СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ И КОНФИГУРАЦИИ НЁБА И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СКАНЕР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01B11/24 A61B5/107 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в медицине, а именно в стоматологии для определения конфигурации и размеров нёба при диагностике заболевания, связанного с аномалиями ротовой полости, челюстно-лицевых патологий, в первую очередь, у детей. Главное назначение - по результатам измерений изготовить 3D-модель полости рта (например, из безопасного для пациента пластика), которая будет установлена на мембрану датчика давления языка на нёбо и обеспечит точное позиционирование датчика в полости рта.

В работе [Ужумецкене И.И., Методы исследования в ортодонтии, М: изд. «Медицина» - 1970] приведены сведения о различных способах измерения высоты нёба: «Диагностическое значение измерений высоты нёба выдвинуто Simon. При помощи описанного им гнатографа сагиттальную и трансверсальную кривую нёба переносят на миллиметровую бумагу. Кривую нёба можно перенести на миллиметровую бумагу, применив также симметрограф Korkhaus со срезающей решеткой или с рисовальщиком. Срезающая решетка (конструкция, предложенная van Loon) состоит из большого количества тонких металлических прутов, которые при освобождении зажимного приспособления перерезают модель в сагиттальном или трансверсальном направлении, и кривую нёба с помощью острого карандаша переносят на миллиметровую бумагу. Рисовальщик кривую нёба отображает сразу графически на миллиметровой бумаге».

Такой способ и устройства, их реализующие, сильно устарели, вызывают определенные неудобства у пациентов, а в отдельных случаях достаточно травматичны.

Такой способ и устройства, их реализующие, сильно устарели, вызывают определенные неудобства у пациентов, а в отдельных случаях достаточно травматичны.

В настоящее время для определения размеров и конфигурации нёба у пациентов стоматологи делают слепки из различных материалов: эластичных (анальгинатные, силиконовые), термопластичных, моделировочных, гипса [kosmetik-dent.ru].

Эластичные материалы хорошо отображают рельеф ротовой полости, но подвержены усадке, поэтому не используются для долгого хранения.

Силиконовые материалы хорошо сохраняют изображение всех участков зубов, в том числе придесневых. Применяются для изготовления бюгельных моделей и керамических коронок.

Недостатком силиконовых материалов является усадка, наступающая примерно через час после снятия слепка, поэтому техник должен успеть за это время изготовить гипсовую модель.

Для изготовления твердых слепков обычно применяется гипс.

Сейчас гипс используется редко, поскольку пациент испытывает неприятные ощущения при снятии слепка, к тому же затруднено снятие отпечатка с участков зубов, расположенных близко к деснам. Еще один недостаток гипса - неравномерное застывание: он крошится при высыхании, поэтому изо рта зачастую извлекается кусочками.

Термопластичные материалы под воздействием температуры делаются мягкими, а при охлаждении затвердевают. К их недостаткам относят возможные деформации, случающиеся при выведении массы из ротовой полости.

Моделировочные материалы - это медицинский воск, содержащий парафин, стеарин. Они точно отображают ткани, отличаются удобством в применении.

Недостатком считают неустойчивость к воздействию температуры: при ее повышении, даже незначительном, они начинают плавиться.

Способ применения перечисленных материалов заключается в следующем.

Замешивается материал специальным шпателем. Масса закладывается в ложку, вводится в рот, ложка прижимается к альвеолярному отростку. Если отпечаток снимается с верхней челюсти, нажим осуществляется сначала сзади, затем спереди, с нижней челюсти - наоборот. Масса находится во рту в течение определенного времени, чтобы зафиксировать все анатомические особенности ротовой полости. Края оттиска оформляются движениями языка и губ пациента. Извлечение оттиска из ротовой полости делается одним рывком, чтобы избежать деформаций. Слепок промывается проточной водой и погружается в специальный раствор, после чего можно приступать к изготовлению гипсовой модели. Оптимальное время для создания модели на основе отпечатка - первые 30 минут, пока масса не деформировалась. Техник заливает в ложку гипс в жидком состоянии, в результате получает диагностическую модель челюсти.

Недостаток способа формирования оттиска заключается:

- в низкой точности определения ротового оттиска, которая зависит от нескольких факторов: качества материала, точного выполнения алгоритма способа, правильного выполнения действий пациентом;

- процедура получения физических слепков вызывает у пациента кратковременный дискомфорт из-за материалов, размещаемых в ротовой полости на лотках для оттисков.

В дополнение к вышеперечисленным недостаткам необходимо отметить, что если определяется профиль ротовой полости у ребенка, то трудно говорить не только о точности, но и возможности реализация способа вообще.

Известны интраоральные (внутриротовые) 3D-сканеры - устройства для создания цифровых слепков, которые проецируют свет на сканируемый объект, принимают отраженный световой сигнал и передают в компьютер для составления объемного изображения [carestreamdental.com].

Но такие сканеры не могут быть применены для определения профиля и размеров нёба по нескольким причинам:

- имеют габаритные размеры, превышающие размеры полости ребенка;

- сложность в распознавании плохо видимых мест: в некоторых случаях, когда врачу важно расположить края протеза субгингивально, свету может быть сложнее правильно определить всю точную линию. В отличие от обычных оттискных материалов, свет не может физически отделить десну и, следовательно, не может просканировать «невидимые» области [qsttech.com];

- чувствительность преобразования оптического сигнала низкая, так как отражающая поверхность нёба имеет малый коэффициент отражения, соответственно точность измерения расстояний до нёба тоже низкая;

- в большинстве своем они рассчитаны на использование сложного программного обеспечения и сложной вторичной аппаратуры;

- предназначены не для измерения геометрических параметров полости рта, а для получения изображения, соответственно не нормированы по требуемым метрологическим характеристикам, в первую очередь, по диапазону измерения, диапазону выходного сигнала и по основным и дополнительным погрешностям.

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 безопасное для здоровья пациента точное определение формы и размеров нёба пациента с помощью предлагаемого высокоточного простого в технической реализации волоконно-оптического сканера. Кроме того, возможно применение изобретения для определения размеров и конфигурации аналогичных труднодоступных узких полостей в других сферах народного хозяйства.

Технический результат достигается тем, что:

- способ определения размеров и конфигурации нёба заключается в том, что с помощью источника оптического излучения формируют световой поток, направляют его перпендикулярно поверхности нёба вдоль вертикальной оси Z, с помощью приемника излучения принимают отраженный от нёба световой поток, по интенсивности которого судят о расстоянии от источника излучения до облучаемой поверхности, и отличается тем, что источник излучения перемещают вдоль оси ординат Y в k-точки с интервалами ΔY из n-точек вдоль оси абсцисс X с интервалами ΔХ, в каждой из k-n-точек измеряют значения интенсивности отраженного от нёба светового потока, по которым определяют расстояние Z от источника излучения до нёба в соответствии с нормированной функцией преобразования интенсивности светового потока от координаты Z, строят трехмерную матрицу длины, в соответствии с которой строится 3D-модель нёба;

облучаемую поверхность нёба предварительно временно нормируют по коэффициенту отражения;

волоконно-оптический сканер для определения размеров и конфигурации нёба, содержащий источник и приемник излучения, отличающийся тем, что содержит основание, в котором с интервалом ΔХ друг от друга выполнены n-направляющие в виде впадин глубиной h и шириной b, в которых поочередно перемещается корпус, внутри которого расположена оптическая система в виде подводящего и отводящего оптических волокон, причем первые торцы оптических волокон параллельны направлению перемещения корпуса, а их оптические оси перпендикулярны освещаемой поверхности, а вторые торцы подводящего волокна и отводящего волокна стыкуют с источником излучения и приемником излучения, соответственно;

- основание может быть выполнено плоским, выпуклым, вогнутым;

- форма основания может повторять форму поверхности, на которую оно установлено;

- на торце как минимум одного оптического волокна может быть сформирована микролинза;

- излучающий торец подводящего оптического волокна может быть расположен в окрестности фокуса собирающей линзы.

На фиг. 1 приведена упрощенная конструкция волоконно-оптического сканера нёба, на фиг. 2 - основание со сферическими впадинами, на фиг. 3 - основание с прямоугольными впадинами, на фиг. 4 - схема, поясняющая принцип действия сканера и способ сканирования.

Волоконно-оптический сканер содержит основание 1, в котором с интервалами ΔХ друг от друга выполнены n-направляющие в виде впадин 2 глубиной h и шириной b, в которых перемещается корпус 3 с расположенной внутри него оптической системой в виде подводящего (ПОВ) 4 и отводящего (ООВ) 5 оптических волокон (фиг. 1). Первые торцы оптических волокон 4 и 5, расположенных в корпусе 3, параллельны направлению перемещения корпуса 3, а их оптические оси перпендикулярны освещаемой поверхности (нёба) 6 (фиг. 2 и 3). Вторые торцы оптических волокон 4 и 5 стыкуются с источником излучения 7 и приемником излучения 8 соответственно, расположенными в электронном блоке 9 сканера, где осуществляется электрооптическое и фотоэлектрическое преобразования (фиг. 4).

Впадины 2 в основании 3 могут быть цилиндрическими или прямоугольными. Форма и внешние размеры корпуса 3 могут совпадать с формой и внешними размерами впадин 2 (см. фиг. 2). Также возможен вариант, когда впадины 2 прямоугольные, а корпус 3 цилиндрический (см. фиг. 3). Размеры и допуски на размеры корпуса 3 и впадин 2 должны обеспечивать перемещение корпуса 3 во впадинах 2 по скользящей посадке, причем оптические оси торцов оптических волокон 4 и 5 должны быть перпендикулярны освещаемой поверхности 6 (см. фиг. 1-3).

Верхняя и нижняя поверхности основания 3 могут быть выполнены плоскими, выпуклыми, вогнутыми. Кроме того, нижняя поверхность основания 3 может повторять форму поверхности, на которую оно установлено.

При необходимости увеличения чувствительности преобразования оптического сигнала возможно применение фокусирующей линзы 10, которая формирует необходимое пространственное распределение светового потока с выхода излучающего торца подводящего оптического волокна 4.

На торце как минимум одного оптического волокна может быть сформирована микролинза.

Предлагаемый способ определения размеров и конфигурации нёба с помощью предлагаемого волоконно-оптического сканера осуществляется следующим образом.

В одной из направляющей - впадине 2 устанавливается корпус 3 с закрепленными в нем первыми торцами ПОВ 4 и ООВ 5. Световой поток от источника излучения (светодиода) 7 по ПОВ 4 направляется на нёбо 6. Отраженный от нёба 6 световой поток поступает в приемный торец ООВ 5 и направляется по нему на приемник излучения 8, где преобразуется в электрический сигнал. Корпус 3 перемещается вдоль первой впадины 2 в направлении Y, соответственно в k-точках с интервалами ΔY с выхода приемника излучения 8 снимаются электрические сигналы (например, ток I), пропорциональные расстояниям z_k1 от излучающего торца ПОВ 4 до нёба в данных точках. Результаты измерений заносят в 1-ую сроку матрицы электрических сигналов, которая в соответствии с уравнением (1) преобразуется в матрицу длины:

где I_kn,z_kn - значения электрических сигналов в точках сканирования и соответствующие им расстояния от корпуса 3 до нёба 6; m - коэффициент пропорциональности.

Затем корпус 3 перемещают вдоль второй впадины 2 в направлении Y, соответственно в k-точках с интервалами ΔY с выхода приемника излучения 8 снимаются электрические сигналы, пропорциональные расстояниям z_k2 от излучающего торца ПОВ 4 до нёба 6 в данных точках. Результаты измерений заносят во 2-ую сроку матрицы длины (1). Эту операцию повторяют в каждой из n-ой направляющей. В соответствии с заполненной матрицей длины (1) осуществляется 3D-моделирование профиля нёба и, при необходимости, по полученным размерам, например с помощью 3D-принтера, изготавливается деталь, повторяющая профиль и размеры нёба пациента. Полученная деталь может быть использована для измерения давления языка на нёбо в составе волоконно-оптического датчика давления при выявлении различных челюстно-лицевых патологий.

Для повышения точности измерения размеров и профиля нёба необходимо интервалы ΔY и ΔХ уменьшать.

На освещаемую поверхность (нёбо) 6 целесообразно временно нанести нормированную по коэффициенту отражения краску или пленку (например, безопасного для здоровья спрея, содержащий медицинский тальк или муку, используемого в стоматологии).

При проведении процедуры сканирования поверхности сканера протираются дезинфицирующим составом.

Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем следующим образом.

Изготовление основания корпуса 3 плоским, выпуклым, вогнутым необходимо для уменьшения расстояния от излучающей поверхности ПОВ 4 или линзы 10 до нёба 6, что повышает чувствительность преобразования оптического сигнала и, соответственно, точность измерения и определения профиля и размеров нёба 6.

Введение в конструкцию сканера фокусирующей линзы 10 необходимо для фокусировки светового потока с выхода излучающего торца ПОВ 4, обеспечивающей увеличение чувствительности преобразования оптического сигнала, если расстояние до отдельных точек нёба 6 невозможно уменьшить изменением формы основания корпуса 3.

Формирование на торце как минимум одного оптического волокна микролинзы обеспечивает повышение чувствительности преобразования оптического сигнала без введения дополнительной линзы 10, тем самым способствует снижению высоты устройства в целом.

Перемещение корпуса 3 во впадинах 2 по скользящей или более жесткой посадке снижает инструментальную составляющую погрешности измерения расстояний z.

Уменьшение интервалов ΔY и ΔХ снижает методическую составляющую погрешности измерения расстояний z.

Расположение первого (излучающего) торца ПОВ 4 в окрестности фокуса собирающей линзы 10 обеспечивает снижение потерь светового потока в зоне измерения, и, соответственно, повышение точности измерения расстояний z.

Нанесение на освещаемую поверхность (нёбо) 6 нормированной по коэффициенту отражения краски или пленки необходимо для повышения точности и повторяемости результатов измерений.

Длина оптических волокон 4 и 5 может быть 2…200 м, что позволяет отнести электронный блок 9 от пациента на безопасное для его здоровья расстояние.

Использование светодиодов 7 вместо лазеров позволяет снизить мощность оптического излучения до 5…10 мВт в зоне измерения, что обеспечивает абсолютную безопасность процедуры сканирования.

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.

Предлагаемые способ и новая конструкция волоконно-оптического сканера позволяют снизить неудобства для пациентов, инструментальную и методическую погрешности измерений, расположить сканер в малом объеме рта пациента, использовать абсолютно безопасное оптическое излучение мощностью не более 10 мкВт, исключающее электромагнитное излучение в полости рта пациента.

Предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована в медицине в стоматологии для определения конфигурации и размеров нёба при диагностике заболевания, связанного с аномалиями челюстно-лицевой и ротовой полости, в первую очередь, у детей. Способ определения размеров и конфигурации нёба заключается в том, что с помощью источника оптического излучения формируют световой поток, направляют его перпендикулярно поверхности нёба вдоль вертикальной оси Y, с помощью приемника излучения принимают отраженный от нёба световой поток, по интенсивности которого судят о расстоянии от источника излучения до облучаемой поверхности, источник излучения перемещают вдоль оси ординат Y в k-точки с интервалами ΔY из n-точек вдоль оси абсцисс X с интервалами ΔХ, в каждой из k-n-точек измеряют значения интенсивности отраженного от нёба светового потока, по которым определяют расстояние Z от источника излучения до нёба в соответствии с нормированной функцией преобразования интенсивности светового потока от координаты Z, строят трехмерную матрицу длины, в соответствии с которой строится 3D-модель нёба. Технический результат - точное определение формы и размеров нёба пациента с помощью предлагаемого высокоточного простого в технической реализации волоконно-оптического сканера. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения размеров и конфигурации нёба, заключающийся в том, что с помощью источника оптического излучения формируют световой поток, направляют его перпендикулярно поверхности нёба вдоль вертикальной оси Y, с помощью приемника излучения принимают отраженный от нёба световой поток, по интенсивности которого судят о расстоянии от источника излучения до облучаемой поверхности, отличающийся тем, что источник излучения перемещают вдоль оси ординат Y в k-точки с интервалами ΔY из n-точек вдоль оси абсцисс X с интервалами ΔХ, в каждой из k-n-точек измеряют значения интенсивности отраженного от нёба светового потока, по которым определяют расстояние Z от источника излучения до нёба в соответствии с нормированной функцией преобразования интенсивности светового потока от координаты Z, строят трехмерную матрицу длины, в соответствии с которой строится 3D-модель нёба.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучаемую поверхность нёба предварительно временно нормируют по коэффициенту отражения путем нанесения краски с известным коэффициентом отражения.

3. Волоконно-оптический сканер для определения размеров и конфигурации нёба, содержащий источник и приемник излучения, отличающийся тем, что содержит основание, в котором с интервалом ΔХ друг от друга выполнены n-направляющие в виде впадин глубиной h и шириной b, в которых поочередно перемещается корпус, внутри которого расположена оптическая система в виде подводящего и отводящего оптических волокон, причем первые торцы оптических волокон параллельны направлению перемещения корпуса, а их оптические оси перпендикулярны освещаемой поверхности, а вторые торцы подводящего волокна и отводящего волокна стыкуют с источником излучения и приемником излучения соответственно.

4. Волоконно-оптический сканер по п. 3, отличающийся тем, что основание выполнено плоским.

5. Волоконно-оптический сканер по п. 3, отличающийся тем, что основание выполнено выпуклым.

6. Волоконно-оптический сканер по п. 3, отличающийся тем, что основание выполнено вогнутым.

7. Волоконно-оптический сканер по п. 3, отличающийся тем, что форма основания повторяет форму поверхности, на которую оно установлено.

8. Волоконно-оптический сканер по п. 3, отличающийся тем, что на торце как минимум одного оптического волокна сформирована микролинза.

9. Волоконно-оптический сканер по п. 3, отличающийся тем, что первый торец подводящего оптического волокна расположен в окрестности фокуса собирающей линзы.