CN114176805B - 一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置。包括柔性六维力传感器、托槽和蓝牙模块，在每颗牙齿表面通过生物医用胶连剂粘贴柔性六维力传感器，在柔性六维力传感器顶部安装托槽，在托槽表面安装与柔性六维力传感连接的蓝牙模块，相邻牙齿之间的托槽通过穿过托槽的矫正弓丝连接；矫正弓丝通过柔性六维力传感器将正畸力施加至牙齿上，柔性六维力传感器上的压阻传感单元通过蓝牙模块输出电压信号。本发明不仅可以完成空间六维方向外部刺激的实时检测，而且可以实现多颗牙齿实时数据的同时采集，帮助矫正医生了解正畸力的合适度和牙箍松紧度，以制定更加合理的矫正方案。
Description
技术领域
本发明属于口腔牙齿矫正过程中的正畸力测量技术领域，具体涉及一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置，可以辅助矫治医生制定合理矫正方案。
背景技术
在口腔正畸学过程中，正畸力源于矫正器件的外部变形，其施加在牙齿上的正畸力决定了正畸治疗的效果，施加正畸力若是过大，可能会导致牙齿根部吸收，出现牙髓炎症、牙齿疼痛和松动等副作用；施加正畸力若是过小，正畸效果则大大下降，延长了治疗周期。因此，合适的正畸力对牙齿矫正治疗至关重要，施加适当大小和方向的正畸力可以最大程度地减少正畸过程中的副作用。目前的正畸治疗主要依靠患者的主观感知和牙医的治疗经验，无法达到最佳的治疗效果。为改善这一治疗技术，人们研制了一种可实时检测牙齿矫正正畸力的设备，辅助牙医制定矫治方案。
传统的牙齿矫正正畸力测量装置，大部分是装备于治疗台上定位安装的，通过固定托槽以及穿于托槽中的弓丝弯曲变形来进行矫治的，但是由于弓丝无法做到精确定位，在矫治过程中无法保证能达到治疗效果，这种安装于临床上的测量设备，不仅不方便调整，精度也不能做到很高，面对不同人群不同牙齿问题，也都存在不完善的地方。因此，本发明提供了一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置，不仅能完善上述背景技术所提不足之处，还能具有可穿戴便携式的性能。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置，该发明不仅可以完成对施加于牙齿上正畸力的实时监测，还可以实现多颗牙齿实时数据的同时采集，对矫正医生了解正畸力的合适度制定矫治方案起着十分关键的作用。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置
包括柔性六维力传感器、托槽和蓝牙模块，柔性六维力传感器通过生物医用胶连剂粘贴在牙齿表面，柔性六维力传感器顶部安装有托槽，托槽底面与六维力传感器顶面形状适配，在托槽表面设置有与柔性六维力传感连接的蓝牙模块。
所述柔性六维力传感器包括由上至下依次设置的柔性凸台、PTFE薄膜、FPCB柔性印刷电路板和柔性底座；柔性凸台为四棱台状结构，底面四个边角位置均设置有方形凸块，柔性底座顶面设置有与柔性凸台的方形凸块适配的十字结构，柔性凸台底部与柔性底座顶部凹凸互锁组成榫卯结构；FPCB柔性印刷电路板为与柔性底座顶面嵌合的层状折叠结构，层状折叠结构中间镂空形成四个倒U型凸起，在FPCB柔性印刷电路板上表面布置有十二个柔性压阻传感单元，十二个柔性压阻传感单元分别粘贴于四个凸起的顶面和两侧面，十二个柔性压阻传感单元通过贴附于FPCB柔性印刷电路板上表面的PTFE薄膜进行封装。
PTFE薄膜、柔性压阻传感单元和FPCB柔性印刷电路板组成力感应层，力感应层嵌装于柔性凸台和柔性底座之间，底部通过丙烯酸胶带粘合在柔性底座上。
PTFE薄膜在柔性凸台的方形凸块对应的四个边角表面设置有与柔性压阻传感单元厚度一致的海绵垫，防止柔性凸台和柔性底座上下装配时产生间隙。
当柔性六维力传感器受到空间中六维力作用时，柔性凸台发生变形后对柔性压阻传感单元产生压力，柔性压阻传感单元通过FPCB柔性印刷电路板将电压信号传输至上位机。
所述步骤S2的六维力具体为：以柔性凸台顶面中心为原点构建三维坐标系，六维力分别为Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，Fx、Fy分别为柔性凸台在x轴和y轴方向上受到的横向力，Fz为柔性凸台顶面在z轴方向上受到的正压力，My、Mz为柔性凸台在x轴和y轴方向上受到的扭矩力，Mx为柔性凸台在z轴方向上受到的扭矩力。
在每个柔性压阻传感单元对应的FPCB柔性印刷电路板位置处镀有插值电极，所有插值电极的其中一条引线集成至柔性压阻传感单元正面的上接口处，所有插值电极的另一条引线集成至柔性压阻传感单元背面的下接口处。
二、采用上述装置的一种牙齿矫正正畸力测量方法
包括以下步骤：
S1：通过扫描仪对测试者的口腔进行扫描生成牙齿三维模型，在ANSYS软件中采用牙齿三维模型模拟牙齿矫正过程确定每颗牙齿矫正所需的理想正畸力；
S2：通过机械测试系统(INSTRON LEGEND2345)对柔性六维力传感器施加六维力进行校准，数据采集器(DAQVANTECH USB_HRF4028)通过与柔性六维力传感器的上下接口相连采集输出的校准电压信号；
S3：在每颗牙齿表面通过生物医用胶连剂粘贴柔性六维力传感器，在柔性六维力传感器顶部安装托槽，在托槽表面安装与柔性六维力传感连接的蓝牙模块，相邻牙齿之间的托槽通过穿过托槽的矫正弓丝连接；
S4：矫正弓丝通过柔性六维力传感器将正畸力施加至牙齿上，柔性六维力传感器上的柔性压阻传感单元通过蓝牙模块输出电压信号；
S5：根据步骤S4输出的电压信号计算牙齿受到的实际正畸力；
S6：将步骤S5计算得到的实际正畸力与步骤S1的理想正畸力进行比较，根据实际正畸力与理想正畸力的差值调整弓丝改变正畸力；
S7：重复步骤S4～S6，直至实际正畸力与理想正畸力之间的差值小于阈值。
所述步骤S5具体为：通过正交并联六维力传感器静态标定算法对步骤S2的六维力与校准电压信号进行计算获取六维力与校准电压信号之间的映射关系矩阵，根据映射关系矩阵和步骤S4输出的电压信号计算得到六维力传感器受到的作用力，即牙齿受到的实际正畸力。
所述步骤S5具体为：通过步骤S2对柔性六维力传感器进行多次校准，将施加的六维力和对应的校准电压信号作为样本集，将样本集分为训练集和测试集输入DNN深度神经网络进行训练，将步骤S4输出的电压信号输入训练后的DNN深度神经网络，输出得到六维力传感器受到的作用力，即牙齿受到的实际正畸力。
所述蓝牙模块与六维力传感器中FPCB柔性印刷电路板上下接口的引线连接，通过蓝牙模块对牙齿上多个六维力传感器输出的电压信号进行同时采集，并将采集的电压信号传输至上位机进行步骤S5的处理。
本发明的有益效果：
(1)本发明装置尺寸小，所使用柔性六维力传感器通体柔软，可以放入口腔内检测静态状态下的牙齿矫治力；
(2)本发明包含12个传感单元，可完成牙齿矫正过程中六维力信号变化的采集；
(3)本发明不仅可以完成空间六维方向外部刺激的实时检测，而且可以实现多颗牙齿实时数据的同时采集，帮助矫正医生了解正畸力的合适度和牙箍松紧度，以制定更加合理的矫正方案。
附图说明
图1为本发明中所采用柔性六维力传感器的结构示意图；
图2为本发明中实施一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置展示图；
图3为本发明装置的信号传输示意图，本发明装置测得的数据通过蓝牙发送至终端设备显示。
图中：柔性凸台1、PTFE薄膜2、柔性压阻传感单元3、海绵垫4、FPCB柔性印刷电路板5、柔性底座6、弓丝7、托槽8、蓝牙模块9、柔性六维力传感器10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置包括柔性六维力传感器10、托槽8和蓝牙模块9。
如图1所示，柔性六维力传感器包括四足结构的四棱台状柔性凸台1、PTFE薄膜2、柔性压阻传感单元3、具有空间折叠结构且能够嵌合四棱台的FPCB柔性印刷电路板5、具有十字机构的柔性底座6。其中柔性凸台和十字结构柔性底座6是受中国传统古建筑的榫卯结构的启发设计的，传感器的上凸台和下底座是凹凸互锁的。具有四棱台状的凸台为柔性硅胶浇筑在定制模具中脱模而成，通体柔软，可实现六自由度的外部载荷，FPCB柔性印刷电路板5用于接收柔性压阻传感单元信号，为嵌合在互锁结构中需折叠成空间结构的形状；柔性压阻传感单元被裁剪成方块形状，传感器一共需要十二个柔性压阻传感单元，分别附于上电极层和下电极层之间；PTFE薄膜是与FPCB柔性印刷电路板具有相同结构的、确保能嵌入到十字结构的柔性硅胶底座之中的一层，FPCB柔性印刷电路板5的上下底面分别设置有引线。由于柔性压阻传感单元的存在，柔性互锁结构装配时会产生间隙，具有与柔性压阻传感单元相同厚度的海绵垫4被用于填充这一间隙，分别附于上电极层上表面的四个顶角处，确保传感器在工作时平衡、稳定。
如图2所示，柔性六维力传感器10通过生物医用胶连剂粘贴在牙齿表面，柔性六维力传感器10顶部安装有托槽8，托槽8底面与六维力传感器顶面形状适配，在托槽8表面设置有与柔性六维力传感连接的蓝牙模块9。将六维力传感器上12个传感单元信号共同集成到传感器上表面的蓝牙模块9并连通电路，测试六维力数据输出信号的状态。
本发明装置主要实现柔性压阻传感单元数据采集功能，由于空间大小的限制，采集系统需要将数据发送模块和边缘计算系统融合在一起，市面上现有的芯片方案目前有TI公司生产的CC2640、Nordic Semiconductor公司生产的NRF52832。目前这两款芯片与本系统契合度最高，但NRF52832比CC2640更小外围电路更少，虽然待机功耗略高于后者，但任在可接受范围之内，所以上位机将选择NRF52832芯片来实现电压信号的采集以及蓝牙组网。
测试路线事先采集单个六维力传感器，所有采集单元是独立的互不影响，采用蓝牙组网的方式将所有传感器的数据集中到主机上，由主机打包将数据发送至终端显示设备。首先将六维力传感器固定在牙齿表面，此时连通电路就会输出六维力信号，通过蓝牙组网将传感器中压阻的信号变化实时发送到终端设备显示，医生即可根据此时的数据信号对矫正正畸力不当处加以调整。
终端显示设备设计方案：本发明由多个六维力传感器组合而成，目前硬件最多支持30个力传感器级联，通过蓝牙组网的形式，将所有数据合集在主机，再由主机将所有数据发送至终端设备，本发明兼容终端设备有苹果、安卓、采用蓝牙5.0通讯协议的手环，都可作为终端数据显示设备。
通过机械测试系统(INSTRON LEGEND2345)对柔性六维力传感器施加六维力进行校准，数据采集器(DAQVANTECH USB_HRF4028)通过与柔性六维力传感器的上下接口相连采集输出的校准电压信号。
通过下述两种方法计算牙齿的正畸力
1)通过正交并联六维力传感器静态标定算法对校准六维力与校准电压信号进行计算获取六维力与校准电压信号之间的映射关系矩阵，根据映射关系矩阵和六维力传感器测量时输出的电压信号计算得到六维力传感器受到的作用力，即牙齿受到的实际正畸力。
传感器的校准矩阵是负载的六维力与传感单元输出电压之间的映射关系矩阵。可以写出它们之间的映射关系方程
Fc＝GcU
其中Fc是由校准力组成的矩阵；Gc是传感器的校准矩阵；U是由测量分支单维力传感器的输出电压组成的矩阵。
2)传感器中的12个电压信号通过DNN映射到六维力信号：通过对柔性六维力传感器进行多次校准，将施加的校准六维力和对应的校准电压信号作为样本集，将样本集分为训练集和测试集输入DNN深度神经网络进行训练，将六维力传感器测量时输出的电压信号输入训练后的DNN深度神经网络，输出得到六维力传感器受到的作用力，即牙齿受到的实际正畸力。DNN误差低于10-4，误差较小。
具体实施例：
S1:通过扫描仪对测试者的口腔进行扫描生成牙齿三维模型，采用牙齿三维模型模拟牙齿矫正过程确定每颗牙齿矫正所需的理想正畸力；
S2:六维力传感正牙装置软硬件测试：该测试主要包括六维力传感器性能的测试以及与其连接的蓝牙回馈电路的查验，确保六维力传感器在应用过程可以实时回传数据，实现六维力信号的采集。
S3:将六维力传感器10利用生物医用胶水粘连到牙齿外表面中心位置，六维力传感器10上12个传感单元信号共同集成到传感器上，并连接数据与蓝牙模块9形成连通电路集成到托槽8上，用弓丝7穿过托槽8将所有传感器制成牙箍形状，确保每个六维力传感器上都能够测量每颗牙齿表面的正畸力。
六维力传感器的具体安装点是根据具体牙齿模型进行调整测定的，提高测量结果的可靠度。
S4:通过无线蓝牙模块9将每颗牙齿表面正畸力的测量数据发送至终端显示设备如图3所示。
信号集成采集完成后，由六维力传感器上部的蓝牙模块来进行数据的传输，并可以实现多个六维力传感器测量数据的同时采集，并根据一定的顺序进行信号的有序发送。
S5:医生根据传感器实际测量的数据与S1所设定的正畸力进行对比分析，判断每颗牙齿表面所施加的正畸力是否达到预期要求，若两者数据偏移较大，则及时调整弓丝来矫正正畸力，当调至两者间误差小于阈值时，即说明正畸力矫正得当。
以上是本发明的主要内容，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用超出本发明方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置，其特征在于，包括柔性六维力传感器(10)、托槽(8)和蓝牙模块(9)，柔性六维力传感器(10)通过生物医用胶连剂粘贴在牙齿表面，柔性六维力传感器(10)顶部安装有托槽(8)，托槽(8)底面与六维力传感器顶面形状适配，在托槽(8)表面设置有与柔性六维力传感连接的蓝牙模块(9)；
所述柔性六维力传感器包括由上至下依次设置的柔性凸台(1)、PTFE薄膜(2)、FPCB柔性印刷电路板(5)和柔性底座(6)；柔性凸台(1)为四棱台状结构，底面四个边角位置均设置有方形凸块，柔性底座(6)顶面设置有与柔性凸台(1)的方形凸块适配的十字结构，柔性凸台(1)底部与柔性底座(6)顶部凹凸互锁组成榫卯结构；FPCB柔性印刷电路板(5)为与柔性底座(6)顶面嵌合的层状折叠结构，层状折叠结构中间镂空形成四个倒U型凸起，在FPCB柔性印刷电路板(5)上表面布置有十二个柔性压阻传感单元(3)，十二个柔性压阻传感单元分别粘贴于四个倒U型凸起的顶面和两侧面，十二个柔性压阻传感单元(3)通过贴附于FPCB柔性印刷电路板(5)上表面的PTFE薄膜(2)进行封装；
PTFE薄膜(2)在四个边角表面设置有与柔性压阻传感单元厚度一致的海绵垫(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置，其特征在于：所述的六维力具体为：以柔性凸台顶面中心为原点构建三维坐标系，六维力分别为Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，Fx、Fy分别为柔性凸台在x轴和y轴方向上受到的横向力，Fz为柔性凸台顶面在z轴方向上受到的正压力，My、Mz为柔性凸台在x轴和y轴方向上受到的扭矩力，Mx为柔性凸台在z轴方向上受到的扭矩力。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性六维力传感器的牙齿矫正正畸力测量装置，其特征在于：在每个柔性压阻传感单元对应的FPCB柔性印刷电路板(5)位置处镀有插值电极，所有插值电极的其中一条引线集成至柔性压阻传感单元正面的上接口处，所有插值电极的另一条引线集成至柔性压阻传感单元背面的下接口处。
4.采用权利要求1～3任一所述装置的一种牙齿矫正正畸力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过扫描仪对测试者的口腔进行扫描生成牙齿三维模型，采用牙齿三维模型模拟牙齿矫正过程确定每颗牙齿矫正所需的理想正畸力；
S2：通过机械测试系统对柔性六维力传感器施加六维力进行校准，数据采集器通过与柔性六维力传感器的上下接口相连采集输出的校准电压信号；
S3：在每颗牙齿表面通过生物医用胶连剂粘贴柔性六维力传感器，在柔性六维力传感器顶部安装托槽(8)，在托槽(8)表面安装与柔性六维力传感连接的蓝牙模块(9)，相邻牙齿之间的托槽(8)通过穿过托槽(8)的矫正弓丝(7)连接；
S4：矫正弓丝(7)通过柔性六维力传感器将正畸力施加至牙齿上，柔性六维力传感器上的柔性压阻传感单元通过蓝牙模块(9)输出电压信号；
S5：根据步骤S4输出的电压信号计算牙齿受到的实际正畸力；
S6：将步骤S5计算得到的实际正畸力与步骤S1的理想正畸力进行比较，根据实际正畸力与理想正畸力的差值调整弓丝(7)改变正畸力；
S7：重复步骤S4～S6，直至实际正畸力与理想正畸力之间的差值小于阈值。
5.根据权利要求4所述的牙齿矫正正畸力测量方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：通过正交并联六维力传感器静态标定算法对步骤S2的六维力与校准电压信号进行计算获取六维力与校准电压信号之间的映射关系矩阵，根据映射关系矩阵和步骤S4输出的电压信号计算得到六维力传感器受到的作用力，即牙齿受到的实际正畸力。
6.根据权利要求4所述的牙齿矫正正畸力测量方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：通过步骤S2对柔性六维力传感器进行多次校准，将施加的六维力和对应的校准电压信号作为样本集，将样本集分为训练集和测试集输入DNN深度神经网络进行训练，将步骤S4输出的电压信号输入训练后的DNN深度神经网络，输出得到六维力传感器受到的作用力，即牙齿受到的实际正畸力。
7.根据权利要求4所述的牙齿矫正正畸力测量方法，其特征在于：所述蓝牙模块(9)与六维力传感器上下接口的引线连接，通过蓝牙模块(9)对牙齿上多个六维力传感器输出的电压信号进行同时采集，并将采集的电压信号传输至上位机进行步骤S5的处理。
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