CC BY
7УДК 62
Сексенбаева Ж.К.
магистрант 2 курса обучения, Казахский национальный исследовательский технический университет
им. К.И. Сатпаева (г. Алматы, Казахстан)
АНАЛИЗ РАЗРАБОТКИ СХЕМОТЕХНИКИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГНАТОДИНАМОМЕТРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАГРУЗКИ ЗУБОВ
Аннотация: целью данного исследования является анализ разработки гнатодинамометра для измерения жевательной силы с использованием современных инженерных решений и программного обеспечения. В ходе работы были использованы методы SD-моделирования, программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (FEM), а также оценены материалы и структура устройства. В результате исследования разработан и протестирован прототип гнатодинамометра, способного выдерживать нагрузки до 1000 Н с применением нержавеющей стали и новой конструктивной схемы зажима и датчиков. Работа завершена созданием финальной версии устройства с улучшенными механическими характеристиками и точностью измерений.
Ключевые слова: гнатодинамометр, жевательная сила, SD моделирование, стоматология, механическая прочность.
Введение. Измерение жевательной силы имеет важное значение в стоматологической практике для диагностики нарушений функции жевательной системы и оценки эффективности лечения. Окклюзионная жевательная сила (OBF) отражает взаимодействие зубных рядов при смыкании челюстей и может варьироваться в зависимости от состояния зубочелюстной системы и силы жевательных мышц [1]. Для измерения этих параметров широко применяются гнатодинамометры, однако их высокая стоимость и сложность в эксплуатации ограничивают использование в повседневной практике [2].
Настоящее исследование направлено на разработку нового типа гнатодинамометра, который будет легким в использовании, доступным по цене и точным в измерении жевательной силы, особенно у детей. Проект основан на применении методов инженерного моделирования и анализа прочности, а также разработке программного обеспечения для сбора и обработки данных.
Литературный обзор. Исследования в области измерения жевательной силы развиваются с середины прошлого века. В работах Митина и других описаны методы оценки жевательной эффективности, которые основаны на анализе окклюзионных контактов зубов и компьютеризированной обработке данных [3]. Эти методы обеспечивают высокую точность измерений и позволяют получать подробные данные о нагрузке на зубы при смыкании челюстей.
Традиционные устройства для измерения жевательной силы, такие как гнатодинамометры с механическими датчиками, доказали свою эффективность, однако для современных условий требуются более мобильные и точные устройства с цифровыми датчиками и возможностью автоматической обработки данных [4]. В последние годы в стоматологическую практику активно внедряются цифровые технологии, позволяющие проводить мониторинг и диагностику жевательной нагрузки в реальном времени с минимальными затратами [5].
Материалы и методы. Разработка гнатодинамометра включала несколько этапов. Основными материалами для создания устройства были выбраны нержавеющая сталь марки 316 и более прочная сталь 440A, которая обеспечивала необходимую механическую прочность при нагрузках до 1000 Н. Для анализа прочностных характеристик устройства использовались программы SolidWorks и FEM для моделирования и симуляции нагрузок.
Основные компоненты устройства включают:
Зажим, удерживающий съемные наконечники.
Стрейн-датчики, измеряющие нагрузку на зубы.
Программное обеспечение для сбора и анализа данных в реальном времени.
Таблица 1. Основные компоненты гнатодинамометр.
Компонент Материал Назначение Функция
Стрейн-датчики Нержавеющая сталь Измерение деформации Регистрация жевательной силы
Зажим Сталь 440A Удержание наконечников Обеспечение стабильности
Наконечники Нержавеющая сталь Взаимодействие с зубами Измерение жевательной силы
Программное обеспечение Анализ данных Автоматический сбор данных
Результаты и обсуждение. Первоначальный прототип устройства был изготовлен из нержавеющей стали 316, которая обеспечивала устойчивость к деформациям, однако при нагрузке свыше 100 Н произошла пластическая деформация. Это потребовало замены материала на более прочную сталь 440A, что позволило увеличить прочность устройства и устойчивость к нагрузкам до 1000 Н [6].
В процессе разработки были проведены следующие итерации изменений:
Увеличение толщины зажима для повышения устойчивости к нагрузкам.
Удаление углов для уменьшения концентрации напряжений.
Оптимизация размещения стрейн-датчиков для повышения точности измерений (Таблица 2).
Таблица 2. Итерационные изменения конструкции гнатодинамометра.
Итерация Материал Геометрические изменения Прочностные результаты
1-я Нержавеющая сталь Без изменений Устройство не выдерживает 100 Н
2-я Сталь 440A Увеличение толщины зажима Прочность увеличена до 500 Н
3-я Сталь 440A Удаление углов и увеличение высоты Прочность увеличена до 1000Н
Окончательная версия устройства, разработанная после нескольких итераций, продемонстрировала способность выдерживать нагрузки до 1000 Н без пластических деформаций. Это стало возможным благодаря использованию более прочных материалов и оптимизации геометрии устройства. Результаты симуляции методом конечных элементов показали, что максимальные напряжения наблюдаются в области соединения зажима и наконечников, однако эти значения находятся в пределах допустимых для выбранных материалов (Таблица 3).
Таблица 3. Результаты симуляции конечных элементов.
Компонент Максимальные напряжения Прочностные результаты
Наконечники 1200 МПа Допустимые значения
Зажим 1400 МПа Допустимые значения
Стрейн-датчики 1000 МПа Допустимые значения
Дальнейшие испытания показали, что устройство полностью удовлетворяет требованиям к измерению жевательной силы у пациентов, особенно детей, где средняя жевательная нагрузка составляет около 200 Н (Таблица 4).
Таблица 4. Жевательная нагрузка у детей и взрослых
Возрастная группа Средняя жевательная нагрузка (Н) Максимальная нагрузка (Н)
Дети (6-12 лет) 150 Н 250 Н
Подростки (13-18 лет) 300 Н 600 Н
Взрослые 400 Н 1000 Н
Заключение. Разработка гнатодинамометра для измерения жевательной силы представляет собой важный шаг в области стоматологии и биоинженерии, объединяющий научные достижения в механике, материаловедении и программировании. Проведенное исследование показало, что современные инженерные методы, такие как 3D-моделирование и метод конечных элементов (FEM), позволяют эффективно проектировать медицинские устройства, которые отвечают как требованиям высокой точности, так и безопасности.
Главной задачей данного исследования было создание устройства, способного выдерживать нагрузки до 1000 Н, что соответствует максимальной жевательной силе взрослых пациентов. Важным элементом разработки стало использование более прочных материалов, таких как сталь 440A, что позволило повысить устойчивость устройства к механическим нагрузкам. Применение симуляций FEM дало возможность оценить потенциальные точки концентрации напряжений и провести необходимые изменения в конструкции, что обеспечило высокую точность измерений и долговечность устройства.
В ходе работы также было разработано специализированное программное обеспечение, которое автоматизирует процесс сбора и анализа данных, что делает использование устройства более простым и удобным как для пациентов, так и для медицинского персонала. Это программное обеспечение позволяет в реальном времени анализировать результаты измерений, что существенно ускоряет процесс диагностики и делает его более точным.
Особое внимание уделялось созданию удобного и безопасного устройства для детей, что требует особых подходов в дизайне и выборе материалов. Изучение жевательной силы в педиатрии имеет важное значение для ранней диагностики проблем с зубочелюстной системой и корректировки аномалий в развитии зубов. Созданный гнатодинамометр может быть полезен для диагностики и мониторинга лечения детей, благодаря его способности регистрировать даже небольшие изменения в жевательной нагрузке.
Полученные результаты показывают, что предложенная конструкция удовлетворяет всем необходимым критериям по прочности и функциональности, что делает устройство перспективным для широкого применения в стоматологической практике. В будущем можно рассматривать возможность дальнейшего усовершенствования устройства, включая добавление функции автоматического калибрования и улучшение эргономических характеристик для повышения комфорта пациентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Бакке, М. (2006). Сила укуса и окклюзия. Семинары по ортодонтии, 12(2), 120-126. https://doi.Org/10.1053/j.sodo.2006.01.005;
2. Араужо, С. К. К. С., Виейра, М. М., Гаспаротто, К. А., & Боммарито, С. (2014). Анализ силы укуса при различных типах малокклюзий по классификации Энгла. Ревиста CEFAC, 16(5), 1567-1578. https://doi.org/10.1590/1982-021620145113;
3. Шарипова, Г. К., и Муратова, Н. Б. (2023). Оценка жевательной эффективности при использовании гнатодинамометров нового поколения. Международный стоматологический журнал Центральной Азии, 19(4), 76-83;
4. Хюбнер, Р., Кунья, Т. Х. Р., Ласерда, Р. Г., Сантъяго, О., & Феррейра, М. В. Л. (2023). Разработка недорогого динамометра с артикулированными наконечниками для измерения силы укуса. Патент BR 10 2021 023693 0 A2;
5. Нурсеитова, Л. А., и Ахметов, Ж. К. (2020). Методы оценки жевательной функции в стоматологии. Современные технологии в медицине Казахстана, 14(2), 67-74;
6. Оспанова, Н. Б. (2019). Влияние жевательной нагрузки на состояние зубочелюстной системы у детей. Педиатрическая стоматология Казахстана, 10(4), 89-97
Seksenbayeva J.K.
K.I. Satbayev Kazakh National Research Technical University
(Almaty, Kazakhstan)
ANALYSIS OF DEVELOPMENT OF CIRCUITRY AND GNATHODYNAMOMETER SOFTWARE FOR MEASURING LOAD OF TEETH
Abstract: the purpose of this study is to analyze the development of a gnathodynamometer for measuring chewing force using modern engineering solutions and software. In the course of the work, 3D modeling methods, software for finite element analysis (FEM) were used, as well as materials and structure of the device were evaluated. As a result of the research, a prototype gnathodynamometer was developed and tested, capable of withstanding loads up to 1000 N using stainless steel and a new design scheme for clamping and sensors. The work has been completed by creating the final version of the device with improved mechanical characteristics and measurement accuracy.
Keywords: gnathodynamometer, chewing force, 3D modeling, dentistry, mechanical
strength.
