CN110299057B - 一种食物模拟吞咽装置和食物模拟吞咽方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种食物模拟吞咽装置和食物模拟吞咽方法，属于人体口腔期吞咽的仿生机械设计领域。该食物模拟吞咽装置包括：舌头基体及软组织材料、上颚基体及软组织材料、微型感测片、凸轮连杆机构、齿轮齿条机构、推杆、电机、第一底座、第二底座以及对应的连接装置；齿轮齿条机构连接于舌头基体的不同位置，凸轮连杆机构连接于舌头基体的舌根处。通过齿轮齿条机构以及凸轮连杆机构实现对人体吞咽过程的对舌头真实的动态的模拟，获得吞咽时食物流动和吞咽系统的体内测量数据，且可更改连杆长度以及齿轮齿条的速度以及角度适应不同人群的吞咽曲线，适应性较好，对研究食物的流动特性，通过施以相对安全的食品治疗吞咽困难具有重大研究意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种食物模拟吞咽装置和食物模拟吞咽方法，属于人体口腔期吞咽的仿生机械设计领域。
背景技术
吞咽障碍是多种原因引起的、可发生于不同部位的吞咽时咽下困难。吞咽障碍可影响摄食及营养吸收，还可导致食物误吸入气管导致吸入性肺炎，严重者危及生命，但是由于人体吞咽系统结构与神经系统的复杂性，在医学上只能通过胃镜、食管镜等侵入式医疗设备来获得患者的体内信息，但却不易获得吞咽时食物流动和吞咽系统的体内测量数据，直接导致在医学上不能对症下药，并且阻碍了食品材质特性对吞咽过程影响的研究以及安全食品的开发。
为了提高吞咽障碍医疗诊断水平，研发人员研制出一些吞咽装置结构模型，提供体外试验环境，但是，当前的吞咽装置结构模型大多为静态的结构模型，无法动态的演示吞咽过程，更加无法获得食物被吞咽时的流动特性，部分动态结构模型结构较为简单，未能正确表达食物吞咽过程，而且由于不同人群具有不同的吞咽曲线，现有的吞咽装置结构模型无法针对不同人群进行适应性模拟。
所以为了获得食物被吞咽时的流动特性，动态的演示吞咽过程，获得吞咽时食物流动和吞咽系统的体内测量数据，进而改善吞咽患者的生活质量，亟需研发一种能够真实模拟人体吞咽过程的模型。
发明内容
为了解决目前存在的吞咽装置结构模型无法动态的演示吞咽过程和无法针对不同人群具有不同的吞咽曲线进行适应性模拟的问题，本发明提供了一种食物模拟吞咽装置和食物模拟吞咽方法。
一种食物模拟吞咽装置，所述食物模拟吞咽装置包括舌头基体及软组织材料、上颚基体及软组织材料、微型感测片、凸轮连杆机构、齿轮齿条机构、推杆、电机、第一底座、第二底座以及对应的连接装置；其中，齿轮齿条机构连接于舌头基体的不同位置，凸轮连杆机构连接于舌头基体的舌根处；微型感测片设置于所述食物吞咽装置内部。
可选的，所述食物模拟吞咽装置包括若干齿轮齿条机构；每个齿轮齿条机构包括：齿轮、齿条、齿条位置调整块、齿条传动条、电机、固定座；所述固定座和齿条位置调整块固定在第一底座上；齿轮固定在固定座上；齿条的一点固定在齿条位置调整块上，通过齿条位置调整块调整齿条的斜率；齿条传动条与齿条连接；齿条传动条连接于舌头基体的不同位置。
可选的，所述凸轮连杆机构包括凸轮、若干连接连杆和电机；其中，凸轮和其中一个连接连杆固定在第二底座上，其余连接连杆依次相连，连接连杆之间的连接点之一与舌头基体的舌根处连接。
可选的，所述食物模拟吞咽装置还包括收集盒，所述收集盒固定于所述第二底座上，用于收集经过舌头基体到达舌根处的食物。
可选的，所述上颚基体包括上颚硬腭部分、上颚软腭部分；其中上颚软腭部分曲面内部覆盖有软组织材料以模拟口腔软组织；所述舌头基体曲面覆盖有软组织材料；微型感测片设置于上颚软腭部分曲面内部覆盖的软组织材料和上颚硬腭部分。
可选的，所述推杆包括推杆Ⅰ和推杆Ⅱ；推杆Ⅰ一端固定在第一底座上，另一端与舌头基体的舌尖端连接；推杆Ⅱ固定在所述上颚软腭部分曲面外部，推杆Ⅱ在电机的带动下推动所述上颚软腭部分上下运动。
可选的，所述软组织材料包括热塑性弹性体、硅胶。
可选的，所述凸轮连杆机构包括4段连接连杆，分别为连接连杆Ⅰ、连接连杆Ⅱ、连接连杆Ⅲ和连接连杆Ⅳ；其中连接连杆Ⅰ一端固定在第二底座上，连接连杆Ⅰ另一端与连接连杆Ⅳ相连，连接连杆Ⅳ与连接连杆Ⅲ相连，连接连杆Ⅲ与连接连杆Ⅱ相连，连接连杆Ⅱ与凸轮相连；连接连杆Ⅳ与连接连杆Ⅲ的连接点和舌头基体的舌根处连接。
本申请还提供一种食物模拟吞咽方法，所述方法采用上述食物模拟吞咽装置进行模拟。
可选的，所述方法包括：获取人体舌头以及上颚的曲线参数，根据所述获取到的人体舌头以及上颚的曲线参数设定食物吞咽装置中所包含的齿轮齿条机构的个数、各个齿轮齿条机构与舌头基体的连接位置或者齿轮齿条机构中齿条的斜率，利用所述食物模拟吞咽装置模拟食物在人体口腔中的吞咽过程，通过其中的微型感测片获取吞咽过程中食物所受到的吞咽压力及滑移速度。
可选的，所述方法还包括：在模拟过程中采用球状食团的食物。
可选的，所述球状食团的直径取8-11mm。
可选的，模拟过程中，齿条和齿条传动条沿直线作往复直线运动；连接连杆Ⅱ沿直线做直线往复运动，带动连接连杆Ⅳ做类椭圆圆周运动。
可选的，模拟过程中，当球状食团到达上颚软腭部分时，推杆Ⅱ将上颚软腭部分往下推，使得球状食团在上颚软腭部分和舌头基体的共同作用下被推入收集盒，完成一次吞咽过程的模拟。
本发明有益效果是：
本发明提供的食物模拟吞咽装置，通过采用曲面造型并合理的选用了材料使得舌头与上颚基体能采用快速原型技术加工制造，上颚基体前半部分采用硬质材料，后半部分采用柔软性材料，后期在上颚基体的后半部分以及舌头基体曲面上覆盖柔软性的介质如PDMS、TPE等热塑性弹性体模拟口腔软组织，并在上颚表面布置微型感测片，可以在实现舌头、食物、上颚的软接触同时，还将吞咽过程中食物所受的压力与滑移速度测量出来，通过与正常吞咽的受力结果以及滑移速度进行对比，进而调节舌头基体上各点的位置以达到正常人吞咽压力及滑移速度，从而动态的演示吞咽过程，获得吞咽时食物流动和吞咽系统的体内测量数据，为研究人体真实吞咽状态，从而针对不同患者吞咽困难的严重程度，模拟食物吞咽过程，研究食物在吞咽的流动特性，通过改善食品的材质特性，施以相对安全的食品，来治疗吞咽困难具有重大研究意义。另外，模拟吞咽过程中，根据所述获取到的人体舌头以及上颚的曲线参数设定食物吞咽装置中所包含的齿轮齿条机构的个数、各个齿轮齿条机构与舌头基体的连接位置或者齿轮齿条机构中齿条的斜率，使得模拟过程更接近与真实的人体吞咽过程，再通过其中的微型感测片获取吞咽过程中食物所受到的吞咽压力及滑移速度，而且，通过凸轮-连杆以及齿轮-齿条机构来模拟舌头的曲线运动，并提出在装置上更改连杆长度以及齿轮齿条的速度以及角度来适应不同人群的吞咽曲线，有较好的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于凸轮-连杆和齿轮齿条组合的食物模拟吞咽装置的一种结构示意图；
图2为本发明的齿条调整装置的结构示意图；
图3为本发明的机构输出运动曲线图；
图4为本发明的凸轮连杆调整装置的结构示意图；
其中，1-上颚硬腭部分；2-舌头基体；3-齿轮Ⅰ；4-电机Ⅰ；5-推杆Ⅰ；6-齿条Ⅰ；7-固定座；8-齿条位置调整块；9-齿条Ⅱ；10-齿条Ⅲ；11-第一底座；12-齿条Ⅳ；13-齿条Ⅴ；14-齿条Ⅵ；15-齿条Ⅶ；16-凸轮；17-电机Ⅱ；18-连接连杆Ⅰ；19-连接连杆Ⅱ；20-连接连杆Ⅲ；21-收集盒；22-连接连杆Ⅳ；23-齿条Ⅷ；24-上颚软腭部分；25-推杆Ⅱ；26-微型感测片；27-固定板；28-齿条传动条；29-第二底座；30-调整连杆Ⅰ；31-调整连杆Ⅱ。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种食物模拟吞咽装置，包括舌头基体及软组织材料、上颚基体及软组织材料、微型感测片、凸轮连杆机构、齿轮齿条机构、推杆、电机以及将这些主要部件联系起来的一系列连接装置等。
申请人在设计该食物吞咽装置时，通过对吞咽视频的解析，提取出舌头以及上颚的曲线参数，采用曲面造型并合理的选用了材料使得舌头与上颚基体能采用快速原型技术加工制造，上颚基体前半部分采用硬质材料，后半部分采用柔软性材料，后期需在上颚基体的后半部分以及舌头基体曲面上覆盖柔软性的介质如PDMS、TPE热塑性弹性体材料模拟口腔软组织，并在上颚表面布置微型感测片，可以在实现舌头、食物、上颚的软接触同时，还将吞咽过程中食物所受的压力与滑移速度测量出来，通过与正常吞咽的受力结果以及滑移速度进行对比，进而调节舌头基体上各点的位置以达到正常人吞咽压力及滑移速度。
舌头基体通过销钉与齿条以及连杆相连，上颚固定在舌头的上方并与舌头之间留有间隙，上颚的软腭部分与推杆相连，电机驱动推杆、凸轮-连杆机构、齿轮齿条机构，凸轮-连杆机构代表舌根点，齿轮齿条代表舌头上其他点，这样就把电机的旋转运动转化为连杆的往复类类椭圆运动以及齿条的往复直线移动，齿轮齿条以及凸轮-连杆副将各自的往复运动转化为舌头基体的往复摆动，往复摆动的舌头基体会将食物逐步的挤压并最终完成吞咽过程。
为了能实现不同人群的吞咽曲线的不同，该装置还设置了齿轮齿条斜率调整装置以及连杆大小调整装置，通过改变齿轮齿条的斜率以及连杆角度长度大小即可适应不同人群的吞咽工况。
本发明实现了食物吞咽机制模拟从静态到动态的跨越以及弥补了目前动态装置的单一性，具有较高的创新性。
本发明结构简单操作方便，便于在装置仿生口腔中增设测量装置，能对相关食品及医疗行业提供有效相关数据。
具体的，请参考图1，该食物吞咽装置包括：1-上颚硬腭部分；2-舌头基体；3-齿轮Ⅰ；4-电机Ⅰ；5-推杆Ⅰ；6-齿条Ⅰ；7-固定座；8-齿条位置调整块；9-齿条Ⅱ；10-齿条Ⅲ；11-第一底座；12-齿条Ⅳ；13-齿条Ⅴ；14-齿条Ⅵ；15-齿条Ⅶ；16-凸轮；17-电机Ⅱ；18-连接连杆Ⅰ；19-连接连杆Ⅱ；20-连接连杆Ⅲ；21-收集盒；22-连接连杆Ⅳ；23-齿条Ⅷ；24-上颚软腭部分；25-推杆Ⅱ；26-微型感测片；27-固定板；28-齿条传动条；29-第二底座。
所述上颚硬腭部分(1)固定在固定板(27)，固定板(27)固定在底座(11)上。上颚软腭部分(24)连接在上颚硬腭部分(1)，上颚软腭部分(24)采用热塑性弹性体(如TPE)或硅胶(PDMS)的软组织材料。
所述微型感测片(26)分布在上颚硬腭部分(1)、上颚软腭部分(24)曲面内部软组织材料上用以测量吞咽过程中的压力。
所述推杆Ⅱ(25)固定在上颚软腭部分(24)上。
所述舌头基体(2)上方覆盖有软组织材料并与齿条传动条(28)、推杆Ⅰ(5)以及连杆Ⅳ(22)相连，推杆Ⅰ(5)固定在第一底座(11)上，齿轮Ⅰ(3)固定在固定座(7)上，齿条Ⅰ(6)固定在齿条位置调整块(8)上，凸轮(16)连接连杆Ⅰ(18)并固定在第二底座(29)上，连接连杆Ⅱ(19)与连接连杆Ⅲ(20)相连，连接连杆Ⅲ(20)与连接连杆Ⅳ(22)相连，连接连杆Ⅲ(20)和连接连杆Ⅳ(22)的连接点与舌头基体(2)的舌根处连接。
所述连接连杆Ⅰ(18)固定在凸轮(16)上。
所述收集盒(21)固定在第二底座(29)上。
所述齿条传动条(28)固定在齿条Ⅰ(6)上，对应的，各个齿轮齿条机构中的齿条传动条均固定在其对应的齿条上，其余齿轮齿条机构中的相应部件标号未标出，仅以其中一个齿轮齿条机构为例进行说明。
实施例二
本实施例提供一种食物模拟吞咽方法，所述方法采用上述实施例一所述的食物模拟吞咽装置进行模拟，包括：获取人体舌头以及上颚的曲线参数，根据所述获取到的人体舌头以及上颚的曲线参数设定食物吞咽装置中所包含的齿轮齿条机构的个数、各个齿轮齿条机构与舌头基体的连接位置或者齿轮齿条机构中齿条的斜率，利用所述食物模拟吞咽装置模拟食物在人体口腔中的吞咽过程，通过其中的微型感测片获取吞咽过程中食物所受到的吞咽压力及滑移速度。
具体的，模拟过程中，使用时先将约8-11mm直径的球状食团放置舌头基体(2)中，并利用推杆Ⅰ(5)抵住食团往舌头基体(2)后部移动，电机Ⅰ(4)通电后带动齿轮Ⅰ(3)周转，并带动齿条Ⅰ(6)和齿条传动条(28)沿直线作往复直线运动，齿条Ⅱ(9)、齿条Ⅲ(10)、齿条Ⅳ(12)、齿条Ⅴ(13)、齿条Ⅵ(14)、齿条Ⅶ(15)、齿条Ⅷ(23)在各自电机的作用下都会沿各自的直线做往复直线运动，电机Ⅱ(17)通电后带动凸轮(16)以及连接连杆Ⅰ(18)做周转，并且带动连接连杆Ⅱ(19)做直线往复运动，带动连接连杆Ⅳ(22)做类椭圆圆周运动，由于舌头基体(2)与齿条以及连接连杆Ⅳ(22)相连，因此，齿条以及连接连杆Ⅳ(22)的运动带动舌头基体(2)进行上下运动，这样将会把食团往后推送，当在食团到达上颚软腭部分(24)时，推杆(25)通电，通电后，推杆(25)中电机带动推杆Ⅱ(25)将上颚软腭部分(24)往下推，食团在上颚软腭部分(24)和舌头基体(2)的共同作用下被推入收集盒(21)中，完成一次吞咽动作并通过微型感测片(26)测量出吞咽过程中食团所受到的压力。
如图2所示：齿轮齿条调整装置，由于每个人的吞咽曲线都会有差别，因此本发明针对该情况做出调整，可以通过齿条位置调整块(8)调整齿条Ⅰ(6)的斜率，实现不同人群的吞咽曲线。
需要说明的是，上述对于调整齿条斜率的说明仅以齿条Ⅰ(6)和齿条位置调整块(8)为例进行说明。
如图3所示：机构运动输出曲线图，本发明通过采集吞咽过程中不同时间点各齿轮齿条点以及凸轮连杆Ⅲ(20)与连杆Ⅳ(22)连接点所在位置，如t1、t2、t3三个时间点所采集的曲线点如图3所示，结果显示本发明可以很好地复现吞咽时舌头的运动曲线。
如图4所示：凸轮连杆机构装置，由于每个人的吞咽曲线都会有差别，因此本发明针对该情况做出调整，可以通过在连接连杆Ⅳ(22)上增加不同角度、不同长度的调整连杆如调整连杆Ⅰ(30)、调整连杆Ⅱ(31)并连接在舌头基体(2)上来实现不同的运动轨迹。
需要进行说明的是，上述通过在连接连杆Ⅳ(22)上增加不同角度、不同长度的调整连杆进行调整时，需要进行拆卸组装。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种食物模拟吞咽装置，其特征在于，所述食物模拟吞咽装置包括舌头基体及软组织材料、上颚基体及软组织材料、微型感测片、凸轮连杆机构、齿轮齿条机构、推杆、电机、第一底座、第二底座以及对应的连接装置；其中，齿轮齿条机构连接于舌头基体的不同位置，凸轮连杆机构连接于舌头基体的舌根处；微型感测片设置于所述食物模拟吞咽装置内部；
所述食物模拟吞咽装置包括若干齿轮齿条机构；每个齿轮齿条机构包括：齿轮、齿条、齿条位置调整块、齿条传动条、电机、固定座；所述固定座和齿条位置调整块固定在第一底座上；齿轮固定在固定座上；齿条的一点固定在齿条位置调整块上，通过齿条位置调整块调整齿条的斜率；齿条传动条与齿条连接；齿条传动条连接于舌头基体的不同位置；
所述凸轮连杆机构包括凸轮、若干连接连杆和电机；其中，凸轮和其中一个连接连杆固定在第二底座上，其余连接连杆依次相连，连接连杆之间的连接点之一与舌头基体的舌根处连接；
所述上颚基体包括上颚硬腭部分、上颚软腭部分；
所述推杆包括推杆Ⅰ和推杆Ⅱ；推杆Ⅰ一端固定在第一底座上，另一端与舌头基体的舌尖端连接；推杆Ⅱ固定在所述上颚软腭部分曲面外部，推杆Ⅱ在电机的带动下推动所述上颚软腭部分上下运动；
所述凸轮连杆机构包括4段连接连杆，分别为连接连杆Ⅰ、连接连杆Ⅱ、连接连杆Ⅲ和连接连杆Ⅳ；其中连接连杆Ⅰ一端固定在第二底座上，连接连杆Ⅰ另一端与连接连杆Ⅳ相连，连接连杆Ⅳ与连接连杆Ⅲ相连，连接连杆Ⅲ与连接连杆Ⅱ相连，连接连杆Ⅱ与凸轮相连；连接连杆Ⅳ与连接连杆Ⅲ的连接点和舌头基体的舌根处连接。
2.根据权利要求1所述的食物模拟吞咽装置，其特征在于，所述食物模拟吞咽装置还包括收集盒，所述收集盒固定于所述第二底座上，用于收集经过舌头基体到达舌根处的食物。
3.根据权利要求1所述的食物模拟吞咽装置，其特征在于，其中上颚软腭部分曲面内部覆盖有软组织材料以模拟口腔软组织；所述舌头基体的曲面覆盖有软组织材料；微型感测片设置于上颚软腭部分曲面内部覆盖的软组织材料和上颚硬腭部分。
4.根据权利要求1-3任一所述的食物模拟吞咽装置，其特征在于，所述软组织材料包括热塑性弹性体、硅胶。
5.一种食物模拟吞咽方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-4任一所述的食物模拟吞咽装置进行模拟。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：获取人体舌头以及上颚的曲线参数，根据所述获取到的人体舌头以及上颚的曲线参数设定食物模拟吞咽装置中所包含的齿轮齿条机构的个数、各个齿轮齿条机构与舌头基体的连接位置或者齿轮齿条机构中齿条的斜率，利用所述食物模拟吞咽装置模拟食物在人体口腔中的吞咽过程，通过其中的微型感测片获取吞咽过程中食物所受到的吞咽压力及滑移速度。
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