专利名称：牙刷跟踪系统的制作方法
牙刷跟踪系统本发明涉及一种用于跟踪刷洗期间牙刷头部的位置的方法和系统。众所周知，有规律地使用牙刷的个体所经历的许多牙齿问题与糟糕的牙刷使用相关联。例如，即使每天刷洗发生若干次，不正确的刷洗习惯可能导致刷子无法接触到牙齿的某些区域。牙刷的设计还可能引起或至少恶化糟糕的刷洗覆盖。确定口中牙斑的位置的当前方法通常是难于使用。存在两个基本方法，其一使用评估人来可视性地检查并且然后人工记录牙齿上的牙斑的量和位置。另一个方法涉及使用照相机来记录用户牙齿的图像，随后可以分析该图像。对于这两个方法，需要以某种方式对牙斑着色以增加它的可视性。两种方法均有明显的缺点。对于可视检查，评估人在它们的评估中可以明显变化，并且通常需要两个人(一个来评估，一个来记录)。对于照相机记录，照明条件需要被严格地控制，特别是用于在牙齿处理前和处理后的外观之间的比较。记录 颊面(buccal surface)以外的任何东西是困难的。已经开发了尝试通过在刷洗期间监视牙刷的位置来解决这种问题的系统。这种系统的例子公开在WO 02/083257中，其中相对于个体的牙齿的位置监视牙刷的位置，该牙刷包括第一位置传感器，其输出被馈送到处理装置，该处理装置也接收来自以与牙齿的固定关系安装的第二位置传感器的输出。该处理装置比较两个传感器的输出以监视牙刷在刷洗期间相对于牙齿的位置。也开发了其他系统以在使用中与牙刷头部在个体的牙齿上的施加的力的测量相结合来监视牙刷的运动。这种系统的例子公开在WO 01/47392中，其中牙刷包括用于确定刷洗运动的运动传感器和用于确定刷洗期间施加的力的应变计或其他类型的力传感器。然而，该系统没有被配置为确定牙刷头部和用户的牙齿之间的相对位置。力测量被用于指示刷洗期间施加的压力。US 6，731，213也公开了一种刷牙监视系统，其中力的信息是从牙刷获得的，该牙刷也可以合并能够检测牙刷在用户口中的位置的位置感测设备。当在诸如WO 02/083257中的系统中确定牙刷头部相对于牙齿的位置时，跟踪不确定性可能发生。在刷洗期间，牙刷手柄会可以弯曲，这改变位置传感器(典型地安装在牙刷的手柄上)与牙刷头部的相对位置。在基于位置感测和运动感测的跟踪系统中同样存在其他固有的位置误差。这些跟踪困难使从牙刷跟踪到用户牙齿的模型适配位置数据有问题，因为刷洗期间的任意时刻牙刷头部相对于牙齿的位置可能未被知道到足够准确的程度。因而本发明的目的是解决上述问题的一个或多个。根据发明的第一方面，提供一种监视刷牙的方法，包括接收来自布置于牙刷上的位置传感器的位置信号，该牙刷包括手柄和头部；接收来自布置于该牙刷上的力传感器的力信号；并且使用与力信号组合的位置信号来计算该牙刷的头部的位置。本发明通过除了位置信号之外还使用力信号来计算牙刷头部的位置解决了现有系统中的固有跟踪问题，该问题源自牙刷头部相对于其上提供位置传感器的牙刷本体的弯曲。
该牙刷头部的位置可以通过利用计算根据力信号确定的头部相对于手柄的偏转来增加由位置信号指示的头部的位置来确定。该位置信号可以从传感器导出，该传感器偏离该牙刷头部的位置处布置在牙刷中或安装在牙刷上。该偏离的增加允许确定头部相对于非弯曲状态的弯曲位置，并且因此允许确定头部的更准确位置。该偏转优选地被确定为该力信号和牙刷的机械性质的函数，牙刷的机械性质之前已经确定。该牙刷的机械性质将优选地包括一个或多个方向上的弯曲刚度(flexuralstiffness)的测量。在某些实施例中，可以使用在两个方向上垂直于该牙刷纵轴的弯曲刚度连同来自于牙刷中的两个力传感器的力信号，以确定在个体的牙齿的侧面和垂直于个体的牙齿的方向上的该牙刷头部弯曲。本发明可与个体牙齿的模型组合使用以基于个别牙齿来评估刷牙动作。根据WO2008/116743的公开，例如可以提供定制的上部和下部牙齿模型，其中使用附接到牙刷手柄的六自由度传感器来确定刷牙时牙刷相对于牙齿的位置和朝向。相似的传感器也描述在WO 02/083257中。替代地，本发明本身可用于建立刷洗期间的个体的牙齿的模型。由主体在刷洗期间施加于牙齿的侧向和法向力(lateral and normal forces)可以使用附接到该牙刷的力传感器或压力传感器来测量，例如该力传感器或压力传感器在该牙刷的头部中或将头部连接至手柄的牙刷的部分中。位置和力数据可以通过有线或无线装置从牙刷传输到数据分析单元，该数据分析单元被配置执行所需计算以确定来自位置传感器的未校正的位置数据并且使用该力信号向校正的位置数据施加偏移来导出该牙刷头部的位置。本发明的一个优点是位置和力数据的分析提供了时间中任何时刻的关于该牙刷头部的位置的更准确信息。进一步的优点是力信号也可以用于提供该牙刷头部在该时刻所经历的力的测量(这对于分析刷洗行为是有用的)以例如确定何处施加了过大或过小压力。当遭受刷牙期间通常施加的力时，通过使用该牙刷手柄材料的物理特性的知识来针对牙刷手柄的弯曲进行校正可以实时地或者后捕获分析中连续优化位置数据的准确性。该信息可以由在受控力条件下的牙刷手柄行为的先前测量来收集，或者可以使用诸如有限元分析(finite element analysis (FEA))的计算机建模来计算。牙齿接触也可以使用力测量来检测。这可以与位置数据一起来用于准确地预测牙齿表面在何处，因此改进系统的准确性。参考附图
通过示例的方式在下面进一步详细地描述本发明，在附图中图I是一系列测量，这些测量指示根据施加于刷头的力的牙刷头部的弯曲度；图2a是非弯曲状态的牙刷的图；图2b是弯曲状态的图2a的牙刷的图；图3a和3b是计算机生成的图像，这些图像示出了单独使用位置数据的牙刷头部相对于一组牙齿的计算的位置；图4是计算机生成的图像，这些图像示出了当考虑力信号时牙刷头部相对于一组牙齿的计算的位置的效果；图5是一组牙齿的平面视图，其指示当确定牙刷头部的位置时考虑力信号的效果；以及
图6是包括牙刷和数据处理单元的系统的示意图。图I示出了对典型聚丙烯牙刷采取一系列测量，其中力被施加到牙刷头部和当牙刷手柄保持固定时测量该头部的弯曲。可以看到，当施加大约7N的负载时，牙刷头部其非弯曲位置弯曲高达大约25_。由于用于制造牙刷的材料的黏弹性性质，滞后(hysteresis)的程度根据该测量也是明显的。刷洗期间施加的力的典型程度将是大约3. 5N，这涉及至少Ilmm的弯曲(图I点线所示)。图2a和2b示出了从牙刷的计算机模型导出的结果。当无力施加时，牙刷21处于图2a所示的非弯曲状态。当力F施加到牙刷头部22时，牙刷21的非弯曲形状(由图2b中的点线23指示)改变为弯曲状态24。导致牙刷头部22的偏转δ。图2b中所示的结果源于施加于牙刷头部22的大约ION的建模的力(modelled force),从而如将根据图I中所示的机械测试结果期望的那样，导致超过25mm的偏转δ。通常，因此，牙刷的机械性质至少包括在一个或多个方向上(例如在垂直于牙刷纵轴的两个方向上)对弯曲刚度的测量以及可选地对滞后的测量。机械性质可以由物理检 测、有限元分析(FEA)或二者确定。使用于牙刷中或牙刷上的力传感器允许确定头部相对于手柄的偏转。该力传感器可以被配置为测量牙刷头部上的法向力，例如公开在WO 01/47392中的类型的传感器，其中，力传感器被布置在手柄和头部之间的牙刷的连接部分中。该力传感器也可以被配置为测量横向于法向力的力。如使用未校正的位置数据的效果的图示，图3a和3b示出了来自于呈现的一组牙齿31的计算机模型以及根据未校正的位置数据相对于牙齿31定位的牙刷21的模型的不同视图。由于使用中的牙刷弯曲，牙刷的头部22被清楚地示出处于不正确的位置，而头部22干扰牙齿31。图4示出了在通过使用来自于牙刷头部的力信息来将偏转应用于图3a和3b中示出的头位置而将校正应用于来自于牙刷21的位置数据时一组牙齿31的所呈现模型。如可以清楚地看到的那样，牙刷头部22不再干扰牙齿31。因此可以导出相对于牙齿的刷洗动作的更准确评估。图5显示一组牙齿31的另一视图，在该情况下其指示下部一组牙齿的平面视图，并且两个箭头51、52指示牙刷的未校正和已校正位置。图6显示根据本发明的一个实施例的系统600的示意图，其是基于商业上可获得的“Oral Insights” 系统，例如由 J-P. Claessen 等在“Designing interventions toimprove tooth brushing”, IDJ (2008) 58, 307-320中所描述的那样。涉及该系统的进一步信息由 G Savill 等在 Toothbrush Tracking System novel tool for recording motionand position”的摘要 0101,PEF IADR,Baltimore 2008 中、由 S. Bates 等在“Efficacy ofOralinsights OHI System in General Dental Practice” 摘要 0428, PEF IADR, London,2008 中以及由 A. M. Lloyd 等在 “Efficacy of Oralinsights OHI System for TargetedPlaque Removal ”摘要 0429，PEF IADR，London，2008 中公开。牙刷 21 包括位置传感器 601和力传感器602，该位置传感器601位于牙刷21的手柄中，而力传感器602位于在手柄和牙刷头部之间。来自位置传感器601的信息经由链接603传输到位置计算单元604，并且来自力传感器602的信息经由链接604传输到力计算单元605。位置计算单元604和力计算单元605优选地形成共同单元的部分，并且共同链接可以从牙刷21到共同单元提供以便位置和力信号二者的传输。链接604可以通过有线或无线装置(例如经由Bluetooth 连接)提供。位置计算单元604也接收来自位于用户608的头部的位置感测单元的信号，该位置感测单元包括合并了磁场发射器607和六自由度传感器606的头戴式耳机。该六自由度传感器606优选地附接到下颚带(chin strap)。来自位置感测单元606的位置信号通过发射器609经由链接610传输到位置计算单元604，该链接610也可以是有线的或无线的。位置计算单元604经由链接611向计算机613发送表示牙刷手柄位置感测单元601和附接到用户608的传感器606的位置的数据。力计算单元605经由链接612向计算机613发送表示施加到牙刷头部的力的数据。据此，计算机613能够计算牙刷头部的被修正的位置，并且也可以被配置为在监视器屏幕620上显示、优选地实时显示用户牙齿的计算机生成的模型。该显示器可以用于向用户提供关于效率或否则他们刷牙的效率的立即反 馈。仅当一组数据已经被接收，计算机613可以替代地导出信息。例如借助于蓝牙或WiFi连接，可以可选地从牙刷21向力和位置计算单元604、605无线传输位置和力信息。一旦刷洗完成，例如当牙刷插入到充电支架中时，位置和力信息可以可选地暂时存储在牙刷中的存储器中和以及向计算单元604、605传输。光学探针也可以合并在牙刷头部中，例如以实现记录可以由牙斑的位置组成。可以根据口腔连同校正的位置数据来记录来自光学探针的图像。组合数据使得能够准确地确定牙斑相对于牙齿的位置。系统也可以用于龋齿的检测。因为系统可以用于确定牙刷头部的准确位置，所以该系统也可以用于收集数据用于重建用户颚部的图像。来自牙刷21的被校正的位置数据可以与来自牙刷头部中的光学探针的图像数据结合使用来构建用户牙齿的图像映射。诸如氟化物、pH、硫磺、锌或增白(whitening)传感器的其他传感器可以合并到牙刷中。该系统也可以在例如确定磨损、腐蚀、去矿化(demineralisation)和白斑等等中用于牙齿条件的映射。图7示出了用于图6中所示系统600的事件循环70的流程图。作为第一步骤71，位置信号从牙刷21中的位置传感器601和用户的头戴式耳机上的位置传感器606获取。在第二步骤72中，其可以与第一步骤同时或紧接着第一步骤，力信号从牙刷21上的力传感器602获取。在第三步骤73中，一旦获取了位置和力信号，使用来自力传感器602的力信号校正来自牙刷21的位置信号。在第四步骤74中，利用校正的位置信号更新显示器620，并且在第五步骤75中，其可替代地与第四步骤74同时或紧接着第四步骤74，校正的位置数据被记录用于后续分析。事件循环70接着重复，回到第一步骤71。在示例性实施例中，以规律间隔轮询位置和力传感器，在位置与牙刷相对于牙齿的朝向的每个间隔期间进行计算。适当的牙刷模型可以应用于确定头部相对于位置传感器的位置以及针对所施加力的范围确定头部相对于手柄如何弯曲。这种模型的库可被提供用于这个目的，库中的个体模型是特定牙刷的物理测试和/或建模的结果。可以通过在严格的物理条件下施加已知力给刷头并在施加力之前和之后捕获牙刷的图像来创建模型的库。该图像然后可以被转换为3D模型，该模型在系统中安装和利用。
每次计算头部的位置和朝向时，应用使用的牙刷的牙刷模型。该系统也可以被配置为分析刷头刷毛和用户牙齿之间的碰撞(或干扰)，并且如果是这样，则影响齿面。碰撞检测可以通过确定牙齿模型的边框和表示刷头的竖毛区域的区域的边框之间的相交来实现。对于刷头刷毛和牙齿之间的碰撞，系统例如通过考虑沿着刷头的中心刷毛的矢量的角度，即，刷头相对于牙齿的每个表面的角度计算出哪个面被撞击以确定哪个表面或哪些表面在那个时刻正被刷洗。如果计算可以执行地足够快，位置/朝向数据实质上“实时”地被捕获，这允许牙刷相对于牙齿的校正位置在刷洗期间由用户实时地观察到。该信息也可以在刷洗事件后被捕获和被校正。各种类型的感测技术可以用于测量位置，例如基于磁感测、光学感测、超声、无线电波、GPS或惯性感测的设备。测量力的优选方式是通过使用以惠特斯登(Wheatstone)桥布置的一个或多个应变计，虽然其他类型的传感器也可以使用，诸如基于纤维光学、力感测 电阻器、压电体的那些，或通过测量吸取自驱动电动牙刷的电动马达的电流的测量。在刷牙中使用的力传感器的例子由 P. A. Heasman 在 “Toothbrushing forces in children withfixed orthodontic appliances，，，British journal or Orthodontics, vol. 25,1998,pp. 187-190 中公开。其他实施例也在如所附权利要求书限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种监视刷牙的方法，包括 接收(71)来自布置在包括手柄和头部(22)的牙刷(21)上的位置传感器￠01)的位置信号； 接收(72)来自布置在所述牙刷(21)上的力传感器￠02)的力信号；以及 使用与所述力信号组合的所述位置信号来计算(73)所述牙刷(21)的头部的位置。
2.如权利要求I的方法，其中牙刷头部的位置通过利用计算根据所述力信号确定的所述头部相对于所述手柄的偏转来增加由所述位置信号指示的所述头部的位置来确定。
3.如权利要求2的方法，其中，根据所述力信号和所述牙刷的预定机械性质来确定所述偏转。
4.如权利要求3的方法，其中，所述牙刷的所述机械性质包括在一个或多个方向上的弯曲刚度的测量。
5.如权利要求4的方法，其中，所述牙刷的所述机械性质包括在垂直于所述牙刷的纵轴的两个方向上的弯曲刚度的测量，
6.如权利要求5的方法，其中，来自所述牙刷中两个力传感器的力信号用于确定在个体的牙齿的侧面和垂直于个体的牙齿的方向上的牙刷头部弯曲。
7.如权利要求6的方法，其中，施加于牙齿的横向力和法向力使用附接到所述牙刷的力传感器或压力传感器来测量。
8.如任意前述权利要求的方法，其中，位置和力数据被传输到数据处理单元(604，.605)，所述牙刷的头部的位置由所述数据处理单元计算。
9.如权利要求8的方法，其中所述用户的牙齿的计算机模型与所述牙刷的头部的位置组合以确定刷洗效率的指示。
10.一种刷牙监视系统(600)，包括 牙刷(21)，包括手柄和头部，所述牙刷包括位置传感器(601)和力传感器￠02);以及数据处理单元出04，605)，被配置为接收来自所述力传感器￠05)的力信号和来自所述位置传感器￠01)的位置信号， 其中，所述数据处理单元被配置为根据所述位置信号和所述力信号的组合来计算所述牙刷的头部的位置。
11.如权利要求10的刷牙监视系统(600)，其中，所述数据处理单元(604，605)远离所述牙刷(21)。
12.如权利要求11的刷牙监视系统(600)，其中，所述数据处理单元(604，605)被配置为从所述牙刷(21)无线接收所述位置和力信号。
13.如权利要求10到12中任意一项的刷牙监视系统(600)，其中，牙刷头部包括光学探针。
14.如权利要求I到13中任意一项的刷牙监视系统(600)，其中，所述牙刷头部包括化学传感器。
全文摘要
一种监视刷牙的方法，包括接收来自布置在包括手柄和头部(22)的牙刷(21)上的位置传感器(601)的位置信号；接收来自布置在该牙刷(21)上的力传感器(602)的力信号；以及使用与该力信号组合的位置信号来计算牙刷的头部的位置。
文档编号A46B15/00GK102711555SQ201080057399
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年12月17日
发明者D·G·萨维尔, S·巴特斯 申请人:荷兰联合利华有限公司