CN112584771A - 用于检查牙种植体稳定性的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制牙种植体(1)在骨头(2)中的稳定性的设备，所述种植体具有自由端(1a)以及埋在骨头(2)中的端部(1b)。所述设备包括超声换能器(12)，该超声换能器(12)用于发射并收集从种植体(1)与骨头(2)之间的接触界面(4)反射的超声波，并提供表示所反射的超声波的测量信号。所述设备还包括处理单元，该处理单元用于从测量信号计算指标(IN)，该指标(IN)的值可以评估种植体(1)在骨头(2)内的整合。指标(IN)对应于测量信号在时间间隔(t1‑t2)内的平均能量，该时间间隔(t1‑t2)从第一时刻(t1)开始并在第二时刻(t2)结束。第一时刻(t1)在开始发射超声波之后的第20至80μs之间。

Description

用于检查牙种植体稳定性的设备和方法
技术领域
本公开涉及一种用于检查至少部分地插入骨头中的牙种植体的稳定性的设备和方法。
背景技术
传统上，牙种植体以人工牙根的形式存在，其通常由钛合金制成并置于上颌骨或下颌骨内。然后将牙科假体元件拧入该种植体。在安装了牙种植体之后，通常需要一个愈合期，使骨细胞在种植体的埋藏表面定殖，并且使所述种植体进行“骨整合”(换句话说，被整合到骨头中)，而无需在骨头与种植体之间的骨头-种植体界面或边界处插入纤维组织。
由于牙种植体在假体元件与颌骨之间起中介作用，尤其是将力传递到支撑骨上，因此必须将牙种植体适当地整合到其中。在前述愈合期期间，使种植体静置以整合到骨头中，从而使该种植体能够承受将要施加在其上的负荷。在愈合期后，外科医生将假体元件安装在牙种植体中。因此，测量种植体在骨头内的适当整合(或骨整合)对于成功治疗是至关重要的，尤其是为了准确确定结束愈合期并在种植体中负载假体元件的时间。
专利文献EP 2503954描述了一种用于检查牙种植体在骨头中的稳定性的设备以及相关设备。该方法包括在回声图的基础上计算指标，该指标的值可以评估种植体的骨整合。虽然这个指标在一定条件下令人满意，但仍需要一个指标，使其能够在更普遍的条件下准确评估种植体的骨整合。
发明内容
本公开涉及一种用于检查至少部分地插入骨头中的牙种植体的稳定性的设备，所述种植体具有从所述骨头的表面露出的自由端以及埋入所述骨头、与所述自由端相对的端部。该设备包括超声换能器，该超声换能器适于：
-直接或间接地耦合到所述种植体，
-发射在所述种植体内向所述埋入端传播的超声波，
-收集从所述种植体与所述骨头之间的接触界面反射的超声波，并提供表示所反射的超声波的测量信号。
所述设备还包括处理单元，该处理单元适于基于测量信号计算指标，该指标的值使得可以评估所述种植体在所述骨头内的整合。
所述指标对应于所述测量信号在时间间隔t1-t2内的平均能量，所述时间间隔t1-t2从第一时刻t1开始并在第二时刻t2结束，并且所述第一时刻t1在所述换能器开始发射超声波后的第20至80μs之间。事实证明，这种指标对所述种植体的骨整合特别敏感，因此可以对骨整合进行准确评估。
本公开还涉及一种用于检查至少部分地插入骨头中的牙种植体的稳定性的方法，所述种植体具有从所述骨头的表面露出的自由端以及埋入所述骨头、与所述自由端相对的端部。所述方法包括以下步骤：
-发射在所述种植体内向所述埋入端传播的超声波，收集从所述种植体与所述骨头之间的接触界面反射的超声波，并且提供表示所反射的超声波的测量信号，
-基于所述测量信号计算所述指标。
当然，上述设备可用于实施所述方法。
除了上述特征之外，所述设备和方法可以具有一个或多个以下特征，这些特征可以单独考虑或以技术上可行的组合来考虑。
-第一时刻t1在第30至60μs之间。这使得可以进一步提高所述指标的灵敏度。
-第二时刻t2与第一时刻t1相隔至少5μs(即t2≥t1+5μs)，至多等于200μs。
-所述超声换能器适于发射中心频率至少等于5MHz的超声波。低于此值时，收集的测量信号不太能代表骨头-种植体界面，因此计算的指标也无法表征该界面。具体而言，所述中心频率可以至少等于8MHz，并且例如近似等于10MHz。中心频率为10MHz的超声换能器可在市场上以低成本轻松获得，并且该频率非常适合预期的应用。
-所述超声换能器具有活性表面，以发射以垂直于所述换能器的活性表面的传播方向在所述种植体内传播的超声波，所述活性表面适于直接地或通过中间部件与所述种植体的自由端接触，且与所述种植体的自由端限定的支承表面平行。
-所述处理单元包括用于在计算所述指标之前放大所述测量信号的放大装置，所述测量信号用经过调整的增益进行放大以实现所述信号的饱和直到第一时刻，但超出此时刻后不再饱和。此外，所述增益可以随时间变化，并且例如在第一时刻和第二时刻之间连续不断地增大或以连续的增量增大。这使得可以在不实现信号饱和的情况下增加时间间隔t1-t2的大小，从而实现灵敏度上的增益。
通过阅读以下对所述设备的示例性实施例的详细描述，上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。该详细描述参照附图。
附图说明
附图是示意性的，不按比例绘制，主要旨在说明本发明的原理。
图1是检查设备的一个示例的整体示意图。
图2示出了与所使用的超声波相对应的信号的发射谱图。
图3是通过图1的设备获得的测量信号的一个示例。
图4是以不同的压入水平插入到树脂块中的四个相同的牙种植体1的照片。
图5是示出了施加到测量信号的增益(以dB为单位)随t1(以μs的百分之一，即10-8s为单位)变化的图。
图6是示出了灵敏度A(以百分比为单位)随t1(以μs的百分之一，即10-8s为单位)变化的图。
具体实施方式
以下参照附图详细描述示例性实施例。这些示例说明了本发明的特征和优点。然而，应记住，本发明不限于这些示例。
图1示出了用于检查牙种植体插入骨头2内的稳定性的设备的一个示例。牙种植体1以圆柱体的形式示意性地示出。然而，实际上，这种种植体1具有锥形形状以及外螺纹，以便能够拧入骨头2中。例如，种植体的平均直径为2.5至5.5mm，长度为6至16mm。牙种植体通常由钛合金制成。一旦种植体1锚定在骨头2中，该种植体1的自由端1a从骨头2的表面3露出，与埋在骨头2中的端部1b相对，使得可在活体内到达种植体1的自由端1a。
检查设备主要包括超声传感器10以及计算单元20。超声传感器10(其为压电式)包括：超声换能器12，其用于以脉冲模式发射超声波并接收由在种植体中传播的超声波经过反射产生的回波；以及控制电路14，其用于控制超声换能器12。超声换能器12旨在以超声模式使用，并且被放置成：使得其活性表面直接或间接地(即通过中间部件，未示出)耦合到种植体的自由端1a，并且使得该活性表面基本上平行于由种植体的自由端1a定义的圆形支承表面。因此，种植体1的自由端用作用于放置换能器12或中间部件的接收位置。
当使用中间部件(未示出)将换能器12耦合到种植体1时，该中间部件适于在换能器12与种植体1之间传输超声波。为了允许这种传输，中间部件可以在一侧机械地固定到换能器12的活性表面上，并且在另一侧机械地固定到种植体1上。例如通过粘接、旋拧或压接来固定到换能器12的活性表面上。例如通过旋拧进入种植体1中形成的腔来固定到种植体1上。这种腔(未示出)在种植体的自由端1a处开口，并且可以在种植体1的埋入端1b的方向上以或大或小的深度在种植体1内延伸。
在这些条件下，由换能器12发射的超声波可以垂直于换能器12的活性表面在种植体1内自种植体的自由端1a向种植体的埋入端1b传播，同时促进在种植体中传播的超声波与位于种植体的外表面与围绕种植体的骨头2之间的边界处的骨头-种植体接触界面4的相互作用现象。该相互作用现象是至关重要的，这将在下文中变得显而易见。
控制电路14包括用于激发换能器12的压电元件的电脉冲发生器，该换能器12将接收到的电脉冲转换为相应的超声波，该超声波然后在种植体1中向埋入端1b传播。电脉冲发生器产生例如具有快速的上升沿和下降沿的短脉冲信号或方波信号。控制电路14还包括接收电路，该接收电路接收由超声换能器12传送并与从接触界面4反射且由换能器12接收的超声波相对应的电信号(或测量信号)。
计算单元20(其例如通过同轴传输线连接到传感器10)主要包括：计算机存储器21，其用于存储由控制电路的接收电路收集的、表示所反射的超声波的电信号；以及处理单元22(在下文中描述)，其配置为处理所存储的信号。该计算单元20可以是独立的单元，例如微控制器或个人计算机，可以添加各种设备，例如显示装置和打印装置。
鉴于预期的应用，所发射的超声波的中心频率优选为至少等于5MHz，尤其是至少等于8MHz。在-6dB处测得的带宽可以约为中心频率的80％。带宽的下限可以大于或等于30MHz。图2示出了与以等于10MHz的中心频率以及6至14MHz之间的带宽A发射的超声波相对应的信号的发射谱图。
由控制电路14发送到换能器12的电信号的脉冲宽度优选为小于或等于与超声换能器12的谐振频率相对应的周期的一半。例如，对于等于10MHz的中心频率，脉冲宽度为50ns。图3示出了在检查种植体的稳定性时获得的测量信号或回声图的一个示例。纵坐标上信号的振幅以任意单位给出。横坐标上的时间单位为μs(即10-6s)。在该示例中，信号用70dB的增益进行放大，以实现信号饱和直到t1＝40μs，此后信号不再饱和。
对表示所反射的超声波的测量信号的处理可以包括几个步骤，但实质上在于计算指标IN，该指标IN的值使得可以评估种植体在骨头内的整合。
指标IN对应于测量信号在时间间隔t1-t2内的平均能量，该时间间隔t1-t2从第一时刻t1开始并在第二时刻t2结束。
可以通过计算信号振幅的绝对值的平方在时间间隔t1-t2上的积分来确定平均能量。在这种情况下，可以得出：
Figure BDA0002839154970000061
其中M(t)表示测量信号。
然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可以不同方式确定平均能量。例如，可以使用以下公式计算指标IN：
Figure BDA0002839154970000062
但也可以考虑测量信号或与信号中包含的能量相关联的任何其它物理变量在所考虑的时间窗口中的包络E(t)，来代替考虑信号振幅的平方或信号振幅的绝对值。
在促成本发明的研究中，发明人发现时刻t1的选择存在最优值，以优化指标的灵敏度，从而更准确地评估种植体的骨整合。令人惊讶的是，应该为t1选择较高的值。以下一系列实验说明了这一发现。
(硬件和方法))
使用图1中的类型、但在换能器12和种植体1之间配备中间部件的超声探头进行实验。图4的照片示出了以不同压入水平插入树脂块的四个完全相同的牙种植体1。
这些种植体按压入逐渐减小的顺序进行编号。随着种植体更多或更少地压入，其更稳定或更不稳定。因此，完全压入树脂中的1号种植体是高度稳定的，其稳定性相当于完美的骨整合种植体。相比之下，根本没有被压入树脂的4号种植体高度不稳定，其稳定性相当于根本没有骨整合或只有很小骨整合的种植体。
2号和3号种植体分别对应于相对稳定和相对不稳定的种植体。将针对2号和3号种植体获得的结果进行比较，以评估指标IN的灵敏度。
指标IN是在t1和t2之间的时间窗口中计算的，可以理解，第二时刻t2在第一时刻t1之后，即t2＞t1。一般而言，为了在获得相关信息的足够持续时间和令人满意的信噪比需求之间达成可接受的折衷，对t2的值进行选择。在满足这些一般条件的情况下，发明人观察到，只要窗口t1-t2的持续时间至少等于约5μs，t2的值就不会显著影响指标IN的灵敏度。因此，在进行的实验中，对于所有测量，将t2的值选择为等于150μs。然而，更一般而言，t2的值可以在t1+5μs和200μs之间选择。例如，对于t1＝40μs，t2可以在45至200μs之间选择。
可考虑的t1值在5到100μs之间变化。对于所考虑的每个t1值，使用相同的过程来调整增益，以便能够使用常规数字转换器查看信号。该过程包括调节增益，使得实现信号饱和直到所考虑的时间窗口开始之时(因此大约在时间t1)，此后信号不再饱和。这在图3中示出，其示出了当检查3号种植体的稳定性时获得的测量信号的一个示例。所考虑的t1值为40μs。信号经过放大，且调整增益为70dB，以实现信号饱和直到40μs，此后信号不再饱和。
考虑用3号种植体来应用此过程，因为该种植体是可以达到最大信号值的种植体。应当注意的是，不必对增益进行非常精确的调整，但是对于所考虑的两个种植体(2号和3号)以及对于相同的t1值，增益应该相同。图5示出了增益(以dB为单位)随t1(以μs的百分之一，即10-8s为单位)的变化。由于在越远的时间测量信号就越需要放大信号(这是因为已知该信号随时间的变化而减小)，因此增益随t1的增加而增大。
一旦为每个t1值确定了增益值，就使用预先确定的增益对每个种植体以及每个t1值进行三次测量。对使用2号和3号种植体获得的结果进行比较，并针对每个t1值评估指标IN的灵敏度S(t1)。当指标IN的值在两个种植体之间没有显著差异时，将灵敏度S设置为0。否则，灵敏度S由针对2号和3号种植体获得的指标的平均值的相对变化给出，也就是说：
Figure BDA0002839154970000081
其中M(t1,i)对应于针对i号种植体获得的指标的平均值，且该指标通过使用t1计算得出。因此，S的值随着指标IN的灵敏度增加而增加。
(结果与结论)
图6示出了灵敏度S(无任何单位)随t1(以μs的百分之一，即10-8s为单位)的变化。令人惊讶地，当t1位于大约50μs处时实现了最优值。当t1值在40到80μs之间时，灵敏度较好，即大于或接近4。
目前，很难解释t1最优值的存在以及为什么该值相对较高。但是，可以提出以下假设。
考虑到相对较长的传播时间，超声波在种植体(其行为类似于波导)中进行了大量往返行程。因此，时间越长，测量信号的振幅对种植体边界处状况的变化越敏感，这是因为超声波在种植体中进行了更多的往返行程，因此与骨头-种植体界面的相互作用更明显。因此，如果t1的值太低，则由于信号呈指数级减少，用于计算指标IN的有用信号会在相对较短的时间内，从而因超声波和种植体之间的相互作用本质而无法获得良好的灵敏度。另一方面，如果t1的值太高，则信号会受到噪声的严重影响，因此也不能获得良好的灵敏度。
最后，将注意到，用牙种植体(至少部分地)插入骨头中进行的实验与上述插入树脂中的种植体所获得的结果相一致。具体而言，这些实验也证明了t1最优值的存在以及该最优值相对较高。然而，尽管相对较高，该t1最优值通常低于用树脂获得的最优值。

Claims (13)

1.一种用于检查至少部分地插入骨头(2)中的牙种植体(1)的稳定性的设备，所述种植体具有从所述骨头(2)表面露出的自由端(1a)以及埋入所述骨头(2)、与所述自由端相对的端部(1b)，所述设备包括：
-超声换能器(12)，该超声换能器(12)适于直接或间接地耦合到所述种植体(1)，发射在所述种植体(1)内向所述埋入端(1b)传播的超声波，收集从所述种植体(1)与所述骨头(2)之间的接触界面(4)反射的超声波，并提供表示所反射的超声波的测量信号，
-处理单元，该处理单元适于基于所述测量信号计算指标(IN)，该指标(IN)的值使得可以评估所述种植体(1)在所述骨头(2)内的整合，
其特征在于，所述指标(IN)对应于所述测量信号在时间间隔(t1-t2)内的平均能量，所述时间间隔(t1-t2)从第一时刻(t1)开始并在第二时刻(t2)结束，并且所述第一时刻(t1)在所述换能器(12)开始发射超声波后的第20至80μs之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一时刻(t1)在第30至60μs之间。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第二时刻(t2)与所述第一时刻(t1)相隔至少5μs，且至多等于200μs。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述超声换能器适于发射中心频率至少等于5MHz、尤其至少等于8MHz的超声波。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述超声换能器(12)具有活性表面，以发射以垂直于所述换能器(12)的所述活性表面的传播方向在所述种植体(1)内传播的超声波，所述活性表面适于直接地或通过中间部件与所述种植体的自由端(1a)接触，且与所述种植体的自由端限定的支承表面平行。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述处理单元包括用于在计算所述指标(IN)之前放大所述测量信号的放大装置，所述测量信号用经过调整的增益进行放大以实现所述信号的饱和直到所述第一时刻(t1)，但超出此时刻后不再饱和。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述处理单元包括用于在计算所述指标(IN)之前放大所述测量信号的放大装置，利用随时间变化并在所述第一时刻和所述第二时刻(t1、t2)之间增大的增益对所述测量信号进行放大。
8.一种用于检查至少部分地插入骨头(2)中的牙种植体(1)的稳定性的方法，所述种植体具有从所述骨头(2)表面露出的自由端(1a)以及埋入所述骨头(2)、与所述自由端相对的端部(1b)，所述方法包括以下步骤：
-发射在所述种植体(1)内向所述埋入端(1b)传播的超声波，收集从所述种植体(1)与所述骨头(2)之间的接触界面(4)反射的超声波，并且提供表示所反射的超声波的测量信号，
-基于所述测量信号计算指标(IN)，该指标(IN)的值使得可以评估所述种植体(1)在所述骨头(2)内的整合，
其特征在于，所述指标(IN)对应于所述测量信号在时间间隔(t1-t2)内的平均能量，所述时间间隔(t1-t2)从第一时刻(t1)开始并在第二时刻(t2)结束，并且所述第一时刻(t1)在所述换能器(12)开始发射超声波后的第20至80μs之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一时刻(t1)在第30至60μs之间。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述第二时刻(t2)与所述第一时刻(t1)相隔至少5μs，且至多等于200μs。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所发射的超声波的中心频率至少等于5MHz，尤其是至少等于8MHz。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，在计算所述指标(IN)之前，所述测量信号用经过调整的增益进行放大，以实现所述信号的饱和直到所述第一时刻(t1)，但超出此时刻后不再饱和。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，所述增益随时间变化并且在所述第一时刻和所述第二时刻(t1、t2)之间增大。
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