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Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwendung bei der Erfassung
von Zahnkaries (d. h. einer Zahnverschlechterung, oder "Karies" oder "kariösen Verletzungen" bzw. krankhaften
Veränderungen)
durch elektrische und/oder elektronische Mittel.
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Karies
wird als die fortschreitende Verschlechterung eines Zahns oder Knochens
definiert, und Zahnkaries ist die üblichste Krankheit, die weltweit
bekannt ist. Zahnkaries kann entweder durch Entfernen des verschlechterten
Materials in dem Zahn und durch Auffüllen des sich ergebenden Raums
mit einem dentalen Amalgam oder in schweren Fällen durch Entfernung des gesamten
Zahns behandelt werden.
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Die
frühe Diagnose
von Zahnkaries ist von äußerste Wichtigkeit
für jede
nachfolgende Behandlung, da zu der Zeit, zu der ein Schmerz als
Folge der Verschlechterung des Zahns empfunden wird, die zum Wiederherstellen
des Zahns benötigte
Behandlung extensiv sein kann und in einige Fällen der Zahn verloren gehen
kann.
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Historisch
ist die Diagnose von Zahnkaries vorwiegend visuell ausgeführt worden,
häufig
begleitet durch eine taktile Untersuchung unter Verwendung einer
mechanischen Sonde. Unter Umständen fragte
der Patient nach einer Untersuchung durch einen Zahnarzt nur dann
nach, wenn er als Folge des Karies Schmerz empfindet, und der Zahnarzt
muss dann den Beschwerden verursachenden Zahn durch eine visuelle
Untersuchung und/oder durch Verwendung einer mechanischen Sonde,
die in dem verschlechterten Zahn Unannehmlichkeiten oder Schmerz
verursacht, identifizieren. Diese Erfahrung ist für den Patienten
schmerzhaft und beunruhigend und wirkt als Abschreckung für regelmäßige Besuche bei
dem Zahnarzt für
Routineuntersuchungen. Zusätzlich
reduziert die Diagnose von Karies zu dieser späten Stufe der Verschlechterung
die verfügbaren Optionen
für eine
Behandlung.
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Die
Diagnose von Karies durch herkömmliche
Techniken ist zunehmend schwierig geworden. Dies ist ein Ergebnis
von mehreren Faktoren, einschließlich von offensichtlichen Änderungen
in der Morphologie und in der Rate des Fortschreitens und der Verteilung
von kariösen
Verletzungen, sowie die Unzugänglichkeit
der approximalen (gegenseitig kontaktierenden) Zahnoberflächen und
die komplizierte Anatomie von Vertiefungs- und Spaltstellen auf den
okkludierten (Biß-)Oberflächen.
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Ein
anderes Problem bei herkömmlichen Techniken,
ist dass eine Verschlechterung auf der approximalen Oberfläche des
Zahns, als Ergebnis von Zahnbelag auf den inneren Zahnräumen, nicht
durch einfaches Anstoßen
des Zahns erfasst werden kann, da die approximalen Oberflächen durch
die Sonde nicht erreicht werden können. Die Begrenzungen für eine herkömmliche
visuelle, taktile und radiographische Diagnose sind gut erkannt.
Eine Verschlechterung kann zu einer fortgeschrittenen Stufe auf
sowohl bissbezogenen als auch approximalen Stellen fortschreiten,
ohne erfasst zu werden, bis eine wesentliche Zahnzerstörung aufgetreten
ist.
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Im
Ansprechen auf diese allgemein nicht zufriedenstellenden und unzuverlässigen Diagnoseverfahren
sind Versuche durchgeführt
worden, um eine elektrische/elektronische Einrichtung für die Diagnose
von Karies zu entwickeln.
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Elektronik-Karies-Detektoren
(Electronic Caries Detectors, ECDs) umfassen allgemein eine Sonde
mit einer ersten Sondenelektrode, die in Kontakt mit dem zu testenden
Zahn gebracht wird, und einer zweiten von der Sonde getrennten Gegenelektrode, die
in Kontakt mit einem anderen Teil des Körpers des Patienten gebracht
wird, um eine elektrische Schaltung herzustellen, die die zwei Elektroden
verbindet. Die zweite Elektrode kann von dem Patienten gehalten
werden oder kann in Kontakt mit der Gingiva (dem Zahnfleisch) oder
der Mundschleimhaut (innerhalb der Backe) gebracht werden. Ein elektrischer Wechselstrom
mit einer festen Frequenz wird durch den Zahn geführt und
der Widerstand dazu wird gemessen. Es ist festgestellt worden, dass
dieser elektrische Widerstand ungefähr invers mit dem Ausmaß des Karies
in dem Zahn korreliert. Die Technik kann eine Messung an einem einzelnen
Punkt auf der Oberfläche
des Zahns oder die Verwendung einer elektrischen leitenden Paste
beinhalten, was eine Messung für
die Oberfläche
insgesamt bereitstellt.
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Die
Konfiguration von herkömmlichen
Konstruktionen von ECD Sonden sind derart, dass sie approximale
Zahnoberflächen
nicht kontaktieren können
und deshalb approximalen Karies nicht erfassen können, der sich an die bissbezogenen
oder freien glatten Oberflächen
des Zahns nicht erstreckt. Keine zufriedenstellende Einrichtung
zum Erfassen von derartigem approximalen Karies ist gegenwärtig bekannt,
obwohl das Problem von approximalem Karies seit vielen Jahren bekannt
gewesen ist. Bislang ist das genaueste Verfahren zum Diagnostizieren von
approximalem Karies eine Beißflügel-Radiographie
gewesen, aber dieses Verfahren ist nur ungefähr 30% genau und erfordert
die Verwendung einer ionisierenden Strahlung.
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Selbst
wenn ein guter elektrischer Kontakt zwischen der Sondenelektrode
und der relevanten Stelle hergestellt werden kann, ist eine herkömmliche ECD
Vorrichtung von begrenzter Nützlichkeit
bei der Erfassung von Karies.
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Die
US 4537573 beschreibt einen
Detektor zum Diagnostizieren von Zahnkaries, umfassend ein Gehäuse, welches
mit einer Hand ergriffen werden kann und darin eine Referenzspannungs-Einstellschaltung
aufnimmt, eine Niederfrequenz-Oszillationsschaltung und eine Verstärkungsschaltung
und Spannungsvergleichsschaltung, mit einer Zahnelektrode, die an
dem Gehäuse
angebracht ist und einem Energieschalter und eine Vielzahl von Anzeigelampen,
die auf dem Gehäuse
vorgesehen sind, um den Betrieb von derartigen Detektoren zu verbessern
und eine genauere Diagnose zu ermöglichen.
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Unter
den Aufgaben der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung
sind die Bereitstellung von: einer verbesserten Vorrichtung für die elektrische/elektronische
Diagnose von Zahnkaries von sämtlichen
Typen; elektrische/elektronische Sonden für die Erfassung von approximalem
Karies; und verbesserte elektrische/elektronische Sonden für die Auswertung
der bissbezogenen und freien glatten Oberflächen des Zahns.
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Eine
Vorrichtung zur Verwendung bei der Erfassung von Zahnkaries wird
vorgesehen, wobei die Vorrichtung umfasst: wenigstens eine Sondenelektrode
(10), die dafür
ausgelegt ist, um in einen elektrischen Kontakt mit einer approximalen
Oberfläche
eines Zahns eines Patienten gebracht zu werden, eine zweite Elektrode
(12), die dafür
ausgelegt ist, um in einen elektrischen Kontakt mit einem anderen
Teil des Körpers
des Patienten gebracht zu werden, eine Wechselstromquelle (14),
die dafür
ausgelegt ist, um einen elektrischen Wechselstrom zwischen die Sondenelektrode
und die zweite Elektrode zu führen,
und eine Impedanzmesseinrichtung (16), um die elektrische
Impedanz zwischen den Elektroden zu dem elektrischen Strom zu messen;
wobei die Wechselstromquelle (14) eine Wechselstromquelle
mit variabler Frequenz ist, wodurch die Frequenz des an den Zahn
angelegten Wechselstroms über
einem vorgegebenen Frequenzbereich verändert werden kann, und die
Impedanzmesseinrichtung dafür
ausgelegt ist, um Impedanzen entsprechend zu einer Vielzahl von
Frequenzwerten innerhalb des Bereichs zu messen, und wobei die wenigstens
eine Sondenelektrode (110) ein Substrat aus einem elektrisch
isolierenden Material (120) umfasst, wobei das Substrat
(120) ein allgemein planares, flexibles, hydrophobes Material und
wenigstens eine Elektrode aus einem elektrisch leitenden Material
(122), das auf wenigstens einer Oberfläche des Substrats angeordnet
ist, umfasst.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Impedanzmessungs- und entsprechenden Frequenzen
mit Hilfe einer Wechselstrom-Impedanz-Spektroskopietechnik (ACIST)
analysiert und eine Diagnose des Zahns wird auf die Form des dadurch
erhaltenen Impedanzspektrums gestützt. Die Messfrequenzen sind
vorzugsweise in dem Bereich von bis zu 500 kHz. Insbesondere werden
die unteren und die oberen Frequenzen in dem Bereich und die Anzahl
von Frequenzen, bei denen Impedanzmessungen durchgeführt werden,
auf Grundlage des Typs, der Größe und der
Konfiguration der Sondenelektrode (der Sondenelektroden), der spezifischen
Zahnoberfläche
und/oder des Orts (der Orte), die kontaktiert werden, und in Abhängigkeit
davon, ob der Zahn vorher wieder hergestellt (gefüllt) worden
ist oder nicht, gewählt.
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Die
Sondenelektrode kann ein Feld (Array) von Miniaturelektroden umfassen,
was erlaubt, dass gleichzeitige oder sequentielle Impedanzmessungen an
mehreren Orten auf ein oder mehreren Oberflächen des Zahns durchgeführt werden.
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Bevorzugte
Ausbildungen der Vorrichtung zur Verwendung bei der Erfassung von
Zahnkaries, einschließlich
bevorzugter Typen von Sondenelektroden für approximale und andere Zahnoberflächen, sind
wie nachstehend in Bezug auf weitere Aspekte der Erfindung und wie
vollständig
in der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen der verschiedenen
Aspekte der Erfindung beschrieben, definiert.
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Vorzugsweise
ist das Substrat PTFE und weiter vorzugsweise Goretex. Wenn die
Einrichtung zur Untersuchung von approximalen Zahnoberflächen vorgesehen
ist, ist das Substrat ausreichend dünn, um zwischen die approximalen
Oberflächen von
aneinander angrenzenden Zähnen
zu passen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
des dritten Aspekts der Erfindung umfasst die wenigstens eine Elektrode
eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, die auf das
Substrat aufgebracht ist, vorzugsweise Kohlenstoff imprägniertes
PTFE, und weiter bevorzugt Kohlenstoff-imprägniertes Goretex. In anderen
Ausführungsformen
umfassen die Elektroden korrosionsbeständiges Metall oder ein anderes
leitendes Material, wie beispielsweise Kohlenstoff. Das Substrat
kann ferner einen Streifen von einem absorbierenden oder hydrophoben
Material, welches sich entlang wenigstens einer Kante davon erstreckt,
einschließen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
umfasst die Sondeneinrichtung eine Vielzahl von Elektroden, die
auf dem Substrat angeordnet sind. Die Vielzahl von Elektroden sind
vorzugsweise in den Substrat eingebettet und stehen von diesem vor.
Die Elektroden können
die Form von Bändern
oder Scheiben annehmen und sind zur Verbindung mit der Messschaltung
eines Karieserfassungssystems entweder individuell, kollektiv oder
in vorgegebenen Gruppen ausgelegt. Das Substrat ist vorzugsweise
mit einer Halter/Kontakt-Einrichtung verbunden, die dafür ausgelegt
ist, um eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden und
einer Messschaltung herzustellen. In einer Ausführungsform ist das Substrat
im transversalen Querschnitt verjüngt und umfasst einen verjüngten Kernabschnitt
aus einem kompressiven Material, wobei Elektroden auf beiden gegenüberliegenden
Oberflächen
des Substrats vorgesehen sind.
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Vorzugsweise
sind die Vielzahl von Elektroden in einem Feld des Substrats angeordnet.
Weiter bevorzugt ist die Breite oder der Durchmesser der Elektroden
und der Abstand zwischen angrenzenden Elektroden im Bereich von
0,5 μm bis
200 μm.
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Andere
Aspekte und bevorzugte Merkmale der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung von Beispielen der Erfindung diskutiert.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnung zeigen:
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1 ein schematisches Blockdiagramm, das
ein Karieserfassungssystem darstellt, das die Erfindung verkörpert;
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2 einen Graph, der Plots
von Impedanzwerten bei sich ändernden
Frequenzen für
drei Probezähne
mit unterschiedlichen Verschlechterungsgraden zeigt;
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3 eine Draufsicht auf eine
Seite einer approximalen Sondenelektrode zur Verwendung bei einem
Karieserfassungssystem, wie demjenigen der 1, wobei ein weiterer Aspekt der Erfindung
verkörpert
wird;
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4 eine Endansicht der Elektrode
der 3;
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5(a) bzw. 5(b) jeweils eine End- und eine Vorderansicht
einer ersten Ausführungsform
eines Mikrosondenfelds, welches einen weiteren Aspekt der Erfindung
verkörpert;
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6(a) bzw. 6(b) eine End- und eine Vorderansicht
einer zweiten Ausführungsform
eines Mikrosondenarrays, das den weiteren Aspekt der Erfindung verkörpert;
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7 eine Vorderansicht einer
dritten Ausführungsform
eines Mikrosondenarrays, das den weiteren Aspekt der Erfindung verkörpert;
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8(a) bzw. 8(b) eine End- und Vorderansicht einer
siebten Ausführungsform
eines Mikrosondenarrays, das den weiteren Aspekt der Erfindung verkörpert, konfiguriert
zur Verwendung auf bissbezogenen Zahnoberflächen;
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9 eine Vorderansicht einer
achten Ausführungsform
eines Mikrosondenarrays, das den weiteren Aspekt der Erfindung verwendet,
konfiguriert zur Verwendung auf bissbezogenen Zahnoberflächen;
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10 eine Vorderansicht einer
neunten Ausführungsform
eines Mikrosondenfelds, das den weiteren Aspekt der Erfindung verwendet,
konfiguriert zur Verwendung auf bissbezogenen Zahnoberflächen;
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11 eine schematische isometrische
Ansicht, die eine erste Halter/Kontakt-Einheit zur Verwendung mit
den Mikrosondenarrays der 5 bis 12 darstellt; und
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12 eine schematische isometrische
Ansicht, die eine zweite Halter/Kontakt-Einheit zur Verwendung mit
den Mikrosondenarrays der 5 bis 12 darstellt.
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Bezugnehmend
nun auf die Zeichnungen umfasst ein grundlegendes Karieserfassungssystem in Übereinstimmung
mit der Erfindung eine erste "Sonden"-Elektrode (oder
ein Array bzw. Feld von Elektroden, wie nachstehend noch diskutiert
werden wird) 10, eine zweite "Gegen"-Elektrode 12, eine Wechselstrom-(AC)-Quelle 14 mit
variabler Frequenz und eine Impedanzmesseinrichtung 16,
die wie gezeigt mit einer offenen Schaltung zwischen den Sonden-
und Gegenelektroden in Reihe geschaltet sind, und eine Datenverarbeitungs-
und Steuereinrichtung 18, die verschaltet ist, um Daten
von der Impedanzmessschaltung 16 zu empfangen und um den
Betrieb der A.C. Quelle 14 zu steuern.
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Die
Sondenelektrode 10 ist dafür ausgelegt, um in einen elektrischen
Kontakt mit der Oberfläche des
Zahns, der untersucht werden soll, gebracht zu werden und die Gegenelektrode 12 ist
dafür ausgelegt,
um in einen elektrischen Kontakt mit einen anderen Teil des Körpers des
Patienten gebracht zu werden, wie voranstehend diskutiert, wobei
die Schaltung vervollständigt
wird, so dass die Impedanzmessschaltung 16 die Impedanz
zwischen den zwei Elektroden misst.
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Bei
Verwendung der Vorrichtung legt die A.C. Quelle 14 eine
vorgegebene Spannung über
die Elektroden 10, 12 an, so dass der Strom, der
in der Schaltung fließt,
sich mit der Impedanz zwischen den Elektroden verändert. Diese
Impedanz wird durch die Impedanzmesseinrichtung 16 gemessen.
Während einer
Untersuchung eines Zahns wird die Frequenz der A.C. Quelle 14 über einen
vorgegebenen Bereich verändert
und Impedanzmessungen werden für
eine Anzahl von Frequenzen innerhalb des Bereichs aufgezeichnet.
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Die
Impedanzmessungen werden durch die Datenverarbeitungseinrichtung
analysiert. In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst die Analyse eine A.C. Impedanz-Spektroskopietechnik
(ACIST). In geeigneter Weise sind die Messfrequenzen in dem Bereich
bis zu 500 kHz. Die oberen und unteren Frequenzen in dem Bereich
und die Anzahl von Frequenzen, bei denen Impedanzmessungen durchgeführt werden,
können
auf Grundlage des Typs, der Größe und der
Konfiguration der Sondenelektrode (der Sondenelektroden), der spezifischen
Zahnoberfläche
(Oberflächen) und/oder
der Stelle (der Stellen), die kontaktiert werden, und in Abhängigkeit
davon, ob der Zahn vorher wiederherstellt worden ist oder nicht,
gewählt
werden.
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Die
Verwendung der ACIST beim Erfassen einer Zahnverschlechterung wurde
unter Verwendung einer Zahnprobe getestet, die aus 26 nicht wiederhergestellten,
extrahierten vorderen Backenzähnen,
mit verschiedenen Graden von Kariesverletzungen in deren approximalen
Oberflächen
besteht. Die individuellen approximalen Oberflächen wurden einer von drei
Gruppen auf Grundlage von deren direktem visuellen Erscheinungsbild
zugeordnet: gut (S), wenn kein sichtbares Anzeichen von Karies ersichtlich
war; beeinträchtigt
(L), wenn weiße
oder braune Fleckenverletzungen (was eine Demineralisierung als
Folge von Karies anzeigt) mit keinem erfassbaren Verlust von Oberflächenzahnschmelz
ersichtlich war; und gelöchert
(C), wenn eine Kariesverletzung mit einem Gebiet vorhanden war,
in dem ein offensichtlicher Verlust von Oberflächenzahnschmelz vorhanden war.
Für jede
Gruppe wurden zehn Zahnoberflächen
gemessen. Nach der Messung wurden die Zähne halbiert und seriell geschnitten,
um die visuelle Kategorisierung der Zähne zu validieren und das echte
Ausmaß von
irgendwelchem Karies im Zahnschmelz oder im Dentin zu bestimmen.
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Für diese
experimentellen Zwecke wurden die A.C. Impedanzmessungen ausgeführt, wobei
die Zähne
in einer speziell gebauten Akrylglaskammer platziert wurden. Jeder
Zahn wurde in einer derartigen Weise positioniert, dass einer von
seinen approximalen Oberflächen
auf eine Öffnung
in der Kammer hingerichtet war, durch die die Sondenelektrode, die aus
einem Stab aus rostfreiem Stahl mit einem geeigneten elektrisch
leitenden Material (was nachstehend diskutiert wird) an der Spitze
besteht, eingeführt
werden konnte, um die Oberfläche
des Zahns zu berühren.
Eine Platingegenelektrode wurde verwendet, wobei die Schaltung unter
Verwendung eines K-Y Schmiergels (Johnson & Johnson) als ein leitendes Gel zwischen
der Gegenelektrode und der Wurzel des Zahns fertiggestellt wurde.
Jeder Testzahn wurde an der Basis der Kammer in Wachs gehalten.
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Messungen
wurden unter Verwendung eines computergesteuerten Solartron Frequency
Response Analyzer (FRAU) 1255 ausgeführt, der mit der Zelle entweder über ein
Solartron Potentiostat 1286 oder einen EG&C 181 Verstärker verbunden war. Die letztere
Konfiguration wurde für
Hochimpedanz-(> 1
MΩ)-Messungen verwendet.
Impedanzmessungen wurden über
einen breiten Bereich von Frequenzen ausgeführt, typischerweise von 300
kHz bis 1 Hz. Wenigstens sechs Messungen wurde für jeden der Zähne ausgeführt, um
eine Reproduzierbarkeit der Ergebnisse einzurichten.
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Die
Ergebnisse der Messungen eines repräsentativen Zahns für jede der
drei Kategorien S, L und C ist in dem Graph der 2 gezeigt, wobei die bei jeder Frequenz
für jeden
der drei repräsentativen Zahnproben
gemessene Impedanz auf der komplexen Ebene aufgetragen wurde. Die
Werte der imaginären
Impedanz Z" sind
gegenüber
der realen Impedanz Z' aufgetragen.
Drei Impedanz "Spektren" wurden somit für die drei
Probenzähne
erhalten, mit S, L und C auf dem Graph bezeichnet. Der Plot für den Zahn
der Gruppe C ist in dem Einsatz zur Übersichtlichkeit vergrößert. Der
Abstand jedes Punkts von dem Ursprung des Graphs stellt die Größe der Impedanz
dar und der Winkel, gebildet mit der x-Achse, stellt den Phasenwinkel θ dar.
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Die
elektrische Antwort von irgendeinem Material kann durch eine elektrische
Ersatzschaltung dargestellt werden, die nur aus Widerständen und Kondensatoren
besteht. In diesem bestimmten Fall bestand die Ersatzschaltung aus
vier Komponenten: zwei Widerständen
und zwei Kondensatoren. Die Komponente, die den Blockwiderstand
darstellt, ist parallel zu dem Kondensator geschaltet, der die Blockkapazität darstellt.
Der zweite Widerstand ist parallel zu einem konstanten Phasenelement
geschalter, dessen Impedanz mit Aω–n – jBω–n gegeben wird,
wobei A, B und n Konstanten sind und ω = 2πf ist, wobei f die Frequenz
der sich sinusförmig ändernden
Spannung ist.
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Die
komplexen Impedanzdaten wurden unter Verwendung des Computerprogramms "Z Plot" (Solartron Instruments)
analysiert. Eine Reihe von anfänglichen
Experimenten wurde ausgeführt,
um den Beitrag der Elektrode, des Gels, der Kontakte und der Zuleitungen
festzustellen. Es wurde festgestellt, dass diese im Vergleich mit
der Impedanz der Zähne
vernachlässigbar
sind.
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Die
Ersatzschaltung, die zur Verwendung in den Experimenten abgeleitet
wurde, wurde an die Messdaten unter Verwendung einer nicht-linearen Prozedur
der kleinsten Fehlerquadrate angepasst. In 2 stellen die ausgezogenen Linie die
ermittelte beste Anpassung dar und die Punkte stellen die Daten
dar. Das Ausmaß der
Differenzen in den elektrischen Antworten der Zähne in jeder der drei histologischen
Kategorien S, L und C ist leicht ersichtlich.
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Die
Mittelwerte (mit Standardabweichungen) für die Gesamtwiderstände in MΩ (die Summe
der zwei Widerstände
in der Ersatzschaltung) für
jede der drei Gruppen waren:
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Die
Impedanzwerte für
jede der drei Gruppen unterscheiden sich um eine Größenordnung
von den anderen zwei Gruppen. Die S Gruppe hatte Werte in dem Bereich
37–77
MΩ, im
Vergleich mit L Gruppenwerten in dem Bereich 0,9–10 MΩ und C Gruppenwerten in dem
Bereich 76–559
kΩ.
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Nach
den ACIST Messungen wurden die approximalen Aspekte der Zähne, die
gemessen wurden, vor einer Halbierung der Zähne in der mesio-distalen Ebene
photographiert. Die Halbschnitte wurden unter einer X2,5 und X10
Vergrößerung in
einem Stereomikroskop unter Verwendung von reflektiertem Licht untersucht,
um das Ausmaß von
Karies auszuwerten. Von jedem Halbschnitt wurden Photographien aufgenommen
und die Zähne
danach seriell geschnitten, um 120 μm dicke Abschnitte zu erzeugen, die
dann mikroskopisch betrachtet und nach Karies untersucht wurden
und einer der Gruppen S, L und C zum Vergleich mit den Ergebnissen
der ACIST Analyse zugewiesen wurden.
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Aus 2 lässt sich ersehen, dass die
Impedanzmessungen für
jede der drei Klassen von Zähnen
S, L und C in drei sehr unterschiedliche Gruppen fallen, die exakt
den Ergebnissen der nachfolgenden mikroskopischen Untersuchung der
Zähne entsprechen.
Eine Reproduzierbarkeit von diesen Ergebnissen war hervorragend.
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Diese
Untersuchung zeigt, dass der "gesamte" Widerstand von Zähnen, wie
von A.C Impedanzspektroskopiemessungen abgeleitet, mit der Anwesenheit
und dem Ausmaß einer
Verschlechterung in dem Zahn, wie durch eine histologische Untersuchung
bestätigt,
höchst
korreliert ist.
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Die
Ergebnisse zeigen, dass die Genauigkeit der A.C. Impedanzspektroskopietechnik
in dieser Studie effektiv 100%, im Hinblick sowohl auf die Empfindlichkeit
als auch auf die spezifischen Eigenschaften war.
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Die
experimentelle Technik, die in dieser "in vitro" Studie verwendet wurde, kann mit einer
minimalen Modifikation auf eine "in
vivo" Verwendung transferiert
werden, wodurch die Grundlage für
eine System zur klinischen Verwendung bereitgestellt wird, das eine
wesentlich höhere
Genauigkeit als das gegenwärtige
Verfahren für
eine Kariesdiagnose aufweist.
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Die
notwendige A.C. Quelle, die Impedanzmesseinrichtung und die Steuerungs-
und Datenverarbeitungseinrichtung können in irgendeiner einer Anzahl
von Vorgehensweisen zur klinischen Verwendung integriert und/oder
verpackt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass das Blockdiagramm
der 1 hauptsächlich für illustrative
Zwecke vorgesehen ist und nicht notwendigerweise die physikalische
Anordnung der Komponenten eines praktischen klinischen Systems reflektieren.
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Abgesehen
von der grundlegenden Methodologie, Hardware und Software, die zum
Anwenden eines ACIST Ansatzes auf eine Kariesdetektion benötigt werden,
ist die andere Hauptanforderung für ein klinisches System die
Bereitstellung von Sondenelektroden, die für eine "in vivo" Verwendung konfiguriert und optimiert
sind, um eine Untersuchung von sämtlichen
relevanten approximalen, bissbezogenen und freien glatten Oberflächen des
Zahns zu ermöglichen.
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Nun
wird eine bevorzugte Ausführungsform einer
approximalen Sondenelektrode in Übereinstimmung
mit einem weiteren Aspekt der Erfindung beschrieben.
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Bezugnehmend
nun auf die 3 und 4 umfasst eine Sondenelektrode 110 zur
Verwendung bei der Untersuchung der approximalen Oberflächen von Zähnen in
einem elektrischen/elektronischen Karieserfassungssystem ein elektrisch
isolierendes Substrat 120 mit einem elektrischen leitenden
Abschnitt, der auf wenigstens einen Abschnitt davon überlagert ist
und dafür
ausgelegt ist, um die approximale Oberfläche eines Zahns zu kontaktieren,
wenn das Substrat 20 zwischen angrenzende Zähne eingefügt wird.
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In
diesem Beispiel weist das Substrat 120 leitende Abschnitte 122 auf
seinen beiden Seiten auf, was erlaubt, dass die approximalen Oberflächen von zwei
benachbarten Zähnen
ohne die Notwendigkeit das Substrat zu entfernen und neu zu orientieren
untersucht werden kann. Auch in diesem Beispiel ist das Substrat 120 ein
allgemein längliches
Rechteck und die leitenden Abschnitte 122 umfassen Streifen eines
leitenden Materials, die sich entlang der Länge des Substrats 120 näher zu einer
lateralen Kante davon als zu einer anderen erstrecken, aber beabstandet
von beiden lateralen Kanten. Die leitenden Abschnitte 122 auf
jeder Seite des Substrats 120 sind elektrische voneinander
isoliert.
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Um
für eine
klinische Verwendung geeignet zu sein muss die Elektrode ausreichend
dünn, stark und
flexibel sein, um in der Lage zu sein zwischen enganliegenden approximalen
Oberflächen
von benachbarten Zähnen
gezogen zu werden, und muss hydrophob und in der Lage sein, elektrische
leitend an gewählten
spezifischen Stellen gemacht zu werden.
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Ein
besonders bevorzugter Material, welches diese Kriterien erfüllt, ist
Polytetrafluroethylen (PTFE), welches elektrisch isolierend ist,
aber in der Lage ist selektiv mit leitendem Material imprägniert zu
werden. Insbesondere umfasst das PTFE ein Material wie dasjenige,
das unter der Marke "Goretex" hergestellt und
verkauft wird.
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In
dem dargestellten Beispiel wird das Substrat 120 aus einem
elektrisch isolierenden PTFE Material gebildet, während die
leitenden Streifen 122 Schichten aus Kohlenstoff-imprägniertem
PTFE, gesichert an dem Substrat 120, umfassen. Die Elektrode
ist in dem Gebiet, die die Gingiva bei der Verwendung kontaktieren
wird (d. h. der unteren lateralen Kante) nicht-leitend. Die hydrophoben
Eigenschaften von PTFE tragen zur elektrischen Isolation der leitenden
Elektrodenfläche
vor Mundfluids bei.
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Die
Sondenelektrode 110 in Übereinstimmung
mit diesem Aspekt der Erfindung stellt somit eine Einrichtung zum
Herstellen eines isolierten elektrischen Kontakts mit approximalen
Oberfläche
eines einzelnen Zahns bereit, während
eine elektrische Isolation zwischen der Elektrode und dem Zahnfleisch
neben dem Zahn, der gerade getestet wird, bereitgestellt wird. Die
Sondenelektrode 110 kann entweder mit einer geeigneten
elektrisch leitenden Zuleitung verbunden werden, die einen Teil
der Schaltung der 1 bildet,
oder ansonsten kann ein Elektrodenbildungsteil der Schaltung vorübergehend in
Kontakt mit demjenigen Teil des relevanten leitenden Abschnitts 122 der
Sondenelektrode 110 gebracht werden, der zwischen den Zähnen hervorsteht,
wenn Messungen genommen werden sollen, wobei die Gegenelektrode von
dem Patienten gehalten wird oder in Kontakt mit einem anderen Abschnitt des
Körpers
des Patienten, entfernt von dem Zahn, gebracht wird.
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Die
Konfiguration der Sondenelektrode 110 ist derart, dass
verhindert wird, dass ein elektrischer Strom durch benachbarte Zähne oder
durch das Zahnfleisch fließt,
da das leitende Material 122 der Elektrode 110 auf
diskrete Gebiete auf dem Substrat 120 begrenzt ist und
von dem Zahnfleisch durch den unteren Abschnitt 124 des
nicht-leitenden Substrats isoliert ist.
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Kohlenstoff-imprägniertes
PTFE wurde verwendet, angebracht an dem Ende eines Stabs aus rostfreiem
Stahl, zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit den Oberflächen der
Zähne in
den experimentellen Tests, die voranstehend in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben wurden. Anfängliche "in vivo" Studien unter Verwendung
einer Elektrode in Übereinstimmung
mit 3 erzeugten Ergebnisse, die
mit der "in vitro" Studie konsistent
waren, was anzeigt, dass die benötigte
elektrische Isolation der leitenden Abschnitte der Sondenelektrode
von anderen Oberflächen
und Fluids als die Oberfläche,
die gerade getestet wird, in einer "in vivo" Situation erzielt wird.
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Veränderungen
der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform
könnten
umfassen, dass die leitenden Abschnitte 122 auf spezifische
Gebiete, beispielweise elliptische Gebiete, auf dem Substrat beschränkt werden,
wobei Verlängerungen
des leitenden Materials zu der oberen lateralen Kante des Substrats 120 führen, um
eine Verbindung mit der Schaltung der Erfassungsvorrichtung zu ermöglichen.
Ferner könnte
ein Fluidabsorptionsmaterial entlang der unteren lateralen Kante
des Substrats 120 angebracht werden, um Mundfluid zu absorbieren
und zu der elektrischen Isolation der leitenden Abschnitte 122 so
beizutragen.
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Nun
werden Ausführungsformen
einer weiteren Sondenanordnung in Übereinstimmung mit noch einem
anderen Aspekt der Erfindung beschrieben.
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Dieser
weitere Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer
Sondeneinrichtung mit einer Anzahl von kleinen Sondenelektroden
("Mikroelektroden" oder "Mikrosonden"), die in einem Array bzw.
Feld angeordnet sind. Die Mikrosonden können aus verschiedenen möglichen
leitenden Materialien, beispielsweise mit allen, die in der Mundumgebung korrosionsbeständig sind
(z. B. Platin oder Gold), oder Kohlenstoff gebildet werden. Die
Mikrosonden können
die Form von Drähten,
Streifen (Bändern) oder
Scheiben, abgedichtet oder eingebettet in einem elektrisch isolierenden
Trägermaterial,
einnehmen. Die Mikroelektroden können
einen Durchmesser in dem Bereich von 1 μm bis 100 μm aufweisen. Das Trägermaterial
kann starr (z. B. Glas) sein oder kann aus einem dünnen flexiblen
Material gebildet sein, welches dann in einen engen Kontakt mit
der Oberfläche
der Zähne
gebracht werden kann. Alternativ können die Mikrosonden Submikrometer-Abmessungen
(ungefähr
106 aktive Elektroden pro Quadratzentimeter)
aufweisen.
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Mikrosondenarrays
von diesem Typ können für die Sonde
eines elektrischen/elektronischen Karieserfassungssystems, wie desjenigen
der 1, verwendet werden.
Das System kann eine Computersoftware einschließen, die die Ergebnisse der
A.C. Impedanzmessung der Zähne
in eine Information bezüglich
deren Gesundheitszustand und internen Aufbaus transformiert.
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Die
Verwendung von derartigen Arrays erleichtert die Analyse des Gesundheitszustands
und der Struktur der Zähne
mit großer
Genauigkeit (auf der Mikrometer-Skala), wobei die Tiefe und die
Oberfläche des
Zahns, der gerade studiert wird, berücksichtigt wird. Dies erlaubt,
dass ein dreidimensionales (Tiefen-Oberflächen) Profil des Zahns erhalten wird,
wodurch eine Karte des Zahnkaries innerhalb des Zahns bereitgestellt
wird und die Bereitstellung einer sehr genauen Diagnose des Gesundheitszustands
des Zahns in einer schmerzfreien, sicheren und schnellen Vorgehensweise
(einige wenige Minuten pro Patient) erleichtert wird.
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Die
Arrays können
verschiedene Anzahlen von Elektroden einschließen und können für eine Anwendung auf bissbezogene,
approximale und freie glatte Oberflächen von Zahnkronen, sowie
Wurzeloberflächen
von sowohl wiederhergestellten als auch nicht wiederhergestellten
Zähnen
konfiguriert werden. Die Gegenelektrode kann auf dem nicht wiederhergestellten
oder wiederhergestellten Zahn und/oder einem wiederhergestellten
Abschnitt eines wiederhergestellten Zahns, der gerade gemessen wird,
oder auf die weichen Mundgewebe platziert werden oder kann in der
Hand des Patienten gehalten werden.
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Ausführungsformen
von derartigen Einrichtungen werden unter Bezugnahme auf die 5–12 beschrieben
werden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zeichnungen nur für Illustrationszwecke gedacht
sind und die Größe, die
Anzahlen und die Abstände
der Mikrosonden sich von den Darstellungen beträchtlich unterscheiden können. Insbesondere
können
die Mikosonden im wesentlichen in der Größe kleiner, in der Anzahl größer und
enger beanstandet sein. Typischerweise könnte die Breite oder der Durchmesser
der Mikrosonden und der Abstände zwischen
benachbarten Mikrosonden in dem Bereich 0,5–200 μm sein.
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Die
Arraykonstruktion wird sich in Abhängigkeit von der Stelle, die
kontaktiert wird, und dem Material, welches für die Mikroelektroden verwendet wird,
verändern.
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5 zeigt ein Beispiel eines
Mikrosondenarrays 210, welches insbesondere zur Verwendung
auf approximalen Zahnoberflächen
konfiguriert ist. In diesen Beispiel umfassen die Mikroelektroden 212 schmale
Bänder,
die in einem Trägerkörper 214 aus
einem nicht-leitenden Material, wie Harz, eingebettet sind. Die
Mikrosonden 212 stehen von der "vorderen" (Zahn-kontaktierenden) Oberfläche des Trägers 214,
typischerweise um 1–100 μm, vor und erstrecken
sich zu deren oberer Kante zur Verbindung mit der Schaltung der
Erfassungsvorrichtung.
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Der
Träger 214 ist
allgemein planar und rechteckig in der Form, typischerweise mit
einer Breite von 10 mm und einer Dicke in dem Bereich 75–120 μm. Die Länge des
Trägers 214 ist
ausreichend, um das benötigte
Mikrosondenarray mit Räumen
an jedem Ende aufzunehmen, um eine Behandlung zu erleichtern. Das
Array von den Mikrosonden 212 könnte sich typischerweise entlang
einer Länge
von 5–10 mm
des zentralen Abschnitts des Trägers 214 erstrecken.
Ein Streifen eines Absorptionsmittels oder eines hydrophoben Materials 216 erstreckt
sich entlang der unteren Kante des Trägers 214, um zu der Isolation
des Mikrosondenarrays vor dem Zahnfleisch und Mundfluids zu unterstützten und
auch als ein physikalischer Kompressor zu wirken. Vorzugsweise ist
dies ein Streifen aus PTFE (Goretex), der bis zu 50 μm dick und
1–2 mm
breit sein kann.
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6 und 7 zeigen alternative Ausführungsformen,
bei denen die Mikrosonden jeweils Scheiben 218, 220 umfassen.
In 6 weist jede Mikrosonde 218 einen
individuellen Leiter 220 auf, der sie mit der oberen Kante
des Trägers 214 verbindet.
In 7 sind die Mikrosonden 220 mit
der oberen Kante des Trägers 214 in
Gruppen über
Leiter 224 verbunden.
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Mikrosondenarrays
zur Verwendung auf freien glatten Zahnoberflächen können im allgemeinen ähnlich zu
den approximalen Einrichtungen sein, die in den 5 bis 6 gezeigt
sind, wobei die Gesamtabmessungen des Trägers und des tatsächlichen
Arrays verändert
werden, um den fraglichen Oberflächen
angepasst zu sein.
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Die 8 bis 10 zeigen Ausführungsformen von Mikrosondenarrays,
die zur Verwendung auf bissbezogenen Zahnoberflächen konfiguriert sind.
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In
dem Beispiel der 8 umfasst
die Einrichtung 310 einen nicht-leitenden Träger 314,
der ein Array von vorstehenden bandartigen Mikroelektroden 312, ähnlich zu
denjenigen der 5, trägt. Der
Träger 314 ist
typischerweise ungefähr
40 μm dick
und ist entlang seiner oberen Kante mit einer Halter/Kontakt-Scannereinheit 314 (nachstehend weiter
beschrieben) verbunden. Ein verjüngter
Block 318 aus einem kompressiblen Material (vorzugsweise
PTFE/Goretex) ist an dem Träger 314 an
der gegenüberliegenden
Seite von den Mikrosonden 312 befestigt.
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Die 9 und 10 zeigen Variationen von bissbezogenen
Einrichtungen ähnlich
zu den Varianten der 6 und 7. In 9 sind Scheibenelektroden 320 einzeln
mit Leitern 322 verbunden. In 10 sind Gruppen von Scheibenelektroden 324 in
Gruppen durch Leiter 326 verbunden.
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Die
Halter/Scanner-Einheiten der 8 bis 10 dienen dazu eine Behandlung
der Einrichtungen zu erleichtern und stellen auch eine Einrichtung
zum Verbinden der verschiedenen Mikroelektroden/Leiter mit der Messschaltung
des Erfassungssystems bereit. Die Einrichtungen können derart
konfiguriert werden, dass sämtliche
Mikroelektroden in dem Array einzeln oder in Gruppen oder alle gemeinsam verbunden
werden. Wenn sie individuell in Gruppen verbunden sind, kann die
Halter/Scanner-Einheit und/oder die Messschaltung einer Einrichtung
zum Verbinden jeder Elektrode oder Gruppe in die Schaltung wiederum
zur Vornahme von Impedanzmessungen (d. h. zum "Scannen" der Elektroden) einschließen. 11 zeigt eine Halter/Kontakt-Einheit 516, bei
der ein gemeinsamer "Busbar" ("Busbalken") 520 angeordnet
ist, um sämtliche
Mikrosonden/Leiter des Arrays zu kontaktieren. 12 zeigt eine Halter/Kontakt-Einheit 616,
bei der einzelne Leiter 620 zur Verbindung mit einzelnen
Mikroelektroden/Leitern oder Gruppen von Mikroelektroden/Leitern
des Arrays vorgesehen sind. Die Wahl der einzelnen, Gruppen- oder
gemeinsamen Verbindung des Arrays kann in Abhängigkeit von dem Typ von Information
durchgeführt
werden, die von der Untersuchung benötigt wird.
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Für bissbezogene
Einrichtungen können
die Band- oder Scheibenelektroden in verschiedenen Konfigurationen
angeordnet werden, um einen elektrischen Kontakt mit dem Zahnschmelz
der Vertiefung und mit einem Spaltmuster der bissbezogenen Oberflächen (die
sich zwischen einzelnen Zähnen unterscheiden)
zu erleichtern. Die Größe von diesen bissbezogenen
Arrays kann sich in der Breite, Tiefe und Dicke verändern.
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Die
Computersoftware, die die Messdaten von den Mikrosondenarrays verarbeitet,
kann die Impedanzmessungen in eine Information transformieren, die
eine Analyse des elektrischen Widerstands und der Kapazität des gemessenen
Zahnaufbaus zeigt. Dies wird wiederum mit Hilfe einer experimentell
abgeleiteten Ersatzschaltung in Information über das Ausmaß der Mineralisierung
und die Oberflächenintegrität des Zahnaufbaus,
wie voranstehend beschrieben, transformiert werden. Die tatsächlichen Ersatzschaltungen,
die abgeleitet werden, werden von der Größe der Konfiguration der verwendeten
Mikrosondenarrays abhängen.
Mit Hilfe der Verwendung von experimentell abgeleiteten Ergebnissen
für die
elektrischen Eigenschaften von gutem und krankem Zahngewebe auf
einem Submikrometerniveau kann ein Computerprogramm auf Grundlage
eines entwickelten dreidimensionalen Modells des Zahngewebes an
verschiedenen spezifischen Stellen verwendet werden, um die während einer
Untersuchung ermittelten Impedanzdaten in ein dreidimensionales (Tiefe-Oberfläche) Profil
der Zahnoberfläche,
die gerade gemessen wird, zu transformieren. Dies kann eine Karte
des Zahnkaries innerhalb des Zahns bereitstellen, wobei die Bereitstellung
einer sehr genauen Diagnose des Gesundheitszustands des Zahns erleichtert
wird.
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Das
System der 1 wird in
vorteilhafter Weise mit einem oder mehreren Typen einer Sondenelektrodeneinrichtung,
die unter Bezugnahme auf die 3 bis 12 beschrieben wird, verwendet,
wobei ein Karieserfassungssystem bereitgestellt wird, welches eine
zuverlässige,
wiederholbare und genaue Untersuchung von sämtlichen bissbezogenen, approximalen
und freien glatten Oberflächen
von Zähnen "in vivo" bereitstellen kann.
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Verbesserungen
und Modifikationen können ohne
Abweichen von dem Umfang der Erfindung eingeführt werden.
