智能牙刷头及自动识别刷牙盲区的方法

技术领域

本发明涉及智能牙刷技术领域。

背景技术

口腔是人体的重要组成器官，更是消化系统的前端。口腔疾病不仅会对牙齿、牙床、牙髓等造成伤害，还会导致齿龈出血、牙齿过敏、牙釉质脱矿质等问题。在日常生活中，一切能够引起口腔疾病的因素，都将直接或间接的影响全身的健康。国内，仅1％人口的牙齿能够达到健康标准，成人的口腔发病率更是达到总人口的60～80％，儿童的口腔健康问题也日趋严峻。尽管口腔护理受到越来越多家长的重视，但大部分家长对儿童口腔护理存在误区。最近的调查显示，超过六成家庭的儿童遇到过口腔问题(如龋齿)。龋齿主要是由口腔中的变形链球菌引起，5岁儿童患龋齿率达66％，其中97％未得到及时的治疗。

随着物质生活水平的提高，人们越来越关注口腔的健康问题。健康的刷牙方法，不仅可以保持口腔清洁，还能消除口腔内食物碎片和牙面菌斑，减少口腔环境中的致病因素，对预防口腔疾病具有非常重要的作用。由于我国口腔健康教育匮乏，从幼儿期开始就缺乏专业的牙齿护理知识教育，因此大多数人不了解正确的刷牙方法，导致国人口腔疾病的高发。目前，教育和医学领域指导刷牙的模型仍停留在初级阶段，只能通过老师或医生口述来进行教学，不能满足人们对于正确刷牙指导的要求。电动牙刷的出现对牙齿的健康有一定的帮助，其通过高频微小颤动，能够最大限度的清除口腔内的污垢和残留物，可以保证牙齿清洁、保护牙龈、保护牙釉质等。然而，电动牙刷仍然难以解决人们刷牙方法的不正确而导致的系列口腔疾病和牙齿功能退化。因此，为了使人们可以方便有效的掌握正确的刷牙方法，让人们在刷牙的同时能够时刻掌握自己刷牙方法的正确与否，并且实时有效的将刷牙效果反馈出来，已成为目前亟待解决的问题。本发明将从牙刷头的智能化方向入手，通过智能化牙刷头，指导人们掌握正确的刷牙方法。

发明内容

本发明解决如何方便有效的掌握正确刷牙的方法，让人们在刷牙的同时能够时刻掌握自身刷牙方法的正确性，并且实时有效的将刷牙的效果反馈出来的问题。

本发明提供以下技术方案：

方案一、智能牙刷头，所述智能牙刷头包括刷头部件，所述刷头部件底部连接有刷杆，所述刷杆部件中包括多个相控超声波传感器和加速度传感器，所述多个相控超声波传感器固定在刷杆临近刷杆部件的位置，所述多个相控超声波传感器沿所述刷杆周向均匀分布；所述相控超声波传感器嵌入固定在刷杆的侧壁内；所述加速度传感器嵌入固定在所述刷杆中部的侧壁内，所述加速度传感器位于所述刷杆的内部。

进一步的，提供一种优选实施方式，所述相控超声波传感器为四个。

进一步的，提供一种优选实施方式，所述加速度传感器为六轴加速度传感器。

进一步的，提供一种优选实施方式，所述刷杆内部嵌有控制器，所述相控超声波传感器用于采集刷杆部件与所有牙齿之间的距离，并将所述距离发送给控制器；所述加速度传感器用于采集刷杆部件的在口腔内部的姿态，并将所述姿态发送给控制器。

进一步的，提供一种优选实施方式，所述控制器用于根据接收到的距离和姿态，获得刷杆部件位于口腔中的实时位置和姿态，并进一步判断其所刷的牙齿的位置。

方案二、一种自动识别刷牙盲区的方法，所述方法采用上述方案一中任意一个所述的刷杆部件实现，所述方法包括：

控制器用于实时采集加速度传感器和多个相控超声波传感器反馈的距离和姿态信息；

控制器用于根据实时反馈的具体距离和姿态信息，获得刷杆部件所刷的牙齿的位置；

控制器用于根据所刷实时接收的距离和姿态信息，进行信息融合处理，获得口腔内部空间的形貌图；

控制器用于根据所述形貌图以及刷杆部件所刷的牙齿的位置，获得牙齿没有被刷到的位置，即：刷牙盲区。

进一步的，提供一种优选实施方式，应用于牙刷头的相控超声波传感器具有三种能检测方式包括：相位检测法、脉冲回波法以及相控扫描法，所述相位检测法、脉冲回波法以及相控扫描法依次进行检测。

进一步的，提供一种优选实施方式，所述相控超声波传感器通过相位检测法对牙刷头与口腔内部的距离进行扫描的过程为：

在超声相位检测法中，通常超声波发射信号被描绘为：

而接收信号为：

发射与接受信号间的相位差：

故可以求得物体到传感器的距离x为：

上述公式中，ω是超声频率倒数，

进一步的，提供一种优选实施方式，所述脉冲回波法对智能牙牙刷刷头与口腔内部的距离进行扫描的过程为：

已知空气中声速为c，声传播时间t，则计算出传感器与目标反射点之间的距离s为：

假设声速一定的情况下,声速与温度的关系表达式为：

式中，r定压比热与定容比热的比值；R摩尔气体常数，空气为8.314472J/(mol·ol；T热力学温度K；M气体的摩尔质量，空气为2.89634，空气

上式表达为：

c＝331.5+0.607t

式中，t空气的实际温度，单位为℃。

本发明的有益之处在于：

鉴于人们对牙齿和口腔健康问题的重视程度，牙刷的智能化设计显得非常重要，在确保舒适和有效的基础上，更为人性化、方便化和智能化的互动型智能牙刷自然成为新的发展方向。因此，开发智能牙刷头，掌握刷牙过程的人与牙刷的交互关系，是实现口腔健康的重要的手段。从基本功能上来说，智能牙刷头与普通牙刷头是一致的，都是通过牙刷头对牙齿、牙龈和口腔进行清洁。

本发明与现有技术其不同之处在于，本发明在所述智能牙刷头内安装有多种传感器，可以感测人们在刷牙的过程中牙刷与牙齿表面所形成的角度、刷牙的位置、刷牙频率、颤动距离、牙刷拂刷牙面的力度等信息，并将这些信息通过语音和显示设备直观的表现出来，用以指导儿童和成年人科学的刷牙方法。此外，在医生教学和指导病人正确刷牙的过程中，使用此牙刷头可以让学生和病人直观的理解什么样的方法才是正确的刷牙方法，在平时的刷牙过程中逐渐纠正自己错误的刷牙方法，做到寓教于乐。

本发明还适用于刷牙过程自动监测领域。

附图说明

图1为本发明所述的智能牙刷头传感器位置的示意图。

图2为图1智能牙刷头的背面示意图。

图3为实施方式一所述的智能牙刷头的信号流向图。

图4为实施方式六所述的自动识别刷牙盲区的方法中单个相控超声传感器示意图。

其中，左侧为脉冲回波法，右侧为相控扫描法。

图5为本发明所述的控制原理图。

图6为本发明所述的口腔内部空间的形貌进行成像结果示意图。

图1中，1刷杆部件，2相控超声波传感器，3加速度传感器，4牙刷头接口。

具体实施方式

为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部实施方式。

实施方式一、参见图1说明本实施方式。本实施方式提供了智能牙刷头，所述刷杆部件1底部连接有刷杆，所述刷杆部件1中包括多个相控超声波传感器2和加速度传感器3，所述多个相控超声波传感器2固定在刷杆临近刷杆部件1的位置，所述多个相控超声波传感器2沿所述刷杆周向均匀分布；所述相控超声波传感器2嵌入固定在刷杆的侧壁内；所述加速度传感器3嵌入固定在所述刷杆中部的侧壁内，所述加速度传感器3位于所述刷杆的内部。

参见图1、图2说明本实施方式，本实施方式提出了一种智能牙刷，本实施方式所述的智能牙刷与现有技术不同的地方在于，本实施方式的智能牙刷上包含相控超声波传感器2和加速度传感器3，可以感测人在刷牙的过程中牙刷与牙齿表面所形成的角度、刷牙的位置、刷牙频率、颤动距离、牙刷拂刷牙面的力度等信息，并且在使用的过程中可以将这些信息通过语音和显示设备直观的表现出来，用以指导儿童和成年人科学的刷牙方法。

实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的智能牙刷头的进一步限定，所述相控超声波传感器2为四个。

参见图4说明本实施方式，图中标出了脉冲回波法以及相控扫描法的声场活动的方向,其中，核心为PZT系列压电陶瓷片，采用PI附铜为电极，构筑相控超声波传感器。

相控扫描法具体为：根据超声相控阵工作原理可知，超声波束声压分布可由激励时序和时间等参数进行有效的控制，从而达到偏转、聚焦和扫描的目的。参见图2右侧示意图，每个相控传感器的芯片按顺序从上至下进行激励，在上方的陶瓷具有最小的延迟时间，在下方的陶瓷具有最大的延迟时间，反之亦然。这种时滞规律导致了在重叠之后的波前出现了偏移和焦点。这种方法可以大大提高探测速度，简化探测设备，解决了探测空间受限的问题。

为了获得相控阵列声场，需对芯片的激励时延进行准确的计算。此处以一维线性阵列举为例，将激励晶片的数量为N，并将晶片编号为n(n＝0,1,2,...,N-1)，将晶片0作为一个例子。

上方的第一块压电陶瓷，以θ的声束的偏转角、f的焦距和间距为d的两块邻近的压电陶瓷来进行计算。用t

据上述方程可以解有如下t

传感器可以在牙刷头初入口腔时，较为高频率地使用相控扫描法模式进行空间扫描对口腔全貌进行探知。

实施方式三、本实施方式是对实施方式一提供的智能牙刷的进一步限定，所述加速度传感器3为六轴加速度传感器。

本实施方式所述的六轴加速度传感器为商业化产品，其品牌主要有Invernsense、维特智能、SI、Bosch、桥田、TDK等等。

参见图1说明实施方式二和实施方式三，本实施方式中过超声波传感器和六轴加速度传感器组合，实现刷牙过程的监测；不同于其他距离传感器，超声波式传感器具有成本低、测量范围广、抗干扰能力强等优点。主要传感部件由位于智能牙刷头的四颗呈环装分布的相控超声波传感器以及一颗六轴加速度传感器组成。且本实施方式中的传感器抗震能力、抗干扰能力、防水防腐蚀以及可变RPF能力。通过补偿性硬质封装以及电磁屏蔽方式对传感器本身进行保护，避免在震动中的功能性缺失。

其中加速度传感器对智能牙刷头自身的运动进行监测，同时辅助以相控超声波传感器对牙刷头与口腔内部的距离进行扫描。两种传感器所取得的信息进一步融合，可以对口腔内部空间形貌进行简要描绘。通过处理电路对刷牙路径、覆盖程度等信息分析处理后，在单次刷牙结束后，即对刷牙质量进行评估与提示。

本实施方式所述的六轴加速度传感器为微型六轴加速度传感器，位于刷杆部件1中心位置；根据陀螺仪原理可以较为精确地确定传感器本身的加速度进而积分推断位移。六轴加速度传感器具有高精度、体积小轻便、可编程且不需要维护，长久运行，安全、稳定等特点。

实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的智能牙刷头的进一步限定，所述刷杆内部嵌有控制器，所述相控超声波传感器2用于采集刷杆部件1与所有牙齿之间的距离，并将所述距离发送给控制器；所述加速度传感器3用于采集刷杆部件1的在口腔内部的姿态，并将所述姿态发送给控制器。

其中，相控超声波传感器2和加速度传感器3的工作原理为：所述智能牙刷内部电池的电信号通过超声传感器2转化为声波信号；声波信号在口腔中反射后，再被超声波传感器2将接收，通过超声波传感器2将声波信号转化成电信号，传输会控制装置。此处的超声波传感器2具有声波收发双功能，在传感器上采用分时复用的方法实现。同时，加速度传感器3产生的信号也传输回控制装置，具体内容参见图3，图3为智能牙刷头的信号流向图。

实施方式五、本实施方式是对实施方式四所述的刷杆部件的进一步限定，所述控制器用于根据接收到的距离和姿态，获得刷杆部件1位于口腔中的实时位置和姿态，并进一步判断其所刷的牙齿的位置。

所述相控超声波传感器2和加速度传感器3的信息融合采用卡尔曼Kalman滤波以及希尔伯特Hilbert包络线对刷杆部件1自身的运动进行解耦。

参见图4说明本实施方式，实施方式五和实施方式六加速度传感器检测到运动并在一段时间内停止，在此期间同步进行高频次的超声传感器相控阵扫描模式。如果按下开始键，则保留之前四个超声相控阵所采集的数据，视为智能牙刷已经进入口腔，并生成简略口腔形貌图初步判别漏齿、异形齿。否则，抛弃之前数据，排除疑似的误操作。具体操作为：

S1、在按下开始键后，位于刷杆部件1正面即与牙刷面平行的超声传感器随即切换为相位检测法以及脉冲回波法模式。目的在于：(1)、判别刷杆部件1是否离牙齿过近可提示力度过大；(2)、判断刷杆部件1与对应的牙齿的覆盖情况。

S2、双侧以及背侧相控超声波传感器2，继续采用相控阵扫描技术。

S3、图5为检测示意图，在S2、S3过程中，采用加速度传感器3，同步记录刷杆部件1所移动的情况。综合四个超声波传感器，对各颗牙齿的距离进行差异分析，对口腔形貌进行详细探知。

S4、在结束刷牙后，对刷牙力度以及漏刷情况进行提示。

S5、多次刷牙实践中，经提示后，进行补刷。应用多层AI机械学习。

S6、对口腔形貌进行确定，并通过传感器及牙刷头接口4储存于智能牙刷手柄上。

参见图5和图6说明本实施方式，图6所示的结果示意图为牙齿热区图，可以掌握每一颗牙齿在刷牙动作中的覆盖情况。如图中红色方框所示，位于口腔后侧的牙齿覆盖率相对较低。

实施方式六、本实施方式提出了一种自动识别刷牙盲区的方法，所述方法采用上述智能牙刷头实现，所述方法包括：

控制器用于实时采集加速度传感器3和多个相控超声波传感器2反馈的距离和姿态信息；

控制器用于根据实时反馈的具体和姿态信息，获得刷杆部件1所刷的牙齿的位置；

控制器用于根据所刷实时接收的距离和姿态信息，进行信息融合处理，获得口腔内部空间的形貌图；

控制器用于根据所述形貌图以及刷杆部件1所刷的牙齿的位置，获得牙齿没有被刷到的位置，即：刷牙盲区。

本实施方式将所述的智能牙刷头的设计方法应用于自动识别刷牙盲区方法中，可以感测人们在刷牙的过程中牙刷与牙齿表面所形成的角度、牙刷的刷牙位置、刷牙频率、颤动距离以及牙刷拂刷牙面的力度等。

实施方式七、本实施方式是对实施方式六所述的一种自动识别刷牙盲区的方法的进一步限定，应用于刷杆部件1的相控超声波传感器2具有三种能检测方式包括：相位检测法、脉冲回波法以及相控扫描法，所述相位检测法、脉冲回波法以及相控扫描法依次进行检测。

参见图4说明本实施方式，图中标出了脉冲回波法以及相控扫描法的声场活动的方向。

相控扫描法具体为：根据超声相控阵工作原理可知，超声波波束声压分布可由激励时序和时间等参数进行有效的控制，从而达到偏转、聚焦和扫描的目的。参见图2右侧示意图，每个相控传感器的芯片按顺序从上至下进行激励，在上方的陶瓷具有最小的延迟时间，在下方的陶瓷具有最大的延迟时间，反之亦然。这种时滞规律导致了在重叠之后的波前出现了偏移和焦点。这种方法可以大大提高探测速度，简化探测设备，解决了探测空间受限的问题。

为了获得相控阵列声场，需对芯片的激励时延进行准确的计算。此处以一维线性阵列举例，将激励晶片的数量为N，并将晶片编号为n(n＝0,1,2,...,N-1)，将晶片0作为一个例子。

上方的第一块压电陶瓷，以θ的声束的偏转角、f的焦距和间距为d的两块邻近的压电陶瓷来进行计算。用t

据上述方程可以解有如下t

传感器可以在牙刷头初入口腔时，较为高频率地使用相控扫描法模式进行空间扫描对口腔全貌进行探知。

实施方式八、本实施方式是对实施方式七所述的一种自动识别刷牙盲区的方法的进一步限定，通过相位检测法获得刷杆部件1与所有牙齿之间的距离的方法为：

在超声相位检测法中，通常超声波发射信号可以被描绘为：

而接收信号为：

发射与接受信号间的相位差：

故求得物体到传感器的距离x为：

上述公式中，ω是超声频率倒数，

实施方式九、本实施方式是对实施方式七所述的一种自动识别刷牙盲区的方法的进一步限定，通过脉冲回波法对获得刷杆部件1与所有牙齿之间的距离的方法为：

已知空气中声速为c，声传播时间t，则可以计算出传感器与目标反射点之间的距离s为：

假设声速一定的情况下,声速与温度的关系表达式为：

式中，r定压比热与定容比热的比值；R摩尔气体常数，空气为8.314472J/(mol·ol；T热力学温度K；M气体的摩尔质量，空气为2.89634，空气

上式表达为：

c＝331.5+0.607t

式中，t空气的实际温度，单位为℃。

本实施方式中计算距离的方法前提是，假设声速一定的情况下。但实际应用中，超声波声速受介质密度影响，密度越大则传播速度越快。

本领域技术人员可以理解，以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，本公开的各个实施方式和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。并不用于限制本发明，尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

尽管已描述了本发明的优选实施方式，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施方式作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施方式以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。