DE102010053688A1

DE102010053688A1 - Intelligente Zahnbürste (iBrush)

Info

Publication number: DE102010053688A1
Application number: DE201010053688
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Deinzer Arnulf; Prof. Scharfenberg Georg; Prof. Dr. Deinzer Renate; Dr. Margraf-Stiksrud Jutta
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Es handelt sich bei der Erfindung um eine intelligente Zahnbürste (iBrush), bei der in vivo alle relevanten Parameter des Putzvorgangs gemessen, angezeigt, dokumentiert und gewertet werden. Es herrscht – was den einzelnen Putzvorgang betrifft – Konsens, was das Ergebnis betrifft, beispielsweise, ob die Beläge gut genug entfernt, der Vorgang als solches aber nicht zu abrasiv gewesen war und ob das Zahnfleisch irritiert wurde oder eben nicht. Der – manuelle – Putzvorgang selber ist aber nur ansatzweise erforscht und nur wenige Parameter, wie beispielsweise der Anpressdruck (der meistens zu hoch ist) sind bekannt. Diesem Mangel soll die hier beschriebene Erfindung entgegenwirken. In Unterstützung der Grundlagenforschung, später auch in Zahnarztpraxis und im pädagogischen Einsatz soll die Erfindung belastbare Daten für alle relevanten Daten des Putzvorgangs liefern, beispielsweise – Ort des Bürstenkopfes mit Auflösung mindestens auf den Zahn genau – Orientierung der Borsten zu den Zähnen – Geschwindigkeit und Anpressdruck der Bürstenhaare gegenüber Zahn und Zahnfleisch – Verweildauer pro Zahn – Anzahl der Bürstvorgänge für jeden einzelnen Zahn – Ausgeübte Kraft auf Zahnbürste mit allen relevanten Richtungskomponenten – auch hier wieder auflösbar für jeden einzelnen Zahn – Biegemomente der Zahnbürste in der durch die Geometrie der Bürste vorgegebenen Hauptrichtungen – Kraft, mit der die Zahnbürste festgehalten wird – Ggf. weitere Parameter, die sich während der Untersuchung als relevant herausstellen werden Aus der Aufzeichnung der Daten, der zahnärztlichen Untersuchung des Vor- und des Nachzustandes lassen sich dann die wichtigen Parameter des Putzvorgangs bestimmen sowie deren idealen Wertebereiche festlegen. Die Erfindung kann mehr dieser Daten und diese wesentlich genauer aufnehmen als alle bis dato beschriebenen ähnlichen Geräte – nur sie genügt sowohl den Ansprüchen der Grundlagenforschung als auch denen in der Zahnarztpraxis und im pädagogischen Einsatz.

Description

Es handelt sich bei der Erfindung um eine intelligente Zahnbürste (iBrush), bei der in vivo alle relevanten Parameter des Putzvorgangs gemessen, angezeigt, dokumentiert und gewertet werden.
Es ist unter Zahnmediziner bekannt, dass Zähne zu selten und dann auch noch falsch geputzt werden. Vgl. hierzu beispielsweise
Deutsche Mundgesundheitsstudie IV
[Micheelis et al, 2006]
Institut der deutschen Zahnärzte [http://www.idz-koeln.de/buch.htm?www3.idz-koeln.de/idzpubl3.nsf/(veroeff-P-NEU)/2ED7971B6E15F66EC1257332003EABC0]
Im Abstract relevant sind Punkt 24 (hohe Putzhäufigkeit) und (Punkt 16) die hohe Prävalenz (die Zahlenwerte von Grad 3 und Grad 4 sind hier zu addieren!) von Parodontalerkrankungen (die auch Folge mangelnder Mundhygiene sein können). Demnach scheinen die Putzfertigkeiten insuffizient.
oder
[Deinzer R. et al, 2009]
Deiner R, Micheelis W, Granrath N, Hoffmann T. More to learn about: periodontitisrelated knowledge and its relationship with periodontal health behaviour. J Clin Periodontol 2009; 36: 756–764. doi: 10.1111/j.1600-051X.2009.01452.x.
In dieser Studie wird gezeigt, dass in der Bevölkerung gerade hinsichtlich der Mundhygienetechniken Wissens- und Fertigkeitsdefizite bestehen.
Es herrscht – was den einzelnen Putzvorgang betrifft – Konsens, was das Ergebnis betrifft, beispielsweise, ob die Beläge gut genug entfernt, der Vorgang als solches aber nicht zu abrasiv gewesen war und ob das Zahnfleisch irritiert wurde oder eben nicht.
Der – manuelle – Putzvorgang selber ist aber nur ansatzweise erforscht und nur wenige Parameter, wie beispielsweise der Anpressdruck (der meistens zu hoch ist) sind bekannt.
Diesem Mangel soll die hier beschriebene Erfindung entgegenwirken. In Unterstützung der Grundlagenforschung soll eine erste Version belastbare Daten für alle relevanten Daten des Putzvorgangs liefern, beispielsweise

– Ort des Bürstenkopfes (viele Personen vergessen beispielsweise die hintersten Zähne beim Putzen)
– Orientierung der Borsten zu den Zähnen (ein 45°-Winkel wird augenblicklich als optimal angesehen)
– Geschwindigkeit und Anpressdruck der Bürstenhaare gegenüber Zahn und Zahnfleisch
– Verweildauer pro Zahn
– Anzahl der Bürstvorgänge für jeden einzelnen Zahn
– Ausgeübte Kraft auf Zahnbürste mit allen relevanten Richtungskomponenten – auch hier wieder auflösbar für jeden einzelnen Zahn
– Biegemomente der Zahnbürste in der durch die Geometrie der Bürste vorgegebenen Hauptrichtungen
– Kraft, mit der die Zahnbürste festgehalten wird
– Ggf. weitere Parameter, die sich während der Untersuchung als relevant herausstellen werden

Aus der Aufzeichnung der Daten, der zahnärztlichen Untersuchung des Vor- und des Nachzustandes lassen sich dann die wichtigen Parameter des Putzvorgangs bestimmen sowie deren idealen Wertebereiche festlegen.
Die Kenntnis dieser Parameter und ihrer optimalen Wertebereiche kann zum Einen zur Verbesserung von „normalen” Zahnbürsten führen, beispielsweise durch den Einbau von Federelementen in die Halterung, um die wirksamen Kräfte auf den Zahn und das Zahnfleisch auch bei unsachgemäßer Handhabung zu reduzieren.
Eine weitere Anwendung der Erfindung mag der pädagogische Einsatz in der Zahnarztpraxis sein, bei dem der Zahnarzt/die Zahnärztin (oder zahnärztliches Hilfspersonal) den Patienten auf Fehler in der Handhabung seiner Bürste aufmerksam machen kann.
Selbstverständlich kann eine entsprechende Demonstration bzw. Selbsterfahrung (natürlich kann das Verlassen der idealen Wertebereiche auch optisch und/oder akustisch oder in anderer sinnvollen Weise angezeigt werden) auch außerhalb der Zahnarztpraxis stattfinden, beispielsweise in der Präventionserziehung in Schule oder Kindergarten.
Schließlich kann in einer letzten Ausbaustufe das erweiterte Gerät in den Masseneinsatz kommen, die „I Brush” informiert – u. U. nach einer Lernphase – positiv und negativ den Nutzer über die Effizienz seines Putzverhaltens. Natürlich können diese daten auch gespeichert werden und beispielsweise beim nächsten Zahnarzttermin mit diesem diskutiert werden.
In der europäischen Patentschrift DE 600 29 345 T2 wird eine der intelligenten Zahnbürste (iBrush) ähnlichen Zahnputztechniküberwachungseinrichtung beschrieben; die dort vorgesehenen Sensoren sind aber – beispielsweise was die Ortsauflösung betrifft – für eine wissenschaftliche Studie zu ungenau; selbst nur für den pädagogischen Einsatz erscheinen sie ungenügend, beispielsweise kann nicht überprüft werden, ob die endständigen Zähne überhaupt geputzt werden oder es kann auch nicht festgestellt werden, wie gründlich ein einzelner Zahn geputzt wird, geschweige denn mit einer Differenzierung auf Zahnseiten oder die Schnittstelle Zahn/Zahnfleisch.
In der Veröffentlichung „Interactive toothbrushing education by a smart toothbrush system via 3D visualization" in „COMPUTER METHODS AND PROGRAMS IN BIOMEDICINE 96 (2009) 125–132" wird eine mit zwei Sensoren, einem Beschleunigungs- und einem Magnetsensor versehene Zahnbürste beschrieben, aber eingeräumt, dass die Orts- und Richtungsauflösung ungenügend ist.
In der Zahnmedizin gibt es Geräte, bei denen die Tragedauer von kieferorthopädischen Hilfen gemessen werden kann – dieser Fokus ist weit entfernt von den hier beschriebenen Fragestellungen.
Der Einsatz der intelligenten Zahnbürste (iBrush) wird in folgenden – zeitlich auf einander folgenden – Phasen gesehen::

– In der ersten Ausbaustufe handelt es sich bei der hier vorgestellten Erfindung um ein Gerät, was in der medizinischen Grundlagenforschung eingesetzt wird.
– In der zweiten Ausbaustufe (Einsatz in Zahnarztpraxis und Präventionserziehung) handelt es sich um ein medizintechnisches Gerät und
– in der dritten Ausbaustufe um ein Massenprodukt, das im Bereich AAL eingesetzt wird.

Natürlich gibt es motorbetriebene Zahnbürsten und natürlich kann man bei deren Einsatz auch Fehler machen. Diese sind aber längst nicht so gravierend, wie beim manuellen Putzen – trotzdem könnten zu einem späteren Zeitpunkt die Forschungs- und Verbesserungsansätze für die manuell betriebene Zahnbürste in geeigneter Weise auch auf motorbetriebene Geräte angewandt werden.
Die Putzleistung von motorgetriebenen Geräten, besonders auch solcher, die nur in der Zahnarztpraxis zum Einsatz kommen (beispielsweise Airflow oder Ultraschall) ist bekannt und mag zur Einordnung und Normierung der manuellen Putztechniken dienen.
Der Einsatz verschiedenster Sensoren in Schreibgeräten ist inzwischen über die ersten Versuchsphasen hinaus.
So kann beispielsweise ein Stift, bei dem während einer Unterschrift personentypische Beschleunigungs- und Anpressdruckwerte aufgezeichnet werden, für sicherheitsrelevante Authentisierung dienen.
Erste Erfahrungen hat man inzwischen auch mit dem diagnostischen Einsatz eines solchen Stiftes gesammelt – bestimmte neurologische Krankheiten können, wenn der Proband bestimmte Figuren nachzeichnet ausgeschlossen oder aber als für weitere Untersuchungen relevant erachtet werden.
Ein Gerät der zahnmedizinischen Grundlagenforschung mit dem oben skizzierten Leistungsmerkmalkatalog und in der nötigen Genauigkeit gibt es nicht.
Im Zuge des oben beschriebenen, mit Sensoren versehenen Stiftes sind viele technische Probleme, die auch bei der Entwicklung der intelligenten Zahnbürste (iBrush) zu erwarten sind, bereits gelöst worden, beispielsweise was die Miniaturisierung der Sensoren betrifft und deren Einbau in ein Gerät, das haptisch und vom Handling her einem normalen Schreibgerät so nah wie möglich kommt.
Zusätzliche Probleme bei der intelligenten Zahnbürste (iBrush) werden durch die erhöhte Gefährdung des Gerätes durch den Einsatz in einer feuchten Umgebung kommen sowie aus dem ambitionierten Ansatz heraus, wenigstens mittelfristig auf eine Drahtverbindung zwischen Bürste und dem die Sensordaten aufnehmenden und weiterverarbeitenden Gerät zu verzichten.
Es stellt sich also zuerst die Aufgabe, ein Gerät zu entwickeln, mit dem alle relevanten Parameter, die das Putzverhalten beschreiben, aufgezeichnet werden können. Hierbei ist es wichtig, dass dieses Gerät einer handelsüblichen Zahnbürste (zum manuellen Zähneputzen) so nahe wie möglich kommt, um Artefakte (beispielsweise durch Kabel, zu voluminöser Griff oder ungewohntes Griffmaterial) auszuschließen.
Es werden die einander widersprechenden Ziele

• möglichst viele Parameter genau zu messen und
• Artefakte durch ungewohnte Eigenschaften (u. a. Volumen, Gewicht, Material, „Schnur”) zu vermeiden

Die im Folgenden beschriebenen Sensoren werden in den ersten Geräten zur Grundlagenforschung nicht alle gleichzeitig eingesetzt werden, sondern es wird mehrere Geräte jeweils mit einer Teilmenge der Sensoren geben und ein wichtiges Ergebnis der ersten Forschung wird sein, auf welche Sensoren verzichtet werden kann und welche unbedingt in die endgültigen Versionen der Geräte eingebaut werden müssen.
Das Gerät soll – so weit als möglich – einer handelsüblichen Zahnbürste wie in skizziert ähneln. Der Griff zeige in x-Richtung, die Borsten zeigen in die positive z-Richtung (Rechtssystem). Wenn erforderlich, wird mit h (wie hinten) das bürstenseitige Ende und mit v (wie vorne) das griffseitige Ende der Bürste bezeichnet.
Der Bürstenkopf selber mit der eigentlichen Bürste sollte aus hygienischen Gründen austauschbar sein (entsprechende kommerzielle Produkte gibt es bereits); ggf. sollten Borstenköpfe mit unterschiedlichem Härtegrad der Borsten auswählbar sein.
Mit zwei Orts-Sensoren s_v und s_h kann die Orientierung der Bürste im Raum bestimmt werden (vgl. ). Da die Orientierung der Borsten zum Zahn entscheidend für die Putzwirkung zu sein scheint, mag es angemessen sein zur besseren Orts- und Winkelauflösung statt eines Sensors s_h mehrere, beispielsweise s_h,x, s_h,y und s_h,z zu verwenden (in nicht eingezeichnet).
Da die Ortsauflösung von entscheidender Bedeutung sowohl für den wissenschaftlichen als auch für den pädagogischen Einsatz der intelligenten Zahnbürste (iBrush) ist, wird diese durch ein externes Referenzsystem unterstützt. So kann statt oder in Ergänzung zum Sensor s_h an dessen Ort oder in unmittelbarer Nachbarschaft ein starker Permanentmagnet angebracht werden, dessen Feld von zwei Hallsonden gemessen wird, die sich an definierten Orten befinden. Im Bereich des menschlichen Kopfes bieten sich da die Gehörgänge an, die in der Zahnmedizin beispielsweise bei der genauen Festlegung der Orientierung von Implantaten entsprechend verwendet werden. Eine vorteilhafte Nutzung dieser könnte beispielsweise durch Ohrhörer erreicht werden, die der putzenden Person Musik oder Putzanweisungen anbieten und gleichzeitig die eben beschriebenen, den Halleffekt nützenden Sensoren enthalten.
Eine Kalibrierung dieser Ortsensoren könnte durch den Zahnarzt oder Untersuchungsleiter durchgeführt werden, der bei Aufnahme des status quo vor dem Putzvorgang oder auch bei der Nachkontrolle ein handelsübliches Werkzeug („Haken”) verwendet, das ebenfalls mit einem Permanentmagneten gleicher Stärke und Ausrichtung versehen ist. Beim Abtasten der gewünschten Referenzpunkte (beispielsweise der endständigen Zähne) werden die dazugehörigen Messergebnisse der Ortsensoren im System gespeichert und als Referenzwerte für die Messungen verwendet. Selbstverständlich kann ein gleichartiger Ansatz auch mit einem mit einem weiteren Sensor s_h (und vielleicht sogar im selben Abstand wie bei Zahnbürste angebrachten vorderen Sensor s_v) versehenen Zahnarztwerkzeug umgesetzt werden. Ein solches Werkzeug könnte zusätzlich auch in der Ausbildung von Zahnärzten und Hilfspersonal eingesetzt werden.
Andere Möglichkeiten zur Lokalisierung des Ortes sind die Verwendung von Ultraschall oder elektromagnetischem Feld. Hierbei kann sich der Geber (also beispielsweise ein piezoelektrischer Ultraschallerzeuger oder eine Gunn-Diode zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes) entweder in der Nähe des Bürstenkopfes befinden und entsprechend die Sensoren an definierten Orten relativ zum Kiefer (wie beispielsweise die Gehörgänge) oder umgekehrt: die Geber sitzen ortsfest und der Sensor s_h misst die entsprechende physikalische Größe.
Da die Bewegungen des Bürstenkopfes besonders interessieren, sollten in der nähe des Bürstenkopfs Beschleunigungssensoren ŝ_x, ŝ_y und ŝ_z angebracht werden (^ stehe für die 2. Ableitung des Ortes s nach der Zeit), vgl. hierzu .
Die Kraft f_g, mit der der Bürstengriff gehalten wird, mag von Interesse sein, dann müsste ein entsprechender Sensor (vgl. ) angebracht werden; in jedem Fall von Interesse ist die Kraft f_z, mit der die Borsten auf Zahn und Zahnfleisch einwirken – ein entsprechender Sensor muss in Kopfnähe eingebaut sein.
Es gibt bereits länger Zahnbürsten mit federndem Bürstenkopf (skizziert in und mit Federelement). Die Durchbiegung bzw. Auslenkung dieses Elementes kann über zusätzliche Ortssensoren s_g und s_k oder aber über Kraftsensoren (beispielsweise realisiert über Dehnungsmessstreifen) f_y und f_z erfolgen.
Erste Ausprägungen der Erfindung werden wohl kabelgebunden die Sensordaten übertragen; im bestreben, einen möglichst realistischen haptischen Eindruck einer „normalen” Zahnbürste zu haben, sollen – wie in symbolisch dargestellt – die Daten möglichst bald drahtlos übertragen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 60029345 T2 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

[http://www.idz-koeln.de/buch.htm?www3.idz-koeln.de/idzpubl3.nsf/(veroeff-P-NEU)/2ED7971B6E15F66EC1257332003EABC0] [0002]
Deiner R, Micheelis W, Granrath N, Hoffmann T. More to learn about: periodontitisrelated knowledge and its relationship with periodontal health behaviour. J Clin Periodontol 2009; 36: 756–764. doi: 10.1111/j.1600-051X.2009.01452.x [0003]
„Interactive toothbrushing education by a smart toothbrush system via 3D visualization” in „COMPUTER METHODS AND PROGRAMS IN BIOMEDICINE 96 (2009) 125–132” [0014]

Claims

Intelligente Zahnbürste (iBrush), die alle relevanten Parameter des Putzvorgangs aufnimmt und wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, dass die intelligente Zahnbürste (iBrush) in Form und Funktion einer handelsüblichen Zahnbürste gleicht, darüber hinaus aber die Parameter – Ort des Bürstenkopfes, – Orientierung des Bürstenkopfes, – Kraft in Betrag und Richtung, die der Bürstenkopf auf Zähne und Zahnfleisch ausübt, – Geschwindigkeit der Bürstbewegungen, ebenfalls aufgelöst nach Betrag und Richtung, – Biegemomente der Zahnbürste in der durch die Geometrie der Bürste vorgegebenen Hauptrichtungen, – Kraft, mit der die Zahnbürste festgehalten wird und – ggf. weitere Parameter, die sich als für die Qualität des Putzverhaltens als relevant herausstellen sollten, während des Putzvorgangs aufnimmt, speichert und in geeigneter Weise ausgibt.
Intelligente Zahnbürste (iBrush) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bürstenkopf abnehmbar gestaltet ist, damit bei Abnutzung der Borsten die Putzwirkung erhalten oder bei Benutzung der intelligenten Zahnbürste (iBrush) durch eine andere Person hygienische Probleme vermieden werden können.
Intelligente Zahnbürste (iBrush) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Handstück die nötigen Sensoren oder Geber enthält, um die in Patentanspruch 1 genannten Parameter aufnehmen zu können.
Intelligente Zahnbürste (iBrush) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Handstück so gekapselt ist, dass es mit üblichen Methoden sterilisiert werden kann.
Intelligente Zahnbürste (iBrush) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Daten online und drahtlos erfolgt, damit bei der Handhabung der Zahnbürste keine Artefakte entstehen und sowohl die putzende als auch weitere beobachtende oder wertende Personen Rückmeldungen zur Qualität des Putzvorgangs bekommen.
Intelligente Zahnbürste (iBrush) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit zusätzlichen externen – beispielsweise in den Gehörgängen lokalisierten – Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass diese in Verbindung mit Sensoren oder Gebern (beispielsweise starken Permanentmagneten) im Handstück für die nötige Qualität und Genauigkeit der gemessenen Parameter führen.
Intelligente Zahnbürste (iBrush) nach einem der vorstehenden Ansprüche zusammen mit einem Kalibrierungswerkzeug des Zahnarztes oder der Untersuchungsperson, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierungswerkzeug vergleichbare Sensoren oder Geber wie das Handstück enthält, um damit Referenzdatenpunkte für den Einsatz der intelligenten Zahnbürste (iBrush) zu setzen.