【《基于荧光技术的牙菌斑检测仪设计》14000字】

基于荧光技术的牙菌斑检测仪设计摘要随着现代社会科技的发展，人类生活水平日益提高，人类饮食种类变得越来越多，牙菌斑对人们生活的危害也逐渐显露出来，因此检测牙菌斑并抑制其对我们的危害十分重要。据研究表明，牙菌斑细菌里的卟啉类化合物使牙菌斑具有荧光特性，这种特性使得在没有显色剂的情况下，依然可以看到、探测并对牙菌斑进行识别。本文进行了两项研究。第一项包括了对牙菌斑、牙菌斑检测仪进行深入了解与研究，了解了牙菌斑的相关知识包括如何将其辨别，以及牙菌斑检测仪的构造和工作原理，学习了要设计一个牙菌斑检测仪需要哪些元件以及元件的工作原理。第二项研究是基于第一项研究设计一个牙菌斑检测仪，包括构想并设计出牙菌斑检测仪的外形，并对牙菌斑检测仪进行外部结构设计；以及合理的筛选所需要的元件并根据元件的尺寸和牙菌斑检测仪整体的工作原理对所选择的元件进行牙菌斑检测仪的内部布局；最终对该牙菌斑检测仪进行力学分析，分析外壳强度从而决定所选择的材料和所设定的外壳厚度。参考了国内外多项设计和对牙菌斑的研究，本文最终决定采用荧光技术检测牙菌斑，根据牙菌斑在荧光下发出反应的特性而设计出了该牙菌斑检测仪。关键词：牙菌斑牙菌斑检测仪荧光技术受力分析目录牙菌斑检测仪结构设计 2摘要 21绪论 41.1研究背景意义 41.1.1研究背景 41.1.2研究意义 41.2国内外相关研究情况 41.2.1国内研究情况 51.2.2国外研究情况 51.3本文主要研究工作 62牙菌斑检测仪结构设计 62.1牙菌斑检测仪工作原理及组成 62.2牙菌斑检测仪外壳结构设计 72.3牙菌斑检测仪内部结构设计 102.3.1内部元件及其作用 102.3.2元件所需工作空间 112.3.3内部结构布局 122.3.4内部元件固定 142.4本章小结 153牙菌斑检测仪设计结构力学分析 153.1外壳强度分析 153.1.1选择材料 163.1.2设定壁厚 163.1.3外壳分析结果 173.2内部元件受力分析 183.3本章小结 194人体美学设计 194.1外壳指印 194.2外壳接缝处工艺 204.3本章小结 205结论与展望 205.1结论 205.2展望 21参考文献 221绪论1.1研究背景意义1.1.1研究背景随着近年我国社会和国民经济的高速健康增长和发展,人们的生活质量和水平的日渐改善和提高,膳食的更加改变,食物的种类也越来越多,愈加细致,龋齿的预测和发病率也逐渐加高,所以龋齿的预防和处理具有十分重要的前瞻性和现实意义。而牙菌斑是牙齿龋变得罪魁祸首，牙菌斑检测仪是基于荧光成像技术的牙菌斑检测装置，能够实现对牙菌斑检测，因此开发牙菌斑检测仪得到社会各界的关注。1.1.2研究意义从医学专业的角度来讲,牙菌斑主要是指通过基质所包裹的相互黏附、或者直接黏附于牙齿的表面,牙间,口腔其他各个软组织上、或者牙修复体表面的软而未经矿化的细菌类群体,其中主要包括了大量的细菌、牙齿间的物质、脱落上皮细胞和饮料中的残留渣等,为不能被饮用的污水直接冲去或者漱掉的一种具有细菌性的生物薄膜,是一种对口腔发生传播的感染性疾病紧密联系相关的聚合物具有高度的组织化及系统性,也是龋病和牙周病的主要致病因素。但是当我们牙菌斑斑的数目比较少时,我们的牙齿肉眼几乎已经是很难清楚地被观测和看得到的,通常我们只要使用这些牙菌斑检测指示器就已经能够迅速使你的牙菌斑很好的清楚地被菌斑显示器看出来。牙菌斑主要带来的危害就是会给我们牙齿和整个牙龈造成危害,也就是说会造成我们自己口腔中最常见的两种细菌病情:螨虫、牙周炎[1]。龋病通常也被俗称“虫牙”,这里我们所说的“虫”主要是在泛指在产生蛀牙过程中的一种有害细菌。牙菌斑通常都是会比较牢固地紧紧地粘附着在你的牙面上,这些小的牙菌斑细菌会直接通过摄取分解在口腔内部唾液中的各种唾液和动物蛋白质及其中的各种多巴胺,以及酶分解分泌出来的葡萄糖然后可能会直接产生唾液多巴胺,这些唾液蛋白质会直接生成的各种多巴胺物质，这些物质会直接严重破坏你的牙齿,最终使牙形成“洞”。所以当你口腔中牙菌斑逐渐接近你的牙龈时,细菌所直接产生的一些化学生物毒素和其他牙龈有害物质就可能会直接大量刺激你的牙龈,从而直接使齿龈牙釉膜组织产生不同程度的炎性化学反应,即慢性牙龈炎,若不及时对其进行治疗控制,任其反复发生,牙龈炎就很容易可能、甚至最后会直接演变成一种不稳定可逆性的早期牙周炎,最后有可能会发展为不可逆的。牙周炎不仅会直接影响引起整个牙槽骨的良性损伤和牙龈破坏,最终还可能会直接导致整个牙齿的异常松动、脱落。因此牙菌斑的检测是十分必要的。由此可见牙菌斑检测仪对我们日常生活有很大帮助，能够帮助我们早日发现口腔隐患，从而采取有效措施解决问题。1.2国内外相关研究情况1.2.1国内研究情况目前国内对牙菌斑检测的方法有大致分为两种，其中一种是基于牙菌斑组织在荧光照射下所发生的荧光反应。如：利用牙菌斑与牙齿组织自体荧光光谱的差异性设计的基于自体荧光成像的检测系统[2]。以及由中国科学院发现的一种两亲性荧光探针体外检测牙菌斑生物膜的方法[3]。在临床鉴别牙菌斑时，人为采用显色剂并结合如牙菌斑面积、厚度等特征进行检查[4]。目前常用的方法有如下几种：1.菌斑取样体外测定法：体外测定菌斑是用精细器械刮取菌斑标本，经过适量稀释，用微型玻璃电极或锑电极直接测定菌斑标本的酸碱度（pH值）。体外测定菌斑使用的设备简单，简便易行，适用于大批标本调查使用，其结果可靠，重复性好。2．埋藏电极遥测法：是将一个微型玻璃电极埋入离体的牙釉质小块，然后放在被测量人员的假牙中，使电极的敏感面向着基牙。埋藏法适用于观察菌斑形成过程中的酸碱度（pH值）的动态变化。但是埋藏法的电极构造复杂，技术上的要求较高，而且被测量的人员口腔中必须有足够的空隙允许电极留在其中，这样极大的限制了埋藏法的使用范围。3.显示剂检查法：是使用菌斑显示剂，在牙菌斑着色的同时测量染色宽度或染色范围。目前显示剂种类有如下几种；1%或2%碱性复红液，5%红溴汞溶液，5%赤鲜红（四碘荧光素）溶液，1至2.5%孔雀石绿溶液，4%酒石黄溶液，荧光菌斑显示剂。菌斑显示法简单易行，效果好，临床上常常采用这种方法。目前国内已经有几种基于牙菌斑在萤光下的荧光反应而设计的的牙菌斑检测仪。其中有依据牙菌斑在紫外荧光照射下发生的荧光反应而设计的牙菌斑检测仪[5]，有利用荧光检查牙菌斑的检测方式而设计的便携式牙菌斑检测仪[6]，其工作原理主要是：当波长为360~420nm的深蓝光照射在牙面上，正常的牙面会产生偏绿色的荧光，而牙菌斑则会产生偏红色的荧光。该设计利用荧光检查器深蓝光发光二极管(LED)照明，通过深蓝LED发出的深蓝光激发牙面上的牙菌斑产生红色荧光，从而检查口腔中的任何一颗牙齿是否有牙菌斑以及牙菌斑的程度。还有是基于荧光光谱能量比率的牙菌斑定量检测装置[7]，其主要工作的光学原理是健康牙菌斑在紫外光的直接激发下，将其反射产生的一种自体荧光的光谱波段,区别于健康无细菌牙体内的组织所具有不同的自体荧光反射光谱波段特点,利用这个荧光波段的自体荧光反射光谱及其能量比率即可对健康牙菌斑的色素含量及其色素分布变化情况实时进行定量检测。赫尔穆特亨德股份有限公司通过自主创新设计开发出一种专门可以用于用进行龋齿牙菌斑监测检查的一个带有荧光器件的检测牙菌斑的装置——荧光牙刷,是一种专门用于检查附在牙齿上的微生物质和沉积物的荧光检测检查装置[8]。该装置具有在与来自干净牙表面的自体荧光辐射相关的一个波长上检测来自检测牙表面的荧光辐射的检测装置，以及将激励射线导引到检测牙表面上的发光装置,通过比较检测牙表面的所述荧光辐射强度与来自干净牙表面的自体荧光辐射强度,并且把对这些比较的研究结果和目前检测干净齿片自体表面上所有齿片沉积自体荧光射线辐射强度存在的具体情况紧密地进行联系了统一起来。1.2.2国外研究情况目前国外提出了AcetonSopro[9]相机和定量光诱导荧光技术可以检测到一些牙菌斑[10]。根据德国荷兰Inspektorresearch公司最新开发的QLF各种龋齿菌斑检测仪器这是一种利用先进的光学荧光检测技术专为检测各种牙菌斑而进行设计开发制作的一种牙菌斑龋齿检测仪[11]。这主要原因是基于人类的牙齿在受到紫外线的直接激发下,由于本身内部所含有的一些极具内源性质的荧光基本能团，比如十二羟基磷灰石和其他有机物质等,会直接使牙齿产生一种荧光峰值波长大约为500nm纳米左右的自体反射荧光。荷兰Inspektorresearch公司近年自主开发研制的QIF新型龋齿症状检查自动计算机就是充分运用这一技术原则基础来进行研制和推出。由于存在于口腔内的各种细菌及其组织所直接构成的红色牙菌斑和微生物细胞膜在紫外光的直接激发下,由于其内部存在着对卟啉素的氧化作用,会直接使其内部产生一种类似自体的红色荧光。而且通过这项研究结果分析可以发现,龋齿放线菌、中间毒性拟杆菌、棒状杆菌和中性白色管状念珠菌等均有可能在405nm波长紫外光线的照射下同时产生600至700nm的红色荧光峰值反射荧光。因此,我们可以很简单地直接利用这种光学现象来准确检测各种牙菌斑的具体形成病理情况[12]。国外还研究提出了一种牙菌斑检查系统,它主要借助了牙科手段以及一些工具,主要是牙医使用牙类植物所制造的,专门用于从多种角度观察和接受荧光的多模式光学波导,该种植物的荧光以导致模式色散的不同途径和长度沿着多模光学波导的芯片方向行进。这种牙菌斑检查系统也由一些其他部件组成,它们被分别装载在一起,其他部件配置的作用为接收荧光,基于各种频域性的寿命测量来检查牙菌斑、牙结石和牙龋齿,并且通过传送给牙齿的牙菌斑标识信息。模型色散是指检测人体牙齿上至少有一个牙菌斑、牙结石及或龋齿有荧光部位的区域。使用模型色散法检测具有牙菌斑的荧光部位包含了相对牙菌斑荧光部位中心点而言的不同颜色水平牙菌斑[13]。1.3本文主要研究工作本文主要研究对牙菌斑检测仪分别进行外壳结构设计以及内部结构设计，首先需要查阅相关资料，了解牙菌斑检测仪的工作原理从而决定设计的该牙菌斑检测仪需要哪些元件，并且对这些元件之间应该如何排列连接以及正常工作进行研究，其次需要对该牙菌斑检测仪进行外部的外部结构设计，然后把设计好的牙菌斑检测仪所需内部元件在设计好的外壳中进行内部结构设计。最后要对设计好的牙菌斑检测仪进行内部受力分析以及外壳强度分析。该研究工作的难点是国内外与牙菌斑检测仪的相关资料较少，可以参考的期刊及文献较少。因为本文研究的牙菌斑检测仪设计理念要求成品尺寸小巧，所以在结构设计上有一定的难度，不仅需要在设计时仔细挑选所需的元件（尽量选择不但尺寸小性能也达标的元件）,还需要根据光学仪器设计来决定其结构，最终合理安排各部分组件在外壳中的摆放。2牙菌斑检测仪结构设计2.1牙菌斑检测仪工作原理及组成牙菌斑检测仪的功能为检测牙齿中是否含有牙菌斑；形成的牙菌斑在显微镜下可以进行仔细观察,牙菌斑主要由几个具有大小粗糙不等的被覆细菌基质或者是细菌获得活性膜的多种原生细菌群和几个团块共同混合组成,成熟的原生牙菌斑由内至外一般而言可以仔细划分大致为三层:其膜基底层认为是形成牙菌斑中最靠近人体牙面的一层,为一个无任何原生细胞的均质细菌结构,HE染色为红色,厚度范围一般为0.1至1.0μm,实际上这些都认为是细菌获得的活性膜,可以明显看出少量的原生细菌结构会直接粘附于其它的表面或者一些连接体会黏附在一些釉质的表面;中间层认为是形成牙菌斑的主要细胞组成结构部分,主要物质是由一些排列结构形式为类似栅栏状细菌结构的各种原生细菌所混合组成,栅栏状的细菌结构则认为是形成牙菌斑的基本结构。该病菌的表层组织是一种牙菌斑组织形成的最外层,结构松散,可以清晰看到谷穗样的网状结构或者看到试管刷样的网状结构。研究者的结果表明,当光照射到某种化学物质上,光子就会击穿到这些物质分子,大约电子会在10到15秒内被这些分子基态吸收,原来这些分子处于基态的物质电子被强光激发释放出来的并达到较高的分子热力学反应能级。此后,激发态的其他分子经过内部电子能量相互转换的振动过程把部分激发电子的外部能量转移到周围的其他分子,使较高处于激发态的部分电子很快又重新返回转移到处于激发态最低态和振动态的能量级上（亦称第一单线态）。处在第一单线态的分子的平均寿命是10^（-8）秒左右。如果这种分子通过发射出相应的光子而回到基态的各个不同的振动能级，即可产生荧光，该技术称为荧光技术[14]。而牙菌斑会在特定波段紫光照射下发出红色荧光，一般认为是由厌氧牙菌斑中细菌的代谢产物中的卟啉化合物产生的[15],利用高分子滤光片就可以看见牙齿表面的牙菌斑，该方法已经被用于不使用显示剂下的牙菌斑检测[16]。因此在设计检测仪时可以利荧光技术对牙菌斑进行检测。由于目前牙齿上的组织和其他牙菌斑之间的自体荧光光谱之间仍然存在着很强的荧光差异性,在405nm光的激发光谱和照射的相互作用下,牙齿上的组织和其他牙菌斑均仍然可以发现具有等分子体相对荧光光谱效应,且其对自体荧光光谱之间仍然存在着较大的荧光差异性。牙齿粘膜组织中牙菌斑被激所产生的荧光光谱主要发散分布在红或蓝绿荧光波段,菌斑被激分解后所产生的红色荧色光谱主要是发散分布在蓝或红色荧光波段,其主要原因是由于在刷牙菌斑内部的放线菌、拟杆菌等原生菌群经过被激而结合产生的诸如卟啉类有机化合物等物质自体形成荧光基底物团[17],采用紫光照射加滤光片，可以清晰看见红色部分为牙菌斑。利用此现象可以非常方便的对牙菌斑进行检测[18]。本文所设计的牙菌斑检测仪最终由电路和光学两部分组成；其中光学部分包含了光学透镜以及紫色荧光组件。2.2牙菌斑检测仪外壳结构设计产品设计无疑是一门综合性学科，同时也是一门艺术。好的产品设计决定了该产品是否能够畅销市场。在产品设计中，外壳设计是至关重要的；在设计外形时，外形的基本形态一般包括两大类：几何形态和有机形态。其中几何形态包括长方体、正方体、圆柱体、圆锥体、球体、棱柱、棱锥、棱台、圆台、多面体等，有机形态包括流线型、生物仿生型、自由曲面型等。在产品外观造型中，有这样一种外观，圆柱体设计，在生活中也是十分常见的一种外观设计；研究表明，由于对人们整体视觉效果的影响,圆柱体比立方柱让整个人整体看起来更加舒适,给予了一种比较温柔的视觉感受,现在已经越来越充分地将其体现并用在了一些大型建筑上,反观了众多的历史名胜古迹,圆柱体也现在可以说已经是最为容易受到人们青睐的一种新型建筑设计形式。圆柱体设计的物体在生活中出现的频率也很高，不仅因为圆柱体没有棱角，安全性好，稳定性较强，另一个很好的优势就是由于圆柱体本身整体摩擦阻力系数小,所以也不易被破坏,使得产品寿命更长,同时由于圆柱体的设计也使得单体自身动力学性能好,与正方形产品相比,封闭式的圆柱体,近似的尺寸下,可以达到最高的弯曲强度。因此在对牙菌斑检测仪进行外壳设计时，基于简洁便携的设计原理，本文决定采用仿电动牙刷的外型，如图2.1。将该牙菌斑检测仪设计为圆柱体结构，圆柱体不仅可以节省材料，把牙菌斑检测仪设计成圆柱体还可以还使它的体积扩大；整个牙菌斑检测仪的外壳设计也分为两部分，为由两个上窄下宽的圆柱体拼接在一起，上端半径小的圆柱设计为光学部分，下端半径较大的圆柱体设计为电路部分；在使用时圆柱体能使检测者更方便手握，并且使检测仪便于携带；同时，圆柱体的设计也能让整体外形看起来更加流畅，美观。图2.1牙菌斑检测仪初步外形构想图最终设计的牙菌斑检测仪外壳的尺寸为：上端光学部分的尺寸约为：直径8mm高26mm，下端电路部分的尺寸约为：直径35mm高110mm。在软件上建模后如图2.2。图2.2牙菌斑检测仪初步外壳设计图由于牙菌斑检测仪在使用时，被测者需要将检测仪的头部也就是紫色荧光组件照射的部分深入到口腔中对牙齿进行照射，因此在设计头部时，本文决定将外壳上端，也就是深入嘴中的部分的棱角设计全部都改为圆角设计，这样在使用时就能有效的避免被测者被牙菌斑检测仪划伤口腔内部的情况。在软件上对牙菌斑检测仪的建模顶端部分的棱角进行修改为圆角后如图2.3所示。图2.3牙菌斑检测仪的圆角设计图在设计牙菌斑检测仪的开关时，秉着符合人们平时使用习惯的原则，该设计决定把牙菌斑检测仪的开关设置在外壳中间偏上的位置如图2.4，这样方便被测者在使用牙菌斑检测仪深入口腔探测的同时，被测者还能轻松的按下开关对牙齿进行拍照。图2.4牙菌斑检测仪的开关设计图最后在设计充电接口时，为了使整个电路的连接顺畅并且不繁琐，以及在使用时方便，不妨碍和限制牙菌斑检测仪的使用，本文决定把充电接口的空间设置在整个仪器外壳的底部如图2.5；在牙菌斑检测仪的底部的圆心位置留出一个接口大小的空间，在对牙菌斑检测仪内部元件结构设计的时候，通过这个孔来连接电源。图2.5牙菌斑检测仪电源孔设计图在设计的牙菌斑检测仪壳体内部的底端设计电路板的底座，并预留了电路板中电线穿过底座与充电线相连接的空间如图2.6所示。底座的设计能够使电路板在所设计的牙菌斑检测仪的外壳中拥有更加稳定的结构，同时也让电路板与充电线相连接的电线只能在所设计的通道孔中活动，在一定程度上保护了电路。减少了电线因为活动空间过大，电线拉扯等可能导致的松断问题，从而增加了电线的使用寿命。图2.6牙菌斑检测仪电路板底座图2.3牙菌斑检测仪内部结构设计2.3.1内部元件及其作用本文最终根据牙菌斑会发生荧光效应来设计牙菌斑检测仪；光学部分主要为光学透镜和滤光片，牙齿在受到荧光照射后，激发光通过光孔和整个光路最终照射到CMOS图像传感器上，由图像传感器接收图像。荧光部分使用能发出紫色荧光的LED光源，照射在牙齿上时，若牙齿上若具有牙菌斑，那么牙齿上的牙菌斑吸收紫色荧光LED光源所发出的紫外荧光后，会散发出波长为600～700nm的偏红色的紫外荧光。CMOS图像传感器的任务主要是负责图像采集以及图像传输。CMOS传感器侦测所述牙齿在紫外荧光照射下发出的颜色，通过不同颜色来后端处理，最后得到一张标定牙菌斑后的照片。最终通过牙菌斑检测仪连接的手机或电脑上观测图片，从而判断照射的牙齿上是否有牙菌斑。电路部分由三块电路板组成，其中两块小电路板负责连接CMOS相机和大电路板，大电路板连接小电路板，开关和usb-c接口，负责通过开关控制拍照，连接小电路板传输数据，以及通过usb-c接口连接电源给整个牙菌斑检测仪通电，是至关重要的一个元件，也是整个电路部分的核心。本文所设计的牙菌斑检测仪为手机或者电脑供电。在使用时通过usb接口，用数据线一端连接牙菌斑检测仪另一端连接手机或者电脑，电脑和手机在供电的同时，还作为牙菌斑检测仪的终端，最终获得的图像也会由手机或电脑收到。在设计电源接口时，通过查资料对不同种类的电源接口进行了比较和了解，发现现在常用的电源接口有USBTYPY-A,USBTYPE-C,USB-micro等，经过了解type-a接口的应用十分广泛，很多电脑手机等电子设备都在使用这个接口，可以说非常的普及，兼容性非常的高；type-c接口最大特点是支持USB接口双面插入，如今也被很多用户广泛使用，它们的双面都能使用，传输速度可以达到10gps，但不是什么电脑产品都能使用这个接口的，有些电子设备就是用的这个数据线进行连接充电，传输数据的；micro接口最常见的就是安卓手机的使用，分为很多型号，安卓手机的数据线就是micro的a型号，安卓手机都是用这一类型的接口。经过对比，本文最终决定在设计牙菌斑检测仪时，使用type-c接口。Type-c接口的优点是：1、超薄，老式USB端口长14mm*6.5mm，而USB-C只有8.4mm*2.6mm。2、不分正反面，与Lightning接口一样，不论正插反查都不会有问题，号称可承受1万次反复插拔。3、传输速度快USB-C端口的最高传输速率为每秒10Gb，比USB3.0快不少。4、双向传输，不像老款USB端口，功率只能单向传输，USB-C型端口的功率传输是双向的，这意味着它可以拥有两种发送功率方式。5、供电能力强，配备Type-C连接器的标准规格连接线可通过3A电流，同时还支持超出现有USB供电能力的“USBPD”，可以提供最大100W的电力。因此，本文最终决定使用type-c接口为该牙菌斑检测仪供电插口。牙菌斑检测仪共设有一个开关，也是该牙菌斑检测仪的总开关。开关连接了大电路板，它的目标为CMOS图像传感器，开关控制了CMOS图像传感器进行拍摄照片这一动作，在连接电源的情况下，每当按下开关，CMOS相机就会进行拍照，使得整个牙菌斑检测仪在使用起来十分简单，大人和小孩都可以轻松上手。2.3.2元件所需工作空间光学部分的透镜和滤光片设计在在一个直径8mm高26mm的光学套筒里，在光学套筒的下方连接CMOS图像传感器。CMOS图像传感器的预留尺寸是长15mm宽10mm厚3mm。电路部分两块小的电路板所预留空间的尺寸是：长32mm宽25mm厚10mm；一块大电路板预留空间的尺寸是：长66mm宽19mm厚10mm。光源部分的紫色荧光LED发光组件为贴片，设计贴在光孔的四周有，因此所需的内部空间可以忽略不计。2.3.3内部结构布局本文设计的牙菌斑检测仪上边部分的工作原理如图2.7所示，紫色荧光组件照射牙齿后，激发光进入光孔经过三棱镜反射，穿过透镜组以及滤光片后，到达CMOS图像传感器，被传感器所接收。因此在设计内部结构时需要把CMOS图像传感器设计在光学部分的下方，CMOS图像传感器接才能正确的接收到图像，从而使牙菌斑检测仪正常工作。在软件上对透镜组以及CMOS图像处理器进行建模后如图2.8所示。图2.7牙菌斑检测仪光路部分结构设计图图2.8透镜组和相机建模图由于本文设计的牙菌斑检测仪的理念之一是简易便携方便使用，为了使设计的牙菌斑检测仪在规定的尺寸之内，每一个元件在选择时都应该更加节省空间，本文挑选发出紫色荧光的LED光源时决定选用LED贴片，一共使用五个LED贴片在光孔周围如图2.9所示。采用嵌入式，能在使用时能全方面的对牙齿进行照射，同时也不占用内部空间。图2.9LED贴片图在设计电路板时，本文所设计的牙菌斑检测仪一共需要三块电路板，为了减少电路板所占的空间，最终将电路板设计为：两块体积小的电路板采用并联方式然后与剩下一块体积小的进行串联的方式进行连接。三块电路板的布局为，体积小的两块电路板与CMOS图像传感器相连接，所以设计在电路部分的上端，体积大的单块电路板设计在电路部分的下端，上端两块电路板与下端单块电路板相邻的两个面呈垂直摆放。在软件上建模后如图2.10所示。图2.10牙菌斑检测仪电路板布局图下端的电路板与底部在设计外壳时，为电路板所预留的底座相连接。在软件上装配好的图如图2.11所示。图2.11电路板与底座的装配图数据线接口设计在整个牙菌斑检测仪的底部，连接在外壳结构设计时所预留的type-c充电孔，同时和底部的大电路板的底座相连。2.3.4内部元件固定在光学中，设计透镜等光学仪器时，常常使用光学套筒。套筒一般运用于光学模具及模仁的组合上，主要适用于生产高阶手机镜头、车载镜头、及光学镜片等重要核心零组件；本文在设计牙菌斑检测仪时，光学部分的光学透镜以及滤光片借助了光学套筒，将光学部分的元件放入其中。紫外荧光发光组件采用嵌入式的方法，嵌入到光孔周围。由于电路板相互直接不能接触否则会引起电路发生短路现象，因此，在电路板之间设计了隔层如图2.12，隔层的直径与牙菌斑检测仪外壳的内直径相差不多，同时在上层电路板顶部的隔层，预留出了放置CMOS图像处理器的空间。这样隔层的设计不但能够使电路板之间相互隔开让电路部分能够正常工作，同时也固定了内部整体的结构，使三块电路板以及CMOS图像传感器链接在一切，对内部结构的稳定起到了决定性的作用。图2.12电路板隔层设计图2.4本章小结本文所设计的基于荧光效应所设计的牙菌斑检测仪主要由：紫色荧光发光组件（以405nm为中心波长的LED光源）；电路模块；光学组件；CMOS传感器（相机）组成。最后在设计内部结构时，本文添加了固定内部元件的结构，使整体结构更加稳定。经过对本文所研究的牙菌斑检测仪的外部结构设计和内部结构布局，所设计的牙菌斑检测仪最终采用类似电动牙刷的便携外形；设计的牙菌斑检测仪的外部整体主要由两部分组成，上端的光学部分和下端的电路部分；上端的光学部分主要负责采集图像并标定牙齿中的牙菌斑，下端的电路部分负责联通整个仪器并把所采集的图像输送到手机或电脑终端从而使被测人员对图片进行观察。所设计的牙菌斑检测仪的外壳可以整体打开，内部元件与外壳之间相互分开，同时内部元件和外壳都有独立的结构。因为内部在电路部分所设计隔层的直径与牙菌斑检测仪电路部分的内直径相差不多，这样在内部与外部结构相互独立的同时又大大提高了内部结构的稳定性。3牙菌斑检测仪设计结构力学分析3.1外壳强度分析3.1.1选择材料经查阅资料和文献发现，在设计制作版图电路板时常用一种型号叫做PCB的一种印刷版图电路板，我们也把它叫做一种印刷版图电路板,这种技术发展至今已经至少有100多年的发展历史了,它的电路设计主要都用的是基于一种版图式的电路设计,采用这种印刷电路板的主要技术特点之一就是用它大大降低了线路布线及材料装配之间的设计差误,提高了我国工业生产自动化的技术水平与工业生产者的劳动率。而在加工印刷电路板时，大多数会选择用碳纤维板加工，尤其是可复合成型的碳纤维板,这是一种用高温纳米的碳纤维毡和多种高性能的高碳环氧树脂纤维为主要原料所复合制成的新型高碳复合纤维材料,它们分别具有高温导热低、阻然、耐压抗高温、防水抗静电、重量轻、抵抗各种化学物质腐蚀等诸多优势。因此本文在电路板的力学仿真分析时选用碳纤维这一种材料。在选择外壳材料时，因为本文设计所设计的牙菌斑检测仪需要便携轻巧，方便日常使用，所以决定选用ABS材料。ABS是指丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，丙烯腈为ABS复合树脂加工提供了坚硬、耐热、抗碱性酸碱和耐盐等多种酸性化学物质腐蚀的特殊化学性质;而聚苯乙烯树脂为ABS复合树脂加工提供了坚固的化学硬度、加工时的稳定流动性和提高产品表面光洁度的程度,是一种化学强度高、韧性好、易于高温加工和注塑成型的一种热塑高弹性高分子结构复合材料,又称之为ABS复合树脂。ABS这种塑料的主要外观原理是一种不透明而且可以呈现出一种象牙状的白色颗粒物,其加工制作后的制品可着色，变成你想要的颜色,并且它们还具有很高的色彩光泽度。因此在后期的加工处理上，可以把用该种材料设计的物品上色，使牙菌斑检测仪的外壳更加美观。ABS的电绝缘性较好，而且几乎没有受到温度、湿度及其频率等因素的影响,可以在大多数环境下进行使用。最重要的一点是,abs有优良的流体动力学性能,其冲击强度极好,同时它的耐热变形温度大约为93至118℃,制品经过退火加热处理后还有效地可以将其提高10℃左右。-40至100℃的温度下都是可以安全放心地使用。在对相机进行材料设置时，本文选择了6061材料。6061是一种合金材质，主要合金元素是镁与硅，为了达到不同的特性它的材料添加的也有所不同，如果要理想中及氧化铁对这种钢材的坏腐蚀功能,就建议可以在这种钢材中适量添加适当的氧化锰与铬。若只是想大幅提高导电合金的抗热耐磨性和冲击强度，不想其抗蚀性有明显降低可以添加少量的铜或锌,若只是想利用他的导电能力时则可以添加少量的铅与铜或者铅和锌,若只是想大幅增强钢的切削力,可以同时少量加入铅与铋。因为6061铝合金材料中的主要两种合金化学元素，分别是氧化镁与铝和二氧化硅,所以它们分别具有中等的导热强度、良好的导热耐腐蚀性、可靠的焊接性和稳定性,氧化热与反应加热效果更佳的主要特点。3.1.2设定壁厚在建模时，根据借助相关资料以及参考现有已经开发出的牙菌斑检测仪的参数，初步设定本文所设计的牙菌斑检测仪的壳体厚度为2mm。3.1.3外壳分析结果研究表明，作为一名成年男性或者女性，握力在43至50千克,27至31千克之间，通常来说人手的握力一般为300牛左右。因此本文在进行牙菌斑检测仪外壳静应力分析时，设置的力度与成年人正常握力相比偏大一些，这样能使所设计的牙菌斑检测仪在力学性能方面不受误差影响。本文在设计牙菌斑检测仪时，选用ABS树脂作为牙菌斑检测仪外壳的材料。在软件上输入所选取的外壳材料ABS树脂以及力350牛后对外壳进行静应力分析。分析云图如图3.1和图3.2所示。图3.1牙菌斑检测仪外壳受力分析应力图图3.2牙菌斑检测仪外壳受力分析位移图由图可知图3.1为牙菌斑检测仪外壳受力分析应力图，图3.2为牙菌斑检测仪外壳受力分析位移图。对图3.1进行分析如下：在应力分析图中，分析图中右侧所显示的条形图从红色到蓝色表示应力由大到小。也就是说颜色越偏向红代表应力越大，颜色越偏向蓝代表应力越小。可以看出顶部最少，下来是底部，中间所受的应力相对来说更大一些。同时该条形图在该分析图中表示牙菌斑检测仪外壳所受到的应力的最大值到最小值。由图可知该牙菌斑检测仪外壳的屈服力为6.204e+008，对比图中柱状图所显示的顶端，也就是该牙菌斑检测仪外壳受力最大的部位，数值为3.191e+007，很显然该牙菌斑检测仪外壳受力最大处的数值远远小于其所能够承受的屈服力，说明设设置的参数并没有失效，分析图为正常的。对图3.1进行分析如下：在位移分析图中，分析图中右侧所显示的的条形图从红色到蓝色表示所分析的物体型变量由大到小。也就是说颜色越红偏向变量越大，颜色越偏向蓝色型变量越小。又图可知该牙菌斑检测仪外壳的最大型变量为9.574e-002，最小型变量为1.000e-030。也就是说该牙菌斑检测仪的外壳最大型变量为9.574*10−23.2内部元件受力分析在内部元件受力分析时，本文对CMOS图像传感器进行了受力分析，填写参数时，CMOS图像传感器的材料选择了6061铝合金，受力大小选择了外壳所能接受的最大应力。分析云图如图3.3和图3.4所示。图3.3CMOS图像传感器受力分析应力图图3.4CMOS图像传感器受力分析位移图由图可知CMOS图像传感器所有到的最大应力为1.593e-300，远小于屈服力。CMOS图像传感器的最大型变量为2.993e-003，也就是2.993*10−33.3本章小结为了判断在设计牙菌斑检测仪时，本文所使用的外壳材料也就是ABS树脂以及设定的外壳厚度也就是2mm，是否能够使牙菌斑检测仪正常运行，本章在软件上进行了力学仿真测试，通过对生成的分析云图进行解析得知本文所设置的材料以及壁厚都是合理的，能够使牙菌斑检测仪正常运行。本文在选择材料进行力学仿真分析时，最大程度上的选择了与所挑选元件材料最为相近的材料；同时结合日常生活中成年人使用的握力来对设计的牙菌斑检测仪进行了应力分析。生成了分析云图并对图片进行了解析。结果表明本文所设计的牙菌斑检测仪外壳在力学性能上是合理的，可以正常工作。内部元件受力分析结果也是正常的，可以正常工作。均没有失效参数，是合理的4人体美学设计4人体美学设计4.1外壳指印设计完牙菌斑检测仪的内部和外壳结构后，为了使设计的牙菌斑检测仪整体更加美观以及贴合人们使用习惯，本文决定在牙菌斑检测仪的外壳使用时手握的地方设计指印。指印的大小和尺寸就模拟正常成年人手指的大小。在牙菌斑检测仪外壳上进行落实后如图4.1所示。指印的设计使整个牙菌斑检测仪增添了人体美学感，在使用时也让使用者更加舒适，是一项锦上添花的设计，也是人与物的现代和谐。图4.1牙菌斑检测仪外壳指印设计图4.2外壳接缝处工艺由于本文所设计的牙菌斑检测仪的外壳是可以拆开的，因此该设计的外壳在组装后，接缝处会有显示。为了使设计的牙菌斑检测仪更加美观，本文认为可以对牙菌斑检测仪整体外壳进行一个上色，本文外壳所选用的材料为ABS树脂，本身就为一个十分容易着色的材料，对整体进行上色后，接缝处的颜色会与整体颜色更加贴近，没有原本那么格格不入。使得整个设计更加美观，更加符合设计美学。4.3本章小结在对牙菌斑检测仪进行结构设计后，本章从人体美学方面入手，对所设计的牙菌斑检测仪进行了加工和改善。在牙菌斑检测仪的外壳部分加上了指印，更加方便人们的使用。并对牙菌斑检测仪的外壳接缝处进行了美化处理，是外壳看起来更加整体如一，更加美观，用手工艺的技巧创作高质量的产品。5结论与展望总体来说，本章对牙菌斑检测仪的人体美学设计都非常具有实用性和审美性，将手工艺同机器生产结合了起来，将先进的现代科学技术与现代人们的审美理想观念有机地融合了起来,使得产品能够达到科学与美学、技术和艺术的崇尚高度有机地统一。5结论与展望5.1结论本文设计了一个牙菌斑检测仪，首先先对设计的牙菌斑检测仪进行了结构设计，其中包括设计牙菌斑检测仪的外壳以及对牙菌斑检测仪的内部进行结构设计。在设计外壳时，遵循了简洁便携的设计理念，同时也把尺寸在任务书所要求的范围之内。其次对设计好的牙菌斑检测仪进行力学分析，通过对软件仿真模拟所生成的力学分析云图解析，从而判断选用才外壳材料和设定的外壳厚度是否合理以及该牙菌斑检测仪是否能够正常运行。最后对牙菌斑检测仪进行了人体美学设计，将先进的现代科学技术与现代人们的审美理想观念有机地融合了起来,让该产品能够达到科学与美学、技术和艺术的崇尚高度有机地统一。在搜查资料以及翻阅文献后，本文了解了牙菌斑检测仪的工作原理。对国内外牙菌斑检测仪的相关文献进行了研究和探索，最终决定使用荧光技术来设计牙菌斑检测仪。依照荧光反应的原理，本文选用了紫色荧光组件对牙齿进行照射，经过透镜组后激发光被CMOS图像传感器所接收，然后再由图像传感器传输到电路板、手机或电脑终端。本文在设计时也有效地减少了部分元件所占的空间，如紫色荧光LED光源本文选用了贴片的方式，十分有效地减少了对内部空间的占用。设计电路板时，选择两款电路板并联的方式也有效地减少了内部空间的使用。最终设计的牙菌斑检测仪的尺寸也在任务书要求的范围之内，十分成功。5.2展望回归整篇文章，整个牙菌斑检测仪的设计虽然小巧便携，在规定的尺寸内完成了设计，并且保证了整个牙菌斑检测仪能够正常运行，但仍存在一些不足之处可以改进，如虽然本文设计的牙菌斑检测仪能够在通电时运行，但只能在有线连接的情况下使用。如果设计成内部自带电源，那么牙菌斑检测仪就可以无线连接的情况下使用，这大大减少了牙菌斑检测仪的局限性。同时照片也不需要在有线连接的终端手机或电脑等电子设备上显示，只需要在牙菌斑检测仪的内部添加蓝牙模块，这样设置了蓝牙装备的牙菌斑见恶意就可以连接蓝牙后发送到手机或电脑等电子设备上。当然，在技术允许的情况下，未来也可以设计出自带电源以及屏幕的牙菌斑检测仪。在这种情况下牙菌斑检测仪不需要连接手机或电脑等电子设备也可以直接在牙菌斑检测仪的屏幕上显示出牙齿被标定后的图片。这种方式会使牙菌斑检测仪的使用更加方便，使检测结果更加直观的显示在屏幕上，方便使用者的观察。这种设计如果能实现将对口腔科贡献巨大。当今社会科技发展迅速，相信未来能发明出3D扫描式的牙菌斑检测仪的可能性也十分大。只需要将3D扫描探测头深入被测者的口腔，检测仪会自动扫描你的口腔然后在屏幕上显示你的口腔3D模型图，在图中可以清晰地看到牙齿表面被标定后的有牙菌斑的地方。参考文献[1]P.D.Marsh，“Dentalplaqueasabiofilmandamicrobialcom-munity－implicationsforhealthanddisease，”BMCOralHealth6，S14(2006).[2]陈超佳,劳玮炜,林斌等.利用自体荧光成像量化分析牙菌斑.光谱学与光谱分析,2017,37(7):2311-2316[3]于娜，甘业华，王晓灵等.一种两亲性荧光探针体外检测牙菌斑生物膜的方法.电子显微学报，Vol.35No.3,2016.06[4]M.Cugini，M.Thompson，andP.Ｒ.Warren，Correlationsbetweentwoplaqueindicesinassessmentoftoothbrusheffectiveness，J.Contemp.Dent.Pract.7，1－9(2006).[5]李佳玲.牙菌斑检测装置.中国专利：CN211325804U，2020.08.25.[6]蔡青，翁丽娟，祁怀理.便携式牙齿检查装置.中国专利：CN201720187674.6，2017.02.28.[7]陈庆光.荧光光谱能量比率的牙菌斑定量检测装置.中国专利：CN201610374159.9，2016.05.30.[8]W·米勒尔，M·舍普莱恩，赫尔穆特·亨德股份有限公司.用于牙菌斑检测的带有荧光装置的牙刷.中国专利：CN99808684.3，2001.08.22[9]E.Terreretal.，“Anewconceptinrestorativedentistry:light－inducedfluorescenceev