一种具有实时温度显示的口腔光固化系统的制作方法

1.本发明涉及一种口腔医疗器械，具体涉及一种口腔光固化系统。

背景技术：

2.自光固化复合树脂被引入口腔医疗领域以来，因其优异的美学及机械性能倍受青睐。光固化灯作为固化光源，其正确且高效的应用成为影响固化效果的关键因素。
3.光固化灯主要分为卤素灯、等离子弧光灯、氩激光灯和发光二极管（led）光固化灯。等离子弧光灯及氩激光灯因性能差被淘汰，而后卤素灯成为主流。随着led光固化灯的发展，因其具有独特的发射光谱、固化效率高、寿命长等优势，逐步取代其他类型光固化灯，成为树脂材料固化设备的标准设备。
4.充足及适当的光照强度可保证树脂单体充分转化，这是树脂获得理想物理性能的前提。传统观点认为，光照强度越高固化越充分，而新一代光固化灯的光照强度已超过5000 mw/cm2。高强度光照可补偿光源通过牙齿结构时光能的损失，但光照强度过高可导致树脂硬度下降，并促进聚合收缩，使窝洞与树脂界面无法紧密贴合而发生微渗漏。由于在过高光照强度下树脂表层迅速形成高度交联的聚合物网络，使通过的光线面积减小，造成聚合链交联频率低，从而导致弹性模量及硬度降低。因此，光照强度过高或过低均不利于聚合反应。
5.光固化灯的光照强度通常被默认为是单一数值，但事实上灯头处的光输出是不均匀的，这可导致树脂局部固化不足或固化过度，从而减少使用寿命。光固化灯灯头光照强度不均会导致固化后复合树脂表面硬度不均。此外，现有光固化灯光导棒输出端面为平面，限制了出射光的角度和照射面积。
6.光固化复合树脂制备过程简单，具有良好的可塑性及固化后可打磨、抛光等优点。复合树脂的主要成分是树脂基体、无机填料和光引发体系，用特定的光照射配置好的粘度适当的混合浆体并使其固化，即可用得到的树脂材料修复牙齿的缺损，因此在牙科修复领域受到了广泛关注。因为树脂材料的固有特性，在光固化过程中会产生一定的聚合收缩，使得复合树脂的温度以及所受应力发生改变。而聚合收缩正是影响复合树脂材料使用寿命以及影响其优势发挥的重要因素。所以研究复合树脂材料在光固化过程中的温度和应力的变化情况对于其在牙科修复领域的应用有着重大的实际意义。因此，实时监测光固化过程中复合树脂的温度，进而实时调节光固化灯的光照强度，是保证光固化效果的可行手段。
7.传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，目前，现有的监测手段多以电子式传感器为主，易受电磁干扰，在医学高精度测量及远距离传输等方面存在较多使用限制。随着光通信技术的日益成熟，多个高校及科研院所将研究重点逐渐转移到了光学传感领域。作为一种新型的传感技术，光学传感技术突破了传统电传感器的技术瓶颈，能满足强电磁干扰环境下设备的无源、长距离、高精度、高分辨率监测需求，契合于医学高精度测量技术的发展方向。

技术实现要素：

8.发明目的：针对上述现有技术，提出一种具有实时温度显示的口腔光固化系统，能够由一个导光光纤探头形成不同的辐射区域，在固化过程中实现非接触式实时测温，并准确调控固化过程。
9.技术方案：一种具有实时温度显示的口腔光固化系统，包括主机、导光光纤、导光光纤探头；所述导光光纤探头包括与光纤轴呈夹角设置的倾斜光纤光栅以及位于顶端的球形探头；所述主机包括光源、环形器、光电转换器、信号处理器、显示器、光源驱动电路；所述光源发出的光传输到环形器的a端口，再经环形器的b端口和导光光纤传输到导光光纤探头，当光通过倾斜光纤光栅区域时，光的s偏振被分离耦合出光纤纤芯成为辐射模，在导光光纤探头的侧面形成倾斜光纤光栅辐射区，光的p偏振分量无损耗通过倾斜光纤光栅区域后，在球形探头外形成球形探头辐射区；待固化树脂发出的辐射光经导光光纤探头收集后，反向传送到环形器的b端口，再从环形器的c端口传输到光电转换器，转成电信号后送入信号处理器，信号处理器采用比测温法计算待固化树脂的温度，计算出来的温度送往显示器显示；信号处理器同时根据计算出来的温度，结合待固化树脂材料类型，产生反馈信号到光源驱动电路，实时调整光源的输出功率。
10.进一步的，所述导光光纤的纤芯为石英材料，包层为折射率低于石英的塑料或聚合物材料，导光光纤的直径为2mm～13mm，数值孔径为0.37～0.48，透光波长为250nm～2400nm。
11.进一步的，所述导光光纤探头的球形探头中加入光扩散颗粒，光扩散颗粒的粒径为1-8 μm。
12.进一步的，所述导光光纤探头中，倾斜光纤光栅呈用45度设置。
13.进一步的，所述光扩散颗粒为珠光粉、玻璃微珠、荧光剂或透明陶瓷微珠。
14.有益效果：1）本发明提供的一种具有实时温度显示的口腔光固化系统，光源输出的紫外光进入导光光纤探头，当光通过倾斜光纤光栅区时，其p偏振分量无损耗通过，而s偏振被分离耦合出光纤纤芯成为辐射模，在导光光纤探头侧面形成倾斜光纤光栅辐射区，可实现导光光纤探头的侧面照射功能。
15.光纤探头的球形探头中加入光扩散颗粒，p偏振分量到达球形探头区后遇到光扩散颗粒，发生传播方向的改变，进而从球形端面的各个方向扩散发射出来，在导光光纤探头出射端形成发光区域更大，发光更加均匀、功率更加稳定的球形探头辐射区。
16.倾斜光纤光栅辐射区和球形探头辐射区的组合，可以在口腔过程中，形成照射区域更大、照射角度更多、照射强度更加稳定的光照区域，实现多牙位不同区域同时光照，避免待固化树脂局部固化不足或局部固化过度。
17.2）待固化树脂发出的辐射光经导光光纤探头收集后，反向传送到信号处理器，信号处理器采用比测温法计算待固化树脂的温度，结合待固化树脂材料类型，计算产生反馈信号，实时调整光源的驱动电流，进而通过光源驱动电路实时调整光源的输出功率，使得光照强度更加稳定，同时可控制光照时间，使得固化过程更加精准可控。
18.3）采用光学传感技术实现复合树脂在固化过程中的非接触式实时温度监测，突破
了传统电传感器的技术瓶颈，能满足强电磁干扰环境下设备的无源、长距离、高精度、高分辨率监测需求，契合于医学高精度测量技术的发展方向。非接触式测温与接触式测温相比，不需与测温对象直接接触,是通过接收被测物体所辐射的电磁波进行测量的，因此不会破坏被测对象的原有温度场，而且测量范围广，其具有性能可靠、成本较低、使用寿命长等优势。
附图说明
19.图1是本发明系统的结构示意图；图2是导光光纤探头中倾斜光纤光栅的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
21.如图1所示，一种具有实时温度显示的口腔光固化系统，包括主机1、导光光纤2、导光光纤探头3。其中，导光光纤探头3包括与光纤轴呈夹角设置的倾斜光纤光栅301以及位于顶端的球形探头302。
22.主机1包括光源11、环形器12、光电转换器13、信号处理器14、显示器15、光源驱动电路16。光源11发出的光传输到环形器12的a端口，再经环形器12的b端口和导光光纤2传输到导光光纤探头3，当光通过倾斜光纤光栅301区域时，光的s偏振被分离耦合出光纤纤芯成为辐射模，在导光光纤探头3的侧面形成倾斜光纤光栅辐射区303，光的p偏振分量无损耗通过倾斜光纤光栅301区域后，在球形探头302外形成球形探头辐射区304。
23.待固化树脂发出的辐射光经导光光纤探头3收集后，反向传送到环形器12的b端口，再从环形器12的c端口传输到光电转换器13，转成电信号后送入信号处理器14，信号处理器14采用比测温法计算待固化树脂的温度，计算出来的温度送往显示器15显示。信号处理器14同时根据计算出来的温度，结合待固化树脂材料类型，产生反馈信号到光源驱动电路16，实时调整光源11的输出功率。
24.本实施例中，导光光纤2的纤芯为石英材料，包层为折射率低于石英的塑料或聚合物材料；导光光纤2的直径为2mm～13mm，数值孔径为0.37～0.48，数值孔径远大于通信光纤，所以它的集光能力比通信光纤强；其透光波长为250nm～2400nm，满足光固化灯的波长使用要求。
25.导光光纤探头3中，倾斜光纤光栅301呈用45度设置，并通过调整光栅区长度来调整倾斜光纤光栅辐射区303的辐射强度。
26.倾斜光纤光栅301的结构如图2所示。其制作的方法是将相位模板与光纤轴向旋转一定角度，利用光敏光纤的光敏性，通过紫外曝光，将入射光的相干场图样写入纤芯，在纤芯内形成沿轴向具有一定周期的折射率调制结构。当入射光到达折射率条纹处时，入射光在折射率调制区分界面上将会发生反射和折射，这是因为入射光在折射率调制区分界面上的入射角满足式(1)的布儒斯特角条件，所以其p偏振分量无损耗通过，而 s偏振被分离耦合出光纤纤芯成为辐射模，并且不同波长入射光拥有不同的辐射角。
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(1)式中，n1为纤芯中未经紫外曝光区域的折射率，n2为经曝光后调制区域的折射率。
采用紫外曝光的方法形成光致折射率变化是非常微小的，一般在10-5
～10-3
数量级，相对于纤芯原来的折射率可以近似认为n2约等于n1，根据式(1)，其布儒斯特角为45度。
28.导光光纤探头3的球形探头302中加入光扩散颗粒，光的p偏振分量到达球形区后遇到光扩散颗粒，发生传播方向的改变，进而从球形端面的各个方向扩散发射出来，在导光光纤探头出射端形成发光区域更大，发光更加均匀、功率更加稳定的球形探头辐射区304。
29.导光光纤探头3的球形探头302能够扩大导光光纤探头接收辐射光的孔径角，提升辐射光的耦合效率，进而提高温度计算准确度。球形探头302的制作方法包括2种：1）在导光光纤探头3的光纤端面上粘接一个树脂的半球透镜，半球透镜中加入特殊的助剂，如珠光粉、玻璃微珠、荧光剂和透明陶瓷微珠等，形成光扩散颗粒。2）在导光光纤探头3的光纤的端面烧制出端面，烧制的光源可以采用电弧、气体火焰或大功率激光器，在端面加入珠光粉、玻璃微珠、荧光剂和透明陶瓷微珠等特殊的助剂，光纤端面在热源的作用下溶化后再自然冷却，由于表面张力的作用，会形成各种弧度的圆球形端面，同时，光扩散颗粒会充分均匀融溶在所制成的球形端面中。
30.为了降低加入光扩散颗粒对光纤传输性能的影响，光扩散颗粒采用较小的颗粒度，光扩散颗粒的粒径为1-8 μm，以保证导光光纤探头的透明性，并且散射体与导光光纤探头有较好的相容性为佳。
31.本发明中，信号处理器14采用比测温法计算待固化树脂的温度，光纤比测温法具有测量精度高、温度响应速度快、抗电磁干扰、信号损耗少的特点，同时还可以有效地减小被测物体的发射率变化、环境干扰、器件老化等因素带来的测量误差，能够在一些易燃易爆、强电磁干扰、强腐蚀、空间狭小、直接瞄准有困难的场合中应用，因此特别适合与本发明的口腔固化中。
32.本发明的一种具有实时温度显示的口腔光固化系统，通过由倾斜光纤光栅和球形探头组成的导光光纤探头，在导光光纤探头侧面形成斜光纤光栅辐射区，在导光光纤探头出射端形成发光区域更大，发光更加均匀、功率更加稳定的球形探头辐射区。待固化树脂发出的辐射光经导光光纤探头收集后，反向传送到信号处理器，信号处理器采用比测温法计算待固化树脂的温度，结合待固化树脂材料类型，产生反馈信号，实时调整光源的驱动电流，进而通过光源驱动电路实时调整光源的输出功率，使得光照强度更加稳定。
33.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种具有实时温度显示的口腔光固化系统，其特征在于，包括主机（1）、导光光纤（2）、导光光纤探头（3）；所述导光光纤探头（3）包括与光纤轴呈夹角设置的倾斜光纤光栅（301）以及位于顶端的球形探头（302）；所述主机（1）包括光源（11）、环形器（12）、光电转换器（13）、信号处理器（14）、显示器（15）、光源驱动电路（16）；所述光源（11）发出的光传输到环形器（12）的a端口，再经环形器（12）的b端口和导光光纤（2）传输到导光光纤探头（3），当光通过倾斜光纤光栅（301）区域时，光的s偏振被分离耦合出光纤纤芯成为辐射模，在导光光纤探头（3）的侧面形成倾斜光纤光栅辐射区，光的p偏振分量无损耗通过倾斜光纤光栅（301）区域后，在球形探头（302）外形成球形探头辐射区；待固化树脂发出的辐射光经导光光纤探头（3）收集后，反向传送到环形器（12）的b端口，再从环形器（12）的c端口传输到光电转换器（13），转成电信号后送入信号处理器（14），信号处理器（14）采用比测温法计算待固化树脂的温度，计算出来的温度送往显示器（15）显示；信号处理器（14）同时根据计算出来的温度，结合待固化树脂材料类型，产生反馈信号到光源驱动电路（16），实时调整光源（11）的输出功率。2.根据权利要求1所述的具有实时温度显示的口腔光固化系统，其特征在于，所述导光光纤（2）的纤芯为石英材料，包层为折射率低于石英的塑料或聚合物材料，导光光纤（2）的直径为2mm～13mm，数值孔径为0.37～0.48，透光波长为250nm～2400nm。3.根据权利要求1所述的具有实时温度显示的口腔光固化系统，其特征在于，所述导光光纤探头（3）的球形探头（302）中加入光扩散颗粒，光扩散颗粒的粒径为1-8 μm。4.根据权利要求1所述的具有实时温度显示的口腔光固化系统，其特征在于，所述导光光纤探头（3）中，倾斜光纤光栅（301）呈用45度设置。5.根据权利要求3所述的具有实时温度显示的口腔光固化系统，其特征在于，所述光扩散颗粒为珠光粉、玻璃微珠、荧光剂或透明陶瓷微珠。

技术总结

本发明公开了一种具有实时温度显示的口腔光固化系统，包括主机、导光光纤、导光光纤探头。当光源发出的光到达导光光纤探头的倾斜光纤光栅区域时，S偏振被分离耦合出光纤纤芯，在探头的侧面形成倾斜光纤光栅辐射区，无损耗通过的P偏振分量在出射端形成球形探头辐射区。待固化树脂发出的辐射光经导光光纤探头收集后，反向传送到主机，采用比测温法计算待固化树脂的温度，结合待固化树脂材料类型，产生反馈信号到光源驱动电路，实时调整光源的输出功率。倾斜光纤光栅辐射区和球形探头辐射区的组合可以在口腔过程中形成照射区域更大、照射角度更多、照射强度更加稳定的光照区域，避免待固化树脂局部固化不足或局部固化过度。避免待固化树脂局部固化不足或局部固化过度。避免待固化树脂局部固化不足或局部固化过度。