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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserpräparation von Zähnen für Zahnersatz und Wurzelbehandlungen (Trepanation). Mit Hilfe der Vorrichtung, die im Mund des Patienten befestigt wird, kann ein Zahn für die Befestigung von Zahnersatz wie Kronen oder Brücken oder die Behandlung der Wurzelkanäle vorbereitet werden. Dazu wird mit einem Laser nach vordefinierten Parametern so lange Zahnsubstanz abgetragen, bis die für den Zahnersatz passenden Zahnstümpfe präpariert sind bzw. die Wurzelkanäle des Zahns freigelegt sind.
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Schon seit längerer Zeit ist der Einsatz von Lasern in der Zahnmedizin als Alternative zu mechanisch arbeitenden Bohrern, Fräsern und Trennschleifern bekannt. Waren diese in der Regel den klassischen Zahnarztbohrern nachgestalteten Handgeräte anfangs nur geeignet, kariöse Stellen im Zahn abzutragen, die sich wesentlich im Härtegrad und Wassergehalt von der gesunden Zahnsubstanz unterscheiden, wurden später auch Geräte vorgestellt, die in der Lage sind, gesunde Zahnsubstanz und insbesondere auch Zahnhartsubstanz und nicht nur das weiche Dentin abzutragen.
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Die
DE 40 30 734 A1 stellt beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Zahndefekten mittels eines Lasers vor, bei dem ein gepulster Festkörperlaser zum Einsatz kommt, der über einen faseroptischen Lichtleiter mit einem Handstück verbunden ist. Zum Schutz des Zahns vor zu starker Hitzeentwicklung ist das verwendete Handstück mit einer Sprühdüse versehen, die während der Bestrahlung durch den Laser einen Wassersprühstrahl auf die behandelte Zahnoberfläche richtet. Zur Behandlung der Wurzelkanäle verfügt das Handstück über austauschbare Therapiekopfstücke.
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Ferner wird in der
DE 39 11 871 A1 ein Verfahren zum Abtragen von Zahnmaterial mit einem gepulsten Infrarot-Laser offenbart, bei dem ein Flüssigkeitsfilm, vorzugsweise ein Wasserfilm, definierter Dicke mit einem Sprühnebel auf der behandelten Zahnoberfläche aufrecht erhalten wird. Durch den Flüssigkeitsfilm sollen thermische Schädigungen der Zahnsubstanz, insbesondere bräunliche Verfärbungen des Dentins am Rand des Bohrloches, verhindert werden. Durch das Aufbringen im erfindungsgemäßen Schichtdickenbereich soll dies ohne Effektivitätsverlust bei der Abtragsleistung möglich sein.
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Aus der
DE 101 17 403 A1 sind ferner ein Verfahren und ein System zum minimalen Gewebeabtrag bekannt, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie insbesondere für die Zahnheilkunde geeignete Methoden zum Führen und Anordnen von Handstücken bereitstellen. Eine Steuerungseinrichtung dient dabei der Aufnahme von räumlichen Lagedaten eines Effektors und der zu behandelnden Objektfläche und entsprechenden Steuerung des Effektors und/oder der Leistung desselben.
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Weiterhin ist aus der
DE 102 22 117 A1 ein Laserbearbeitungsgerät zur plasmainduzierten Ablation bekannt, das eine Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Bearbeitungslaserstrahls, ein Fokussiermittel zum Fokussieren des Bearbeitungslaserstrahls und eine optische Erfassungsvorrichtung zur Erfassung der bei einer Ablation erzeugten Plasmastrahlung umfasst, wobei das Gerät über eine Steuereinrichtung verfügt, die das Laserbearbeitungsgerät in Abhängigkeit der gemessenen Plasmastrahlung automatisch zwischen einem Bearbeitungsmodus und einem Ruhemodus hin- und herschaltet. Außerdem verfügt das Gerät vorzugsweise über eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Pilotlaserstrahls, mit dessen Hilfe der Bediener das Handstück einfacher positionieren kann.
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Allen diesen vorbekannten Vorrichtungen ist gemein, dass diese handgeführte, den klassischen Bohrern nachempfundene Geräte sind. Der sie verwendende Zahnarzt muss jeweils nach Augenmaß die Abtragung vornehmen. Was das Entfernen von kariösen Bereichen eines Zahns anbelangt, ist dieses Verfahren durchaus ausreichend. Sollen jedoch defekte Zähne z. B. zu Stümpfen für Kronen oder Brücken präpariert werden, so kommt es wesentlich auf eine exakte Maßhaltigkeit an, damit der vorbereitete Zahnersatz auf den Stumpf passt und ordnungsgemäß sitzt. Dies erfordert häufig ein umständliches vielfaches Abdrucknehmen und Nachpräparieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, die vorbekannten Laserbohrer derart weiterzuentwickeln, dass die resultierende Vorrichtung in der Lage ist, Zähne maßgenau für Zahnersatz vorzubereiten, wobei unter Zahnersatz Brücken, Kronen, Teilkronen, Inlays, Onlays etc. zu verstehen sind. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betraf die sichere Vorbereitung für Wurzelbehandlungen (Trepanation), zu der die Vorrichtung ebenfalls in der Lage sein sollte.
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Gelöst wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung nach dem Hauptanspruch. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu finden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laserpräparation von Zähnen für Zahnersatz und Wurzelbehandlungen (Trepanation) beinhaltet zumindest eine Manschette und/oder Klammer zur Befestigung der Vorrichtung am Kieferkamm des zu präparierenden Zahns und/oder den Nachbarzähnen des zu präparierenden Zahns, ein von einer Steuerungseinrichtung steuerbares erstes Umlenkstück für einen Laserstrahl, das so angeordnet ist, dass die Austrittsöffnung für den Laserstrahl sich senkrecht oberhalb des zu behandelnden Zahns befindet, ein mit dem ersten Umlenkstück in optischer Verbindung stehender Hauptlaser mit einer für die Ablation von Zahnsubstanz geeigneten Wellenlänge, ein von einer Steuerungseinrichtung steuerbares zweites Umlenkstück für einen Laserstrahl, das neben dem ersten Umlenkstück angeordnet ist, ein mit dem zweiten Umlenkstück in optischer Verbindung stehender Hilfslaser mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich als Positionierungshilfe für die Manschette und/oder die Klammer, der zugleich mit Hilfe eines neben dem zweiten Umlenkstück positionierten CCD-Sensors zur Messung der Entfernung zum Zahn mittels Lasertriangulation dient, eine seitlich des ersten Umlenkstücks befestigte Kamera, die Aufnahmen von der Kaufläche des Zahns macht, eine Düse zur Zuführung eines Luft- und Wasserstrahls auf die behandelte Zahnoberfläche zu deren Kühlung und zur Entfernung von abgetragener Zahnsubstanz und eine Steuerungseinrichtung, die so eingerichtet ist, dass sie a) den Laserstrahl des Hauptlasers anhand von eingegebenen Präparationsparametern mittels des ersten Umlenkstücks so steuert, dass der Zahn entsprechend abgetragen wird, b) den Laserstrahl des Hilfslasers mittels des zweiten Umlenkstücks so steuert, dass er dieselbe Stelle bestrahlt wie der Laserstrahl des Hauptlasers, und c) nach Abtragen einer vorgegebenen Schichtdicke des Zahns jeweils den Hauptlaser und die Wasserzufuhr zur Düse abschaltet, eine Aufnahme mit der Kamera macht und anschließend die Wasserzufuhr und den Hauptlaser wieder einschaltet.
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Mit Hilfe der Manschette, die zur Vermeidung von Verletzungen des Zahnfleischs und für guten Halt vorzugsweise aus Kunststoff und Glas besteht, wird der Intraoralteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Kieferkamm des zu behandelnden Zahns befestigt. Soweit die Nachbarzähne noch vorhanden sind, kann die Befestigung alternativ zu der Manschette auch über eine Klammer erfolgen, die über zwei Zahnhalsklammern wie bei einer Kofferdam-Klammer verfügt. Ebenso ist es für einen noch besseren Halt möglich, beide Haltevorrichtungen gleichzeitig einzusetzen.
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Die Vorrichtung verfügt neben dem Hauptlaser, der für die Ablation der Zahnsubstanz sorgt, noch über einen im sichtbaren Bereich des Wellenlängenspektrums arbeitenden Hilfslaser, der zweierlei Aufgaben übernimmt. Zum einen erleichtert er die Positionierung der Vorrichtung und die Kontrolle des richtigen Sitzes. Im Gegensatz zum nicht sichtbaren Hauptlaser kann man den Hilfslaser sehen, der zur Befestigung dann vorzugsweise in eine Anfangsposition im Zentrum der Kaufläche gelenkt wird. Der Zahnarzt positioniert die Vorrichtung dann nach Augenmaß so, dass der Hilfslaser auf die Mitte der Kaufläche strahlt, und arretiert sie. Anschließend wird durch die Steuerungseinrichtung über die zweite Funktion des Hilfslasers eine Entfernungsmessung der gesamten Kaufläche zum Intraoralteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommen. Somit sind der Steuerungseinrichtung die Position des Lasers sowie die Geometrie der Zahnoberfläche bekannt.
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Die Steuerung der Laserstrahlen durch die Steuerungseinrichtung erfolgt jeweils über ein zugehöriges Umlenkstück. Vorzugsweise handelt es sich bei den Umlenkstücken um ein Prisma oder einen Spiegel. Sie können von der Steuerungseinrichtung bewegt werden und lenken die vorzugsweise seitlich in den Intraoralteil hineingeführten Laserstrahlen bei Stellung in der Anfangsposition im rechten Winkel auf die Kaufläche des Zahns. Die Bewegung der Umlenkstücke erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Piezo-Aktors. Voraussetzung für die oben genannten Funktionen der Positionierungshilfe und Entfernungsmessung ist natürlich, dass die Steuerungseinrichtung stets dafür sorgt, dass die beiden Laser denselben Punkt bestrahlen, d. h. sie muss die Ansteuerung des Umlenkstücks des Hauptlasers entsprechend auf die Ansteuerung des Umlenkstücks des Hilfslasers übertragen.
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Die Entfernungsmessungsfunktion des Hilfslasers wird durch einen CCD-Sensor ermöglicht, der neben dem zweiten Umlenkstück für den Hilfslaser positioniert ist. Mittels der Lasertriangulationsmethode kann die Steuerungseinrichtung so aus den Sensordaten die Entfernung berechnen.
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Zur Kühlung des Zahns und zur Entfernung von abgetragener Zahnsubstanz ist am Intraoralteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Düse angebracht, die auf die Zahnoberfläche ausgerichtet ist. Dieser wird Luft und Wasser zugeführt. Der entstehende Sprühstrahl, der vorzugsweise zum größeren Teil aus Luft besteht, kühlt durch den Wasseranteil den Zahn und bläst über den Luftanteil die ablatierten Partikel vom Zahn. Üblicherweise erfolgt eine Absaugung durch ein normales Absaugrohr, das durch den Zahnarzt oder einen Assistenten in den Mund gehalten wird. Alternativ hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aber auch mit einem Absaugrohr ausgestattet sein, welches im Ausfallswinkel von der Zahnoberfläche gegenüber der Düse montiert wird.
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Die seitlich des ersten Umlenkstückes befestigte Kamera macht Aufnahmen der Zahnoberfläche und erlaubt es dem behandelnden Zahnarzt so, den Präparationsvorgang an einem angeschlossenen Monitor zu überwachen. Damit die Sicht auf den Zahn nicht durch den Wassersprühstrahl getrübt wird und zudem auch eine exakte Messung der Entfernung stattfinden kann, erfolgt durch die Steuerungseinrichtung eine periodische Zu- und Abschaltung der Wasserzufuhr zur Düse. Durch den verbleibenden Luftstrahl wird der Wassernebel rasch weggeblasen und die Zahnoberfläche getrocknet. Nach erfolgter Aufnahme und Messung wird die Wasserzufuhr dann durch die Steuerungseinrichtung wieder aktiviert. Solange die Wasserzufuhr deaktiviert ist, wird durch die Steuerungseinrichtung auch der Hauptlaser deaktiviert, um Hitzeschäden am Zahn zu vermeiden.
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Die Steuerungseinrichtung, die mit den Lasern zu dem Extraoralteil der Vorrichtung zählt, nimmt ferner die vom Zahnarzt gewünschten bzw. für den jeweiligen Zahnersatz benötigten Präparationsparameter entgegen. Der Zahnarzt legt hier fest wieviel Zahnhartsubstanz okklusal/inzisal und zirkulär (also mesial, distal, vestibulär und palatinal/lingual) entfernt wird. Gleichzeitig bestimmt er den Präparationswinkel bzw. die Einschubrichtung, wenn mehrere Zähne präpariert werden (z. B. für eine Brücke), sowie, ob die Präparation supra-, epi- oder subgingival vorgenommen werden soll (je nach Ausmaß der Aufbaufüllung).
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Bei dem Hauptlaser handelt es sich vorzugsweise um einen gepulsten Festkörperlaser, einen gepulsten Alexandrit-Festkörperlaser, einen gepulsten Er:YAG-Laser oder einen gepulsten CO2-Laser. Diese Lasertypen eignen sich besonders gut zur Ablation von Zahnsubstanz und insbesondere Zahnhartsubstanz. Die Herstellung der optischen Verbindung der Laser mit den Umlenkstücken erfolgt vorteilhaft über eine Faseroptik, die große Flexibilität beim Heranführen der Laserstrahlen an das Intraoralteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht.
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Bei dem Hilfslaser handelt es sich vorzugsweise um einen Diodenlaser im roten Spektralbereich mit 635 nm oder 650 nm Wellenlänge. Dieser gestattet bei kleinen Abmessungen eine sehr gute Strahlqualität. Bei Einsatz eines entsprechend klein dimensionierten Diodenlasers ist es zudem möglich, den Hilfslaser direkt mit am Intraoralteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu positionieren und so Strahlungsverluste in einer Faser- oder Spiegeloptik zu minimieren.
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Vorteilhafter Weise verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über einen mehrachsig bewegbaren Stativarm zur Halterung der Vorrichtung im Mundraum des Patienten. Die Befestigung des Intraoralteils der Vorrichtung am Zahn bzw. Kiefer des Patienten wird zwar durch die Manschette und/oder die Klammer bewerkstelligt, aber die notwendigen Kabelverbindungen zwischen der Steuerungseinrichtung und den Umlenkstücken, der Kamera und dem CCD-Sensor, die Wasser- und Luftleitung sowie die Mittel zur Herstellung der optischen Verbindung der Laser mit den Umlenkstücken können dabei nicht frei aus dem Mund des Patienten hängen, sondern müssen unterstützt und gehalten werden. Damit der behandelnde Zahnarzt die Hände frei hat, werden alle Versorgungsleitungen an einem Stativarm entlang verlegt, der den Intraoralteil der Vorrichtung hält. Mit der anderen Seite ist der Stativarm am Gehäuse des Hauptlasers, der Steuerungseinrichtung oder deren gemeinsamem Gehäuse befestigt.
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Eine höchst vorteilhafte Erweiterung des Funktionsumfangs der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dadurch erzielt, dass die Steuerungseinrichtung so eingerichtet ist, dass die Endpunktbestimmung bei der Präparation von Zähnen für Wurzelbehandlungen (Trepanation) mittels einer Bilderkennung der Aufnahmen der seitlich des Umlenkstücks befestigten Kamera erfolgt. Die Anfänge der Wurzelkanäle zeichnen sich durch ein charakteristisches dunkles Fleckenmuster ab, welches sich bei den verschiedenen Zahnarten entsprechend der Wurzelanordnung unterscheidet. Bei der Vorbereitung der Vorrichtung wird in die Steuerungseinrichtung als Präparationsparameter in diesem Fall die Lage und damit die Art des zu behandelnden Zahns eingegeben. Im Speicher der Steuerungseinrichtung sind entsprechende Referenzmuster hinterlegt und können dann per Bilderkennung mit den Aufnahmen des Zahns verglichen werden. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung den Zahn sicher bis zum Beginn der Wurzelkanäle abtragen. Anschließend stoppt die Steuerungseinrichtung das Abtragen, und der behandelnde Zahnarzt kann mit der Behandlung der Wurzelkanäle beginnen.
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Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung auch so eingerichtet, dass sie zur Präparation von Zähnen für Zahnersatz, für den zwei oder mehrere Pfeiler benötigt werden, die notwendige Einschubrichtung berechnet und für eine parallele Ausrichtung der zugehörigen Pfeiler sorgt. Anhand von vorgehaltenen oder eingegebenen Parametern für Brücken oder ähnlichen Zahnersatz, der an oder auf mindestens zwei Zahnstümpfen befestigt wird, berechnet die Steuerungseinrichtung den optimalen Winkel der Einschubrichtung und damit der Zahnstümpfe. Bei der Präparation des zweiten Zahns sorgt die Steuerungseinrichtung dann für die exakt parallele Ausrichtung der Zahnstümpfe und damit eine hervorragende Passgenauigkeit des Zahnersatzes.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch abgebildet. Die Darstellung beschränkt sich dabei auf den Intraoralteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einen nicht maßstäblichen Anschnitt des Stativarms mit den Versorgungsleitungen. Nicht gezeigt werden der Hauptlaser, bei dem es sich in diesem Beispiel um einen gepulsten Er:YAG-Laser handelt, und die Steuerungseinrichtung. Ebenfalls nicht detailliert dargestellt sind der genaue innere Aufbau der Versorgungsleitung und die elektrische Verkabelung der Umlenkstücke, Kamera etc. Hier wurde der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich die Faseroptik des Hauptlasers gezeigt. Der Hilfslaser ist als Diodenlaser ausgeführt und am Intraoralteil positioniert.
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An dem Stativarm (1), welcher durch mehrere Gelenke mehrachsig bewegbar ist und den Intraoralteil der Vorrichtung trägt, ist die Versorgungsleitung (2) angebracht. Sie besteht aus einem Kunststoff- oder Metallgewebeschlauch, der trotz erforderlicher Flexibilität noch guten mechanischen Schutz bietet. Hierin sind die Faseroptik (3), die die optische Verbindung des Hauptlasers mit dem ersten Umlenkstück (4) herstellt, die Strom- und Datenkabel, ein Unterdruckschlauch, ein Luftschlauch und ein Wasserschlauch untergebracht.
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Das erste Umlenkstück (4) ist in diesem Beispiel ein Prisma. Die Ansteuerung und Bewegung des Prismas erfolgt über den ersten Piezo-Aktor (5). Dieser bietet im Vergleich zu ebenfalls einsetzbaren Servomotoren eine höhere Ansprechgeschwindigkeit und Stellgenauigkeit. Unter der zusammenfassenden Bezeichnung Piezo-Aktor ist im vorliegenden Fall ein Aufbau aus zwei einzelnen piezobasierten Stellgliedern zu verstehen, die eine zweidimensionale Auslenkung des Strahls erlauben. Die Strahlsteuerung des Hilfslasers ist gleichartig aufgebaut. Das zweite Umlenkstück (6) wird vom zweiten Piezo-Aktor (7) bewegt und lenkt den roten Laserstrahl des Diodenlasers (8) mit einer Wellenlänge von 635 nm ab.
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Die Befestigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Mund des Patienten erfolgt mit Hilfe der Klammer (9), an deren Enden sich jeweils eine Zahnhalsklammer befindet. Zusätzlich verfügt die Vorrichtung auch noch über die Manschette (10) für den Kieferkamm. Dies erleichtert eine genaue Positionierung der Vorrichtung über dem zu behandelnden Zahn, weil sie zuerst mit den Zahnhalsklammern der Klammer (9) am Gebiss fixiert werden kann und die im Verhältnis zu der Halterung der Manschette (10) etwas flexiblere Klammer (9) es dann insbesondere entlang der Zahnreihe gestattet, sie noch auszurichten, bevor sie mit der Manschette (10) endgültig fixiert wird.
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Zur Entfernungsmessung per Lasertriangulation ist der CCD-Sensor (11) neben dem zweiten Umlenkstück (6) angebracht. Weiterhin ist seitlich des ersten Umlenkstücks (4) die Kamera (12) für die optische Kontrolle durch den Zahnarzt auf einem angeschlossenen Monitor und die Endpunktsbestimmung durch Bilderkennung angebracht.
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Die Düse (13) für die Luft- und Wasserzufuhr ist im vorliegenden Beispiel etwa in einem 45°-Winkel ausgerichtet, um ablatierte Zahnsubstanz gut entfernen zu können. Ihr gegenüber ist im Reflexionswinkel die Absaugung (14) angebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stativarm
- 2
- Versorgungsleitung
- 3
- Faseroptik
- 4
- erstes Umlenkstück
- 5
- erster Piezo-Aktor
- 6
- zweites Umlenkstück
- 7
- zweiter Piezo-Aktor
- 8
- Diodenlaser
- 9
- Klammer
- 10
- Manschette
- 11
- CCD-Sensor
- 12
- Kamera
- 13
- Düse
- 14
- Absaugung
