-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung ist den Gebieten Medizintechnik sowie Zahn- und Mundhygiene zuzuordnen.
-
Stand der Technik
-
Zwar hat sich regelmäßiges Zähneputzen allgemein eingebürgert, jedoch bestehen gemäß der Studie [DeinzerR09] in der Bevölkerung hinsichtlich geeigneter Mundhygienetechniken erhebliche Wissensdefizite. Das gilt bspw. auch für Studierende, deren Fertigkeiten zur Zahnreinigung wenig ausgeprägt sind [Harnacke12]. Die häufigsten Fehlerursachen bei der Zahnreinigung liegen im Auslassen von Zahnflächen oder Zahnzwischenräumen, können aber auch an falschem Anpressdruck der Bürste an Zahnschmelz oder Zahnfleisch liegen. Fehlerhafte Zahnreinigungen verursachen erhebliche Kosten, die erst später in vielfältiger Form auftreten. Fehlerhaft sind Zahnreinigungen dann, wenn es durch sie in nicht ausreichendem Maße gelingt, Zahnbeläge zu entfernen und/oder wenn durch die Zahnreinigung Läsionen und Defekte induziert werden, bspw. durch zu hohen Anpressdruck der Zahnbürste. Fehlerfreie Zahnreinigung stellt eine Fähigkeit dar, die selbst durch persönliche Unterweisung nur schwer erlernt werden kann. Zum Erlernen gehört insbesondere die Analyse fehlerbehafteter Putzvorgänge. Auch die Rückmeldungen in halbjährlich stattfindenden Prophylaxe-Behandlungen liefern keine exakten Fehleranalysen. Die Studie [Harnacke2012] zeigt jedoch, dass rechnerunterstütztes Training, das u. a. lehrt, die Zähne systematisch zu putzen, hier zu Verbesserungen führen kann. Ein weiterer Schritt in dieser Richtung wird in [Graetz13] untersucht, wo die fortwährende Verbesserung der Zahnputztechnik mithilfe der Rückmeldung über Sensoren in einer Zahnbürste zu dem Ergebnis führt, dass damit die Zahnhygiene entscheidend verbessert wird. Allerdings lässt die aufwändige Konstruktion dazu erforderlicher Einzelstücke in Verbindung mit Referenzsensoren keine Massenproduktion zu. Andererseits erlauben bereits Zahnbürsten mit reduziertem Sensorensatz, Anwendern wertvolle Rückmeldungen zu geben.
-
Moderne elektrische Zahnbürsten unterstützen mit einer Vielzahl von Innovationen gründliche Zahnreinigungen. So melden sie u. a. automatisch den Anpressdruck (4) zurück oder lösen via Ultraschall Verunreinigungen auf den Zahnoberflächen ab, um die Zähne nicht nur gründlich, sondern auch schonend zu reinigen. Trotzdem werden die Anwender mit der Benutzung der Bürsten allein gelassen. Bei Prophylaxe-Behandlungen lernen Patienten deshalb, pro Zahn 21...22...23 hochzuzählen und damit die Verweildauer zu bestimmen. Einige Geräte lassen ein Signal ertönen, um anzuzeigen, wenn von einem Kieferquadranten zum nächsten gewechselt werden soll, differenzieren aber nicht zwischen den unterschiedlichen Zahnflächen (Außen-, Innen-, Kauflächen), die von der Zahnbürste erreicht werden sollen (4).
-
Alles in allem gibt es offensichtlich noch keine ausreichende Rückmeldung über Reinigungsfortschritte. Die Studie [Micheelis06] belegt diesen Umstand. Sie stellt fest, dass die Prävalenz paradontaler Erkrankungen, die auch Folge mangelnder Mundhygiene sein können, im Vergleich zu früheren mundgesundheitsbezogenen Bestandsaufnahmen signifikant zugenommen hat. Es ist auch anzunehmen, dass selbst gute mundhygienische Fertigkeiten über die Jahre hinweg bei fehlender Rückmeldung degenerieren können.
-
Bereits im Prototypenstadium sind Zahnbürsten, die über Ortssensoren und externe Referenzpunkte (Stirn) einer Überwachungseinheit stets die aktuelle Position mitteilen. Wegen der aufwändigen Konstruktion sowie schwierigen Kalibrierung sind jedoch solche Lösungen nicht für den Massenmarkt geeignet. Dieser verlangt nach einem einfachen und robusten Gerät mit übersichtlicher Bedienung.
-
In [
DE60029345T2 ] wird eine Zahnbürste mit Mehrachsen-Beschleunigungs-, Dehnungs- und Rotationsmessern beschrieben, die es erlauben soll, die Zahnputztechnik eines Benutzers präzise zu evaluieren. Es fehlt jedoch eine genaue Darstellung der Zahnbürsttechnik, verbunden mit Angaben, wie die Sensordaten für die Evaluierung der Putzqualität aufzubereiten bzw. die Sensoren entsprechend zu beschalten sind. Ebenso fehlt in der Formulierung der Ansprüche ein Hinweis auf die Analyse der Bewegungsabläufe.
-
[
DE 10 2007 018 751 A1 ] beschreibt, in einer begrenzten Zeitdauer eine Handbewegung einer vorgegebenen Bewegungsfolge via Beschleunigungssensoren und Drucksensoren zu scannen, um Personen eindeutig zu identifizieren. Ein weiterer dort beschriebener Anspruch zeigt die Möglichkeit auf, anhand typischer Bewegungseinschränkungen Krankheiten zu erkennen.
-
[
EP 1379149B1 ] verwendet mehrere Positionssensoren, um den Zahnputzort sehr präzise anzugeben. Allerdings lässt die Patentschrift offen, wie Bewegungsabläufe korrekt identifiziert werden, und sie äußert sich nicht zur Darstellung von Informationen, Korrekturanweisungen und Putzfortschritten. Ebenso fehlt die Angabe, mit welchen Mitteln dem Benutzer zur Verbesserung seiner Bürstbewegungen verholfen werden kann.
-
Einer der in [
US8337213B2 ] beschriebenen Sensoren ist ebenfalls ein Mehr-Achsen-Beschleunigungssensor und die aufgenommenen Werte werden mit abgespeicherten Muster verglichen, um Rückschlüsse auf Verhalten und Putzort zu treffen. Es fehlt aber der Hinweis auf markante Eigenschaften verschiedener Bewegungsmuster und ob eine Signalanalyse der Daten bei der Aufnahme der Muster eine Rolle gespielt hat.
-
In [
DE 10 2007 018 751 A1 ] werden neuromotorische Eigenschaften der Feinmotorik der Finger, der Hand und des Armes aus dem Tast-, Bewegung- und Druckmuster eines mit Sensoren ausgestatteten Körpers ermittelt und zur Diagnose und Therapie von Krankheiten eingesetzt. Es fehlt allerdings der Hinweis auf den Vergleich mit historischen Aufzeichnungen der Bewegungsmuster des Körpers, die alle den gleichen Bewegungsablauf aufweisen müssen, um Vergleichbarkeit zu ermöglichen.
-
Technische Probleme oder Nachteile
-
Genaue Rückmeldungen über beim Putzen vergessene Zahnflächen, zu kurze Putzdauer pro Zahn oder falschen Anpressdruck sind mit den dem Stand der Technik entsprechenden Geräten nicht oder nur unzureichend möglich. Auch für die Unterweisung in Bürsttechniken wie Fones, Kai oder Bass gibt es noch keine elektronische Unterstützung, die den Anwender während eines Putzvorgangs gezielt auf Bewegungsänderungen hinweist. Es fehlt auch an geeigneten Visualisierungen und Darstellungsgeräten, die erfasste Sensordaten und klinische Daten in beliebiger Art aufnehmen, kombinieren und in anschauliche Darstellungen übersetzen. Solche Daten werden zur Unterweisung in die Anwendung von Bürsttechniken gebraucht. Nur durch Befolgen während des Putzvorgangs laufend erteilter Korrekturanweisungen wird das Zahnfleisch geschont und werden die Zähne vollständig gereinigt.
-
Mit aufwändig konstruierten Einzelgeräten können die für medizinische Untersuchungen erforderlichen Aufzeichnungen gemacht werden, sie lassen sich aber nicht für einen größeren Personenkreis einsetzen. Damit fehlen der Forschung noch dringend benötigte Geräte, um belastbare Analysen zu fertigen.
-
Aufgabe
-
Aufgabe war es deshalb, ein System aus sensorieller Zahnbürste und Anzeigeeinheit zu entwickeln, das dem Nutzer während des Vorgangs einer häuslichen Zahnreinigung durch ein Bild ähnlich einem Spiegelbild unmittelbar Rückmeldung über den Fortschritt des Reinigungsvorgangs gibt. Ergänzend dazu sollen Detailinformationen über beim Putzen vergessene Zahnflächen, falschen Anpressdruck, Reinigungszustand der Zahnflächen auch am Gingivarand, richtige Verweildauer pro Zahn u. v. a. m. angezeigt und der Nutzer hinsichtlich der korrekten Anwendung einer gewählten Bürsttechnik geleitet werden, um sich darin kontinuierlich zu verbessern. Die verwendeten Systemkomponenten sollen sich bezüglich Preis und Fertigung zur günstigen Massenproduktion eignen.
-
Technische Lösung Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System bestehend aus mit Sensoren ausgestatteter Zahnbürste und Anzeigeeinheit (1) gelöst, das dem Anwender laufend Rückmeldung über den aktuellen Putzvorgang gibt. Zahnbürste und Anzeigeeinheit kommunizieren dabei drahtlos über eine eingebaute Übertragungseinheit (2), die einen üblichen Standard wie Bluetooth oder WLAN unterstützen kann. Als Energiespeicher in der Zahnbürste bieten sich Akkumulatoren bzw. Batterien an.
-
Da zur Erkennung der richtigen Zahnputztechnik zwei orthogonal zueinander messende Beschleunigungssensoren ausreichen (2 und 3), ergibt sich für das System ein entscheidender Kostenvorteil. Alternativ kann auch ein Beschleunigungssensor für drei Raumrichtungen zum Einsatz kommen, falls dessen Preis und Zuverlässigkeit zu einem Massenprodukt passen. Damit die Beschleunigungssensoren Daten in ausreichender Qualität dem Anzeigegerät senden können, müssen sie für diesen Zweck entsprechend kalibriert und beschaltet werden.
-
Im Hals der Zahnbürste ist ein Drucksensor vorgesehen (2), der fortlaufend den Anpressdruck der Borsten auf die Zahnfläche misst. Eine mögliche Ausführungsform des Sensors stellt ein Dehnungsmessstreifen dar, der auf dem Gehäuse oder auf der innenliegenden Wand des Zahnbürstengehäuses aufgeklebt ist. Anpressdruck und Sensordaten gehen gemeinsam in die Auswertung ein, die dem Anwender dazu verhilft, bei ständiger Verbesserung des Putzvorgangs das Zahnfleisch nicht zu verletzen oder bei oft wiederholtem Zähneputzen eine zu hohe Abrasion des Zahnbelags zu verhindern.
-
Sowohl in der Zahnbürste selbst als auch in der Anzeigeeinheit sind Rechnerkomponenten vorgesehen, die mit Techniken der Mustererkennung und Signalanalyse die Sensordaten aufbereiten und auswerten. In der Anzeigeneinheit befindet sich dazu noch eine Speichereinheit, um Aufzeichnungen zu archivieren. Eine Aufzeichnung kann dabei als kompletter Satz erfasster Sensorwerte oder auch als Archiv verschiedener Funktionsverläufe wie Gleichmäßigkeit, Länge der Bürstbewegungen, Anpressdruck, Geschwindigkeit und Beschleunigung abgespeichert werden.
-
Die Analyse der Bewegungsmuster erlaubt festzustellen, ob tatsächlich geputzt oder ob die Zahnbürste nur in der Luft bewegt wird. Somit entsteht für jeden abgeschlossenen Putzvorgang einen Erfolgsnachweis, z. B. ob der Anwender jeder Zahnfläche die korrekte Zeitspanne gewidmet hat. Außerdem kann er so die starre Systematik der Putzreihenfolge verlassen und spontane Ortsveränderungen vornehmen. Fortlaufend werden von den Beschleunigungsmessern Sensorwerte für die Neigung geliefert, die in Verbindung mit den Beschleunigungsdaten Bewegungsmuster zu identifizieren erlaubt. Mithilfe einer spezieller Beschaltung und Stimulation der Sensoren werden Bewegungsabläufe wie Ausstreichen zur Kaufläche, rüttelnde oder kreisende Bewegungen korrekt erkannt. Sollte die Ortsbestimmung der putzenden Zahnbürste nicht korrekt sein, so kann mit einem an der Zahnbürste befindlichen Druckschalter durch Weiterklicken der entsprechende Kieferabschnitt rasch ausgewählt werden.
-
Die in Echtzeit vorgenommene Datenanalyse gestattet es dem System, dem Benutzer Rückmeldungen über an seiner Bürsttechnik (bspw. Bass, Fones, Stillmann) zu tätigende Korrekturen zu geben, womit ihm ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess ermöglicht wird. Wissenschaftliche Erkenntnisse (aus den Forschungen der beiden Miterfinderinnen Prof. Dr. R. Deinzer, [DeinzerR09] und Dr. Margraf-Stiksrud) über neue, bessere Zahnputztechniken können direkt in neue Software-Module für das Anzeigegerät umgesetzt werden. Forschungsergebnisse über die Wirksamkeit der hier genannten Bürsttechniken liegen noch nicht vor. Es kann aber davon ausgegangen werden, dass eine auf schonende und gründliche Reinigung der Zahnoberflächen abgestimmte Bürsttechnik wesentliche Vorteile bringt und deshalb das Erlernen einer solchen Technik und ihre korrekte Ausführung wesentlich zur Zahngesundheit beiträgt.
-
Die ständige Verfolgung des Borstenkopfes erlaubt darüber hinaus, die aktuell gebürstete Zahnoberfläche zu bestimmen. Zusätzlich hat der Benutzer über einen Taster auf der Zahnbürste die Möglichkeit, in die Anzeige einzugreifen und diese rasch zu korrigieren, falls das Anzeigegerät nicht die korrekte Zahnoberfläche anzeigt. Ein solcher Eingriff ist notwendig, falls am Anfang oder im Verlauf des Zahnputzvorgangs ein falscher Kieferabschnitt angezeigt wird. Der Spaßfaktor bei der Bedienung fördert rasches Eingreifen. Damit lasst sich auch die Vollständigkeit des Putzens aller Zahnflächen ableiten.
-
Als Anzeigegerät kann ein Smartphone, ein Notebook-PC oder ein Tablet-PC mit eingebauter Frontkamera dienen. In einer einfachen Version richtet sich die bildliche Darstellung nach der Standortbestimmung der Zahnbürste in auflösbarer Granularität und zeigt den Kieferabschnitt sinnfällig in einer breiten Aufnahme. Das System konstruiert nach dem Beginn des Putzvorgangs laufend die neue Bildposition und passt die Anzeige entsprechend an. Dabei blendet es entsprechende Informationen und Anweisungen als Text, Symbole (5) oder farblich veränderte Kieferabschnitte in das Spiegelbild des Anwenders ein, das von einer Frontkamera laufend erfasst und als Videostream auf dem Bildschirm der Anzeigeeinheit ausgegeben wird. Die in 5 dargestellte Realisierungsmöglichkeit bietet eine Ortsauflösung in Sextanten an und unterscheidet zwischen Innen- und Außenzahnflächen. Eine Symboldarstellung, die alle Zahnflächen umfasst, also Innen-, Außen-, Seiten- und Kauflächen, wird in den 6 und 8 vorgestellt. Berechnete Informationen aus den Sensorwerten können auch in Form analoger Zeigerinstrumente oder Farbverläufe eingeblendet werden, damit der Anwender sofort durch Beobachtung der Anzeige seine Bewegungsabläufe verbessern kann.
-
Eine erweiterte Version stellt auf dem Anzeigegerät eine in Software realisierte Gesichtserkennung zur Verfügung, die den Benutzer korrekt identifiziert und seine persönlichen Daten (Zahnersatz, Lücken usw.) automatisch mit in der Anzeige einbindet (7). Mit den abgespeicherten Profildaten und den historischen Putzverläufen hat das System die Möglichkeit, über wiederkehrende Zahnputzmuster die Eigenheiten der einzelnen Anwender getrennt voneinander zu erlernen und damit bei folgenden Bürstvorgängen noch genauere Statusinformation zu liefern.
-
Die sich laufend verbessernde Bürsttechnik eines Anwenders kann in aufsteigenden Schwierigkeitsstufen bewertet werden. Bei dem Bewegungsablauf „Ausstreichen zur Kaufläche” wird die Gleichmäßigkeit bzw. Länge der Bewegung mit dem Anpressdruck kombiniert und Abweichungen davon können in unterschiedliche Stufen eingeteilt werden. Gleiches gilt für die Bewegungsvorgänge „Rütteln” (Prüfen der Stakkato-Bewegungen) und „Kreisend von Zahnfleisch zu Zahnfleisch”, wo langsames Gleiten und Anpressdruck mit in die Bewertung einfließen. Ebenso besitzt die Schruppbewegung spezifische Eigenschaften. Somit erhält der Nutzer ein Maß für seinen individuellen Fortschritt. Darüber kann er sich mit Freunden oder Familienangehörigen austauschen. Durch diesen Spielcharakter wird er zusätzlich motiviert, seine Bürsttechnik laufend zu trainieren.
-
Das System kann mit einem Gerät zur Videoaufzeichnung kombiniert werden. Dafür wird das Aufnahmegerät mit der Anzeigeeinheit über ein Standard-Steuerungskabel verbunden. Die Aufnahmefunktion wird über die berechnete Information, ob gerade tatsächlich geputzt wird, gestartet bzw. angehalten. Damit ist es möglich, genau synchronisierte Aufzeichnungen zu generieren, die als Lehrmaterial oder zur Gruppenprophylaxe verwendet werden können. Wobei die synchronisierten Aufnahmen aus den Videosequenzen, den berechneten Putzstatusinformationen und den zugehörigen Anweisungen bestehen. Die Putzstatusinformationen werden noch durch Bilderkennungsalgorithmen unterstützt, die auf die aufgenommenen Videosequenzen des Anzeigegerätes selber angewendet werden. Ebenso können sie noch durch Markierungen auf der Zahnbürste vereinfacht werden.
-
Ausführungsbeispiele In der häuslichen Zahnpflege lässt sich das System in einem Modus betreiben, in dem es den Anwender bei seiner gewählten Putztechnik unterstützt und über ein wachsendes Benutzerprofil ständig seine individuellen Bewegungsabläufe kennenlernt, um die Genauigkeit der Darstellung kontinuierlich zu steigern und ggf. gezielte Korrekturen vorgeben zu können. Ebenso kann aber auch von Anfang an eine Bürsttechnik wie Bass oder Fones gewählt werden, woraufhin das System dem Anwender jeweils den Putzort anweist und seine Bewegungen anhand der Sensordaten in Echtzeit mit Korrekturanweisungen bedient.
-
Je nach verfügbaren Sensordaten werden die anvisierten Objekte auf dem Anzeigegeät in halbtransparenter Darstellungsweise optisch dezent verändert, um dem Nutzer auf natürliche Weise eine Zustandsanalyse zu über oder die vor ihm liegenden Aufgaben näherzubringen.
-
Erreichte Vorteile Die Erfindung bietet dem Anwender Rückmeldungen mit maximalem Informationsgehalt über den augenblicklichen Zustand einer Zahnreinigung und vor allem über den aktuellen Verschmutzungsgrad der Zahnflächen. Im Rahmen zahnärztlicher Prophylaxe-Behandlungen unterstützt das Gerät die schnelle und effiziente Einweisung von Patienten in die Anwendung von Bürsttechniken. Für die Forschung eröffnet die Aufzeichnungsfunktion des Gerätes eine Fülle neuer Möglichkeiten, Studien mit hohen Probandenzahlen durchzuführen. Da die genauen Auswertungen erst später rechnergestützt vorgenommen zu werden brauchen, erübrigen sich Aufsichten und Videoanalysen durch technisch-wissenschaftliches Personal.
-
Subtile Veränderungen der Feinmotorik eines Menschen können durch vergleichende Analyse eines mehrmals täglich benutzten Alltagsgegenstands bemerkt werden und als Frühindikator für Erkrankungen des zentralen Nervensystems (z. B. Morbus Parkinson) dienen. Einer der Erfinder (Prof. Scharfenberg) hat eine Diagnosemöglichkeit bereits schützen [
DE 10 2007 018 751 A1 ] lassen. Das erfindungsgemäße System ist ein solcher Alltagsgegenstand, der den Vergleich aktueller Bewegungsabläufe beim Zähneputzen mit früher aufgezeichneten ermöglicht.
-
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 [0006]
- DE 102007018751 A1 [0007, 0010, 0028]
- EP 1379149 B1 [0008]
- US 8337213 B2 [0009]
