基于布拉格光纤光栅传感器的光固化口腔复合树脂固化过程多参量同步演变动物在体测试技术研究

The most important reason for the failure of light-cured dental composites restoration is the shrinkage during polymerization. However, the result of shrinkage and other parameters for material properties during polymerization were achieved by different methods and from different environments in vitro, so it is doubtful about its accuracy for clinical work. In this project, by using Fiber Bragg Grating sensor, basing on the study of the measurement method and principle, we will achieve synchronous multiple properties' evolutions of the composites during polymerization in vivo. The properties are temperature, strain, modulus of elasticity and stress. The study includes three contents: Firstly, setting up of the measurement station, which includes design of the whole measurement project, preparation of the sensor and signal processing system for eliminating shearing strain and for reconstruction of nonuniform changes of Fiber Bragg Grating. In all above studies, the theoretical research is based on the coupled-mode equations, and the methods are layer-peeling algorithm, energy-related algorithm and Nelder-Mead simplex algorithm; Secondly, the study on the sensor principle, which includes the study of relationship between the response of Fiber Bragg Grating sensor and the composites properties, and the method for multiple properties' demodulations. The method in this part of study will be based on Micromechanics by Finite-Element calculation; Finally, the experiment study, which includes the experiments in vitro and evaluations and experiments in vivo taking advantage of the bilateral symmetry of animal teeth. This project will provide accuracy technical support for development of dental composites and prosthetic treatment .

光固化口腔复合树脂修复失败的最重要原因是复合树脂的固化收缩。但目前针对这种收缩及伴随的多个变化参量的测试结果均来自离体的不同环境和方法，不能有效指导临床治疗。本项目拟使用布拉格光纤光栅为传感器，研究在体测试技术，以获得固化过程中该材料多参量(包括温度、应变、弹性模量和应力)的同步演变数据。研究内容有：首先，建立测试平台，包括测试总体方案设计、传感器的研制，和建立旨在去除剪应力影响和重构非均匀变化的信号处理系统，以上相关理论研究均建立在光纤模式耦合理论之上，分别采用剥层算法、能量相关算法和Nelder-Mead simplex算法；其次，研究传感原理，包括基于细观力学分析法和有限元计算法的传感器响应与复合树脂材料特性关系研究，和多参量解调方法研究；最后，实验研究，包括离体牙内测试及评估，以及利用动物牙齿的双侧对称性的在体测试。本项目将为该材料的研发及临床修复质量的提高提供准确的测试技术支撑。

光固化口腔复合树脂修复失败的主要原因在于固化树脂的收缩。本项目针对这一问题，以布拉格光纤光栅为传感器按三个步骤进行了以下内容的研究，第一步进行光纤传感测试原理研究，为此，我们进行了a)埋入式光纤光栅传感器对宿主材料内力的测试原理的理论研究,获得了在薄膜厚度远小于光纤半径情况下，单层、双层和多层薄膜内应力与光纤光栅感知应力之间的关系，这一关系为光纤光栅测试外包层薄膜应力提供理论基础； b) 待测物厚度连续变化时，应力的测试方法研究；获得了行之有效的一整套应力测试实施步骤、使用的公式；c)厚树脂包层在聚合收缩、热膨胀等条件下应力变化时对光栅的应力传递的理论研究；获得了布拉格光纤光栅中心应力与厚树脂包层各参数变化之间的对应关系，为下一步实验研究提供了理论支撑；第二步进行多参量测试方法的研究；获得了柱状口腔复合树脂光固化过程中温度与应力的变化曲线；第三步动物实验技术研究，获得了离体情况下光纤光栅的测试结果。由于实验结果数据重复性差，我们寻求新的传感器和传感技术的研究。为此我们研究了基于保偏布拉格光纤光栅的超声波传感用于复合材料特性的研究，发现垂直于光纤轴向发射的超声导波在保偏布拉格光纤光栅慢轴响应时，可解决了模式的混叠问题；我们在太赫兹波段设计获得了a)低损耗高双折射率十字架型THz光纤；b)单偏振单模微结构光纤，这种光纤不存在偏振耦合现象，具有大的空气占空比，有利于传感应用时，进行液体、气体填充，并与传输光产生强的相互作用，实现高精度的传感应用。C) 非对称型双悬挂芯太赫兹偏振分束器研究，获得了可为光纤传感系统提供偏振度良好、损耗小的功能器件。本项目的实施为口腔树脂的多参量实时在体测试提供了理论与实验研究基础，针对研究中出现的新情况，探索了新的传感技术。本研究将促进材料的性能的完善，进而提高口腔复合树脂材料修复成功率及长时间的有效性。

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