（机械电子工程专业论文）计算机控制下颌前伸定位系统的研究.pdf

摘要 摘要 阻塞性睡眠呼吸暂停是一种严重危害公众健康的常见病。患者表现为睡眠 时反复发作的上气道狭窄或阻塞，导致血氧饱和度降低，睡眠结构紊乱等症状， 严重者甚至将危及生命。在诸多治疗方法中，口腔矫治器是一种容易为患者接 受的有效治疗措施。下颌前伸型口腔矫治器的治疗效果已在临床实践中得到充 分证实，但对于如何确定适宜的下颌前伸位置尚无科学的定位方法。 因此，本课题研制了计算机控制下颌前伸定位系统，并结合多导睡眠监测 仪系统，在患者睡眠时通过控制其下颌渐进前伸的同时，观察监测呼吸睡眠指 标的变化，从而来确定每位患者的“最适下颌前伸位置 。并且，利用该系统结 合核磁共振，还可观察随下颌渐进性前伸时的上气道形态学变化，以探讨形态 学作用机理。因此，该系统的研制具有非常重要的临床和科研意义。 本课题针对此定位系统具体研究了两套方案。其中方案1 的传动装置采用 了螺旋传动副，该系统现已成功用于临床使用，并申请了专利。但由于受到体 积重量等条件的限制，该系统只能提供到约为2 0 n 大小的输出力。因此，为了 扩大适用患者的范围，在第一套方案的基础上，本文中着重论述了第二套方案 的研制，即在传动装置上改为液压传动，其下颌前伸由液压缸完成，在同等重 量、体积的条件下液压传动可提供比螺杆传动更大的前伸力，并且动力平稳， 体积、重量较小。该系统的研究内容包括：机械传动装置的设计、单片机控制 步进电机的驱动、微机与单片机的通讯与人机界面的开发设计、容栅反馈技术， 并对整个闭环系统进行了数学建模和动态分析。 。 该定位系统的研制，结合医学上的多导睡眠图监测分析系统，可以预先确 定每位患者的“最适下颌前伸位置 ，以充分发挥口腔矫治器的疗效。本定位系 统中，采用液压传动方式，所以系统的输出力大，从而扩大了患者的适用范围。 在此系统中还采用了容栅反馈系统，这样保证了定位的精度问题。 关键词：阻塞性睡眠呼吸暂停，下颌前伸定位系统，计算机控制，传动装置 a b s t r a e t a b s t r a c t o b s t r u c t i v es l e e pa p n e ai sa v e l ep u b l i ch e a l t hp r o b l e m 1 r i 坨t y p i c a l s y m p t o m sd u r i n gs l e e pa l ea p n e a , s n o r i n g ，d y s p n e a , c h o k i n ge p i s o d e sa n de v e n l e a d i n gt od e a t h a m o n gm a n yt h e r a p i e st h eo r a la p p l i a n c ei sa ne f f e c t i v em e t h o d w i d e l ya c c e p t e db yt h ep a t i e n t s ，a n di t sr e m e d ye f f e c th a sb e e nv a l i d a t e di nt h ec l i n i c p r a c t i c e b u ti th a s h ta n ys c i e n t i f i cw a y sa b o u th o w t od e c i d et h ep r o p e rm a n d i b l e f o r t ho r i e n t a t i o n s o ，t h ep r o j e c td e v e l o p st h es y s t e mw i t hc o m p u t e rc o n t r o lf o r t ho r i e n t a t i o no f m a n d i b l e d u r i n gt h ep r o c e s so fm a n d i b l eg o i n gf o r t h ，、) l ，i mp o l y s o m n o g r a p h ya n d m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gw ec a ni n s p e c tt h ev a r i e t yo ft h es l e e pb r e a t hs oa st o f i n dt h ep r o p e rm a n d i b l ef o m lp o s i t i o na n da n a l y z et h ev a r i e t yo fu p p e ra i r w a ya n d t h em o r p h o l o g i c a lm e c h a n i s m s ot h i ss y s t e mh a sav e r yi m p o r t a n tb e n e f i tf o rt h e c l i n i ca n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ， 啦sp r o j e c th a sd e v e l o p e dt w od e v i c e so nt h eo r i e n t a t i o ns y s t e m 1 1 l ef i r s to n e u s et h es c r e w 器i t s d r i v i n gp a r ta n dh a sb e e na p p l i e di nt h ec l i n i c b u tt h el i m i tt oi t s w e i g h ta n dc u b a g e ，i tc a no n l yp r o v i d e2 0 np o w e r t oe n l a r g et h er e m e d yr a n g e ，t h i s a r t i c l ed i s c u s s e st h er e s e a r c ho ft h es e c o n dd e v i c eo nt h eb a s i so ff l r s to n e t i l e d r i v i n gp a r to ft h i so n eu s e sh y d r a u l i cp r e s s u r ei n s t e a do fs c r e w , f o ri tc a np r o v i d e l a r g e rp o w e ra n dw o r ks t e a d i l y 1 1 1 ed e t a i lr e s e a r c hi n c l u d e s ：m e c h a n i c a ld r i v 她p a r t ， s i n g l ec h i pc o n t r o ls t e p p e rm o t o r ,c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o na n ds o f t w a r e f o r i n t e r f a c e ，s e n s o rt e c h n i q u e a n da n a l y z et h ew h o l ec l o s e dl o o ps y s t e m 啪t h em e d i c a ld e v i c ew ec a nh 卵t h eo r i e n t a t i o ns y s t e mt op r e d i c tt h e i n d i v i d u a lp r o p e rm a n d i b l ef o r t hp o s i t i o n 7 n l i ss y s t e mu s eh y d r a u l i cp r e s s u r ea si t s d r i v i n gp a r ts o 勰t op r o v i d el a r g e rp o w e ra n de n l a r g et h er e m e d yr a n g ea n dt h e s e n s o rt e c h n i q u ec a ne n s b r et h ew h o l es y s t e mp r e c i s i o n k e yw o r d s ：o b s t r u c t i v es l e e pa p n e a ，s y s t e mo fm a n d i b l ef o r t ho r i e n t a t i o n , c o m p u t ec o n t r o l ，d r i v i n gp a r t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：f ；书遗铆 加6 年；月弓e l 经指导教i ) i l i n 意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：弘功叫5 学位论文作者签名：屏础乍 办乃占年三月，占日细年2 月b 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：胁珊乍 加二年多月弓日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究目的和意义 本项目是由同济大学机械电子研究所与同济大学口腔医院为治疗阻塞性睡 眠呼吸暂停( o b s t r u c t i v es l e e pa p n e a ，简称o s a ) 而共同合作的研究项目。 阻塞性睡眠呼吸暂停是一种容易被人忽视但严重影响人们生活质量甚至危 及生命的常见疾病n 1 。该病主要表现为睡眠时反复发作的上气道狭窄或阻塞，导 致血氧饱和度降低，睡眠结构紊乱，形成心、脑、肺、肾、内分泌紊乱等一系 列系统的并发症，甚至猝死。近年来日渐受到广大患者和医生的关注。发病机 理一般认为与上气道狭窄和或上气道周围肌张力异常有关，美国专家j o h n r e m e r s 认为多数o s a 患者上气道狭窄，气道内气流阻力升高，醒时上气道扩 大肌( 主要是颌舌肌，有上气道安全肌之称) ，张力代偿性升高，但睡眠时这种 肌功能代偿机制不复存在，狭窄的气道将在吸气负压的作用下塌陷瞳1 。 该病诊断的金标准是使用多导睡眠监测仪( p o l y s o m n o g r a p h y ，p s g ) 对患 者进行整夜的呼吸睡眠监测。治疗手段方面，自2 0 世纪8 0 年代初以来，气管 切开术、腭咽成形术( u v u l o p a l a t o p h a r y n o p l a s t y ，u p p p ) 、持续正压通气 ( c o n t i n u o u sp o s i t i v ea i r w a yp r e s s u r e ，c p a p ) 和口腔矫治器( o r a la p p l i a n c e ， o a ) 陆续被开发使用。u p p p 是o s a 手术治疗的主要方法，但由于成功率不定而 使用受限瞳。c p a p 自从发明以来，一直作为o s a 患者的首选治疗方法得到了广 泛地应用：然而，c p a p 治疗存在的一系列问题导致患者难以耐受，特别是年轻 的、病情不严重的患者嘲。o a 是一种无创、简单、有效而且容易耐受的治疗方 法，越来越受到患者的亲睐和医生的关注：研究表明，口腔矫治器治疗轻中度 o s a 的成功率高达8 0 ，而治疗重度o s a 的成功率也可达到6 0 h 。其治疗原 理是：通过前伸下颌，改变下颌、舌、软腭和腭垂的位置，稳定下颌和舌，增 加舌肌张力，从而达到开大和稳定气道的目的。 现在临床上通常采用的下颌前伸位置是患者下颌最大前伸的6 0 7 0 9 6 ，但这 个位置的确定具有很大的盲目性。最大前伸的6 0 - 7 0 只是一个估计值，未与p s g 相结合，因而不知道在这一位置上患者病情的改善程度，这样一方面可能造成 了戴用口腔矫治器无效的患者经济上的浪费又不能达到治疗目的，另一方面， 第1 章绪论 对于有些患者6 0 7 0 的最大前伸可能是不必要的，而对于另外一些患者下颌前 伸量可能是不足的，没有完全发挥口腔矫治器的功效。 因而，研制一种能将患者下颌前伸位置做出精确定位的装置并结合多导睡 眠监测仪，通过随着下额渐进性地前伸的同时来观测呼吸睡眠指标的变化，从 而以确定每位患者的口腔矫治器所具有的最适下颌前伸位置( 指能使口腔矫治 器达到治疗目标的下颌最小前伸位置) 具有非常重要的临床和科研意义。 基于以上分析，本项目研制了计算机控制下颌前伸定位的系统。结合多导 睡眠图监测仪，对拟采用口腔矫治器的患者，在其睡眠时使用该系统通过临时 性可调口腔矫治器带动其下颌渐进前伸，同时观测睡眠指标的变化。当患者的 下颌位置前伸至能使其呼吸睡眠指标达到正常人标准为止，这个位置即“最适 下颌前伸位置 。 因此，一方面，借助该系统与多导睡眠图监测仪相结合，可研究患者下颌 前伸与睡眠指标改善之间的关系。另一方面，本系统还可通过核磁共振( m r i ) 观察随下颌渐进性前伸上气道形态学变化，探讨口腔矫治器治疗o s 的形态学 作用机理：进一步分析下颌前伸位置的滴定、上气道形态学改变和呼吸睡眠指 标改善三者之间的关系。 1 2 医学背景 打鼾常被误认为是睡得深沉的表现，其实严重的鼾声不仅影响他人体息， 更会危害自身健康。响度在6 0 分贝以下的鼾声，大多属于正常现象，而响度超 过6 0 分贝，则会妨碍呼吸时上呼吸道的气流通过，可伴有不同程度的缺氧症状， 长期如此，还会引发更多的健康危害。 鼾声是睡眠期间上呼吸道气流通过时冲击咽部黏膜边缘和黏膜表面分泌物 引起震动而产生的声音。其部位始自鼻腔，直至会厌，包括软腭、悬雍垂、扁 桃体及其腭咽弓和腭舌弓、舌根、咽肌及咽黏膜，也就是呼吸的咽喉要道。 正常状态下，人体的神经会使咽部各部位处于井然有序的位置，以保持气 道通畅，如果咽部组织肥大或周围的肌肉在睡眠时过于松弛，则会使上气道部 分受阻，当气流通过这个狭窄部位时，咽部结构振动产生鼾声。打鼾者由于在 熟睡时，肌肉松弛，致使上气道完全塌陷、阻塞，气体交换受阻，特别是新鲜 空气无法进入肺部，造成人体缺氧，缺氧到一定程度时，大脑会反射性地将身 2 第1 章绪论 体短暂唤醒到刚剐能够收紧咽部肌肉、将上呼吸道打开的程度从而解除上气 道的阻塞伴随着缀响的喘息声，呼吸恢复正常，这就是睡眠呼吸暂停。一种 导致肌体严重缺氧、患者睡眠结构严重紊乱、并可引起多种并发症的慢性疾病， 医学上称之为睡眠呼吸暂停综舍征。如果是上呼吸道有阻塞性病变而引起的睡 眠呼吸暂停，则称为阻塞性睡眠呼吸暂停综合征( o s a ) ”1 。 需要说明的是睡眠打鼾并不都是睡眠呼吸暂停综合征，只有那些由于上气 道阻塞性病变而引起相当程度缺氧症状者，才称为阻塞性睡眠呼吸暂停。 据美国流行病学调查估计，美国鼾症患病情况如图1 1 所示：3 0 3 5 岁 的人群中，有2 0 男性和5 女性打鼾；6 0 岁左右者则有6 0 男性和4 0 女 性打鼾；其中肥胖者打鼾的要比瘦者多3 倍；打鼾者和不打鼾者比较，前者患 高血压的可能性较多，且往往发展成为阻塞性睡眠呼吸暂停。 图11 美国流行捕调查鼾症患病情况 有关机构曾采用整群抽样的方法对上海市卢湾区，徐= 区，杨浦区和浦东 薪区4 区6 个街道3 0 岁以上常住居民9 6 0 0 人进行问卷调查。并对部分相关 因素进行分析。结果：收到问卷8 0 8 1 份( 应答率为8 4 3 ) 。有效问卷6 8 2 6 份 ( 有效率为8 4 跚) 。其中打鼾者占5 71 ，中重度打鼾者占2 3 7 。如图1 2 所 示，且随着年龄的增加打鼾者比例逐步增加。但7 0 岁以后有下降趋势，男性 高于女性，尤其中重度者，不同程度打鼾患者的日间嗜睡评分差异有显著性。 第l 章绪论 圈1 2 上海地区3 0 岁咀上 群患病情况 结论：上海市区3 0 岁以上人群鼾症患病率为5 71 “1 。同样是影响公众健 康的重要问题之一。应当引起足够重视。 患阻塞性睡眠呼吸暂停综合征( o s a s ) 时，由于反复发作的低血氧、高碳酸 血症，可致神经功能失调儿茶酚胺、内皮素及肾素一血管紧张素系统失调， 内分泌功能紊乱及血液动力学改变造成全身多器官多系统损害，严重影响人 体健康。其危害主要表现在以下几个方面；”1 对心血管的影响：包括高血压病、冠心病、心力衰竭、心律失常等症状。 对肾脏的损害：o s a s 可以合并蛋白尿或肾病综合征，引发肾功能损害。 随o s a s 的治疗好转或痊愈，临床症状也可以好转或消失。 对神经系统的影响：随血氧饱和度降低，睡眠结构紊乱导致睡眠效率降 低。症状有入睡前幻觉、无意识行为，入睡后肢体抽搐、痉挛等。由于 缺氧和循环障碍引起的脑损害可造成智力减退、记忆力下降和性格改变 等。 对精神系统的影响：包括认知功能障碍、精神障碍等症状。 对血液系统的影响：血氧过低可刺激肾脏分泌红细胞生成素，引起继 发性红细胞增多症，导致血流缓慢，脑血栓的机会增多。另可加速动脉 粥样硬化，使血管性疾病发生增加。 无创伤治疗包括行为调整、减肥、药物、配戴口腔矫治器和使用机械装置 如经鼻正压通气治疗。w ( 1 ) 行为调整包括睡眠卫生( 提供连续而有效的睡眠) 、最低限度的外源性 干扰、禁酒、禁镇静药、避免仰卧睡。 第1 章绪论 ( 2 ) 打鼾的人大多肥胖，经过锻炼及控制饮食来减轻体重十分重要。 ( 3 ) 药物治疗有报告说乙酰陛胺、尼古丁、士的宁对症状有一定的改善， 但都无显著的治疗效果，且这些药物都还有一定的不良反应。 ( 4 ) 矫治器治疗对于早期的病人可用此法，用特制的扩张器睡时放入口腔， 使咽腔扩大，降低上气道阻力，一定程度上缓解缺氧；缺点是有不舒适感。 ( 5 ) 呼吸机通过特制的呼吸机将空气加压，使患者的气道吹开，使潜在的 气道塌陷区稳定，清除睡眠呼吸暂停，使血氧饱和度正常及睡眠呼吸性质正常 化，适用于各种程度的睡眠呼吸暂停综合征治疗，为当今睡眠呼吸暂停综合征 一线的治疗措施。优点是有效、无创伤；缺点是不能去除病源、有不舒适感、 携带不方便，部分病人需终身睡眠时使用，高档呼吸机价格较昂贵。 有创伤治疗主要包括射频、激光、微波治疗和手术治疗等。 ( 1 ) 射频、激光、微波治疗方法简便，病人创伤小，不出血，一般可在门 诊治疗，适合于轻中度鼾症患者，缺点是部分病人在瘢痕期过后组织会变软， 容易导致复发。 ( 2 ) 手术治疗适用于上气道有阻塞病变的患者，如：鼻中隔偏曲、扁桃体 肥大、悬雍垂肥大及软腭低垂等，通过鼻中隔矫正术和腭咽成形术等方法解决 上气道阻塞问题。优点是有效、去除病根。缺点是有一定风险与痛苦，诊治技 术要求较高，部分重者仅能缓解但不能完全消除。有瘢痕体质、血液病、严重 合并症和老年体弱者不宜手术。 总之，打鼾缺氧对身体造成的危害是缓慢的、日积月累的，它往往不被人 重视，直到出现并发症才去就诊，很可能为时已晚。因此，要重视打鼾，尽早 就诊、治疗。 1 3 文献综述 在多种o s a 的治疗方式中，口腔矫治器是一种无创、简单、有效且容易耐 受的治疗方法，越来越受到患者的亲睐和医生的关注。研究表明，口腔矫治器 治疗轻中度o s a 的成功率高达8 0 ，而治疗重度o s a 的成功率也可达到6 0 h 1 。 其治疗原理是：通过前伸下颌，改变下颌、舌、软腭和腭垂的位置，稳定下颌 和舌，增加舌肌张力，从而达到开大和稳定气道的目的。鉴于下颌定位与口腔 矫治器疗效密切相关，近年来该方面的研究方兴未艾，并日益受到关注。 5 第1 章绪论 口腔矫治器治疗o s a 在临床上已得到广泛应用，疗效肯定，副作用小。但 现今对于口腔矫治器治疗o s a 的下颌定位问题，操作上具有较大的盲目性并且 缺乏科学基础。对于o s a 患者随着下颌渐进性前伸上气道形态学变化尚不清楚； o s a 患者的呼吸睡眠指标随下颌渐进性前伸得以改善的趋势也尚无系统的研究。 另外，虽然美国睡眠障碍一牙科学会提出了口腔矫治器治疗o s a 的适应症，但临 床用于预测口腔矫治器疗效及预先确定最适下颌前伸位置的方法在国际国内文 献中均未有报道。目前，临床医师特别是口腔医师对o s a 患者选择口腔矫治器 治疗时，对其疗效以及可能的最适下颌前伸位置并无所知，临床操作具有很大 的盲目性。 1 9 8 2 年c z r t r i g h t 和s a m e l s o n 发明了舌牵引矫治器，从那以后，口腔矫治 器作为o s a 的一种有效治疗方法不断被开发更新。现今国内外应用最广泛的是 下颌前移类矫治器，发展趋势是可调式的下颌前移矫治器。口腔矫治器之所以 需要可调，其中重要的原因之一就是为了确定个体化“最适下颌前伸位置 ，以 充分发挥矫治器疗效，尽可能减小并发症。 对于下颌渐进性前伸国内尚无研究，而国外相关论文也为数不多： k a t o 3 通过对患者在家中使用血氧饱和度仪，观察不同下颌前伸位置( 分别为2 m m ，4 m m 和6 m m ) 缺氧指数的影响，发现下颌前伸2 m m 时缺氧指数会改善2 0 ，但由于6 m m 也并非患者的最大前伸，并且作者仅选用了三个位置，因此没有得出下颌前伸 与血氧饱和度改善之间的关系；c h o in 们研究o s a 患者下颌分别处于正常位置、 1 3 、2 3 和最大前伸位时上气道阻力的变化，得出结论：随着下颌前伸，上气 道阻力渐进性下降；形态学方面，t s u i k i 对1 0 位患者清醒状态下仰卧位下颌 处于四个不同位置( 与c h o i 相同) 时的头颅定位侧位片进行了研究，发现下颌 前伸至最大前伸位或最大前伸位的2 3 ( 两个位置的效果没有统计学差异) 时， 口腔矫治器可使鼻咽部的上气道的前后径显著增大( 两个位置的效果相同) ；并 且可导致舌骨和第三颈椎的前移，但是口咽部的上气道前后径不发生改变。 国内相关的研究有：高雪梅n 四通过磁共振试验( m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ，简称m r i ，是一种医用生成高品质人体内部图像的成像技术) 。观察下 颌分别处于o 、2 0 、5 0 、7 5 、1 0 0 最大前伸位置时正常人上气道的变化，发 现下颌最大前伸与前伸5 0 和7 5 相比，气道的最小截面积显著增加。虽然这些 报道的结论是最大的下颌前伸可以产生最大的气道扩大，但由于在最大的下颌 前伸位患者常会感到颞下颌关节或口周肌肉的不适，此位置通常不采用。因而， 6 第1 章绪论 确定个体化“最适下颌前伸位置以充分发挥口腔矫治器疗效具有非常重要的 实际意义。 1 4 研究方法 该定位系统具有w i n d o w s 环境下简单用户界面，可由技师操作以遥控下颌 前伸或后退。当以鼠标击显示器上的前伸或后退图标时，患者的下颌将间断性 地移动( 如0 2 5 m m ，0 5 m m ，1 o m m ，2 o r e ) 以事先选定的速率( 如0 1 m m s - 2 m m s ) 移动。开始时，击“0 标，患者闭口且下颌处于正中关系位。控制器内的主单 元与p c 机内的终端程序链接，主单元内含有软件包和驱动电路。计算机接受控 制数据：位移、方向、时间等参数，然后经过处理，发送至控制机构，控制机 构将数据转换后控制执行机构，执行机构执行具体的动作。同时计算机将所有 的参数进行实时记录并输出。 该系统的执行机构是通过一对临时性上下颌矫治器与患者的上下颌牙齿相 固定的，其作用是将执行机构的相对移动转化为上下颌的相对移动。因此，临 时性口腔矫治器要求固位力好、轻便舒适、安全卫生、制作简便。这里我们采 用了温敏塑料制成，该材料无毒无副作用，所以直接用于患者口腔中安全卫生。 此外，该材料可在7 5 以上可自由成型，而低于7 5 它有可以保持其所成的形 状。因而，这种临时性的口腔矫治器制作比较简单：取适量的该种材料，用酒 精棉擦拭消毒后将其放入7 5 0 c 以上的热水中，待其完全变软以后将其放入患者 口腔中覆盖在上颌和下颌牙齿上，注意覆盖均匀，待其在口腔中冷却后取出即 可。 利用该系统使计算机通过临时性口腔矫治器自动控制患者下颌前伸，使其 分别在不同下颌前伸位置结合多导睡眠图监测仪监测固定的一段时间，其间患 者处于连续睡眠状态。该下颌定位系统下颌前伸距离可同时显示于多导睡眠图 上。研究下颌不同前伸位置对阻塞性睡眠呼吸暂停( o s a ) 患者治疗效果影响， 从而确定个体化的下颌最适前伸位置。 并通过核磁共振( 一种医用生成高品质人体内部图像的成像技术，m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ，简称m r i ) 观察随下颌渐进性前伸上气道形态学变化，探 讨口腔矫治器治疗o s a 的形态学作用机理；进一步分析下颌前伸位置、上气道 形态学改变和呼吸睡眠指标改善三者之间的关系。 7 第1 章绪论 通过对患者的临床实验后，选择对初判反映良好的o s a 患者，并按照该系 统所确定的下颌前伸位置制作口腔矫治器，患者夜间戴用该矫治器约六个月后 再次接受夜间多导睡眠图监测( 戴有矫治器) 。分析比较疗效初判与矫治器约六 个月后再次接受夜间多导睡眠图监测结果，以检验该口腔矫治器治疗o s a 的下 颌定位与疗效预测系统的有效性。并通过戴用矫治器前后的上气道及周围结构 的x 线头测量分析，揭示口腔矫治器治疗o s a 的形态学机制。 1 5 设计内容 图1 3 设计结构框图 整个系统的设计内容大致如图1 3 所示，包括临时性口腔矫治器和系统的 联结设计、机械传动机构设计、驱动方式及其驱动装置的选型、控制系统的设 计制作、w i n d o w s 界面下的用户交互界面开发等。 本课题针对此定位系统具体研究了两套方案。在机械执行机构上分别是通 过螺杆传动和液压传动来实现上下颌的差别移动。 其中利用螺杆传动方案的系统己成功用于临床使用，产品已经申请专利。 如图1 4 所示为系统实物照片。通过对1 6 名患者，使其下颌分别在0 、2 、4 、6 、 8 m m 五个下颌前伸位置各监测一小时，其问患者处于连续睡眠状态。通过分析患 者下颌在不同前伸位置时，睡眠呼吸指标的改善情况。并通过m r i 实验对口腔 矫治器治疗阻塞性睡眠呼吸暂停的上气道神经一肌肉功能及形态学作用机理进 行论证研究。 8 第l 章绪论 图14 系统1 的实物照片 得出医学结论：随着患者下颌不断前伸，各项睡眠指标总体上表现为改善 趋势，但各位患者在相同位置的改善程度不同t 对于不同患者存在个体化的晟 适下颌前伸。困此先行的口腔矫治器治疗采用的统一下领前伸距离是不当的， 应当针对不同的患者进行个体化治疗。 同时可借助该计算机系统对拟戴用口腔矫治器的患者进行疗效初判对适 宜与口腔矫治器治疗的患者可确定其最适下颌前伸位置：对不适宜口腔矫治器 治疗的患者可避免增加其经济及心理负担。 由于系统的执行装置需安装患者牙齿上，体积、重量要求小、轻，而该系 统的传动执行装置为螺旋副传动，所以系统所能产生的最大输出力将受到电机 功率、尺寸和重量等的限制，只能提供约为2 0 n 的系统输出力，对于一些可能 出现特例，患者下颌前伸力大于2 0 n ，则无法使用。 因此，为了扩大适用患者的范围，在第一套方案系统研制成功的基础上 本文中将着重论述第二套方案的研制以做更好的改进，即在传动装置上改为液 压传动。如图l5 所示为另外一种方案系统的原理图，其下颁前伸由液压缸完 成。液压传动的可提供比螺杆传动大若干倍的前伸力，并且动力平稳，体积、 重最较小。 第1 章绪论 图1 5 液压传动方案的原理图 计算机下颌前伸定位系统应与多导睡眠图监测分析系统结合于同一计算机 的w i n d o w s 环境下，监测者通过计算机在远离患者床位的另一房间内控制患者 下颌位置且可观察口腔矫治器的治疗效果。计算机下颌定位系统中，置于患者 口腔前方部分的重量越轻越好，以临床大多数患者能够接受为标准，整个装置 应为体积微小、重量轻。在这套方案中，其下颌前伸由液压缸完成，将驱动源 用作前置级，液压缸用于功率输出级，只有液压缸部分直接与患者口腔相连， 即满足了尽可能减小体积与重量的要求。同时，为了适应不同o s a 患者的治疗 要求，系统的输出力也要尽可能大，该系统所提供的最大前伸下颌力量设计为 3 0 n 左右。此外，下颌前伸的速度约为0 2 m i n i s 左右，下颌移动距离的精度应小 于1 ，所以，在控制下颌作缓慢移动的同时，采用了容栅反馈技术来保证其移 动定位的精度，以实现闭环控制。 该系统的设计内容包括：体积小，重量轻，布置合理，输出力大的机械传 动装置、单片机控制步进电机的驱动、微机与单片机的通讯与人机界面的开发 设计、容栅反馈技术，并对整个闭环系统进行了数学建模和动态仿真的分析。 i o 第2 章分析并确定方案 第2 章分析并确定方案 计算机控制下颌前伸定位系统中，直接和患者的上下牙相连的机械传动装 置部分的重量将不同程度地增加患者上下牙弓的负荷。因此，为了不影响患者 的睡眠及检测研究结果，整个装置应为体积小，重量轻且能控制下颌作缓慢移 动。其中，采用尽可能简洁的传动方式和结构设计及布置是控制整个机构重量 的关键。同时，为了适应不同0 s a 患者的治疗要求，系统的输出力也要尽可能 大，前伸下颌力量为2 0 n 左右。另外，该机械装置必须精度较高，从而能够准 确的控制下颌的前伸位置。 鉴于以上考虑，本章内容介绍了不同的设计方案，其中传动方式为螺旋副 传动的定位系统已成功应用于临床实验，并取得了良好的效果。在此系统开发 成功的基础上，针对其不足之处本文还提出了其他方案来加以改进，最后决定 在传动方式上采用液压传动的方式来进行第二套定位系统的具体研制。 2 i 螺杆螺母传动方式 图2 1 螺杆螺母系统筒图 如图2 1 所示，为螺杆螺母传动方式的定位系统。下颌定位控制是通过单 片机和驱动电路将计算机下达的指令传递给与患者口腔直接相连的步进电机、 机械传动装置和上下颌临时性口腔矫治器。可调性下颌定位装置螺杆7 为附于 临时性下颌矫治器8 。传动螺母6 与临时性上颌矫治器9 相连。上颌及其矫治器 第2 章分析并确定方案 固定不动，下颌矫治器沿上颌矫治器相对滑动。虚框内为直接安装在牙齿上的 部件，电机与螺杆直接相连，螺母与上颌矫治器9 相连。当控制器接收来自p c 机的前伸下颌信号时，控制器发出相应的信号给电动机，然后电动机使螺杆旋 转。由于上颌与头骨为一整体可作为相对静止支撑点，螺杆通过与上颌矫治器 向上牙弓施压，该压力通过反作用下颌矫治器使下颌前伸。相反，当控制器从 p c 机上接收到下颌后退信号时，控制器又发出相应信号给电机螺杆反向旋转， 从而使下颌后退。在该系统中，p c 机可将电动机开或关、电机转动方向及移动 步数等信号传入控制器。 螺母螺杆 ，步进电机 螺母槊 螺杆架 隧 闰22 系统1 执行装置实物照片 如图22 所示为该系统执行装置的实物照片，主要部件有：螺母、螺杆、 螺母架、螺杆架和步进电机。采用步进电机驱动，螺母和螺杆组成的螺旋副将 回转运动转换为直线运动，同时传递运动和动力。该装置通过颌临时性口腔矫 治器的连接直接安装在患者的牙齿上，因此为减少患者的不适，整个装置必须 满足体积小，重量控制在1 0 0 克以下且能控制下颁作缓慢的渐进性移动。牵 引下颌的力不低于2 0 n 。其下颌前伸的速度为0 2 1 m s 左右，移动精度00 3 m m ， 装置相对总移动范围，即下颌可前伸距离2 0 珊。 运动形式为螺杆传动螺母移动。属于传导螺旋，以传递运动为主，也承受 较大的轴向载荷。滑动螵旋的的结构：螺杆两端有支承，提高螺杆的刚度。螺 母结构为整体式，结构简单，由磨损而产生的轴向间隙不能补偿。螺纹类型为 梯形，采用单线螺纹。 一般螺旋副材料的选择：螺杆材料应具有高的强度和良好的加工性。对于 精度较高的传动还要求有较好的尺寸稳定性- 螺母材料处要求有足够的强度外， 第2 章分析井确定方案 和螺杆配合后还应具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性。经过初步计算如果按 照一般的黑色金属材料强度远远大于实际承载强度。在实际制作中共加工了三 套不同材料的螺旋副，不锈钢、硬铝和四氟乙烯。对其综合性能进行比较，选 出最适合的组合进行验算。 袁2i 螺旋副的比较( 注：所示为无润滑时的摩擦系数) 综合考虑重量和摩擦系数，如表2l 所示：聚四氟乙烯螺杆和聚四氟乙烯 螺母重量和摩擦系数都晟小。四氟乙烯与硬铝的组合，在重量上相差不多，但 是考虑聚四氟乙烯较软，在移动时形变较大，因此选择后者进行了后期精加工。 所设计的整个系统均在临床中进行了实验如图23 所示。该系统使患者 下颌分别在0 、2 、4 、6 、8 岫五个下颌前伸位置各监测一小时，其间患者处于 连续睡眠状态。通过分析患者下颌在不同前伸位置时，睡眠呼吸指标的改善情 况。并通过m r i 实验对口腔矫治器治疗阻塞性睡眠呼吸暂停的上气道神经肌肉 功能及形态学作用机理进行论证研究。 得出医学结论：随着患者下领不断前伸，各项睡眠指标总体上表现为改善 趋势，但各位患者在相同位置的改善程度不同，对于不同患者存在个体化的最 适下颌前伸。因此先行的口腔矫治器治疗采用的统一下颉前伸距离是不当的 应当针对不同的患者进行个体化治疗。同时可借助该计算机系统对拟戴用口腔 矫治器的患者进行疗效初判，对适宜与口腔矫治器治疗的患者可确定其最适下 颌前伸位置；对不适宣口腔矫治器治疗的患者可避免增加其经济及心理负担。 第2 章分析井确定方案 圉23 系统1 临床使用照片 该系统用后病人无不适感，时间控制准确，文本记录输出正常，通过与多 导睡眠图监测系统结合可得出病人确有昂适下颁位置的结论，达到了设计要求。 且该方案结构简单，元器件少，与微机接口技术也比较成熟。 但由于系统的执行装置需安装患者牙齿上，体积、重量要求小、轻，而该 系统的传动执行装置为螺旋副传动，所以系统所能产生的最大输出力将受到电 机功率、尺寸和重量等的限制，只能提供约为2 0 n 的系统输出力对于一些可 能出现特例，患者下颌前伸力大于2 0 n ，则无法使用。且属于开环控制，在实际 操作中，对误差不容易控制，对每个部件的精度要求比较高， 因此，在此系统开发成功的基础上，针对其不足之处以下将提出其他方案 来加以改进。 22 流体传动方式 为了扩大患者的适用范围，该方案在传动部分采用了流体传动系统，从而 使系统可提供比螺杆传动太若干倍的前伸力且体积、重量较小。此外，由传 感器检测系统实际输出位置并反馈给输入信号形成闭环系统，这样就能较容易 地控制系统的误差。流体传动可分为气动和渡动两种方式。 22 1 气压传动方案 气压传动。：优点是构造简单，便于维护，不会造成环境污染：但由于空 气具有压缩性，所以工作速度稳定性较差，不易控制。此外气动还有个响应慢 的问题即从启动信号到执行机构的动作开始有一定的滞后时间。相对液压传 动而言其定位精度较差。考虑到此系统属医用微型仪器，用气动方案很难保 第2 章分析并确定方案 证其定位精度，故此方案可行性不强。下面就详细讨论液压传动方案。 2 2 2 液压传动方案 液压传动：液压系统推力较大，液压传动可提供比螺杆传动大若干倍的前 伸力，并且动力平稳，体积、重量较小。因此，相对系统1 而言，其最大的优 点就是可以放大适用患者的范围。此外，虽然该方案元件多，结构复杂，但属 闭环系统，对部件精度要求低，响应快，误差控制容易，由于液压油近似非压 缩性流体，所以定位精度也高n7 1 。 通过对上述系统功能简图的分析，在传动装置部分拟采用如下所述三种方 案供比较参考： 1 有泵源，采用电磁换向阀实现下颌的前伸后移 图2 6 有泵源传动装置 方案分析：该方案采用电磁换向阀实现对下颌前伸和后移运动的控制。临 时性上颌矫治器与液压缸的活塞杆相连，缸体与临时性下颌矫治器相连。因为 上颌与头骨相连所以油缸的活塞杆是固定不动的，当液体经由换向阀进入缸中， 缸体则会带动着下颌及下颌矫治器相对活塞杆运动。也就是下颌相对于上颌移 动。该系统使用了一个三位四通电磁换向阀，与液压缸和液压泵相连，如图2 6 所示。 当换向阀处于中位时，泵与油箱接通，实现卸荷，缸体相对于活塞静止不 动，即液压缸处于闭锁状态；当在电磁铁操纵下换向阀处于左位时，油液由阀 第2 章分析并确定方案 进入缸体左腔，右腔油液回油箱，因活塞杆作为静止支撑点则缸体受油液作用 力向左运动从而带动下颌后退；反之，当换向阀处于右位时，油液进入缸体右 腔，左腔油液回油箱，缸体向右运动从而带动下颌前伸。 该系统使用了液压泵和换向阀，能实现高效率、高速的运动，且结构较简 单，元器件少，控制方便，一目了然。与上下颌矫治器连接的部分只有液压缸， 可以实现的重量轻的要求。从原理上讲该方案可以满足工作要求的条件。下面 通过该系统工作时液压缸及液压泵流量的计算来说明一个问题： 由系统参数要求：液压缸对下颌的最大作用力f = 3 0 n ；下颌的大致移动速度 v = o 1 m m s ，可知系统功率为： p = f ，= 3 0 x o 1 = 3 x l o 。3 w ( 2 1 ) 可知系统功率很小，速度很低。又考虑到液压缸有重量轻的要求，液压缸 的内外径不可能很大，暂时假定缸体内径d = l o m m ，则当缸体相对于活塞杆运动 时，则泵的流量为： ，、n 一 口= 彳1 ，= 0 1 三竺：7 9 r a m 3 s( 2 2 ) 4 由此数据可知当系统工作时油液的流量是很低的，又根据以上数据情况选 择标准液压泵和换向阀是无法合适的产品的。若要完成该系统的配置，则必须 根据上述情况定做合适的泵和阀，这样既要花费较多的时间设计制造，生产成 本也较高。这就是该系统的缺点及问题所在。 2 无泵源，采用单液压缸，用步进电机控制实现下颌的前伸后移 图2 5 无泵源单液压缸传动装置 1 6 第2 章分析并确定方案 如图2 5 所示，临时性上颌矫治器与液压缸的活塞杆相连，缸体与临时性 下颌矫治器相连。该方案通过步进电机实现对下颌的运动控制，电机和液压缸2 固定在底架上，螺母又与液压缸2 的活塞杆相连，当电机运动时，驱动螺杆转 动，螺母通过在底架上设好的导轨上滑动，就可以限制螺母的周向转动，即螺 杆在实现转动的过程中螺母可以延着导轨实现平动，同时带动活塞杆在油缸中 左右移动。当电机使螺杆驱使螺母向右移动时，油液进入液压缸1 的无杆腔， 因为缸1 的活塞杆与上颌相连，而上颌又与人的头骨相连，所以缸1 的活塞杆 处于固定状态。因此缸1 由于油液的压力作用，向右移动，而下颌是与油缸1 连在一起的，当油缸l 向右移动，带动下颌向右移动，实现下颌的前伸。电机 的运动过程可以通过使用单片机控制实现。当电机运动方向反向时，各个部件 的运动方向亦反向，从而实现下颌的后退。 上述为理想状态，考虑到油缸会发生漏油情况，故在图示油路中加入两个 补油装置，当发生漏油情况时，因为油腔压力降低，使得单向阀开启，补油过 程实现。 该方案在设计时认为缸1 和缸2 的尺寸大小完全一致，但后来考虑到由于 加工过程中存在着不可避免的误差，导致各种可能尺寸的不一致。例如缸1 和 缸2 的活塞杆直径不一致，其他条件都处于理想状态，假设活塞杆1 的面积为 活塞杆2 的面积的两倍，因为两个活塞的面积相等，所以两个油缸的有杆腔的 活塞面积s 1 和s 2 也成两倍关系，即s 2 = 2 s 1 。假设活塞杆2 向右移动了l m m ， 则流入缸1 有杆腔的油的体积v l = 1 s 2 - - - v 2 - - 2 s 1 ，所以缸1 向右移动了2 舢。因 为油缸的无杆腔的活塞面积相等，所以从缸l 出来的油本应该完全进入缸2 的 无杆腔，但是因为缸2 的活塞杆仅仅右移了l m 所以油不能完全进入缸2 ，此时 如果不加如图所示的溢流阀则导致缸1 不能移动，从而无法实现下颌的移动。 故在图所示位置增加溢流阀装置，将多余的油液排入油箱内。但如方案l 中分析，系统工作时油液的功率、速度、流量都很低，若选择标准溢流阀是无 合适的产品的。若要完成该系统的配置，则须定做合适的溢流阀，这样既要花 费较多的时间设计制造。此外，溢流阀还将在回路中产生背压，使进油腔产生 更高的压力，则系统的强度要求也相应要提高，增加了材质的要求，生产成本 也较高，这就是该系统的缺点及问题所在。 1 7 第2 章分析并确定方案 3 无泵源，采用双液压缸，用步进电机控制实现下颌的前伸后移 图2 6 无泵源双液压缸传动装置 如图2 6 所示，临时性上颌矫治器与液压缸的活塞杆相连，缸体与临时性 下颌矫治器相连。该方案通过两个步进电机实现对下颌的运动控制。当电机1 使螺杆向左移动时，油液进入液压缸2 的无杆腔，因为缸l 的活塞杆与上颌相 连，而上颌又与人的头骨相连，所以缸1 的活塞杆处于固定状态。因此缸l 由 于油液的压力作用，向右移动，而下颌是与油缸1 连在一起的，从而带动下颌 向右移动，实现下颌的前伸。在该过程中，电机2 也处于运动状态，但其转动 方向与电机1 的方向相反，它驱动螺旋副运动，从而使缸3 的活塞杆能向右移 动，使得从缸l 有杆腔出来的油液能顺利地进入缸3 的有杆腔。电机1 和电机2 的运动过程可以通过使用单片机控制实现。当电机1 和电机2 的运动方向分别 反向时，各个部件的运动方向亦反向，从而实现下颌的后退。该方案中与上下 颌矫治器连接的部分只有液压缸，可以实现装置重量轻的要求。 如方案2 中解决漏油问题一样，该方案中在图示油路中