CN106456301A - 空间改进扩展传播超声波牙刷 - Google Patents

Abstract

一种超声波牙刷，其具有空间扩展的功能，从而除了去除牙菌斑和治疗牙龈炎之外还治疗各种口腔疾病。除了超声激活的刷毛之外，牙刷还结合了多向超声换能器系统，其利用超声波压力波对口腔进行空间照射，可操作以松动牙菌斑，以从牙齿和牙龈移除牙周细菌，并且同时治疗和破坏在面颊和唇部的内表面上的致病细菌和细菌链，提供对复发性口疮性口炎、扁平藓和粘膜炎的缓解。公开了各种构造，包括用户可移除和可更换的刷头和超声治疗头。描述了具有声波轨道振动刷头和刷毛簇的机动版本。

Description

空间改进扩展传播超声波牙刷

技术领域

本发明涉及牙刷，并且更具体地涉及利用声波和超声波声学机制以增加牙刷的有效性并提供增强的口腔卫生的牙刷。

背景技术

一些早期的电动牙刷技术试图通过各种声频和超声频率装置来提高刷毛振动的速度。这些装置的例子是美国专利Parisi的3,335,443、Balamuth的3,809,977和Kuris的4,192,035。这些建议没有利用超声压力波来冲击牙齿和牙龈上的牙菌斑和牙周细菌；他们只是振动更快的机械牙刷设计。尚不知道这些专利中是否有任何一种用于市售牙刷。

使用超声压力波来帮助除去牙菌斑并破坏牙周细菌的第一种市售超声波牙刷基于Bock的美国专利5,138,733，其在刷头的尖端中包含压电换能器，以产生通过刷毛传递到牙齿和牙龈的超声压力波。虽然这是牙刷设计中的巨大飞跃，但是它不是最佳的，因为由于各种结构上的超声衰减机制，由压电换能器产生的超声能量的显著部分被损失。材料界面的效率不是100％。超声波必须穿过的每个材料界面将一些超声能量反射回到换能器，例如将换能器固定在外壳中的粘合剂到换能器界面和粘合剂到外壳界面、外壳到刷头界面，以及刷头到刷毛界面。此外，长纵横比的薄鬃毛减弱了由压电换能器产生的一些超声能量。在美国专利No.5,138,733和同样由Bock的美国专利5,369,831二者中，由于大量的表面界面和厚的壳体材料朝向刷头的背面衰减超声能量，超声波朝向刷头的背面的传输也大大减少。然而，美国专利No.5,138,733和美国专利No.5,369,831仍然代表了超声波牙刷在它们时代的最佳解决方案。

Brewer等人的题为“Ultrasonic toothbrushes using an acoustic waveguide”的美国专利No.7,269,873B2描述了本领域的下一个技术改进。Brewer的专利基本上是对Bock的5,138,733的修改，其中Brewer提供了通过添加波导改进超声波压力波从换能器通过牙膏和口腔中的流体到牙齿和齿龈的传输效率，所述波导比Bock的5,138,733中的刷毛在朝向牙齿和牙龈的超声波的传输上是更有效的。然而，虽然Brewer建议的波导比Bock的公开和实践中的刷毛更有效，其仍然由于波导到换能器界面和波导本身而衰减通过换能器产生的超声能量。在将从声波导向牙齿和牙龈输出的超声能量最大化的尝试中，Brewer在超声换能器背面上使用超声反射元件(参见图1项目28)或替代的气隙(参见图4)。在本领域中已知气隙反射和停止超声压力波的传播。超声反射元件和气隙均隔离了来自刷头后部以及唇部和面颊的超声波发射。

Bock的美国专利No.7,849,548B2代表超声波牙刷的下一个技术改进。在他的公开中，通过将换能器从刷头取出并使其与牙膏和牙刷与牙齿和齿龈之间的流体直接接触，Bock消除了压电换能器向牙齿和齿龈发射的超声能量的所有结构衰减，大大提高了设计的效率和效果。在换能器与刷毛和牙齿和牙龈的侧面上的口腔流体之间没有表面界面或任何其它材料来衰减超声能量。然而，类似于Brewer，Bock还提出了在超声换能器的背面上的超声反射闭孔泡沫(参见图1项目40)，其隔离来自牙刷背部和嘴唇和面颊的超声发射。

Brewer等人的美国专利No.7,269,873B2和Bock的美国专利No.7,849,548B2公开了迄今为止的超声换能器领域的标准构造技术，其中，目标总是通过在换能器的非工作“背”侧上应用超声反射材料和超声反射气隙来最大化来自换能器的单个“工作”侧的超声发射。来自单个工作侧的超声发射最大化显著减少并且最经常地完全消除了来自换能器的非工作背侧的超声发射。

Emecki的美国专利申请US20130115571A1公开了一种装置，其中牙刷刷毛直接附接到换能器的一侧，以用作波导并将机械振荡能量传递到牙齿。虽然Emecki没有描述刷头的结构细节，但从该公开的图2可以清楚地看到，机械振荡由换能器背面上的气隙或反射材料限制或完全消除。Emecki的整个教导和努力集中在最大化机械振荡到刷毛内的发射。

虽然迄今为止的进展是重要的，但是事实仍然是，超声波牙刷技术一直集中并且迄今为止仅成功地从牙齿和牙龈表面有效地去除牙菌斑和牙周细菌。

一些人患有各种口腔疾病，例如通常被称为溃疡疮的复发性口疮性口炎(RAS)、主要在与牙齿相对的面颊中具有疼痛侵蚀性或溃疡性区域的慢性炎性疾病的扁平癣(LP)、由抗癌化疗引起的粘膜炎(疼痛性溃疡性病变)，其出现在口腔和唇粘膜、面颊和唇部的内表面上。

粘膜炎的溃疡性病变由机会性细菌微生物而移殖，这产生继发性感染，使得已经难以对付的化疗疗法变得更难以忍受。在科学界有证据支持RAS和LP是对存在的口腔菌群的异常免疫应答。因此，口腔菌群负荷减少的有益效果是可预期的。用免疫抑制剂例如全身或局部皮质类固醇的治疗将降低大多数患有该疾病的患者的RAS和LP活性。不幸的是，这种减少是短暂的，当治疗中断时病变很快复发。由于皮质类固醇的显著的全身副作用，例如青光眼、液体潴留、血压升高、情绪波动、骨质疏松等，用免疫抑制皮质类固醇的治疗不能长时间耐受；免疫抑制皮质类固醇治疗只是短期临时解决方案。因此，长时间良好耐受的有效治疗药征将是非常有价值的。

超声波牙刷是没有任何副作用的良好耐受的药征。从基于美国专利No.5,138,733的第一代超声波牙刷的背面发射的有限量的超声波已经通过临床研究证明在复发性口疮口炎中具有适度的有益效果(RAS病变持续时间减少46％，以及发生的病变数量的减少)。第一代超声波牙刷的这种适度有益的效果受到超声压力波的结构衰减的限制，所述超声压力波通过刷头的背侧逸出，接触唇部和颊部的内表面。

因此，即使最新的现有技术的超声波牙刷也不能最佳地有效攻击和破坏与牙齿和牙龈相对的唇部和颊部内侧上存在或移植的各种口腔细菌，这些口腔细菌是造成RAS和LP的原因。

本领域仍然缺乏方便地和同时地从牙齿和牙龈移除牙菌斑和牙周病菌，还提供RAS和LP的缓解并且改善患有RAS和LP的人的健康状况的机会。

总之，RAS和LP都是与口腔菌群有关的异常免疫应答，仍然等待通过没有免疫抑制剂和它们的全身副作用的良好耐受药征的有效缓解。

作为良好耐受药征的超声波牙刷是良好的候选者，但是仍然没有实现对多用途的空间高效的装置的追求。

发明内容

针对上述需要，本发明的目的是提供方法和装置，其除了从牙齿和牙龈去除牙菌斑和牙周细菌以外还有效地治疗各种口腔健康和卫生问题，例如根源于对存在于唇部和面颊上的口腔菌群的异常免疫反应的RAS和LP，并且通过破坏在粘膜炎病变中定植的机会性细菌微生物来缓解粘膜炎，与每日牙齿刷牙方案方便并且同时地进行。

本发明通过新方法以及采用高效无衰减新型压电换能器安装系统的新的空间改进超声波牙刷的开发和公开来实现这些目的，在该安装系统中，换能器暴露在刷头的两侧。压电换能器被暴露并且在与牙膏和口腔流体直接接触的刷毛之间朝向牙齿和牙龈突出，从而处理牙周细菌并从牙齿和牙龈移除牙菌斑，同样重要的是，它也在刷头的表面暴露，与口腔流体以及与唇部和面颊的内表面直接接触，提供高效的无衰减超声压力波，以治疗口腔菌群和与牙齿和牙龈相对的口腔组织。这些无衰减的超声压力波的强度在刷头侧上，特别是在刷头的背侧上大于第一代超声波牙刷的两倍。与通过免疫抑制皮质类固醇对RAS和LP的临时治疗相反，超声药征是多年来日常应用的没有限制的良好耐受的长期药征，其提供了对患者中的RAS、LP和粘膜炎的长期缓解。

该新方法包括通过使在病变中定植的口腔菌群经受在20kHz至20MHz频率之间，更典型地在750kHz至2MHz频率内的超声压力波来治疗口腔的RAS、LP和粘膜炎病变，所述超声压力波的无衰减强度在0.02-0.5W/cm²，更典型地在0.035-0.150W/cm²内，同时结合或独立于每日牙刷方案。

因此，新的空间改进的超声波牙刷发明包括手柄部分和刷头部分。刷头部分支撑刷毛簇和压电超声换能器，该压电超声换能器在一侧上在刷毛簇之间从头部朝向牙齿和牙龈突出，并且在刷毛簇的相对侧上通过头部朝向面颊和唇部的内表面突出。手柄部分包含电池组、产生刷头部分的声波触觉振动的电子电动机、产生超声频率电流以激励超声换能器并提供对牙刷中其它功能的控制的电子控制模块，所述控制诸如电动机速度控制、以及电池充电控制。牙刷系统还可以包括电池充电架，以通常通过导电电流装置提供用于对手柄中的电池充电的初级电流。

超声换能器直接暴露于牙刷和牙刷头两侧的口腔中的牙膏和牙齿流体，在一侧的刷毛之间与在另一侧的刷毛相对是本发明的主要创造性步骤之一。将传感器直接暴露于牙科流体完全消除了超声能量在被传递到牙科流体、牙齿和牙龈以及牙齿周围表面之前的任何结构衰减。

在实验室研究中已经显示，无需刷毛的物理接触，即使由第一代超声波牙刷从5mm距离通过模拟牙龈液的脑心浸液肉汤发射的高度衰减的超声压力波(a)破裂了变形链球菌细菌链，(b)减少了釉质表面上的生物膜的厚度，和(c)损伤了变形链球菌的细胞壁。结果显示了，超声也对变形链球菌细胞壁和细胞内组分有一定的影响，表明超声抑制变形链球菌粘附在釉质表面。这是通过第一代超声波牙刷的刷毛可能增强牙菌斑去除的机制。

本发明向组织传递更有效和显著更高强度的无衰减超声压力波，在口腔流体中产生轻微的空化(cavitation)。结合由声频刷毛振动产生的动态流体运动，本发明显著地提高了牙刷从牙齿和牙龈表面上基本去除所有牙菌斑的能力，并且消除了刷毛范围以外7至10mm之间并进入牙周袋的细菌群落。

本发明的来自刷头背侧的无衰减超声波压力波治疗、损伤、中断和破坏位于面颊和嘴唇的内表面上的细菌菌落，减轻RAS和LP以及粘膜炎的影响至本领域以前不可能的程度。

无需用户的任何额外努力，本发明将每日牙刷方案延伸到以前不可用的完整口腔卫生方案中。

附图说明

图1示出了本发明的纵向截面和示意图，其包括具有刷毛簇和暴露的超声换能器的刷头部分，以及包含驱动电机，电子控制器和电池的手柄部分。

图2示出了刷头的横截面和无衰减的压电超声换能器的暴露。

图3A和3B示出了多元件换能器配置，以延伸未衰减换能器与粘膜的接触区域。

图4示出了可移除刷头组件的侧剖视图。

图5和图6示出了可移除刷头组件的另一实施例的两个横截面图。

图7和图8示出了超声施用器头组件的两个实施例的两个横截面图。

具体实施方式

在标题中和在下面的讨论中，术语“空间改进”是指牙刷在空间中相对于传统牙刷的多方向有效性，所述传统牙刷仅在朝向刷毛的一侧上有效。

术语“超声”和“超声波”和“超声压力波”是指具有20kHz及以上的操作频率的连续波超声或重复突发型超声模态中的声能。对于在牙刷中使用的“声音”和“声音振动”的引用是指显著低于20kHz超声阈值(通常在100至500Hz的范围内)的物理振动或振荡运动。与牙刷相关的术语“空化”是指气泡的产生和/或分散，以及声音或超声能量和振动与口腔流体环境内的气泡之间的相互作用。与超声相关的术语“结构衰减”是指通常用于容纳超声换能器并且用于在超声波牙刷和其它超声应用中将超声从换能器传达到解剖结构的各种表面界面和材料的衰减效应。

超声对细菌和细菌菌落的破坏性影响和使细菌菌落无效的方法是众所周知的，并且在科学界有记载。本文引用的早期版本的超声波牙刷的临床和实验室研究仅是牙刷对细菌菌落和牙菌斑发射的超声波的有效性的一小组实例。众所周知，超声的有效性与应用的强度有关，因此在组织加热阈值的限制内限制能量损失并使来自超声换能器的可用强度最大化是重要的。

优选配置中空间改进的范围延伸超声波牙刷30的发明在图1和图2中示出。牙刷30包括由刚性或半刚性塑料材料构成的手柄部分32、颈部34和刷头部分36。手柄部分32包含电池组38、电子控制模块40和电子电动机42，其具有安装在电动机42的轴上的偏心配重44。刷头部分36包含超声换能器46和一个或更多个刷毛簇48。

电池组38通常是向电子控制模块40提供大约4.8VDC的NiCd或NiMH化学系统的多单元可再充电电池。电子控制模块40具有多种功能。它控制电动机42以产生通常在100Hz至500Hz之间根据用户偏好的各种速度声波轨道振动52，或者当应用要求牙刷仅发射超声压力波50而无需声波频率刷毛振动时，不产生振动。电子控制模块40通常将通过电压倍增器电路将电池电压升高到9.6VDC至16.0VDC的范围，结合产生频率在20kHz至20MHz之间的，更典型地频率在750kHz至2MHz之间的超声频率电流，用于激励超声换能器46。

刷头部分36容纳刷毛簇48和超声换能器46。超声换能器46定位在刷头36内并且在两个方向上从刷头36突出，以提供超声压力波50的空间辐射，而没有空间辐射超声能量的任何结构衰减。

换能器46从刷头36在一侧在刷毛簇48之间朝向牙齿和牙龈突出，并且通过刷头36在刷毛簇48的相对侧朝向面颊和唇部的内表面突出。

换能器46通常由硬的压电材料的一个或多个元件构成，例如PZT-4或PZT-8锆钛酸铅组合物陶瓷。PZT-4材料是牙刷应用的特别好的候选，因为它能够产生大的机械驱动幅度，同时保持低的机械和介电损耗。然而，本领域中还可以使用各种其他换能器材料，例如单晶硅、电容微机械加工材料、静电聚合物以及将来可用于构造超声换能器的更多换能器材料。当由电子控制模块40通过互连布线56提供给超声换能器46的超声频率电流激励时，换能器46与超声频率电流协调地膨胀和收缩，从而产生超声压力波50，并且将超声压力波50在空间上传输到周围环境、接触材料、牙膏、口腔液和口腔组织内。为了确保无衰减超声压力波50与唇部和面颊的最佳可能的紧密接触和传输，与刷毛48相对的刷头表面54构造有弯曲构造，并且超声换能器在峰表面。同时，尽管图2描述了由单个元件构成的最简单的换能器配置，但是其它先进的多元件配置是可能的。

图3A描绘了两元件直“T”形超声换能器58，而图3B描绘了弯曲的“T”形超声换能器60，所示出的多种配置能够增加与唇部和面颊的粘膜的接触面积以进一步加宽超声波牙刷的空间特征，并且不会错过RAS和LP和粘膜炎的有时小的但是疼痛的病变。

图4描绘了本发明的可移除刷头组件配置。可移除刷头组件70包括基本上刚性的细长结构构件72，其具有设计用于牢固附接到牙刷手柄的配合部分73的基部74、容纳一个或多个刷毛簇48和超声换能器46的刷头部分76。超声频率功率由位于牙刷手柄中的超声频率电流发生器通过连接器组82和连接线84提供。

超声换能器46在两个方向上从刷头部分76突出，以提供超声压力波50的空间辐射，而没有超声能量的任何结构衰减。换能器46在一侧的刷毛簇48之间从刷头76突出，并且在刷毛簇48的相对侧上突出通过刷头76。

图5和图6描绘了可移除刷头组件90的另一实施例。在该实施例中，刷头组件90包括基本上刚性的细长管状杆92，其滑过并固定在牙刷手柄的配合轴95上，刷头部分76容纳一个或多个刷毛簇48的和超声换能器46。用于给换能器46供能的超声频率电源由位于牙刷手柄中的超声频率电流发生器提供，该超声频率电流发生器通过位于配合轴95末端的槽98中的弹簧加载滑动连接器组96和连接布线84连接。

超声换能器46在两个方向上从刷头部分76突出，以提供超声压力波50的空间辐射，而没有超声能量的任何结构衰减。换能器46在一侧的刷毛簇48之间从刷头76突出，并且在刷毛簇48的相对侧上突出通过刷头76。

图7描绘了本发明构造的的可移除超声施用器头部组件37的横截面，其具有单元件超声换能器47。除了可移除超声施用器头部组件37不包含任何刷毛之外，可移除超声施用器头部组件37具有与图4和图5分别示出的可移除刷头组件70和90相同的构造。除了刷毛参考之外，包含在图4和图5对可移除刷头组件70和90的描述中的所有结构说明适用于可移除超声波施用器头组件37。

可移除超声施用器头部组件37的目的是为超声波牙刷提供可选的附件以施加无衰减超声波，用于在任何时间，独立于每日牙刷方案，治疗RAS，LP或粘膜炎病变。超声换能器47暴露在施用器头部组件37的弯曲表面54的峰处，并且超声压力波50通过口腔流体从无衰减换能器传导到细菌菌群，而不需要牙膏。

图8描绘了可移除超声施用器头部组件37的横截面，该可移除超声施用器头部组件37具有弯曲的双元件超声换能器61，其被采用以增加换能器61与口腔中的病变之间的接触表面。图7的所有其他构造说明也适用于图8。

本文和在所附信息公开声明中引用的所有专利和出版物通过引用整体并入本文。

虽然前面的描述包含许多特定性，但是这些不应被解释为对本发明的范围的限制，而是作为其优选和附加实施例的示例。本领域技术人员将能够容易地改变实施例中描述的各种部件的尺寸、形状和构造材料，并将本发明应用于所有类型的声波和超声能量应用。因此，本发明的范围不应由所示的实施例确定，而是由所附权利要求及其法律等同物确定。

相关申请的交叉引用

本申请要2014年5月16日提交的美国临时申请No.61/994,817的优先权日和其他权益，其通过引用全部并入于此。

Claims (17)

1.一种超声波牙刷，包括：

a)刷头部分，其具有由多个刷毛组成的至少一个刷毛簇和至少一个超声换能器，所述超声换能器至少在一侧从所述刷头部分突出，所述超声换能器通过牙膏和口腔中的流体同时在多个方向上将超声压力波辐射并且耦合到牙齿和牙龈以及面颊和唇部的内表面；

b)手柄部分，其包含产生超声频率电子电流的装置和所述电子电流的连接装置，以激励位于所述刷头部分中的所述超声换能器。

2.根据权利要求1所述的超声波牙刷，其中，由所述换能器辐射的超声压力波是无衰减的并且在20kHz和20MHz之间的频率下操作，并且产生0.02至0.5W/cm²的无衰减的超声强度。

3.根据权利要求1或2所述的超声波牙刷，其中，由所述换能器辐射的所述超声压力波可操作以破坏和降低口腔中的致病细菌和细菌菌落的有效性。

4.根据权利要求1或2所述的超声波牙刷，其中，所述刷头部分可从所述手柄部分移除，并且包括将所述刷头部分牢固地连接到所述手柄部分的装置，以及连接来自所述手柄部分的所述超声频率电子电流以对所述刷头部分内的所述超声换能器供电的装置。

5.根据权利要求1或2所述的超声波牙刷，其中，所述超声换能器包括至少两个辐射超声压力波的换能器元件，一个所述换能器元件朝向牙齿和牙龈辐射，另一个所述换能器元件朝向口腔的面颊和唇部的内表面辐射。

6.根据权利要求1或2所述的超声波牙刷，还包括固定到所述手柄部分的结构上的电机，该电机具有产生所述手柄部分和所述刷头部分的轨道振动的装置。

7.根据权利要求6所述的超声波牙刷，其中所述轨道振动的频率在100Hz与500Hz之间。

8.根据权利要求6所述的超声波牙刷，还包括根据使用者的愿望选择性地产生轨道振动或不产生所述手柄部分和所述刷头部分的所述轨道振动的装置。

9.根据权利要求6所述的超声波牙刷，其中，所述刷头部分能从所述手柄部分移除，并且包括将所述刷头部分牢固地连接到所述手柄部分的装置，所述装置具有将所述轨道振动从所述手柄部分传递到所述可移除刷头的装置，以及用于连接来自所述手柄部分的所述超声频率电子电流以对所述刷头部分内的所述超声换能器供电的装置。

10.一种超声波牙刷，包括：

a)可移除刷头部分，其具有由多个刷毛组成的至少一个刷毛簇和至少一个超声换能器，所述超声换能器至少在一侧从所述刷头部分突出，所述超声换能器通过牙膏和口腔中的流体同时在多个方向上将超声压力波辐射并且耦合到牙齿和牙龈以及面颊和唇部的内表面；

b)可移除超声施用器头部分，其具有至少一个超声换能器，所述超声换能器通过口腔中的口腔流体同时在多个方向上将超声压力波辐射和耦合到牙齿和牙龈以及面颊和唇部的内表面；

c)手柄部分，其包含产生超声频率电子电流的装置和所述电子电流的连接装置，以激励位于所述刷头部分中的所述超声换能器或所述超声施用器头部分。

11.根据权利要求10所述的超声波牙刷，其中，由所述换能器辐射的所述超声压力波可操作以破坏和降低口腔中的致病细菌和细菌菌落的有效性。

12.根据权利要求10所述的超声波牙刷，其中，还包括固定到所述手柄部分的结构上的电机，该电机具有产生所述手柄部分的轨道振动的装置，以及将所述轨道振动从所述手柄部分耦合到所述可移除刷头部分并且耦合到所述可移除超声施用器头部分的装置。

13.根据权利要求12所述的超声波牙刷，还包括根据使用者的愿望选择性地产生所述轨道振动或不产生所述手柄部分和所述可移除刷头部分和所述可移除超声施用器头部分的所述轨道振动的装置。

14.一种方法，其通过使在空腔病变中定植的口腔菌群经受在20kHz至20MHz频率之间的超声压力波，以损伤致病细菌并且破坏致病细菌链而治疗所述病变。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述病变的治疗与刷牙方案同时进行。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所施加的超声压力波在750kHz至2MHz之间，强度为0.035至0.150W/cm²。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述病变的治疗与刷牙方案同时进行。