本文摘要：[摘要]光纤光栅传感技术具有体积
[摘要]光纤光栅传感技术具有体积小、灵敏度高、生物相容性好、灵活方便等优点，其无放射性、无创植入式的测量方法可能改变未来口腔研究的方式，可以作为传统口腔研究和检测手段的替代方法，近年来逐渐被口腔医生和学者们关注。本文全面综述了口腔领域中光纤光栅传感方法，介绍了目前口腔生物力学、口腔材料、口腔激光治疗以及其他口腔研究领域中应用的光纤光栅传感技术，以期为该技术在口腔领域的进一步应用提供借鉴和参考。
[关键词]光纤传感光纤布拉格光栅口腔生物力学
光纤光栅是一种通过光学方法使光纤纤芯折射率发生轴向周期性调制而形成的光学器件，其反射光波长对温度、应变等外界环境敏感，因此能以高分辨率测量许多物理参数。利用紫外曝光或飞秒激光技术[1]，可以低成本、批量化生产传感用光纤光栅，利用体光栅法、可调谐激光器扫描法等技术[2，3]，可以实现pm量级精度的光纤光栅波长解调，从而可以对外界信息实现高精度监测。
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光纤光栅传感信号为波长调制，能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串联进行多点测量，在结构健康、石油化工、土木工程、医学等方面具有广泛应用[4-6]。近年来，光纤光栅传感技术逐渐被应用于口腔医学研究。本文旨在阐述光纤光栅传感技术的原理，并概述其在口腔领域中的应用以及国内外的研究现状，以期为该技术在口腔领域的进一步应用提供借鉴和参考。
1基本原理
光纤布拉格光栅(fiberBragggrating，FBG)是应用最为广泛的一种光纤光栅，是光纤纤芯折射率沿轴向呈周期性变化形成的反射型光学带通滤波器件。当一束宽带光入射并在包含FBG的光纤中传播时，其中有一特定的窄带光因满足Bragg条件，得到极强的反射光。Bragg条件由下式给出λB=2neffΛ(1)式中，λB是布拉格波长，neff是纤芯的折射率，Λ是光栅周期。当温度和应变变化时，布拉格波长的相应改变为：△λB=2(Λneffε+neffΛε)△ε+2(ΛneffT+neffΛT)ΔT，(2)式中，第一、二项分别表示应变和温度引起FBG波长变化，应变和温度的波长响应(λB=1550nm)分别为1.2×10-3nm/με，10.3×10-3nm/℃[7]。
2光纤光栅传感技术在口腔领域的应用
光纤光栅具有微小的结构，适用于口腔局部空间、微植入体等的高分辨率温度、应变测量，与传统的电子类传感器相比，还具有生物相容性好、抗腐蚀、易于分布测量等优势，在口腔医疗和研究领域展现出良好的应用前景。
2.1口腔生物力学
2.1.1口腔种植生物力学研究：
种植技术已成为常规牙列缺失的主要治疗手段之一，但优化种植体-骨界面应力分布、提高种植体稳定性和寿命，一直是口腔种植领域的研究热点。口腔种植的生物力学研究方法主要包括有限元分析法、应力测试法、光弹应力分析法、数字图像相关分析法等[8]。FBG可植入监测口腔种植体引起的应力分布，是一种口腔生物力学研究的新方法。
葡萄牙Schiller等[9]使用FBG测量骨骼对牙种植体机械冲击的响应并评估负荷转移，以对新设计口腔种植体进行测试评价。考虑到监测所需的高度灵敏度、稳定性和准确性，测量种植体周围的静态和动态骨应变只能通过在骨骼结构内植入小尺寸的FBG应变传感器来实现。研究表明，测量结果与有限元结果具有良好的相关性，通过FBG的监测结果可以为改善牙种植体的设计提供支持。巴西Carvalho等[10]则研究了使用FBG传感器来测量由口腔植入物上的静态或冲击载荷引起的下颌表面处的应变，展示了FBG在口腔生物力学中应变测量的应用。研究中使用的FBG传感器能够检测干燥人尸体下颌骨动态应变频率分量高达10kHz的信号。
2.1.2口腔正畸生物力学研究：
光纤光栅在口腔正畸学领域主要用于检测口腔正畸引起的力学传递和骨骼应变，为优化正畸方案提供依据。
正畸生物力学研究的难点之一是获得施加力与牙周韧带反应之间的关联。由于牙周韧带复杂的几何形状和狭窄的宽度，很少有研究人员进行体内或体外牙周韧带应变测量。因此，需要新型的监测技术，获得由正畸矫治器建立的力分布数据，特别是获得在完整牙齿-牙周韧带-骨复合体的离体或体内环境中测量牙周韧带应变。FBG传感器具有较小的尺寸和对横向载荷的敏感性，为植入牙列和邻近骨骼中监测由正畸矫治器导致的牙周韧带的应力提供了可能。
巴西Milczewski等[11]使用FBG嵌入检测人造上颌骨与牙列内部应力的可能性，测量由牙齿矫正器具传递到牙列和相邻骨骼的内部张力。研究使用了FBG来监测上颌牙齿，并且使用多路复用光纤。这项研究提供了一种观察牙齿和骨骼内部结构中外力消散的新方法。加拿大Romanyk等[12]则使用FBG应变传感器研究牙齿-牙周韧带-骨复合体间和内部应变测量，证明了FBG可以用于可重复的离体的复合体应变测量，并具有体内测量的潜力。
在正畸微种植支抗研究方面，监测微种植体植入时在颌骨中产生的应力分布是评价种植体稳定性的重要手段。传统的应变片测量存在植入导致附加应力等问题。Trannin等[13]通过植入FBG测量微种植体植入颌骨模型中在特定牙根部产生的力，展示了光纤光栅可以达到其他技术无法实现的测量水平。
另外一些研究使用FBG比较不同上颌骨扩弓器引起的应变场。葡萄牙Carvalho等[14]采用FBG传感器测量上颌骨模型的应变场，并比较了有杆和无杆扩弓器的性能。
2.1.3咬合力研究
测量咬合力大小可以评估牙修复体或植入物的效果。已有的应变计等测量方法由于自身体积和刺激性等容易被口腔感知，引起患者不适而主动改变咬合方式，降低测量结果的准确性。具有尺寸小、生物相容性好、抗电磁噪声优势的FBG传感器是一种优选的替代方案。巴西的研究人员开发了一种基于FBG在上下第一磨牙之间最大交错咬合时确定人体咬合力的新方法[15]。FBG被封装在下牙列聚合物模型夹板中，将夹板定位在口腔中以施加压力，并监测咬合作用力，该研究证明了在体外和人体中使用FBG传感器的可行性，为研究小干预情况下的咬合力提供了一种有用的方法。
2.1.4口腔修复体研究
光纤光栅传感技术还被应用于阻鼾器、颌垫等口腔修复体的力学与温度参量测量以及人工颞下颌关节设计等。新加坡南洋理工大学的Tjin等[16]使用FBG传感器来监测睡眠呼吸暂停综合征患者佩戴的阻鼾器的压力和温度。FBG被刻在简单的光纤链中，嵌入在阻鼾器上，测量压力和温度的准确度分别高于0.5N和0.1℃。
FBG可以减少由监测过程引起的应力，是监测磨牙症患者的理想方案。巴西研究人员Franc等[17]和Fiorin等[18]使用嵌入FBG的颌垫来监测患者的下颌运动，并提出一种通过使用FBG监测装置和红外图像结合进行评估磨牙症患者多动症的方法，确定磨牙症发作中有节奏的咀嚼肌活动。巴西、葡萄牙和法国的联合团队还提出采用FBG传感器和有限元分析结合的方法，通过确定下颌骨应变来研究人体咀嚼系统的关节生物力学和运动特征，为人工颞下颌关节设计优化提供支撑。
印度Tiwari等[19]提出利用FBG研究和测量口腔防护器的冲击吸收能力的方案。在定制的口腔防护罩和颌骨模型上粘贴成对FBG，观察其在冲击载荷下的响应。两个FBG的应变值的差异可以反映护口器吸收的冲击能量。
2.1.5咀嚼过程研究
监测动物的食物消耗有助于确定动物健康相关信息和牧场的生产力。FBG可以低创、高可靠性的植入测量咀嚼引起的下颌骨变形。巴西Kalinowski等[20]采用FBG测量咀嚼不同类型食物和反刍引起的牛下颌骨表面的机械变形。FBG分布于活体动物中，将检测到的骨变形信号传递给数据采集仪器，将获取的信号应用于模式分类算法，以识别不同食物的咀嚼过程。近年来，还有学者对光纤光栅传感技术在口腔生物力学中的应用进行介绍[5，21]，表明光纤传感技术在口腔领域的巨大应用潜力。
2.2口腔材料
光纤光栅可以植入口腔材料中，实现固化温度、收缩特性的在线测量，在口腔材料研究中具有重要的应用价值。比利时Ottevaere等[22]提出了一种使用高度双折射单模光纤传感器来监测粘结材料的收缩量以及牙齿粘结面结构在粘结过程中的连续应力的新方法，并且通过FBG精确监测固化过程中牙科树脂的线性应变和收缩。
巴西Karam等[4]使用FBG评估了两种双组分固化树脂在体外和原位测试中的收缩聚合。结果表明，两种聚合收缩值相似，固化5min后收缩率>60min时的收缩率。巴西Franco等[23]用FBG传感器研究批量填充流动牙科复合材料的辐照聚合特性，以评估软启动光固化技术在减少收缩聚合、改善修复界面完整性的效果，并监测经受不同辐照的填充流动牙科复合材料温度特性，评估由于放热反应和由光敏组分的光吸收引起的聚合物材料在聚合过程中的热传递。
2.3其他应用
近年来，光纤光栅传感技术还应用于激光组织消融监测等新的方向。意大利Fornaini等[24]演示1070nm光纤激光器对口腔组织消融的性能并通过基于FBG测量激光照射期间的热升高，表明FBG应用于动物模型的离体研究时，是记录热升高的良好仪器。
3结论与展望
实验研究和临床研究证实光纤光栅具有解决口腔医学领域相关问题的能力，表明光纤光栅具有良好的应用前景。但仍然需要认识到，光纤光栅在口腔领域方面的应用尚处于初级阶段，各种机制原理及作用参数尚未统一，光纤光栅测量的安全性和科学性也值得进一步的评价。因此，在口腔领域中还需医生和学者们对其应用进行更多的研究和探索。
参考文献
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[6]张文涛，黄稳柱，李芳.高精度光纤光栅传感技术及其在地球物理勘探、地震观测和海洋领域中的应用[J].光电工程，2018，45(9)：90-104.
作者：赵臻
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