using pressure sensitive fiber different from input and output fibers / M. T. Wlodarczyk, M. K. Krage, D. J. Vickers. - Опубл. 17.04.1990. - 6 с.

12. Патент 4459477 US, МПК G01 L 1/24. Microbending of optical fibers for remote force measurement / C. K. Asawa, J. W. Austin, M. K. Barnoski, S. D. Per-sonick, S. K. Yao. - Опубл. 10.07.1984. - 16 с.

References

1. Almazova E. S. Logopedicheskaya rabota po vosstanovleniyu golosa u detey [Speech therapy work to restore the voice in children]. Moscow: Ayris-press, 2005, 192 p. [In Russian]

2. Vinogradov D. I. Postanovka golosa [Voice training]. Moscow: Prosveshchenie, 1997, 110 p. [In Russian]

3. Patent 2623309 RU Sposob izmereniya sily davleniya myshts yazyka na segmenty smezhnykh anatomicheskikh obrazovaniy polosti rta [Patent 2623309 RU a Method for measuring the pressure force of the muscles of the tongue on the segments of adjacent anatomical formations of the oral cavity]. Sibgatulina E. M., Sibgatulin R. A., Matveev R. S. Publ. 23.06.2017. [In Russian]

4. Kulikov A. A., Yudin V. V., Shchepochkin V. I., Sibgatulin R. A., Sibgatulina E. M. Radioelektronnaya tekhnika [Pressure sensors for the diagnosis of diseases inside the oral cavity]. 2015, no. 2(8), pp. 239-243. [In Russian]

5. Urakova E. V. Morfofunktsional'naya otsenka yazyka i ee klinicheskoe znachenie: avtoref dis. kand. med. nauk [Morphofunctional evaluation of language and its clinical significance: abstract. dis. ... cand. medical sciences']. Kazan, 1998, 15 p. [In Russian]

6. Yamashev I. G., Matveev R. S. Yazyk: kliniko-funktsional'nye metody diagnostiki patologicheskikh sostoyaniy: monografiya [Language: clinical and functional methods of diagnosis of pathological conditions: monograph]. Cheboksary: AU Chuvashii IUV, 2012, 168 p. [In Russian]

7. Murashkina T. I., Badeeva E. A. Volokonno-opticheskie pribory i sistemy: Nauchnye razrabotki NTTs «Nanotekhnologii volokonno-opticheskikh sistem» Penzenskogo gosudarstvennogo universiteta [Fiber-optic devices and systems: Scientific developments of STC "Nanotechnologies of fiber-optic systems" of Penza state University]. Saint-Petersburg: Politekhnika, 2018, part I, 187 p. [In Russian]

8. Patent 4286468 US, MPK G01 N 29/04. Frustrated total internal reflection fiberoptic small-motion sensor for hydrophone use. Publ. 01.09.1981, 5 p.

9. Redko V. V., Kondratov V. T. Sensors & Transducers. 2009, vol. 100, no. l, pp. 146169.

10. Patent 1571455 SU, MPK G 01 L 23/06. Volokonno-opticheskiy datchik davleniya [Fiber optic pressure sensor]. R. V. Butelkov, M. Ya. Mesh, N. V. Abrosimova et al. Publ. 15.06.1990, 3 p. [In Russian]

11. Patent 4918305 US, MPK H01 J 5/16. Fiber optic pressure sensor using pressure sensitive fiber different from input and output fibers. M. T. Wlodarczyk, M. K. Krage,

B. J. Vickers. Publ. 17.04.1990, 6 p.

12. Patent 4459477 US, MPK G01 L 1/24. Microbending of optical fibers for remote force measurement. C. K. Asawa, J. W. Austin, M. K. Barnoski, S. D. Per-sonick, S. K. Yao. Publ. 10.07.1984, 16 p.

Размещено на Allbest.ru