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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines zahnärztlichen Behandlungsinstruments, welches ein durch Druckluft angetriebenes Werkzeug aufweist, sowie eine Anordnung zum Betreiben eines solchen zahnärztlichen Behandlungsinstruments.
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Ein zahnärztliches Behandlungsinstrument, das ein durch Druckluft angetriebenes Werkzeug aufweist, ist in Form einer so genannten dentalen Turbine bekannt. Im Vergleich zu einem Hand- oder Winkelstück, das als Antriebselement einen Elektromotor beinhaltet, weist eine Turbine allerdings eine reduzierte Leistung auf. Vorteilhaft, insbesondere mit Bezug auf das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten einer Turbine ist es, wenn die Turbine aktiv geregelt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines zahnärztlichen Behandlungsinstruments, das ein durch Druckluft angetriebenes Werkzeug aufweist, anzugeben. Außerdem soll eine entsprechende Anordnung angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Gegenständen gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines zahnärztlichen Behandlungsinstruments, welches ein durch Druckluft angetriebenes Werkzeug aufweist, vorgesehen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (a) Erfassen eines sich durch eine Bewegung des Werkzeugs ergebenden zeitveränderlichen Signals mit einem Frequenzspektrum und (b) Ermittlung eines die Bewegung des Werkzeugs kennzeichnenden Geschwindigkeitswertes durch eine Auswertung des erfassten zeitveränderlichen Signals mittels einer Analyse des Frequenzspektrums.
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Der Schritt (a) ermöglicht insbesondere das Erfassen des Signals ohne Eingriff in einen Umgebungsbereich des Werkzeugs. Dies ist vorteilhaft mit Bezug auf die Handhabungsmöglichkeiten bei einem Arbeiten mit dem Behandlungsinstrument. Durch die im Schritt (b) erfolgende Analyse des Frequenzspektrums lässt sich der Geschwindigkeitswert besonders geeignet ermitteln.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt (c): Anpassen der zugeführten Druckluft, um einen Geschwindigkeitssollwert für die Bewegung des Werkzeugs zu erzielen. So lässt sich insbesondere die Drehzahl des Behandlungsinstruments besonders geeignet regeln.
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Vorzugsweise beinhaltet die Auswertung des zeitveränderlichen Signals die Durchführung einer Fourier-Analyse, insbesondere in Form einer Fast-Fourier-Analyse. Dies hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Vorzugsweise wird als zeitveränderliches Signal eine Schwingung oder Vibration des Behandlungsinstruments erfasst. Besonders geeignet kann dabei die Erfassung der Schwingung oder Vibration mit Hilfe eines Beschleunigungssensors oder eines akustischen Sensors erfolgen. Hierdurch lässt sich der Geschwindigkeitswert besonders geeignet bestimmen.
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Alternativ hierzu kann vorteilhaft als zeitveränderliches Signal der in einer Zuleitung und/oder einer Ableitung der Druckluft vorliegende Druck erfasst werden. Auch dies ist vorteilhaft mit Bezug auf die Bestimmung des Geschwindigkeitswertes.
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Vorzugsweise wird das zeitveränderliche Signal an oder in einem mit dem Behandlungsinstrument koppelbaren Kupplungsstück eines Versorgungsschlauchs bzw. in durch einen Versorgungsschlauch laufende Leitungen erfasst. Dies ist vorteilhaft, weil so zum Erfassen des Signals nicht in den Umgebungsbereich des Werkzeugs eingegriffen werden muss.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Behandlungsinstrument um ein zahnärztliches Bohrhandstück, wobei als Geschwindigkeitswert die Drehgeschwindigkeit eines Bohrers ermittelt wird. Alternativ kann es sich bei dem Behandlungsinstrument um ein zahnärztliches Handstück handeln, bei dem mit Hilfe der Druckluft Vibrationen und/oder Schwingungen erzeugt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Anordnung zum Betreiben eines zahnärztlichen Behandlungsinstruments vorgesehen, welches ein durch Druckluft angetriebenes Werkzeug aufweist. Dabei weist die Anordnung Mittel zum Zuführen der Druckluft zu dem Behandlungsinstrument auf, Mittel zum Erfassen eines sich durch eine Bewegung des Werkzeugs ergebenden zeitveränderlichen Signals mit einem Frequenzspektrum sowie Mittel zum Auswerten des erfassten zeitveränderlichen Signals mittels einer Analyse des Frequenzspektrums, um einen die Bewegung des Werkzeugs kennzeichnenden Geschwindigkeitswert zu ermitteln.
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Vorzugsweise sind dabei weiterhin Mittel vorgesehen, die dazu ausgebildet sind, die Druckluft abhängig von dem ermittelten Geschwindigkeitswert zu regeln.
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Vorzugsweise sind die Mittel zum Auswerten des erfassten zeitveränderlichen Signals dazu ausgebildet, eine Fourier-Analyse, insbesondere eine Fast-Fourier-Analyse durchzuführen.
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Vorzugsweise wird als zeitveränderliches Signal eine Schwingung oder Vibration des Behandlungsinstruments erfasst. Vorzugsweise erfolgt dabei die Erfassung der Schwingung oder Vibration mit Hilfe eines Beschleunigungssensors oder eines akustischen Sensors.
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Vorzugsweise wird als zeitveränderliches Signal der in einer Zuleitung und/oder einer Ableitung der Druckluft vorliegende Druck erfasst.
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Vorzugsweise sind die Mittel zum Erfassen des zeitveränderlichen Signals an oder in einem mit dem Behandlungsinstrument koppelbaren Kupplungsstück eines Versorgungsschlauchs bzw. in durch einen Versorgungsschlauch laufende Leitungen angeordnet.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Behandlungsinstrument um eine zahnärztliches Bohrhandstück, wobei als Geschwindigkeitswert die Drehgeschwindigkeit eines Bohrers ermittelt wird; alternativ handelt es sich vorzugsweise bei dem Behandlungsinstrument um ein zahnärztliches Handstück, bei dem mit Hilfe der Druckluft Vibrationen und/oder Schwingungen erzeugt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Skizze eines zahnärztlichen Behandlungsinstruments, angeschlossen an einen Versorgungsschlauch,
- 2 eine Prinzip-Skizze zur Durchführung eines anmeldungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Behandlungsinstruments,
- 3 das Kupplungsstück mit anschließendem Versorgungsschlauch bei abgenommenem Behandlungsinstrument,
- 4 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Leistung eines Behandlungsinstruments von der Drehzahl in vier unterschiedlichen Fällen und
- 5 eine Prinzip-Skizze als Erweiterung der 2.
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Anmeldungsgemäß ist eine Anordnung zum Betreiben eines - in 1 beispielhaft skizzierten - zahnärztlichen Behandlungsinstruments 1 vorgesehen, das ein durch Druckluft angetriebenes Werkzeug 2 aufweist. Bei dem Behandlungsinstrument 1 kann es sich beispielsweise um ein Handstück, insbesondere - wie in 1 angedeutet - um ein Bohrhandstück handeln, insbesondere um eine so genannte dentale Turbine. Bei dem Werkzeug 2 kann es sich dementsprechend insbesondere um einen Bohrer handeln. Das Behandlungsinstrument 1 umfasst insbesondere einen Griffbereich 8 und einen Kopfbereich 9; der Griffbereich 8 ist zum manuellen Halten des Behandlungsinstruments 1 vorgesehen, am Kopfbereich 8 ist das Werkzeug 2 drehbar gelagert gehalten.
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Alternativ kann es sich bei dem Behandlungsinstrument 1 beispielsweise um ein zahnärztliches Handstück handeln, bei dem mit Hilfe der Druckluft Vibrationen und/oder Schwingungen erzeugt werden.
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Wie in 2 angedeutet, weist die Anordnung Mittel zum Zuführen der Druckluft zu dem Behandlungsinstrument 1 auf. Die Mittel zum Zuführen der Druckluft umfassen insbesondere eine - in 2 schematisch angedeutete - Zuleitung 4 der Druckluft, die mit dem Behandlungsinstrument 1 verbunden bzw. verbindbar ist. Wie weiterhin in 2 angedeutet, ist die Zuleitung 4 andererseits mit einer Druckluftquelle 3 verbunden, die zur Erzeugung der Druckluft zum Antrieb des Werkzeugs 2 dient. Vorzugsweise ist das Behandlungsinstrument 1 außerdem mit einer Ableitung der Druckluft verbunden bzw. verbindbar, in der die Druckluft von dem Behandlungsinstrument 1 weg geleitet wird.
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Vorzugsweise umfasst die Anordnung weiterhin einen Versorgungsschlauch 5, der ein Kupplungsstück 6 zum reversiblen Koppeln mit dem Behandlungsinstrument 1 aufweist, insbesondere zum Koppeln auf einer, dem Kopfbereich 9 des Behandlungsinstruments 1 gegenüberliegenden Seite. In 3 ist der Versorgungsschlauch 5 mit dem Kupplungsstück 6 in einem von dem Behandlungsinstrument 1 abgekoppelten Zustand skizziert. Die Zuleitung 4 ist vorzugsweise in dem Versorgungsschlauch 5 laufend ausgebildet. Analoges gilt für die Ableitung.
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Weiterhin umfasst die Anordnung Mittel 7 zum Erfassen eines sich durch eine Bewegung des Werkzeugs 2 ergebenden zeitveränderlichen Signals S mit einem Frequenzspektrum. Vorzugsweise sind diese Mittel 7 zum Erfassen des Signals S - wie in 3 angedeutet - an oder in dem Kupplungsstück 6 des Versorgungsschlauchs 5 angeordnet. Sie können alternativ oder zusätzlich beispielsweise in durch den Versorgungsschlauch 5 laufende Leitungen angeordnet sein, insbesondere in der Zuleitung 4 und/oder der Ableitung der Druckluft.
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Bei dem zeitveränderlichen Signal S kann es sich insbesondere um eine Schwingung oder Vibration des Behandlungsinstruments 1 handeln. In diesem Fall umfassen die Mittel 7 zum Erfassen des Signals S vorzugsweise einen Beschleunigungssensor oder einen akustischen Sensor. Die Mittel 7 zum Erfassen des Signals S sind dabei dementsprechend zum Erfassen der Schwingung bzw. Vibration durch den Beschleunigungssensor bzw. durch den akustischen Sensor ausgestaltet.
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Alternativ kann es sich bei dem Signal S beispielsweise um einen in der Zuleitung 4 und/oder der Ableitung der Druckluft vorliegenden Druck handeln. Die Mittel 7 zum Erfassen des Signals S sind in diesem Fall dementsprechend zum Erfassen eines Drucks ausgestaltet.
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Weiterhin umfasst die Anordnung Mittel zum Auswerten des erfassten zeitveränderlichen Signals S mittels einer Analyse des Frequenzspektrums, um einen die Bewegung des Werkzeugs 2 kennzeichnenden Geschwindigkeitswert zu ermitteln. Bei dem Geschwindigkeitswert kann es sich insbesondere um die Drehzahl oder um die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs 2 bzw. des Bohrers handeln.
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Vorzugsweise sind dabei diese Mittel zum Auswerten des Signals S dazu ausgebildet, eine Fourier-Analyse, insbesondere eine Fast-Fourier-Analyse durchzuführen. Hierzu kann insbesondere das Folgende vorgesehen sein: Im Betriebszustand, also bei Druckluftzufuhr schwingt bzw. vibriert das Behandlungsinstrument 1, also beispielsweise die Turbine. Hierdurch entsteht ein Frequenzgemisch, das über die Mittel 7 zum Erfassen, also beispielsweise den Bewegungssensor oder den akustischen Sensor bzw. ein Mikrofon erfasst bzw. gemessen wird, so dass ein digitales Messsignal gebildet wird. Dieses digitale Messsignal wird per Fast-Fourier-Transformation analysiert. Mit Hilfe der Fast-Fourier-Transformation wird das Frequenzgemisch in den sog. Frequenzraum übertragen und hierbei in seine Frequenzanteile zerlegt. In der sich ergebenden Frequenz-basierten Darstellung ist dann insbesondere der Frequenzpeak erkennbar, der die Drehzahl kennzeichnet.
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Vorzugsweise umfasst die Anordnung weiterhin Mittel, die dazu ausgebildet sind, die Druckluft abhängig von dem ermittelten Geschwindigkeitswert zu regeln.
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Ein anmeldungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Behandlungsinstruments 1 umfasst daher die beiden folgenden Schritte:
- a) Erfassen eines sich durch eine Bewegung des Werkzeugs 2 ergebenden zeitveränderlichen Signals S mit einem Frequenzspektrum und
- b) Ermitteln eines die Bewegung des Werkzeugs 2 kennzeichnenden Geschwindigkeitswerts durch eine Auswertung des erfassten zeitveränderlichen Signals S mittels einer Analyse des Frequenzspektrums.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren außerdem den folgenden Schritt:
- c) Anpassen der zugeführten Druckluft, um einen Geschwindigkeitssollwert für die Bewegung des Werkzeugs 2 zu erzielen.
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Die Mittel 7 zum Erfassen des Signals S sind vorzugsweise in dem Kupplungsstück 6 oder an einer anderen Stelle des Versorgungsschlauchs 5 angeordnet. Somit lässt sich insbesondere erzielen, dass die Mittel 7 zum Erfassen des Signals S außerhalb des Kopfbereichs 9 und insbesondere auch außerhalb eines Umgebungsbereichs des Kopfbereichs 9 angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich der Kopfbereich 9 mit einer besonders kleinen Baugröße gestalten. Das ist insbesondere vorteilhaft, weil sich das Behandlungsinstrument 1 im Mundraum eines Patienten besonders gut handhaben lässt, wenn der Kopfbereich 9 vergleichsweise klein gestaltet ist.
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In 2 ist ein Beispiel skizziert, bei dem das Signal S im Schritt a) mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers 10 erfasst und umgewandelt wird. Im Weiteren ist hier zur Durchführung des Schritts b) eine Software 11 vorgesehen, in der eine Berechnung des Geschwindigkeitswertes - hier in Form der Drehzahl - erfolgt. Dabei wird mit Hilfe der Software 11 vorzugsweise eine Fast-Fourier-Transformation bzw. eine Fast-Fourier-Analyse 12 des Signals S durchgeführt, mit deren Hilfe aus dem Frequenzspektrum des Signals S die Drehzahl des Werkzeugs 2 bestimmt wird.
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Außerdem kann die Software 11 einen PID-Regelkreis 13 zur Berechnung eines Sollwerts für den Geschwindigkeitswert, hier also einen Drehzahl-Sollwert umfassen. Als Regelgröße dient hier somit die Drehzahl. Weiterhin dient der PID-Regelkreis 13 zur Festlegung des Antriebsdrucks 15 zur Erzielung des Drehzahl-Sollwerts.
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In einem Digital-Analog-Wandler 14 erfolgt eine Ausgabe des Antriebsdrucks 15 zur Erzielung des Drehzahl-Sollwerts; dieser dient als Eingangsgröße für ein Druckventil 16, beispielsweise in Form eines Proportionalventils, das vorzugsweise in der Zuleitung 4 der Druckluft angeordnet ist. Die im Schritt b) ermittelte Drehzahl stellt hier also eine Regelgröße für die Ansteuerung des Druckventils 16 dar. Optional oder zusätzlich kann eine Rückluftdrosselung erfolgen, um das Regelverhalten der Turbine positiv zu beeinflussen.
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4 zeigt ein Diagramm, in dem für vier unterschiedliche Fälle die Leistung des Behandlungsinstruments 1, hier in Form einer Turbine, gegen die Drehzahl aufgetragen ist. Die beiden unteren Kurven erreichen ihr Maximum von etwa 18 W bei einer Drehzahl von etwa 195 000 pro Minute. Die beiden oberen Kurven erreichen ihr Maximum von etwa 24 W ebenfalls bei einer Drehzahl von etwa 195 000 pro Minute. Die beiden unteren Kurven zeigen das Verhalten bei einem maximalen Antriebsdruck von etwa 2,8 bar, die beiden oberen Kurven bei einem maximalen Antriebsdruck von etwa 3,5 bar. Im Fall einer aktiven Turbinenregelung beträgt im Leerlauf die Drehzahl jedenfalls etwa 280 000 pro Minute. Ungeregelt wird bei 2,8 bar im Leerlauf etwa eine Drehzahl von 360 000 pro Minute erreicht, bei 3,5 bar etwa 380 000 pro Minute.
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Durch die aktive Turbinenregelung lässt sich bewirken, dass der Massenstrom, mit dem die Turbine betrieben wird, nicht konstant ist, sondern in Abhängigkeit von der Drehzahl geregelt wird. Daher ist in diesem Fall eine Begrenzung des Antriebsdrucks der Turbine auf 2,8 bar nicht notwendig. Beispielsweise lässt sich durch einen höheren Maximaldruck von 3,5 bar - bei gleicher Leerlaufdrehzahl - eine Steigerung der Leistung um etwa 35% (von ca. 18 W auf ca. 24 W) erzielen.
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Neben einer verbesserten Leistung lässt sich durch die erfindungsgemäße Regelung eine verlängerte Lebensdauer von Lagern zur Drehbewegung des Werkzeugs 2 erzielen und eine Reduzierung des Geräuschs, das durch die Bewegung des Werkzeugs 2 hervorgerufen wird bzw. des Laufgeräuschs des Behandlungsinstruments 1.
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Wenn das Behandlungsinstrument 1 über eine Spraywasserabgabe verfügt, kann - wie in 5 quasi als Erweiterung der 2 skizziert - weiterhin vorgesehen sein, dass in dem PID-Regelkreis, hier als 13' bezeichnet, zusätzlich zu der Berechnung eines Drehzahl-Sollwerts ein Sollwert 25 für die Spraywasserausgabe berechnet wird, insbesondere in Abhängigkeit von dem Drehzahl-Sollwert bzw. von der Leistungsaufnahme. Über den Digital-Analog-Wandler 14 erfolgt dann außerdem eine Ausgabe dieses Sollwerts 25 zur Erzielung einer gewünschten Spraywasserabgabe. Dieser dient als Eingangsgröße für ein entsprechendes weiteres Druckventil 26, beispielsweise in Form eines Proportionalventils, das vorzugsweise in einer Zuleitung 40 des Spraywassers angeordnet ist. Diese Zuleitung 40 ist andererseits mit einer Spraywasserquelle 30 verbunden.
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Besonders bevorzugt kann die Gestaltung dabei derart sein, dass die Spraywasser-Zufuhr automatisch eingeschaltet wird, wenn der Bohrer einen Zahn berührt.
