DE19614670A1 - Gerät zur Simulation des Kauorgans (Kausimulator) - Google Patents

Description

Mit verschiedenen Methoden wird versucht Einflüsse der natürlichen Mundsituationen auf zahnmedizinische Materialien und Versorgungen zu simulieren. Bereits von Ivo Krejci et al (Schweiz Monatsschr Zahnmed. Vol. 100 8/1990 Seite 953 bis 960) und Ralp DeLong/William Douglas (IEEE Transactions on Biomedical Engineering Vol 38. No. 4 April 1991 Seiten 339 bis 345) wurden ähnliche Maschinen beschrieben.

Dabei ist es wichtig die natürlichen Gegebenheiten der Mundsituationen, so z. B. einen größeren Ausschnitt eines Zahnbogens, die Relationen der Zähne zueinander, die natürliche Beweglichkeit der Zähne und die Bewegung der Zähne zueinander in die Simulation mit einzubeziehen. Zudem soll durch verschiedene Variationsmöglichkeiten des Gerätes und des Prozesses eine Annäherung der Simulation an natürliche Gegebenheiten erreicht werden. Extreme Bedingungen ermöglichen zudem eine zeitliche Verkürzung der Simulationsdauer im Vergleich zur realen Belastungszeit. Die Maschine ist dazu geeignet Prognosen über das Verhalten versch. Materialien und Konstruktionen im Vergleich zur Tragedauer im Mund zu ermöglichen.

Die einzelnen Parameter und die verwendeten Lösungsansätze sind durch die im Patent beschriebenen Verfahren im folgenden aufgeführt.

2.1. Kraft

Kriterien: Betrag, Dauer, Belastungsart frei einstellbar, Belastungsgeschwindigkeit.
Zur Darstellung einer Kaubewegung wird durch eine angebrachte Krafteinheit (hier Pneumatikzylinder (1) senkrecht stehend, möglich: elektrisch, hydraulisch etc.) eine definierte Kraft aufgebracht. Die Steuerung dieser Kraft wird in diesem Fall über ein Druckventil gewährleistet. Die Kraft ist je nach Pneumatikzylinderart limitiert, kann aber jeweils frei eingestellt werden (hier: im Bereich von 0 bis 200 N variabel). Mit Hilfe eines Pneumatikventils kann zusätzlich die Geschwindigkeit eingestellt werden, mit der der Prüfstempel auf den Probekörper auftrifft. Zur schnellen Rückstellung der Zylinder kann ein geeignetes System (2) (z. B. mechanisch (Feder), pneumatisch) verwendet werden. Durch eine entsprechende Steuerung kann die Belastungsdauer, sowie die Häufigkeit der Belastung pro Zeiteinheit variabel eingestellt werden.

2.2. Abgleitweg

Kriterien: freie Neigung, Simulation einer horizontalen Kraftkomponente, Abrieb, freier Kraftbetrag und freier Wegbetrag der Auslenkung, Höcker-Fossa Beziehung.
Der Abgleitvorgang wird durch flexible Lagerung des unteren Probenhalters (11) ermöglicht. Dies erfolgt im speziellen Fall durch gleitende Lagerung auf einer schiefen Ebene mit einem Gleit- bzw. Kugellagersystem (12) (hier 30 Grad), kann aber auch über entsprechende andere Systeme z. B. Gummilagerung und unterschiedlichen Winkeln erfolgen. Werden die im oberen (7) und unteren Probenhalter (11) fixierten Proben um einen bestimmten Betrag zueinander versetzt, so entsteht durch das Auftreffen der beiden Proben aufeinander einer horizontal wirkende Kraftkomponente. Dies hat zur Folge, daß der untere Probenhalter (11) über das Kugellagersystem der schiefen Ebene seitlich ausgelenkt wird. Somit erfolgt eine Simulation einer seitlichen Abgleitbewegung der Zähne im Verhältnis zueinander wie sie beim Zermahlen und Zerreiben der Nahrung auftritt. Diese Auslenkung wird über ein seitlich angebrachtes System (12a) (z. B. Feder) begrenzt und deren Betrag und Kraft kann frei eingestellt werden. Eine Überwachung des Auslenkweges wird durch Meßuhren (z. B. mechanisch, elektrisch) gewährleistet.

2.3. Probenkammer und Medium

Kriterien: Speichel, Temperaturwechsellast.
Die Probenkammern (9) sind wie alle Flüssigkeitsleitungen durchsichtig gestaltet um eine optische Überwachung des Fließmediums zu gestatten (Andere Materialien sind möglich). Die Flüssigkeit (z. B. dest. Wasser, NaCl-Lösung, Kunstspeichel) fließt durch eine oben angebrachte Bohrung (9a) in die Probenkammer. Die Entleerung der Kammer wird über eine entsprechende Bohrung am unteren Ende der Probenkammer gewährleistet (9b). In einem definierten Abstand über der Einflußbohrung ist ein Überlauf (9c) eingebracht, der ein zu starkes Befüllen der Kammern bzw. ein Überlaufen verhindert. Somit kann auch die maximale Steighöhe des Mediums in der Probenkammer definiert werden (hier etwa 3 cm). Alle Anschlüsse des Mediensystems werden über Schnellverbindungen gewährleistet, somit kann das System schnell vollständig demontiert werden, bzw. die Prüfkörper ausgewechselt werden. Die Anschlüsse können auch durch starre Verbindungen (z. B. Schrauben, Schweißnaht) erfolgen.

Die Befüllung der Anlage wird durch mindestens zwei Pumpen gewährleistet. Diese Pumpen können sowohl ein und ausgeschaltet werden, aber auch im Dauerlauf betrieben werden. Durch die spezielle Schaltung (hier pneumatisch) befüllt sich die Probenkammer (9) über ein Pumpensystem mit variabel einstellbarer Fördermenge innerhalb einer frei wählbaren Zeit, wobei auch die Füllhöhe (Steighöhe) frei wählbar gestaltet ist. Auch die Durchflutung (Zufluß und Abfluß gleichzeitig geöffnet, Prüfmedium zirkuliert gleichmäßig durch die Probenkammern) kann variabel zeitlich eingestellt werden. Das bedeutet daß die Dauer des Spülvorgangs aber auch die Menge des Spülmediums gesteuert werden kann. Ebenso kann die Abflußdauer frei eingestellt werden. Das Entleeren der Probenkammern kann z. B. durch Abpumpen oder einfach durch die Einwirkung der Schwerkraft erfolgen. Der Ausfluß des Systems kann zudem über Feinventile exakt auf das System angepaßt werden. Über ein entsprechend gestaltetes System von Leitungen und Ventilen wird das unterschiedliche temperierte Medium in die entsprechenden Temperierbäder zurückgeleitet. Die Flüssigkeitstemperatur kann je nach verwendeten Kühl- bzw. Wärmeaggregaten und den entsprechenden Medien frei eingestellt werden (hier im Bereich zwischen ca. 5°C und 55°C). Somit ist die Möglichkeit einer Simulation extremer Temperaturwechsel im Mund (Vergleichend Kaffeetrinken, Eisessen) gewährleistet. Eine Erweiterung auf andere Temperaturen ist denkbar und leicht möglich.

Das System Probenhalter (7, 11) Probenkammer (9) ist modular aufgebaut. Der untere Probenhalter (11) und die Probenkammer (9) sind durch Einstiche und Gummiringe (16) abgedichtet. Durch dieses System kann der untere Probenhalter durch einfaches ausdrücken von der Probenkammer getrennt und durch ein einen Probenhalter anderer Größe ausgetauscht werden. Hierdurch können schnell und ohne Aufwand versch. Probenhalter in den Kausimulator eingebaut werden. Ein zusätzliches Abdichten des Mediums zur Umgebung ist nicht nötig.

Das Gehäuse des gesamten Gerätes ist durch variable Gestaltung an unterschiedlich hohe Proben anpaßbar (Variation der Höhe durch Bohrungen in (4)).

2.4. Probenhalter und Gegenzahn

Kriterien: Multifunktionell, für versch. Anzahl und Größe der Proben und Zähne (auch Proben entsprechender nationaler und internationaler Normen z. B. DIN, ISO), unterschiedliche Gegenzähne und Stempel, natürl. Zähne, versch. Materiallen der Gegenzähne, versch. Form der Gegenzähne und Stempel.
Die Probenhalter (7, 11) sind so konzipiert, daß die Aufnahme mehrerer Zähne sowohl am oberen als auch am unteren Probenhalter möglich ist. Als "Gegenzahn" können je nach Anforderung sowohl geometrisch definierte Stempel (auch künstliche Zähne) aus verschiedenen Materialien (Stahl, Teflon, etc.), ein natürlicher Antagonist oder ein Ausschnitt aus einer kompletten Zahnreihe verwendet werden [Möglichkeit zur Aufnahme unterschiedlicher Prüfkörper sowie auch komplexer zahnärztlicher Konstruktionen (z. B. Inlays, Kronen, Brücken, Prothesen zur dynamischen Materialprüfung) - Möglichkeit des Einbringens von extrahierten natürlichen Zähnen als Pfeiler und/oder Antagonisten an jeder Stelle des Zahnbogens-Prüfkörper verwendbar, die anschließend nach entsprechenden nationalen oder internationalen Prüfvorschriften weiteruntersucht werden]. Die Prüfkörper können sowohl im unteren als auch im oberen Teil der Anlage eingebaut und belastet werden.

Alle Probenhalter (7, 11) sind mit einem System (2 Nuten in 2 Stiften (6)) ausgerüstet das gewährleistet, die Probenhalter sowohl im Artikulator als auch im Simulationsgerät exakt und reproduzierbar zu plazieren. Die Verbindung der Probenhalter mit den beiden Geräten ist flexibel und wurde im speziellen Fall durch Schraubverbindungen erzeugt, kann aber auch durch andere Systeme gewährleistet werden (Schnellverbindungen, Klipps, etc).

Die Anordnung des Probenhalter/Probenkammersystems kann sowohl bei der oberen als auch bei der unteren Probenkammer in verschiedenen Winkeln (hier 45° Schritte) gedreht werden. Dadurch kann die Richtung der Abscherkräfte in diesem Bereich variert werden, Zähne können wahlweise z. B. in exakt vestibulärer, oraler oder buccaler Richtung oder definierten Winkeln dazu belastet werden.

Alle Probenhalter sind schräg abfallend gefertigt, um ein komplettes Entleeren der Probenkammer im Normalzustand des Gerätes zu sichern.

2.5. Artikulator und Paradontale Beweglichkeit

Kriterien: Übertragung der Mundsituation, Reproduzierbarkeit der Relation der Stempel/Probekörper zueinander, paradontale Beweglichkeit der Probekörper/Stempel.
Alle verwendeten Zähne können im zahnärztlichen Artikulator in die Probenhalter mit Vorgabe der exakten Zahn- und Mundsituation eingesetzt werden. Durch einen geeigneten höhenverstellbaren Tisch kann der Abstand Zahn/Gegenzahn frei eingestellt werden. Durch einen eingearbeiteten Verdrehschutz (17) ist die Relation der Proben untereinander fixiert. Wie unter 4. erwähnt können die Probenhalter in den Kausimulator umgesetzt werden, wobei die Reproduzierbarkeit und Exaktheit des Anschlusses durch das 2 Stift 2 Loch (6) System gewährleistet ist. Die Zähne, aber auch Proben, Kunstzähne etc. werden in der Probenhalterung durch abbindende Materialien (z. B. Kunststoff, Gips) fixiert. Durch ein spezielles Einbettverfahren kann die Zahnbeweglichkeit der natürlichen Mundsituation simuliert werden. Mittels eines Tauchwachsverfahrens kann eine definierte, aber im Ausmaß variable Schicht aus elastischem Material (z. B. Polyethergummi, Silikon) zur Simulation einer phsiologischen paradontalen Beweglichkeit zwischen den Probekörper bzw. Zahn und Probenhalter eingebracht werden. Durch diese Gummischicht kann eine variable Auslenkung in klinisch relevanten Bereichen von ca. 1/10 mm axsial und radial bei entsprechenden Kaukräften erfolgen. (Dr. Arbeit Scharnagl)

2.6. Abstand der Proben

Kriterien: variabler interokklusaler Abstand, versch. Formen des Kontaktes zwischen Probe und Stempel.
Die beschriebene, flexible Höhenverstellung der Probenhalter im Artikulator wird durch den unterschiedlichen Ausfahrweg der Pneumatikzylinder im Kaugerät entsprechend ausgeglichen. Durch ein, an der Oberseite des Gerätes montiertes System (hier Feder oder Druckluft) wird ein Abheben der oberen Probenhalter gewährleistet (= Mundöffnung). Hierdurch kann ein Abheben des Stempels von der Probe definiert werden, aber auch eine Simulation erfolgen, ohne daß der Probenstempel vom Prüfling abhebt, bzw. ein definierter Abhebeweg eingestellt werden. Zusätzlich kann dadurch die Aufschlag kraft bzw. die Schließgeschwindigkeit des oberen Probenhalters auf den Unteren nochmals frei eingestellt werden.

2.7. Überwachung, Probenanzahl

Kriterien: Aufzeichnung, Steuerung und Regelung, Probenanzahl.
Die komplette Anlage besteht aus mindestens einer Simulationseinheit (0), sinnvoll erscheint allerdings eine Anzahl der Simulationseinheiten zwischen 6 und 10. Alle Funktionen (Kaukraft/Temperatur) in den Probkammern können durch PC-Steuerung aufgezeichnet und überwacht werden. Hierzu müssen an jede Prüfkammer Thermometer und Kraftaufnehmer angeschlossen werden, die die Werte in entsprechenden Bereichen aufzeichnen. Ein Rückkopplung der Werte auf die Temperiereinheiten sowie die Krafteinheit kann z. B. über PC-Steuerung erreicht werden.

Es folgen die technischen Zeichnungen der Prototypenanlage mit den entsprechenden Schaltplänen der Pneumatik.

Claims (1)

1. Gerät und Verfahren zur Simulation der intraoralen Situation in Bezug auf thermische- und/oder mechanische Belastung von Zähnen, Restaurationen bzw. entsprechenden Probekörpern im Bereich der Zahnmedizin/Zahntechnik. Das Gerät ist dadurch gekennzeichnet, daß eine mundähnliche Kraft- und Temperaturbelastung mehrerer natürlicher und/oder zahnmedizinischer Modelle und Materialien unter Berücksichtigung der Zahnbeweglichkeit, der im zahnärztlichen Artikulator einstellbaren Kiefer- und Zahnbeziehungen und einer Abgleitbewegung der Zähne zueinander vorgenommen werden können.