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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstärken-
und Positionssensor für
die stomatologischen Diagnostik und Therapie, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Sensoreinheit ist ein wesentliches Element
einer Vorrichtung, die auf der Grundlage der elektronischen Stützstiftregistrierung
die zweidimensionale intraorale Registrierung der Unterkieferbewegungen
und der Kieferschlusskraft sowie deren extraorale optische Darstellung
und Auswertung ermöglicht.
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Mehr
als die Hälfte
aller Menschen haben Funktionsstörungen
im Kausystem, die durch Gebissanomalien, Zahnfehlstellungen oder
falsche kieferorthopädische
Behandlung hervorgerufen werden. Wenn Ursachen der Funktionsstörungen länger anhalten,
können
chronische Schäden
an anderen Organen entstehen. Deshalb ist es wichtig, mögliche Störungen bereits
frühzeitig,
bevor sie Schäden
anrichten können,
festzustellen.
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Es
ist bekannt, dass für
die Kieferfunktionsdiagnostik im Wesentlichen zwei Methoden der
elektronischen Stützstiftregistrierung
zur Verfügung
stehen, nämlich
das IPR-System (intraoral pressure dependent registration) und das
DIR-System (dynamics and intraorale registration).
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Das
Herzstück
dieser Systeme bildet jeweils ein Sensor, der mit Hilfe individuell
angefertigter Halter im Mundraum des Patienten positioniert wird.
Die Stützstiftspitze
im Oberkiefer ist als gleitende Kugel abgebildet, die sowohl die
Kieferbewegungen als auch den dabei von der Kaumuskulatur ausgeübten Druck
auf einen kreisrund ausgebildeten Kraftdrucksensor im Unterkiefer übertragt.
Mittels des in sagitaler Ebene verstellbaren Stützstiftes und der Kraftüberwachung
während
der Registrierung kann nun die ideale Position des Unterkiefers
zum Oberkiefer gefunden werden. Die Messergebnisse werden nach PC-gestützter Datenaufbereitung
auf einem Monitor sichtbar gemacht.
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Bei
dem IPR-System, hier wird auf
EP 054 38 75 B1 verwiesen, erfolgt eine elektronische
Stützstiftregistrierung
unter Berücksichtigung
der Unterkieferstellung und der Kieferschlusskraft. Der entsprechende
Sensor ist als Platte kreisrund ausgebildet. Drei Flügel aus
federndem Material, angeordnet auf der Platte im Winkel von 120°, tragen
jeweils zwei Dehnmessstreifen. Wird die Sensorplatte außerhalb des
Mittelpunktes belastet, ge ben die Dehnmessstreifen elektrische Signale
unterschiedlicher Amplitude ab. Aus dem Verhältnis der Amplitude wird über mathematische
Modelle die Lage des Stützstifts
auf der Gegenplatte bestimmt. Die Kieferschlusskraft ergibt sich
aus dem Betrag der Amplitude, bezogen auf den Angriffspunkt des
Druckes.
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Das
DIR-System, es wird hier auf
DE 10 2005 006 323 A1 verwiesen, arbeitet
nach einem ähnlichen
Funktionsprinzip wie das IPR-System. In diesem Fall sind jedoch
nur zwei Dehnmessstreifen auf zwei der drei Achsen angeordnet. Die
Dehnmessstreifen sind auf elastischen Kunststoffkörpern mit spezieller
Kurvengeometrie befestigt. Als hygienisch besonders vorteilhaft
wird herausgestellt, dass der gesamte Sensorkörper mit einer Dichtmasse aus
Silikon gefüllt
ist.
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Das
Hauptproblem in der Anwendung der Systeme stellt die Datenübertragung
vom Sensor zum Datenverarbeitungsgerät/Verstärker dar, die durch verschieden
gestaltete Kabel realisiert wird. In jedem Fall muss das Kabel durch
die Mundöffnung des
Patienten geführt
werden, was durch die notwendige übermäßige Bisssperrung zu einer
unnatürlichen
Position der Kondylen und damit zu einer Verfälschung der Messergebnisse
beiträgt.
Außerdem behindert
die ”Verkabelung” sowohl
den Patienenten als auch den Behandler.
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Weitere
Nachteile stellen die relativ komplizierte Aufbauphase für die Messung,
Hygieneprobleme bei der Desinfektion der Kabel und Kabelverbindungen
sowie die entstehenden hohen Reparaturkosten durch Bruch der empfindlichen
Kabel dar.
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Vor
der Verschlüsselung
der gefundenen Stützstiftposition
wird das Messsystem gegen einen Abstandhalter ausgetauscht. Eine
Verschlüsselung unter
vorgegebener Kraft ist dadurch bisher nicht möglich.
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Weiterhin
ist aus dem Stand der Technik
DE 10 2005 006 323 A1 mit einer Vorrichtung
zur Ermittlung von Kraft und Weg sich bewegender Körper oder
Körperteile
in hygienisch geschlossenem System bekannt. Das dosenförmige Gehäuse ist
innen mehrfach gekammert und es weist darin gebogene Dehnungsmessstreifen
(Biegeelemente auf), die mit Sensoren in Wirkkontakt stehen. Die
Sensoren sind unmittelbar hinter einer Ausgleichsplatte angeordnet, wobei
der Zwischenraum in den Kammern bis unter die Ausgleichsplatte mit
elastischem Dichtungskunststoff ausgefüllt ist. Die Sensoren sind
dabei über
Kabel oder drahtlos mit den eigentlichen Messgeräten verbunden. Der Bewegungs- oder Kraftinitiator
besitzt in der Ausgleichsplatte keinen definierten Ansatzpunkt.
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In
US 4629424 A wird
eine intraorale Messeinrichtung vorgeschlagen, zur Registrierung
der Unterkieferbewegung und zur Messung der Kieferschlusskraft.
Ausserdem sind entsprechende elektronische Bauelemente auf einer
Steuerplatine innerhalb des Gehäuses
an seinem Boden angebracht. Eine Vielzahl vorhandener Sensoren können ausgewählte Messergebnisse
liefern, wobei Piezoelemente auf Kragarmen befestigt sind, die z.
B. die Kieferschlusskraft registrieren. Die auszuwertenden Signale
werden per Funkübertragung
zu externen Messgeräten übertragen.
Die Messeinrichtung muss vom Nutzer getragen werden, d. h. es ist
auch ein grösserer
Aufwand damit, verbunden eine sichere Kombination zwischen der Messeinrichtung
und dem künstlichen
Gaumen herzustellen.
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Die
wie vor diskutierten und mit den Nachteilen des Standes der Technik
behafteten Lösungen gebieten
es nunmehr, eine erfindungsgemässe
Verbesserung vorzunehmen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
intraoralen Registrierung der Unterkieferbewegung, der Kieferschlusskraft
sowie deren kabellosen Übertragung
und extraoralen Auswertung zu schaffen, wobei die Anordnung und
die Gestaltung von Piezoelemente tragenden Säulen innerhalb der Vorrichtung,
kreisförmig
festliegen soll und die Piezoelemente eine Fortsetzung der jeweiligen
Säule sind.
In der Druckplatte eingebrachte Ausstanzungen sollen einen sicheren
Ansatzpunkt für
einen Stützstift,
der im Oberkiefer fixiert ist, erbringen. Ausserdem soll ein zu
jeder Messung einzulegendes Verschlüsselungsplättchen exakt in seiner Lage
gehalten werden können.
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Aufgabengemäß ist die
diagnostische Aussage genauer und reproduzierbarer zu gestalten.
Es soll die Bisssperrung beim Vermessen gering gehalten werden und
dadurch bei Patienten mit ausgesprochener Tiefbissproblematik eine
verfälschte
Bewegung der Kiefergelenke aus der Gelenkgrube vermieden werden.
Weiterhin soll die Handhabung der erfindungsgemäßen Geratetechnik in anwendungstechnischer
Hinsicht verbessert werden, so dass auch die Möglichkeit der Vermessung der
Kieferfunktion des Patienten in unterschiedlichen Körperhaltungen
erfolgen kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Unteransprüchen 2 bis
4.
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Zur
Darlegung der Erfindung sollten weitere Ausführungen erfolgen.
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Die
Aufgabe wird unter Verwendung eines am Oberkiefer fixierten Stützstiftes,
welcher an sich bekannt ist und einer in einem Trägersystem
befindlichen Sensoreinheit mit Druckplatte, wobei das Trägersystem
im Unterkiefer platziert ist, gelöst. Erfindungsgemäß enthält die Sensoreinheit
den Kraftsensor, bestehend aus den Funktionsbestandteilen Druckplatte,
Piezoelemente, Säulen
und Grundplatte/Platine. Weiterhin beinhaltet die Einheit einen
Verstärker,
einen Signalwandler ein Sendemodul und eine Spannungsversorgung,
so dass eine kabellose Übertragung
der Messwerte an ein Empfängermodul gewährleistet
wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es günstig, wenn
der Kraftsensor so ausgebildet ist, dass die Steuerplatine, die gleichzeitig
die Grundplatte des Sensors bildet, auf den Boden des Gehäuses geklebt
wird. Auf der Platine sind kreisförmig mehrere Säulen angeordnet,
die die Piezoelemente tragen. Zwischen den Säulen ergibt sich ausreichender
Raum zur Anordnung der elektronischen Bauteile.
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Zum
Schutz der elektronischen Bauteile ist es günstig, den gesamten unteren
Teil der Sensoreinheit mit Gießharz
zu füllen,
so dass lediglich die oberen Enden der Säulen mit den Piezoelementen über das
Niveau des Harzes hinausragen. Weiterhin ist es günstig, den
oberen Teil der Sensoreinheit mit einer flexiblen Dichtmasse zu
füllen,
die ein Eindringen von Flüssigkeit
verhindert, jedoch die Funktion der Piezoelemente nicht behindert.
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Die
Deckplatte des Sensors ist über
die ganze Fläche
als Druckplatte ausgebildet, in die das kreisförmige Messfeld integriert ist.
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Durch
den Druck des im Oberkiefer fixierten Stützstiftes auf die Druckplatte
im Unterkie fer kommt es je nach Position des Stützstiftes zu einer unterschiedlichen
Krafteinwirkung auf die einzelnen Piezoelemente. Die gerichtete
Verformung des piezoelektrischen Materials führt zur Ausbildung elektrischer
Dipole innerhalb der Elementarzellen des Kristalls, deren Aufsummierung
eine makroskopisch messbare elektrische Spannung ergibt.
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Die
von der Sensoreinheit aufgenommenen Signale werden in verstärkter, digitalisierter
Form mittels Funkübertragung
vom Sendemodul an das Empfängermodul,
welches vorteilhafterweise in den PC zur Datenauswertung integriert
ist, übertragen.
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Abgesehen
von den mit der Erfindung bereits dargelegten Vorteilen bzw. vorteilhaften
Wirkungen ist festzustellen:
Erstmals ergibt sich die Möglichkeit
der Vermessung der Kieferfunktion des Patienten in unterschiedlichen Körperhaltungen.
Der Aufbau der Messanordnung wird deutlich vereinfacht. Die Wartung
und Pflege der Sensoreinheit wird erleichtert, Funktionsstörungen durch
das Eintreten von Desinfektionsmittel werden vermieden.
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Die
Erfindung soll nunmehr anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die verwendeten Figuren bedeuten:
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1:
Sensoreinheit mit kreisförmiger Druckplatte
mit drei Piezoelementen
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2:
Sensoreinheit gemäß 2 – Seitenansicht
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3:
Sensoreinheit mit eingesetztem Verschlüsselungsplättchen
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4:
Sensoreinheit wie 1, jedoch mit vier Piezoelementen
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Druckplatte
- 3
- Klebe-
und Ausgleichsschicht
- 4
- Steuerplatine
- 5
- Piezoelemente
- 6
- Verstärker
- 7
- Signalwandler
- 8
- Sendemodul
- 9
- Spannungsversorgung
- 10
- Gießharz
- 11
- Flexibles
Dichtmaterial
- 12
- Verschlüsselungsplättchen
- 13
- Aussparung
- 14
- Ausstanzung
zur Führung
des Stiftes
- 15
- Säulen
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Ausführungsbeispiel
1
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Es
wird auf die 1, 2 und 3 verwiesen.
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Die
gesamte Sensoreinheit mit kreisförmiger Druckplatte 2 wird
im Unterkiefer platziert.
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Aus 1 ist
zu erkennen, dass drei Piezoelemente 5 zu den Funktionsbestandteilen
der Sensoreneinheit gehören.
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Das
Gehäuse 1 besteht
aus einem Material, das die Funkübertragung
der Signale nicht stört.
Mittels einer Klebe- und Ausgleichsschicht 3 wird die Steuerplatine 4 mit
dem Gehäuseboden
verbunden. Unterhalb der Druckplatte 2 sind drei Säulen 15 so angeordnet,
dass sie ein gleichseitiges Dreieck bilden. Diese Säulen 15 sind
fest mit der Platine 4 verbunden und tragen jeweils ein
Piezoelement 5, das mit der Steuerplatine 4 leitend
verbunden ist.
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Die
Druckplatte 2 liegt auf den drei Piezoelementen 5 gleichmäßig auf.
Zudem wird sie fixiert durch flexibles Füllmaterial 11, das
den Raum oberhalb der Gießharzschicht 10 dichtend
ausfüllt,
ohne die Krafteinwirkung der Druckplatte 2 auf die Piezoelemente 5 signifikant
zu dämpfen.
Die Gesamtheit aller Signale der Piezoelemente 5 entspricht
der Größe der einwirkenden
Gesamtkraft. Die Signale der Piezoelemente 5 bilden die
Einzelkräfte
ab, aus deren Verhältnis
zueinander die Position der auf die Druckplatte 2 einwirkenden
Kraft ermittelt wird.
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Die
Aufarbeitung der Signale erfolgt durch den Verstärker 6 und den Signalwandler 7.
Das Sendemodul 8 überträgt die Signale
an das im Auswerte-PC befindliche Empfängermodul. Die Spannungsversorgung 9 gewährleistet
den autarken Betrieb der Sensoreinheit.
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In
die Druckplatte 2 ist entsprechend dem kreisförmigen Messfeld
eine Vertiefung eingearbeitet, die der Aufnahme des nach Feststellung
der idealen Kieferposition extern angefertigten Verschlüsselungsplättchens 12 dient.
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In 3 ist
die Sensoreinheit mit eingelegtem Verschlüsselungsplättchen 12 dargestellt.
Eine seitlich an den kreisrunden Verschlüsselungsplättchen 12 angebrachte
Verlängerung
rastet in eine Aussparung 13 des Sensorgehäuses ein,
um die exakte Position des Verschlüsselungsplättchens sicherzustellen.
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Die
ermittelte Idealposition des Kiefers wird durch die Führung eines
(nicht dargestellten) Stützstiftes
in die Ausstanzung 14 des Verschlüsselungsplättchens 12 fixiert.
In dieser Position erfolgt die Verschlüsselung direkt auf dem Sensor
unter Anwendung der Druckkomponente.
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Hinsichtlich
des Stützstiftes
sei nochmals festgestellt, dass dessen konstruktive Gestaltung und
Befestigung am Oberkiefer an sich bekannt ist. Die Stützstiftspitze
kann als gleitende Kugel ausgebildet sein, die sowohl die Kieferbewegungen
als auch den dabei von der Kaumuskulatur ausgeübten Druck auf die Druckplatte 2 überträgt.
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Ausführungsbeispiel
2
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Es
wird auf 4 verwiesen.
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In
diesem Beispiel wird die Vorrichtung unter Verwendung von vier Säulen 15 mit
vier Piezoelementen 5 beschrieben. Der konstruktive Aufbau
sowie die Wirkungsweise des Sensors entsprechen im Wesentlichen
dem Ausführungsbeispiel
1, die quadratisch gestaltete Anordnung der Säulen 15 erlaubt jedoch
eine platzsparende Integration in die übliche rechtwinklige Anordnung
der Mess- und Übertragungselektronik.
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Die Änderung
der Anzahl und Anordnung der Piezoelemente 5 bedingt einen
geänderten
mathematischen Algorithmus zur Auswertung der Signale.