CC BY
31
УДК 535.3; 681.787.7; 616.31-085
ЦИФРОВАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ КАК ВЫСОКОТОЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ В СТОМАТОЛОГИИ
Е.Е. Майоров, Н.Э. Попова, Л.И. Шаламай, Г. А. Цыганкова, Т. А. Черняк, В.П. Пушкина, Е.А. Писарева, А.В. Дагаев
Показана возможность использования цифровой голографической интерферометрии для получения полной информации о характере распределения нагрузок и деформаций при исследовании зубной ткани. Приведена оптическая схема установки для измерения микродеформаций исследуемого стоматологического объекта в нагруженном состоянии. Рассмотрена динамика деформации поверхности образца при увеличивающейся нагрузке, а также определено давление, при котором произошло разрушение зуба (Р = 34 кгс). Представлены фотографии, которые позволяют сделать качественный анализ состояния деформированного однокорневого зуба. Эксперимент доказал свою значимость, так как применение метода цифровой голографической интерферометрии с регистрацией голограмм по схеме Денисюка позволяет производить качественную оценку смещений и деформаций стоматологического объекта.
Ключевые слова: интерферограмма, стоматология, микрообъектив, микротрещина, схема Денисюка, фотопластина.
Повышение качества и надежности современных методов лечения в стоматологии неразрывно связанно с расширением информационной базы исследований. Так, знание механизма перемещения изучаемого объекта как целого, а также исследование его деформационных свойств позволит решить многие задачи стоматологии, связанные с лечением, протезированием, ортодонтией, выбором протезирующих материалов
[1 - 5].
В настоящее время методы, применяемые в стоматологии, являются несовершенными: они контактны и не дают полного объема информации о характере распределения нагрузок и деформаций. Поэтому задача выбора бесконтактного, объективного метода актуальна и имеет практическое значение [5 - 10]. В решении данной проблемы одно из ведущих мест принадлежит оптическим методам. Такое внимание обусловлено в первую очередь отсутствием предметных связей с изучаемым объектом и, как следствие, возможностью получения наиболее достоверной информации об объекте исследования.
Методы когерентной оптики наиболее приемлемы для решения поставленной задачи. К ним относятся метод цифровой голографической интерферометрии. Этот метод нашёл широкое применение во многих областях науки и технике, в том числе и в медицине [1, 10 - 15, 17]. Он позволяет проводить сравнение двух состояний объекта, существующих в различные моменты времени, исследовать объекты с шероховатой поверхностью, объекты сложной формы, получать высокоточную информацию о характере распределения необходимых параметров. Этот метод прост, объективен и информативен.
Поэтому целью работы явилось возможность использования метода цифровой голографической интерферометрии в стоматологии.
Описание оптической схемы. Для исследования микродеформаций зубной ткани, возникающих в нагруженном состоянии необходимо было выбрать схему записи голограмм. Для регистрации интерферограмм в голографии применяются два подхода: запись в попутных пучках и запись во встречных пучках [15 - 21]. В работах [13, 18, 22 - 25] были указаны достоинства и недостатки обоих способов, поэтому для регистра-
249
ции голографических интерферограмм была выбрана схема записи во встречных пучках - схема Денисюка как показано на рис. 1. Излучение от лазера 1 поворотным зеркалом 2 направляется на микрообъектив 3. Зеркало 2 служит для сокращения габаритов установки и для создания удобств при ее обслуживании.
В фокусе микрообъектива 3 размещена точечная диафрагма 4. Расходящийся пучок, сформированный микрообъективом, фильтруется через диафрагму и попадает на линзу коллиматора 5, которая из расходящегося пучка формирует параллельный пучок. Фокусное расстояние линзы 5 равно расстоянию линзы от точечной диафрагмы. Параллельный пучок освещает фотопластинку 6, закрепленную в непосредственной близости от объекта 7. Часть излучения, прошедшего через фотопластинку, рассеивается объектом и вновь попадает на эмульсию. Достоинство этой схемы записи заключается в наиболее полном использовании излучения от лазера. Кроме того, близкое расположение фотопластинки от объекта позволяет уменьшить постоянную составляющую смещения объекта как целого. Потери энергии при такой схеме минимальны.
Рис. 1. Оптическая схема записи голограмм во встречных пучках (по методу Денисюка): 1— лазер; 2 — поворотное зеркало; 3 — микрообъектив; 4 — точечная диафрагма; 5 — линза коллиматора; 6 — фотопластинка; 7 — объект
Экспериментальные результаты. Экспериментальному исследованию подлежал однокорневой зуб, внешний вид которого в нагрузочном приспособлении показан на рис. 2.
Рис. 2. Исследуемый однокорневой зуб в нагрузочном приспособлении
250
Давление шариком малого диаметра. Диаметр шарика - 3 мм. При нагрузке, которая составляла приблизительно 7,5 кгс, на интерферограмме (рис. 3, а) наблюдалась система регулярных полос, что свидетельствовало о смещении объекта как целого. При увеличении нагрузки до 15 кгс (рис. 3, б) характер расположения полос изменился. На интерферограмме четко просматриваются три области с характерными для них системами полос. Выделение трех областей произошло за счет отслоения пломбы от лунки в объекте и за счет образования микротрещины.
Рис. 3. Давление шариком: а — Р = 7,5кгс; б — Р = 15кгс
Давление полусферой. При давлении полусферой (рис. 4, а) с радиусом кривизны 7 мм наблюдается изменение характера интерференционных полос на стыке пломба-зуб при меньших нагрузках, чем в предыдущем случае. Нагрузка составляла приблизительно 5 кгс. Наблюдение проводилось с одной голограммы с разных направлений.
Давление плоскостью. Нагрузка направлена нормально к поверхности зуба (рис. 4, б). При этом ось симметрии нагрузочного приспособления совпадает с осью (условно) объекта.
б
Рис. 4. Давление на исследуемый объект: а — полусферой (Р = 5 кгс); б — плоскостью
Рассмотрим динамику деформации поверхности объекта при увеличивающейся нагрузке. Увеличение нагрузки от Р0 = 0 до Р = 18 кгс (рис. 5, а) привело к образованию регулярных полос, вызванных наклоном зуба. Изменение нагрузки до 21 кгс (рис. 5, б) привело к незначительному уменьшению периода полос, сама ориентация полос также свидетельствует о наклоне объекта.
Рис. 5. Нагруженное состояние объекта: а — при Ро = 0 и Р = 18 кгс;
б — Р0 = 18 кгс и Р = 21 кгс
Изменений структуры полос на стыке пломба-зуб не наблюдается. Очевидно, что после некоторой критической нагрузки произойдет локализация напряжений, возникающих при нагружения объекта и, возможно, появятся микротрещины. Наличие микротрещин приведет к изменению ориентации интерференционных полос и соответствующих проекций вектора смещения. Действительно, вышеприведенные рассуждения иллюстрируются рис. 6, а. Начальная нагрузка Р0 = 21 кгс, конечная нагрузка Р = 25 кгс. Проанализируем интерферограмму, изображенную на фотографии.
Контакт зуба осуществляется по верхней кромке зуба в точке N. В ненагру-женном состоянии зуб находился в некотором устойчивом состоянии, при этом начальная нагрузка на объект составила величину порядка 21 кгс. Дальнейшее увеличение нагрузки до величины 25 кгс привело к перераспределению напряжений в объекте и образованно микротрещины. На фотографии четко просматриваются две области с различным характером расположения интерференционных полос. Зная направление вектора смещения для этих областей можно судить о характере действия нагрузки (учитывая, что вектор смещения нормален к плоскости полос). Границей между зонами I и II является микротрещина. Образование микротрещины связано с локализацией напряжений (возможно из-за микропустот, вследствие неидеального прилегания пломбы к поверхности лунки). При этом сдвиг полос между зонами увеличивается по мере приближения к точке контакта на верхушке зуба - точка контакта). Стрелками представлены ориентации вектора смещения.
По направлению вектора смещения для этих зон видно, что зоны I и II испытывают кроме смещения еще и поворот. В данном случае в качестве пломбировочного материала использовался эвикрол (изготовленный в Чехии), представляющий собой композиционный материал. При санировании зуба производится предварительная обработка лунки кислотой, затем лунка заполняется эвикролом. Затвердевание материала основано на реакции полимеризации.
При дальнейшем увеличении нагрузки (до 28 кгс) наблюдается картина, изображенная на рис. 6, б. На фотографии видно, что кроме ранее существовавшей микротрещины намечается появление еще двух.
Из характера расположения полос следует, что на стыке трех зон существует область локализации напряжений (обозначена окружностью).
б — Po = 25 кгс и P = 28 кгс
Дальнейшее увеличение нагрузки привело к четкому обозначению трех зон смещений поверхности. И, наконец, при Р = 34 кгс произошло разрушение зуба. Анализируя ориентацию вектора смещения, можно сделать вывод о том, что зона II испытывает смещение, которое при увеличении нагрузки приведет к углублению микротрещины и дальнейшему разрушению зуба как целого.
Представленные фотографии позволяют сделать качественный анализ состояния деформированного объекта (зуба).
Применение метода цифровой голографической интерферометрии с регистрацией голограмм по схеме Денисюка позволяет производить качественную оценку смещений и деформаций объекта.
Список литературы
1. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М., Мир, 1982. 504 с.
2. Archbold E., Ennos A.E. Displacement measurement from double-exposure specie photography // Opt. Acta. 1988. V.19. N4. P. 253-271.
3. Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений спекл-интерферометрия. М., Наука, 1985. 224 с.
4. Богомолов А.С. Исследование рельефа диффузно отражающих объектов методом спекл-топографии с открытой апертурой // ЖТФ. 1978. Т. 48. №8. С. 1696-1699.
5. Barker D.B., Fourney M.E. Measuring fluid velocities with specie patterns V // Opt. Lett. 1977. Vol. I. No. 4. P. 135-137.
6. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. М., Мир. 1986. 327 с.
7. Обработка голографических интерферограмм и спеклограмм с использованием двухчастотного лазера / О.П. Большаков, И.Р. Котов, В.В. Хопов, Е.Е. Майоров // Научно-технический вестник ИТМО, 2003. Вып. 11. С. 21-24.
8. Котов И.Р., Хопов В.В., Майоров Е.Е. Интерферометрические исследования биологических объектов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2004. №15. С. 70-72.
9. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Когерентно-ограниченная интерферометри-ческая система в исследовании биологических объектов // Медицинская техника, 2012. №3 (237). С. 24-26.
10. Majorov E.E., Prokopenko V.T. A limited-coherence interferometer system for examination of biological objects // Biomedical Engineering, 2012. Vol. 46. No. 3. P. 109111.
11. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л. А. Расчет параметров сканирования интерферометрической системы контроля формы диффузно отражающих объектов // Приборы. 2012. №7 (145). С. 23-25.
12. Исследование метрологических характеристик измерительной оптико-механической головки / Е.Е. Майоров, А.Ч. Машек, В. Т. Прокопенко, Н.Я. Чистякова // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2012. Т. 55. №7. С. 59-65.
13. Применение поперечно-сдвиговой интерферометрии в голографической интерферометрии для контроля диффузно отражающих объектов / Е.Е. Майоров, А.Ч. Машек, В.Т. Прокопенко, Г.Г. Хайдаров // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4: Физика, химия, 2012. Вып. 4. C. 31-35.
14. Майоров Е.Е., Прокопенко В. Т. Применение двухчастотного излучения для реализации принципов гетеродинной голографической интерферометрии с одним опорным пучком // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2012. Т. 55. № 12. С. 43-45.
15. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Шерстобитова А.С. Исследование оптико-электронной системы расшифровки голографических интерферограмм // Оптический журнал, 2013. Т. 80. № 3. С. 47-51.
16. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Исследование напряженно-деформированной поверхности объектов методом голографической интерферометрии // Научное обозрение, 2013. № 1. С. 43-46.
17. Майоров Е..Е., Прокопенко В.Т. Вывод аналитического выражения для разности хода лучей, прошедших интерферометр Жамена // Научное приборостроение, 2013. Т. 23. №3. С. 76-81.
18. Майоров Е.Е, Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л. А Система когерентной обработки спеклограмм для исследования поверхностей зубной ткани // Медицинская техника, 2013. № 6 (282). С. 25-27.
19. Maiorov E.E., Prokopenko V.T., Sherstobitova A.S. Investigating an optoelectronic system for interpreting holographic interferograms // Jornal of Optical Technology. 2013. Vol. 80. No. 3. P. 162-165.
20. Maiorov E.E., Prokopenko V.T., Ushveridze L.A. A system for the coherent processing of specklegrams for dental tissue surface // Biomedical Engineering, 2014. Vol. 47. No. 6. P. 304-306.
21. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей / Е.Е. Майоров, А.Ч. Машек, С.В. Удахина, Г.А. Цыганкова, Г.Г. Хайдаров, Т А. Черняк // Приборы, 2015. №11 (185). С. 26-31.
22. Optoelectronic computer system for detection of foreing agents in subsurface layers of skin / E.E. Maiorov, S.V. Udakhina, T.A. Chernyak, V.T. Prokopenko, G.A. Tsy-gankova // Biomedical Engineering, 2016. Vol. 50. No. 2. P. 84-87.
23. Майоров Е.Е., Дагаев А.В., Пономарев С.Е. Разработка оптического прибора для обработки голографических интерферограмм применительно к локальным наклонам диффузно-отражающих объектов // Приборы. 2017. №6 (204). С. 25-28.
24. Экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированной интерферометрической системы измерения формы поверхности диф-фузно отражающих объектов / Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко, А.Ч. Машек, Г.А. Цыганкова, А.В. Курлов, М.В. Хохлова, Д.И. Кирик, Д. Д. Капралов // Измерительная техника, 2017. №10. С. 33-37.
25. Experimental Study of Metrological characteristics of the automated interfero-metric system for measuring the surface shape of diffusely reflecting objects / E.E. Maiorov, V.T. Prokopenko, A.C. Mashek, G.A. Tsygankova, A.V. Kurlov, M.V. Khokhlova, D.I. Ki-rik, D.D. Kapralov // Measurement Techniques, 2018. Vol. 60. No. 10. P. 1016-1021.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, majorovee amail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики,
Попова Наталья Эдуардовна, канд. пед. наук, доцент, umougps@gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики,
Шаламай Людмила Ивановна, канд. мед. наук, доцент, l. shalamayamail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П.Павлова,
Цыганкова Галина Александровна, канд. физ.-мат. наук, доцент, galusinkaamail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-морской политехнический институт г. Пушкин,
Черняк Татьяна Анатольевна, канд. экон. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Пушкина Вера Павлвна, канд. экон. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Писарева Елена Алексеевна, преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Михайловская военная артиллерийская академия,
Дагаев Александр Владимирович, канд. тех. наук, доцент, adagaev@list. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики
DIGITAL HOLOGRAPHIC INTERFEROMETRY AS A PRECISION INSTRUMENT
IN DENTISTRY
E.E. Maiorov, N.E. Popova, L.I. Shalamay, G.A. Tsygankova, T.A. Chernyak, V.P. Pushkina, E.A. Pisareva, A. V. Dagaev
The paper the possibility of using digital holographic interferometry to obtain complete information about the nature of the distribution of loads and strains in the study of dental tissue. is shown. The optical scheme of the installation for measuring micro-deformations of the dental object under study in the loaded state is presented. The dynamics of deformation of the surface of the sample under increasing load is considered, and the pressure at which the destruction of the tooth occurred (P = 34 kgf) is determined. Photos that allow to make a qualitative analysis of the deformed single-rooted tooth are presented. The experiment proved its importance, since the application of the method of digital holographic interferome-try with registration of holograms according to the Denisyuk scheme allows to make a qualitative assessment of displacements and deformations of the dental object.
Key words: interferogram, dentistry, microobjective, microcrack, the scheme of Den-isyuk, photographic plate.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate. of technical sciences, docent, ma-jorov_ee@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics,
Popova Natalia Eduardovna, candidate. of pedagogical sciences, docent, umougps@,gmail. com, Russia, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics,
Shalamay Ludmila Ivanovna, candidate. of medical sciences, docent, l.shalamay@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Academician I.P. Pavlov First Saint-Petersburg State Medical University,
Chernyak Tatyana Anatolievna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics,
Shalamay Ludmila Ivanovna, candidate. of medical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Academician I.P. Pavlov First Saint-Petersburg State Medical University,
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Pisareva Elena Alexeevna, teacher, episareva@icloud. com, Russia, Saint-Petersburg, Mikhailovskaya military artillery Academy
