CH659182A5

CH659182A5 - Anordnung zur abtragung von zahnmaterial mittels vibration.

Info

Publication number: CH659182A5
Application number: CH5037/82A
Authority: CH
Inventors: Junichiro Kumabe; Masaru Kumabe
Original assignee: Masaru Kumabe
Priority date: 1981-08-24
Filing date: 1982-08-24
Publication date: 1987-01-15
Also published as: FR2511595A1; SE449296B; GB2104389B; FI72263B; AU8673682A; JPS5836540A; US4496321A; AU4017285A; FI822932L; GB2104389A; AU574144B2; SE8204509L; FI822932A0; JPS6027298B2; KR860000378B1; KR840000220A; FR2511595B1; CA1204954A; DE3231307A1; DE3231307C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Abtragung von Zahnmaterial mittels Vibration mit einem Zahnschneidwerkzeug, das mit hoher Drehzahl betreibbar ist und eine zum Schneiden an einem Zahn wirksame Vorderseite hat, und mit einer Anregungsvorrichtung, die zur Erregung des Zahnes mit diesem in Berührung bringbar ist.

Um die Unannehmlichkeit, die Angst und die Schmerzen, die beim Zahnschneidvorgang auftreten können, zu beheben, sind eine Vielfalt von Schneidwerkzeugen, Handgeräten und Gegenwinkeleinheiten (contra-angle, siehe z.B. US-PS 4 229 168) zur Verwendung beim Zahnschneiden bekannt geworden. Ausserdem ist das Anästhesie vielfältig theoretisch und technisch weiterentwickelt worden. Bei den Schneidwerkzeugen wurde von Werkzeugstahl für hohe

Drehzahlen zu verkittetem Karbid übergegangen, wodurch sich die Werkzeug-Lebensdauer erhöht und gleichzeitig die Standzeit der Schneidkante verbessert wird. Die Formgenauigkeit der Schneidkante ist verbessert und Ungleichmässig-5 keiten der Schärfe sind beseitigt worden, wodurch die für den Schneidvorgang erforderliche Kraft verringert wird. Ausserdem ist die Bearbeitungsgenauigkeit verschiedener Teile einschliesslich des Handgriffs und des Gegenwinkels verbessert worden, so dass die drehenden Teile präziser ro-lo tieren und die Drehachse kaum mehr schlägt. Verbesserungen der Bearbeitungs- und Montagegenauigkeit von Kugellagern ermöglichen eine Umdrehung hoher Drehzahl in der Grössenordnung von 300 000 bis 500 000 Umdrehungen pro Minute. Die Entwicklung eines Schneidwerkzeugs mit Dia-15 mant ermöglicht eine Reduktion der erforderlichen Schneidkraft beim Schneiden mit hoher Drehzahl. Eine Analyse der menschlichen Maschinenbedienung in Bezug auf die Konstruktion der Einheit umfasste eine ins einzelne gehende Überprüfung der Arbeitsfähigkeit, Stabilität und Farbe, was 20 dazu beiträgt, Schwierigkeiten der Handhabung zu vermindern und eine wesentliche Verbesserung des Betriebs und der Funktionsgerechtigkeit zu erzielen.

Trotz dieser vielfaltigen Bemühungen bleibt es dabei,

dass man während des Schneidens der Zähne Unannehm-25 lichkeiten, und Schmerzen unterworfen ist. Da es sich um mechanisches Schneiden mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs handelt, können die Schmerzen gehindert werden, wenn die erforderliche mechanische Kraft vermindert wird, ein dynamisches Verhalten der Zähne während des Schneidvorgangs 30 unterdrückt wird und dynamische stimulierende Einflüsse auf die Nerven beseitigt werden. Das Vorgehen kann also die Massnahmen umfassen, dass man 1) die Zähne fixiert, 2) die erforderliche Schneidkraft herabsetzt und 3) eine Anästhesie anwendet. Zum Fixieren der Zähne sind Brücken unter Zu-35 hilfenahme der Nachbarzähne bekannt. Da jedoch für Überbrückungen mühsame Vorbereitungen erforderlich sind,

wird von dieser Möglichkeit in der Praxis wenig Gebrauch gemacht. Dem Punkt 2) kann durch Verwendung eines Diamantwerkzeugs hoher Schärfe Rechnung getragen werden. 40 Hierdurch wird die Schneidkraft in gewissem Umfang vermindert und wird das dynamische Verhalten der Zähne mi-nimalisiert, wodurch die Schmerzen erleichtert werden. Jedoch erleidet der Patient immer noch Unannehmlichkeiten, Angst und Schmerzen. Bei Bedarf kommt deshalb der Punkt 45 3) zum Tragen, indem eine Narkoseinjektion angewendet oder Lachgas gegeben wird, um die Schmerzen zu verringern. Insbesondere in jüngerer Zeit ist jedoch die Verwendung einer gewöhnlichen Anästhesie häufig aus Gründen des medizinischen Schocks verboten. Ist die Anästhesie zugelas-50 sen, so folgt ihr eine verlängerte Erholungszeit. Es wäre also erwünscht, beim Zahnschneiden ohne die Anwendung einer Anästhesie Unannehmlichkeit, Angst und Schmerzen zu vermeiden.

Es ist ein Zahnschneidsystem mit Vibration bekannt (JP-55 PS 296 443, veröffentlicht 17.10.61), bei dem ein pulsierender Schneidkraftverlauf auftritt und mit dessen Hilfe die Schmerzen im Vergleich zu einem Schneidsystem, das mit üblicher Rotation hoher Drehzahl arbeitet, merklich vermindert sind. Bei diesem Stand der Technik wird eine Torsions-6o Schwingung im Ultraschallbereich mit einer Frequenz f und einer Amplitude a an das Schneidwerkzeug angelegt, das dann mit hoher Drehzahl rotiert wird, wobei die Schneidgeschwindigkeit V so gewählt wird, dass sie unter 27taf liegt. Zur Erzielung dieser Erfordernisse muss jedoch der Griff des 65 Schneidwerkzeugs verhältnismässig gross sein, wodurch das Durchführen einer genauen Schneidoperation mit der Hand erschwert ist. Dies begrenzt die Anwendung dieses Schneidsystems auf Vorderzähne und zahntechnische Arbeiten. Die

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Anwendung der Ultraschalltechnologie im Dentalbereich ist auch für andere Anwendungen an sich bekannt (US-PS 3 589 012,3 651 576, 3 924 335,4 110 908 und 4 229 168). Hierbei wird diese Technologie für einen Schaber, einen Massierer, einen Reiniger bzw. einen Gegenwinkel angewandt und lässt keine Möglichkeiten einer Anwendung beim Zahnschneiden erkennen.

Durch die Erfindung soll eine Anordnung zur Abtragung von Zahnmaterial mittels Vibration mit einem Zahnschneidwerkzeug, das mit hoher Drehzahl betreibbar ist und eine zum Schneiden an einem Zahn wirksame Vorderseite hat, und mit einer Anregungsvorrichtung, die zur Erregung des Zahnes mit diesem in Berührung bringbar ist, geschaffen werden, das dem Patienten keine wesentlichen Schmerzen verursacht.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnerregungsvorrichtung folgende Bauteile aufweist: ein Gehäuse mit einer Öffnung an seinem vorderen Ende; einen Vibrator, der aus einem akustischen Umsetzer, der im Gehäuse zum Erzeugen von Vibrationsenergie einer gegebenen Frequenz angeordnet ist, und einem Vibrationsübertragungsglied besteht, das einen hinteren Teil, der innerhalb des Gehäuses liegt, und einen vorderen Teil, der sich durch die Öffnung des Gehäuses nach aussen erstreckt und dessen freies Ende in die Berührung mit dem Zahn bringbar ist, aufweist, wobei das Ende des hinteren Teils mit dem akustischen Umsetzer gekoppelt ist; Halteeinrichtungen zum Befestigen des Vibrators an einem Gleichgewichtspunkt desselben am Gehäuse; und elektrische Einrichtungen zum Einspeisen von Leistung an den akustischen Umsetzer; dass die Oszillationsfrequenz des akustischen Umsetzers höher ist als 300 Hz und der akustische Umsetzer das Vibrationsübertragungsglied so erregt, dass die Vibrationsamplitude an dessen freiem Ende maximal 30 |xm beträgt; und dass die Anordnung unter einer der beiden Bedingungen betreibbar ist, dass (1) s < 27taf, wobei s die Vorschubgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs, a = die am freien Ende des Vibrationsübertragungsglieds herrschende Amplitude, f = die Oszillationsfrequenz des akustischen Umsetzers und 27taf = die maximale Vibrationsgeschwindigkeit des Zahns, in Vorschubrichtung gesehen, oder dass (2) die Tiefe t des Schnitts in den Zahn durch das Schneidwerkzeug auf die Amplitude a so bezogen ist, dass t < a.

Vorzugsweise handelt es sich beim akustischen Umsetzer um einen Ultraschall-Umsetzer, der hohe Vibrationsenergie im Ultraschallbereich erzeugt.

Im Rahmen der Erfindung bewirkt die vom Ultraschall-Umsetzer über das Übertragungsglied auf den Zahn übertragene Vibrationsenergie, dass dessen auftretende Federkonstante stark erhöht wird, wodurch der Zahn in einer Weise zwangsgeführt oder festgehalten ist, die seiner Fixierung in stationärem Zustand äquivalent ist. Der Schneidvorgang findet in diesem Zustand so statt, dass das Schneidwerkzeug einen impulsartigen Schneidkraftverlauf erzeugt, und die Dentaltherapie kann relativ schmerzfrei durchgeführt werden. Wie beim üblichen Zahnschneiden, können auch beim dargelegten Zahnschneiden die Zähne und das Schneidwerk-s zeug durch Wasser unter hohem Druck gekühlt werden. Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung theoretischer Grundlagen und bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: io Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips einer Vibrationsschneidtechnik bei Anwendung auf einen zweidimensionalen Schneidvorgang bei einem Metall-Werkstück;

Fig. 2 schematisch ein äquivalentes Modell eines Vibrationsschneidvorgangs mit einer Drehbank;

15 Fig. 3 schematisch ein äquivalentes Modell eines Vibrationsschneidvorgangs eines Zahns; und

Fig. 4, 5 und 6 schematische, teilweise geschnittene Seitenansichten einer Zahnerregungsvorrichtung gemäss mehreren Ausführungsformen der Erfindung.

20 Vor der Beschreibung der Erfindung im einzelnen erscheint es angemessen, den theoretischen Hintergrund der Erfindung summarisch aufzuzeigen.

Auf dem Gebiet der mechanischen Präzisionsbearbeitung ist das Vibrationsschneiden unter Verwendung eines pulsie-25 renden Schneidkraftverlaufs bekannt. Fig. 1 veranschaulicht das Prinzip des Vorgangs bei der zweidimensionalen Metallbearbeitung, wobei sich ein Werkstück 100 mit einer Schneidgeschwindigkeit v bewegt. Die Schneidrichtung ist durch einen Pfeil 105 angezeigt. Ein Schneidmeissel oder 30 Schneidwerkzeug 101 wird in der Schneidrichtung zum Vibrieren mit einer Frequenz f und einer Amplitude a gebracht. Ist die Schneidgeschwindigkeit v so gewählt, dass v < 2rcaf, so werden pulsierende Schneidkraftverläufe 106, 107 erzeugt, wie sie rechts in Fig. 1 dargestellt sind. Die 35 Schneidkante des Schneidwerkzeugs 101 beginnt also die Vibration an einem Ursprung 0 undgrzeugt während einer Schneidzeit tc, die einem Bogen EFA zugeordnet ist, einen Span 102. An einem Punkt A, an dem die Vibrationsgeschwindigkeit gleich ist, beginnt der Span 102 sich von der 40 nicht mehr unter Spannung stehenden Werkzeugfläche zu entfernen, und nach einer auf den Ursprung 0 bezogenen Zeit t2 beginnt das Werkzeug, an einem weiteren Span 103 anzugreifen und einen neuen Span 104 während einer weiteren Schneidzeit tc zu erzeugen, die einem Bogen lìGD zuge-45 ordnet ist. Ersichtlich ist die Schneidkraft während der Zeit tc wirksam und im übrigen unwirksam. Die pulsierenden Schneidkraftverläufe werden in Aufeinanderfolge erzeugt. Wird die Schneidgeschwindigkeit v auf eine Wert v = 27iaf, erhöht, so verschwinden die Schneidkraftimpulse und wer-50 den durch einen konventionellen Verlauf ersetzt, der einen Hochgeschwindigkeits-Schneidkraftverlauf P + p sin cot enthält. Der pulsierende Schneidkraftverlauf kann mathematisch folgendermassen ausgedrückt werden:

P(t) = f p+|p Z i. sin n f

11=1

ir cos n cot

Das dynamische Verhalten des horizontalen Versatzes x 2 ,

eines Werkstücks, das beim Anlegen einer pulsierenden m + C—— + Kx = P (t)

Schneidkraft einer elastischen Oszillation unterworfen ist, dt ^

wird für einen Drehvorgang anhand von Fig. 2 analysiert. 65 Eine Bewegungsgleichung für den horizontalen Versatz x eines Werkstücks 110 kann folgendermassen geschrieben wer- wobei M = Masse des Werkstück, c = Dämpfungskon-den: stante und K = Federkonstante. Es folgt:

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+ ci£ + Kx dt2 at

00

— P + — P-. Z — sin n -^r ir cos n ut (1)

T t ir t n=1 n T

Der dynamische Versatz x des Werkstücks ist also folgendermassen:

P

X = • ~ + £ T K

t . 2 . tc I> « K nir Sln n t U

n 1 I * 2 m

.. 2 ai . 2 , . 2 2 AI (1-n —~-) + 4n v wobei

2" 2

CjJ . OJ

n n

0 2 , 2 ai 1-n

2

= tan —

2nv-i

(ü

n und 30

v das Verhältnis des Zähigkeitsabnahmekoeffizienten des Werkstücks 110 niedriger ist als die natürliche Winkelfre-Werkstückes 110 zu seinem kritischen Wert. quenz ra eines Schneidwerkzeugs 111, oder wenn ©„

Wenn die horizontale Winkel-Eigenfrequenz ra„ des (= 2rcfn) < < ra (= 27uf), ergibt sich tc Pt x =• ~T~ * T" - (2)

Sofern eine erzwungene Oszillation des Werkzeugs 111 gibt sich die Schneidkraft als Pt + Pt sin rat. Die Bewegungs-

mit der Frequenz f und der Amplitude a unterdrückt ist und 40 gleichung des horizontalen .Versatzes x des Werkstücks lau-

das Werkstück 110 mit hoher Drehzahl gedreht wird, so dass tet also folgendermassen:

ein üblicher Drehvorgang bei hoher Drehzahl stattfindet, er-

+ Kx = P. + pt sin cot (3)

dt2 dt t

Wird in diese Gleichung eingesetzt, dass die horizontale und es zeigt sich, dass das Werkstück erheblich mit der Eigen-Winkelfrequenz ra„ des Werkstücks niedriger ist als so Zeit oszilliert, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit verdie Eigen-Winkelfrequenz ra des Schneidkraftverlaufs, oder schlechtert wird. Ein Vorgang mit hoher Drehzahl ist also ist con ( = 2ufn) < < ra ( = Inf), so ergibt sich deshalb nötig, damit das Werkstück gemäss Gleichung (4)

statisch gemacht wird. Durch diese Erkenntnis können die p Vorteile der Erfindung für den Vorgang des Schneidens von

_ t , .. 55 Zähnen in gewissem Umfang erklärt werden. Der pulsieren-

K de Schneidkraftverlauf wird beim Schneidvorgang angewandt, da das Werkstück dann um einen kleinen Betrag in

Ersichtlich enthält weder die Gleichung (2) noch die den durch die Gleichung (2) beschriebenen Zustand versetzt

Gleichung (4) die Zeit als Variable. Das Werkstück oszilliert ist, in dem der Versatz im Vergleich zu Gleichung (4) um ei-

also nicht mit der Zeit, sondern wird nur vom Ursprung 0, 60 nen Faktor der das Rotationszentrum vor dem Drehvorgang angibt, um .. .

einen Betrag verschoben, der dem durch eine der Gleichun- ( = _ % ) f gen (2) oder (4) wiedergegebenen statischen Versatz ent- .T 3 10 spricht. Wird ein üblicher Drehvorgang mit niedriger Drehzahl durchgeführt, so reduziert sich die Gleichung (4) auf ts reduziert ist, wodurch ein statischer Effekt erzielt wird.

p Eine der Erfindung zugrundeliegende genaue Untersu-

■g _ _t + y/j^\ chung des äquivalenten Modells des Bearbeitungsvorgangs

K ' mit der Drehbank gemäss Fig. 2 zeigt, dass eine Feder k und

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ein Dämpfer C dem Bereich einer alveolar-dentalen Membran entspricht, die zwischen dem Alveolar-Knochen und dem Zahn vorhanden ist, und dass das Werkstück 110 dem Zahn entspricht. Wird also der Schneidvorgang bei hoher Geschwindigkeit mit Hilfe einer hohen Drehzahl des Schneidwerkzeugs auf der Grundlage des physikalischen Inhalts der Gleichung (4) durchgeführt, so zeigt der Versatz x des Zahns nur eine geringe Oszillation, wodurch die Schmerzen entsprechend verringert werden. Hierdurch ergibt sich eine Zahnschneidtechnik bei hoher Drehzahl unter Verwendung eines Diamantwerkzeugs, das gemäss heutiger Technik 300 000 bis 550 000 Umdrehungen pro Minute durchführen kann. Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, haben indessen gezeigt, dass das Schneiden mit hoher Drehzahl gemäss Gleichung (4) beim Zahn ohne die Verwendung einer Anästhesie nur realisiert werden kann, wenn die Drehzahl

. p

T t des Werkzeugs noch um eine Grössenordnung erhöht wird. Bei einer derart hohen Drehzahl ergibt sich indessen ein sehr hoher Schneidton und die durch die Reibung erzeugte Wärme vermindert die Nutzlebensdauer des Schneidwerkzeugs, s Ausserdem kann sich die Schärfe leicht ändern, was eine Fluktuation in der Höhe der Schneidkraft P bewirkt. Hierdurch ergibt sich ein unregelmässiger Versatz des Zahns, was wiederum zu Schmerzen führt. Es wird also eine häufige Justierung der Drehgenauigkeit der rotierenden Teile des io Handstücks oder des Gegenwinkels oder ein häufiger Austausch des Schneidwerkzeugs notwendig und bei bestimmten Gegebenheiten erscheint auch wieder eine Anästhesie angebracht, während das Schmerzmass laufend beobachtet wird. Andererseits ist gemäss Gleichung (2) der Versatz x des i5 Zahns während eines Vibrationsschneidvorgangs wie folgt gegeben:

x =

K

(5)

Selbst unterstellt, dass die Schneidkraft Pt während einer üblichen Operation mit hoher Drehzahl unter gleichen Bedingungen bezüglich des zu bearbeitenden Zahnbereichs, der Vorschubgeschwindigkeit und der Ausgestaltung des Werkzeugs gleich ist wie im Fall der Anwendung eines Vibrationsschneidvorgangs (wenn auch tatsächlich in der Praxis die Höhe von Pt während des Vibrationsschneidvorgangs reduziert wird), ist gemäss Gleichung (5) die auftretende Schneidkraft, die den Versatz x des Zahns beeinflusst,

tc T

P { (— tl k3

so dass also im Vergleich zur üblichen Praxis die Schneidkraft erheblich reduziert ist. Es erweist sich, dass ein vibrierendes Schneiden des Zahns, bei dem ein impulsartiger Schneidkraftverlauf auf den Zahn ausgeübt wird, der einer elastischen Oszillation unterworfen ist, die zu ertragenden Schmerzen im Vergleich zur üblichen Schneidoperation mit hoher Drehzahl vermindert.

Es ist bekannt (JP-PS 296 443), zum Schneiden von Zähnen die Verfahrensschritte durchzuführen, dass das Schneidwerkzeug einer Ultraschall-Torsionsschwingung mit einer Frequenz f und einer Amplitude a unterworfen wird und das Werkzeug so gedreht wird, dass eine Schneidgeschwindigkeit V niedriger ist als 2rcaf. Das zur Durchführung dieses Verfahrens verwendete Zahnschneidgerät erfordert jedoch einen relativ grossen Griff, der seine praktische Verwendung verhindert.

Im Rahmen weiterer grundsätzlicher Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, über die Technik der Schmerzerleichterung während des Zahnschneidens wurde ein Modell eines Schmerzübertragungssystems gebildet. Der Schmerz wird erzeugt, wenn mit dem Schneidwerkzeug ein Zahn geschnitten wird, der über die alveolar-dentale Membran mit dem Alveolar-Knochen gekoppelt ist und Zahnzement, Dentin (Zahnbein), Dentalpulpa und Schmelz um-fasst. Fig. 3 veranschaulicht das entsprechende Modell. Im einzelnen ist an einem Alveolar-Knochen 1 über eine Feder 2 mit einer Federkonstante k und einen Dämpfer 3, die zusammen die alveolar-dentale Membran wiedergeben, ein Zahn mit einer Masse M befestigt, bestehend aus einem Dentin 5, das von einem Zahnzement 4 und einem Schmelz 11 umgeben ist. Zwischen dem Schmelz 11 und dem Dentin 5 befinden sich Tomes'sche Fasern 9, die von Zahnflüssigkeit 10 innerhalb von dentinalen Rohren getragen werden, und denti-nale Zellen/Faserzellen 8. Die Fasern 9 und die Zellen 8 werden von einer Gruppe von Nervenfasern der Pulpa über eine Feder 6 einer Federkonstante K und einen Dämpfer 7 eines viskosen Dämpfungskoeffizienten C abgestützt. Ein stati-25 scher oder dynamischer Versatz der Tomes'schen Fasern 9 und der dentinalen Zellen/Faserzellen 8 bewirkt eine Spannung in der und Formänderung der Feder 6 der Nervenfasern der dentalen Pulpa. Die Höhe dieser Belastung kann von einem Empfanger 13 des Nervensystems, der einem Be-30 lastungs- oder Formänderungsmessgerät entspricht, gemessen werden. Das Belastungs- oder Formänderungssignal kann von einem Verstärker 15 mit entsprechendem Frequenzverhalten verstärkt werden und das resultierende Signal wird mit Hilfe eines Aufzeichnungsgeräts 16 auf einem 35 Aufzeichnungspapier 17 festgehalten. Es wird angenommen, dass die Höhe des entsprechenden Signals proportional dem Ausmass des in der dentalen Pulpa erlittenen Schmerzes ist.

Andererseits kann auch die Formänderung der Feder 2 durch ein Formänderungsmessgerät 12 gemessen werden. 40 Dieses Gerät entspricht einer in der alveolar-dentalen Membran verteilten Nervengruppe und bestimmt so die Beanspruchung der Feder 2. Das deren Formänderung entsprechende Signal kann von einem Verstärker 14 mit entsprechendem Frequenzverhalten verstärkt und dann auf dem 45 Aufzeichnungspapier 17 aufgezeichnet werden. Es wird angenommen, dass die Höhe des entsprechenden Signals proportional dem Ausmass der durch die Nervengruppe in der alveolar-dentalen Membran erlittenen Schmerzen ist.

Ersichtlich ermöglicht dieses kreative Modell eine Sche-50 menerkennung des aufgezeichneten Signalverlaufs, wobei das Mass der erlittenen Schmerzen proportional der Signalhöhe ist. Zur Mässigung der Schmerzen kann versucht werden, die Scheitelhöhe der aufgezeichneten Signalverläufe zu erniedrigen. Beim Schneiden des Zahns mit einem Schneid-55 Werkzeug 19 ergibt sich, dass die Schreibspitze im Aufzeichnungsgerät nicht abgelenkt wird und somit die aufgezeichnete Signalform linear bleibt oder die Schmerzen vollständig beseitigt sind, wenn keine Belastung in der Feder 2 der alveolar-dentalen Membran und in der Feder 6 der dentalen 60 Pulpa auftritt. Dies ist äquivalent einem Zahnschneidvorgang, bei dem die Pulpa und somit die Feder 6 entfernt sind und der Zahn am Alveolar-Knochen befestigt ist, so dass jede Formänderung der Feder 2 verhindert ist.

Im allgemeinen leidet ein zu schneidender Zahn an viel-65 fältigen Entzündungen der alveolar-dentalen Membran und die Beanspruchung der Feder ergibt sich als Ergebnis abwechselnder Längungen und Kürzungen im Vergleich zum Federzustand des im Gleichgewicht befindlichen und bela-

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stungsfreien, gesunden Zahns. Folglich ist der am Aufzeichnungspapier festgehaltene Signalverlauf einer periodischen Wellung unterworfen und der Patient leidet an stechenden Schmerzen. Als Ergebnis einer Sondierung, bei der eine sehr niedrige externe Kraft aufgewandt wird, wird intensiver Schmerz gefühlt. Auch das Fixieren dieses Zahns unter Anwendung eines Überbrückungsverfahrens, wobei Brücken über benachbarte Zähne gelegt werden, kann zu einem Kontakt mit dem kranken Zahn führen und intensiven Schmerz auslösen. Ersichtlich ist also die Reduktion der Höhe der Schneidkraft die erste Massnahme, die zur Erleichterung der Schmerzen in Betracht zu ziehen ist. Beim unmittelbaren Berühren des betreffenden Zahns mit der Schneidkante des Werkzeugs und entsprechendem Kraftaufwand auf ihn entsprechend dem Newton'schen Gesetz kann das Aufwenden der pulsierenden Schneidkraft im Sinne der dargelegten Schneidtheorie und -technologie den Versatz des Zahns oder der Feder 2 nicht auf Null reduzieren, obwohl dieser Versatz gemäss Gleichung (2) erheblich vermindert ist. Es sei der Fall betrachtet, dass die Feder 2 in der alveolar-dentalen Membran gesund ist, jedoch die Feder 6 in der dentalen Pulpe von verschiedenen Entzündungen befallen ist und entweder Längungen oder Kürzungen unterworfen ist, wobei der auf dem Aufzeichnungspapier aufgezeichnete Signalverlauf eine periodische Wellung ausführt und der Patient an stechenden Schmerzen leidet. Der Schneidvorgang wird vom Schmelz an der Zahnoberfläche begonnen. Im Bereich der Grenze zum Dentin wird kurzzeitig intensiver Schmerz gefühlt, wenn der Zahn selbst oder die Feder 2 so stationär sind, als wäre der Zahn fixiert. Dies kann als Ergebnis einer elastischen Veränderung oder Oszillation der Feder 6 erklärt werden, wobei diese Veränderung oder Oszillation durch einen dynamischen Versatz der Tomes'schen Fasern 9 bewirkt wird, die eine Gruppe kleiner Massen wiedergeben, welche innerhalb der Zahnflüssigkeit 10 angeordnet sind; dieser Versatz wird durch einen Fluss der Flüssigkeit und das Anlegen der Schneidkraft sowie durch einen dynamischen Versatz der dentinalen Zellen/Faserzellen 8 bewirkt, der durch das Anlegen der Schneidkraft erzeugt ist.

Zur Erleichterung der resultierenden Schmerzen ergibt sich aus Fig. 3 dass der elastische Versatz oder die Oszillation der Feder 6 minimalisiert werden muss. Da es der eigentliche Zweck ist, den elastischen Versatz oder die Oszillation der Faserzellen 8 und der Tomes'schen Fasern 9 zu mi-nimalisieren, ist das Anlegen der pulsierenden Schneidkraft mit einem Verlauf gemäss Gleichung (2) zur Durchführung des Schneidvorgangs der beste Weg. Trotzdem ist eine kleine statische Auslenkung der Feder 6 unvermeidbar. Es muss zur Injektion eines Narkosemittels oder zur Verwendung von Lachgas Zuflucht genommen werden, falls die Schmerzen nicht durchzustehen sind, obwohl der beste Weg der Verminderung der Schneidkraft angewandt wird. Im Modell nach Fig. 3 ist die Verwendung eines Anästhetikums äquivalent der Unterbrechung der Schaltverbindung zu den Verstärkern 14 und 15 im Ubertragungskreis, wodurch verhindert wird, dass irgendwelche Signale an das Aufzeichnungsgerät 16 geliefert werden. Die Anwendung von Lachgas ist äquivalent der Unterbrechung der Schaltverbindung um das Aufzeichnungsgerät 16, wodurch wiederum verhindert wird, dass Schmerzsignale aufgezeichnet werden.

Zur Bestimmung einer spezifischen Technik, die die Schneidkraft weiterhin vermindert, wurde ein Experiment durchgeführt. Block-Modellstücke aus keramischen Materialien einschliesslich Magnesia (Mohr'sehe Härte 6), Mullit (Mohr'sche Härte 7), Zirkonia (Mohr'sche Härte 8) und Aluminia (Mohr'sche Härte 9) sind unter Verwendung von Epoxyharz am freien Ende eines amplitudenverstärkenden Horns befestigt worden, das einer Ultraschalloszillation mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Amplitude von 8 |im unterworfen wurde. Ein Diamantwerkzeug mit einem Durchmesser von 1 mm wurde gegen das Modellstück unter einer konstanten Belastung von 0,4 N (40 gf) gedrückt. Durch Verwendung einer Kombination eines Elektromotors und einer Luftturbine wurde das Werkzeug mit einer zwischen 10 000 und 300 000 Umdrehungen pro Minute wechseinen Drehzahl angetrieben. Bei Richtungsübereinstim-mung der angelegten Belastung und der Vibration wurde die Tiefe h um eines erzeugten Grübchens bestimmt. Für Aluminia ist bei einer Drehzahl von 300 000 Upm die Tiefe h = 500 um. Der Wert der Tiefe h hat die Tendenz, sich proportional zu einer Erhöhung der Drehzahl des Werkzeugs und der angelegten Belastung zu erhöhen. Wird die Drehzahl um einen Faktor von angenähert 4 erhöht, so erhöht sich die Tiefe h des Grübchens um einen Faktor von etwa 2, was sich für harte und spröde Materialien als charakteristisch erweist. Wird eine Ultraschallvibration des keramischen Modellkörpers unterdrückt, während das Diamantwerkzeug allein in üblicher Weise rotieren kann, resultiert ein seichtes Grübchen einer Tiefe h = 200 um. Die Ultraschallvibration der keramischen Modellkörper bewirkt, dass die Tiefe des gebildeten Grübchens oder der Umfang der aufzuwendenden Arbeit sich auf das 2,5-Fache oder mehr im Vergleich zum konventionellen Schneiden erhöht, welches keine Ultraschallvibration des keramischen Körpers anwendet. Die Tatsache, dass sich die Tiefe oder die aufgewandte Arbeit bei gleicher angelegter Belastung erhöhen, bedeutet, dass der Widerstand gegen die Schneidarbeit reduziert ist. Würde versucht, dieses Ergebnis nur durch Erhöhung der Drehzahl zu erreichen, so wäre eine Drehzahl in der Grössen-ordnung von 900 000 Umdrehungen pro Minute erforderlich, die mit der Luftturbinentechnik, deren obere Grenze in der Grössenordnung von 550 000 pro Minute liegt, nicht erreicht werden kann.

Die Ultraschallvibration des keramischen Modellkörpers verbessert erheblich die Schärfe des Diamantwerkzeugs bei den nach gegenwärtigem Stand der Technik erhältlichen Drehzahlen. Die Drehzahl kann bei Beibehaltung dieser Schärfe von 300 000 auf 10 000 Umdrehungen pro Minute erniedrigt werden. Da die Nutzlebensdauer des Werkzeugs proportional der Schneidgeschwindigkeit ist, bedeutet dies, dass diese Nutzlebensdauer erhöht werden kann. Es ergibt sich also, dass die Ultraschallvibration von hartem und sprödem Material die Schärfe des Schneidwerkzeugs erhöht oder dessen Nutzlebensdauer vergrössert.

Ein Modellstück aus Elfenbein, von dem angenommen wird, dass es eine einförmige Qualität besitzt, wird einer Ultraschallvibration bei einer Frequenz von 28 kHz mit einer Amplitude von 8 |xm unterworfen. Ein Diamantwerkzeug mit einem Durchmesser von 1 mm, das mit 30 000 Umdrehungen pro Minute rotiert, wird mit einer Kraft von 0.9 N (90 gf) für eine gegebene Zeitspanne gegen das Modellstück gedrückt. Im Vergleich zum Ergebnis bei einer üblichen Hochdrehzahlrotation erhöht sich die Tiefe h des gebildeten Grübchens um einen Faktor von 2,5 bis 5, sie hängt jedoch auch geringfügig von der Faserrichtung des Elfenbeins ab.

Es werden also sowohl mit Elfenbein als auch mit Keramik unerwartete Ergebnisse erzielt.

Es wurden auch verschiedene vom Körper entfernte Zähne am freien Ende eines Horns, das einer Ultraschall-Longi-tudinalschwingung einer Frequenz von 28 kHz mit einer Amplitude von 8 Jim unterworfen wurde, mit Hilfe von Araldit befestigt. Ein Diamantwerkzeug mit 1 mm Durchmesser und einer Drehzahl von 300 000 Umdrehungen pro Minute wurde unter konstanter Kraft von 0.9 N (90 gf) für eine gegebene Zeitspanne gegen jeden dieser Zähne gedrückt. Im Vergleich zur konventionellen Schneidtechnik,

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die keine Ultraschallvibration anwendet, erhöht sich die Tiefe des gebildeten Grübchens in gleicher Weise, wie es für Keramik und Elfenbein ermittelt wurde. Die Anwendung der Ultraschallvibration hat also die Tiefe um einen Faktor von etwa 2 bis 6 im Vergleich zur Rotationstechnik mit hoher Drehzahl erhöht und den Widerstand gegen den Schneidvorgang um einen Faktor von 2 bis 6 vermindert. Dies kann auf eine Verringerung der mechanischen Festigkeit, beispielsweise der Zugfestigkeit, des Zahns selbst zurückgeführt werden. Diese Verringerung kommt von Beanspruchungen und Formänderungen, welche aus der Ultraschallvibration resultieren und den Schneidmechanismus eines harten und spröden Materials ebenso wie die gegenwärtige Zahnstruktur während eines Schneidvorgangs beeinflussen.

Im folgenden wird für die Anwendung der Erfindung auf tatsächliche Zähne ein Verfahren zum «Antreiben» eines Zahns, der über die alveolar-dentale Membran mit dem Alveolar-Knochen gekuppelt ist, zur Ultraschallvibration beschrieben. Die Eigenfrequenz fn des Zahns ist auf der Grundlage der Masse M des Zahns und der Federkonstante k der Feder 2 in der alveolar-dentalen Membran zu berechnen. Durch Messung ergibt sich ein Wert von 300 bis 2 000 Hz. Der Zahn wird also zur Schwingung mit einer über fn liegenden Frequenz erregt. Ein Antriebshorn 21 wird in einer durch einen Pfeil 22 angegebenen Richtung mit im Ultraschallbereich liegender hoher Frequenz zur Oszillation gebracht und wird, wie durch einen Pfeil A angedeutet, leicht gegen den Zahn gedrückt, wodurch der Zahn einer Ultraschallvibration der Frequenz f des Horns 21 unterworfen wird, und zwar mit einem Sinusverlauf einer Amplitude, die nahe bei der Amplitude a des Horns liegt.

Beispielsweise kann die Ultraschallvibration des Zahns bei f = 65 kHz und a = 4 um stattfinden. Das mit hoher Drehzahl rotierende Diamant-Schneidwerkzeug 19 wird in einer durch einen Pfeil 20 angedeuteten Richtung an den Zahn angelegt, und zwar mit im wesentlichen konstantem Vorschub S, wenn auch aufgrund des manuellen Betriebs eine gewisse Variation der Vorschubrate unvermeidlich ist. Durch Wahl des Vorschubs S und der maximalen Vibrationsgeschwindigkeit 2rcaf des Zahns, in Vorschubrichtung gesehen, so, dass das, S < 27iaf, und durch Wahl der Schnitttiefe t je Vibrationsperiode des Schneidwerkzeugs in Abhängigkeit von der Amplitude so, dass t < a, ergibt sich ein Schneidmechanismus, bei dem das rotierende Schneidwerkzeug den Zahn abwechselnd berührt und sich wieder von ihm löst, wodurch eine pulsierende Schneidkraft erzeugt wird.

Eine Analyse der Vorschubrichtung des Schneidwerkzeugs im Vektorsinn in Bezug auf die Richtung, in derider Zahn erregt wird, ergibt, dass die zuerst angegebene Ungleichung zutrifft, wenn die Vorschubrichtung mit einer Erregungskomponente des Zahns übereinstimmt, während die zweitgenannte Ungleichung zutrifft, wenn die Vorschubrichtung orthogonal zur Richtung verläuft, in der der Zahn erregt wird. Auf diese Weise kann die Auslenkung in Übereinstimmung mit Gleichung (2) reduziert werden zu tC P T " K

und kann die Schneidkraft zuverlässig um einen Faktor tc

T'

beispielsweise '/3 bis 1/2o, im Vergleich zur Schneidkraft P vermindert werden, die mit der konventionellen schnellen Drehung allein ohne Einbeziehung der Erfindung auftritt.

Im Fall, dass ein Formänderungsmessgerät an einem Modellkörper aus elastischem Material angeklebt ist, der ei659 182

ner hochfrequenten Vibration etwa im Ultraschallbereich unterworfen ist, und eine Spannungsänderung, die sich aus einer Änderung des Widerstands im Formänderungsmessgerät ergibt, von einem Verstärker zum Aufzeichnen auf ein mit einem Aufzeichnungsgerät verbundenes Aufzeichnungspapier verstärkt wird, um die Frequenz und/oder Amplitude der Vibration des Modellstücks zu bestimmen, kann bekanntlich eine genaue Anzeige oder Aufzeichnung verhindert sein und es kann weniger als die tatsächliche Amplitude oder Vibration angezeigt bzw. aufgezeichnet werden, wenn der Verstärker, der Indikator oder der Aufzeichner einen schlechten Frequenzgang aufweist. So kann auch z. B. ein Wechselstrom-Amperemeter für 50 Hz nicht für eine genaue Bestimmung des Absolutwerts eines hochfrequenten Stromes verwendet werden und bei Verwendung eines elektromagnetischen Oszillographen mit einem Galvanometer, dessen Eigenfrequenz nur 500 Hz beträgt, zur Aufzeichnung eines ultraschallfrequenten Stroms von 20 kHz auf einem Aufzeichnungspapier führt der Schreiber keinerlei dem Strom proportionale Auslenkung durch, sondern verbleibt an einem dem Ursprung entsprechenden Punkt. Eine ähnliche Erscheinung tritt beim Schmerzübertragungssystem nach Fig. 3 auf. Speziell bei Verwendung eines einem Formänderungsmessgerät entsprechenden Detektors zur Ermittlung des Vibrationsmodus eines Zahns, der mit 60 kHz und einer Amplitude von 4 um vibriert, in Kombination mit einem einem Sensornerv entsprechenden Verstärker und einem dem Sinnesapparat entsprechendem Aufzeichnungsgerät, von denen beide einen schlechten Frequenzgang haben, ergibt sich wenig Bewegung des Schreibers proportional dem Vibrationsmodus des Zahns, vielmehr bleibt der Schreiber im wesentlichen stationär und erzeugt auf dem Aufzeichnungspapier keine Aufzeichnung. Wird also der Zahn statisch um 8 pm versetzt, so tritt eine Schmerzempfindung auf, wird der Zahn jedoch einer ultraschallfrequenten Vibration von 60 kHz und einer Amplitude von 4 (im unterworfen, so kann der resultierende Versatz nicht erfühlt werden und es zeigt sich keine Schmerzempfindung. Dieser Effekt ist scheinbar dem Anästhesieeffekt äquivalent, wie er durch die Injektion eines Narkosemittels oder durch die die Anwendung von Lachgas erzeugt wird, und wird im folgenden als «dynamische Anästhesie» bezeichnet.

Wie erwähnt, liegt die Eigenfrequenz eines Zahns in der Grössenordnung von etwa 300 bis 2 000 Hz. Wird angenommen, dass die Frequenz der angelegten Ultraschallvibration im Rahmen der Erfindung beispielsweise 60 kHz beträgt, so vibriert der Zahn mit dieser Frequenz, was bedeutet, dass sich die auftretende Eigenfrequenz des Zahns während des Schneidvorgangs erhöht. Es gilt die Beziehung con = k/M, wobei con = Eigen-Kreisfrequenz des Zahns, k = Federkonstante der alveolar-dentalen Membran und M = Masse des Zahns. Die Eigenfrequenz des zu behandelnden Zahns sei als 600 Hz angenommen, dann ergibt sich, dass die Federkonstante offensichtlich um einen Faktor 60 000/600 versteift oder erhöht worden ist. Die auftretende Federkonstante des Zahns ist also, wenn an den Zahn die Vibrationsenergie eines Ultraschall-Oszillators angelegt wird, auf das angenähert Zehntausendfache im Vergleich zur eigentlichen, innewohnenden Federkonstante des Zahns versteift oder erhöht. Anders ausgedrückt, ist der an den Zahn angelegte Vibrations-Antriebsverlauf äquivalent der Fixierung der Zähne gemäss dem üblichen Brückenverfahren, um zu ermöglichen, dass der Zahn geschnitten wird, während er stationär bleibt.

An den zu schneidenden Zahn wird, damit er mit Ultraschallfrequenz vibriert, eine abgerundete Spitze des Antriebshorns leicht angelegt, das eine Längsschwingung mit 60 kHz und einer Amplitude von 4 (im sowie einer Aus7

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gangsleistung von 20 W ausführt. Ein Diamantwerkzeug mit einem Durchmesser von 1 mm rotiert mit der hohen Drehzahl von 300 000 Umdrehungen pro Minute und wird unter verminderter Andrückkraft gegen den im Ultraschallbereich vibrierenden Zahn allgemein in Schneidrichtung vorgeschoben. Dies legt an den Zahn einen pulsierenden Schneidkraftverlauf an, wodurch die Schneidkraft, die an sich zu einem dynamischen Versatz des Zahns mit resultierenden Schmerzen führt, reduziert wird; ausserdem wird die Schneidkraft durch Ausnützung des dynamischen Verhaltens des vibrierenden Zahnsystems erheblich vermindert. Der Ultraschall-Schwingungsmodus des Zahns, der durch die relativ niedrige Ausgangsleistung von 20 W zum Schwingen gebracht wird, wird durch das Schneiden nicht gestört, vielmehr hält die regelmässige Ultraschallschwingung an und die in Erscheinung tretende Federkonstante erhöht sich unter Erzielung eines dynamischen Anästhesieeffekts. Auf diese Weise werden die Schmerzen, die andernfalls während des Schneidens des Zahns zu ertragen sind, drastisch vermindert oder vollkommen beseitigt. Ein durch die Schneidkraft verursachter dynamischer Versatz des Zahns muss innerhalb der Amplituden-grösse der Ultraschallvibration des verbleiben, die beim beschriebenen Beispiel 4 um beträgt. Für allgemeine Schneidoperationen ist ein Amplitudenwert von 4 bis 10 um zufriedenstellend. Wird die Schneidkraft zu hoch, so kann die Ultraschallvibration des Zahns unter Verminderung der Amplitude behindert werden. Vermindert sich die Amplitude auf Null, so verschwindet der durch die Erfindung bewirkte Effekt. In diesem Fall ist es erforderlich, die reguläre Ultraschallvibration des Zahns durch Erhöhung der Ausgangsleistung oder der Amplitude wiederherzustellen.

Aus der bisherigen Beschreibung ergibt sich, dass die Vi-brations-Zahnschneideanordnung für Zähne mit einem Zahnschneidwerkzeug bekannter Ausführung, das mit hoher Drehzahl rotiert, und eines im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen Zahnerregers verwirklicht werden kann. Das Schneidwerkzeug ist an sich bekannt und braucht nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Es wird deshalb nur die den Zahn erregende Vorrichtung im einzelnen beschrieben. In der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen sind im wesentlichen gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 4 veranschaulicht die Verwendung eines ultraschallfrequenten Längsvibrators 23 und Horn-Gebers 24, der ebenfalls eine Ultraschall-Längsvibration ausführt und gemäss seiner Länge eine Resonanz bei der Frequenz des Vibratore 23 hat. Der Vibrator 23 kann ein elektrostriktiver oder ein magnetostriktiver Vibrator sein und eine Oszillationsfrequenz über 20 kHz oder im Ultraschallbereich haben. Die Verwendung einer so hohen Frequenz ermöglicht es, dass die den Zahn erregende Vorrichtung im Rahmen der Erfindung relativ klein und leicht sein kann. Der Horn-Geber 24 kann aus einer Metallstange bestehen oder kann, wo es zweckmässig erscheint, auch eine nichtmetallene Stange sein, die einer elastischen Deformation unterworfen ist. Der Horn-Geber 24 weist einen hinteren Teil 24a, der mit dem Vibrator 23 gekoppelt ist, und einen vorderen Teil 24b mit einem freien Ende 24c auf. Da das freie Ende 24c in Berührung mit einem Zahn 25 zu bringen ist, um dessen Vibration zu bewirken, ohne ihn einzuschneiden, wird das freie Ende abgerundet und so verhindert, dass die Zahnoberfläche geschädigt wird. Wo dies zweckmässig erscheint, kann das freie Ende eine gekrümmte Fläche für einen Flächenkontakt mit dem Zahn haben, um die Berührung mit ihm zu stabilisieren. Da im Gegensatz zum Schneidwerkzeug das freie Ende 24c des Horn-Gebers nicht abgenützt wird, braucht es nicht ausgetauscht zu werden und kann deshalb integral mit dem hinteren Teil 24a hergestellt werden. In Abhängigkeit vom Anwendungsgebiet können verschiedene Durchmesser erforderlich sein. Der vordere Teil 24b kann vom hinteren Teil 24a getrennt hergestellt sein und mit ihm durch eine Schraubkoppelung oder eine Kegelkupplung verbunden sein. Zur erregenden Vorrichtung gehören weiterhin zwei Klemmen 26, die an Ausgangsklemmen eines Ultraschalloszillators anschliessbar sind. Das freie Ende des vorderen Teils 24b des Gebers unterliegt also einer Ultraschallvibration in einer Richtung entsprechend einem Doppelpfeil 27. An einem Vibrationsknoten des Horn-Gebers 24 ist ein Griff 28 angeordnet, innerhalb dessen der Vibrator 23 und der hintere Teil 24a des Horn-Gebers 24 angeordnet sind, während der vordere Teil 24b vorne aus einer im Griff 28 gebildeten Öffnung 28a vorsteht. Beim Halten des Griffs mit der Hand kann das freie Ende 24c des Horn-Gebers 24 leicht gegen den Zahn 25 gedrückt werden, wie durch einen Pfeil 29 angedeutet ist, um so eine Vibration des Zahns zu bewirken, der dann einer Schneidoperation durch ein Schneidwerkzeug 31 unterworfen wird, das ein Diamant-Schleifgerät sein kann, das in der durch einen Pfeil 30 angedeuteten Richtung mit hoher Drehzahl rotiert.

Ist die Vorderseite des Zahns 25 mit einer Metallkrone abgedeckt, so kann es notwendig sein, den Horn-Geber 24 gegen die Zahnrückseite, die nicht mit einer Krone bedeckt ist, zu drücken, da das Vorhandensein der Metallkrone die Übertragung des Vibrationsantriebs stören kann. Fig. 5 zeigt eine in einem solchen Fall anwendbare Vorrichtung. Sie um-fasst wiederum den ultraschallfrequenten Längsvibrator 23 und ausserdem ein längsvibrierendes Horn 32 einer Länge, die für eine Resonanz bei der Frequenz des Vibrators 23 ausgelegt ist, sowie einen Geber 33, der für eine Biegeresonanz geformt ist und am freien Ende des Horns 32 an einem Wellenbauch dieses Horns angebracht ist. An seinem freien Ende, das einem Wellenbauch entspricht, ist der Geber 33 mit einem Vorsprung 33a versehen, der in gleicher Weise abgerundet ist wie das freie Ende des Horn-Gebers 24 gemäss Fig. 4. Der Vorsprung 33a unterliegt einer Ultraschallvibration in einer durch den Pfeil 27 angedeuteten Richtung. Der Geber wird gemäss Pfeil 29 an den Zahn gedrückt und bewirkt dessen Vibration, während der Zahn 25 selbst einer Schneidoperation durch ein Schneidwerkzeug, das mit hoher Drehzahl rotiert, unterworfen wird. Wie dargestellt, weist das Horn 32 einen hinteren Teil 32a auf, dessen Ende mit dem Vibrator 23 gekoppelt ist, und einen vorderen Teil 32b, an dessen Ende der Geber 33 befestigt ist.

Fig. 6 zeigt eine Zahnerregungsvorrichtung mit dem Längsvibrator 23 und einem gekurvten Horn-Geber 34, der im Sinne einer Vergrösserung der Amplitude wirkt. Der Geber 34 hat eine Spitze 34a, die in Richtung des Pfeils 27 vibrieren kann. Wird die Spitze leicht gemäss Pfeil 29 gegen den Zahn 25 gedrückt, so bewirkt sie dessen Vibration, wobei dann der Zahn mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs mit hoher Drehzahl geschnitten werden kann.

Wird nur mit hoher Drehzahl gearbeitet, die durch die Anwendung einer üblichen Luftturbine erhalten werden kann, so kann eine leichte Verminderung der Schärfe des Werkzeugs im Auftreten von Unannehmlichkeit und Schmerzen resultieren. Dies bestimmt die Nutzlebensdauer des Werkzeugs, das deshalb nach dem Stand der Technik häufig gewechselt werden muss. Im Rahmen der Erfindung kann die Nutzlebensdauer um einen Faktor von 3 bis 10 erhöht werden. Da die pulsierende Schneidkraft angelegt wird, hat die während der Zahnschneidoperation erzeugte Wärme ebenfalls einen pulsierenden Verlauf, und ein Frequenzgang erscheint in einem Wärmeübertragungssystem in gleicher Weise wie der Frequenzgang eines dynamischen Systems, so dass die aufgrund der erzeugten Wärme erlittenen Schmerzen erheblich reduziert werden. Im Rahmen der Erfindung

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können Zähne, die bisher bei gleichzeitiger Verwendung von Anästhesie behandelt worden sind, unter Vermeidung der Anästhesie bearbeitet werden, ohne dass Schmerzen, Unannehmlichkeit und Schreck verursacht werden. Dies ist insbesondere wirksam, wenn die Anwendung der Anästhesie aus Gründen eines medizinischen Schocks vermieden werden muss. Ein weiterer Vorteil ist eine erhebliche Reduktion des beim Schneiden erzeugten Geräuschs, was einen psychologischen Effekt hat.

Die Effekte der Erfindung können anhand spezifischer Ergebnisse veranschaulicht werden:

1) Eine Ausnehmung kann erfindungsgemäss in idealer Weise bei einem Patienten gebildet werden, der an einem Reizzustand der dentalen Empfindung leidet und Schmerzen fühlt, wenn ein Zahn mit einem Geber berührt wird.

2) Die Erfindung ist für einen Zahn anwendbar, der C3-Kariesgrad 3 aufweist und beim Aufschlagen Schmerzen verursacht, wobei die dentale Pulpa schmerzfrei bis zu ihrer Oberseite erfolgreich geschnitten werden kann.

3) Eine Schneidoperation wurde ohne Anästhesie erfolgreich für Zähne durchgeführt, die an akuter eitriger Entzündung der alveolar-dentalen Membran, an chronischer schwärender Entzündung der dentalen Pulpa, an Nekrose der dentalen Pulpa, an partieller akuter eitriger Entzündung der dentalen Pulpa usw. litten.

Wie aus dem Modell gemäss Fig. 3 ersichtlich ist, können s zusätzlich zu der absichtlich aufgewandten Schneidkraft die Federn 2 und 6 auch aus verschiedenen anderen Gründen wie etwa wegen Entzündung in ihrem Umgebungsbereich einer Längung oder Kürzung unterworfen werden. Werden auf diese Weise unter Erzeugung stechender Schmerzen Be-io anspruchungen erzeugt, so kann das erfindungsgemässe Antriebshorn gegen den betreffenden Zahn gedrückt werden und eine ultraschallfrequente Vibration an den Zahn mit einer Amplitude angelegt werden, die der Höhe der Beanspruchungen entspricht, wodurch die Schmerzen beruhigt wer-15 den.

Während die Erfindung im Zusammenhang mit der Anwendung einer ultraschallfrequenten Vibration mit einer Frequenz gleich oder grösser 20 kHz, die also im Ultraschallbereich liegt, beschrieben wurde, können entsprechen-20 de Ergebnisse allgemein durch Verwendung einer hohen Frequenz erzielt werden, die gleich oder grösser als etwa das Dreifache der Eigenfrequenz des Zahns ist.

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3 Blatt Zeichnungen

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659182 PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Abtragung von Zahnmaterial mittels Vibration mit einem Zahnschneidwerkzeug, das mit hoher Drehzahl betreibbar ist und eine zum Schneiden an einem Zahn wirksame Vorderseite hat, und mit einer Anregungsvorrichtung, die zur Erregung des Zahnes mit diesem in Berührung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnerregungsvorrichtung folgende Bauteile aufweist: ein Gehäuse (28) mit einer Öffnung (28a) an seinem vorderen Ende; einen Vibrator (23), der aus einem akustischen Umsetzer, der im Gehäuse zum Erzeugen von Vibrationsenergie einer gegebenen Frequenz angeordnet ist, und einem Vibrationsübertragungsglied (24) besteht, das einen hinteren Teil (24a), der innerhalb des Gehäuses liegt, und einen vorderen Teil (24b), der sich durch die Öffnung des Gehäuses nach aussen erstreckt und dessen freies Ende (24c) in die Berührung mit dem Zahn bringbar ist, aufweist, wobei das Ende des hinteren Teils mit dem akustischen Umsetzer gekoppelt ist; Halteeinrichtungen zum Befestigen des Vibrators (23) an einem Gleichgewichtspunkt desselben am Gehäuse; und elektrische Einrichtungen (26) zum Einspeisen von Leistung an den akustischen Umsetzer;

dass die Oszillationsfrequenz des akustischen Umsetzers höher ist als 300 Hz und der akustische Umsetzer das Vibrationsübertragungsglied so erregt, dass die Vibrationsamplitude an dessen freiem Ende maximal 30 um beträgt;

und dass die Anordnung unter einer der beiden Bedingungen betreibbar ist, dass (1) s < 2;taf, wobei s = die Vorschubgeschwindigkeit des Schneidewerkzeugs, a = die am freien Ende des Vibrationsübertragungsglieds herrschende Amplitude, f = die Oszillationsfrequenz des akustischen Umsetzers und 2jtaf = die maximale Vibrationsgeschwindigkeit des Zahns, in Vorschubrichtung gesehen, oder dass (2) die Tiefe t des Schnitts in den Zahn durch das Schneidwerkzeug auf die Amplitude a so bezogen ist, dass t < a.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Umsetzer einen Ultraschalloszillator umfasst.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Umsetzer eine Oszillationsfrequenz im Bereich von 20 bis 100 kHz aufweist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubrichtung des Schneidwerkzeugs parallel zur Richtung ist, in der der Zahn erregt wird und die Ungleichung s < 27taf erfüllt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubrichtung des Schneidwerkzeugs orthogonal zur Richtung ist, in der der Zahn erregt wird, und dass die Ungleichung t < a erfüllt ist.