一种体外模拟咀嚼运动控制装置及其方法

1.本发明属于体外模拟咀嚼装置领域，具体涉及一种体外模拟咀嚼运动控制装置及其方法，主要应用于食品口腔加工研究及食品风味释放研究。


背景技术：

2.体外模拟咀嚼装置是一种多用途机械设备，通过对人体真实咀嚼状态模拟实现与医学、语言学及食品学科相关性研究。该类型装置在食品领域中可用于食物风味小分子释放的动力学特征分析；口腔条件对食物口腔加工的影响；观察食团的形成并测量其性质的变化等。
3.但在食品口腔加工过程中存在口腔密闭环境难以进行跟踪观察、感官实验志愿者较难客观评价实验结果且难以控制自身咀嚼力度，以及咀嚼障碍人群测试困难等问题。这些问题对进行食品在口腔中变化过程的理化性研究产生了很大的阻碍。需要体外模拟装置为食品口腔加工研究提供参考依据。
4.目前已经开发出的咀嚼模拟设备已实现一定程度上咀嚼轨迹模拟，但缺乏直接检测咀嚼过程中理化条件实时检测(ph、电导率及温度)和风味物质采集环境。因此，亟需基于现有结构，针对体内植入设备引导线气密性及固定结构进行创新设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种体外模拟咀嚼运动控制装置及其方法。本发明通过对人体下颚在咀嚼过程中的运动轨迹、咀嚼过程中的咬合压力、真实牙齿结构的模拟实现对真实人体咀嚼结果的模拟，模拟结果包括人体破碎后的食团粒径分布结果、人体咀嚼效率等。通过本发明中装载的传感器实现对模拟咀嚼过程中口腔温度、食团ph、电导率参数进行实时监测。
6.本发明所采用的具体技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供了一种体外模拟咀嚼运动控制装置，包括上牙齿运动部件、下牙齿咀嚼部件和具有密封性的操作壳体；
8.所述上牙齿运动部件包括垂直电机、水平电机、升降杆和上牙齿固定板；所述垂直电机通过垂直电机固定座滑动固定于水平的直线导轨上，直线导轨底部连接有直线导轨固定座，直线导轨固定座的底部连接有固定于操作壳体外侧壁的主支架；所述水平电机通过水平电机固定板固定于直线导轨固定座上，水平电机的作用端连接于垂直电机固定座，通过水平电机能使垂直电机沿直线导轨滑动；所述垂直电机作用端连接有竖直的升降杆；升降杆下部伸入操作壳体内腔且连接处封闭，底部连接有用于固定上牙齿的上牙齿固定板，通过垂直电机和水平电机能控制上牙齿的运动轨迹；
9.所述下牙齿咀嚼部件位于操作壳体内腔中，包括下牙齿固定块、唾液托盘和两个唇片；所述下牙齿固定块的顶部用于固定下牙齿，下牙齿能与上牙齿之间构成咬合关系；位于下牙齿两侧的下牙齿固定块上分别转动固定有相对设置的唇片；两个唇片用于夹持固定
目标咀嚼食物，使目标咀嚼食物始终位于上牙齿和下牙齿之间；位于下牙齿固定块的下方设有唾液托盘，下牙齿固定块上开设若干孔洞，唾液托盘用于承接从下牙齿固定块上流下的唾液；
10.所述操作壳体顶部开设有气体采集口和液体注射口；液体注射口连接有注液软管，能将人工唾液输送至上牙齿和下牙齿之间；气体采集口用于顶空气体采集，用于食物破碎过程中香气释放动态分析；操作壳体内部还设有用于模拟口腔温度的加热棒。
11.作为优选，所述上牙齿运动部件还包括用于检测上牙齿运动轨迹的水平光耦和垂直光耦。
12.作为优选，所述升降杆与垂直电机作用端之间设有用于检测上牙齿和目标咀嚼食物之间作用力的压力传感器。
13.作为优选，所述操作壳体顶部开设条形槽，升降杆通过所述条形槽伸入操作壳体内腔；位于条形槽周向的操作壳体与升降杆之间设有升降杆密封圈，升降杆密封圈能在不影响升降杆水平和竖直方向移动的同时保持连接处密封。
14.作为优选，所述唇片为向下牙齿外侧弯折的弧形板片结构，底部通过唇片轴固定于下牙齿固定块上，唇片轴通过固定于下牙齿固定块上的弹片实现扭转和限位，以夹持目标咀嚼食物。
15.作为优选，所述唾液托盘上设有传感器组件，传感器组件包括ph计、电导率检测计和温度计，ph计和电导率检测计的探头均位于唾液托盘的液面以下。
16.进一步的，所述传感器组件外接上位机，传感器组件与操作壳体的连接处密封。
17.第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述体外模拟咀嚼运动控制装置的模拟方法，具体如下：
18.s1：在上牙齿固定板和下牙齿固定块上分别固定上牙齿和下牙齿，利用垂直电机和水平电机进行归位操作，使上牙齿处于初始位点；
19.s2：在下牙齿上方放置目标咀嚼食物并通过两个唇片进行夹持固定；确保操作壳体的密封性，利用加热棒模拟口腔温度；通过垂直电机和水平电机控制上牙齿的运动轨迹和速度，当上牙齿运动到预定轨迹最低水平位点时，对目标咀嚼食物施加水平方向压力及水平方向剪切力，在下牙齿的相对力配合作用下，以模拟对食物的咀嚼破碎过程；同时，通过液体注射口向上牙齿和下牙齿之间注射人工唾液，以使唾液在咀嚼过程中与食物充分混合；在该过程中，通过压力传感器实时监测上牙齿和目标咀嚼食物之间的作用力，通过传感器组件获得腔室温度变化情况及唾液托盘中唾液的ph和电导率值变化情况；通过气体采集口定期采集腔室内的气体。
20.作为优选，所述口腔温度为28℃。
21.作为优选，所述上牙齿垂直方向的运动范围为0-20mm，运动速度范围为0-40mm/s；水平方向的运动范围为0-10mm，运行速度范围为0-20mm/s。
22.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
23.1)本发明通过水平、垂直的两个电机带动上牙齿进行模拟真实人体运动曲线控制，模拟人类咬合不同食品的压力，通过压力传感器获得咬合力数据，通过电机运行位置获得上颚运动位置轨迹。实现对模拟咀嚼过程的实时监控和调整。以获得真实人体口腔咀嚼后的食团结构组成。
24.2)本发明通过加热棒加热控制咀嚼腔体温度，满足不同条件下口腔温度模拟。为口腔内人工唾液的理化数据分析中提供真实的口腔条件(ph、电导率受温度影响较大)，以获得真实人体咬合食品后唾液分析数据。
25.3)本发明通过气密性设计，提供良好气体储存条件，为模拟咀嚼中产生的风味气体采集提供环境基础，能够准确获得人类咬合食品后唾液分析数据。
26.4)本发明利用ph、电导率和温度传感器，对咀嚼过程中人工唾液的对应理化特征进行实时监测，以探究上述条件对咀嚼过程影响。
附图说明
27.图1为体外模拟咀嚼运动控制装置的爆炸图；
28.图2为上牙齿运动部件的剖面图(a)和结构示意图(b)；
29.图3为下牙齿咀嚼部件的剖面图(a)和结构示意图(b)；
30.图4为体外模拟咀嚼运动控制装置的结构示意图(a)和主视图(b)；
31.图5为实施例中牙齿部分运动距离示意图；
32.图6为实施例中牙齿部分运动轨迹示意图；
33.图7为实施例中牙齿对食团施加压力示意图；
34.图中附图标记为：1-垂直电机；2-垂直电机固定座；3-直线导轨；4-直线导轨固定座；5-光电开关固定板；6-水平电机；7-水平电机螺母；8-光电开关螺母1；9-光电开关；10-光电开关螺母2；11-水平电机固定板；12-水平光耦挡片；13-直电机螺母；14-主支架；15-水平光电开关防光板；16-传感器组件；17-垂直光耦挡板固定板；18-水平光耦；19-垂直光耦固定板；20-垂直光耦挡片；21-压力传感器；22-压力传感器螺母；23-升降杆密封圈；24-加热棒；25-传感器导向块；26-传感器固定块；27-传感器固定块密封圈；28-唾液托盘；29-主窗口密封圈；30-弹片固定块；31-弹片限位块；32-限位块；33-弹片；34-升降杆；35-升降杆密封圈压板；36-上牙齿固定板；37-上牙齿；38-唇片；39-唇片轴；40-下牙齿；41-下牙齿固定块；42-液体注射口；43-气体采集口；44-下牙齿固定块限位块；45-操作壳体；46-底座；47-垂直光耦。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
36.如图1和4所示，为本发明提供的一种体外模拟咀嚼运动控制装置，该装置主要包括上牙齿运动部件、下牙齿咀嚼部件和操作壳体45。
37.如图2所示，上牙齿运动部件主要包括垂直电机1、水平电机6、升降杆34和上牙齿固定板36。垂直电机1通过垂直电机固定座2滑动固定于水平的直线导轨3上，直线导轨3底部连接有直线导轨固定座4，直线导轨固定座4的底部连接有固定于操作壳体45外侧壁的主支架14。水平电机6通过水平电机固定板11固定于直线导轨固定座4上，水平电机6的作用端连接于垂直电机固定座2，通过水平电机6能使垂直电机1沿直线导轨3滑动。垂直电机1作用端连接有竖直的升降杆34。升降杆34下部伸入操作壳体45内腔且连接处封闭，底部连接有用于固定上牙齿37的上牙齿固定板36，通过垂直电机1和水平电机6能控制上牙齿37的运动
轨迹。
38.在本实施例中，上牙齿运动部件还可以设有用于检测上牙齿37运动轨迹的水平光耦18和垂直光耦47。升降杆34与垂直电机1作用端之间可以设置用于检测上牙齿37和目标咀嚼食物之间作用力的压力传感器21。操作壳体45顶部开设条形槽，升降杆34通过条形槽伸入操作壳体45内腔。位于条形槽周向的操作壳体45与升降杆34之间设有升降杆密封圈23，升降杆密封圈23能在不影响升降杆34水平和竖直方向移动的同时保持连接处密封。
39.在实际使用时的安装方式具体如下：
40.首先将垂直电机1固定在垂直电机固定座2上，再将垂直电机固定座2固定在直线导轨3上，直线导轨3包括两个相互平行的直线单轨，分别架设于垂直电机固定座2的两侧底部，垂直电机固定座2能在直线导轨3滑动。将直线导轨3固定在直线导轨固定座4上，再将光电开关9通过第一光电开关螺母8与第二光电开关螺母10固定在光电开关固定板5上，再将光电开关固定板5固定在主支架14上，再将水平电机6固定在水平电机固定板11上，再将水平电机固定板11固定在直线导轨固定座4上，再将水平电机螺母7固定在垂直电机固定座2，水平电机6运行带动水平电机螺母7移动，从而带动垂直电机固定座2移动，再将水平光耦挡片12固定在垂直电机固定座2上，再将水平光耦18固定在直线导轨固定座4，再将水平光电开关防光板15固定在垂直电机固定座2上，再将垂直光耦固定板19固定在垂直电机固定座2上，再将垂直光耦47固定在垂直光耦固定板19，再将垂直光耦挡片20固定在垂直光耦挡板固定板17，同时将垂直光耦挡板固定板17通过直电机螺母13固定在垂直电机1的轴上，同时通过直电机螺母13与压力传感器21固定，再将升降杆34通过压力传感器螺母22固定在压力传感器21另外一端，再将上牙齿固定板36与上牙齿37固定在升降杆34另外一端，再将升降杆密封圈23放置在操作壳体45的相应位置并利用升降杆密封圈压板35固定牢固，同时升降杆34穿过升降杆密封圈23，确保升降杆34在运动过程中密封。
41.如图3所示，下牙齿咀嚼部件位于操作壳体45内腔中，包括下牙齿固定块41、唾液托盘28和两个唇片38。下牙齿固定块41的顶部设有下牙齿固定块限位块44，能通过下牙齿固定块限位块44固定下牙齿40，下牙齿40能与上牙齿37之间构成咬合关系。位于下牙齿40两侧的下牙齿固定块41上分别转动固定有相对设置的唇片38。两个唇片38用于夹持固定目标咀嚼食物，使目标咀嚼食物始终位于上牙齿37和下牙齿40之间。位于下牙齿固定块41的下方设有唾液托盘28，下牙齿固定块41上开设若干孔洞，唾液托盘28用于承接从下牙齿固定块41上流下的唾液。
42.本装置的操作壳体45顶部开设有气体采集口43和液体注射口42。气体采集口43用于顶空气体采集，用于食物破碎过程中香气释放动态分析。液体注射口42连接有注液软管，能将人工唾液输送至上牙齿37和下牙齿40之间。操作壳体45内部还设有用于模拟口腔温度的加热棒24。
43.在本实施例中，唇片38为向下牙齿40外侧弯折的弧形板片结构，底部通过唇片轴39固定于下牙齿固定块41上，唇片轴39通过固定于下牙齿固定块41上的弹片33实现扭转和限位，以夹持目标咀嚼食物。唾液托盘28上设有传感器组件16，传感器组件16包括ph计、电导率检测计和温度计，ph计和电导率检测计的探头均位于唾液托盘28的液面以下。传感器组件16外接上位机，传感器组件16与操作壳体45的连接处密封。
44.在实际使用时的安装方式具体如下：
45.将加热棒24固定在45腔体相应位置，利用加热棒24加热，使操作壳体内腔的温度达到模拟人口腔温度，再将传感器导向块25与传感器固定块26固定牢固，并将传感器固定块26牢固固定在操作壳体的相应位置，同时利用传感器固定块密封圈27使操作壳体的腔体密封，再将弹片固定块30将弹片33固定在下牙齿固定块41上，再将弹片限位块31与限位块32固定在下牙齿固定块41上，再将唇片38通过唇片轴39固定在下牙齿固定块41，再将下牙齿40固定在下牙齿固定块41，在将唾液托盘28放置在下牙齿固定块41下方。传感器组件16通过传感器导向块25及传感器固定块26上的通孔穿过至唾液托盘28，以获取相应的参数数据。同时传感器组件16通过传感器导向块25及传感器固定块26上的通孔，通孔处设置于有密封圈，保证腔体的气密性。将主支架14固定在操作壳体外部，再将底座46固定在操作壳体底部。操作壳体上设有能启闭的腔体密封门48，腔体密封门48与操作壳体的连接处设有主窗口密封圈29，从而保证关闭腔体密封门48时的操作壳体腔室密封性。
46.上述体外模拟咀嚼运动控制装置可应用于不同固体、半固体食品的咀嚼破碎模拟，并对上述过程进行理化参数检测，具体如下：
47.1、打开设备电源、外接唾液注入泵、传感器组件16及相关外接数据接收仪、加热棒24、控制计算机开关等。利用控制软件控制水平电机和垂直电机移动完成归位动作。归位过程由软件操纵垂直电机1、水平电机6于直线导轨3上做垂直及水平运动并带动升降杆34及连接在其下方的上牙齿37完成。具体如下：
48.首先控制水平电机6于直线导轨3上运行至水平方向终点位置，控制垂直电机1运行至垂直方向终点位置(即限位块32位置)。到达终点位置后，控制软件控制水平电机6、垂直电机1运行至初始位置(归位点)，与垂直电机1连接的上牙齿37完成初始位置归位动作，到达软件设定的初始位点。
49.2、关闭腔体密封门48，确保主窗口密封圈29与密封门直接贴合紧密程度、液体注射口42与人工唾液注入管密封性、气体采集口43密封性达标。选取合适食物样品，将其置于腔体中唇片38与下牙齿40之间。达标后通过外接温度控制器设定加热棒24所需达到温度，通常为真实人体口腔温度28℃。腔体温度达标后，控制软件进行咀嚼模拟。软件可键入参数为：上牙齿37水平运动距离及速度、垂直运动距离及速度(以上数据范围为：垂直方向运动范围为020mm，运动速度范围为040mm/s；水平方向运动范围为010mm，水平电机6的运行速度范围为020mm/s。)。可输入参数还包括：压力传感器21可测试最大重量、咀嚼循环次数、外接唾液注入泵开始/终止运行开关。
50.3、模拟开始后，控制器控制上述组件，通过垂直电机1、水平电机6的带动，在垂直电机1垂直运动、水平电机6水平运动下带动上牙齿37完成预定轨迹、速度运动。当上牙齿37运行到预定轨迹最低水平位点时，对样品施加水平方向压力及水平方向剪切力，同时在下牙齿40相对力作用下，实现对真实口腔中上下磨牙对食团的破碎过程。破碎过程中，唇片38可防止食团在压力作用下做过多位移，保证其处于上牙齿37与下牙齿40的相互作用力之间，使得样品在多次模拟下受到足够的力作用。通过固定在升降杆34与上牙齿37之间的压力传感器21测得上牙齿37施加在食团上的力大小。
51.上述过程中，通过软件打开外接唾液注入泵开关，根据泵体预设速率及时间通过人工唾液注入管进入液体注射口42，将人工唾液滴落在下牙齿40与唇片38之间，在模拟过程中与食团混合，提供真实唾液作用。
52.4、运行过程中软件实时显示由水平光耦18、垂直光耦47测得上牙齿37运行轨迹、由压力传感器21测得上牙齿37对食物样品施加压力、由传感器组件16测得唾液托盘28中人工唾液ph、电导率变化情况及腔体内温度变化。其中，传感器组件16包括ph、电导率和温度传感器三中类型，均插入在唾液托盘28中，托盘主要接收于下牙齿40下方预留孔隙内落下的人工唾液与部分微小食团混合物。
53.5、模拟完成后，通过软件输出上述参数的excle格式结果表。并由气体取集口43完成密封腔体内气体采集后，取出唾液托盘28及下牙齿40、下牙齿固定块41，利用牙刷及牙科探针取出实验样品并进行后续粒径分析。
54.6、模拟结束后利用超纯水、清洁剂、乙醇溶液对发明中传感器组件16、加热棒24、唾液托盘28、唇片38、下牙齿40、下牙齿固定块41、液体注射口42、操作壳体45进行清洗消毒，以备下次模拟使用。
55.如图5所示，为本实施例中上牙齿部分运动距离示意图，从图中可以看出，本发明于运行过程中按照预设运动距离及速度(可通过配套软件输入相关参数)进行机械性重复运动，重复效果较好。
56.如图6所示，为本实施例中上牙齿部分运动轨迹示意图，从图中可以看出，本发明按预设运动距离及轨迹进行重复运动，重复运动过程中的位置偏差较小，保证运行结果的差异性较小。能够在一定程度上重现真实人体下颚的运动轨迹，为模拟真实人体咀嚼食物结果提供基础。
57.图7所示，为本实施例中上牙齿对食团施加压力示意图，从图中可以看出，从图中可实时反应出本发明运行过程中上颚对食团施加的实时压力，对分析不同质构类型食物(硬、软、韧性大小等)破碎所需咬合力大小(可通过配套软件输出得到相关数值)具有一定的参考价值。
58.本发明的基础支架结构上搭载控制水平及垂直方向运动控制电机；模拟上下颚倒置安装，模拟下颚固定在模拟咀嚼底座上，模拟上颚通过电机带动完成运动模拟，并在上颚电机联动杆上安装压力传感器；通过双方向电机带动3d打印牙齿模型进行双自由度运动，实现真实下颚咀嚼轨迹模拟；通过加热棒进行咀嚼腔体加热，达到真实人体口腔环境温度，通过温度探头实现温度实时监控；由ph、电导率传感器检测唾液托盘中人工唾液，实时监测模拟咀嚼中食团ph、电导率变化。本发明通过双电机带动模拟上颚运动，完成咀嚼动作模拟，实现对食团破碎，并通过各类型传感器对模拟咀嚼过程中理化条件变化进行监控测试。本发明可用于不同类型食品咀嚼破碎过程模拟和口腔加工过程中理化条件变化控制，实现模拟真实咀嚼结果。
59.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。