CN110638475A - 一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪及方法，包括测量仪主体，测量仪主体通过L型连接管与咬合端连接，L型连接管和测量仪主体插接连接，所述咬合端包括上下相对设置的两咬合垫，两咬合垫之间夹持可更换的压电薄膜传感器，压电薄膜传感器与信号处理单元连接，信号处理单元与单片机连接，单片机将压电薄膜传感器的电压信号转换为咬合力数值。该测量仪采用压电薄膜传感器，增加咬合的舒适度和测量结果精确性，通过L型连接管的设置，能避免咬合时邻近牙齿的咬合干扰。

Description

一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪及方法

技术领域

本公开属于口腔牙齿咬合力检测技术领域，具体涉及一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪及方法。

背景技术

咬合力指上下颌牙齿发生接触时，咀嚼肌收缩产生的咀嚼压力，是反映口颌咀嚼系统的一个重要标志，被广泛应用于磨牙症、下颌关节紊乱、外科手术治疗等疾病的术后咀嚼功能恢复的评价指标。咬合力分析在口腔医学研究领域中具有重要意义，测定咬合力有助于了解口颌系统功能状况，牙体、牙周及咀嚼肌等组织的健康状况，是口腔修复和正畸治疗常用的客观评价指标。因此在测量单牙咬合力时，咬合端易于到达指定位置，且不影响邻近牙齿咬合显得尤为重要，同时传感器输出的信号要能有效避免外界电磁波和人体自身工频的烦扰，才能得到准确的反馈值。然而，发明人发现目前常用的咬合力测量仪在测量单牙咬合力时的准确定位和规避电磁干扰方面存在不足。

现有的有关咬合力测量装置的专利，如公开号为CN105030259A的专利，采用电阻应变式测量仪，利用悬臂支架因咬合力产生的变形量，来改变电阻应变片的电阻，从而测量咬合力，但由于半球形凸面的悬臂支架厚度较大，干扰了正常咬合过程，且咬合端无法拆卸更换和高温消毒，长久使用形变量大，测量结果不够准确，同时测量仪机身设计成矩形握持手感不佳；如公开号为CN106974665A的专利，咬合端设计为具有一定初始气压的气囊，通过检测气囊内部的初始气压值与不同外压力下气囊内部的气压，建立气囊气压差与咬合力的对应关系，但是没有考虑测量时因口腔温度造成的气囊内部空气膨胀导致的误差，同时气囊体积较大，影响了患者的咀嚼肌发力，也会造成临近牙齿咬合误触的干扰；如公开号为CN105686838A的专利，咬合端与测量仪机身之间设计成直线，在实际应用中，须要从口腔侧边伸进测量仪才能避开临近牙齿对悬臂支架的咬合干扰，增加了临床中的操作难度，同时由电阻应变式传感器输出的电信号，并未经过放大和滤波处理，存在较多干扰信号，测量结果不够准确。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪及方法；该测量仪采用压电薄膜传感器，增加咬合的舒适度和测量结果精确性，通过L型连接管的设置，能避免咬合时邻近牙齿的咬合干扰。

本公开的第一发明目的是提出一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪，包括测量仪主体，测量仪主体通过L型连接管与咬合端连接，L型连接管和测量仪主体插接连接，所述咬合端包括上下相对设置的两咬合垫，两咬合垫之间夹持可更换的压电薄膜传感器，压电薄膜传感器与信号处理单元连接，信号处理单元与单片机连接，单片机将压电薄膜传感器的电压信号转换为咬合力数值。

作为进一步的技术方案，两所述咬合垫通过卡扣连接，咬合垫的外端面呈弧面状。

作为进一步的技术方案，所述咬合端的上部咬合垫顶部高出L型连接管顶壁设置，咬合端的下部咬合垫底部低于L型连接管底壁设置。

作为进一步的技术方案，所述L型连接管为中空管路，所述L型连接管的纵截面呈椭圆形。

作为进一步的技术方案，所述L型连接管与测量仪主体可拆卸连接，测量仪主体外侧设置机械开关，机械开关将L型连接管夹紧或松开。

作为进一步的技术方案，所述机械开关包括设置于测量仪主体外侧的翘板按钮，翘板按钮与置于测量仪主体内部的双摇杆夹紧机构连接，所述双摇杆夹紧机构包括第一连杆和第二连杆，第一连杆、第二连杆分别连接于翘板按钮两侧，第一连杆底部与第一夹具铰接，第一夹具还通过第一转轴与测量仪主体固定连接，第二连杆底部与第二夹具铰接，第二夹具还通过第二转轴与测量仪主体固定连接。

作为进一步的技术方案，所述翘板按钮中部通过固定转轴与测量仪主体铰接连接，所述第一夹具和第二夹具相对设置，且二者相对侧均设置可卡合L型连接管的卡槽，按动翘板按钮一侧可带动双摇杆夹紧机构的两夹具面向运作而夹紧L型连接管，按动翘板按钮另一侧可带动双摇杆夹紧机构的两夹具背向运作而松开L型连接管。

作为进一步的技术方案，所述信号处理单元包括依次连接的电荷放大器、温度补偿器、低通滤波器、A/D转换器，电荷放大器和压电薄膜传感器连接，A/D转换器和单片机连接。

作为进一步的技术方案，所述测量仪主体外侧设置指示灯、显示屏和通电开关，显示屏和单片机连接。

作为进一步的技术方案，所述测量仪主体外形呈纺锤形，测量仪主体具有内部空腔以容纳信号处理单元和单片机。

本公开的第二发明目的提出一种采用如上所述的咬合力测量仪进行咬合力检测的方法，包括以下步骤：

打开咬合端的上下两咬合垫，将压电薄膜传感器固定于两咬合垫之间，闭合两咬合垫后，将L型连接管插接于测量仪主体并固定；

将L型连接管沿被测试者牙列外侧，伸入被测试者口中，使咬合垫置于下颌需测量的单牙冠上方，咬合垫受到咬合力发生形变，压电薄膜传感器受力后将电压信号经由信号处理单元传输给单片机；

单片机将电压信号转换为咬合力数值，生成咬合力波形图，并将咬合力数值和咬合力波形图传输给上位机，用以评估被测试者咬合能力；

拆卸L型连接管，将压电薄膜传感器取出，对L型连接管和咬合垫进行消毒。

本公开的有益效果为：

本公开的咬合力测量仪，采用压电薄膜传感器，降低咬合磨具的厚度，增加咬合的舒适度和精确性。

本公开的咬合力测量仪，采用“L”型设计的连接管，能够在检测过程中直接沿牙列伸入即可精确到达指定位置，避免了咬合时邻近牙齿的咬合干扰。

本公开的咬合力测量仪，测量仪主体采用符合人体工学的纺锤形壳体，可以增加握持的舒适度。

本公开的咬合力测量仪，将显示屏和指示灯设置在测量仪主体远离测量端，可以实时显示咬合力测量的数值和波形图，免去连接电脑显示器的繁琐。

本公开的咬合力测量仪，装置结构简单，便于拆卸测量端进行高温消毒。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是咬合力测量仪的结构示意图；

图2是咬合力测量仪的应用示意图；

图3是咬合力测量仪的主视图；

图4是咬合力测量仪的型腔分布示意图；

图5是咬合力测量仪的信号处理单元与单片机和压电薄膜传感器的连接图；

图6为机械开关的放大结构示意图；

图中，1、咬合垫；2、压电薄膜传感器；3、L型连接管；4、测量仪主体；5、机械开关；6、电荷放大器；7、温度补偿器；8、低通滤波器；9、A/D转换器；10、单片机；11、指示灯；12、显示屏；13、翘板按钮；14、固定转轴；15、第一连杆，16、第二连杆，17、第一转轴，18、第二转轴，19、第一夹具，20、第二夹具。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术所介绍的，发明人发现，目前常用的咬合力测量仪在测量单牙咬合力时的准确定位和规避电磁干扰方面存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪及方法。

本申请提供了一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪，包括测量仪主体，测量仪主体通过L型连接管与咬合端连接，L型连接管和测量仪主体插接连接，所述咬合端包括上下相对设置的两咬合垫，两咬合垫之间夹持可更换的压电薄膜传感器，压电薄膜传感器与信号处理单元连接，信号处理单元与单片机连接，单片机将压电薄膜传感器的电压信号转换为咬合力数值。

实施例1

下面结合附图1-附图6对本实施例公开的测量仪做进一步的说明；

参照附图1所示，基于单片机控制的高精度咬合力测量仪，具有咬合端、L型连接管3和测量仪主体4，测量仪主体4通过L型连接管3与咬合端连接，L型连接管3和测量仪主体4插接连接，咬合端即为该测量仪的测量端，咬合端包括由天然橡胶制成的咬合垫组件及镶嵌其中的压电薄膜传感器2。本实施例中，压电薄膜传感器2采用A301压电薄膜传感器。

咬合垫组件包括上下相对设置的两咬合垫1，压电薄膜传感器2置于两咬合垫1之间由两咬合垫1夹持，两咬合垫1侧部设置卡扣，通过卡扣将上下咬合垫1连接，打开卡扣，可将压电薄膜传感器2进行更换，关闭卡扣可将压电薄膜传感器2牢固的夹持于其内。

压电薄膜传感器2与信号处理单元连接，信号处理单元与单片机10连接，单片机10将压电薄膜传感器2的电压信号转换为咬合力数值。如图5所示，信号处理单元包括依次连接的电荷放大器6、温度补偿器7、低通滤波器8、A/D转换器9，电荷放大器6和压电薄膜传感器2连接，A/D转换器9和单片机10连接。测量仪主体4外侧设置指示灯11、显示屏12和通电开关，显示屏12和单片机10连接。

本实施例中电荷放大器6采用MAX297电荷放大器，单片机10采用STM32F030R8T6单片机，显示屏12采用LCD显示屏，将显示屏12和指示灯11设置在测量仪主体远离咬合端一侧。

如图4所示，在测量仪主体4的内部设置有多个型腔，从左到右依次存放显示屏12、单片机10、A/D转换器9、温度补偿器7、低通滤波器8、电荷放大器6，各型腔按照各模块需要的尺寸和形状做进一步设计。各个型腔之间设置有用于连接导线的通孔，连接电荷放大器、温度补偿器、低通滤波器、A/D转换器、单片机成为一个统一整体，并最大限度的利用空间，最后将数字信号转换为咬合力的数值，直接显示在咬合计测量仪的显示屏上，同时显示咬合力波峰图、最大值、最小值、平均值，用于指导医生医治。具体地，传感器为A301压电薄膜传感器，电荷放大器6用于将压电传感器产生的微弱的电信号经放大转变为设备能够测量到的电压信号，低通滤波器8消除人体的50Hz工频和外界电磁波干扰，经过滤波电路的过滤输出干净的电压，经放大后输出到A/D转换器9，将模拟电信号转换为计算机能识别的数字信号。单片机10负责控制仪器正常运行，将输入的数字信号经过公式换算得出咬合力的数值，传输到显示屏上以数值和波形图的形式显示咬合力相关信息。

可充电锂电池为传感器、电荷放大器、温度补偿器、滤波电路、A/D转换器、单片机和显示屏提供电能，测量仪主体外侧设置电池开关。

另外，为了便于测试切牙和磨牙，将咬合磨具设计成2种形状；为方便伸入口腔而避免临近牙齿的咬合干扰，同时兼顾导管的坚固性，经多次试验将L型连接管3的横截面设计为长轴2mm，短轴1mm的椭圆形。L型连接管3的纵截面设计为“L”型，可以避免连接管在咬合时对临近牙齿的干扰，咬合垫采用厚度为2mm的食品级天然橡胶制成，硬度适中回弹性好，延长传感器寿命；采用上下部分配合设置的卡扣式设计(上下咬合垫侧部设置卡扣将二者连接)，便于拆卸和更换传感器；咬合垫沿测量端方向的尺寸为边长10mm的正方形，四周倒圆角，上下两咬合垫的整体厚度为2mm，咬合端的上部咬合垫1顶部高出L型连接管顶壁设置，咬合端的下部咬合垫1底部低于L型连接管底壁设置，将咬合垫的尺寸设置成超出L型连接管1mm可以有效避免咬合时误咬到连接管。咬合垫1的外端面呈弧面状，以防相临牙齿的咬合误触干扰。

压电薄膜传感器型号为A301压电薄膜传感器，宽度14mm，尺寸接近本公开所设计的咬合端的大小，可内置于咬合端的橡胶咬合垫内；量程0-440N，符合人体磨牙的正常咬合力范围，工作温度-9℃～60℃，符合人体37℃正常体温，避免因为温度原因导致咬合力测量数值偏离实际值；咬合力值精度3％，结合电路设计中的温度补偿器，滤波电路，可将测量值误差降至0.5％以下，具有较好的指导临床诊断的效果。

进一步地，机械开关5采用手动一键式开闭设计，利于拆卸L型连接管进行高温消毒。机械开关5负责L型连接管的紧固与拆卸。L型连接管一端插接入测量仪主体的端口并由机械开关锁紧，另一端连接咬合垫。

机械开关5结构如图6所示，机械开关5包括设置于测量仪主体4外侧的翘板按钮13，翘板按钮13中部通过固定转轴14与测量仪主体4铰接连接，翘板按钮13顶面露出测量仪主体4外壳，且翘板按钮13顶面两侧分别设置ON键、OFF键，按动翘板按钮13顶面的ON键，可使翘板按钮13逆时针旋转，按动OFF键可使翘板按钮13顺时针旋转；

翘板按钮13与置于测量仪主体4内部的双摇杆夹紧机构连接，双摇杆夹紧机构包括第一连杆15和第二连杆16，第一连杆15、第二连杆16分别连接于翘板按钮13两侧，即第一连杆15连接于翘板按钮13设置ON键的一侧部，第二连杆16连接于翘板按钮13设置OFF键的一侧部；

第一连杆15底部与第一夹具19铰接，第一夹具19还通过第一转轴17与测量仪主体4固定连接，第二连杆16底部与第二夹具20铰接，第二夹具20还通过第二转轴18与测量仪主体4固定连接；

第一夹具19和第二夹具20相对设置，且二者相对侧均设置可卡合L型连接管的卡槽，按压翘板按钮13ON键一侧，第一连杆15下移，带动第一夹具19绕第一转轴17逆时针旋转，同时第二连杆16上移，带动第二夹具20绕第二转轴18顺时针旋转，继而两夹具面向运作而夹紧L型连接管；反之，按动翘板按钮OFF键一侧可带动双摇杆夹紧机构的两夹具背向运作而松开L型连接管。

L型连接管3采用PP材质的环保塑料，L型连接管3为中空管路，位于咬合垫1内的压电薄膜传感器2需引出2根电极用于输出电信号，电极的导线通过L型连接管3的中空管路与电荷放大器6连接，通过机械开关5便于拆卸、更换L型连接管，拆卸后的L型连接管进行消毒处理。

测量仪主体4外形呈纺锤形，符合人体工学，增加握持的舒适度。

在测量过程中，将咬合垫伸入患者需测量的指定牙冠表面，由咬合垫呈微弧形，具有一定缓冲作用，有助于牙齿缓慢发力，接近真实咬合情况，同时凸起部分能有效避免咬合过程中邻近牙齿的误触，压电薄膜传感器具有反应灵敏，信号稳定的特点，A301压电薄膜传感器多次咬合后，会因形变较大而导致的输出信号不准确，而须更换传感器，通过打开咬合垫对传感器进行更换。传感器将压力以电信号输入到电荷放大器，使微弱的电荷信号放大为能够测量到的电压信号，通过温度补偿器补偿因口腔温度而导致的传感器的温漂现象，再用低通滤波器过滤掉外界电磁波干扰，输出干净的电压信号，输送到A/D转换器中将模拟信号转换为数字信号，传送到STM32F030R8T6单片机中，将数字信号经过公示换算得出咬合力的数值，并通过终端显示屏12中显示出来。

本公开还给出一种采用上述咬合力测量仪进行咬合力检测的方法，包括以下步骤：

步骤一：打开上下咬合垫，将压电薄膜传感器固定在其中，L型连接管一端插在测量仪主体指定端口，另一端连接咬合垫，按下机械开关ON键，锁紧L型连接管，开启咬合力测量仪电池开关；

步骤二：检测仪器正常后，如图2所示，将L型连接管沿患者牙列外侧，伸入被测试患者口中，将咬合垫置于下颌需测量的指定单牙冠上方，患者咀嚼肌发力，咬合垫发生形变，咬合力传递至内部的A301压电薄膜传感器，产生的电信号通过连接管内部导线传送到测量仪主体前端的电荷放大器；

步骤三：MAX297电荷放大器将放大后可测的电压信号经温度补偿器后传送至滤波电路，消除人体50Hz工频和外界电磁波干扰，输出干净的电压信号，经过滤后的电压信号被传递至A/D转换器转换为数字信号，然后传递至STM32F030R8T6单片机，经过公式换算转换为咬合力数值和波形图，并通过测量仪主体远端的显示屏显示出来，通过USB接口将咬合力测量仪连接至PC端，建立患者就诊资料卡，对咬合力数值、波形图进行记录，评估患者咬合能力；

步骤四：关闭电源，按下机械开关OFF键，拆卸L型连接管和咬合垫，取出咬合垫中的传感器，对咬合垫和L型连接管进行消毒，结束。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单片机控制的高精度咬合力测量仪，其特征是，包括测量仪主体，测量仪主体通过L型连接管与咬合端连接，L型连接管和测量仪主体插接连接，所述咬合端包括上下相对设置的两咬合垫，两咬合垫之间夹持可更换的压电薄膜传感器，压电薄膜传感器与信号处理单元连接，信号处理单元与单片机连接，单片机将压电薄膜传感器的电压信号转换为咬合力数值。

2.如权利要求1所述的咬合力测量仪，其特征是，两所述咬合垫通过卡扣连接，咬合垫的外端面呈弧面状。

3.如权利要求1所述的咬合力测量仪，其特征是，所述咬合端的上部咬合垫顶部高出L型连接管顶壁设置，咬合端的下部咬合垫底部低于L型连接管底壁设置。

4.如权利要求1所述的咬合力测量仪，其特征是，所述L型连接管为中空管路，所述L型连接管的纵截面呈椭圆形。

5.如权利要求1所述的咬合力测量仪，其特征是，所述L型连接管与测量仪主体可拆卸连接，测量仪主体外侧设置机械开关，机械开关将L型连接管夹紧或松开。

6.如权利要求5所述的咬合力测量仪，其特征是，所述机械开关包括设置于测量仪主体外侧的翘板按钮，翘板按钮与置于测量仪主体内部的双摇杆夹紧机构连接，所述双摇杆夹紧机构包括第一连杆和第二连杆，第一连杆、第二连杆分别连接于翘板按钮两侧，第一连杆底部与第一夹具铰接，第一夹具还通过第一转轴与测量仪主体固定连接，第二连杆底部与第二夹具铰接，第二夹具还通过第二转轴与测量仪主体固定连接。

7.如权利要求6所述的咬合力测量仪，其特征是，所述翘板按钮中部通过固定转轴与测量仪主体铰接连接，所述第一夹具和第二夹具相对设置，且二者相对侧均设置可卡合L型连接管的卡槽，按动翘板按钮一侧可带动双摇杆夹紧机构的两夹具面向运作而夹紧L型连接管，按动翘板按钮另一侧可带动双摇杆夹紧机构的两夹具背向运作而松开L型连接管。

8.如权利要求1所述的咬合力测量仪，其特征是，所述信号处理单元包括依次连接的电荷放大器、温度补偿器、低通滤波器、A/D转换器，电荷放大器和压电薄膜传感器连接，A/D转换器和单片机连接；所述测量仪主体外侧设置指示灯、显示屏和通电开关，显示屏和单片机连接。

9.如权利要求1所述的咬合力测量仪，其特征是，所述测量仪主体外形呈纺锤形，测量仪主体具有内部空腔以容纳信号处理单元和单片机。

10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的咬合力测量仪进行咬合力检测的方法，包括以下步骤：

打开咬合端的上下两咬合垫，将压电薄膜传感器固定于两咬合垫之间，闭合两咬合垫后，将L型连接管插接于测量仪主体并固定；

将L型连接管沿被测试者牙列外侧，伸入被测试者口中，使咬合垫置于下颌需测量的单牙冠上方，咬合垫受到咬合力发生形变，压电薄膜传感器受力后将电压信号经由信号处理单元传输给单片机；

单片机将电压信号转换为咬合力数值，生成咬合力波形图，并将咬合力数值和咬合力波形图传输给上位机，用以评估被测试者咬合能力；

拆卸L型连接管，将压电薄膜传感器取出，对L型连接管和咬合垫进行消毒。

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