CN103025238A - 用于确定对象的结构特性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明一般地涉及用于测量对象的结构特性的系统和方法。所述对象经受能量施加过程并且提供关于对象结构特性的客观量化测量。所述系统可以包括能够可再现地抵靠正进行这种测量的对象布置以进行可再现定位的设备，例如撞击仪器。如本文定义的结构特性可以包括振动阻尼能量、声阻尼能量、结构完整性或结构稳定性。

Description

用于确定对象的结构特性的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年6月19日提交的题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR DETERMINING STRUCTURAL CHARACTERISTICSOF AN OBJECT”的美国临时专利申请序列号No.61/356,599和2011年2月14提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR DETERMININGSTRUCTURAL CHARACTERISTICS OF AN OBJECT”的美国临时专利申请序列号No.61/442,293的优先权和权益，所有这些申请的全部公开内容通过引用合并在此。

技术领域

本发明一般地涉及评估对象的结构属性，尤其涉及对象经受在其上的能量施加之后评估反映该对象的完整性的结构特性。

背景技术

当对象经受碰撞力时，应力波传递通过对象。该应力波导致对象的内部结构的变形。当对象变形时，其部分地作为减振器，从而耗散与碰撞相关联的一部分机械能。对象耗散机械能的能力（通常被称为对象的“阻尼容量”）取决于若干因素，包括形成对象的材料的类型和结构完整性。

存在能够测量对象的阻尼容量的仪器。在2000年9月19日授权的、题为“System and Method for Quantitative Measurement ofEnergy Damping Capacity”的美国专利No.6,120,466（“'466专利”）中描述了这种仪器的一个例子。在'466专利中所公开的仪器提供了对对象的阻尼容量的客观的定量测量，称为损耗系数17。弹性波的能量在具有较高损耗系数的材料中相对快地衰减，而弹性波的能量在具有较低损耗系数的材料中相对慢地衰减。

对象的阻尼容量是多种应用中的重要参数。例如，在牙科领域中，当健康的牙齿经受碰撞力时，与碰撞相关联的机械能主要由牙周膜耗散。能够通过测量牙齿的损耗系数来检测牙周膜的结构变化，这种结构变化降低其耗散与碰撞力相关联的机械能的能力并且由此降低总体的牙齿稳定性。

发明内容

本发明涉及用于测量对象的结构特性的系统和方法。所述对象可以经受能量施加过程并且所述系统适于提供在所述能量施加过程之后对所述对象的结构特性的客观定量测量。所述系统和方法能够产生更为可再现的测量并且能够更好地检测在对象中可能存在的任何异常。

所述系统可以包括能够可再现地直接布置在正进行这种测量的对象上以用于可复制测量的设备，例如撞击仪器。如本文定义的结构特性可以包括：振动阻尼容量、声阻尼容量；缺陷，包括在例如骨或形成所述对象的材料中的固有缺陷；裂纹、微裂纹、裂缝、微裂缝；胶合密封剂的损失；胶合剂失效；粘合剂失效；微渗漏；病变；腐烂；结构的整体完整性或结构的整体稳定性。对于诸如牙齿结构、天然牙齿、由于磨损或创伤而具有裂缝的天然牙齿、已经变为至少部分脓肿的天然牙齿、或者已经经历骨质增大程序的天然牙齿、人工牙科植入物结构、牙科结构、矫形结构或矫形植入物之类的解剖学对象，这种特性可能指示所述对象的健康状况、或者所述对象可锚定或附着的下层基底的健康状况。所述对象和/或所述下层基底的健康状况也可以与如下各项相关：密度或骨密度或骨整合水平；任何固有或其他缺陷；或裂纹、裂缝、微裂缝、微裂纹；胶合密封剂的损失；胶合剂失效；粘合剂失效；微渗漏；病变；或腐烂。对于例如聚合物复合结构，包括蜂窝结构或分层蜂窝或金属复合结构；飞机、汽车、船舶、桥梁、建筑物、工业结构包括但不限于发电设施、拱结构或其他相似的物理结构之类的一般对象；这种测量也可以相关于任意结构完整性，或结构稳定性，例如缺陷或裂纹，甚至极细的裂缝或微裂纹等等。

在一个示例性实施例中，所述设备可以包括：手持件，所述手持件具有带开口端部的壳体；和能量施加工具，例如安装在所述壳体内部的用于轴向移动的弹击杆或碰撞杆。所述壳体具有纵向轴线，而所述能量施加工具具有带缩回形式和伸出形式的长度，所述缩回形式是从所述壳体的所述开口端部缩回或者与所述壳体的所述开口端部基本共同延伸。例如弹击杆的能量施加工具的运动可由安装在所述壳体内的驱动机构影响，所述驱动机构用于在操作期间将所述弹击杆在所述壳体内在缩回位置与伸出位置之间轴向地驱动。在伸出位置，所述弹击杆的自由端部能够从所述壳体的开口端部伸出或突出。

驱动机构可以是电磁机构，并且可以包括电磁线圈。在一个实施例中，所述驱动机构可以包括固定到能量施加工具例如弹击杆的后端部上的永磁体，而磁性线圈可以轴向地设置在所述永磁体的后面。磁性线圈连同所述手持件壳体的后部分和任何电源线形成可被一并操作且可以例如通过合适的可拆卸连接件（例如螺纹型连接件或插头型连接件）连接至其余设备上的结构单元。这种可拆卸连接件可以有利于清洁、维修等。

例如弹击杆的能量施加工具位于壳体的前部，而弹击杆的安装机构可以包括无摩擦轴承。这些轴承可以包括一个或多个轴向开口，使得由壳体和弹击杆形成的相邻腔室彼此连通以进行空气交换。

在一个实施例中，弹击杆可以具有在其整个长度上的基本恒定的横截面构造，其中如上所述，永磁组件安装在远离于自由端部的一端。同样如上所述，驱动机构的电磁线圈可以位于所述弹击杆的另一端部的后面，从而导致手持件相对较小的外径。在该实施例中，手持件壳体的外径可以基本上仅由所述弹击杆的横截面、位于壳体内弹击杆安装机构、以及壳体的壁厚所限定。

手持件本身可被系缚至外部电源或由包括在壳体内的电源（例如，电池、电容器、换能器、太阳能电池、外部源和/或任意其他合适的源）供电。

在一个实施例中，在驱动机构与例如弹击杆的能量施加工具之间的通信可以经由导电引脚或导电线路、能以围绕弹击杆的同心方式螺旋缠绕且具有弹簧的弹性属性的绝缘导线进行。这也可以容许关于线路管理的最小空间需求。另外，可以由螺旋缠绕的导线形成的螺旋弹簧可以有助于避免或防止导线连接的环扣或扭曲。

螺旋弹簧可以包括具有两根双绞线或同轴线的绞合线。在其加载状态下，弹簧可以被压缩到使得其预应力的力与在例如弹击杆的能量施加工具从缩回位置向伸出位置的前向运动期间的摩擦力相对应且与该摩擦力相反的程度。弹簧的预应力路径由此可能远大于弹击杆的行程，使得弹簧力在弹击杆的整个行程上保持基本恒定。用于弹击杆的安装机构轴承在前向运动期间的任何非期望的摩擦力也可基本由该弹簧补偿。

在一个方面，所述驱动机构可以包括位于手持件壳体内的测量设备例如压电式力传感器以用于与能量施加工具例如所述弹击杆相耦接。测量设备适于在操作期间测量弹击杆在与对象碰撞时的减速度，或者由位于试样上的弹击杆所引起的任何振动。压电式力传感器可以检测对象性能的变化，并且可以客观量化其内部特性。如下文进一步讨论的，由压电式力传感器发送的数据可以由系统程序进行处理。

在另一方面，驱动机构可以包括线性可变差动变压器，其适于感测和/或测量在能量施加之前、期间和之后例如弹击杆的能量施加工具的位移。该线性可变差动变压器可以是非接触式线性位移传感器。该传感器可以利用感应技术并且由此能够感测任何金属目标。此外，非接触式位移测量可以容许计算机确定正好在碰撞之前的速度和加速度，从而可以从结果中消除重力的影响。

套筒设置在壳体的开口端部处。套筒可以附接和/或环绕壳体自由端部的至少一段长度并且从壳体中突出与弹击杆在其伸出形式下的端部基本相同延伸的距离。由此，套筒的长度可能取决于所期望的伸出弹击杆的突出长度。套筒的自由端部可以布置为抵靠正进行测量的对象。由套筒进行接触有助于将手持件稳定在所述对象上。在一个实施例中，壳体可以朝向由套筒环绕的端部渐缩，使得所述设备可以在附接套筒时具有基本均匀的尺寸。在另一个实施例中，壳体可以具有基本均匀的尺寸，并且套筒可以将其所围绕的端部的尺寸扩展到一定的程度。在又一个实施例中，套筒本身可以具有朝向其自由端部的逆锥形以增大与对象接触的平坦面积。

在一个示例性实施例中，套筒包括从其端部的一部分突出的翼片，使得当套筒的开口端部与正进行测量的对象的表面的至少一部分相接触时，该翼片可以搁置在所述对象的顶部的一部分上。翼片和套筒一起协助手持件关于对象的可再现定位，由此得到相对于无翼片情况变得更可再现的结果。另外，翼片可适于每次重复布置在对象顶部上的基本相同的位置处。在一个实施例中，翼片可以基本平行于套筒的纵向轴线。

在另一示例性实施例中，套筒包括翼片和特征部，例如基本正交于位于适于面对对象表面一侧上的翼片表面的脊、突起或其他特征部。例如，对于牙齿，脊或突起可以嵌套在相邻牙齿或其他正交表面之间，并且由此可以协助防止翼片在对象表面的任何基本横向或竖向的运动和/或进一步协助可重复性。翼片可以取决于对象顶部分的长度或宽度而具有足够的长度或宽度，使得脊或突起可以在操作期间被正确布置。同样地，翼片和特征部还有助于实现优于无翼片情况的可再现结果。

在一个方面，例如，如果对象为牙齿，则特征部可以较短且具有足够小的厚度，使其可以适配在相邻牙齿之间。在另一方面，例如，如果对象为牙齿，则特征部可以较短并且具有适配在相邻牙齿的顶部分之间的形状。在又一方面，例如，如果对象为牙齿且特征部抵靠后表面或前表面搁置，则其可以具有当翼片搁置在所述牙齿的顶表面上时覆盖所述后表面或前表面的大部分的尺寸。

翼片和/或翼片与特征部不仅用来协助仪器在诸如上述的牙齿或机械或工业结构、复合结构和类似结构之类的对象上的可重复定位，翼片和/或翼片与特征部还可用来帮助将诸如上述的牙齿或机械或工业结构、复合结构和类似结构之类的对象保持免于在除平行于能量施加或撞击方向以外的方向上动。这有助于最小化对象和/或该对象所锚定到的基底的任何非必要的扰动和/或可能在测试期间由于这些其他扰动而产生的复杂化，从而进一步提高检测的灵敏度和/或精确性。

套筒的不具有从中突出的翼片的端部可以是平坦或基本平坦的，而翼片与对象顶部接触的部分也可以是平坦或基本平坦的。翼片可以沿基本平行的方向从套筒的端部伸出。在一个方面，翼片可以在从套筒端部突出之前在一段距离上与套筒一体化，从而在从套筒突出后基本保持套筒的横截面轮廓。在另一方面，翼片也可从套筒的顶部分或底部分中均匀地突出，但是在从套筒突出之后具有与套筒的横截面轮廓不同的横截面轮廓。

在本发明的一个示例性实施例中，翼片可以具有接触表面，所述接触表面基本反映（mirror）其在使用期间将接触的对象表面轮廓，以协助该设备直接在对象上的可再现定位。

在一个实施例中，翼片的突起部可以具有矩形横截面。在另一个实施例中，翼片的突起部可以具有略呈拱形的顶部分。在又一个实施例中，翼片的突起部可以符合与对象相接触的表面的轮廓。

在任一所述实施例中，翼片的角部是平滑或圆角的或基本平滑或圆角的，以避免对它们可以搁置在其上的对象的任何卡钩。

一般而言，本发明的设备可以在进行其中振动由向对象施加能量（例如像是弹击杆的碰撞）而产生的任何测量时为有用的。与不进行接触的传统设备不同，这样做的优点是该设备可以在弹击作用期间与对象保持接触。

套筒和翼片和/或套筒、翼片和特征部可以由具有振动阻尼、声阻尼或振动衰减性的任何材料制成，而套筒可以具有使得行进通过套筒至手持件壳体上的任何振动能被实质上衰减的长度。在一个实施例中，套筒和壳体相邻于套筒的端部可以由相同的材料制成。在另一个实施例中，套筒与壳体附接套筒的端部可以由具有相似振动衰减属性的材料制成。在又一个实施例中，套筒与壳体附接套筒的端部可由不同材料制成。在再一个实施例中，套筒与壳体附接套筒的端部可由具有不同振动衰减属性的材料制成。在又一个实施例中，套筒可由带有位于其一个或多个表面上的振动衰减涂层的任何材料制成。在再一个实施例中，套筒、翼片和/或特征部可由具有相似的热膨胀属性的不同材料制成。

另外，套筒和翼片和/或套筒、翼片和特征部可由可循环、可生物分解或可生物降解的材料制成，这在意味着一次使用后即丢弃的那些实施例中是特别有用的。

可以使用多种仪器以多种方法进行上述的这类结构特性评估，例如，在2000年9月19日授权的、题为“System and Method forQuantitative Measurement of Energy Damping Capacity”的美国专利No.6,120,466（“'466专利”）中描述了合适的仪器，该专利通过引用结合在此。其他仪器和方法可以包括例如在美国专利No.6,997,887和No.7,008,385中公开的，这些专利的全部公开内容通过引用结合在此。这些测量可以包括使用仪器在一时间段上测量由于弹击或施加能量而从对象反射的能量，所述测量可以包括基于在该时间段期间从对象反射的能量创建时间-能量分布图和/或评估时间-能量分布图以确定对象的阻尼容量。也可以使用另外的装置，例如在美国专利No.4,482,324和No.4,689,011中公开的，这些专利的全部公开内容通过引用结合在此。所有这些仪器和设备可以利用本发明的套筒配置进行修改用以重复的再定位性。

在任意上述实施例中的套筒可以是可拆卸的。根据本发明的一个实施例，套筒可以是一次性的。根据本发明的另一个实施例，套筒可以是可重复使用的。在一个方面，一次性套筒可以是可消毒的且在多次使用之后丢弃的。在另一方面，套筒可以是一次使用的，其可由可消毒材料也可由不可消毒材料制成。

套筒可以通过任意合适的附接方式附接至壳体，包括但不限于螺纹附接、摩擦配合、配合刺刀结构、榫舌和凹槽型结构、卡扣配合、嵌套销钉和销孔结构、栓锁和其他互连结构。在一个示例性实施例中，套筒和壳体可以是用于更佳配合的定制螺纹系统。

根据本发明的另一个实施例，套筒可被装配到不适于与进行测量的对象相接触的其他商业可用手持件上，使得本发明的优点也可以被实现。

如上所述，手持件可以是系统的一部分，其中该系统包括计算机化的硬件以及可被编程以激活、输入和跟踪手持件的动作和响应从而确定对象的结构特性的工具软件。硬件可以包括计算机，用于控制手持件以及用于分析所采集的任何数据，例如能量施加工具（例如弹击杆）刚与对象碰撞后的减速度。在一个实施例中，手持件和硬件可以经由有线连接通信。在另一个实施例中，手持件和硬件可以经由无线连接通信。

在一个实施例中，手持件的能量施加过程可以经由机械机构例如通过开关机构触发。在一个方面，手指开关可以设置在手持件上的便利位置处以用于由操作人员容易的激活。在另一方面，开关机构可以通过经套筒向对象施加压力而被触发。在另一个实施例中，手持件的所述能量施加过程可以经由语音控制或脚踏控制触发。

一旦激活后，弹击杆就以一定速度朝对象伸出，并且弹击杆在与对象碰撞后的减速度可以通过安装在手持件中的测量装置例如压电式力传感器进行测量，并被发送到系统的其余部分以用于分析。在一个方面，弹击杆可以被编程以基本相同的速度每分钟碰撞对象特定次数，并且减速度信息被记录或由系统进行编译以供分析。

壳体的一部分和/或套筒也可以具有涂覆在其上的抗微生物涂层，该涂层能够消除、防止、延缓或减少微生物的生长，从而最小化高温高压灭菌过程或苛刻化学品的使用，并且可以增加作为用于制造这种工具或仪器的基底有用的材料的种类和数量。

另外，仪器在协助材料选取时可以是有用的，例如在构造和/或选取用于解剖学结构（例如植入物）的材料中使用的机械生物相容性材料或生物仿生相容性材料。对于正常健康的牙齿，通过咀嚼所产生的撞击能量通过位于健康骨骼-天然牙齿界面处的牙周膜衰减。然而，当因损伤或疾病而由植入物替换天然牙齿时，牙周膜通常丢失并且植入物可以将撞击力直接传递到骨骼内。用来制造植入物底座的若干材料例如复合材料、金、氧化锆等已经在大量研究中显示为有效的。尽管研究已经证明利用复合树脂、金或氧化锆底座在构造底座之后的植入物修复的续存性，但是一直没有进行这样的研究以测量对所述底座材料的载荷的动态响应。本发明的仪器可以用于这种目的并且对在植入之前预测适用性或相容性可以是有用的，或者对选择合适的材料以保护与植入物相邻的天然牙齿是有用的。因此，材料的选择可以最小化植入物和天然牙齿处理碰撞的方式之间的差异。

此外，所述仪器在协助材料的选取例如在构造和/或选取材料用于例如飞机、汽车、船舶、桥梁、建筑物、工业结构包括但不限于发电设施、拱结构或其他相似的物理结构中使用的机械或化学耐用或相容材料时可以是有利的。本发明的仪器可以用于这种目的并且可以在除构造后检测裂纹、裂缝、微裂纹、胶合剂失效、粘合剂失效或缺陷定位等以外用来在构造前预测材料的适用性。

另外，本发明在对形成所述结构或对象的材料中所固有的缺陷以及如上讨论地由于损伤或磨损或反复加载而导致的裂纹或裂缝等之间进行区分时也是有用的。例如在骨骼或植入物的材料构造或者物理结构中固有的缺陷可以包括骨骼中的病变、植入物构造中的类似缺陷或制造聚合物、聚合物复合材料或合金、或金属复合材料或合金中的类似缺陷。

通过翼片或者翼片和/或特征部稳定仪器也可以最小化可能混淆测试结果的急跳动作，例如，在骨骼结构或物理或工业结构中固有的任何缺陷会由测试人员的急跳动作而被掩盖。由于缺陷的位置和程度可以显著地影响植入物或物理或工业结构的稳定性，因此这种类型的缺陷检测是重要的。通常当例如在植入物中检测到病变例如顶部或根尖缺陷时，植入物的稳定性可能在顶部和根尖缺陷都存在的情况下受到影响。在过去，除了昂贵的强放射过程以外，不存在其他收集这种类型信息的方式。利用本发明，可以收集这种类型的信息并能以非破坏性的方式完成这一收集。

一般而言，本发明还代表了在牙齿健康或物理结构的结构完整性中的精确风险估计的新形式，以及以新的方式进行诊断的机会。本发明提供了用于向试样施加动能，加载和位移速率可以由试样确定，当碰撞后测量减速度并且分析动态机械响应以用于更准确地预测裂纹、裂缝、微裂纹、微裂缝；胶合密封剂的损失；胶合剂失效；粘合剂失效；微泄露；病变；腐烂；结构的整体完整性；结构的整体稳定性或缺陷位置。

另外，结构完整性的多个指示符例如LC（损耗系数）和ERG（能量回归曲线图）是可能的，并且沿关键方向的撞击载荷也是可能的。本发明的系统提供了用于提供口腔加载的便利的和容易的方式，并且其他加载方向例如用于测试上述结构特性的舌方向是可能的。

口腔加载重要之处在于其典型地是由例如牙齿所遇到的更危险类型的加载。通常，竖直加载导致牙齿中相对低的应力。但是，做功和/或不做功运动由于下巴的横向运动和牙齿的咬合面的倾斜几何形状以及回复而产生侧向载荷。这种侧向载荷可以诱发在外表面和内表面处以及在边沿下面的高很多的应力集中。由此，使用本发明的系统，可以容易执行这类测试。简言之，该系统不仅适于检测人工牙科植入物结构、牙科结构、矫形结构或矫形植入物的结构稳定性，完整性、裂纹等，而且可以适于在植入后随后会遇到的应力下测试而在实际的构造和替换过程中使用。

天然加载通常为脉冲的（不同于例如正弦的）。肌肉、心血管、跑、跳、紧握/咬等全部都会产生加载，例如脉冲加载。撞击加载是脉冲的并因此是生理的。撞击加载可以用来测量粘弹性属性以及检测结构中的损坏。

如上所述，本发明提供了施加的易用性和速度性，并且可以用来以非破坏性方式检测并估计微渗漏、总体复发性腐烂、松动支柱/建立、支柱空间中的腐烂、牙齿是否不可修复、总体腐烂、近牙髓暴露、牙釉质和牙本质裂纹、内部合金裂缝、或者甚至任何生物工程不匹配、造成结构内的运动的任何缺陷等等。这对上述工业或物理结构而言也是如此。

另外，如上所述，本发明也有助于检测缺陷、裂纹、微裂纹、裂缝、微裂缝、泄漏、病变、胶合剂密封的损失的定位准确性；微渗漏；腐烂；胶合剂失效时的结构完整性；粘合剂失效；整体或结构稳定性。

本发明可以通过下面对实施例的详细描述和下文所示的附图而被进一步例举。

附图说明

图1例示了本发明的系统的实施例的透视图；

图1a和图1b示出了本发明的翼片的说明性实施例；

图2a例示了本发明的套筒和翼片的实施例的侧视透视图；

图2b例示了本发明的套筒和翼片的实施例的端视透视图；

图2c例示了本发明的套筒和翼片的实施例的透视截面图；

图2d例示了本发明的套筒和翼片的实施例的端视截面图；

图2e例示了本发明的图2a的套筒和翼片的侧视截面图；

图3示出了本发明的套筒的实施例的透视侧视图；

图3a示出了图3的套筒的实施例的侧视图；

图3b示出了本发明的套筒的另一实施例的侧视图；

图3c示出了图3b的套筒在从套筒的上述端部观察时的截面图；

图3d示出了图3a的套筒在从套筒的附接到手持件上的端部观察时的截面图；

图4a-b例示了本发明的手持件的套筒的实施例；

图5例示了本发明的手持件的实施例的纵向截面图；

图6例示了沿着本发明的图5的线III-III截取的截面图；

图7a例示了图2a-d中的任一个的套筒和翼片的实施例当定位在对象上时的侧视图；

图7b和图7c分别例示了本发明的套筒和翼片的实施例在操作期间的俯视图和正视图；

图8例示了本发明的套筒和翼片的另一实施例；

图8a和图8b例示了在操作期间的图8的套筒和翼片的实施例；

图9例示了在本发明的实施例中的软件程序的流程图；

图10、图10a、图11和图11a示出了使用本发明的系统和方法对四个螺纹钛植入物的骨密度的体外研究的曲线图；

图12示出了在由本发明的仪器的弹击杆的碰撞期间所施加的力；

图13示出了对象在由本发明的仪器的弹击杆碰撞时的动态响应；

图14和图15示出了在计算理想情况下的损耗系数和能量回归曲线时所使用的公式；

图16示出了本发明的仪器；

图16a示出了在由本发明的弹击杆碰撞之后所产生的损耗系数和能量回归曲线以及其与理想拟合进行比较的状况如何；

图16b示出了在多次测量之后的正常和异常结构的曲线图以及其与理想拟合进行比较的状况如何；

图17a-h描绘了利用本发明的系统和方法及其他现有方法进行测试的牙齿；

图18和图18a-f示出了在与图17、图17a-h的牙齿不同的牙齿上进行的重复程序；

图19、图19a-c描绘了利用本发明的系统和方法及其他现有方法进行测试的3个牙齿；

图20、图20a-f示出了在使用本发明的系统进行牙科工作之前和之后的牙齿以及其时间撞击响应分布图；

图21和图21a-b示出了相同牙齿的X射线图及其使用本发明的系统的时间撞击响应分布图；

图22和图22a示出了相同牙齿的视觉图及其使用本发明的系统的时间撞击响应分布图；

图23示出了来自有限元分析的数据，其中使用玻璃棒以在有限元模型中模拟牙齿和由碰撞所生成的曲线；

图24和图24b分别示出了无缺陷的复合层合板以及具有布置在层间样本中心处的缺陷的复合层合试样；

图24a和图24c分别示出了使用有限元分析的对于图24和图24b的复合结构的撞击响应曲线图；

图25和图25a示出了图24和图24b的复合结构的重复测量；

图26示出了本发明的系统的实施例的图片；

图26a-b示出了本发明的系统的测量设备；

图27和图28示出了由本发明的系统和方法所产生的时间撞击响应分布图；以及

图29示出了本发明的系统和仪器的实施例的示意图。

具体实施方式

下面阐述的详细描述旨在作为对根据本发明的多个方面提供的本发明的示例性系统、设备和方法的描述，而非旨在表示其中本发明可以被制备或利用的仅有形式。而且，应当理解的是，相同的或等同的功能和部件可以通过不同的实施例实现，这些实施例也旨在被涵盖在本发明的精神和范围内。

除非另外定义，本文所用的所有技术和科学术语具有如由本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。尽管与本文所述的那些相似或等同的任何方法、设备和材料能够在本发明的实践或测试中使用，但现在描述示例性方法、设备和材料。

本文所提到的所有公布通过以用于描述和公开例如在这些公布中所描述的设计和方法的目的的引用而并入本文，这些设计和方法可以与本文描述的发明相结合地使用。以上列举或讨论的公布在下文且贯穿全文由于它们在本申请的提交日期之前的公开而被单独提供。本文的任意信息均不被解释为发明人对无权早于通过现有发明的这种公开的承认。

本发明可以用来测试几乎任何尺寸和形状的对象，以获得有关它们结构特性的信息。这种结构特性不仅包括对象或对象可被锚定到的基底的物理特性，而且还包括就它们的位置、在实际工作之前用于在牙科工作中使用的材料的相容性或适用性、牙齿结构是否在实际工作之前为可修复的、修复过程是否成功、接受任何程序的牙齿结构何时已经被重构、牙齿结构在牙科工作之前和之后的松动、以及它们的组合相关的信息。

如本文定义的结构特性可以包括：振动阻尼容量、声阻尼容量；缺陷，包括在例如骨或形成对象的材料中的固有缺陷；裂纹、微裂纹、裂缝、微裂缝；胶合密封剂的损失；胶合剂失效；粘合剂失效；微渗漏；病变；腐烂；结构的整体完整性或结构的整体稳定性。对于诸如牙齿、天然牙齿、人工牙科植入物结构、牙科结构、矫形结构或矫形植入物之类的解剖学对象，这种特性可能指示所述对象的健康状况、或者所述对象可以锚定或附着的下层基底的健康状况。所述对象和/或所述下层基底的健康状况也可与如下各项相关：密度或骨密度或骨整合水平；固有的或其他的任何缺陷；或裂纹、裂缝、微裂缝、微裂纹；胶合密封剂的损失；胶合剂失效；粘合剂失效；微渗漏；病变；腐烂；或其组合。对于例如包括蜂窝结构或分层蜂窝或金属复合结构的聚合物复合结构；飞机、汽车、船舶、桥梁、建筑物、包括但不限于发电设施、拱结构或其他相似的物理结构的工业结构之类的一般对象；这种测量也可与如下各项相关：任何结构完整性，或结构稳定性，例如缺陷或裂纹，甚至极细的裂缝或微裂纹，等等。

例如，在测量牙齿（无论为天然的或修复的）、牙科植入物结构、矫形植入物结构的阻尼特性、以及在其中利用阻尼特性的测量结果的各种应用包括但不限于测试飞机结构、复合结构、工程材料、或医疗植入物的固定，并且在难于接近的位置或其中液体联接剂不能被使用的位置是特别有利的。结构完整性为例如螺钉的松动、牙齿及骨和骨空隙中的裂纹、剥落的修复体、以及集成电路材料中的损坏。但是，以上列举并非是穷尽的。

本发明提供了上述对对象的结构特性的有效且可重复的测量。对象可以经受由手持件提供的能量施加过程，其中手持件形成能够动态地采集并分析来自对象的数据的计算机化系统的一部分。如上所述，使用本发明的系统和方法可以确定很多不同的结构特性，如上所述包括振动阻尼容量、声阻尼容量、机械和解剖学对象和它们可能锚定在其上的任意基座的结构完整性或结构稳定性。对于例如牙齿（天然的或修复的）、人工牙科植入物结构、牙科结构、或矫形植入物的解剖学对象，如本文定义的结构特性的示例可以包括振动阻尼容量、声阻尼容量、或结构稳定性，并且可以指示对象的健康状况。对象的健康状况也可以如上所述与密度或骨密度或骨整合水平；结构完整性，例如缺陷或裂纹相关。对于一般的对象，这种测量也可以如上所述而与其结构完整性例如缺陷或裂纹相关。对于物理结构，例如飞机、汽车、船舶、桥梁、建筑或其他相似的物理结构或适于协助这种结构的构造的阻尼材料，如本文定义的结构特性的示例可以包括振动阻尼容量、声阻尼容量、或者结构稳定性并且可以指示对象的结构完整性的健康状况。

本发明的仪器可以用于这种目的，并且除了如上所述可以用来检测构造后的胶合密封剂的损失；胶合剂失效；粘合剂失效；微泄漏；腐烂等之外，还可以在构造前预测材料的适用性。另外，本发明在对形成所述结构或对象的材料中所固有的缺陷和由于损伤或磨损或反复加载而导致的上述裂纹或裂缝等之间进行区分时也是有用的。例如在骨骼或植入物的材料构造或者物理结构中固有的缺陷可以包括骨骼中的病变，以及植入物构造或聚合物、聚合物复合材料或合金、任意类型的陶瓷、或金属复合材料或合金中的类似缺陷。

在一个实施例中，手持件104可以具有例如图1例举的撞击仪器的形式。手持件104可以具有圆筒形壳体132，该圆筒形壳体132具有开口端部132a和封闭端部132b。开口端部132a如本文例举为锥形的，尽管也可以考虑其他配置。如上所述，能量施加工具120例如弹击杆120可以安装在壳体132内以用于轴向运动。手持件还包括安装在壳体130内的驱动机构160，驱动机构160用于在操作期间在壳体132内在缩回位置128与延伸位置129之间轴向驱动弹击杆120。如图所示，在延伸位置129，弹击杆120的自由端部从壳体132的开口端部132a中延伸或突出。驱动机构160可以包括将在下文进一步讨论的如图5中所示的电磁线圈156。在一个方面，弹击杆120可以在其整个长度上具有基本恒定的横截面构造，并且具有安装在远离于自由端部的端部处的永磁体组件157。驱动机构160的电磁线圈156可以设置在弹击杆120的另一端部的后面，从而导致用于手持件104的相对较小的外径。

用于能量施加工具120的例如弹击杆120的安装机构可以由轴承1003和1004（如图6中所示）形成以用于以很大程度上无摩擦的方式接收或支承弹击杆120。在一个示例中，壳体132可以是大约150mm长和大约15mm厚。磁性或推进线圈156可以与永磁体157相邻地设置在壳体132中，并且轴向地位于永磁体157的后面。磁线圈156和永磁体157形成用于弹击杆120的前向和返回运动的驱动器。驱动线圈156可以是壳体130的一体式部件并且可以连接到供应软管或线路1000上。

两个轴承1003和1004可以是基本上无摩擦的，并且如图6中所示可以包括由轴向开口1400分隔开的多个径向向内延伸的脊。轴承1003的轴向开口1400允许空气在腔室1500（其经由轴承1003与腔室1600分开）与腔室1600（该腔室在壳体132的内壁表面与弹击杆120之间形成）之间的移动。在这些腔室1500和1600之间的空气移动由此可以补偿弹击杆120的移动。

再次参照图1，套筒108朝向端部132a设置且延伸超出端部132a。套筒108包封壳体的端部132a，并且在其端部116处平坦化以用于在操作期间易于抵靠对象112的表面定位。套筒108具有如图2a中所示的从其端部116中突出的翼片110，使得当套筒108的开口端部116与进行测量的对象112的表面相接触时，翼片110可以搁置在对象112的顶部的一部分上（如本文图6、图26a和图26b中所示）。翼片110和套筒108均可以协助手持件104相对于对象112的可重复定位，并且翼片110可以每次基本布置在距对象112的顶部相同的距离处以实现更好的可重复性。这能够在图2b、图2c和图2d、图7a-d、或图26a和图26b中更佳地见到，尽管对象112没有在图2b-d中具体示出。如上所述，对象可以包括解剖学结构或者物理或工业结构，尽管在本文所提及的附图中示出的是解剖学结构。

如图1、图2a、图2b、图2c和图26b中所示，套筒108的不具有从其中突出的翼片110的端部116是平坦的或基本平坦的，并且如图2a、图2b、图2c和图26b中所示，翼片110与对象112的顶部相接触的部分也为平坦的或基本平坦的。如图2a、图2b、图2c和图29b中所示，翼片110可以从套筒108的端部沿基本平行的方向延伸。在一个方面，如图2b中所示，翼片110可以在从套筒108的端部中突出之前在一段距离上与套筒108一体化，从而在从套筒109的端部116中突出的之前和之后基本保持套筒108的横截面轮廓。在该实施例中，如图2b中所示，翼片110的突出部分可以具有拱形顶部分。在另一方面，如图2a和图2c中所示，翼片110可以从套筒108的顶部中突出，从而在从套筒108的端部116中突出之前和之后不保持套筒108的横截面轮廓。在该实施例中，如图2c和图26b中所示，翼片110的突出部分可以具有矩形横截面。在上述任一实施例中，翼片110的角部是平滑的或者圆角的或基本平滑的或基本圆角的以避免对在它们可以搁置在其上的对象112的任意卡钩，如图1a中所示。在其他实施例中，如图1b中所示，翼片110可以是平滑的，尽管角部可能并非必须是圆角的。在又一个实施例中，如在图2d的横截面所示，翼片110的横截面不会延伸到套筒108的横截面周缘之外。

图3和图3a示出了本发明的套筒108的实施例的侧视透视图和侧视图。在该实施例中，套筒108朝向自由端部116成锥形，具有用于附接到壳体132a的开口端部上的螺纹部分116a。图3d示出了图3a的套筒当从套筒的附接到手持件104的端部观察时的横截面视图。

在另一个实施例中，如图3b中所示，套筒108可以是基本上非锥形的。在该实施例中，如图3c中所示，套筒108的端部的横截面基本上是圆的。

在这些实施例中，套筒108可以通过螺纹116a附接到手持件104。螺纹部分116a可以具有容许牢固附接的尺寸。

在图4a-b中，示出了手持件104的套筒108的其他实施例。在图4a和图4b中，聚合物套筒108特征在于平坦的尖端116，该尖端116大致正交于对象112的表面，从而进一步协助手持件104的对准。在图4b中，套筒108的外径是内径的至少几倍。套筒108的其他形状和构造也是可能的，只要所用的形状或形式能够协助手持件104的大致正交的对准并且衰减来自对象112因测量过程所导致的振动，其中该振动可以经过套筒108行进并且进入其中正进行敏感测量的手持件104的壳体132内。

图7a例示了图1a-b和图2a-2d的任一实施例中的套筒108和翼片110在操作期间设置在对象112上时的侧视图。如图7b和图7c中所示，套筒108接触对象112例如牙齿，而翼片110搁置在牙齿112的顶部上。翼片110与对象112相接触的表面可以定轮廓为更好地设置在牙齿112的顶部上或者其可以是平坦的。图7b和图7c各自例示了分别为图1a和图1b的套筒和翼片在操作期间的实施例。

在其他实施例中，如图8中所示，套筒108可以包括特征部111，例如，位于面对对象112的表面一侧上的基本正交于翼片110的表面的脊、突起或其他类似特征部。例如，对于牙齿，脊或突起可以嵌套在相邻牙齿之间并且可以由此协助防止翼片110穿过对象112的表面的任何大致横向的运动（如图8a中所示），或者搁置在正交表面例如待嵌套的牙齿的内表面上（如图8b中所示）。具有翼片110和特征部111的套筒108可以进一步协助将能量施加工具例如弹击杆120在对象112上定位的可重复性。对于图8a的实施例，翼片110可以从套筒延伸足够的长度以使脊或突起111能被恰当搁置在相邻的牙齿之间。对于图8b的实施例，翼片110可以足够宽以使脊或突起111能被恰当搁置在待测牙齿的内表面上。

在一个方面，例如，如果对象112是牙齿，则特征部111可以较短并且其厚度可以足够小使得其可适配在相邻牙齿112之间。在另一方面，例如，如果对象112是牙齿，则特征部111可以较短并且具有适配在相邻牙齿112的顶部分之间的形状。在又一方面，例如，如果对象112是牙齿，并且特征部111将抵靠后表面搁置，则其可以具有覆盖后表面的大部分的尺寸。

特征部111可以针对其他对象112而具有相应地形状或者适于该对象112的尺寸。

为了有利于手持件104的操作，套筒108可由任何具有振动衰减属性的材料制成并且可以具有使得行进通过套筒108而到达手持件104的壳体132的任何振动可被衰减的长度。在一个实施例中，套筒108和/或翼片110、以及套筒108所附接的壳体132的端部可以由相同的材料制成。在另一个实施例中，套筒108和/或翼片110、以及套筒108所附接的壳体132的端部可以由具有相似的振动衰减属性的材料制成。在又一个实施例中，套筒108和/或翼片110、以及套筒108所附接的壳体132的端部可以由不同的材料制成，例如，壳体132可以由金属或复合材料制成，而套筒108和/或翼片110可以由聚合物或复合材料制成。在再一个实施例中，套筒108和/或翼片110、以及套筒108所附接的壳体132的端部可以由具有不同振动衰减或阻尼属性的材料制成。在上述任一实施例中，脊或其他相似特征部或具有相似功能的特征部如果存在，则也可以由与套筒108相同的材料制成。

一般而言，可能期望套筒108具有足够的刚性，使得其可以持续适配在手持件壳体32上或其内并且可以在使用期间不坍塌。如果考虑多次使用，则套筒108通常可被构造为能够承受多次消毒程序，例如若需要通过高压釜执行的程序。在其他实施例中，套筒108可以是一次性的，并且由此可以由在套筒108内形成的任何材料构造。合适材料的示例可以包括但不限于例如可模制的、热成型或浇铸的聚合物。合适的聚合物包括：聚乙烯；聚丙烯；聚丁烯；聚苯乙烯；聚酯；聚四氟乙烯（PTFE）；丙烯酸类聚合物；聚氯乙烯；乙缩醛聚合物例如聚甲醛或Delrin（可从杜邦公司购得）；天然或合成橡胶；聚酰胺；或其他高温聚合物例如聚醚酰亚胺类

聚合物合金例如

树脂（其是聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物），

树脂（其是聚碳酸酯和间苯二甲酸对苯二甲酸乙二醇酯间苯二酚树脂的共聚物，均可从GE Plastics购得）；液晶聚合物，例如芳香族聚酯或芳香族聚酯酰胺，其中含有作为构成成分的、从芳香族羟基羧酸（例如羟基苯甲酸（刚性单体）、羟基萘甲酸酯（柔性单体）、芳族羟基胺和芳族二胺中选取的至少一种化合物（在美国专利No.6,242,063、No.6,274,242、No.6,643,552和No.6,797,198中例举，这些专利的内容通过引用结合在此），具有终端酸酐基团或横向酸酐的聚酯酸酐（在美国专利No.6,730,377中例举，该专利的内容通过引用结合在此），或者它们的组合。这些材料中的一些是可回收的或可被制作为可回收的。也可以使用可生物分解或可生物降解的材料，并且其可以包括任何可生物降解或可生物分解的聚酯，例如聚乳酸树脂（包括L-乳酸和D-乳酸）和聚乙醇酸（PGA）、聚羟基戊酸酯/羟基丁酸酯戊酸酯（PHBV）（3-羟基丁酸和3-羟基戊酸（3-羟基戊酸）和聚羟基链烷酸酯（PHA）的共聚物、以及聚酯/聚氨酯树脂。一些不可生物分解或不可生物降解的材料也可以通过添加某些添加剂例如任何氧生物降解添加剂而被制成可生物分解或可生物降解的，所述氧生物降解添加剂例如可以是由英国Borehamwood的SymphonyEnvironmental供应的D2W^TM和由加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华的EPI Environmental Products Inc.制造的

另外，也可以使用任何聚合物复合材料，例如工程预浸料或复合材料（其为填充有颜料、碳颗粒、二氧化硅、玻璃纤维的聚合物或它们的混合物）。例如，聚碳酸酯和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）的混合物可以用于壳体132和套筒108。作为再一示例，也可以使用碳纤维和/或玻璃纤维增强塑料。

合成橡胶可以是例如弹性体材料，并且可以包括但不限于可从Kraton公司购得的各种共聚物或嵌段共聚物聚合物，例如苯乙烯-丁二烯橡胶或苯乙烯异戊二烯橡胶、EPDM（乙烯丙烯二烯单体）橡胶、丁腈橡胶（丙烯腈-丁二烯）等等。

在一些实施例中，套筒108和/或壳体132也可以由一种或多种金属和/或陶瓷材料制成，这些材料可以利用合适的材料（例如上所述聚合物或复合材料）涂覆和/或处理。例如，可以利用可实质上进行振动阻尼/吸收/反射的金属和/或陶瓷材料。也可以采用粘弹性涂层和/或其他涂层，使得振动和/或其他机械能可以不转移到套筒108和/或壳体132的金属和/或陶瓷部件内。

在一个实施例中，钛可以用于套筒108和/或壳体132、或它们的部件/部分。

在另一个实施例中，可以利用压电材料例如压电陶瓷。压电材料通常可以用来将机械能转换成电能。

在本发明的一个具体实施例中，手持件104的聚合物套筒108延伸出，使得从聚合物套筒108与试样112相接触的尖端116到弹击杆120位于其缩回静止位置内的头部128的距离范围大致是从例如大约3.5毫米至大约5.5毫米，并且再举一例，从大约3.75毫米至大约4.5毫米。在一个示例性实施例中，从手持件104的聚合物套筒108与试样相接触的尖端116到弹击杆120位于其缩回静止位置内的头部128的距离可以是大约4毫米。弹击杆102的这些量度仅仅为示例性的而非限制性的。聚合物套筒108的长度在一个实施例中取决于弹击杆120的长度和弹击杆120在被致动时在没有由于摩擦力和重力而导致的前向推进的显著退化的情况下能够行进的总距离。

如上所述，套筒108可以是可拆卸的，并且可以以任何螺纹附接件、摩擦适配、配合刺刀结构、榫舌和凹槽型结构、卡扣适配、嵌套销钉和销孔结构、栓锁和其他互连结构附接到壳体132上。在一个示例性实施例中，套筒和壳体可以是用于更佳适配的定制螺纹系统。

在一个示例性实施例中，聚合物套筒108的另一端部136可以是螺纹部116a，使得其连接到具有相似螺纹的手持件壳体132上。包括聚合物套筒108的试样端部116的平面大致正交于手持件壳体的轴线。而且，聚合物套筒108的试样端部116的表面区域可以足够大。这一布置连同翼片110协助手持件104的大致正交布置和定位稳定性。在一个实施例中，尖端116的试样端部的外径基本处于例如从大约6毫米至大约14毫米的范围内，并且另举一例，位于从大约8毫米至大约11毫米的范围内。在一个示例性实施例中，外径为大约9.5毫米。尖端116的试样端部的内径基本位于例如从大约3毫米至大约6毫米的范围内，并且另举一例，位于从大约4毫米至大约5毫米的范围内。在一个示例性实施例中，内径为大约4.7毫米。

套筒也可以具有变化的内径，其从套筒为螺纹136处到套筒108的试样端部116减小。图1示出了一个其中聚合物套筒108具有三个不同内径的实施例。其他实施例具有多于或少于三个的内径，其中一个实施例具有从聚合物套筒为螺纹136处到聚合物套筒108的试样端部116的连续减小的内径。内径的减小可以有助于引导弹击杆120在恒定的位置以恒定的倾斜角度碰撞试样112。具有翼片110的套筒108可以提供在对象112上的更为精准的定位。例如，具有阻尼容量和这类长度以便减弱可能与测量程序相互干扰的任何应力波的聚合物套筒108能够在操作期间将聚合物套筒108的尖端116直接抵靠对象112放置。通过将手持件104的聚合物套筒108的尖端116布置为直接抵靠对象112具有保持介于对象与手持件104的套筒108的尖端116之间的距离的优点、以及将套筒的尖端116和进一步通过翼片110和特征部111（若存在）锚定的对象112的表面的定位保持基本恒定的优点，从而实现更好的数据可重复性和更高的精度。这种能力消除了对距离和定位的猜测并且消除了由于例如患者的头部或操作人员手部在测量期间的抖动（即使很轻微的）所导致的误差。

在本发明的一个实施例中，套筒108的尖端116（具有手持件104的翼片110）被直接置于试样112上以提供重新创建基本独立于对操作人员和试样112的轻微运动（若存在）的评估的一致且精确的测量的能力。

同样地，在另一个实施例中，套筒108的尖端116（具有手持件104的翼片110和特征部111）被直接置于试样112上以提供重新创建基本独立于对操作人员和试样112的轻微运动（若存在）的评估的一致且精确的测量的能力。

此外，套筒108的尖端116和翼片110或者翼片110和特征部111直接在对象112上的搁置也使得操作人员在进行测量时更易于将手持件104保持稳定且维持在套筒108的尖端116与对象112之间的恒定距离。如图1中所示，具有平坦尖端116的套筒108在尖端116被置于与对象112相接触时还协助手持件104大致正交于对象112的表面的对准。通过尖端116、翼片120和对象112之间的接触或者尖端116、翼片110和特征部111之间的接触的自对准可以实现更为精准的测量，其中弹击杆120碰撞对象112的角度在所述测量期间以及在随后的测量期间保持恒定。

另外，用于手持件104的套筒108的具有振动衰减属性的聚合物或其他材料的使用也可以通过保持应力波免于传播到手持件104的壳体132上而实现更清晰的信号。在一个示例性实施例中，PTFE可以用作套筒108。在另一个实施例中，聚甲醛可以用于套筒108。PTFE和聚甲醛可以是高温高压消毒的并且具有足够高的阻尼容量以衰减来自对象112的应力波。套筒108的材料通常可以具有如由其损耗系数代表的阻尼容量，其范围从例如大约0.03至大约0.2，并且另举一例，处于从大约0.06至大约0.1的范围内。在一个示例性实施例中，损耗系数可以是大约0.08。PTFE也具有作为固体润滑剂的优点，其在弹击杆120于测量程序期间往复行进时减小在套筒108与弹击杆120之间的摩擦力。

利用本身与对象112自对准的套筒108的平坦尖端116和翼片120，协助操作人员将手持件104保持大致水平于地面且大致正交于正进行测量的对象112的表面。手持件104也可以具有附接到手持件104的壳体132上的水平指示器以进一步协助操作人员在测试期间将手持件104保持为大致水平。在本发明的一个实施例中，水平指示器140可以包括捕获在保持于透明外壳中的液体中的气泡144。用户仅仅将气泡保持在位于透明外壳的中间的两个标记148与152的中央，以确保手持件104位于大致水平的位置。

再次回到图1，手持件可以是系统的一部分，该系统包括：驱动机构160，其可以包括压电式力传感器160a；系统硬件164，例如具有高速数据采集能力（其可以通过高速数据采集板实施）的计算机164。在一个实施例中，可以使用位于容置在计算机164中的数据采集卡上的十六位模数字通道。在另一个实施例中，可以使用纯数字通道。在图1a中，驱动机构160可以包括线性可变差动变压器160b以用于感测和测量在能量施加之前、期间和之后能量施加工具例如弹击杆120（如图1和图1a中所示）的位移。线性可变差动变压器160b可以是非接触式线性传感器。传感器可以利用感应技术并且由此能够感测任何金属目标。

在一个实施例中，手持件104的能量施加过程可以经由机械机构例如通过开关机构140（例如如图1中所示，位于手持件上的便利位置处的手指开关以方便操作人员的激活）触发。

在另一个实施例中，手持件104的能量施加过程可以经由脚踏控制触发。

在再一个实施例中，手持件104的能量施加过程例如经由语音控制触发。语音控制可以耦接到电气控制装置上。电气控制装置可以包括微处理器和开关，例如机电开关或固态开关。与在电子装置例如玩具、蜂窝电话、汽车和其他消费电子产品中所使用的技术相似的电子语音控制电路技术可以用来激活能量施加过程。在又一个实施例中，手持件104的能量施加过程可以经由远程无线控制触发。远程无线控制可以耦接到开关机构140上，开关机构140可以包括微处理器和例如机电开关或固态开关的开关。开关可以通过红外辐射或者通过无线电信号或通过来自电磁波谱的可见光部分的光激活。

在一个示例性实施例中，为了开始对象112的测试，如图1中所示，将手持件104的套筒108的尖端116抵靠试样112布置并且利用位于手持件104上的手指开关124的推动激活位于手持件104内的弹击杆120。

当激活位于手持件104上的手指开关124或其他开关、脚踏控制、语音或无线控制时，可移动弹击杆120由推进线圈156驱动通过套筒108内的孔隙以碰撞对象112，例如每四秒十六次。当弹击杆120移动时，位于弹击杆120上的磁体157相对于测量线圈158移位。弹击杆120的加速度可以通过压电式力传感器160a测量，或者弹击杆120的位移可以通过线性可变差动变压器160b感测和测量。在操作期间，在能量施加例如利用弹击杆的碰撞之后，当由压电式力传感器160a进行测量时，如图1中所示，与源自于这种碰撞的撞击波相对应的信号被采集且发送给计算机164。在一个实施例中，压电式力传感器160a可以用来产生与源自于每次碰撞的撞击波相对应的信号。在一个方面，可以使用位于容置在计算机164中的数据采集卡上的十六位模数转换器通道。在这类实施例中，计算机164以至少大约800kHz的采样速率运行；尽管在其他实施例中，计算机116可以以至少大约600kHz的采样速率运行；另举一例，可以使用至少大约500kHz的采样速率。由压电式力传感器160a生成的信号可以经由任何仪器接口提供给容置在计算机164中的数据采集板。在一个方面，信号可以经由连接到高速数据采集卡上的同轴电缆168从压电式力传感器160a发送到计算机164。在另一方面，仪器接口可以包括信号调节器和独立的电源。在再一方面，仪器接口的改型实施例可以结合到计算机164内。

存储在计算机164中的软件采集并分析例如十六次碰撞中的十次以定量确定结构特性，例如，对象112或其周边或其所附接到的基座的阻尼容量或上面列出的其他特性。典型地，六到十次碰撞足够用于给定对象的例如损耗系数的采样。例如，在一个实施例中，弹击杆120在四秒的时间段中碰撞对象112大约十六次。在其他实施例中，使用更快或更慢的碰撞重复速率。在一个示例性实施例中，如上所述，弹击杆120由一个或多个推进线圈156驱动，而线圈156则通过手指开关（未示出）电子激活，尽管推进线圈156在其他实施例中能被远程激活。

当弹击杆120碰撞对象112时，弹击杆120的部分动能转换为机械能，该机械能作为应力波传播通过对象112。如由对象112的损耗系数和结构指示的，大部分的剩余动能被转换（耗散）为热量。传播的机械能的一部分被反射回到弹击杆120，在那里它能够由安装在壳体106内的压电式力传感器160a检测到。压电式力传感器160a产生与源自于在弹击杆120与对象112之间的碰撞的经反射的机械能相对应的信号。

在图示的实施例中，计算机164可以包括能够分析从压电力传感器160a所接收的信号的虚拟仪器软件。能够使用多种不同类型的数据采集软件以采集来自压电式力传感器160a的数据。在一个实施例中，可以使用利用可从得克萨斯州奥斯汀的National Instruments购得的LabVIEW编程环境开发的定制数据采集软件，尽管在其他实施例中能够使用其他编程环境。

在接收到来自压电力传感器160a的信号之后，数据处理软件能够定量测量所希望的特性，例如，对象112的阻尼容量，其通常可被表述为损耗系数17。如上所述，对于一系列碰撞，可以执行对阻尼容量的若干次计算。例如，在一个实施例中，弹击杆120碰撞对象112十六次，并且对象112的阻尼容量可以对十六次碰撞中的十次进行计算。在这类实施例中，能够计算阻尼容量测量的标准差，从而向用户提供测量精度的指示。具体地，如果手持件104没有与对象112恰当对准，或者如果另一误差源被引入测量过程，则这种误差可能以一系列阻尼容量测量中的升高的标准差的形式而将自身表现出来。该系统的任何部分的各种实施例，例如具有以上讨论的翼片和/或特征部的套筒可以在进行对任一先前讨论的对象的任何结构特性的任何测试或测量中使用。

如上所述，本发明也具有在检测内部损坏例如微裂纹、裂缝、微裂缝和脱层（在复合结构和其他工程材料中）中的应用。复合结构通常比非增强型金属更容易遭受损伤发展，特别是当它们处于接近材料的抗拉强度的应力时。本发明对于通过无损测试来检测在复合材料和结构中的损坏是有用的。

图9示出了软件程序的一个示例性实施例的流程图300。在程序被加载和执行304之后，下一步骤308确定是否需要进行校准。如果将要实施熟悉的测试配置，则程序加载存储在文件中的先前确定的校准值312。校准文件能够从存储在存储器中的很多先前的校准文件中选取。如果使用新的测试配置，则完成校准程序316并且在于步骤320中实施新校准值之前将新校准值存储在新文件中。在下一步骤324，程序接收来自压电式力传感器324的信号，将该信号转换成能量数据328，将能量数据以图形和文本形式显示在计算机监视器332上，从而计算n例如损耗系数.eta.336；和/或计算损耗系数测量结果的标准差并且归一化理想拟合误差；并且随后基于操作人员的决定将能量数据丢弃或保存到文件中。

随后，操作人员从以下三个选项中选择：进行该系列测量中的更多测量357；开始新系列测量358，或者退出程序359。在该程序的一个实施例中，图形用户界面显示操作人员能够从中选择上述三个选项。该接口由绘制在流程图300中的方框356所反映，方框356具有通往方框357、358和359的三个路径。

如果请求在该系列测量中的更多测量357，则程序返回到其中程序接受来自压电式力传感器的信号的步骤324。如果没有请求在该系列测量中的更多测量，而是请求新系列测量，则程序基于操作人员的决定在返回到其中程序从压电力传感器接收信号的步骤324之前将能量数据丢弃或存储到文件中352。如果没有请求在该系列测量中的更多测量并且没有新系列测量被请求359，则在结束程序366之前程序基于操作人员的决定将损耗系数数据丢弃或存储到文件中360。

而且，与抵靠例如天然牙齿的碰撞相关联的机械能主要由牙周膜耗散。更具体地，当牙齿经受碰撞力时，应力波传递通过牙齿且传递到牙周膜内，牙周膜起到将牙齿连接到基础骨骼的作用。由于其变形的方式，牙周膜作为减震器，耗散与碰撞相关联的大部分能量。这种阻尼过程有利地减小传递到周围骨骼上的剩余碰撞力。相比之下，由于所使用的材料的性质，牙科植入物假体往往没有耗散显著量机械能的机制。由此，机械能趋于以相对较小的阻尼从植入物结构传递到基础骨骼中。这种力学性态的差异对于习惯性磨牙和/或咬紧牙关的人而言可能特别关键，因为这些行为会在牙齿上施加相对较大的撞击力。对于物理结构，无论阻尼材料是否被结合到所述结构内，当与没有裂纹、微裂纹、裂缝、微裂缝、缺陷或任何结构不稳定性的结构进行比较时，与抵靠所述结构的碰撞相关联的机械能会在存在裂纹、微裂纹、裂缝、微裂缝、剥离、缺陷或任何结构不稳定性时产生不同的响应。

材料耗散弹性机械能的相对程度能够使用如前面讨论的损耗系数表征。损耗系数值可以针对上述对象中的任一个确定，包括天然牙齿，以及对于多种植入物支承的结构例如由树脂基复合材料、金合金、熔合到金层上的陶瓷、所有陶瓷修复或适于在口腔中使用任何材料所制成的超结构。植入物支承的结构典型地比对应的天然牙齿耗散更少的机械能。但是，植入物耗散机械能的能力取决于围绕植入物的骨整合水平：在植入物与周围骨骼之间的较差的骨整合会导致异常高水平的能量耗散。由此，能量耗散在布置植入物之后例如归因于骨重构而初始地增加，但是随后通常随着骨整合的进展而减小。最终，当骨整合过程进展至完成时，植入物的能量耗散（阻尼）容量变为恒定。如上所述，对于正常的健康牙齿，由咀嚼产生的碰撞能量通过位于健康骨骼-天然牙齿界面处的牙周膜衰减。当天然牙齿受损或患病时，植入物替代它，但是由于牙周膜通常丢失而会没有并可能肯定没有牙周膜。在大多数情况下，在成功的整合植入物中不存在牙周膜。在这种情况下，植入物可以将碰撞力直接传递到骨骼中。为了补偿这种损失，使用例如某些复合材料、氧化锆等来制造植入物基底已经在多个研究中显示为有效。本发明的仪器可以用来协助用于解剖学结构例如植入物的构造或制造和/或材料的选择。对所述基底材料的载荷的动态响应的测量可以用于这种目的并且可以用于在植入之前或修复之前预测修复材料对于植入物的适用性。

由于口腔加载是所遇到的更危险类型的应力，因此在植入时测试结果与实际响应相关联的能力是本发明的另一方面。通常，紧咬合诱发相对较低的应力，做功和/或非做功运动可能产生侧向载荷，并会诱发高很多的应力，这可能在内表面处和下面的牙骨质边缘产生最高的应力集中。由此，使用本发明的系统的量化撞击诊断可以协助选取在植入物中或用于植入物的最佳材料或构造设计。

可以根据美国专利No.6,120,466中描述地进行损耗系数的确定，该专利的全部内容通过引用结合在此。图14和图16示出了用于计算损耗系数的公式，而图16a示出了损耗系数测量的示例。

可以做出对例如在一时间段内测量由碰撞或施加能量而从对象中反射的能量（其可以包括基于从对象在该时间段期间所反射的能量创建时间-能量分布图和/或评估该时间-能量分布图以确定对象的阻尼容量）的其他确定，例如在美国专利No.6,997,887和No.7,008,385中公开的，这些专利的全部内容通过引用结合在此。

例如，同样如图1中图示的，计算机164还可以包括存储器寄存器，使得能够记录时间-撞击响应，例如在一离散时间段上的若干点处从对象112中反射的能量值。在这类实施例中，从对象112中返回的能量能够在附接到计算机164上的显示器上被标绘为时间的函数。这种配置容许用于查看和分析从试样114中反射的能量的时间-能量分布图。

除了生成时间-能量分布图以外，也能够对从压电力传感器160a中返回的信号进行其他分析。例如，与碰撞相关联的做功量能够通过将施加到弹击杆120上的力相对于试样的位移进行积分而被评估。在与对象112的碰撞期间施加到弹击杆120上的力能够使用压电式力传感器160a测量。在碰撞之后，做功的量部分取决于在对象112中存在的缺陷的数量。具体地，当杆120碰撞对象112时，对象112中的缺陷耗散杆120的动能，从而减小返回到弹击杆120的可用弹性能的量。

在一个实施例中，返回到弹击杆120的弹性能的量和与碰撞相关联的总功的比较能被用来确定在对象112中存在的结构缺陷的数量和性质。在另一个实施例中，高斯分布峰值或其他数学推导峰值可被拟合到所测量的诸如能量、应力或力数据之类的撞击响应中。残留误差或平均误差可以用来确定所测量的数据如何紧密的代表无缺陷的对象112。

图16b示出了时间-撞击响应的形状的示例，例如，在牙齿上产生的时间-能量分布图。对于正常的牙齿，如图所示，生成平滑的钟形曲线。对于非正常牙齿，则如图所述，生成了具有各种形状的曲线，例如不对称分布或者多峰值分布。即使所示的曲线参考的是牙齿，但是曲线可以推广到上述任一其他对象，无论是解剖学结构的还是工业的或物理的结构。

本发明的装置和系统也可以用于其他阻尼因子的测量，例如在美国专利No.5,476,009和No.5,614,674中公开的那些；非侵入性地确定离散的生物组织块中的密度损失，例如在美国专利No.5,836,891和No.5,402,781中公开的；结构的模型阻尼因子，例如在美国专利No.5,652,386中所公开的；用于通过测量对象的特定阻尼容量检测对象中的初始缺陷，例如在美国专利No.4,231,259中公开的；非破坏性测试，例如在美国专利No.4,519,245中公开的；用于引起振动且通过傅立叶变换分析的仪器，例如在美国专利No.5,951,292中公开的；用于检测牙齿在牙龈中的稳定性或植入物在体内的稳定性，例如在美国专利No.6,918,763中公开的；用于确定牙齿或牙科植入物的活动性，例如在美国专利No.5,518,008中公开的；或者使用撞击仪器以用于在对象中产生振动的任何其他测量；这些专利的全部内容通过引用结合在此。

健康牙齿和良好整合的植入物呈现出低水平的能量耗散，并且具有平滑对称的钟形的时间-弹性能曲线，正如图16b的上部曲线中所示。如在此上下文中使用的，术语“弹性能”指的是向撞击仪器100的杆120赋予的弹性能。弹性能E_e由E_e=KF²给定，其中常数k与弹击杆120的有效弹性模量成反比地变化，并且其中力F与弹击杆120的质量和弹击杆120的最大减速度（由碰撞产生的应力波所导致）成正比。

不同于良好整合的植入物，经受较差骨结合、骨质流失、内部缺陷或损坏结构的植入物典型地可能呈现不均匀的时间-撞击响应分布图。例如，图27例示了对于健康植入物的“正常”时间-撞击响应分布图200，以及对于未良好整合的植入物结构的“异常”时间-撞击响应分布图210，图16b中也示出了对于正常和异常的植入物。如所例示的，健康牙齿的时间-撞击响应分布图200具有平滑对称的钟形形状，而异常植入物结构的时间-撞击响应分布图210则不是平滑对称的，或者是会具有二次最大值212的。异常植入物结构的时间-撞击响应分布图的形状表明存在缺陷，例如螺丝松动、损坏的内部结构、在骨骼/植入物界面处的骨质损失、或较差的骨整合。除了二次最大值以外，在时间-撞击响应曲线的形状中的表明结构缺陷的其他异常包括分散的数据、不对称和不规则的形状。

图28中提供了该原则的另外的示例，其例示了良好整合的植入物的“正常”时间-撞击响应分布图300以及未良好整合的植入物结构的“异常”时间-撞击响应分布图310。这些植入物结构均位于例如在重度机能异常的老年患者的口中。如先前解释的，二次最大值312的存在表明在植入物部位处存在缺陷，例如螺丝松动、损坏的内部结构、在骨骼/植入物界面处的骨质损失、或较差的骨整合。

前面的示例说明了对牙科结构的时间-撞击响应分布图的分析能够提供关于该结构的完整性和稳定性的信息。这些分析技术向临床医生提供了在不需要侵入性程序的情况下关于天然和人工牙科结构的稳定性的信息。翼片和/或特征部增加这些测量的可重复性并且由此产生更小的标准差。

对于复合结构，本发明的上述仪器也可以使用在除了牙科以外的领域。例如，这种仪器可以用于估计复合结构例如分层蜂窝复合结构或任意其他结构的局部阻尼容量。具体地，这种仪器在复合结构的测试中的使用有利地允许在不破坏结构的情况下评估这些结构的阻尼容量。本文公开的仪器与用于评估阻尼容量的常规装置相比，具有重量轻、便于携带、易于使用、快速且便宜的特点。

由于阻尼容量测量材料吸收和隔离振动的能力，因此阻尼容量对于用于隔音的材料而言是特别关注的，例如在航空航天、船舶、桥梁、拱结构、民用工程和汽车工程领域中。由此，人们常常寻求测试正在开发的新材料的阻尼容量，以及常规材料在持续使用之后的阻尼容量的方法。

作为示例，分层蜂窝结构通常具有较高的阻尼容量，并且由此常常用作这些领域中的隔音器。典型的分层蜂窝结构具有两个相对薄的饰面，饰面具有较高的强度和刚度。饰面包封相对较厚但重量轻且沿垂直于饰面方向具有高强度的蜂窝芯结构。例如，蜂窝芯结构可以包括可从特拉华州威尔明顿的E.l.du Pont de Nemours and Company购得的

蜂窝芯。饰面和芯通常机械地或利用粘结剂（例如，利用酚醛树脂或其他结构或反应型粘结剂）结合在一起，从而提供结构复合属性。在复合结构中，饰面可以承载弯曲应力，而芯部承载剪切应力。当暴露于声学振动较长时间段时，在这些层之间的结合的劣化、以及在蜂窝芯部本身中的劣化可能导致分层蜂窝芯结构具有减小的隔音能力。

现在参照图29，例示了配置用于评估复合结构的阻尼容量的装置的示例性实施例。该装置包括安装在配置用于稳定撞击仪器100的固定托架150内的本发明的系统100的实施例。系统100可以可选地配备水平仪152以协助仪器100基本垂直于待测试的对象或试样112的对准。在示例性实施例中，试样112安装在具有可手动调节的台钳驱动器156的角度虎钳154内，从而容许在测试期间将试样112保持为压缩。在修改的实施例中，角度虎钳154可以配备有橡胶夹具以减小能够由系统100检测到的振动噪声的外部源。

仍然参照图29，系统100经由仪器接口168电子连接到计算机164。在这类实施例中，计算机164可以包括显示器180，显示器180能够以图形方式呈现由系统100产生的数据，例如时间-撞击响应分布图。

图29中例示的测试装置可以用来评估多种材料的阻尼容量。例如，在一个应用中，该装置能够用来评估分层蜂窝复合试样的阻尼容量。在这类应用中，待测试的试样112安装在角度虎钳154中，其使用虎钳驱动器156紧固到大约2765gcm的扭矩，尽管在其他实施例中，试样112可以被加载至不同的扭矩。

在一个示例性实施例中，本发明的仪器能够检测在不同修复材料之间的阻尼差异以有助于选取最为仿生的材料以保护口部免受破坏性影响，例如正常的机能异常动作、重复加载活动并且不限于只是异常事件。另外，其还能够用来评估何种类型的植入物支承的修复（例如，CAD/CAM复合树脂和与CAD/CAM复合树脂以及陶瓷高嵌体和冠顶相结合的氧化锆基底）将更为仿生地响应于生理相关的动态加载，可以利用损耗系数的测量。在植入物/基底/修复组件可以利用所选取的材料制成之后，本发明的仪器可以垂直于每个修复物的口腔表面的冠顶定位。如图26b中所示，牙齿可以保持为成角度以将探针保持水平。用于选定对象或试样112的测量结果可以用来预测用于植入物、修复物等所采用的最合适的材料。例如，当与位于模拟骨骼支承结构中的牙齿相比时，结合至氧化锆植入物基底上的复合树脂高嵌体可以呈现对载荷的最为仿生的动态响应。

在其他示例性实施例中，本发明的仪器也可以用来在牙科工作或牙科植入之后立即测试牙齿结构的松动。当牙齿结构只是松动而没有如上所述的缺陷或裂纹时，其可以具有相对平坦的时间-撞击响应分布图，正如图19b、图19d和图19f中所示的，或是在牙科工作之前且随后要进行牙齿的矫形移动的只是松动的情况在图20、图20a-b中所示。在容许用于牙科工作密合和骨骼围绕牙齿的新结构及牙科定位愈合的时间之后，图20c-e示出了正常的钟形分布图。根据另一示例性实施例，本发明可以由矫正医师使用以测量牙齿在矫正移动之后的稳定性。

另外，如图21b和图22a中所示，具有异常或多个峰值的低或平坦分布图可以对应于极大的活动性和结构性断裂失效，从而表明牙齿可能无法修复。

在任一的上述测量中，本发明的套筒108可以适配到不适于与进行测量的对象相接触的其他可商业购得的手持件上，使得本发明的优点也可能实现。将套筒108附接到可购得手持件上的任何合适方式都可用来修改手持件。

如所述，在一些实施例中，壳体132的套筒108和/或多个部分可以包括能够消除、防止、延缓或最小化微生物生长的涂层，从而最小化高温高压灭菌过程或苛刻的化学品的使用，并且可以增加作为用于制造这种工具或仪器的基底的材料的种类和数量。

涂层可以包括化学抗微生物材料或化合物，这些材料或化合物能够被基本永久地结合，至少对于例如套筒108的使用寿命的时间段而言，或者当借助于涂布剂涂覆到套筒108的暴露表面上时维持抗微生物效果。在一个示例中，化学剂可以通过一个或多个共价键沉积在套筒108的表面上。

在其他实施例中，涂层可以包括化学抗微生物材料或化合物，这些材料或化合物可以以非永久的方式沉积，使得它们可以在使用期间溶解、浸出或以其他方式将抗微生物物质输送到有用的区域例如口部。

在再一些实施例中，涂层可以包括抗微生物试剂源，其可以在潮湿的环境中或在与水分接触时浸出和/或释放试剂。这些源可以并入用于制造套筒的基底材料内，或者包括在涂覆在套筒108的暴露表面上的涂层中。源的并入特别适于聚合物基底。

化学抗微生物材料或化合物可以包括多种物质，包括但不限于抗生素、抗真菌剂、一般的抗微生物剂、金属离子产生材料、或者能够产生抗微生物效果的任何其他材料。化学抗微生物材料或化合物也可以选取为例如最小化对患者的任何不利影响或不舒适。

抗微生物化合物可以包括但不限于：抗生素、季铵阳离子、金属离子源、三氯生、洗必太和/或任何其他合适的化合物或是上述的混合物。

在又一个实施例中，抗微生物性可以通过利用各种金属特别是过渡金属（其对人体的影响很小或几乎没有影响）的抗微生物属性实现。示例可以包括以其抗微生物效果和对人体生物影响很小而闻名的自由银离子源。金属离子抗微生物性可以通过多种方法产生，这些方法可以包括但不限于：在制造期间将金属离子源与牙科仪器的材料混合，通过诸如等离子沉积之类的方法涂覆表面，通过例如蚀刻或电晕放电之类的方法破坏牙科仪器的表面以形成亲和性或结合位点而松散络合金属离子源，以及通过例如电镀、光致还原和沉淀将金属沉积到表面上。套筒108的表面可以随后在使用期间缓慢地释放自由金属离子，这可以产生抗微生物效果。

在一些实施例中，金属离子源可以是离子交换树脂。离子交换树脂是携带有位于材料的表面上的结合位点中的离子的物质。离子交换树脂可以浸渍具有给定亲和力的特定离子种类。离子交换树脂可以布置在其具有普遍更高亲和力的含有不同离子种类的环境中，从而使得浸渍离子被浸出到环境中，从而由原本存在于环境中的离子种类替代。

在一个实施例中，套筒可以包括含有金属离子源例如银的离子交换树脂。含有金属离子源的离子交换树脂可以包括例如

（Milliken Chemical），其是含有银的基于磷酸锆的陶瓷离子交换树脂。离子交换树脂可以被涂覆到套筒108上，或者其可以被并入套筒108的材料内。

在又一个实施例中，套筒108可以由具有固有抗微生物效果的天然植物原料、天然材料涂层、或它们的混合制成。这种材料包括诸如竹的材料，据信其由于一些新的几丁质结合肽而具有抗微生物活性。

示例

示例1：骨密度的体外研究

用于这项研究的植入物是如下四种螺纹钛植入物几何形状：

1和2、Nobel Biocare（TiO₂涂覆，13mm长）：Branemark MarkIV（最大直径4mm）；替换选定的锥形（最大直径4.3mm）；

3和4、Dentsply（13mm长，最大直径5.5mm）；Frialit-2（步进设计）；XIVE（设计用于即刻加载）。

过程：

制造2.5×2.5×4cm的泡沫块。植入物由制造商“经外科”布置。在模拟骨骼块中手动地钻出孔，随后利用扭矩扳手布置植入物。测试基台附接至植入物，并且将块布置在具有一致安装位移的虎钳中。对于每个样品执行三次测量（30次撞击）。

测试结果如图所示，其在1和2示于图10和图10a，3和4则示于图11和图11a。这些样品应当已经产生相似的图形，从而调节材料本身中的轻微差异。但是，图形显示出差异，即使对象被等同地制备，但由不同的操作人员，或者相同操作人员使用技术中的轻微改变，例如可以已经钻出不同尺寸的孔以用于安装该对象。这些差异由仪器拾取，显示为曲线图中的不同，显示出周围环境中的差异由本发明的仪器揭示。

示例2：口腔撞击加载的重要性的评估

如上所述的口腔撞击加载典型地是更危险的加载形式。通常，咬合加载诱导相对较低的应力。做功和/或不做功运动产生侧向加载并且诱导更高的应力，侧向加载可能产生在外表面和内表面以及在边缘下方的较高的应力集中。由此，本发明的实施例用来执行下面的测试。

过程：

使用本发明的系统，利用如图12中所示的加载进行测量。一般性地使用最大力为1-15牛顿的器械载荷，其中选定的最大载荷取决于对象或样品。弹击杆是自由浮动的。动能被控制。碰撞速度为每秒60mm。

如图26b中描绘的，本发明的仪器被布置在对象上。使用图13中描绘的计算，弹击杆具有8克的质量。输入能量U为0.5mv²，即弹击杆的动能。最大力（F）用来确定耗散的能量（D）。测量减速度a并计算归位能量ER=U-D。在对象与本发明仪器碰撞之后进行动态响应的测量并将其描绘在图16中。使用图14和图15中描绘的等式产生损耗系数和能量回归-撞击响应曲线。如图16b中所示，所生成的曲线描绘了什么是正常的和不正常的。对于正常的结构，获得了平滑的、几乎呈钟形的曲线图。对于会具有如前述的任何缺陷或裂纹的异常结构，产生不规则的曲线。

示例3：有限元分析

该分析方法涉及使用数值模型来模拟使用本发明的系统和方法的实际测试。

在本实验中使用层状结构，一个结构不具有在分层复合层中的缺陷（图24），而另一个结构则具有位于复合层叠层的中心处的缺陷（图24b）。

图23测量弹击杆抵靠对象的停留时间。玻璃棒或圆柱用来模拟图23中所示测量的牙齿结构。图23中的曲线示出了弹击杆和玻璃棒关于时间的相对位置。当弹击杆碰撞玻璃棒的表面时，它们的相应位置在开始时重合。随着时间前进，弹击杆逐渐远离于玻璃棒的表面移动，并且在250微秒时它们分离，从而表明弹击杆在表面上的停留时间将为250微秒。

使用该停留时间，对图24和图24b的复合板进行分析。结果分别在图24a和图24c中示出。图24c中的曲线图证实复合层中的缺陷、复合结构中的层的剥离。进行重复测量并将结果示出在图25和图25a中。由此，分析可以用来模拟本发明的系统和方法。

示例4：评估用于确定更为仿生相容的材料在植入物、修复物等 中使用的损耗系数

为了评估所提取的人类牙齿的LC并且估计何种类型的植入物支承的修复物（与CAD/CAM复合树脂和陶瓷高嵌体和冠顶相结合的CAD/CAM复合树脂和氧化锆基台）将更为仿生地响应于生理相关的动态载荷，如图27b中所示本发明的仪器用来测量一些材料的损耗系数（LC）。更合适的材料产生与图16b的上部曲线图相似的钟形曲线图，而不太合适的材料产生与图16b的下部曲线图相似的不规则曲线图，或者证实LC值比在天然牙齿中发现的小很多，从而有利于在修复之前选取材料而不必依靠反复试验，反复试验在指示重新处理的情况下可能是耗时且昂贵的，同时会使患者暴露于不舒适和接收更多伤害的潜在危险。

示例5：本发明的仪器用于测量裂纹、缺陷等的灵敏度和精确性

在该研究中使用位于患者的口腔内的实际人类牙齿。图17和图17a-h的信息在相同牙齿上产生。图17和图17a示出了患者的牙齿的放射照片，显示出没有病理。图17b示出了老旧合金修复物的图像，也显示出没有病理。由此，放射照片和视觉检查均显示出牙齿为正常的，即，没有缺陷或裂纹。基于这些常规的测试方法，预期的是对称的或钟形的时间-撞击响应分布图或曲线图（或者与图17c中的浅色曲线图相似，该曲线基于图13、图14和图16中的公式计算）。

但是，在同一天，使用如图1和图16中所示的本发明的仪器、使用如图27d中所示的具有翼片的套筒获取时间-撞击响应曲线图。图17c示出了与图17和图17a中相同的牙齿，示出了指示某些异常的异常时间-能量回归撞击响应曲线图。如由图17c中的箭头所示的，异常曲线图表示牙齿在老旧填料的结构内的不同位置处具有裂纹，具有不对称的或非钟形形状曲线。执行多次测量并且这些都显示出相同的不规则形状、以及测量的可重复性。由此，本发明的仪器能够检测任何异常。异常的二次峰值由图17f中的箭头表示，从而显示出裂纹。

图17d示出了与图17相同牙齿在移除老旧合金填料期间的图像，显示出在合金填料中的显著裂纹，该裂纹已经发展为微泄漏和填料下方的整体腐烂。有裂缝的该合金填料正在渗漏并且会在该老旧填料下发展出腐烂。这证实了由本发明的仪器检测到的异常。

图17e和图17f示出了在合金移除之前相同的预处理时间-撞击响应曲线图。如图17e-f所示，复查表明裂纹测量是可复制的。

图17g示出了与图17e同一天获得的在老旧合金和腐烂被移除且新的良好密封的复合修复物被布置之后的时间-撞击响应曲线图。该牙齿的时间-撞击响应曲线图再次为正常的。

图17h示出了新的复合修复物，其在老旧合金修复物在当天更早替换之后在图17g中测试为正常的。该示例的戏剧性在于图17f和图17g的能量回归曲线是同一天内针对相同牙齿的，差异在于老旧填料和腐烂被移除并且新的粘合复合修复物被布置，其为照片17h。

利用另一牙齿重复该实验。结果示出在图18、图18a-f中。图18示出了牙齿，其中放射照片示出为没有病理。图18a示出了针对图18的放射照片中所示的牙齿的异常时间-撞击响应曲线图。图18b是在图18和图18a中评估的牙齿的照片，示出了在视觉检查下没有显著的病理。但是，当移除填料时，呈现出较深的腐烂以及在老旧填料下方的微泄漏。图18c和图18d以及相同曲线图重复示出了在移除老旧合金之前的缺陷。图18e示出了在最终修复完成之后相同牙齿的正常ERG。图18f示出了图18b中所示的相同牙齿，其中新的修复物被测试为正常。这再次表明本发明仪器的精确性。

另外，如上所述，本发明的系统也可以用来检测牙齿结构在牙科工作之后即刻的松动。图19-19g示出了对于三个不同的上颚前牙的预处理放射照片以及时间-撞击响应曲线图。

图19、图19a、图19c、图19e和图19g示出了具有新填料的新牙科工作，即，白点代表填料和金冠顶。如图19b、图19d、图19f和图20中所示，利用本发明的仪器的实施例所产生的曲线图为正常的，即，对称的，但是较低。由于患者最近完成其牙齿的矫形运动，因此牙齿为松动的且不稳定的，尽管结构上是完好的。

图20、图20a和图20b还示出了在处理之前为松动的牙齿的时间-能量回归撞击响应曲线。图20c、图20d、图20e为对于相同牙齿的修复后的时间-撞击响应曲线图。图20f示出了修复的和结构正常的牙齿的最终照片。曲线图在此处较高，这是由于牙齿在处理之后在骨骼中为更稳定的。骨骼已经能够在矫形处理之后重构。由此，在容许牙科工作密合且牙齿结构更牢固地附接的时间之后，得到具有更高分布的正常的钟形分布图。

另一方面，如图21b和图22a中所示，当产生具有异常或多个峰值的较低或平坦分布时，极大的活动性和结构断裂失效为牙齿是不可修复的事实的指示。图21和图21a是在图21b中使用的牙齿的X射线图，其示出了多个填料，而图22示出了在该老旧牙冠下的、深入到牙根结构内的较深的整体腐烂，该牙齿由于广泛的终端腐烂而需要去除该牙根结构。图22a示出了使用本发明的系统从相同牙齿得到的时间能量分布图，图中示出了形状和高度上的极端异常。

已经通过以上描述和例示描述了本发明，但应当理解的是，这些是本发明的示例而不应被考虑为限制。因此，本发明不应当视为由前述说明限制，而是包括其所有等效方案。

Claims (46)

1.一种用于确定对象的结构特性的设备，包括：

手持件壳体，所述手持件壳体具有开口端部和纵向轴线；

能量施加工具，所述能量施加工具安装在所述壳体内以用于沿着所述壳体的纵向轴线进行轴向运动，所述能量施加工具具有缩回形式和伸出形式；

套筒，所述套筒从所述壳体的所述开口端部突出一段距离；

翼片，所述翼片基本平行于所述壳体的纵向轴线从所述套筒的一部分中伸出；以及

驱动机构，所述驱动机构被支承在所述壳体内，所述驱动机构适于使所述能量施加工具在所述缩回形式与所述伸出形式之间运动。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述翼片适于最小化在能量施加之后所述对象在除能量施加方向以外的任意方向上的运动。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述对象包括解剖学对象、工业或物理对象、或它们的组合。

4.如权利要求1、2或3所述的设备，其中所述翼片包括接触表面，所述接触表面基本反映其在使用期间所接触的所述对象的表面的轮廓以协助所述设备直接在所述对象上的可再现定位。

5.如权利要求1、2、3或4所述的设备，其中所述套筒包括振动阻尼材料、声阻尼材料、具有振动衰减涂层的材料、或它们的组合。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的设备，其中所述翼片包括基本正交于所述翼片的特征部，以适于进一步协助所述设备在所述对象上的定位。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的设备，其中所述套筒和所述翼片包括相同的材料或具有相似热膨胀属性的不同材料。

8.如权利要求1-7中任一项所述的设备，其中所述驱动机构包括定位在所述手持件内的测量和/或感测设备，所述测量和/或感测设备适于测量和/或感测能量施加之后的所述能量施加工具的位移或所述对象的响应。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述测量和/或感测设备包括压电式力传感器或线性可变差动变压器。

10.如权利要求6所述的设备，其中所述翼片和所述特征部包括相同的材料或具有相似热膨胀属性的不同材料。

11.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述套筒包括抗微生物涂层或具有抗微生物属性的材料。

12.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中所述套筒是可拆卸的。

13.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述套筒和所述翼片是一次性的或是可消毒的。

14.如权利要求1-7中任一项所述的设备，其中所述驱动机构包括感测机构，所述感测机构被配置为在所述能量施加工具碰撞所述对象之后的一离散时间段上检测从所述对象反射的时间-撞击响应或所述能量施加工具的位移。

15.如权利要求3所述的设备，其中所述解剖学对象包括牙齿结构、天然牙齿、由于磨损或创伤而具有裂缝的天然牙齿、已经变为至少部分脓肿的天然牙齿、或者已经经历骨质增大程序的天然牙齿、人工牙科植入物结构、牙科结构、矫形结构或矫形植入物。

16.如权利要求3所述的设备，其中所述物理或工业对象包括：聚合物复合结构；金属复合结构；飞机、汽车、船舶、桥梁、建筑物、发电设施、或拱结构。

17.一种用于确定对象的结构特性的系统，包括：

手持件，所述手持件包括：

壳体，所述壳体具有开口端部和纵向轴线；

能量施加工具，所述能量施加工具安装在所述壳体内以用于沿着所述壳体的纵向轴线进行轴向运动；

套筒，所述套筒从所述壳体的所述开口端部突出，所述套筒具有从其一部分中伸出的翼片以协助所述手持件直接在所述对象上的可再现定位，所述翼片基本平行于所述手持件的纵向轴线；以及

驱动机构，所述驱动机构被支承在所述壳体内，所述驱动机构适于使所述能量施加工具在缩回形式与伸出形式之间运动；以及

计算机，所述计算机耦接至所述手持件，适于确定所述对象的结构特性。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述确定对象的结构特性包括在通过所述能量施加工具向所述对象施加能量之后生成所述对象的损耗系数或者时间-撞击响应曲线图。

19.如权利要求17或18所述的系统，其中所述对象的结构特性包括所述对象或所述对象附接到其上的基底的：密度；骨密度或骨整合水平；固有或其他缺陷；裂纹、裂缝、微裂缝、微裂纹；胶合密封剂的损失；胶合剂失效；粘合剂失效；微渗漏；病变；腐烂；胶合剂失效；粘合剂失效；振动阻尼；声阻尼；剥离；或者它们的组合。

20.如权利要求17或18所述的系统，其中所述结构特性包括有关固有或其他缺陷、裂纹、裂缝、微裂缝、微裂纹、微泄漏、病变、腐烂、剥离的位置的信息；有关在实际工作之前材料在牙科工作中使用的兼容性或适用性的信息；在实际工作之前对牙齿结构是否可修复的确定；有关修复程序是否成功的信息；有关经历了任何程序的牙齿结构何时已经被重构的信息；有关牙齿结构在牙科工作之前和之后的松动性的信息；或者它们的组合。

21.如权利要求18所述的系统，其中所述时间-撞击响应分布图是具有对象的一种或多种结构特性中的形状特性的时间-能量分布图、时间-力分布图、时间-应力分布图或加速度分布图。

22.如权利要求17-21中任一项所述的系统，其中所述计算机包括被配置为评估时间-能量分布图、时间-力分布图、时间-应力分布图或加速度分布图的形状的数据分析器。

22．如权利要求22所述的系统，其中所述数据分析器被编程以计数在所述能量施加工具碰撞所述对象之后所反射的能量极大值的数目。

23.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述翼片适于最小化在能量施加之后在除能量施加方向以外的任意方向上的运动。

24.如权利要求17-23中任一项所述的系统，其中所述对象包括解剖学对象、工业或物理对象、或它们的组合。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述解剖学对象包括牙齿结构、天然牙齿、由于磨损或创伤而具有裂缝的天然牙齿、已经变为至少部分脓肿的天然牙齿、或者已经经历骨质增大程序的天然牙齿、人工牙科植入物结构、牙科结构、矫形结构或矫形植入物。

26.如权利要求24的系统，其中所述物理或工业对象包括：聚合物复合结构；金属复合结构；飞机、汽车、船舶、桥梁、建筑物、发电设施、或拱结构。

27.如权利要求17-26中任一项所述的系统，其中所述驱动机构包括感测机构，所述感测机构被配置为在所述能量施加工具碰撞所述对象之后一离散时间段上检测从所述对象反射的能量、力、应力或加速度或是所述能量施加工具的位移。

28.如权利要求17-27中任一项所述的系统，其中所述翼片包括接触表面，所述接触表面基本上类似于其在使用期间所接触的所述对象的表面的轮廓以协助所述设备直接在所述对象上的可再现定位。

29.如权利要求17-28中任一项所述的系统，其中所述套筒包括振动阻尼材料、声阻尼材料、具有振动衰减涂层的材料、或它们的组合。

30.如权利要求17-29中任一项所述的系统，其中所述翼片包括基本正交于所述翼片的特征部，以适于进一步协助所述设备在所述对象上的定位。

31.如权利要求17-30中任一项所述的系统，其中所述套筒和所述翼片包括相同的材料或具有相似热膨胀属性的不同材料。

32.一种确定对象的结构特性的方法，包括：

将手持件的具有从其中伸出的翼片的套筒直接抵靠对象布置，将所述翼片和所述套筒保持为抵靠所述对象的不同表面；

利用能量施加工具将能量施加至所述对象；

针对一时间间隔，测量并记录由于能量施加从所述对象反射的能量或者所述能量施加工具的位移；

创建从所述对象反射的响应的时间-撞击响应分布图或者所述能量施加工具的作为时间的函数的位移；以及

评估时间-撞击响应分布图的形状以做出关于所述对象的结构特性的确定。

33.如权利要求32所述的方法，其中所述对象与所述套筒相接触的所述表面基本正交于所述对象与所述翼片相接触的所述表面。

34.如权利要求32或33所述的方法，其中所述翼片包括接触表面，所述接触表面基本反映其接触的所述对象的表面的轮廓以在重复测量期间协助所述套筒在所述对象上的可再现定位。

35.如权利要求32-34中任一项所述的方法，其中所述翼片还包括正交于所述翼片的特征部，所述特征部接触所述对象的不同于所述套筒和所述翼片所接触表面的表面。

36.如权利要求32-35中任一项所述的方法，其中所述能量施加工具是弹击杆。

37.如权利要求32-36中任一项所述的方法，其中所述对象锚定到基座上。

38.如权利要求32-37中任一项所述的方法，其中所述对象包括解剖学对象、工业或物理对象、或它们的组合。

39.如权利要求38所述的方法，其中所述解剖学对象包括牙齿结构、天然牙齿、由于磨损或创伤而具有裂缝的天然牙齿、已经变为至少部分脓肿的天然牙齿、或者已经经历骨质增大程序的天然牙齿、人工牙科植入物结构、牙科结构、矫形结构或矫形植入物。

40.如权利要求38所述的方法，其中所述物理或工业对象包括聚合物复合结构；金属复合结构；飞机、汽车、船舶、桥梁、建筑物、发电设施、或拱结构。

41.如权利要求32-40中任一项所述的方法，其中所述对象的结构特性包括所述对象或所述对象附接到其上的基底的：密度；骨密度或骨整合水平；固有或其他缺陷；裂纹、裂缝、微裂缝、微裂纹；胶合密封剂的损失；胶合剂失效；粘合剂失效；微渗漏；病变；腐烂；胶合剂失效；粘合剂失效；振动阻尼；声阻尼；剥离；或者它们的组合。

42.如权利要求32-40中任一项所述的方法，其中所述结构特性包括有关固有或其他缺陷、裂纹、裂缝、微裂缝、微裂纹、微泄漏、病变、腐烂、剥离的位置的信息；有关在实际工作之前材料在牙科工作中使用的兼容性或适用性的信息；实际工作之前对于牙齿结构是否可修复的确定；有关修复程序是否成功的信息；有关经历任何程序的牙齿结构何时已经被重构的信息；有关牙齿结构在牙科工作之前和之后的松动性的信息；或者它们的组合。

43.如权利要求32-42中任一项所述的方法，其中所述时间-撞击响应分布图的形状为对称的、非对称的、复形的、多峰值的、或不规则的。

44.如权利要求32-42中任一项所述的方法，其中所述计算机包括被配置为评估所述时间-撞击响应分布图的形状的数据分析器。

45.如权利要求32-44中任一项所述的方法，其中评估所述时间-撞击响应分布图的形状包括评估时间-能量分布图、时间-力分布图、时间-应力分布图或加速度分布图，包括计数在能量施加之后从所述对象中反射的能量极大值的数目。

46.如权利要求32-45中任一项所述的系统，其中所述翼片适于最小化在能量施加之后所述对象在除能量施加方向以外的任意方向上的运动。

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