ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЫ МЫШЦ ЯЗЫКА - ДАВЛЕНИЯ ЯЗЫКА НА НЕБО И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ Российский патент 2021 года по МПК G01L13/00 A61C19/04 

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.

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_ПЛ, близкой к толщине донышка верхней пластины, и которая с помощью клея по контуру крепится на выступе верхней пластины, причем высота внутренней полости, стакана d_C равна:

где d_ОВ - 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.

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_ПЛ, равной толщине донышка t_ДОН 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_C 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.

В зависимости от схемы расположения оптических волокон выбирается числовое значение перед членом d_ОВ 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.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в медицине в стоматологии для измерения силы мышц языка или давления языка на небо. Заявленный волоконно-оптический датчик силы мышц языка - давления языка на небо, содержит две пластины, между которыми расположено оптическое волокно, один торец которого подстыкован к источнику излучения, а второй - к приемнику излучения. Верхняя пластина выполнена в виде перевернутого стакана, донышко которого имеет возможность прогибаться вверх, и есть прорезь в боковой поверхности для ввода/вывода оптических волокон. Боковой контур нижней пластины зеркально повторяет контур верхней пластины, а упругая часть нижней пластины в зоне контакта с языком выполнена плоской с толщиной, близкой к толщине донышка верхней пластины, и с помощью клея по боковому контуру крепится на выступе верхней пластины. Причем витки оптического волокна расположены между пластинами или в виде буквы «О», или по спирали, или в виде буквы «В», или цифры «6», или в виде двух взаимно перпендикулярных букв «П». Заявленный способ сборки волоконно-оптического датчика силы мышц языка - давления языка на небо, содержит следующие этапы: верхнюю пластину закрепляют на столе вниз донышком; через боковую прорезь в верхней пластине протягивают оптическое волокно; укладывают оптическое волокно на поверхность донышка по соответствующей схеме, временно закрепляя в местах изгибов фторопластовыми крепежными крючками, на которые укладываются грузики; через боковую прорезь в верхней пластине протягивают свободный конец оптического волокна; заливают свободное пространство верхней пластины герметиком; после застывания герметика снимают крючки; на выступ верхней пластины наносят клеящий состав; на выступ верхней пластины крепят нижнюю пластину и заливают прорезь и свободное пространство между пластинами герметиком и клеем. Технический результат - снижение массогабаритных размеров, повышение чувствительности преобразования оптических сигналов, повышение технологичности конструкции датчика, обеспечение безопасной для здоровья пациента диагностики заболевания с помощью данного устройства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Волоконно-оптический датчик силы мышц языка - давления языка на небо, содержащий две пластины, между которыми расположено оптическое волокно, один торец которого подстыкован к источнику излучения, а второй - к приемнику излучения, отличающийся тем, что верхняя пластина выполнена в виде перевернутого стакана, донышко которого имеет возможность прогибаться вверх, нижняя пластина выполнена плоской, толщиной t_ПЛ, близкой к толщине донышка верхней пластины, и с помощью клея по контуру крепится на выступе верхней пластины, причем высота внутренней полости стакана d_C равна:

d_C=(1…2)d_ОВ+t_ПЛ+Δ,

где d_ОВ - диаметр оптического волокна;

Δ - допуск на клеевое соединение, а свободное пространство между пластиной, стаканом и оптическими волокнами залито герметиком.

2. Волоконно-оптический датчик силы мышц языка - давления языка на небо по п. 1, отличающийся тем, что витки оптического волокна расположены между пластинами в виде буквы «О», начало и конец которой выходят в прорезь боковой поверхности верхней пластины.

3. Волоконно-оптический датчик силы мышц языка - давления языка на небо по п. 1, отличающийся тем, что витки оптического волокна расположены между пластинами по спирали, начало и конец которой выходят в прорезь боковой поверхности верхней пластины.

4. Волоконно-оптический датчик силы мышц языка - давления языка на небо по п. 1, отличающийся тем, что витки оптического волокна расположены между пластинами в виде буквы «В», начало и конец которой выходят в прорезь боковой поверхности верхней пластины.

5. Волоконно-оптический датчик силы мышц языка - давления языка на небо по п. 1, отличающийся тем, что витки оптического волокна расположены между пластинами в виде цифры «6», начало и конец которой выходят в прорезь боковой поверхности верхней пластины.

6. Волоконно-оптический датчик силы мышц языка - давления языка на небо по п. 1, отличающийся тем, что витки оптического волокна расположены между пластинами в виде двух взаимно перпендикулярных букв «П», начало и конец которых выходят в прорезь боковой поверхности верхней пластины.

7. Способ сборки волоконно-оптического датчика силы мышц языка - давления языка на небо по пп. 1-6, отличающийся тем, что:

1) верхнюю пластину закрепляют на столе вниз донышком,

2) через боковую прорезь в верхней пластине протягивают оптическое волокно,

3) укладывают оптическое волокно на поверхность донышка по соответствующей схеме, временно закрепляя в местах изгибов фторопластовыми крепежными крючками, на которые укладываются грузики,

4) через боковую прорезь в верхней пластине протягивают свободный конец оптического волокна,

5) заливают свободное пространство верхней пластины упругим составом (герметиком),

6) после застывания упругого состава (герметика) снимают крючки,

7) на выступ верхней пластины наносят клеящий состав,

8) на выступ верхней пластины крепится нижняя пластина,

9) заливают прорезь и свободное пространство между пластинами герметиком,

10) на внешнюю впадину между верхней и нижней пластинами наносят клеящий состав.