唐忠林楊建華雷宏偉

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院航空工程學院，陜西 咸陽 712000；2.西北工業(yè)大學自動化學院，陜西 西安 710072；3.西安蘇茂醫(yī)療科技有限公司，陜西 西安 710077)

牙周病是最普遍的口腔健康問題之一[1-2]，門診上普遍使用牙周探針進行牙周探診[3-4]，探診力測控和探診參數(shù)自動化測量與記錄是評價牙周探針發(fā)展代際的重要指標[5-7]。當前使用最普遍的牙周探針為第一代牙周探針，探診力控制全憑醫(yī)生的經(jīng)驗和手感，需要一名護士配合醫(yī)生記錄數(shù)據(jù)[8]。當前最先進的牙周探針為第三代牙周探針，如FLORIDA探針[9]，在第一代基礎(chǔ)上增加恒力裝置和自動測量電路[10]，一般把探診力限制在0.25N左右[11]，杜絕了醫(yī)生操作習慣對牙周診查的影響，還可以自動測量和記錄牙周袋深度數(shù)據(jù)。其問題在于:一是恒定力控制限制了醫(yī)生經(jīng)驗的發(fā)揮，不利于應(yīng)對患者齦下狀況的多樣性[7，12]；二是只能自動測量和記錄牙周袋深度數(shù)據(jù)，對其他牙周參數(shù)的測量和記錄還得依靠護士輔助完成。

探診力實時檢測和多個探診參數(shù)自動記錄是新一代牙周探針技術(shù)的發(fā)展方向。對于前者，方法包括薄膜式、彈簧式、摩擦式、氣壓式探診力傳感器等[13-15]。這些方法的缺點在于結(jié)構(gòu)復雜且消毒滅菌不便，難以實現(xiàn)產(chǎn)品化；對于后者，目前尚沒見相關(guān)的公開報導。鑒于人工智能中的語音交互技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[16-17]，本文在前期研發(fā)的基礎(chǔ)上，報導一種無線手持式的語音交互與力感知式智能牙周探針:設(shè)計差動電容式探針探頭進行探診力感知與顯示；利用醫(yī)生和儀器間的語音交互，自動記錄和傳輸多項牙周診查參數(shù)。

1 設(shè)計開發(fā)

1.1 探針探頭建模

語音交互與力感知牙周探針由手柄和探頭組成，其中手柄用于醫(yī)生握持和部件安裝，探頭用于探診檢查和探診力感知。根據(jù)探診力檢測范圍應(yīng)該覆蓋0～0.5 N的臨床要求[4，6，13]，設(shè)計差動平板式力感知探針探頭的驗證結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，包括:上下固定電極1，探針活動電極2，探針工作尖3，上下殼體蓋板4和上下電容隔板5等。其中，活動電極與上下固定電極之間在一端通過電容隔板等距隔開，在另一端懸空，與上下固定電極構(gòu)成具有對稱結(jié)構(gòu)的懸臂差動式電容傳感器；活動電極的右端與探針工作尖剛性連接，探針工作尖的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸符合我國醫(yī)藥行業(yè)標準YY/T 1622.1-2018對牙周探針的通用要求。所設(shè)計探針各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(b)所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 電容式力感知牙周探針的設(shè)計結(jié)構(gòu)

表1 探針探頭結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

在圖1(b)中建立(x，y)參考坐標系，原點為活動電極的固定點。F為探診力，沿軸線施加于探針工作尖端面，F(xiàn)′為探診力F的等效力，垂直作用于活動電極自由端。根據(jù)梁的變形理論，可以得到在探診力F作用下，活動電極懸臂部分的撓曲線表達式:

式中:x的取值范圍為0到B，B為活動電極的有效長度；E為電極材料的彈性模量；I為浮動電極的截面慣性矩，取決于活動電極的寬度W和厚度T；W，L，H，B，θ的尺寸關(guān)系如圖1(b)所示；G為浮動電極和探針工作尖的重量；K1、K2、K3為修正系數(shù)，分別用于修正探針工作尖的有限剛度、不規(guī)則形狀和非均勻重力分布對計算結(jié)果的影響。根據(jù)表1參數(shù)，采用SolidWorks靜應(yīng)力仿真對K1、K2、K3進行估計，方法為:在圖1(a)所示的三維模型中，分別施加力F和F′使活動電極達到相同的撓度，建立至少三組F和F′之間的對應(yīng)關(guān)系并求解以K1、K2、K3為未知數(shù)的方程。對K1、K2、K3的多組解的一個均值(0.98，1.75，0.95)，圖2給出了根據(jù)式(1)得到的活動電極的計算撓度曲線和仿真撓度曲線在探診力為0.1 N，0.3 N和0.5 N時的對比圖，兩條曲線沿x軸的最大相對撓度誤差小于±4.5%。

圖2 活動電極的計算撓度曲線和仿真撓度曲線的對比

這樣，在探診力F的撓曲作用下，活動電極和上下固定電極之間的總電容C u和C d可分別由式(2)和式(3)表示:

式中:D為活動電極和上下固定電極之間的初始間距；W為電極寬度；ε為空氣的介電常數(shù)；y為式(1)所示的活動電極懸臂部分的撓度曲線，取決于探診力F的大小，以y為變量的積分項為上(下)總電容在探診力作用下的可變分量；A為電容電極有效長度；C″u0和C″d0為上下總電容在電容隔板夾持固定部分和引線部分的固有分量。探診力F作用下牙周探針的差分電容可表示為:

1.2 探針電路設(shè)計

對1.1節(jié)所設(shè)計的探針探頭，在0～0.5 N探診力作用下，上下電容的變化量在0.1 pF量級，初始值在10 pF量級，據(jù)此選用24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換(CDC)芯片AD7745進行電容測量。AD7745的電容檢測精度高達4 fF，量程為±4 pF，可輸入最高17 pF的固定電容，具有差分電容測量模式，完全符合本文所設(shè)計的牙周探針的探診力檢測條件?；贏D7745的電容式力感知電路原理圖如圖3(a)所示，EXCA為激勵信號輸出端，通過接插件CN4接探針探頭的活動電極；CIN1(+)和CIN1(-)為檢測信號輸入端，通過接插件CN4分別接探針探頭的上下固定電極。AD7745通過I2C總線和處理器通信，處理器可通過查詢其RDY＃引腳的狀態(tài)及時讀取電容數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果并進行處理。檢測時，將AD7745的CapSetup寄存器的CAPDIFF控制位置1，使芯片工作在差分模式；繼而配置CAPDAC(+)和CAPDAC(-)寄存器，分別令其等于活動電極與上下固定電極之間的初始電容C u0和C d0，將上下電容的測量范圍分別調(diào)整到C u0±2pF和C d0±2pF以滿足芯片的量程要求。此時，CDC的差分電容測量值ΔC的值為:

圖3 語音交互與力感知式智能牙周探針電路的關(guān)鍵模塊原理與PCB板圖

式中:C u和C d分別為活動電極與上下固定電極之間的測量電容。根據(jù)式(2)和式(3)，C u0和C d0的表達式分別為:

探針模擬普通牙周探診過程中醫(yī)生和護士語言互動的場景，通過語音交互實現(xiàn)探診參數(shù)讀取與自動記錄的目的。其應(yīng)用場景中的語音交流具有以下特點:①需要具備語音播報和語音識別的雙重能力；②語音識別時需要面向具有不同發(fā)音習慣的醫(yī)生；③語音識別以簡單的數(shù)據(jù)短語為主，比如牙位編號和出血指數(shù)等，總識別短語量在40條左右?？蛇x用LD3320語音識別專用芯片實現(xiàn)以上功能，該芯片無需外圍輔助器件即可支持MP3播放功能，能進行非特定人語音識別且準確率高達95%，每次識別可以設(shè)置多達50條長度不超過10個漢字拼音的候選語句，完全滿足所設(shè)計牙周探針的語音交互要求。牙周探針語音交互電路的原理圖如圖3(b)所示。LD3320通過SPI總線與處理器通信，并由處理器提供MCO_CLK時鐘信號。LD3320的SCS、SPIS、nRST和nINT等功能引腳與處理器的部分通用IO引腳連接，形成狀態(tài)控制接口。芯片的語音輸入由麥克風MIC1及其輔助電路實現(xiàn)；MP3語音播報輸出接揚聲器SPK1。

基于以上兩個關(guān)鍵功能電路模塊，開發(fā)了完整的語音交互與力感知式智能牙周探針電路PCB，如圖3(c)和圖3(d)所示。整體電路包括STM32F103處理器模塊1，LD3320語音交互模塊2，AD7745電容檢測模塊3，HY-40R204低功耗藍牙模塊4，鋰電池充放電電源管理模塊5，紅綠兩色探診力LED指示燈6，8Ω0.5 W扁平喇叭7，全指向駐極體咪頭8，探診按鈕接入端口9，SD卡存儲器10和探針探頭差動電容接入端口11等功能電路和關(guān)鍵部件，可完成探診力檢測與顯示、探診過程語音交互、探診結(jié)果無線傳輸與本地存儲等功能。

1.3 探針軟件開發(fā)

探針的軟件架構(gòu)如圖4所示，采用分層設(shè)計思想。最底層是芯片驅(qū)動層，由STM32F103單片機的內(nèi)核文件以及片上外設(shè)驅(qū)動庫組成。中間層是電路驅(qū)動層，包括探針電路板上各電路功能模塊的驅(qū)動文件，采用模塊化設(shè)計，例如LD3320的驅(qū)動文件LD3320.c等，驅(qū)動文件中包含了相應(yīng)功能電路模塊的初始化函數(shù)和操作接口函數(shù)。最上層是應(yīng)用層，實現(xiàn)探針的工作流程:上電后首先對探針電路進行初始化配置，并在醫(yī)生按下探診按鈕后進入探診狀態(tài)；探診時，探針首先通過語音播報依次提醒醫(yī)生報告當前探診的牙位和牙齒點位，并對醫(yī)生的報告語音進行識別和確認；識別成功后，探針啟動探診力監(jiān)測，并通過兩個LED燈對探診力進行分級指示；當探診力在0.15 N～0.5 N的合理范圍內(nèi)時，探針提示醫(yī)生報告當前的牙周探診參數(shù)并進行識別和確認。設(shè)備上電初始化過程中會自動響應(yīng)附近的藍牙主機，如果連接成功，就把相關(guān)探診參數(shù)實時上傳給主機顯示；不管成功與否，都對數(shù)據(jù)打包后作為病歷文件進行本地存儲。

圖4 語音識別與力感知智能牙周探針軟件架構(gòu)

在語音交互軟件模塊的開發(fā)過程中，為了提高語音識別的成功率和語音交互的流暢度，在設(shè)計LD3320的驅(qū)動程序時綜合采用了以下技術(shù):①先問后答的“觸發(fā)識別”模式，對話總是由探針發(fā)起，探針給出語音指令后立即進入語音監(jiān)聽與識別模式；②識別內(nèi)容動態(tài)加載技術(shù)，對特定的問題加載特定的識別關(guān)鍵詞，比如當探針提示“報告出血指數(shù)”時，只加載0-5的出血指數(shù)關(guān)鍵詞；③相似語音的垃圾處理技術(shù)，在動態(tài)加載識別內(nèi)容的基礎(chǔ)上，列舉若干易與識別關(guān)鍵詞相混淆的短語作為“語音垃圾”予以處理；④冗余關(guān)鍵詞技術(shù)，對一個關(guān)鍵詞設(shè)置多種表述，比如“對”和“對的”，共用一個識別ID，以提升語音適應(yīng)性。

2 實驗驗證

2.1 探診力感知實驗

根據(jù)1.1節(jié)的探針探頭設(shè)計方案和參數(shù)，制作了電容式力感知牙周探針的驗證結(jié)構(gòu)，如圖5中的嵌入式小圖所示。探針探頭各電極和蓋板、隔板之間用ergo1309結(jié)構(gòu)膠粘接；探針工作尖切割自上海偉榮牙周探針，針頭刻度為3 mm-6 mm-9 mm-12 mm，焊接到活動電極右端的固定卡槽；各電極尾部的電氣引腳上分別引出20CM長的導線，導線芯徑1.12 mm。

分別用精密LCR數(shù)字電橋和探針電路板對探針探頭進行了電容式力感知實驗。電橋?qū)嶒灥脑O(shè)置情況如圖5所示。探針探頭1夾持到虎臺鉗2上，使探針工作尖垂直向下，作用在克力計3(伊萊科，ATG-50-1)的力臂測力點上?？肆τ嬎焦潭ㄓ诰苋S移動平臺4(潤佳氣動，LD90-LM)的工作面。調(diào)整精密三軸移動平臺工作面的高度，在探針工作尖產(chǎn)生模擬探診力。把開爾文夾夾在電極導線的尾部，在每一個測力點，用精密LCR數(shù)字電橋5(同惠，TH2827C)在20 kHz頻率下進行測量。一次實驗過程包括三個實驗周期，在每個實驗周期的升程階段，探診力從0 N上升到0.5 N，每隔0.05 N進行一次測量，每兩個相鄰測力點的時間間隔為2 min，然后用相同的方法進行回程測量。

圖5 探針探頭的電容式力感知實驗

圖6給出了三個實驗周期中探針探頭活動電極與上下固定電極之間的電容Cu和C d的測量情況。在未受力狀態(tài)下，Cu和C d的初始電容分別為C u0＝9.184 pF和Cd0＝9.307 pF(四次測量平均值)，兩者的偏差主要來源于上下隔板和結(jié)構(gòu)膠涂抹的厚度誤差。在三個實驗周期，C u和C d變化表現(xiàn)出較好的重復性和一致性，最大偏差均不超過各測量點絕對電容均值的±0.1%。在升程階段，隨著探診力增加，活動電極向上撓曲，與上下固定電極之間的有效距離分別減小和增大，電容Cu單調(diào)增加，電容Cd單調(diào)減小，平均差分量程為0.237 pF。回程階段正好相反。

圖6 探針探頭的上下電容隨時間變化值情況

圖7給出了探針探頭差分電容與探診力之間的關(guān)系曲線。其中，計算曲線為根據(jù)式(1)～式(4)計算得到的差分電容和探診力之間的理論關(guān)系曲線；測量曲線為根據(jù)圖6的測量數(shù)據(jù)和式(5)的去初值處理得到的差分電容和探診力之間的實測關(guān)系曲線，反映了六次測量(三次升程和三次回程)中各探診力對應(yīng)的差分電容測量情況?？梢钥闯?，在探診力作用下探頭差分電容的測量值和計算值之間存在偏差，并且此偏差隨著探診力增加而加大。這是由于在建立式(1)到式(4)的理論模型時，并沒有考慮探頭塑料附件的有限剛度。探針驗證結(jié)構(gòu)的活動電極和上下固定電極之間用1 mm厚度的ABS塑料板和一層ergo1309結(jié)構(gòu)膠隔開，在探診力作用下，活動電極對隔離層產(chǎn)生擠壓變形，實際撓度大于理論撓度，表現(xiàn)為差分電容的測量值總體上正偏離于計算值，并且隨著探診力加大偏離程度也加大。以探診力大小為擬合權(quán)重對計算曲線進行修正，通過最小二乘法擬合，可以得到更精確的差分電容計算模型:

式中:F為探診力，ΔC為根據(jù)式(4)得到的差分電容計算值。修正曲線如圖7中的虛線所示，與實測均值最大偏差為2.49%。

圖7 探針探頭差分電容與探診力之間的關(guān)系

式(1)到式(8)建立了探診力和探針電容之間的計算模型，能夠滿足探診力連續(xù)計算的要求。但對臨床應(yīng)用而言，通常只需關(guān)注幾個關(guān)鍵探診力測量點，對探診力進行分段顯示即可。臨床上一般認為0.25 N是相對普適的探診力，最大不超過0.5 N。據(jù)此，選0.15 N、0.25 N、0.35 N、0.45 N和0.5 N這五個探診力進行探針電路的力感知實驗，方法為:用圖3所示的探針電路板代替圖5中的精密LCR數(shù)字電橋，探針探頭電極導線通過電路板上的接插件11以差分方式接入AD7745電容檢測模塊；設(shè)置AD7745的檢測頻率為10 Hz，每個測量讀數(shù)屏蔽低5位進行低通濾波，每測5個點取中值作為一次測量讀數(shù)；調(diào)整精密三軸移動平臺工作面的高度，使探診力從低到高再從高到低分別穩(wěn)定在各測力點進行測量，往返三次；將每次測量的原始數(shù)據(jù)通過HY-40R204藍牙模塊直接發(fā)送到藍牙主機進行記錄；對每個測力點的三次往返測量讀數(shù)取平均作為該探診力下AD7745的標定值，如表2所示。

表2 AD7745的探診力測量與顯示

表2同時給出了根據(jù)AD7745的標定值換算得到的差分標定電容值，以及對應(yīng)探診力作用下由LCR精密數(shù)字電橋測量得到的差分電容值?？傮w來看，AD7745的電容測量結(jié)果穩(wěn)定地大于LCR精密數(shù)字電橋的測量結(jié)果，可能來自于電路板各種寄生電容的影響。將表2中的AD7745的標定數(shù)據(jù)寫入軟件應(yīng)用層的Probe.c源程序中，并在程序中根據(jù)標定數(shù)據(jù)通過紅(LEDR)綠(LEDG)兩個LED的亮(1)滅(0)和閃爍(F)的狀態(tài)組合對探診力進行分段顯示，規(guī)則見表2。

2.2 語音交互實驗

根據(jù)口腔門診牙周檢測記錄表的內(nèi)容，對探診深度和出血指數(shù)這兩個診查指標進行語音交互實驗，分別代表數(shù)字類檢測指標和指數(shù)類檢測指標。實驗安排為:①實驗人員五名，男性三人，女性兩人，平均年齡33歲，分別來自陜西、四川和甘肅，普通話常規(guī)發(fā)音，比如把11讀為“shiyi”；②實驗采用探針提問-實驗人員回答-探針識別的模式，如果識別結(jié)果在關(guān)鍵詞范圍內(nèi)，探針報告識別關(guān)鍵詞，否則探針報告“無法識別”；③探針提問內(nèi)容模擬普通牙周探診中的醫(yī)護交流，比如“請報告當前牙位”等，探針識別關(guān)鍵詞與問題對應(yīng)，符合牙周檢測的參數(shù)范圍，如表3所示；④語音識別程序綜合采用了動態(tài)加載、冗余關(guān)鍵詞和語音垃圾池技術(shù)，每次動態(tài)加載的內(nèi)容包括識別關(guān)鍵詞、冗余關(guān)鍵齒和垃圾語音，如表3所示；⑤針對具體問題，每個實驗人員用各識別關(guān)鍵詞和冗余關(guān)鍵詞回答分別回答5次，如果識別結(jié)果在關(guān)鍵詞范圍內(nèi)，探針復述后由實驗人員確認正確與否。

表3 語音交互實驗情況

實驗結(jié)果顯示，對所有識別關(guān)鍵詞和冗余關(guān)鍵詞，語音交互正確識別率都在90%以上，其中，對多個連續(xù)數(shù)字的識別率較差，都不到95%。經(jīng)過進一步實驗，我們發(fā)現(xiàn)適當改變數(shù)字發(fā)音，比如把數(shù)字11的正常發(fā)音“shiyi”改成“yaoyao”，數(shù)字21的正常發(fā)音“ershiyi”改成“eryao”，“shisi”改成“yaosi”，“si”改成“l(fā)ingsi”，“shi”改成“yaoling”等，能夠顯著提高識別正確率，可達98%以上。

表3中對確認指令進行了嚴格的限制，要求醫(yī)生只能回答對錯，并將其他可能的回答都列入垃圾池，因而達到了100%的語音識別正確率。將其作為軟件控制的最后環(huán)節(jié)，在設(shè)計語音交互工作軟件時，采用探針提問-醫(yī)生回答-探針重復-醫(yī)生確認的交流形式，進一步保證語音交互的流暢性。

2.3 模擬探診實驗

在實驗室用牙模進行了模擬探診實驗，實驗設(shè)置如圖8所示。手機端運行TTC-BLE藍牙主機APP，探診電路的HY-40R204模塊工作在藍牙從機模式，透傳波特率256 000。實驗流程實現(xiàn)第1.3節(jié)中闡述的探針工作流程，以其中報告探診牙位的語音交互過程為例，對探針提問-醫(yī)生回答-探針識別并重復-醫(yī)生確認的交流形式予以詳細說明如下:①探針播報“請報告當前牙位”，然后進入語音監(jiān)聽與識別狀態(tài)；②實驗人員在30 s內(nèi)回答當前牙位，比如“sisan”(FDI牙位43)；③探針識別語音，如果識別結(jié)果在牙位關(guān)鍵詞內(nèi)，則語音復述后進行語音監(jiān)聽與識別，否則回到步驟1；④實驗人員根據(jù)復述的牙位是否正確，相應(yīng)回答“dui”或“cuo”，電路識別為“dui”則繼續(xù)，并將當前牙位上傳藍牙主機后執(zhí)行下一步任務(wù)，否則回到步驟1。

圖8 模擬探診實驗

模擬探診實驗顯示，所開發(fā)的語音交互與力感知牙周探針能夠正常地完成設(shè)定功能:語音交互比較流暢，識別內(nèi)容的確認機制能夠保證語音交互不被中斷；探診力指示LED燈能夠根據(jù)設(shè)置分段顯示探診力；藍牙通訊信號傳輸及時準確。存在的主要問題在于LD3320直接驅(qū)動8Ω0.5 W扁平喇叭的音質(zhì)效果一般，低音有斷續(xù)現(xiàn)象，高音有破音現(xiàn)象，需要進一步改善。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計并驗證性實現(xiàn)了一種無線便攜的語音交互與力感知式智能牙周探針，利用探診力作用下探針工作尖懸臂的撓曲效應(yīng)引起的差動電容變化來實現(xiàn)探診力感知，利用語音識別與播報技術(shù)實現(xiàn)醫(yī)生和儀器間的語音交互。所設(shè)計的探針克服了現(xiàn)有探針的兩個主要缺陷，一方面有利于醫(yī)生根據(jù)個人經(jīng)驗在合理范圍內(nèi)控制探診力度，提升患者體驗度和診查一致性；另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)自動記錄和傳輸多項牙周診查參數(shù)，可以提高牙周探診效率，降低牙周診查臨床成本。

論文建立了探針力感知探頭的計算模型，完成了功能驗證階段的軟硬件開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上進行了牙周探診功能實驗，基本上實現(xiàn)了探針開發(fā)的功能性目的，表明所提出的語音交互與力感知式智能牙周探針具備產(chǎn)品開發(fā)可行性。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行進一步的結(jié)構(gòu)和性能完善，包括醫(yī)用標準的結(jié)構(gòu)設(shè)計和探針播報音質(zhì)改善等，可以形成高品質(zhì)創(chuàng)新型的新一代牙周探針，有利于為口腔醫(yī)患雙方提供性能更先進、使用更便利、體驗更友好的牙周探診工具。