ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЫ МЫШЦ ЯЗЫКА - ДАВЛЕНИЯ ЯЗЫКА НА НЕБО И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ
FIBER-OPTIC SENSOR OF TONGUE MUSCLES FORCE - PRESSURE OF TONGUE ON PALATE AND METHOD OF ASSEMBLY THEREOF

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в медицине в стоматологии для измерения силы мышц языка или давления языка на небо на начальной стадии диагностики заболевания, связанного с врожденными расщелинами верхней губы и неба и другими аномалиями ротовой полости, в первую очередь, у детей.
Известны волоконно-оптические датчики давления, принцип действия которых основан на создании микроизгибов оптических волокон под воздействием силы или давления, содержащие набор цилиндрических валиков, которые сдавливаются деформерами, изготовленными в форме двух зубчатых пластин [US Patent No. 4918305, Fiber optic pressure sensor using pressure sensitive fiber different from input and output fibers, issued Apr. 17, 1990 to M.T. Wlodarczyk, M.K. Krage and D.J. Vickers]. Один из деформеров неподвижен, другой - перемещается при прогибе мембраны. Оптическое волокно окружено эластичным веществом, коэффициент преломления которого больше, чем коэффициент преломления оболочки оптического волокна.
Недостатки указанных датчиков следующие:
- чувствительность преобразования оптического сигнала в зоне измерения недостаточна для измерения силы (давления) языка, особенно в том случае, если речь идет о ребенке,
- технологичность конструкции низкая, так как очень сложная процедура юстировки, которая требует прецизионной установки верхней пластины относительно нижней со сдвигом, равным половине диаметра оптического волокна, то есть речь идет о микронах,
- датчик невозможно установить в полости рта из-за больших габаритных и установочных размеров, превышающих размеры рта ребенка.
Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический датчик давления на туннельном эффекте, в котором модуляция мощности оптического излучения происходит вследствие сближения (под действием давления) двух сред, в одной из которых распространяется поток оптического излучения на расстояние, соизмеримое с длиной волны оптического излучения [Redko V.V. Classification of Fiber-Optic Pressure Sensors with Amplitude Modulation of Optical Signal. / V.V. Redko, V.T. Kondratov // Sensors & Transducers. 2009. - Vol. 100. - №1. - P. 146-169].
Основу датчика составляет оптическое волокно (OB), свернутое в плоскую спираль, с воспринимающего участка которой снята отражающая оболочка. Функцию упругого элемента выполняет мембрана, с внутренней стороны которой по центру расположена пластина, изготовленная из кварцевого стекла, у которого коэффициент преломления больше, чем коэффициент преломления материала сердцевины ОВ. При сближении под действием давления пластины и ОВ на расстояние, соизмеримое с длиной волны оптического излучения, наблюдается «туннельный эффект», когда часть потока оптического излучения «перетекает» из ОВ в пластину.
Недостатки данного технического решения следующие:
- чувствительность преобразования оптического сигнала в зоне измерения недостаточна для измерения силы (давления) языка, особенно в том случае, если речь идет о ребенке,
- снять оболочку с оптического волокна достаточно сложно, возможны ситуации, когда спираль уже уложена, а удалить оболочку не представляется возможным из-за отсутствия соответствующего технологического и метрологического оборудования (датчик целиком уйдет в брак),
- датчик невозможно установить в полости рта из-за больших габаритных и установочных размеров, превышающих размеры рта ребенка.
В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающим заявленный технический результат.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение массо-габаритных размеров, повышение чувствительности преобразования оптических сигналов, повышение технологичности конструкции датчика, обеспечение безопасной для здоровья пациента диагностика заболевания с помощью данного устройства.
ПЛ
C
Указанный технический результат достигается тем, что волоконно-оптический датчик силы (давления) языка на небо, содержащий две пластины, между которыми расположено оптическое волокно, один торец которого подстыкован к источнику излучения, а второй - к приемнику излучения, отличается тем, что верхняя пластина выполнена в виде перевернутого стакана, донышко которого имеет возможность прогибаться вверх, нижняя пластина выполнена плоской, толщиной t, близкой к толщине донышка верхней пластины, и которая с помощью клея по контуру крепится на выступе верхней пластины, причем высота внутренней полости, стакана d равна:
ОВ
где d - диаметр оптического волокна;
Δ - допуск на клеевое соединение;
а свободное пространство между пластиной, стаканом и оптическими волокнами залито герметиком, причем витки оптического волокна расположены между пластинами или в виде буквы «О», или по спирали, или в виде буквы «В», или цифры «б», или в виде двух взаимно перпендикулярных букв «П».
На фигуре 1 приведена конструкция волоконно-оптического датчика силы (давления) языка на небо. На фигуре 2 показана схема расположения волоконно-оптического датчика силы (давления) в полости рта и схема его соединения с регистрирующим устройством, на фиг. 3 - схемы укладки оптических волокон в верхней пластине волоконно-оптического датчика силы (давления), на фиг. 4 - схемы, поясняющие способ изготовления датчика.
ПЛ
ДОН
C
Волоконно-оптический датчик давления 1 содержит две пластины 2 и 3, между которыми расположено оптическое волокно 4, один торец которого подстыкован к источнику излучения 5, а второй - к приемнику излучения 6, расположенному в электронном блоке 7 (см. фиг. 1 и 2). Верхняя пластина 2 выполнена в виде перевернутого стакана, донышко 8 которого имеет возможность прогибаться вверх под действием давления языка 9, нижняя пластина 3 в зоне взаимодействия с языком 9 выполнена плоской толщиной t, равной толщине донышка t верхней пластины 2 (см. фиг. 1 и 2) и которая с помощью клея 10 по контуру крепится на выступе 11 верхней пластины 2, причем высота внутренней полости стакана h определяется выражением (1) (см. фиг. 2). Датчик 1 устанавливают в полость рта пациента таким образом, чтобы донышко 8 верхней пластины 2 соприкасалась с небом 12 пациента (см. фиг. 1).
Волоконно-оптический датчик давления работает следующим образом.
Язык пациента 9 с усилием давит на нижнюю пластину 3. Она прогибается в сторону неба 12. При этом оптические волокна 4 испытывают деформацию. Световой поток, прошедший от источника излучения 5 в зону измерения, изменяет при деформации свою интенсивность. При этом изменяется уровень сигнала на приемнике излучения 6.
Самая простая схема расположения оптического волокна 4 между пластинами 2 и 3, когда витки оптического волокна 4 расположены в виде буквы «О», начало и конец которой выходят в прорезь 13 боковой поверхности верхней пластины 2 (см. фиг. 2а). Но такая схема расположения оптического волокна может не обеспечить необходимой чувствительности преобразования оптического сигнала.
Для увеличения чувствительности преобразования оптического сигнала, возможно несколько схем расположения оптического волокна: по спирали (см. фиг. 3б), в виде буквы «В» (см. фиг. 3в), в виде цифры 6 (см. фиг. 3г), в виде двух взаимно перпендикулярных букв «П» (см. фиг. 3д). Та или иная, схема расположения оптического волокна определяется особенностям полости рта пациента.
ОВ
В зависимости от схемы расположения оптических волокон выбирается числовое значение перед членом d в выражении (1). Если применяется схема фиг. 3а, то выбирается цифра «1», в остальных случаях - цифра «2». Это обусловлено появлением второго слоя оптических волокон. Необходимо в этом случае второй слой располагать как можно ближе к внешнему контуру верхней пластины, чтобы не снизить чувствительность преобразования, оптических сигналов.
Способ сборки волоконно-оптического датчика силы (давления) языка на небо отличается тем, что:
1) верхнюю пластину 2 закрепляют на поверхности стола вниз донышком 8,
2) через боковую прорезь 13 в верхней пластине 2 протягиваю оптическое волокно 4,
3) укладывают оптическое волокно 4 на поверхность донышка 8 по соответствующей схеме (см. фиг. 3), временно закрепляя в местах изгибов фторопластовыми крепежными крючками 14, на которые укладываются грузики 15,
4) через боковую прорезь 13 в верхней пластине 2 протягивают свободный конец оптического волокна 4,
5) заливают свободное пространство верхней пластины герметиком 16,
6) после застывания упругого состава (герметика) 16 снимают грузики 15 и крючки 14,
7) на выступ 11 верхней пластины 2 наносят клеящий состав 10,
8) на выступ 11 верхней пластины 2 крепится нижняя пластина 3,
9) заливают прорезь 13 и свободное пространство между пластинами 2 и 3 упругим составом (герметиком) 16,
10) на внешнюю впадину между пластинами 2 и 3 наносят клеящий состав 10 (см. фиг. 4).
При проведении процедуры диагностики поверхность датчика протирается дезинфицирующим составом.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий.
Предлагаемая новая конструкция волоконно-оптического датчика давления позволяет расположить датчик в малом объеме рта пациента, использование оптического излучения мощностью не более 10 мкВт исключает электромагнитное излучение в полости рта пациента и любые негативные последствия от электромагнитного воздействие на здоровье пациента и на результаты диагностики.