УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЗУБОВ И ИМПЛАНТАТОВ К СИЛОВЫМ НАГРУЗКАМ

Полезная модель относится к области медицины, преимущественно к стоматологии, и может быть использована для диагностики состояния тканей опорно-удерживающего аппарата зуба или тканей, окружающих имплантат. Устройство позволяет измерить двухкомпонентную упругую и вязкую компоненты.
Известны различные устройства, которые позволяют определить состояние тканей, окружающих зуб, по измеренной его подвижности.
Известно устройство для измерения подвижности зубов, содержащее цилиндрический корпус, блок задания нагрузки, измерительный шток и датчик перемещения штока. Блок задания нагрузки выполнен в виде последовательно соединенных стабилизатора напряжения, узла регулирования давления, датчика давления и узла индикации давления. Устройство снабжено блоком регистрации перемещения штока, выполненным в виде последовательно соединенных стабилизатора напряжения, генератора, согласующего трансформатора, датчика перемещения, усилителя, выпрямителя и узла отсчета перемещений. Датчик давления выполнен в виде катушки индуктивности с сердечником, выполненным в виде полого цилиндра и размещенного на конце измерительного штока. Вход катушки индуктивности подключен к выходу узла регулирования давления, а выход - к входу узла индикации давления. При этом датчик перемещения выполнен в виде измерительного моста, образованного четырьмя парами пластин, у которых две пары установлены в измерительном штоке, а другие две пары установлены неподвижно в корпусе симметрично относительно первых двух пар пластин, причем токовая диагональ моста подключена к выходу генератора, а измерительная диагональ моста - к входу усилителя (SU, №1212421, А61С 19/04, опубл. 23.02.86).
Недостатком этого устройства является невозможность диагностики состояния тканей опорно-удерживающего аппарата и суждения об упругой и вязкой составляющих, характеризующих состояние тканей опорно-удерживающего аппарата зуба или тканей, окружающих имплантат. Кроме того, это устройство выполнено полностью аналоговым, что снижает точность измерений, а также приводит к зависимости снимаемых показаний от индивидуальных биометрических характеристик руки врача.
Известно устройство для определения подвижности зуба, содержащее корпус с подвижным зондом внутри него, блок задания нагрузки, выполненный в виде генератора переменного тока со стабилизированной амплитудой и частотой и магнитопровода, расположенного внутри корпуса, и блок регистрации перемещения, выполненный в виде датчика перемещения, закрепленного на подвижном зонде и выход которого соединен с входом усилителя, и первых детектора и вольтметра. Магнитопровод в этом устройстве выполнен с возможностью создания однородного магнитного поля, в котором размещена проволочная рамка, концы которой соединены с первым выходом генератора переменного тока, а в блок регистрации перемещения введены датчик положения зонда, установленный в корпусе, синхронный фильтр, инвертирующий блок, элемент И, первый и второй блоки выборки-хранения, таймер, индикатор положения зонда, индикатор окончания измерений, вторые детектор и вольтметр. При этом выход усилителя соединен с информационным входом синхронного фильтра, вход синхронизации которого соединен с вторым выходом генератора переменного тока, а его выход соединен с информационными входами первого и второго детекторов, опорные входы которых соединены соответственно с третьим и четвертым выходами генератора переменного тока. Выход датчика положения зонда соединен с входом инвертирующего блока, первый информационный выход которого соединен с первым входом элемента "И" и с информационным входом таймера, а второй его информационный выход соединен с входом индикатора положения зонда. Пятый выход генератора переменного тока соединен с управляющим входом таймера, информационный выход которого соединен с вторым входом элемента И, а его выход конца измерений соответственно соединен с входом индикатора окончания измерений. Выход элемента И соединен с управляющими входами первого и второго блоков выборки-хранения, информационные входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго детекторов, а выходы первого и второго блоков выборки-хранения соединены с входами первого и второго вольтметров соответственно (RU, №2065724, А61B 5/05, А61С 19/04, опубл. 27.08.96).
С помощью этого устройства измерение амплитуды смещения зуба производят с выделением двух ее составляющих, соответственно синфазной переменной силе и сдвинутой по фазе относительно нее на 90°. По величине этих составляющих судят об упругой и вязкой характеристиках опорно-удерживающего аппарата зуба.
Это приводит к следующим недостаткам: увеличивается время диагностики состояния опорно-удерживающего аппарата зуба, а также необходим определенный навык проведения измерений, т.к. снимаемые показания зависят от индивидуальных биометрических характеристик руки врача.
1
1
2
1
2
Известен двухчастотный способ измерения подвижности зуба, включающий приложение к зубу переменной силы F, постоянной амплитуды А и частоты ω, обеспечивающей возвратно-поступательные колебания зуба ниже частоты собственных колебаний зуба, измерение амплитуды X смещения зуба, в котором для зубов нижней челюсти после приложения к зубу упомянутой переменной силы F производят приложение к нему второй переменной силы F с той же величиной постоянной амплитуды А, что для упомянутой переменной силы F, но с другой частотой , равной 1,5÷2,5 ω, также обеспечивающей возвратно-поступательные колебания зуба ниже частоты собственных колебаний зуба. Далее измеряют амплитуду  смещения зуба при второй переменной силе F, определяют параметр R в соответствии с математическим выражением , и по параметру R судят о состоянии опорно-удерживающего аппарата зуба для нижней челюсти. (RU, №2230552, А61С 19/045, опубл. 20.06.2004).
Преимуществами этого способа перед другими известными являются расширение функциональных возможностей и арсенала средств для диагностики характера нарушений опорно-удерживающего аппарата зуба нижней челюсти, повышение достоверности результатов и осуществление экспресс-оценки состояния опорно-удерживающего аппарата тканей зуба нижней челюсти. Способ обеспечивает повышение точности и качества диагностирования заболевания, уменьшение погрешности измерения.
Устройство для реализации этого способа использует измерительную систему портативного персонального компьютера (ноутбука). В систему входят: измерительный щуп, ноутбук, PCMCIA плата АЦП (аналого-цифрового преобразователя) и специально разработанный электронный блок, включающий перестраиваемый фильтр гармоник генератора и инструментальный усилитель.
1
2
Программная часть системы запускается после контакта измерительного щупа с исследуемым зубом. Программа инициализирует таймер платы АЦП, который выдает бинарный сигнал строго заданной частоты. Перестраиваемый фильтр гармоник генератора задерживает все гармоники этого сигнала, преобразуя его таким образом в синусоидальный сигнал. Этот сигнал подается в измерительный щуп, преобразующий электрический сигнал в силу F, воздействующую на зуб. Перемещения (вибрация) зуба воспринимаются пьезоэлектрическим акселерометром и после усиления инструментальным усилителем возвращаются на плату АЦП. 12 разрядное АЦП одновременно преобразует сигналы генератора и акселерометра в цифровую форму и накапливает их в оперативной памяти. Далее, из этих данных с помощью цифровой фильтрации выделяются две компоненты сигналов генератора А и усилителя X. Весь этот цикл повторяется на второй частоте F.
Ограничениями этого устройства являются применение специализированных АЦП и интерфейса PCMCIA персонального компьютера, хрупкость и сложность изготовления пьезоэлектрического элемента акселерометра. Устройство не позволяет обеспечить независимость изменений от биометрических характеристик руки врача, поскольку измерительный щуп имеет конструкцию подвески, зависящую от силовой нагрузки.
Наиболее близким является устройство для измерения подвижности зуба (US, №5680874, А61B 5/11, опубл. 28.10.97). Это устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор, счетчик, формирователь формы волны, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр цифрового шума, усилитель и преобразователь электрического сигнала в силу. Этот преобразователь, вместе с головкой, измеряющей датчиком силы приложенную силу и ускорение, и щупом, передающий силу на зуб, образуют измерительный зонд. Сигналы головки измерительного щупа вырабатывают аналоговую информацию о силе воздействия на зуб и ускорение головки. Далее сигналы усиливаются и попадают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Арифметическое устройство (например, процессор) по этим данным находит компоненты преобразования Фурье, т.е. амплитуду и фазу подвижности, которые выводятся на монитор, принтер и т.п.
Недостатками ближайшего аналога являются оценка состояния опорно-удерживающего аппарата зуба по резонансной частоте зуба, которая зависит не только от подвижности зуба, но и от силы прижатия, и от суммарной массы зуба и зонда.
Кроме того, постоянная силовая нагрузка измерительного щупа на зуб меняет упруго-вязкие характеристики системы зуб-периодонт-кость и, с одной стороны, не позволяет измерить истинные характеристики (в свободном состоянии), с другой стороны, не позволяет оценить нагрузочную способность зуба при существенных нагрузках. Кроме того, линейная конструкция щупа затрудняет доступ к зубам в глубине ротовой полости, а наличие датчика силы вносит помехи от посторонних вибраций и непроизвольных движений руки врача.
Решаемой полезной моделью задачей является - улучшение технико-эксплуатационных характеристик и экспресс-оценки состояния опорно-удерживающего аппарата тканей зуба.
Технический результат, который получен при осуществлении полезной модели, - расширение арсенала средств для измерения устойчивости зубов и имплантатов к силовым нагрузкам.
Кроме того, при расширении арсенала средств дополнительно достигается повышение точности и сокращение полного цикла измерения, обеспечение независимости измерений от биометрических характеристик руки врача, упрощение конструкции.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном устройстве для измерения подвижности зуба, содержащем зонд, корпус которого снабжен акселерометром, и процессор, снабженный постоянно запоминающим устройством, клавиатурой и дисплеем, согласно заявленному устройству зонд имеет поперечный щуп из жесткого стрежня, подвешенный на плоскопараллельных пружинах в корпусе зонда и связанный через акселерометр с соленоидом, датчик положения установлен внутри корпуса зонда под селеноидом, а постоянный магнит полюсами установлен вдоль оси соленоида и поперек плоскопараллельным пружинам, при этом датчик положения через первый усилитель и цифро-аналоговый преобразователь подключен к первому выходу процессора, акселерометр через второй усилитель и аналого-цифровой преобразователь подключен ко второму входу процессора, а соленоид связан с первым входом процессора, выполненного с возможностью определения линейной комбинации Фурье-компонент сигнала на, по меньшей мере, двух частотах с весовыми коэффициентами.
По существу, заявленное устройство использует двухчастотный способ измерения подвижности зуба по патенту RU, №2230552, со свойственными ему преимуществами, с дополнительным выделением Фурье-компонент сигнала в процессоре с возможностью измерения упругой и вязкой составляющих подвижности на различных частотах.
Измерение упругой и вязкой составляющих подвижности на различных частотах позволяет компенсировать влияние подвижности нижней челюсти, измерение подвижностей с различной силой позволяет получить дополнительную информацию о структурных изменениях опорно-удерживающего аппарата зуба, диагностировать и дифференцировать заболевания тканей пародонта, оценить атрофию костной ткани, и использовать объективные данные для выявления динамики патологических и реппаративных процессов, прогнозирования хода лечения и, как средство контроля качества ортопедического, хирургического и терапевтического лечения.
Указанные преимущества, а также особенности полезной модели поясняются вариантом ее выполнения со ссылками на фигуры.
Фиг. 1 изображает функциональную схему устройства для измерения устойчивости зубов или имплантатов зубов к силовым нагрузкам.
Фиг. 2 - блок-схему алгоритма работы устройства.
Фиг. 3 - результаты клинических исследований зубов в норме и с различной степенью поражения периодонта.
Устройство (фиг. 1) для измерения подвижности зуба содержит зонд 1. Процессор 2 выполнен с возможностью определения Фурье-компонент сигнала. Первый выход процессора 2 через цифро-аналоговый преобразователь 3 (ЦАП) и первый усилитель 4, последовательно соединенных, связан с входом зонда 1 (датчик 15 положения). Первый выход зонда 1 (соленоид 12) соединен с первым входом процессора 2, а второй его выход (акселерометр 11) - через второй усилитель 5 и аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП) подсоединен ко второму входу процессора 2. К третьему входу процессора 2 подсоединен выход постоянно запоминающего устройства 7 (ПЗУ). К четвертому входу процессора 2 подсоединена клавиатура 8. Второй выход процессора 2 подсоединен к входу ПЗУ 7. Третий выход процессора 2 подсоединен к входу дисплея 9.
В качестве сигналов опорного генератора использованы, по меньшей мере, двухчастотные цифровые сигналы первого выхода процессора 2. Зонд 1 выполнен из поперечного щупа - жесткого стрежня 10, акселерометра 11, соленоида 12, плоскопараллельных пружин 13, постоянного магнита 14 и снабжен датчиком 15 положения, размещенными в корпусе 16. Жесткий стержень 10 через акселерометр 11 связан с соленоидом 12 и подвешен на плоскопараллельных пружинах 13. Датчик 15 положения установлен внутри корпуса 16 под селеноидом 12, а постоянный магнит 14 установлен полюсами вдоль оси соленоида 12 и поперек плоскопараллельным пружинам 13. Вход зонда 1 соединен с соленоидом 12, первый выход зонда 1 - с датчиком 15 положения, второй его выход - с акселерометром 11. Процессор 2 выполнен с возможностью определения линейной комбинации Фурье-компонент сигнала на, по меньшей мере, двух частотах с весовыми коэффициентами.
Кроме того, для дополнительной обработки результатов измерений может быть введен персональный компьютер 17, и четвертый выход процессора 2 через интерфейс связи соединен с его входом.
В заявленном устройстве улучшена конструкция зонда 1 благодаря применению электродинамического драйвера с линейной зависимостью ток - сила, что делает ненужным датчик силы, сокращен цикл измерения и уменьшено количество циклов измерения подвижности за счет введения в алгоритм коррекции по результатам измерения на дополнительной частоте, введен датчик 15 положения зонда 1, который позволяет контролировать силу, прижимающую зонд 1 к зубу.
Отличие от US, №5680874 состоит в том, что преобразователь ток - сила выполнен из постоянного магнита 14 с удлиненным полюсом, параллельным оси соленоида 12, что позволяет исключить датчик силы, а быстродействующий процессор обрабатывает сигнал в реальном времени.
Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.
Жесткий стержень 10, прикрепленный к акселерометру 11 и соленоиду 12, составляют чувствительный элемент (сенсор), подвижность которого обеспечивается подвеской на плоскопараллельных пружинах 13. Постоянный магнит 14 служит для создания однородного магнитного поля в направлении оси соленоида 12, чем достигается повышение точности измерений при различных силовых нагрузках, практически не зависящих от индивидуальных биометрических характеристик руки врач. При прижатии жесткого стержня 10 к зубу с заданной силой срабатывает датчик 15 положения и в автоматическом режиме подается команда начала измерения на первый вход процессора 2.
Процессор формирует последовательность дискретных значений, отвечающих зафиксированной форме и частоте сигнала, которая подается ЦАП 3, откуда аналоговый сигнал передается на первый усилитель 4, токовый сигнал с которого подается на соленоид 12 зонда 1, находящийся в однородном поле постоянного магнита 14. Сила, действующая на жесткий стержень 10, возбуждает его возвратно-
поступательные колебания совместно с зубом. Акселерометр 11 преобразует колебания в электрический сигнал, который после усиления вторым усилителем 5 подается на АЦП 6, который преобразует его в цифровую форму. Этот сигнал поступает на второй вход процессора 2. Далее измерения проводится на второй частоте аналогично описанному. Данные для различных частот обрабатываются и заносятся в ПЗУ 7. После накопления данных они суммируются в процессоре 2. Служебные результаты измерения и служебные данные подаются на дисплей 9 и интерфейс связи с персональным компьютером (ПК) 17. Управление прибором и ввод данных осуществляется с помощью клавиатуры 8 или с устройства ввода ПК 17.
Цикл измерения состоит из последовательных этапов.
i
i
Формируется с помощью процессора 2 несколько, например, два последовательных пакета синусоидальных сигналов в цифровой форме. ЦАП 3 преобразует цифровой сигнал в аналоговый, первый усилитель 4 вырабатывает ток, который подается на соленоид 12. Поскольку соленоид 12 находится в постоянном магнитном поле магнита 14 сила, действующая на катушку соленоида 12, пропорциональна току и передается через жесткий стержень 10 зубу или имплантату. Перемещения зуба, жесткого стержня 10 и акселерометра 11 одинаковы по величине и синхронны. Сигнал акселерометра 11 передается на второй усилитель 5, затем в АЦП 6, далее в реальном времени выделяются Фурье-компоненты сигнала в процессоре 2, соответствующие упругой A и вязкой В компонентам, и эти данные сохраняются в ПЗУ 7.
i
i
Фурье-компоненты последовательных измерений сравниваются по величине и, если разность последовательных измерений не превышает допустимого значения, вычисляется значения упругой F и вязкой F подвижности. Например, для двух частот функции, соответствующие упругой и вязкой составляющим зуба от двух компонент каждой из частот, определяются как:
1
i
1i
i
1i
i
2
i
2i
i
2i
i
F=Σ(kA+kB) F=Σ(kA+kB),
1i
2i
11
12
21
22
i
i
где k, k, - весовые коэффициенты, записанные заранее в ПЗУ 7 (k, k, k, k), а суммирование производится по двум частотам i=1, 2. А - измеренные синфазные составляющие подвижности на двух частотах разных частотах, B - тоже самое со сдвигом на π/2.
Весовые коэффициенты определяются автоматически при калибровке прибора на моделях и заносятся в память ПЗУ 7 прибора.
1
2
Характерные диапазоны рабочих частот (для двух частот F, F) и весовых коэффициентов для зубов приведены в таблице 1.
1i
1
2i
2
Здесь нижний диапазон k соответствует нижнему диапазону F, а нижний диапазон k - верхнему диапазону F.
Вычисленные значения упругой и вязкой подвижностей и прочие параметры, выводятся на дисплей 14 и, при необходимости, через интерфейс связи на персональный компьютер 17.
За счет использования в качестве сигналов опорного генератора двухчастотных (или более двух) цифровых сигналов первого выхода процессора 2 удалось значительно упростить функциональную схему устройства и сократить количество операций при их обработке.
Конструктивное исполнение зонда 1, описанным выше образом, и замена датчика силы на датчик 15 положения позволяют повысить точность измерений и снятие данных о подвижности, упругой и вязкой составляющих, не зависящих от индивидуальных биометрических характеристик руки врача,
Блок-схема алгоритма работы устройства изображена на фиг. 2.
При включении устройства производится в блоке 20 принятия решений проверка контакта зонда. При размыкании по выходу «Нет» начинается измерение. Если во время рабочего цикла контакт замыкается, по выходу «Да» блока измерение прерывается, сбрасываются данные блоком 21 и блоком 22 на дисплей 9 выдается сообщение об ошибке.
Измерение начинается с включения счетчика номера N частоты в блоке 23. Далее в блоке 24 задается частота с заданным номером, в соответствии с которой задается тактовая частота выборки из массива находящихся в памяти значений синусоидальной функции в блоке 25.
Далее из последовательных данных в блоке 26 формируется аналоговый сигнал, блоком 27 в подвижной головке сигнал преобразуется в силу, сигнал с акселерометра преобразуется блоком 28 в цифровой сигнал, который, в реальном времени преобразуется блоком 29 в синхронную и блоком 30 в ортогональную компоненты преобразования Фурье, причем в качестве опорных сигналов используются массив данных синусоидальной функции блока 25 и ортогональная ему косинусоидальная функция, сформированная из того же массива синусоидальной функции блока 25.
Данные Фурье-компонент накапливаются в памяти блоков 31 и 32, соответственно.
Если номер частоты N не соответствует максимальному, то в блоке 33 принятия решений цикл повторяется для следующей частоты, если соответствует (измерение на каждой заданной частоте выполнены) цикл заканчивается.
1i
2i
Линейные комбинации накопленных компонент Фурье с весовыми коэффициентами k и k образуют выходные данные в блоке 34. В случае двух частот это комбинации:
1
i
1i
i
1i
i
2
i
2i
i
2i
i
F=Σ(kA+kB) F=Σ(kA+kB)
Окончание для каждого цикла - выдача результатов на дисплей 9 блоком 22.
В данном техническом решении практически исключено влияние на результат ошибок оператора, особенностей анатомического строения челюстей пациента, в том числе повышенной подвижности нижней челюсти, повышена точность прибора за счет повышения жесткости конструкции зонда 1 и его подвески. Программное обеспечение процессора 2 позволяет модифицировать устройство для различных приложений, не меняя конструкции.
Результаты испытаний опытных образцов прибора в клинических условиях показали, что патологические состояния опорно-удерживающего аппарата зубов уверенно диагностируется с помощью заявленного устройства. На фиг. 3 показана подвижность зубов, измеренная в равновесном положении (нагрузка 0 мН) и под возрастающей нагрузкой (до 2000 мН) у различных групп людей. Для группы людей молодого возраста с целостностью морфологических структур пародонта и отсутствием патологических изменений в пародонте показаны сплошными линиями в нижней части графика. Эту группа при экспресс-диагностике относится к реперной, от которой отсчитывается наблюдаемые отклонения от нормы. В верхней части графика изображена динамика зависимости подвижности зубов для различных уровней поражения опорно-удерживающего аппарата. Точечные линии с заметным отклонением подвижности зубов от нормы говорят о вероятном развитии заболевания. Такие зубы требуют, как правило, повышенного внимания врача и/или принятия специальных профилактических мер. Здесь же представлены характеристики с повышенной подвижностью зубов (полые линии) при различной силовой нагрузке. Именно в этом случае удается дифференцировать различные виды патологии периодонтальной ткани. Прежде всего при нулевой (компенсированной) нагрузке наблюдается значительное повышенная чувствительность к отклонениям подвижности от нормы при разного рода патологиях. Здесь же наблюдается различное поведение подвижности зубов при повышении нагрузки на зуб. Кривые N 4.1 и С.С 2.3 представляют собой монотонно убывающие подвижности зубов с увеличением постоянной силовой нагрузки. В результате значение подвижности зубов приближается к зоне подвижности здоровых. Это говорит о том, что увеличение подвижности вероятно вызвано ослаблением натяжения коллагеновых волокон, например, из-за их разрыва или отсутствия антагонистов. Кривые N 4.2 и С.С 4.1, напротив, начиная с нагрузки в районе 1000 мН, демонстрируют повышенную постоянную подвижность зубов, что говорит о наличии в периодонтальной области относительно мягких тканей, «подушки» образованной в результате воспалительного процесса. Таким образом, заявленное устройство для измерения подвижности зубов позволяет определить устойчивость зубов и имплантатов к различным силовым нагрузкам.
Наиболее успешно заявленное «Устройство для измерения устойчивости зубов и имплантатов зубов к силовым нагрузкам» промышленно применимо в стоматологии для экспресс-диагностики состояния тканей опорно-удерживающего аппарата зуба или тканей, окружающих имплантат.