矫治力无线测量系统和方法

本发明涉及无线感测，特别涉及一种矫治力无线测量系统和方法。

背景技术：

1、错颌畸形是继龋齿和牙周病之后的第三大口腔健康疾病，不仅会影响患者颅颌面的正常发育与口腔的功能，甚至还会对人们的身心健康造成危害。应对错颌畸形，通常采取佩戴矫治器的方式进行正畸治疗。随着社会的发展进步，人们对于牙齿美观及健康的要求越来越高，隐形矫治器以其美观舒适的优势成为更多人的选择。

2、牙齿矫正的原理为牙周组织在矫治力的作用下发生牙槽骨的有序吸收或增生，进而使得牙齿发生移动。矫治力就是隐形矫治器对牙齿的作用力。传统的托槽-弓丝矫治系统可以精确控制对牙齿施加力的位点(托槽粘接)和大小(弓丝力学性能)；而采用模压技术制作的无托槽隐形矫治器，其矫治力的大小和对牙齿作用的位点难以精准控制，无法建立隐形矫治器力-牙齿移动反馈关系，较多依赖于临床医生的经验。这导致隐形矫治器临床适应症仍然较窄，疗效难以及时有效发挥，限制了隐形矫治技术的广泛应用。因此，隐形矫治器矫治力的定量测量对其临床效果的有效发挥至关重要。

3、现有技术对矫治力的测量主要是体外进行的，分为有限元分析模拟测量与体外模型有线测量两种方案。

4、有限元分析模拟测量方案步骤为：在模拟软件中建立基于cbct的有限元模型，在模型上添加设计的矫治器预期带来的牙齿移动量与扭转量，通过计算得到对应的模拟矫治力大小。有限元分析方案仅通过模拟软件创建牙齿模型后进行推算，体外矫治力有线测量方案仅能在放大后的牙颌模型上进行测量，并没有考虑到实际人体口腔环境对于矫治器矫治力的影响。

5、体外模型有线测量的方案步骤为：标准牙颌模型经三维数字化扫描后经过放大2倍，层析输出；将接有柔性电缆的传感器平整地粘接在放大的牙齿模型上；佩戴矫治器，通过柔性电缆实现信号的输出，将力的变化转换为传感器电阻的变化。有线测量的方式不适用于在体测量。现有的矫治力体外模型有线测量方法是利用引线连接传感器与信号采集模块，引线的存在会限制人的活动并降低测力的安全性，设备较为复杂笨重，与临床实际需求相结合的难度较大，限制了在体测量技术的发展。

6、现有技术中虽然也存在无线测量矫治力的方案，但现有的传感器是逐层制造然后分别层叠后进行焊接的方式完成制造的，将这种加工方式的传感器用于矫治力测量时，由于其厚度较大，难以直接将其放置于牙齿与矫治器之间，而是需要将其放置于双层矫治器之间，在矫治器第一层形成后置入传感器，再以热压形式加工形成矫治器的第二层，这不仅会影响传感器的稳定性、迟滞性与重复性，而且这种逐层制造并叠加组装的方式使电容两极板连接较为困难，提高了传感器的组装制造难度。在实际应用中，可以将隐形矫治器对牙齿产生的矫治力转化为传感器的受力信号。在此情况下，传感器的稳定性、迟滞性与重复性对矫治力的测量具有重要影响。即现有技术的矫治力无线测量技术受限于传感器的性能，难以对矫治力进行准确测量。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种矫治力无线测量系统和方法。

2、本发明的一个实施例提供一种矫治力无线测量系统，该一种矫治力无线测量系统包括：

3、lc无线无源平板电容压力传感器、信号传输单元和数据处理单元；

4、所述lc无线无源平板电容压力传感器能够容纳在矫治牙齿和无托槽隐形矫治器之间，包括电感线圈和平板电容；所述平板电容和电感线圈构成谐振回路，所述平板电容响应于矫治力而发生形变，改变所述谐振回路的谐振频率；

5、所述信号传输单元包括信号发生装置、信号接收装置和耦合装置，所述信号发生装置和所述信号接收装置通过所述耦合装置进行定向耦合；

6、所述信号发生装置发射扫频信号，通过传输线圈接收所述lc无线无源平板电容压力传感器的谐振频率信号，并将接收到的所述谐振频率信号经所述信号接收装置传输到所述数据处理单元；

7、所述数据处理单元对接收到的所述谐振频率信号与先前测得的lc传感器未受力状态下的固有谐振频率进行对比，计算获得无托槽隐形矫治器对矫治牙齿的矫治力；

8、所述平板电容由下至上依次分为底部封装层、底部导电层、介电层、顶部导电层和顶部封装层；

9、所述电感线圈和所述平板电容的底部导电层和顶部导电层采用一体化的激光加工的方式制造而成，所述电感线圈的一端连接所述平板电容的底部导电层，所述电感线圈的另一端连接所述平板电容的顶部导电层；

10、所述电感线圈按矩形路线绕着所述平板电容排布。

11、可选地，所述电感线圈连接所述底部导电层的一端绕所述平板电容排布的矩形路线为逆时针。

12、可选地，所述顶部导电层、所述底部导电层和所述电感线圈的材料选用铜膜，所述顶部导电层和所述底部导电层的单层厚度为5-20μm；

13、所述介电层的材料选用聚二甲基硅氧烷，其厚度为80-120μm；

14、所述顶部封装层和所述底部封装层的材料选用涂覆有胶质材料的双向拉伸聚丙烯薄膜，所述顶部封装层和所述底部封装层的单层厚度为30-50μm；

15、所述电感线圈的线宽为0.2-0.4mm，所述电感线圈的线间距为0.2-0.4mm；

16、可选地，所述顶部导电层、所述介电层和所述底部导电层为正方形，其边长为1-4mm。

17、可选地，所述顶部导电层和所述电感线圈的单层厚度为10μm，所述介电层的厚度为100μm，所述顶部封装层和所述底部封装层的单层厚度为40μm，所述lc无线无源平板电容压力传感器的厚度为200μm；

18、所述顶部导电层、所述介电层和所述底部导电层为正方形，其边长为3mm，所述电感线圈的线宽和线间距为0.3mm，所述顶部导电层、所述介电层、所述底部导电层以及所述电感线圈的整体组成长度为6.6mm、宽为5.1mm的长方形。

19、可选地，所述信号发生装置为rf信号发生器，所述信号接收装置为频谱分析仪，所述耦合装置为三端口驻波比电桥；

20、所述rf信号发生器发射一定频率范围内的扫频信号，通过传输线圈作用于所述lc无线无源平板电容压力传感器，再由所述频谱分析仪通过传输线圈接收所述频率范围内的回波信号，所述三端口驻波比电桥通过对比所述rf信号发生器发射的扫频信号强度与所述频谱分析仪接收到的所述回波信号强度，计算得到两者间的回波损耗，并通过寻找回波损耗幅度值最大处对应的频率，得到所述lc无线无源平板电容压力传感器的谐振频率。

21、可选地，所述三端口驻波比电桥通过如下公式计算回波损耗：

22、

23、其中，rl为回波损耗，vswr为电压驻波比。

24、可选地，所述信号传输单元整体封装在一个具有电磁屏蔽性能的外壳中。

25、可选地，所述数据处理单元对接收到的所述谐振频率信号与先前测得的lc传感器未受力状态下的固有谐振频率进行对比，计算获得无托槽隐形矫治器对矫治牙齿的矫治力，包括：

26、所述数据处理单元对接收到的所述谐振频率信号与先前测得的lc传感器未受力状态下的固有谐振频率进行对比，获得谐振频率变化量；

27、根据所述谐振频率变化量和预先标定的频率变化量和力的曲线计算获得无托槽隐形矫治器对矫治牙齿的矫治力。

28、可选地，通过步进电机带动拉力计对所述lc无线无源平板电容压力传感器施加压力产生形变，通过拉力计获得对应力值大小，通过所述信号传输单元获得谐振频率；所述步进电机每前进一个单位，计算机记录一次拉力值与对应谐振频率，将多次前进对应的记录点连接，进行拟合得到频率变化量和力的曲线，完成自动化标定。

29、本发明的另一个实施例提供一种上述lc无线无源平板电容压力传感器的制造方法，该方法包括：

30、分别对平板电容的导电层和介电层进行激光加工，电感线圈与所述平板电容的导电层在激光制造时一体成型；

31、逐层放置平板电容的封装层、导电层+电感线圈、介电层，其中所述导电层分为第1部分导电层和第2部分导电层，所述介电层与所述第1部分的导电层对齐；

32、将所述第2部分导电层向上翻折，使得所述第2部分导电层与所述第1部分导电层对齐，完成封装；

33、其中，所述第1部分导电层对应所述平板电容的底部导电层，所述第2部分导电层对应所述平板电容的顶部导电层。

34、本发明的另一个实施例提供一种矫治力无线测量方法，该方法包括：

35、提供上述实施例的矫治力无线测量系统；

36、将lc无线无源平板电容压力传感器设置在矫治器和矫治目标之间，矫治力作用于所述lc无线无源平板电容压力传感器；

37、信号发生装置发射扫频信号，通过传输线圈接收所述lc无线无源平板电容压力传感器的谐振频率信号，并将接收到的所述谐振频率信号经信号接收装置传输到数据处理单元；

38、所述数据处理单元对接收到的所述谐振频率信号与先前测得的lc传感器未受力状态下的固有谐振频率进行对比，计算获得无托槽隐形矫治器对矫治牙齿的矫治力。

39、本发明的有益效果是，提供一种隐形矫治器矫治力的在体无线测量方案，提出使用一种平板电容作为感应单元、电感线圈作为传感单元的lc无线无源平板电容压力传感器来测量矫治力，一体化的激光加工制造方式而实现的较薄的厚度使传感器能够容纳在牙齿和矫治器之间，相较于逐层叠加的方式提高了制造效率与便捷性以及传感器的合格率，且该lc无线无源平板电容压力传感器具有优良的稳定性、迟滞性与重复性。本发明采用lc无线无源平板电容压力传感器进行矫治力信号探测，该传感器采用激光一体化制造，可以进行各种尺寸与形状的个性化定制，超薄柔性可容纳于矫治器与牙位之间，并且采用由信号发生装置、信号接收装置和耦合装置组成的信号传输单元将谐振频率信号发生至数据处理单元，实现矫治力无线在体的准确测量。