CN113662699B - 一种基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，主要用于人牙周袋深度的测量，具体涉及生物医学电子技术领域，包括：第一部分，用于将牙周探针位移转换成磁场强度变化进行数字化测量；第二部分，用于在位移变化情况下保持力不变；本发明可实现牙周袋深度的高精度稳定测量以及探诊压力恒定等功能，解决了现有技术中所存在的探针精度低、探诊压力不恒定等问题，满足临床探诊需要。

Description

一种基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种牙周探针，具体涉及一种基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置。

背景技术

牙周探针是牙周专科检查常用器械，主要用于测量牙周袋深度。牙周袋深度的数值和分布是诊断牙周疾病和牙周附着水平的重要指标。

目前，临床上最常采用的牙周探针由不锈钢制作，工作端设有毫米刻度线或用不同颜色表示的刻度标记。医生通过手指感觉探针到达牙周袋底部的阻力时，由另一名医护人员记录探诊深度。

探诊深度的准确性与探诊力量的大小密切相关。现有技术中，需凭借医生的经验和手感来控制探诊力量，这不仅影响探诊结果的准确性，也容易因用力过大而损伤牙周组织。行业公认金标准“佛罗里达探针”具有探诊压力恒定、探诊结果数字化输出等功能，自动测量牙周袋深度，然而其测量精度仅为0.2mm。

永磁体位移会引起磁场强度的变化，磁传感器检测到磁场强度的变化后再经过电路的信号处理即可输出信号。采用霍尔效应原理产生信号的优势是磁场信号不会受到灰尘、高温及振动的影响。

本发明人在已经授权的“可保持恒定力的牙周袋深度测量装置”(专利号：ZL201910017123.9)发明专利公开了一种可保持恒定力的牙周袋深度测量装置，其通过恒力弹簧在位移变化情况下保持力不变，对位移变化进行激光测距，实现对探诊力量大小保持恒定，并且将探诊结果进行数字化输出。

然而，在牙周探针的实际使用过程中，由于测量精度不能满足行业公认标准0.1mm，测量过程难以重复，测量数据不具备统计分析功能，难以满足医生的确切需要，临床推广价值有限。

发明内容

针对现有技术中所存在的探针精度低、探诊压力不恒定、检查者视觉读数存在误差、可能出现医护人员记录失误以及人力浪费等问题，本发明的目的在于提供了一种基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，能够精确测量牙周袋深度，自动获取并处理探诊结果。其包括：第一部分，用于在位移变化情况下保持力不变；第二部分，用于将牙周探针位移转换成磁场强度变化进行数字化测量；

其中：

第一部分包括恒力弹簧和弹簧支架的设计可参考本发明人已授权的发明专利：可保持恒定力的牙周袋深度测量装置(ZL201910017123.9).需要指出的是，本发明旨在保护使用霍尔效应实现牙周袋深度精确测量的方法，装置中使用的恒力弹簧设计并不在权利要求当中；

第二部分，包括牙周袋探针、位移传动杠杆、霍尔测量模块；

所述牙周袋探针部分包括一个钛合金材料的探针和塑料套管，用于牙周袋深度的探测；

所述探针尾端为圆滑过渡的直角，与所述杠杆前端连接；探针工作端为球状凸起，用于伸入牙周袋底部；

所述塑料套管内壁光滑，与所述手柄前端连接，用于辅助定位牙龈边缘；

所述位移传动杠杆部分包括一个杠杆、一个滑杆、一个手柄，用于探针深度位移到横向位移的变换；

所述杠杆前部与探针端部连接，杠杆后部与滑杆连接；

所述滑杆为硬质细长圆杆，穿过手柄内部空腔并且可以自由滑动；滑杆前端与杠杆连接，可垂直杠杆平面自由转动；滑杆后端有圆柱形凸起，与手柄空腔内部限位块连接，使滑杆不会脱出；

所述手柄分为头部、颈部、尾部，颈部外表面圆滑过渡，并且设置有花纹增加握持摩擦力；头部有转轴，作为杠杆旋转支点；尾部为空心圆柱，与霍尔测量部分连接；

所述恒力弹簧部分，包括恒力弹簧、弹簧支架和专用推杆，用于保持牙周袋深度探测过程中探诊压力的恒定；

所述弹簧支架侧面有螺丝孔，用于通过螺丝固定住恒力弹簧；

所述专用推杆表面光滑，靠近恒力弹簧的一端有一光滑凹陷；

所述霍尔测量部分包括永磁体、测量电路板以及专用外壳，用于横向位移数据的高精度测量；

所述永磁体为钕铁硼材料圆柱体，充磁方向为轴向充磁；永磁体与专用推杆连接；

所述测量电路板靠近永磁体的一面有三个霍尔元件，沿永磁体运动方向等间隔放置；测量电路板上还设置有微处理器；

所述专用外壳为可开式外壳，分为上外壳和下外壳；其中下外壳内部有滑道，用于限制专用推杆运动方向。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于包括：

探针，用于伸入牙周袋底部；

一个塑料套管，用于辅助定位牙龈边缘，其中探针的前端穿过该塑料套管；

杠杆，其前端与探针的尾端相连接，用于把探针的位移转换为杠杆的旋转，其中探针达到最大位移时杠杆的旋转角度达到最大值；

与杠杆的尾端相连接一个硬质细长滑杆，该细长滑杆穿过一个手柄的内部空腔并且可以自由滑动，其中：滑杆的前端与杠杆相连接，从而使滑杆随杠杆的转动而滑动；

手柄包括依次的头部、颈部、尾部；

头部设有作为杠杆的旋转轴的转轴；

尾部，与霍尔测量部分的滑道的前端相连接；

推杆，其与滑杆连接，用于传递滑杆的水平位移，并带动永磁体运动；

恒力弹簧，其与推杆的一端靠近，推杆靠近恒力弹簧的一端具有一光滑凹陷；

弹簧支架，用于固定恒力弹簧；

所述霍尔测量部分，其包括永磁体、霍尔器件以及测量电路板；

永磁体被设置在推杆上；

测量电路板平行于滑道设置，测量电路板的表面与滑道的轴线被保持有一定的间隙；

设置在测量电路板靠近永磁体的一面上的霍尔器件，该霍尔器件沿永磁体的运动方向等间隔放置；

微处理器，其接收霍尔器件的输出电压；

滑杆与推杆的前端连接，将杠杆的转动所对应的横向位移传递给永磁体。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置位移传递结构的示意框图；

图2是根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置中霍尔测量装置的示意框图；

图3是根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置中横向位移测量的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置操作流程图；

图5是根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置的外观图。

图6是根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置内部结构示意图；

图7是根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置电压-距离线性比例关系示意图；

附图标记：

1-探针,101-塑料套管；2-杠杆，201-转轴，202-手柄，203-限位块，

204-滑杆，205-突起，206-滑杆尾端；3-专用推杆，301-推杆前端，

302-滑道；4-恒力结构，401-恒力弹簧，402-螺丝孔，403-弹簧支架，404-凹陷；5-永磁体,501-充磁方向；6-霍尔器件；7-测量电路板，

701-微处理器；8-电压-距离线性比例关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

本发明的目的在于提供一种基于霍尔元件的牙周探针测量系统，能够精确测量牙周袋深度，在探诊过程中保持恒定压力，自动获取并处理探诊结果，

其中：

所述牙周袋探针部分包括一个钛合金材料的探针和塑料套管，用于牙周袋深度的探测；

所述探针长度为20mm，探针尾端为圆滑过渡的直角，与所述杠杆前端连接；探针工作端为球状凸起，用于伸入牙周袋底部；

所述塑料套管内壁光滑，内径略大于探针直径；与所述手柄前端连接，用于辅助定位牙龈边缘；所述探针伸出塑料套管边缘部分长度范围为0～10mm。

所述位移传动杠杆部分包括一个杠杆、一个滑杆、一个手柄，用于探针深度位移到横向位移的变换；

所述杠杆前部与探针端部连接，杠杆后部与滑杆连接，用于将深度位移变换为横向位移；所述探针达到最大深度位移时杠杆的旋转角度达到最大值。

所述滑杆为硬质细长圆杆，穿过手柄内部空腔并且可以自由滑动；滑杆前端与杠杆连接，可随杠杆转动；滑杆后端有圆柱形凸起，与手柄空腔内部限位块连接，使滑杆不会脱出；

所述手柄分为头部、颈部、尾部，颈部外表面圆滑过渡，并且设置有花纹增加握持摩擦力；头部有转轴，作为杠杆旋转支点；尾部为空心圆柱，与霍尔测量部分连接；

所述恒力弹簧部分，包括恒力弹簧、弹簧支架和专用推杆，用于保持牙周袋深度探测过程中探诊压力的恒定；

所述弹簧支架侧面有螺丝孔，用于通过螺丝固定住恒力弹簧；

所述专用推杆表面光滑，靠近恒力弹簧的一端有一光滑凹陷；

所述霍尔测量部分包括永磁体、测量电路板以及专用外壳，用于横向位移数据的高精度测量；

所述永磁体为钕铁硼材料圆柱体，充磁方向为轴向充磁；永磁体与专用推杆连接；

所述测量电路板靠近永磁体的一面有三个霍尔元件，沿永磁体运动方向等间隔放置；霍尔元件与永磁体的间隙为3.5～6mm，太近会导致磁场饱和，太远会导致增益过高，都会影响精度；微型计算机通过模拟-数字转换可以对电压值进行处理。

所述专用外壳为可开式外壳，分为上外壳和下外壳；其中下外壳内部有滑道，滑道内径略大于专用推杆的外径，用于限制专用推杆运动方向。

本发明的优点包括：

1、本发明采用线性霍尔元件，提出将探针位移转变成电压变化值进行替代测量的方法，所测的最小位移量可精确到0.05mm，测量范围为0～10mm，满足牙周袋深度测量的精度以及测量范围需求；

2、本发明采用线性霍尔元件为非接触式测量，较为稳定，所受外界干扰少，探诊结果直观可靠，能够数字输出，直接输入和存入计算机，消除了检查者视觉读数误差以及人为记录失误等问题；

3、本发明采用线性霍尔元件，体积小，重量轻，能够尽量在不影响检查者的触觉敏感度的前提下进行工作，不仅可以减轻医护人员的劳动强度，还能够提高检查效率；

4、本发明采用线性霍尔传感器输出值校正算法，对元器件质量具有较大的容忍度，任何能感受磁场变化的霍尔传感器经过软件校准都可以达到很高的精度，并且当部分传感器出现故障时不会影响使用。

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1、图3和图6所示，根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置包括探针1，长度为20mm，用于伸入牙周袋底部；

探针1前端穿过一个塑料套管101，塑料套管101用于辅助定位牙龈边缘；所述塑料套管101内壁光滑，内径略大于探针1直径；

探针1尾端与杠杆2前端连接，杠杆2用于探针深度位移到横向位移的变换；所述探针1达到最大深度位移时杠杆2的旋转角度达到最大值；

杠杆2尾端连接一个硬质细长滑杆204，该细长滑杆204穿过手柄内部空腔并且可以自由滑动；滑杆204前端与杠杆2连接，可随杠杆2的转动而滑动；滑杆204后端有圆柱形凸起205，与手柄202的空腔中的内部限位块203连接，限制滑杆204的可滑动范围；

所述手柄202包括头部、颈部、尾部。颈部外表面圆滑过渡，并且设置有花纹增加握持摩擦力；头部设有转轴201，作为杠杆2的旋转轴；尾部206为空心圆柱，与霍尔测量部分的滑道302的前端相连接(图3)。

专用推杆3与滑杆204连接，用于传递滑杆204的水平位移，带动永磁体5运动；推杆3表面光滑，靠近恒力弹簧401的一端有一光滑凹陷404；

恒力弹簧401是多圈弯曲成环状的金属片，整体呈现螺旋状，金属片之间都紧密缠绕，用于保持牙周袋深度探测过程中探诊压力的恒定；

弹簧支架403侧面有螺丝孔402，用于通过螺丝固定住恒力弹簧401；

如图2、3所示，根据本发明的一个实施例的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置中霍尔测量部分包括永磁体5、霍尔器件6以及测量电路板7，用于横向位移数据的高精度测量；

永磁体5为钕铁硼材料圆柱体，充磁方向为轴向充磁501；

根据本发明的一个实施例，测量电路板7平行于滑道302外表面设置，其与滑道302外表面之间填充塑料，用于保持测量电路板7表面与滑道302轴线有一定间隙；

在测量电路板7靠近永磁体5的一面上设有多个霍尔器件6，该多个霍尔器件6沿永磁体5运动方向等间隔放置；在根据本发明的一个实施例中，霍尔器件6与永磁体5的间隙为3.5～6mm左右，太近会导致磁场饱和，太远会导致增益过高，都会影响精度；霍尔器件6的输出电压由一个微处理器701通过模拟-数字转换进行处理。

根据本发明的一个实施例，滑道302的内径略大于专用推杆3的外径，所述滑杆204通过滑道302的前端上的开孔伸入滑道302，与推杆前端301连接，将杠杆2的后力臂的横向位移传递到永磁体5；

根据本发明的一个实施例的工作过程如下：

首先，开启测量电路板7的电源，将信号通过接口连接至计算机，确保测量电路板7正常工作；将探针1安装至手柄202的前端并与杠杆2连接；将手柄202的尾部206压入滑道302前端圆孔；其次，在恒力弹簧401作用下，专用推杆3向左被推入滑道302并保持不动，滑杆204受到专用推杆3压力，带动杠杆2旋转，杠杆2前端与手柄202头部和塑料套管101紧密邻接，探针1的工作端伸出塑料套管101并达到伸出量的最大值，需通过刻度尺记录此长度，此时，微处理器701记录霍尔器件6输出电压值；再次，将探针1的工作端接触光滑坚硬平面，下压手柄202颈部，使探针1工作端完全压入塑料套管101内部，滑杆204受到杠杆2作用力向右滑动，穿过手柄202的尾部伸入滑道302的前端，推动专用推杆3在滑道302内向图3中的右方运动，永磁体5随专用推杆3运动至最大位移处，微处理器701记录此时霍尔器件6的输出电压值；最后，通过计算机，将上述两次所记录的输出电压值之差除以预先核定的(例如通过刻度尺记录的)自然状态下探针1伸出塑料套管101边缘的最大长度，确定出探针1伸出塑料套管101边缘的最大长度所对应电压值变化量，从而完成了牙周探针测量系统使用前的校准。

作为进一步的实施例，也可以采用其他已知方式对探针1伸出塑料套管101边缘的长度与对应的电压测量值之间的变化关系进行校准。

探诊过程中，探针1伸出塑料套管101边缘的实际长度对应了永磁体5随推杆3运动的位移量，该位移量则对应了霍尔器件6的输出电压值，在一次近似下，这个输出电压值-位移量(即深度)的关系是线性函数关系，由此通过测得霍尔器件6输出电压值，即可从该线性函数关系得到距离(深度)。

为了提高上述一次近似的精确度，根据本发明的一个实施例，微处理器701分别对所述多个霍尔器件6的输出电压值进行采样，并测量永磁体5位移引起的多个霍尔器件6处的磁场强度变化。具体地，在永磁体5由左向右的一次运动中，对每一个霍尔器件6均可测得一个对应的电压-距离函数关系8(图7)；当永磁体5运动至最左端时，与最左侧霍尔器件6距离最近，与最右侧霍尔器件6距离最远，此时最左侧霍尔器件6的输出与永磁体5的位移(对应于探针的探入深度)的线性度最佳，且最右侧霍尔器件6的输出的线性度最差；因此，根据一个具体实施例，通过用软件和处理器实现的算法设置，以相邻霍尔器件6电压值(对应相应的霍尔器件6与永磁体5的距离)相等时所对应的位置作为分界点，当永磁体5越过该分界点后，即切换为采用新的最临近霍尔器件6的输出，而不再采用到达该分界点之前所采用的霍尔器件6的输出。

在上述过程中，专用推杆3靠近恒力弹簧401的一端始终与恒力弹簧401紧密邻接，以确保恒力弹簧401所产生的向左收缩的恒定力能够始终作用于专用推杆3，这个作用力就是所述牙周探针测量所需的恒定探诊压力。

在实际临床使用过程中，将探针1伸入牙周袋中，探针1会由于其恒定压力而停在牙周袋底，此时的滑杆204尾端会处于与牙周袋深度相应的位移处并保持在那里，通过处理器的运算可得知这段位移，也就是待测的牙周袋深度；进一步，口腔内所有牙齿各个牙周袋位点测量结束后处理器将测量结果进行汇总；最后，取下探针1，本发明所述装置回到自然状态。

Claims (10)

1.一种基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于包括：

探针(1)，用于伸入牙周袋底部；

一个塑料套管(101)，用于辅助定位牙龈边缘，其中探针(1)的前端穿过该塑料套管；

杠杆(2)，其前端与探针(1)的尾端相连接，用于把探针的位移转换为杠杆的旋转，其中探针(1)达到最大位移时杠杆(2)的旋转角度达到最大值；

与杠杆(2)的尾端相连接一个硬质细长滑杆(204)，该细长滑杆(204)穿过一个手柄(202)的内部空腔并且可以自由滑动，其中：滑杆(204)的前端与杠杆(2)相连接，从而使滑杆(204)随杠杆的转动而滑动；

手柄(202)包括依次的头部、颈部、尾部；

头部设有作为杠杆的旋转轴的转轴(201)；

尾部(206)，与霍尔测量部分的滑道(302)的前端相连接；

推杆(3)，其与滑杆(204)连接，用于传递滑杆(204)的水平位移，并带动永磁体(5)运动；

恒力弹簧(401)，其与推杆(3)的一端靠近，推杆靠近恒力弹簧(401)的一端具有一光滑凹陷(404)；

弹簧支架(403)，用于固定恒力弹簧(401)；

所述霍尔测量部分，其包括永磁体(5)、霍尔器件(6)以及测量电路板(7)；

永磁体(5)被设置在推杆(3)上；

测量电路板(7)平行于滑道(302)设置，测量电路板(7)的表面与滑道(302)的轴线被保持在一定的间隔；

设置在测量电路板(7)靠近永磁体(5)的一面上的霍尔器件(6)，该霍尔器件(6)沿永磁体(5)的运动方向等间隔放置；

微处理器(701)，其接收霍尔器件(6)的输出电压；

滑杆(204)与推杆(3)的前端(301)连接，将杠杆(2)的转动所对应的横向位移传递给永磁体(5)。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于：

所述塑料套管(101)内壁光滑，内径略大于探针(1)的直径。

3.根据权利要求1或2所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于：

滑杆(204)的后端带有圆柱形凸起(205)，与手柄(202)的空腔中的内部限位块(203)连接，从而限制滑杆(204)的可滑动范围。

4.根据权利要求1或2所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于：

恒力弹簧(401)是多圈弯曲成环状的金属片，其整体上呈现螺旋状，金属片之间紧密缠绕，用于保持牙周袋深度探测过程中探诊压力的恒定。

5.根据权利要求1或2所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于：

永磁体(5)为钕铁硼材料圆柱体，充磁方向为轴向充磁(501)；

霍尔器件(6)与永磁体(5)的间隙为3.5～6mm；

弹簧支架(403)的侧面有螺丝孔(402)，用于通过螺丝固定住恒力弹簧(401)；

尾部(206)为空心圆柱；

微处理器(701)通过模拟-数字转换进行处理；

颈部外表面圆滑过渡，并且设置有花纹增加握持摩擦力；

测量电路板(7)与滑道(302)的外表面之间填充有塑料；

滑道(302)的内径略大于专用推杆(3)的外径，滑杆(204)通过滑道(302)的前端上的开孔伸入滑道(302)。

6.根据权利要求1或2所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于：

在测量电路板(7)靠近永磁体(5)的一面上设置有多个霍尔器件(6)，

其中，微处理器(701)分别对所述多个霍尔器件(6)中的每一个的输出电压值进行采样，并把多个霍尔器件(6)的输出电压值中绝对值最大的一个输出电压值作为霍尔测量部分的输出电压值。

7.根据权利要求6所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于：

当相邻霍尔器件(6)的输出电压值相等时，切换为采用该相邻霍尔器件(6)中的新的一个霍尔器件(6)的输出电压值作为霍尔测量部分的输出电压值。

8.根据权利要求1或2所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置，其特征在于在所述牙周袋深度测量装置工作时：

将探针(1)安装至手柄(202)的前端并与杠杆(2)连接；

将手柄(202)的尾部(206)压入滑道(302)前端的圆孔；

随后，使推杆(3)在恒力弹簧(401)作用下被推入滑道(302)，

使滑杆(204)受到推杆(3)压力，带动杠杆(2)旋转，使探针(1)的前端即工作端伸出塑料套管(101)并达到伸出量的最大值，

通过刻度尺测量该伸出量的最大值，并用微处理器(701)记录此时霍尔器件(6)的输出电压值；

将探针(1)的工作端接触光滑坚硬平面，下压手柄(202)的颈部使探针(1)的前端完全被压入塑料套管(101)内部，用微处理器(701)记录此时霍尔器件(6)的输出电压值；

由上述两次所记录的输出电压值之差和所述伸出量的最大值，进行所述牙周袋深度测量装置的校准。

9.基于根据权利要求1或2所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置的牙周袋深度测量方法，其特征在于包括：

测量霍尔器件(6)的输出电压值，

根据探针(1)的前端即工作端伸出塑料套管(101)的伸出量与霍尔器件(6)的输出电压值之间的校准的结果，确定所述输出电压值对应的探针(1)的前端即工作端伸出塑料套管(101)的伸出量，该伸出量即所要测量的牙周袋深度。

10.根据权利要求9所述的基于霍尔效应的牙周袋深度测量装置的牙周袋深度测量方法，其特征在于所述校准包括如下步骤：

将探针(1)安装至手柄(202)的前端并与杠杆(2)连接；

将手柄(202)的尾部(206)压入滑道(302)前端的圆孔；

随后，使推杆(3)在恒力弹簧(401)作用下被推入滑道(302)，

使滑杆(204)受到推杆(3)压力，带动杠杆(2)旋转，使探针(1)的前端即工作端伸出塑料套管(101)并达到伸出量的最大值，

通过刻度尺测量该伸出量的最大值，并用微处理器(701)记录此时霍尔器件(6)的输出电压值；

将探针(1)的工作端接触光滑坚硬平面，下压手柄(202)的颈部使探针(1)的前端完全被压入塑料套管(101)内部，用微处理器(701)记录此时霍尔器件(6)的输出电压值；

由上述两次所记录的输出电压值之差和所述伸出量的最大值，进行所述牙周袋深度测量装置的校准。

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