本文摘要：[摘要]光纖光柵傳感技術(shù)具有體積
[摘要]光纖光柵傳感技術(shù)具有體積小、靈敏度高、生物相容性好、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，其無放射性、無創(chuàng)植入式的測量方法可能改變未來口腔研究的方式，可以作為傳統(tǒng)口腔研究和檢測手段的替代方法，近年來逐漸被口腔醫(yī)生和學(xué)者們關(guān)注。本文全面綜述了口腔領(lǐng)域中光纖光柵傳感方法，介紹了目前口腔生物力學(xué)、口腔材料、口腔激光治療以及其他口腔研究領(lǐng)域中應(yīng)用的光纖光柵傳感技術(shù)，以期為該技術(shù)在口腔領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供借鑒和參考。
[關(guān)鍵詞]光纖傳感光纖布拉格光柵口腔生物力學(xué)
光纖光柵是一種通過光學(xué)方法使光纖纖芯折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的光學(xué)器件，其反射光波長對溫度、應(yīng)變等外界環(huán)境敏感，因此能以高分辨率測量許多物理參數(shù)。利用紫外曝光或飛秒激光技術(shù)[1]，可以低成本、批量化生產(chǎn)傳感用光纖光柵，利用體光柵法、可調(diào)諧激光器掃描法等技術(shù)[2，3]，可以實(shí)現(xiàn)pm量級精度的光纖光柵波長解調(diào)，從而可以對外界信息實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測。
光學(xué)論文投稿刊物：《光學(xué)學(xué)報》發(fā)表內(nèi)容重點(diǎn)反映中國光學(xué)科技的新概念、新成果、新進(jìn)展。該雜志為我國光學(xué)科技工作者與國內(nèi)外同行進(jìn)行學(xué)術(shù)交流、開展學(xué)術(shù)討論提供了專業(yè)的學(xué)術(shù)平臺，利于我國光學(xué)事業(yè)的快速發(fā)展。
光纖光柵傳感信號為波長調(diào)制，能方便地使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串聯(lián)進(jìn)行多點(diǎn)測量，在結(jié)構(gòu)健康、石油化工、土木工程、醫(yī)學(xué)等方面具有廣泛應(yīng)用[4-6]。近年來，光纖光柵傳感技術(shù)逐漸被應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)研究。本文旨在闡述光纖光柵傳感技術(shù)的原理，并概述其在口腔領(lǐng)域中的應(yīng)用以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，以期為該技術(shù)在口腔領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供借鑒和參考。
1基本原理
光纖布拉格光柵(fiberBragggrating，F(xiàn)BG)是應(yīng)用最為廣泛的一種光纖光柵，是光纖纖芯折射率沿軸向呈周期性變化形成的反射型光學(xué)帶通濾波器件。當(dāng)一束寬帶光入射并在包含F(xiàn)BG的光纖中傳播時，其中有一特定的窄帶光因滿足Bragg條件，得到極強(qiáng)的反射光。Bragg條件由下式給出λB=2neffΛ(1)式中，λB是布拉格波長，neff是纖芯的折射率，Λ是光柵周期。當(dāng)溫度和應(yīng)變變化時，布拉格波長的相應(yīng)改變?yōu)椋骸?lambda;B=2(Λneffε+neffΛε)△ε+2(ΛneffT+neffΛT)ΔT，(2)式中，第一、二項(xiàng)分別表示應(yīng)變和溫度引起FBG波長變化，應(yīng)變和溫度的波長響應(yīng)(λB=1550nm)分別為1.2×10-3nm/με，10.3×10-3nm/℃[7]。
2光纖光柵傳感技術(shù)在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用
光纖光柵具有微小的結(jié)構(gòu)，適用于口腔局部空間、微植入體等的高分辨率溫度、應(yīng)變測量，與傳統(tǒng)的電子類傳感器相比，還具有生物相容性好、抗腐蝕、易于分布測量等優(yōu)勢，在口腔醫(yī)療和研究領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
2.1口腔生物力學(xué)
2.1.1口腔種植生物力學(xué)研究：
種植技術(shù)已成為常規(guī)牙列缺失的主要治療手段之一，但優(yōu)化種植體-骨界面應(yīng)力分布、提高種植體穩(wěn)定性和壽命，一直是口腔種植領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)�？谇环N植的生物力學(xué)研究方法主要包括有限元分析法、應(yīng)力測試法、光彈應(yīng)力分析法、數(shù)字圖像相關(guān)分析法等[8]。FBG可植入監(jiān)測口腔種植體引起的應(yīng)力分布，是一種口腔生物力學(xué)研究的新方法。
葡萄牙Schiller等[9]使用FBG測量骨骼對牙種植體機(jī)械沖擊的響應(yīng)并評估負(fù)荷轉(zhuǎn)移，以對新設(shè)計口腔種植體進(jìn)行測試評價�？紤]到監(jiān)測所需的高度靈敏度、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，測量種植體周圍的靜態(tài)和動態(tài)骨應(yīng)變只能通過在骨骼結(jié)構(gòu)內(nèi)植入小尺寸的FBG應(yīng)變傳感器來實(shí)現(xiàn)。研究表明，測量結(jié)果與有限元結(jié)果具有良好的相關(guān)性，通過FBG的監(jiān)測結(jié)果可以為改善牙種植體的設(shè)計提供支持。巴西Carvalho等[10]則研究了使用FBG傳感器來測量由口腔植入物上的靜態(tài)或沖擊載荷引起的下頜表面處的應(yīng)變，展示了FBG在口腔生物力學(xué)中應(yīng)變測量的應(yīng)用。研究中使用的FBG傳感器能夠檢測干燥人尸體下頜骨動態(tài)應(yīng)變頻率分量高達(dá)10kHz的信號。
2.1.2口腔正畸生物力學(xué)研究：
光纖光柵在口腔正畸學(xué)領(lǐng)域主要用于檢測口腔正畸引起的力學(xué)傳遞和骨骼應(yīng)變，為優(yōu)化正畸方案提供依據(jù)。
正畸生物力學(xué)研究的難點(diǎn)之一是獲得施加力與牙周韌帶反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)。由于牙周韌帶復(fù)雜的幾何形狀和狹窄的寬度，很少有研究人員進(jìn)行體內(nèi)或體外牙周韌帶應(yīng)變測量。因此，需要新型的監(jiān)測技術(shù)，獲得由正畸矯治器建立的力分布數(shù)據(jù)，特別是獲得在完整牙齒-牙周韌帶-骨復(fù)合體的離體或體內(nèi)環(huán)境中測量牙周韌帶應(yīng)變。FBG傳感器具有較小的尺寸和對橫向載荷的敏感性，為植入牙列和鄰近骨骼中監(jiān)測由正畸矯治器導(dǎo)致的牙周韌帶的應(yīng)力提供了可能。
巴西Milczewski等[11]使用FBG嵌入檢測人造上頜骨與牙列內(nèi)部應(yīng)力的可能性，測量由牙齒矯正器具傳遞到牙列和相鄰骨骼的內(nèi)部張力。研究使用了FBG來監(jiān)測上頜牙齒，并且使用多路復(fù)用光纖。這項(xiàng)研究提供了一種觀察牙齒和骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)中外力消散的新方法。加拿大Romanyk等[12]則使用FBG應(yīng)變傳感器研究牙齒-牙周韌帶-骨復(fù)合體間和內(nèi)部應(yīng)變測量，證明了FBG可以用于可重復(fù)的離體的復(fù)合體應(yīng)變測量，并具有體內(nèi)測量的潛力。
在正畸微種植支抗研究方面，監(jiān)測微種植體植入時在頜骨中產(chǎn)生的應(yīng)力分布是評價種植體穩(wěn)定性的重要手段。傳統(tǒng)的應(yīng)變片測量存在植入導(dǎo)致附加應(yīng)力等問題。Trannin等[13]通過植入FBG測量微種植體植入頜骨模型中在特定牙根部產(chǎn)生的力，展示了光纖光柵可以達(dá)到其他技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的測量水平。
另外一些研究使用FBG比較不同上頜骨擴(kuò)弓器引起的應(yīng)變場。葡萄牙Carvalho等[14]采用FBG傳感器測量上頜骨模型的應(yīng)變場，并比較了有桿和無桿擴(kuò)弓器的性能。
2.1.3咬合力研究
測量咬合力大小可以評估牙修復(fù)體或植入物的效果。已有的應(yīng)變計等測量方法由于自身體積和刺激性等容易被口腔感知，引起患者不適而主動改變咬合方式，降低測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。具有尺寸小、生物相容性好、抗電磁噪聲優(yōu)勢的FBG傳感器是一種優(yōu)選的替代方案。巴西的研究人員開發(fā)了一種基于FBG在上下第一磨牙之間最大交錯咬合時確定人體咬合力的新方法[15]。FBG被封裝在下牙列聚合物模型夾板中，將夾板定位在口腔中以施加壓力，并監(jiān)測咬合作用力，該研究證明了在體外和人體中使用FBG傳感器的可行性，為研究小干預(yù)情況下的咬合力提供了一種有用的方法。
2.1.4口腔修復(fù)體研究
光纖光柵傳感技術(shù)還被應(yīng)用于阻鼾器、頜墊等口腔修復(fù)體的力學(xué)與溫度參量測量以及人工顳下頜關(guān)節(jié)設(shè)計等。新加坡南洋理工大學(xué)的Tjin等[16]使用FBG傳感器來監(jiān)測睡眠呼吸暫停綜合征患者佩戴的阻鼾器的壓力和溫度。FBG被刻在簡單的光纖鏈中，嵌入在阻鼾器上，測量壓力和溫度的準(zhǔn)確度分別高于0.5N和0.1℃。
FBG可以減少由監(jiān)測過程引起的應(yīng)力，是監(jiān)測磨牙癥患者的理想方案。巴西研究人員Franc等[17]和Fiorin等[18]使用嵌入FBG的頜墊來監(jiān)測患者的下頜運(yùn)動，并提出一種通過使用FBG監(jiān)測裝置和紅外圖像結(jié)合進(jìn)行評估磨牙癥患者多動癥的方法，確定磨牙癥發(fā)作中有節(jié)奏的咀嚼肌活動。巴西、葡萄牙和法國的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)還提出采用FBG傳感器和有限元分析結(jié)合的方法，通過確定下頜骨應(yīng)變來研究人體咀嚼系統(tǒng)的關(guān)節(jié)生物力學(xué)和運(yùn)動特征，為人工顳下頜關(guān)節(jié)設(shè)計優(yōu)化提供支撐。
印度Tiwari等[19]提出利用FBG研究和測量口腔防護(hù)器的沖擊吸收能力的方案。在定制的口腔防護(hù)罩和頜骨模型上粘貼成對FBG，觀察其在沖擊載荷下的響應(yīng)。兩個FBG的應(yīng)變值的差異可以反映護(hù)口器吸收的沖擊能量。
2.1.5咀嚼過程研究
監(jiān)測動物的食物消耗有助于確定動物健康相關(guān)信息和牧場的生產(chǎn)力。FBG可以低創(chuàng)、高可靠性的植入測量咀嚼引起的下頜骨變形。巴西Kalinowski等[20]采用FBG測量咀嚼不同類型食物和反芻引起的牛下頜骨表面的機(jī)械變形。FBG分布于活體動物中，將檢測到的骨變形信號傳遞給數(shù)據(jù)采集儀器，將獲取的信號應(yīng)用于模式分類算法，以識別不同食物的咀嚼過程。近年來，還有學(xué)者對光纖光柵傳感技術(shù)在口腔生物力學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹[5，21]，表明光纖傳感技術(shù)在口腔領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
2.2口腔材料
光纖光柵可以植入口腔材料中，實(shí)現(xiàn)固化溫度、收縮特性的在線測量，在口腔材料研究中具有重要的應(yīng)用價值。比利時Ottevaere等[22]提出了一種使用高度雙折射單模光纖傳感器來監(jiān)測粘結(jié)材料的收縮量以及牙齒粘結(jié)面結(jié)構(gòu)在粘結(jié)過程中的連續(xù)應(yīng)力的新方法，并且通過FBG精確監(jiān)測固化過程中牙科樹脂的線性應(yīng)變和收縮。
巴西Karam等[4]使用FBG評估了兩種雙組分固化樹脂在體外和原位測試中的收縮聚合。結(jié)果表明，兩種聚合收縮值相似，固化5min后收縮率>60min時的收縮率。巴西Franco等[23]用FBG傳感器研究批量填充流動牙科復(fù)合材料的輻照聚合特性，以評估軟啟動光固化技術(shù)在減少收縮聚合、改善修復(fù)界面完整性的效果，并監(jiān)測經(jīng)受不同輻照的填充流動牙科復(fù)合材料溫度特性，評估由于放熱反應(yīng)和由光敏組分的光吸收引起的聚合物材料在聚合過程中的熱傳遞。
2.3其他應(yīng)用
近年來，光纖光柵傳感技術(shù)還應(yīng)用于激光組織消融監(jiān)測等新的方向。意大利Fornaini等[24]演示1070nm光纖激光器對口腔組織消融的性能并通過基于FBG測量激光照射期間的熱升高，表明FBG應(yīng)用于動物模型的離體研究時，是記錄熱升高的良好儀器。
3結(jié)論與展望
實(shí)驗(yàn)研究和臨床研究證實(shí)光纖光柵具有解決口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)問題的能力，表明光纖光柵具有良好的應(yīng)用前景。但仍然需要認(rèn)識到，光纖光柵在口腔領(lǐng)域方面的應(yīng)用尚處于初級階段，各種機(jī)制原理及作用參數(shù)尚未統(tǒng)一，光纖光柵測量的安全性和科學(xué)性也值得進(jìn)一步的評價。因此，在口腔領(lǐng)域中還需醫(yī)生和學(xué)者們對其應(yīng)用進(jìn)行更多的研究和探索。
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作者：趙臻
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