ITFI20130198A1 - Dispositivo per la misurazione delle forze esercitate da apparecchiature ortodontiche, e metodo che lo utilizza - Google Patents

Description

DISPOSITIVO PER LA MISURAZIONE DELLE FORZE ESERCITATE

DA APPARECCHIATURE ORTODONTICHE,

E METODO CHE LO UTILIZZA

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda il settore delle apparecchiature ortodontiche, e più in particolare essa ha ad oggetto un dispositivo di misurazione delle forze e dei momenti esercitati da apparecchiature ortodontiche, atto ad essere utilizzato per l’ottimizzazione delle apparecchiature stesse in base alle esigenze cliniche del paziente a cui sono destinate.

I trattamenti ortodontici in uso fino ad oggi si distinguono in trattamenti di tipo fisso, che fanno appunto uso di apparecchi fissi, rimovibili solo dal medico dentista, e sono rivolti a pazienti in età adulta o già dotati comunque di dentatura permanente, e trattamenti di tipo mobile, che sono adatti a pazienti in crescita ed impiegano apparecchi rimovibili anche dallo stesso paziente. Scopo di queste apparecchiature, sempre più diffuse ed utilizzate su pazienti di tutte le età, è essenzialmente quello di migliorare l’allineamento dei denti per ottenere una corretta masticazione, ma anche per migliorare l’aspetto estetico e l’igiene della bocca.

Il principio di funzionamento alla base di qualsiasi apparecchiatura ortodontica, sia essa costituita ad esempio da mascherine, fili ortodontici con placchette (bracket), molle o elastici, fissi o rimovibili, è sempre quello di esercitare sui denti forze meccaniche controllate in modo da favorirne il corretto riposizionamento.

E’ dunque evidente come, un controllo preciso ed adeguato delle forze esercitate dall’apparecchio ortodontico sia indispensabile per ottenere lo scopo di correzione che l’apparecchio si prefigge; le forze esercitate dall’apparecchio su un paziente dovranno inoltre essere periodicamente riviste in modo da adeguare l’apparecchio alle modifiche in atto sulla dentatura. Ad oggi nella pratica professionale degli studi ortodontici il controllo delle forze esercitate dalle apparecchiature, e la conseguente regolazione dell’apparecchiatura stessa nel caso siano necessarie modifiche, vengono effettuati direttamente all’interno della bozza del paziente ed in modo del tutto empirico, basato esclusivamente sull’esperienza del medico dentista con risultati che dipendono unicamente dalla sua perizia.

L’esigenza di una strumentazione adatta a valutare oggettivamente se una apparecchiatura ortodontica ha la forma e le dimensioni adatte per ottenere lo scopo di correzione che si prefigge, e se è adeguata ai progressi fatti dal paziente, misurando in modo preciso le forze esercitate dall’apparecchiatura sui denti del paziente, è evidentemente molto sentita nel settore ma, per quanto è a conoscenza del Richiedente, si conosce un unico esempio di strumentazione per la misura delle forze esercitate da apparecchiature ortodontiche, descritta neN’articolo di Fok J. et al. in Angle Orthodontist, Voi. 8, No. 6 (2011), 953-965 e nell’articolo di Badawi H. M. et al. in American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, Voi. 136, No. 4 (2009), 518-528. Tale strumentazione è tuttavia stata progettata al solo scopo di ricerca e studio e non è adatta all’impiego nella pratica quotidiana. Negli articoli sopra richiamati è descritto infatti un modello di arcata dentale umana con 14 elementi che riproducono i denti del paziente e sui quali possono essere applicati fili e placchette ortodontiche, o altri tipi di apparecchi ortodontici. A ciascuno degli elementi è collegata una cella di carico per la misura delle forze e dei momenti esercitati dall’apparecchio ortodontico applicato su di essi. Tale strumentazione è basata sull’utilizzo di celle di carico commerciali per la misura delle forze, con evidenti limiti di non ottimizzazione delle celle per l’applicazione specifica e conseguentemente con grossi limiti nelle loro prestazioni. Il costo della strumentazione risulta inoltre molto elevato, essendo tali celle di carico destinate ad un’ampia gamma di applicazioni. D’altra parte, come accennato sopra, lo scopo di questa strumentazione è unicamente quello di ricerca per la messa a punto di un modello di studio e confronto tra dispositivi ortodontici per dare una valutazione comparativa della loro efficienza e delle loro caratteristiche. I 14 elementi della strumentazione non sono infatti “customizzati” sulla bocca del paziente, e le forze misurate non sono messe in relazione con le caratteristiche dei dispositivi per la loro calibrazione ed adattamento alle esigenze del paziente.

Resta dunque aperto il problema di disporre di una strumentazione per la misura precisa ed accurata delle forze esercitate dalle apparecchiature ortodontiche sui denti del paziente, non costosa ed utilizzabile in laboratorio fuori dalla bocca del paziente, ma personalizzata su di essa e dunque utile per ottimizzare le performance dell’apparecchiatura a seconda dei progressi compiuti, mediante interventi mirati.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di fornire un dispositivo per la misurazione delle forze e dei momenti esercitati da apparecchiature ortodontiche sui denti di un paziente a cui dovranno essere applicate, che risponda ai requisiti di accuratezza della misura, e che possa essere impiegato come strumento da banco per l’uso in laboratorio nella misurazione delle forze agenti sull’arcata dentale del paziente riprodotta in gesso, resina o altri simili materiali per effetto di una apparecchiatura ortodontica ad esso applicata.

Ulteriore scopo dell’invenzione è quello di fornire un metodo per l’ottimizzazione di un’apparecchiatura ortodontica comprendente l’impiego del suddetto dispositivo per la misurazione delle forze esercitate dall’apparecchiatura sull’arcata dentale di un paziente a cui essa è applicata, riprodotta in gesso o in resina.

Ancora un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di fornire un metodo per la messa a punto di modelli predittivi delle forze agenti su una determinata arcata dentale di un paziente per effetto di una apparecchiatura ortodontica ad esso applicata.

Questi ed altri scopi vengono raggiunti dal dispositivo per la misurazione delle forze esercitate da un’apparecchiatura ortodontica e dal metodo di ottimizzazione di apparecchiature ortodontiche secondo la presente invenzione, le cui caratteristiche essenziali sono definite nelle rivendicazioni indipendenti annesse.

Ulteriori importanti caratteristiche sono incluse nelle rivendicazioni dipendenti. Le caratteristiche ed i vantaggi del dispositivo per la misurazione delle forze di apparecchiature ortodontiche secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzative fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

la figura 1 è una vista prospettica del dispositivo secondo l’invenzione;

la figura 2 è una vista prospettica schematica di una forma realizzativa di una cella di carico compresa nel dispositivo dell'invenzione;

la figura 3 illustra una porzione della cella di carico di figura 2, in cui sono visibili i sensori di forza su di essa applicati;

- la figura 4 mostra in vista prospettica schematica una ulteriore forma realizzativa di cella di carico compresa nel dispositivo dell’invenzione.

Con riferimento alle suddette figure, il dispositivo 1 secondo l'invenzione ha una forma sostanzialmente semicircolare la cui geometria e dimensioni possono variare per ospitare replicazioni di strutture dentali di diverso tipo e dimensioni a seconda della situazione clinica oggetto della valutazione; in tale struttura semicircolare gli elementi che riproducono i denti sono collocati al centro, mentre i sensori per la lettura delle forze sono collocati nella parte più esterna del semicerchio.

Con particolare riferimento alla figura 1, con C è indicato schematicamente il calco della bocca del paziente sul quale deve essere effettuata la misurazione della forza, costituito da un calco di una arcata dentaria, contenente quattordici elementi rappresentanti i denti disposti su quella arcata. Una cella di carico 2 per ciascuno di questi elementi dentali è presente nel dispositivo, collocata in modo radiale a partire dall’elemento dentale andando verso l’esterno, dove viene fissata rigidamente ad una base B di forma semicircolare e dimensioni appropriate per fungere piano di appoggio e supporto del dispositivo.

In figura 2 risulta meglio visibile la struttura di una cella di carico, nella quale si distinguono tre componenti principali, rigidamente connesse l’una all’altra: una trave a sezione quadrata 201, una trave a sezione tubolare 202 ed un braccio 203 adatto per essere fissato rigidamente alla base B che funge da supporto per il presente dispositivo. La trave a sezione quadrata 201 comprende a sua volta: un elemento 204 di interfaccia con il dente, al quale viene fissato con un opportuno mezzo di fissaggio, ad esempio tramite incollaggio o tramite uno o più perni; due sottili lamelle 205a e 205b, ortogonali tra loro e separate da un elemento separatore 206; una porzione ad “S” 207; ed una porzione terminale 208, connessa rigidamente alla adiacente trave a sezione tubolare 202, ad esempio per mezzo di un mezzo di connessione a vite. Alla sua estremità opposta, tale porzione tubolare 202 della cella di carico è alloggiata in un apposito foro ricavato nel braccio 203, al quale è rigidamente fissata, ad esempio tramite due o più perni; in alternativa, secondo una forma realizzativa preferita, la trave a sezione tubolare 202 è fissata al braccio B mediante cuscinetti interni al braccio stesso, in modo da permettere alla trave solo un movimento di rotazione attorno al proprio asse. A sua volta, il braccio 203 è fissato alla base B per mezzo di adatti mezzi di connessione, ad esempio una o più viti.

Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione il braccio 203 è munito di un sistema di posizionamento costituito da elementi snodabili tramite giunti sferici che consentono di regolare la posizione del braccio stesso rispetto alla base B fino a raggiungere la posizione desiderata, nella quale il braccio viene poi rigidamente bloccato.

Il dispositivo dell'invenzione comprende dunque fino a quattordici celle di carico, una per ciascuno dei denti del calco di arcata dentaria sui quali si deve effettuare la misurazione delle forze. Tale misurazione è effettuata grazie a sensori di forza S, in particolare estensimetri, opportunamente applicati sulle celle di carico, in modo da rilevare indipendentemente ed in tempo reale le diverse azioni meccaniche agenti su ciascun dente. Con riferimento alla figura 3, sulle lamelle 205a e 205b possono essere applicati rispettivamente sensori S1 e S2 che risentono rispettivamente dei movimenti di rotazione e torque (inclinazione) subiti dal dente a seguito dell’applicazione del dispositivo ortodontico oggetto della valutazione delle forze esercitate. Sulla porzione ad “S” 207 della trave a sezione quadrata possono invece essere applicati sensori S3 ed S4 destinati a rilevare le forze agenti sul dente in direzione linguo-vestibolare e assiale, mentre sensori S5 atti a rilevare le forze agenti sagittalmente sul dente possono essere applicati sulla porzione terminale 208 della trave a sezione quadrata. Sulla trave a sezione tubolare 202 possono essere applicati sensori S6 atti a rilevare i movimenti di tip (angolazione). In figura 3 i sensori da S1 a S6 sono rappresentati schematicamente da rettangoli applicati sopra la cella di carico. Preferibilmente, per una sensibilità ottimale della misurazione, ciascun tipo di sensore da S1 a S6 è applicato sotto forma di due estensimetri, simmetricamente l’uno rispetto all’altro nelle posizioni e con le funzionalità sopra descritte ed illustrate nelle figure, in particolare nella figura 3.

Secondo una forma realizzativa alternativa della presente cella di carico, illustrata in particolare in figura 4, sensori S6 atti a rilevare i movimenti di tip sono applicati non sulla trave a sezione tubolare 202, bensì su una lamella 209 collegata rigidamente al braccio 203 tramite una sua estremità 210. In tale forma realizzativa la trave a sezione tubolare 202 è fissata al braccio 203 tramite cuscinetti interni al braccio stesso, che permettono alla trave 202 il solo movimento di rotazione attorno al proprio asse, senza trasmettere alcun altro tipo di movimento. L’unico movimento consentito alla trave 202, ossia il movimento di rotazione attorno al proprio asse, determina un momento sulla lamella 209, che va a deformare il sensore S6 su di essa applicato, permettendo in questo modo l’acquisizione del movimento di tip con una sensibilità di misura particolarmente elevata.

I dati di forza misurati vengono acquisiti tramite adeguati mezzi di acquisizione dei dati, che possono essere connessi ad una unità esterna, ad esempio un personal computer. I mezzi di acquisizione dei dati possono essere costituiti ad esempio da una scheda elettronica di acquisizione (Data Acquisition o DAQ), che si interfaccia con una cella di carico del presente dispositivo tramite una scheda di condizionamento del segnale, ossia un supporto elettronico che possiede i componenti elettronici necessari per l’acquisizione e l’elaborazione del segnale proveniente dai sensori, e l’invio alla scheda DAQ, dove il segnale di forza acquisito è convertito in un segnale digitale, facilmente processabile da un computer o da altro mezzo esterno per l’elaborazione di segnali, connesso al dispositivo. I segnali letti sul computer, grazie ad una calibrazione della cella di carico effettuata con pesi noti nell’intervallo tra 0 e 200 g, sono associabili a valori di peso esercitati dai sistemi ortodontici sotto esame sul calco dentale del paziente.

La particolare struttura delle celle di carico secondo l’invenzione che comprende vari componenti connessi rigidamente tra loro, permette di trasmettere le forze ad una distanza sufficiente per una facile collocazione dei sensori, senza perdere accuratezza e sensibilità. Più in particolare, il presente dispositivo permette di rilevare forze anche inferiori ai 30 g, che sono ben inferiori ai carichi esercitati dai sistemi ortodontici di comune utilizzo; esso è pertanto utile per valutare l’azione sul dente da parte dei sistemi ortodontici, e ricavarne dati utili per la loro correzione e modifica allo scopo di rendere i sistemi adatti alle esigenze del paziente, oppure per progettare nuovi sistemi ortodontici che rispettino i limiti di comprimibilità dei vasi capillari che nutrono il tessuto paradontale. Oltre alla grande sensibilità del dispositivo, l’acquisizione in tempo reale delle misure fatta contemporaneamente da tutti i sensori di tutte le celle di carico comprese nel dispositivo, rende il presente dispositivo adatto a realizzare un metodo di misura delle forze rapido e allo stesso tempo accurato.

Il presente metodo di misurazione delle forze che utilizza il dispositivo dell’invenzione viene applicato su un calco di arcata dentale di un paziente che soffre di problemi di malocclusione, ottenuto da impronte dell’arcata dentale del paziente. Su tale calco, in corrispondenza di ciascun elemento che riproduce un dente del paziente, viene fissata una cella di carico, come descritto sopra, e viene montato il sistema ortodontico in esame, ad esempio un arco ortodontico oppure un sistema filo ortodontico - placchette (o brackets), in modo da riprodurre nel modello esattamente la situazione reale nella bocca del paziente. Il modello di partenza così costituito viene opportunamente bloccato, ad esempio con un sistema di bloccaggio magnetico, che viene poi tolto nel momento in cui si inizia la misura e le celle iniziano a rilevare il carico.

Il presente dispositivo consente una lettura accurata su ciascun dente delle forze e dei momenti esercitati nelle tre direzioni dello spazio dai vari tipi di apparecchiature ortodontiche che al dente possono essere applicate, ad esempio dai sistemi ortodontici filo/placchetta o mascherine. Il presente dispositivo consente inoltre di effettuare la lettura fuori dalla bocca del paziente, su un calco dell’arcata dentale del paziente replicata per mezzo di impronte, realizzato in scala naturale in gesso, resina o altro adatto materiale da replicazione, ed in cui gli elementi delle arcate superiore ed inferiore sono collocati nella stessa esatta posizione che essi occupano gli uni rispetto agli altri nella bocca del paziente. Grazie all’accuratezza delle letture eseguite con il presente dispositivo di misura, è possibile valutare in modo diretto e con estrema precisione l’interazione tra i singoli elementi che riproducono i denti del paziente e l’apparecchiatura ortodontica ad essi applicata, andando poi eventualmente ad apportare modifiche all’apparecchiatura per ottimizzarne l’effetto sugli elementi dentali, ad esempio riducendo o aumentando la forza esercitata in punti determinati. Ciò viene realizzato con il metodo dell’invenzione per mezzo di opportune modifiche all’apparecchiatura, ad esempio in sistemi ortodontici filo/placchetta andando ad assottigliare determinati tratti dell’arco formato dal filo tra una placchetta e l’altra o precurvandolo in determinati punti con opportune piegature, oppure andando a modificare la placchetta tramite tagli, fori, assottigliamenti, ispessimenti o deformazioni in determinate zone. Tutto questo è evidentemente essenziale per migliorare le performance dell’apparecchiatura ortodontica adattandola alla situazione contingente del singolo elemento dentale ed alle esigenze del paziente con il progredire della sua situazione clinica, ottenendo il massimo risultato di azione sul dente nel minor tempo, senza inoltre creare danni ai tessuti circostanti. Il presente metodo è infatti utile anche per valutare gli effetti dell’apparecchiatura ortodontica nell’intorno del dente, ad esempio sui vasi capillari che nutrono il tessuto paradentale in modo da non oltrepassare i limiti di comprimibilità di tali vasi danneggiando il tessuto ed indebolendo quindi anche il dente.

Il presente metodo di misurazione delle forze sopra descritto consente inoltre di costruire librerie di dati relativi alle diverse tipologie di arcata dentale su cui una determinata apparecchiatura ortodontica è stata applicata e studiata relativamente alle forze da questa esercitate. Ciò permette di estrapolare dalla libreria i dati relativi al modello di arcata dentale più simile a quella del paziente in esame, e predire così l’azione di una determinata apparecchiatura ortodontica sull’anatomia del paziente anche senza utilizzare il dispositivo, ma utilizzando i dati da esso ricavati in precedenti misurazioni su arcate dentali identificate come modello delle varie tipologie di arcata esistenti.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a sue forme di realizzazione preferite È da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo per la misurazione delle forze e dei momenti esercitati da una apparecchiatura ortodontica su un calco (C) di arcata dentaria che riproduce l’arcata dentaria di un paziente, detto dispositivo comprendendo: una cella di carico (2) per ogni elemento dentale in detto calco (C), detta cella di carico avendo una estremità fissata rigidamente ad un elemento dentale e l’estremità opposta rigidamente fissata ad una base (B) che funge da supporto per il dispositivo; sensori di forza (S) costituiti da estensimetri applicati su detta cella di carico (2) in modo da rilevare, indipendentemente ed in tempo reale, i movimenti subiti da detto elemento dentale a seguito dell’applicazione di detta apparecchiatura ortodontica; e mezzi per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati di forza rilevati da detti sensori.
2. 2. Il dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta cella di carico (2) comprende una trave a sezione quadrata (201), una trave a sezione tubolare (202) ed un braccio (203), rispettivamente connessi tra loro, detta trave (201) avendo l’estremità libera fissata rigidamente a detto elemento dentale e detto braccio (203) essendo fissato su detta base (B) che funge da supporto per il dispositivo.
3. 3. Il dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detta trave a sezione quadrata (201) comprende: un elemento (204) di interfaccia con detto elemento dentale; due lamelle (205a, 205b) separate da un elemento separatore (206) su cui sono applicati almeno un sensore (S1) ed almeno un sensore (S2) che risentono rispettivamente dei movimenti di rotazione e torque (inclinazione) subiti da detto elemento dentale a seguito dell’applicazione dell’apparecchiatura ortodontica; una porzione ad “S” (207); su cui è applicato almeno un sensore (S3) destinato a rilevare le forze agenti sul dente in direzione linguo-vestibolare e almeno un sensore (S4) destinato a rilevare le forze agenti sul dente in direzione assiale; ed una porzione terminale (208) su cui è applicato almeno un sensore (S5) atto a rilevare le forze agenti sagittalmente sul dente; mentre almeno un sensore (S6) è applicato su detta trave a sezione tubolare (202), detto sensore (S6) essendo atto a rilevare i movimenti di tip (angolazione).
4. 4. Il dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detta trave a sezione quadrata (201) comprende: un elemento (204) di interfaccia con detto elemento dentale; due lamelle (205a, 205b) separate da un elemento separatore (206) su cui sono applicati almeno un sensore (S1) ed almeno un sensore (S2) che risentono rispettivamente dei movimenti di rotazione e torque (inclinazione) subiti da detto elemento dentale a seguito dell’applicazione dell’apparecchiatura ortodontica; una porzione ad “S” (207); su cui è applicato almeno un sensore (S3) destinato a rilevare le forze agenti sul dente in direzione linguo-vestibolare e almeno un sensore (S4) destinato a rilevare le forze agenti sul dente in direzione assiale; ed una porzione terminale (208) su cui è applicato almeno un sensore (S5) atto a rilevare le forze agenti sagittalmente sul dente; mentre almeno un sensore (S6) è applicato su una lamella (209) avvitata a detto braccio (203) tramite una sua estremità (210), detto sensore (S6) essendo atto a rilevare i movimenti di tip (angolazione).
5. 5. Il dispositivo secondo le rivendicazioni 3 o 4, in cui detti sensori (S1, S2, S3, S4, S5, S6) sono applicati su dette travi sotto forma di due estensimetri per ciascun tipo di movimento da rilevare, essendo inoltre detti due estensimetri disposti simmetricamente l’uno rispetto all’altro.
6. 6. Il dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detto braccio (203) è munito di un sistema di bloccaggio e di un sistema di posizionamento costituito da elementi snodabili tramite giunti sferici atti a regolare la posizione di detto braccio (203) rispetto a detta base (B) fino a raggiungere la posizione desiderata, nella quale detto braccio viene poi rigidamente bloccato per mezzo di detto sistema di bloccaggio.
7. 7. Il dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di acquisizione ed elaborazione dei dati comprendono una scheda elettronica di acquisizione in grado di convertire il segnale di forza acquisito in un segnale digitale che può essere trasmesso ad una adatta unità esterna di lettura.
8. 8. Un metodo per l’ottimizzazione di apparecchiature ortodontiche comprendente i seguenti stadi: - montaggio di un’apparecchiatura ortodontica su un calco (C) di arcata dentaria che riproduce l’arcata dentaria di un paziente; - uso del dispositivo come definito nelle rivendicazioni 1-7 per la misurazione delle forze esercitate da detta apparecchiatura su ciascun elemento dentale presente nel calco (C); - lettura ed interpretazione dei dati di forza rilevati e conseguente variazione delle caratteristiche di detta apparecchiatura fino ad ottenere i valori di forza desiderati.
9. 9. Un metodo per la creazione di modelli predittivi delle forze esercitate da una determinata apparecchiatura ortodontica su arcate dentarie di pazienti, comprendente i seguenti stadi: - identificazione di diverse tipologie modello di arcata dentaria, - uso del dispositivo come definito nelle rivendicazioni 1-7 per la misurazione delle forze esercitate da detta apparecchiatura su ciascun elemento dentale in ciascuna delle arcata dentarie identificate come tipologie modello; - creazione di una libreria di dati provenienti dalla suddetta misurazione delle forze per le diverse tipologie modello di arcata dentaria, - identificazione all’interno di detta libreria, dei dati relativi all’arcata dentaria modello maggiormente simile a quella del paziente in esame per ottenere un modello predittivo dell’azione di detta apparecchiatura ortodontica sull’arcata dentaria del paziente.