DE4209191A1

DE4209191A1 - Vorrichtung und verfahren zur bearbeitung natuerlicher hartgewebe unter verwendung von oszillierenden werkzeugen

Info

Publication number: DE4209191A1
Application number: DE19924209191
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Hahn; Petra Hahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-22
Filing date: 1992-03-22
Publication date: 1993-05-13

Description

Stand der Technik

Die subtraktive Bearbeitung und Präparation natürlicher Hartgewebe, wie z. B. Zahnhart substanzen und Knochengewebe ist Grundlage nahezu jedes zahnerhaltenden, restaurati ven und/oder chirurgischen Eingriffes. Bislang erfolgt die Bearbeitung der genannten Gewebe mit rotierenden Diamantwerkzeugen oder Hartmetallinstrumenten.

Nachteile der herkömmlichen Bearbeitungsverfahren:

- zum Teil ausgeprägte Vibrationen
- rauhe Oberflächentopographie
- bearbeitungsinduzierte Randzonenschädigungen, Abplatzungen und Ausbrüche
- Schmerzinduktion
- unangenehme Geräuschempfindung für den Patienten
- Gefahr der Überhitzung der bearbeiteten Gewebe mit der Folge einer möglichen Denaturierung der organischen Bestandteile; ggf. irreversible Schädigung der Zahnpulpa bzw. des vitalen Knochengewebes
- eingeschränkte Möglichkeit eines selektiven Materialabtrages
- Probleme bei der kontrollierten Präparation feiner Kavitäten und Ausläufer
- Probleme bei der Präparation dünner und/oder langgestreckter Kavitäten
- definierte Mindestschichtdicke der verwendeten Instrumente
- Rundlauf der Instrumente nur bei bestimmtem Mindestdurchmesser und limitierter Länge gewährleistet
- aufwendiges Verfahren
- geringe Standzeit der verwendeten Instrumente
- Gefahr der Verletzung der Weichteile

Die Bearbeitung vitaler Hartgewebe mit Laserenergie weist darüber hinaus weitere wesent liche Nachteile auf, die den klinischen Einsatz bislang limitieren:

- induzierte Temperaturgradienten mit der Folge einer kausalen Rißinduktion und Rand zonenschädigung
- zum Teil ausgeprägte Erhitzung der bearbeitenden Strukturen mit der Folge einer irreversi blen Schädigung (Denaturierung und/oder Carbonisierung) der organischen Gewebe anteile der unmittelbaren und/oder mittelbaren Umgebung
- thermische Tiefenschädigung
- geringe Abtragsraten
- kein kontrollierter Tiefenabtrag
- Gefahr der Verletzung von umgebenden Weichteilen
- Augenschäden

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht die subtraktive Bearbeitung vitaler und/oder devitaler natürli cher Hartgewehe. Aufgrund der unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften zwischen den anorganischen und organischen Hartgewebsbestandteilen findet der Materialabtrag bevor zugt an den anorganischen Oberflächen statt ohne Schädigung der organischen Strukturen.

- äußerst schonende, kontrollierte Bearbeitung
- einfache, sichere Handhabung
- keine Vibrationen
- keine thermische Schädigung der bearbeiteten Gewebe
- Möglichkeit zur selektiven Bearbeitung verschiedener Hartgewebe aufgrund der unter schiedlichen Elastizitätseigenschaften - potentielle Möglichkeit zur bevorzugten Bearbeitung erkrankter Gewebe
- Möglichkeit zur Verwendung einfacher, konfektionierter Werkzeuge oder (erstmals) zu individuell angefertigten Werkzeugen (Formzeuge), die die Form der zu präparierenden Kavität im Negativ codieren.
- hohe Abtragsleistung
- gleichzeitige Bearbeitung künstlicher Füllmaterialien ist möglich
- ggf. schmerzfreie Bearbeitung, da die Arbeitsimpulse kleiner sind als die erforderlichen Rezeptorimpulse zur Schmerzinduktion

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles am Beispiel der Präparation einer Zahnkavität (siehe Fig. 1)

Das beschriebene Ausführungsbeispiel beschreibt die Präparation einer Zahnkavität und steht damit repräsentativ für jede subtraktive Bearbeitung natürlicher Hartgewebe (Zahn hartgewebe und Knochengewebe), insbesondere auch für eine formgebende Bearbeitung sowie für eine Bearbeitung von Hartgeweben mit adhärenten künstlichen Materialien.

1 = Zahnpulpa
2 = Zahnhalteapparat
3 = Zahnbein
4 = Kavität
5 = Zahnschmelzkappe
6 = Fluid
7 = Fluidzuführung
8 = Handstück (Haltevorrichtung)
9 = oszillierendes Werkzeug
10 = Spannvorrichtung
11 = Schwingungsgebendes und/oder schwingungsleitendes System

Das schwingungsgebende System (11) kann entweder im Handstück (8) integriert oder in einem peripheren Gerät lokalisiert sein. Das Werkzeug (9) wird schwingungsschlüssig an das schwingungsgebende oder -leitende System angekoppelt. Es empfiehlt sich das schwin gende System in Resonanz abzustimmen, obgleich grundsätzlich der erfindungsgemäße Grundgedanke auch mit nicht abgestimmten Systemen realisiert werden kann. Die Spann vorrichtung (10) gewährleistet einen sicheren Verbund des Werkzeuges (9) mit dem schwingungserzeugenden oder -leitenden System (11), ohne die Schwingungen selbst zu beeinflussen. Die Spannvorrichtung kann technisch anwendungsbezogen ausgestaltet wer den, z. B. durch Friktionspassung, Klemmpassung, Zangenspannung etc. Es können unter schiedliche Werkzeuge eingespannt oder mit einem festverankerten Werkzeug gearbeitet werden.

Das Werkzeug (9) oszilliert in mindestens einer Raumrichtung, d. h. es führt entweder reine Longitudinalschwingungen oder reine Transversalschwingungen oder definierte Longitu dinalschwingungen mit überlagerten Transversalschwingungen aus. Die Frequenz der überlagerten Longitudinal- und Transveralschwingungen kann aufeinander abgestimmt oder willkürlich überlagert sein. Zusätzlich kann das Werkzeug zu den verschiedenen o.g. Freiheitsgraden oszillatorischer Bewegungen auch rotierende Bewegungen ausführen. Durch die Überlagerung der Rotationsbewegung und der Oszillationsbewegungen kann der Materialabtrag wesentlich gesteigert und die Oberflächenqualität wesentlich verbessert werden.

Das Werkzeug (9) kann entweder aus metallischen und/oder organischen und/oder anorga nischen Materialien und/oder aus einer Kombination dieser Materialien bestehen. Mehrtei lige Werkzeuge sind denkbar, darüberhinaus kann die Werkzeugoberfläche individuell beschichtet sein und beispielsweise eine harte, verschleißfeste Schicht aufweisen.

Die Oberfläche kann glatt ausgebildet sein, ein definiertes Oberflächenrelief oder ober flächlich angeordnete geometrisch definierte Schneiden aufweisen. Die Werkzeugoberflä che (9) kann zusätzlich eine Schicht aus geometrisch unbestimmten Schneiden aufweisen, wie z. B. adhärente Diamantkörner oder andere geometrisch unbestimmte Schneiden, die eine höhere Mikrohärte aufweisen als die zu bearbeitenden Hartgewebe(z. B. Keramik schneiden, Quarzschneiden, Feldspatschneiden etc.). Zusätzlich kann das Werkzeug während der Bearbeitung kontinuierlich mit einem Fluid umspült werden (Kühlung, Spüleffekt). Das Fluid kann aus Wasser oder Kochsalzlösung bestehen und zusätzlich chemische Wirkstoffe und/oder suspendierte Partikel enthalten. Die chemischen Wirkstoffe können den Abtrag und die Spülwirkung unterstützen. Durch Zusatz von Partikeln, z. B. in Form geometrisch unbestimmter Schneiden mit höheren Mikrohärten, als die der zu bearbeiten den Werkstoffe kommt es zu induzierten erosiven Effekten an den zu bearbeiteten Hartgewebsoberflächen; die abrasiven Partikel werden durch die Oszillation des Werkzeu ges beschleunigt und führen beim Auftreffen auf die spröden anorganischen Hartgewebs strukturen zu Mikroerosionsvorgängen und somit zum Materialabtrag. Die elastische Werkzeugoberfläche selbst unterliegt relativ geringen Verschleißerscheinungen. Durch räumliche und zeitliche Summation dieser Effekte wird das Werkzeug in die zu bearbeiten den Oberflächen "abgebildet". Die Präparation einer definierten Kavität (4) kann durch Translationsbewegungen des Werkzeuges (9) gegenüber der zu bearbeitenden Hartsub stanzoberfläche (5) unterstützt werden.

Zur Optimierung der Fluidzuführung im Arbeitsspalt wird ein hohles Werkzeug (9) mit integrierter Fluidzuführung und mindestens einer, besser mehrerer Öffnungen vorgeschla gen. Eine andere Möglichkeit besteht bei Verwendung von hohlen Werkzeugen (9) mit mindestens einer Öffnung in einer Vakuumabsaugung des Fluids durch das Werkzeug. Auch dadurch ist eine ausreichende Benetzung des Arbeitsspaltes zwischen Werkzeugo berfläche (9) und präparierten Hartgeweben sichergestellt.

Zur Bearbeitung wird das oszillierende Werkzeug ggf. mit überlagerter Rotationsbewe gung flächig an die zu bearbeitenden Hartgewebsoberflächen angesetzt und unter kontinu ierlicher Umspülung mit Fluid eingesenkt. Das Fluid wird kontinuierlich aus dem Opera tionsfeld abgesaugt.

Die präparierte Form entsteht durch vertikales Einsenken eines individuell angefertigten Werkzeuges. Für den Fall, daß die Geometrie des "Formzeuges" von der Rotationssymme trie abweicht wird keine zusätzliche Rotationsbewegung überlagert.

In den meisten Fällen empfiehlt sich jedoch die Verwendung rotationssymmetrischer Werkzeuge, wobei die Formgebung der präparierten Kavität - analog bisheriger Präpara tionstechniken - durch kontrollierte dreidimensionale Relativbewegungen zwischen Werk zeug und Hartgewebsoberfläche entsteht. Der Materialabtrag ist ein Summationseffekt aus indirekt mikroerosiven Korneingriffen (Ankopplung durch dispergiertes Schleifmittelkorn im Fluid), und aus direkt oszillatorischen Korneingriffen bzw. bei oszillationsunterstütz tem Schleifen auch aus rotatorischen Korneingriffen (am Werkzeug adhärierte, geome trisch definierte und/oder unbestimmte Schneiden).

Claims

1. Vorrichtung zur subtraktiven Bearbeitung natürlicher Hartgewebe, wie z. B. Zahnhartge webe oder Knochengewebe unter Verwendung mindestens eines oszillierenden Werkzeu ges (9).

2. Vorrichtung zur formgebenden Bearbeitung natürlicher Hartgewebe, wie z. B. Zahnhart gewebe oder Knochengewebe unter Verwendung mindestens eines oszillierenden Werk zeuges (9).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet daß das Werkzeug (9) Longitudinalschwingungen ausführt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (9) Transversalschwingungen ausführt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (9) sowohl Longitudinalschwingungen als auch Transversalschwingungen ausführt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die überlagerten Longitudi nal- und Transversalschwingungen durch mindestens 2 verschiedene schwingungserzeu gende Systeme angeregt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die überlagerten Transver salschwingungen zusätzlich durch gezielte Gestaltung der Form und der Massenverteilung des Werkzeuges (9) aus einer angeregten Longitudinalschwingung entstehen oder umge kehrt, daß die Longitudinalschwingungen zusätzlich aus angeregten Transversalschwin gungen hervorgehen.

8. Das schwingende Werkzeug kann zusätzlich zu den verschiedenen Oszillationsbewegun gen Rotationsbewegungen (im Sinne rotierender Bearbeitungsinstrumente) ausführen.

9. Die induzierten Schwingungen des Werkzeuges (9) liegen innerhalb eines mittleren Frequenzspektrums ( 15 kHz).

10. Die induzierten Schwingungen des Werkzeuges (9) liegen innerhalb eines hohen Frequenzspektrums ( 30 kHz).

11. Die induzierten Schwingungen des Werkzeuges (9) liegen innerhalb eines Frequenz spektrums von 15 bis 30 kHz, insbesondere in einem Bereich zwischen 18 und 22 kHz.

12. Die Longitudinal- und die Transversalschwingungen des Werkzeuges (9) können ver schiedene Frequenzbereiche aufweisen.

13. Die Longitudinal- und die Transversalschwingungen des Werkzeuges (9) können ähnliche Frequenzbereiche aufweisen und/oder aufeinander abgestimmt sein und/oder mit telbar oder unmittelbar auseinander hervorgehen.

14. Die Schwingungen des Werkzeuges (9) werden durch mindestens ein schwingungser zeugendes System (11) angeregt, das direkt und/oder indirekt über ein schwingungsleiten des System an das Werkzeug (9) angekoppelt ist. Die Schwingungen können durch beliebige Schwingungsgeber, z. B. mechanisch, pneumatisch, elektromagnetisch oder pie zoelektrisch (Ultraschall) angeregt werden. Die Amplitude kann durch dazwischengeschal tete Resonanzkörper verstärkt werden.

15. Die geometrische Form, Größe, Masse und Massenverteilung des Werkzeuges (9) ergibt sich aus den zu präparierenden Formen und ist eine Funktion der schwingungsgeben den und -leitenden Systemkomponenten (11). Sämtliche Elemente des schwingenden Sy stems sind bezüglich Form und Massenverteilung aufeinander abgestimmt - die Energie ist auf die Werkzeugkrone fokussiert.

16. Die schwingenden Elemente (11 und 9) sind in Resonanzfrequenz abgestimmt.

17. Es können mehrteilige Werkzeuge (9) verwendet werden.

18. Mehrteilige Werkzeuge (9) können aus einem standardisierten Werkzeughalter mit individuell befestigter, formcodierender Werkzeugkrone bestehen. Die Verbindung zwi schen Werkzeughalter und Werkzeugkrone ergibt sich aus den schwingungsleitenden (schwingungsschlüssigen) Anforderungen (z. B. angießen, anlöten, anlasern, anschweißen, ankleben etc.).

19. Grundsätzlich können geometrisch formcodierte und/oder einfache standardisierte (z. B. rotationssymetrische, elipsoide etc.) Werkzeuge verwendet werden. Bei geometrisch definierten "Formzeugen" entsteht eine Kavität bevorzugt durch direktes oder indirektes Abbilden der Formzeugoberfläche in das zu bearbeitende Hartgewebe, während bei standardisierten Werkzeugen (Konfektionswerkzeuge) die Formgebung bevorzugt durch eine Relativbewegung des Werkzeuges gegenüber dem zu bearbeitenden Hartgewebe entsteht. Übergangsformen sind denkbar. Die Form der konfektioniert hergestellten Werkzeuge orientiert sich zweckgebunden an bisher geläufigen Formen konventioneller Präparationsinstrumente, während definierte Formzeuge in Anlehnung an die DE 39 28 684 C2 gefertigt werden können.

20. Die verwendeten Werkzeuge (9) können aus metallischen und/oder organischen und/ oder anorganischen Werkstoffen und/oder aus einer Kombination von mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen gefertigt sein.

21. Die Werkzeuge (9) können eine definierte, harte und verschleißfeste oberflächliche Schicht aus metallischen, organischen oder anorganischen Werkstoffen aufweisen. Die Werkzeugoberfläche kann aus demselben Werkstoff bzw. derselben Werkstoffkombina tion gefertigt sein, wie das Werkzeug (9) selbst.

22. Die Werkzeugoberfläche (9) kann glatt ausgebildet sein und/oder ein definiertes Ober flächenrelief und/oder oberflächlich angeordnete geometrisch definierte Schneiden auf weisen. Die Anordnung der Oberflächenmerkmale kann homogen gleichmäßig über die gesamte Werkzeugoberfläche sein oder heterogen verschiedene Oberflächen an verschiede nen Abschnitten aufweisen. Die geometrisch definierten Schneiden können aus dem Werk zeug (9) oder dessen oberflächlichen Schicht selbst gefertigt und/oder in einer zusätzlichen Schicht aufgebracht sein. Ausnehmungen in der Werkzeugoberfläche, wie z. B. Längsrillen können einen gerichteten Fluidstrom und einen definierten Spanabtransport erleichtern.

23. Die Werkzeugoberfläche kann (ggf. zusätzlich) eine Schicht aus geometrisch unbe stimmten Schneiden aufweisen, z. B. in Form adhärierter Körner oder Granulate (Keramik schneiden, Quarzschneiden, Feldspatschneiden etc.) dadurch gekennzeichnet, daß die ad härierten Schneiden eine höhere Mikrohärte aufweisen, als die zu bearbeitenden Hartgewe be. Besonders eignet sich eine Beschichtung mit Diamantkörnern. Die Bindung dieser Schicht kann grundsätzlich starr oder elastisch sein und/oder die Körner unmittelbar beim Korneingriff freigeben.

24. Das Werkzeug (9) kann mittels einer zweckgebundenen Spannvorrichtung (10) oder einer Klemmvorrichtung oder durch Friktionspassung oder durch feste Verbindung an das schwingungserzeugende bzw. -leitende System (11) angekoppelt sein. Die Spannvorrich tung (10) oder äquivalente zweckgebundene Verbindungsvorrichtungen sind in das Hand stück (8) intergriert. Das schwingungserzeugende System (11) kann im Handstück direkt integriert oder in ein peripheres Gerät installiert sein, in jedem Fall erfolgt eine schwin gungsleitende (schwingungsschlüssige) Verbindung zwischen dem schwingungserzeu genden System (11) und dem Werkzeug (9).

25. Am Handstück (8) ist mindestens eine Fluidzuführung (7) integriert.

26. Das Fluid (6) besteht aus einer flüssigen Phase mit/oder ohne Zusätze.

27. Die flüssige Phase des Fluids (6) kann aus Wasser oder ggf. steriler Kochsalzlösung bestehen. Es können chemisch definierte Zusätze beinhaltet sein.

28. Darüber hinaus können dem Fluid (6) feste Bestandteile, im Sinne abrasiver Partikel zugesetzt werden. Besonders eignen sich feinkörnige, geometrisch unbestimmte Schneiden mit höherer Mikrohärte als die der zu bearbeitenden Hartgewebe, wie z. B. Diamantkörner, Quarzkörner, Silikatkörner, Borkarbidkörner, Silikatkarbidkörner, Keramikkörner etc. Es ist darauf zu achten, daß die verwendeten Zusätze biokompatibel sind und ausreichend suspendiert werden.

29. Die Fluidzuführung kann direkt durch das Werkzeug (9) verlaufen dadurch gekenn zeichnet, daß das Werkzeug (9) mindestens eine Austrittsöffnung für das Fluid (6) besitzt. Es können zusätzlich weitere Fluidzuführungen (7) z. B. am Handstück verwendet werden.

30. Das Werkzeug (9) kann mindestens eine zentrale Bohrung mit mindestens einer Austrittsöffnung aufweisen und direkt durch das Handstück (8) mit einem Vakuumsystem verbunden sein. Dadurch wird ein gerichteter Fluidstrom durch das Werkzeug (9) gewähr leistet.

31. Verfahren zur subtraktiven und/oder formgebenden Bearbeitung von natürlichen Hartgeweben, wie z. B. Zahnhartgewebe oder Knochengewebe mit Hilfe von oszillierenden Werkzeugen.

32. Verfahren nach Anspruch 31 wobei das verwendete Werkzeug (9) Longitudinalschwin gungen oder Transversalschwingungen oder eine Kombination aus Longitudinal- und Transversalschwingungen ausführt. Den genannten Oszillationsbewegungen kann zusätz lich eine Rotationsbewegung des Werkzeuges überlagert sein.

33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, wobei der Materialabtrag durch direkten Eingriff der am Werkzeug adhärierten geometrisch definierten und/oder nicht definierten Schnei den erfolgt und/oder durch einen indirekten Eingriff (Erosion) durch-las Werkzeug be schleunigter, abrasiver Bestandteile des Fluids (6) erzeugt bzw. unterstützt wird. Der Erosionsprozeß kommt dadurch zustande, daß die abrasiven Bestandteile des Fluids (6) im Arbeitsspalt zwischen Werkzeugoberfläche (9) und Hartgewebsoberfläche (5) beschleunigt werden und beim Auftreffen auf die Hartgewebsoberflächen Mikroerosions prozesse induzieren, die über eine räumliche und zeitliche Summation zum Einsenken und "Abbilden" des Werkzeuges in das zu bearbeitende Gewebe führen. Der Verschleiß der Werkzeugoberfläche ist im Vergleich dazu relativ gering.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei der Materialabtrag durch erosive Strömungen des gefüllten Fluids im Arbeitsspalt erfolgt bzw. der Abtrag nach Anspruch 33 unterstützt wird.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei das Fluid kontinuierlich aus dem Operationsfeld abgesaugt wird.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei standardisierte Werkzeuge und/ oder individuell angefertigte formcodierte "Formzeuge" verwendet werden.