CN103585025A - 牙科材料的扫描聚合 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固化牙科复合物的方法，其包括：通过用未固化的复合物（16）来填充空腔（14），在牙（12）表面的空腔（14）中形成复合物填料（16）；以及确定复合物填料（16）的几何形状、包括复合物填料（16）与牙（12）表面之间的界面（22）的位置。该方法还包括：基于复合物填料（16）的几何形状，计算预定的聚合型式，以便将界面（22）处的收缩应力减到最小；以及根据所述预定的聚合型式，将聚焦激光束（30）横过复合物填料（16）进行扫描，以便选择性地和渐进式地固化复合物填料（16）。

Description

牙科材料的扫描聚合

相关申请的交叉引用

依据37CFR§1.78（a）（4），本申请要求在先于2012年8月15日提交的、共同在审的临时专利申请No.61/683,556的优先权益，并以其全文并入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于固化牙科材料的方法和系统。

背景技术

光固化修复常用于牙科应用。作为典型的牙科手术的一部分，复合物被施加于牙腔，并通过牙科光固化仪将复合材料硬化或固化。在传统系统中，使用卤素或LED固化灯来泛光照射整个牙齿，以便同时地固化复合物的整个区域。这种泛光照射采用非聚焦光来无差别地照射牙齿，从而难以控制复合物的收缩行为。

固化光线根据遍及空腔的光强度来激活复合物的聚合作用。复合物在聚合时由于共价键的形成和自由体积的减少而自然地收缩。当整个复合物同时开始聚合时，复合材料陷于能量较不稳定的状态，没有足够的时间和迁移率来缓和。另一方面，复合物结合或粘接于空腔壁，以便将修复物固定在位并密封边界或界面。这两种现象——即复合物的整个收缩和与空腔壁的粘接——导致了张力，从而在空腔壁上引入了应力。在复合物与空腔壁之间的被称为边界的界面处的这种应力集中可能导致即时的或延时的脱粘，从而导致多种临床问题、例如继发龋。通常，脱粘可降低修复物的寿命期限和效果。在界面处的这种应力还可导致病人术后疼痛和/或过敏。

处理空腔壁上的不受控制的应力问题的现有方法包括：使用层填充技术、在空腔基底中施加衬垫、采用光软启动照明方案（例如渐进固化（rampcuring））、和/或使用可流动的或低收缩性的复合物。虽然收缩性减小的复合物最近已经发展起来，但牙科材料的总收缩率和收缩应力仍不理想。

发明内容

本发明提供了一种固化牙科复合物的方法，包括：通过用未固化的、包括聚合引发剂的复合物来填充空腔，从而在牙表面的空腔中形成复合物填料；以及确定复合物填料的几何形状、包括复合物填料与牙表面之间的界面的位置。该方法还包括：基于复合物填料的几何形状，计算预定的聚合型式，以便将界面处的收缩应力减到最小；以及根据所述预定的聚合型式，将被构造成能激活聚合引发剂的聚焦激光束横过复合物填料进行扫描，以便选择性地和渐进式地固化复合物填料。

附图说明

合并于本说明书中并构成本说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并连同上述本发明的发明内容和以下详细说明一起用于解释本发明。

图1是牙中的未填充的空腔的顶视图；

图2是图1的空腔用未固化的牙科复合物填充后的顶视图；

图3是通过扫描被填充以牙科复合物的空腔而生成的网格的示意图；

图4A是根据一个实施例用激光束扫描图2的空腔的顶视图；

图4B是根据另一实施例用激光束扫描图2的空腔的顶视图；

图4C是根据又一实施例用激光束扫描图2的空腔的顶视图；

图4D是图2的空腔被填充已固化的牙科复合物的顶视图；

图5A是激光扫描装置的一个实施例的示意图；

图5B是激光扫描装置的另一实施例的示意图；

图6是本发明的一种方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，示出了在牙科材料或复合物的扫描聚合作用中使用的设备和技术。如本领域技术人员所知，本文中所使用的术语“复合物”限定为一种修复材料，所述修复材料通过吸收光或热量而被激活，且可包括牙粘接剂、粘固粉或具有类似性质的其他材料。由于本文所描述的发明广泛地适用于牙科材料，因此术语“复合物”的使用不应被认为是限制性的。

参照图1和图2，在本发明的一个实施例中，传统的隔开物8（以虚线示出）和传统的成形带环10可围绕牙齿12定位，所述牙齿12具有待填充复合物16的空腔14。空腔14具有基底18和侧壁20。一旦成形带环10定位到牙齿12上，空腔14就通过本领域已知的方法被填充未固化的复合物16，所述未固化的复合物16包括一种或多种聚合引发剂（例如樟脑醌（CQ））和/或热固性树脂。复合物16可以是块体填充物（bulk fill），例如在

系统中所使用的。不是必须采用分层技术。界面22在复合物填料16与牙表面（即，空腔14的基底18和侧壁20）之间形成。例如在前臼齿中，复合物填料16的上表面24可与牙齿12的上表面大致齐平。

现在参照图3至图5B，可使用扫描头组件（未示出）来确定复合物填料16的尺寸和形状。特别地，界面22的位置被确定。扫描头组件可安装在成形带环10上、咬合附件（未示出）上、或安装在附连至一个或多个相邻牙齿上以便在口腔内固定到位或保持到位的可调节固定装置（未示出）上。在一个实施例中，扫描头组件可包括图像获取设备、例如微型摄像机，以用于获取复合物填料16和/或空腔基底18和侧壁20的数字图像数据。所述摄像机可配备有广角镜头。在另一实施例中，可准备口腔内扫描机、例如咬合复合物形状扫描机来进行能示出复合物填料16的三维轮廓的数字扫描。在又一实施例中，非聚合（non-polymerizing）激光扫描源、例如红激光束可扫描复合物填料16。对非聚合激光束的响应可通过微型摄像机获取。对复合物填料的成像或扫描可称为“预扫描”。

当预扫描获取了复合物填料16的图像或扫描结果之后，图像或扫描结果的数字数据可作为x、y、z坐标被输入至数据处理机、例如中央处理单元（CPU）（未示出）或微处理器（未示出）。数据处理机分析处理所述数字数据，以便生成复合物填料16的几何形状。参照图3，在一个实施例中，所生成的空腔14的图像或扫描结果可被处理成网格顶点26。与复合物填料16的内部相比，网格26的水平和/或竖直网格线在靠近复合物填料16与空腔壁20之间的界面22处、即在边界处划分地更密集。以这种方法，可利用网格顶点26来优化激光聚合型式方案，从而在空腔壁20上施加最小的应力。最佳的聚合型式可根据一个或多个预定的算法来计算。

基于从数据处理机的输入，例如可使用激光扫描组件（例如Lemoptix的

显微投影器）根据预定的聚合型式来用激光束30横过复合物填料16进行选择性地扫描。激光扫描组件包括硬件和固件。激光扫描组件小得足以适配在口腔内，以便定位在特定的牙齿12上方。例如，激光扫描组件的光学引擎体积可以是大约1.5cm³，尺寸为5×12×25mm。

如图5A和图5B所示，所述激光扫描组件包括激光源32和反射镜组件34。激光源32可定位在用于容纳该组件的装置40的近端，或者替代性地，激光束30例如可从嘴外经由光纤（未示出）传送至口腔。反射镜组件34定位在装置40的近端。反射镜组件34可包括二维的磁驱动微反射镜。激光扫描组件可包括具有专用集成电路（ASIC）和/或现场可编程门阵列（FPGA）的芯片。因此，该芯片可根据激光束30聚合型式的具体应用要求来自由地程序化。

现在参照图4A-4C，多种类型的激光可用于激光扫描组件中（在下面详述）。例如，扫描组件可包括集成半导体激光器（例如激光二极管）。替代性地，传统的光源也可与激光扫描组件一起使用。本领域技术人员将认识到，激光源32的输出功率可根据具体应用、包括复合物16的组成来变化。激光源32可在大的范围、例如低于5mW至高于1000mW（即1W）内操作。然而，激光源32可操作成具有大约200mW或更高的最大输出功率。在一个实施例中，激光源32可操作成具有范围为50-150mW的输出功率。输出功率应当被选择成：能避免对复合物填料16的任何非期望的热影响。本领域技术人员将认识到，有效功率输出可能低于输出功率。例如，如果输出功率为100mW，在反射镜组件34上反射后，有效功率可能是85mW。80mW激光源32的功率消耗可以是大约800mW，反射镜组件34的功率消耗可以是大约80mW。此外，由于复合物填料16中的散射、吸收等，可能存在内部功率损失。例如，光反射率可以是至少85%，因此激光束30的功率损失可以是大约15%。

本领域技术人员还将认识到，扫描激光束30的波长例如可根据复合物填料16的组成来变化。例如，根据复合物16中的聚合引发剂的类型，可使用波长范围在400-500nm的蓝固化光。例如，在复合物16的组成包括CQ作为光引发剂的一个实施例中，可使用大约465nm的波长。在另一实施例中，可使用的波长范围在紫外（UV）至近红外。替代性地，在另一实施例中，激光束30可被用作用于包括热固性树脂的复合物的热源而非光引发剂。

在一个实施例中，微机电系统（MEMS）可调谐激光器可被用作激光源32，以便能够以多种颜色的激光或在大范围的波长下进行激光组件操作。可使用MEMS可调谐激光器来产生用于预扫描的非聚合激光束和用于固化复合物填料16的聚合激光束30。在另一实施例中，MEMS可调谐激光器可用于激活复合物填料16中的多种不同的聚合引发剂。例如，在具有两种聚合引发剂的复合物填料16中，MEMS可调谐激光器可产生具有足以激活该复合物中的第一聚合引发剂的第一波长的激光束30，然后，MEMS可调谐激光器32可调节波长，并实施足以激活复合物填料16中的另一不同的聚合引发剂的第二扫描。

在一个实施例中，激光扫描组件生成聚焦的或准直的激光束30，例如分别作为点波束30a或波束线30b。点波束30a的直径可大约是0.5mm。激光波束线30b也可通过聚焦的点波束30a的线扫描生成。激光波束线30b纵向地照射空腔14。波束线30b的长度例如大约是5-6mm。然而，激光波束线30b的长度可用微调器（未示出）或通过其他器件调节。扫描聚焦的激光束30激活了复合物填料16中的聚合引发剂，从而引起固化。通过使用聚焦的激光束30，能量和光线被限制于小区域和焦点，从而加强了对固化位置的控制。

被编程的激光扫描组件可控制激光束30横过复合物填料16以预定的聚合型式进行的扫描。现在参照图4A-4C，可有多种聚合型式。例如，如图4A所示，激光波束线30b可以以连续前进的方式横过复合物填料16扫描。在另一实施例中，如图4B所示，激光波束线30b可以以步进（step-by-step）的方式横过复合物填料16扫描。通过连续前进或步进方式的实施例中的任何一个，都可利用上述网格顶点26来取得平行于界面22固化的扫描型式。在另一实施例中，如图4C所示，激光点波束30a可在复合物填料16的界内按照预定的路径36移动。本领域技术人员将想到多种可以使用的其他扫描型式。扫描型式使复合物能够渐进式地固化，且在激光束30渐进式扫描时在激光束30的局部区域中产生选择性固化。因此，本发明能够高度受控地、选择性地和渐进式地固化复合物填料16。

虽然用于复合物填料16的整个扫描时间将根据激光输出功率而变化，但是20秒的时间将足以渐进式地固化复合物填料16。在一个实施例中，扫描持续10-40秒。在另一实施例中，扫描持续15-30秒。在一个实施例中，与其他区域相比，激光束30可在复合物填料16的某些区域上扫描更长时间，或在某些区域上扫描不止一次。例如，激光束可在邻近界面22处或在复合物16填充得较深的区域中消耗附加的扫描时间。

通过使用渐进式的聚合型式，可显著地降低复合物填料16的收缩应力。由于使用选择性固化的扫描型式在某时刻仅聚合复合物填料16的一部分，仅该部分的复合物16在该时刻经受收缩，而复合物16的未固化的其余部分有时间调整，并显著地降低作用在空腔14上的总应力。与用LED灯泛光照射聚合（flooding polymerization）所经受的应力相比，虽然应力的总量可能相等，但是收缩的分布通过未同时地聚合整个复合物16而被改善。与传统的聚合相比，测试结果显示出收缩应力降低了大约50%。

应力分布还通过以下方面被改善：以较长的持续时间、和/或以与复合物填料16的内部相比更密集的聚合型式，首先将界面22固化。例如，通过首先固化复合物填料16的界面22，未固化的复合物16可流动至或回填已被聚合的界面22，以帮助补偿那些区域中的收缩。以这种方式，收缩可从界面22至少部分地传递至复合物填料16的内部。复合物填料16的内部处的收缩可在其表面24上导致“坑状”结构特征38（图4D），但是复合物填料16的内部处的收缩不会导致相当大的残余应力，或者与界面22处的收缩相比危害性较小。

由本方法的聚焦激光束30的扫描所产生的选择性地且受控的聚合收缩行为可提供多个优点。例如，侧向收缩应力的降低可减少术后疼痛和/或过敏、边界开口的产生和/或继发龋的产生。

如图5A和图5B所示，上述激光扫描组件可集成到手持装置40中，所述手持装置40可部分地或完全地固定到口腔中。作为相对尺寸的示例，手持装置40可具有大约180mm的长度和大约15mm的宽度。参照图5A，一件式手持装置40可包括邻近牙齿12定位的激光扫描组件，所述激光扫描组件包括激光源32和反射镜组件34。孔42在装置40的近端处，激光束30穿过所述孔42射出。电源组44可定位在装置40的远端处，电子控制装置46可定位在电源组44与激光扫描组件之间。在该实施例中，当装置40使用时，激光扫描组件位于口腔内，且电源组44和电子控制装置46位于口腔外。装置40的外部可通过防护套（未示出）至少部分地覆盖。

在图5B中示出的手持装置40的替代性实施例中，装置40可包括两个可分离的部件48、50。激光扫描组件的反射镜组件34可包括在部件48中，所述部件48包括装置40的近端部分，且可与包括装置40的远端部分的另一部件50分离。激光源32可与反射镜组件34分开地位于装置40的另一部件50中。电源组44可定位在部件50的远端处，激光源32可更靠近部件50的近端定位，电子控制装置46可定位在电源组44与激光源32之间。在该实施例中，当装置40使用时，反射镜组件34位于口腔内，而电源组44、电子控制装置46和激光源32位于口腔外。由于包括反射镜组件34的部件48可与手持装置40其余构件分离，因此反射镜组件34能够进行高压蒸汽处理来消毒。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于固化牙科复合物的方法，该方法在图6的流程图中描述。在步骤100中，用未固化的复合物填充牙表面中的空腔，所述复合物包括聚合引发剂以便形成复合物填料。在步骤110中，该方法包括：确定复合物填料的几何形状、包括复合物填料与牙表面之间的界面的位置。在步骤120中，基于所确定的几何形状，计算预定的聚合型式，以便使那些界面处的收缩应力减到最小。在步骤130中，该方法包括：根据预定的聚合型式横过复合物填料用激光束扫描，以便选择性地和渐进式地固化复合物填料。如上所述，激光束可以是点波束或波束线，以便当激光束横过复合物填料渐进式地扫描时，在点波束或波束线的局部区域选择性地固化复合物填料。

在一个实施例中，激光束首先平行于界面并在界面处扫描，然后渐进式地远离界面向着所述几何形状的内部扫描。在一个实施例中，该前进过程是步进的，在另一实施例中，该前进过程是连续的。

在一个实施例中，步骤130中的扫描以一种或多种附加的波长重复，所述附加的波长被构造成能激活复合物填料中所包含的附加的聚合引发剂。因此，激光束的第一次扫描可以以第一波长激活第一聚合引发剂，而激光束的第二次扫描可以以与第一波长不同的第二波长激活第二聚合引发剂。可使用具有不同激活波长的任意的多种聚合引发剂。另外，所述多种聚合引发剂可以是光引发剂或热固性树脂，从而激光束的每次扫描可被构造成：能通过光或热来激活聚合引发剂中的一种。

在一个实施例中，在步骤110中，复合物填料的几何形状通过以下方式来确定：用被构造成能获得数字图像数据的扫描组件来扫描复合物填料。所述数据被输入至数据处理机进行分析处理，以便生成所述几何形状。在一个实施例中，扫描组件包括图像获取设备、例如微型摄像机。扫描组件可包括非聚合激光源，且用微型摄像机来获取对激光源的响应。在一个实施例中，数据处理机根据预定的算法来计算预定的聚合型式。在一个实施例中，数据处理机可将所述几何形状生成为网格顶点，所述网格顶点靠近界面处格点较密集，且远离界面处格点密集程度较小。

虽然本发明通过其中所述实施例的描述来阐述，并且虽然所述实施例被相当详细地描述，但是并不意图将所附的权利要求约束或以任何方式限制于此类细节。另外的优点和改进将易于呈现给本领域技术人员。本发明在其更广的方面不限于所示出和所描述的特定细节、典型设备、方法和说明性实例。因此，可以在不背离申请人总体发明思想或范围的情况下背离此类细节。

Claims (16)

1.一种固化牙科复合物的方法，包括：

通过用未固化的、包括聚合引发剂的复合物来填充牙表面的空腔，在牙表面的空腔中形成复合物填料；

确定复合物填料的几何形状、包括复合物填料与牙表面之间的界面的位置；

基于所述几何形状，计算预定的聚合型式，以便将界面处的收缩应力减到最小；以及

根据所述预定的聚合型式，将被构造成能激活聚合引发剂的聚焦激光束横过复合物填料进行扫描，以便选择性地和渐进式地固化复合物填料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述几何形状通过以下方式确定：用配备有图像获取设备的扫描组件来扫描复合物填料，以便获得数字图像数据，并分析处理所述数字图像数据来生成所述几何形状。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扫描组件包括用于扫描复合物填料的非聚合激光源，且所述图像获取设备获取对所述激光源的响应。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，微机电系统可调谐激光器被用于所述确定和扫描步骤。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数字图像数据被输入至能执行分析处理来生成所述几何形状的数据处理机，其中，所述数据处理机根据预定的算法来计算所述预定的聚合型式。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数字图像数据被输入至能执行分析处理来生成所述几何形状的数据处理机，其中，所述数据处理机将所生成的几何形状处理成网格顶点，所述网格顶点靠近界面处格点较密集，且在所述几何形状的内部中格点密集程度较小，且所述网格顶点被用来计算所述预定的聚合型式。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光束被聚焦成波束线，且所述扫描通过以下方式实施：所述波束线首先平行于所述界面并在所述界面处扫描，然后以步进方式渐进式地远离界面向着所述几何形状的内部扫描。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光束被聚焦成波束线，且所述扫描通过以下方式实施：所述波束线首先平行于所述界面并在所述界面处扫描，然后以连续前进的方式渐进式地远离界面向着所述几何形状的内部扫描。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，与所述几何形状的内部相比，在邻近所述界面处扫描的持续时间较长。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数字图像数据被输入至能执行分析处理来生成所述几何形状的数据处理机，其中，所述激光束被聚焦成点波束，所述扫描以连续前进的方式实施。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的输出功率范围是50-150mW，所述扫描的总持续时间大约是15-30秒。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在具有较大深度的未固化复合物的复合物填料区域中，所述扫描的持续时间较长。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描以足以激活所述聚合引发剂的第一波长进行，且所述方法还包括：

在以第一波长使用聚焦的激光束扫描之后，以足以激活第二聚合引发剂的第二波长使用聚焦的激光束扫描，其中，所述第二波长与所述第一波长不同。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，微机电系统可调谐激光器被用来以第一和第二波长使用聚焦的激光束扫描。

15.一种固化牙科复合物的方法，包括：

通过用未固化的、包括聚合引发剂的复合物来填充牙表面的空腔，在牙表面的空腔中形成复合物填料；

用非聚合激光源预扫描复合物填料，并通过图像获取设备来获取对所述激光源的响应，以便获得数字图像数据；

将所述数字图像数据输入至数据处理机，所述数据处理机分析处理所述数字图像数据来生成复合物填料的几何形状、包括复合物填料与牙表面之间的界面的位置，并通过所述几何形状来计算预定的聚合型式，以用于将所述界面处的收缩应力减到最小；以及

平行于所述界面并根据所述预定的聚合型式使用被聚焦成波束线的激光束横过复合物填料进行渐进式地扫描，所述激光束的波长被构造成能激活聚合引发剂。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述渐进式地扫描邻近所述界面开始，并向着所述几何形状的内部继续，且所述扫描在所述界面处比在所述内部中持续更长时间。

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