Исследование межчелюстного давления на основе решеток Брэгга

Важность разработки данного устройства обусловлена тем, что установленные на зубах волоконно-оптические датчики имеют малые габариты, отсутствие необходимости в электрической энергии, высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, диэлектрические свойства. Таким образом, появляется возможность отслеживания деформации челюсти по датчикам через беспроводной канал передачи.

Недостатки имеющихся измерителей давления заключается в неточности измерений и опасности травмирования слизистых оболочек полости рта. [1]

Многие учёные работали над установлением постоянных величин для определения жевательного давления зубов. С этой целью применяли сравнительную методику измерения жевательного давления. Приняв жевательное давление самого слабого зуба, т. е. бокового резца, за единицу измерения, они сравнивали с ним жевательное давление остальных зубов. При этом получились величины, которые могут быть названы константами. [4]

Отдельными приёмами исправления неправильного положения зубов пользовались ещё в глубокой древности. Для этой цели применяли давление пальцами, лигатурное связывание, а также широкие металлические полоски с отверстиями, которые укреплялись во рту: своим давлением и тягой такие полосы воздействовали на неправильно стоящие зубы. [2]

С развитием науки и техники усовершенствовались старые ортодонтические аппараты и появился ряд новых, успешно применяемых ортодонтами при лечении зубочелюстных аномалий у взрослых пациентов и детей. [3]

Изобретение может быть использовано для повышения скорости и точности измерений деформации устройством на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках.

Этот вид датчиков не требует электропитания, чувствительная зона датчика по существу совмещена с волоконно-оптическими линиями передачи измерительной информации. Устройство измерения работает следующим образом.

Измерительное устройство, представленное на рис.1., на основе квазираспределённых волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках содержит непрерывный широкополосный источник излучения в виде суперлюминесцентного диода, оптически соединенный с циркулятором. Циркулятор направляет свет, входящий в порт 1 на порт 3 и свет, входящий в порт 3 на порт 4. В этом случае решетка отражает требуемую длину волны, которая потом попадает на порт 4. Выходы фотоприёмного устройства с помощью беспроводного канала связи соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразовав данные отправляет на вычислительное устройство. отраженный от датчиков Брэгга.

Рис.1. Структурная схема устройства

Рис. 2. Оптическая схема датчика

В качестве источника излучения со спектром излучения, огибающая которого модулирована по амплитуде, может быть использован суперлюминесцентный диод (СЛД), грани кристалла которого имеют коэффициент отражения, обеспечивающий заданную глубину модуляции по амплитуде огибающей спектра излучения суперлюминесцентного диода.

Принцип работы такого устройства основан на измерении сдвига резонансных длин волн излучения, отраженного от набора датчиков Брэгга. То есть каждый датчик Брэгга отражает излучение в узком спектральном диапазоне в окрестности резонансной длины волны, значение которой линейно связано с оптической длиной решетки Брэгга. Измерение спектра производится путем сканирования спектра при помощи циркулятора. Фотоприемник регистрирует спектр отраженных сигналов от датчиков обоих решёток Брэгга. Оптическая схема датчика показана на рис.2.

Рис. 3. Принцип работы решёток Брэгга

Если все мышцы челюстей одновременно сокращаются, то сила сжатия зубов может достигать 25 кг для резцов или 90,7 кг для моляров (коренных зубов). Так как, само устройство находится на верхней челюсти и во время сжатия челюстей происходит постепенное увеличение величины деформирующего усилия в диапазоне от 0 до 50 кг силы на верхнюю челюсть.

При прохождении света по оптоволокну происходит его частичное отражение от неоднородностей в сердечнике оптоволокна, т. е. от Брэгговской решетки.

В нашей работе использовано подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс.

Сам модуль мы будем устанавливать на ФПУ и сразу как ФПУ зарегистрирует полученный сигнал, передаст по беспроводному каналу на АЦП, а тот, в свою очередь, на ПК ортодонта. Уже по результатам полученной информации ортодонт может судить об интенсивности оказания межчелюстного давления. Функциональная схема канала сбора информации представлена на рис.4.

Рис. 4. Функциональная схема канала сбора информации

Для любого типа беспроводной связи передаваемый сигнал рассеивается по мере его распространения в пространстве. Следовательно, мощность сигнала, принимаемого антенной, будет уменьшаться по мере удаления от передающей антенны. Данный тип затухания называют потерями в свободном пространстве и вычисляют через отношение мощности излученного сигнала к мощности полученного сигнала.

,

где Pt — мощность сигнала передающей антенны; Pr — мощность сигнала, поступающего на антенну приемника; λ — длина волны несущей; d — расстояние, пройденное сигналом между двумя антеннами; Gt — коэффициент усиления передающей антенны; Gr — коэффициент усиления антенны приемника.

Формула расчета дальности связи:

,

где FSL (Free Space Loss) — потери в свободном пространстве (дБ); F — центральная частота канала, на котором работает система связи (МГц); D — расстояние между двумя точками (км). FSL определяется суммарным усилением системы.

Учитывая возможные факторы, отрицательно влияющие на дальность связи, такие как:

-          температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;

-          всевозможные атмосферные явления: туман, снег, дождь;

-          рассогласование антенны, приемника, передатчика с антенно-фидерным трактом.

Полученные результаты расчётов приведены на рис.5.

Рис. 5. Данные расчёта беспроводного канала

Литература:

1.      Исследовано в России [Электронный ресурс] — Режим доступа: www.optolex.ru

2.      Бетельман, А. И. Ортопедическая стоматология/А. И. Бетельман. — Москва: Медицина, 1965.- 54–56 с.

3.      Копейкин В. Н., Демнер Л. М. Зубопротезная техника/ В. Н. Копейкин, Л. М. Демнер.-М.:Медицина,1985.- 343 с.

4.      [Электронный ресурс] — Режим доступа:http:// medbe.ru/materials