ITMI20120209A1 - Strumento dentale con sensore giroscopico di posizione - Google Patents

Description

STRUMENTO DENTALE CON

SENSORE GIROSCOPICO DI POSIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad uno strumento dentale con sensore giroscopico di posizione.

Sono molti gli strumenti che sono usati dagli operatori del settore dentale. Ad esempio sono usate apposite unità di fresatura nel posizionamento ad esempio di cosiddetto “impianto dentale†, cioà ̈ una radice artificiale a forma di vite in titanio o metallo similare che viene inserita nell’osso alveolare per sostituire le radici dei denti mancanti.

Infatti, questi impianti dentali sono provvisti di una cavità interna filettata per posizionare le sovrastrutture dentali, ove per “sovrastruttura dentale†(SD) si indicano i componenti protesici da avvitare nel filetto interno dell’impianto e che con la loro caratteristica consentono la fissazione della riabilitazione protesica avvitata o cementata.

Si noti che con il termine “riabilitazione protesica†(RP) si indica nel seguito quella protesi dentale che sostituisce un dente singolo, più denti o un intera arcata sostenuta e fissata agli impianti dentali precedentemente inseriti nell’osso alveolare tramite intervento ambulatoriale.

Dunque, ad esempio per la messa in opera di una riabilitazione protesica, si prevede una prima fase che consiste nel posizionare gli impianti dentali nell’osso alveolare con un orientamento che dipende dalla disponibilità ossea.

La fase di messa in opera prevede di effettuare fresature o fori nell’osso alveolare del paziente.

Si noti che attualmente solo raramente si riesce ad inserire gli impianti dentali paralleli tra di loro e quindi si deve ricorrere ad apposite sovrastrutture dentali che con le loro caratteristiche consentono di compensare la mancanza di parallelismo degli impianti dentali.

Questa problematica à ̈ mostrata sinteticamente nella figura 4 allegata.

Su questi dispositivi, che possono essere prodotti in serie o individualmente, viene poi realizzata la riabilitazione protesica fissata alle sovrastrutture tramite avvitamento (protesi avvitata) o stabilizzata tramite cemento odontoiatrico (protesi cementata).

La disponibilità anatomica, la capacità dell’operatore o le indicazioni cliniche creano una variabilità del risultato che non à ̈ compatibile con una produzione in serie di sovrastrutture parallelizzanti che si adeguino a tutte le soluzioni.

Si tenga presente che gli impianti arrivano ad essere posizionati con un angolo reciproco di 90° quindi si dovrebbero confezionare almeno 45 differenti tipi di sovrastrutture per una esatta compensazione (una per ciascun singolo angolo di inclinazione).

Le aziende presenti nel settore (principalmente per motivi tecnici di riduzione di costi), concordano nel fornire un assortimento limitato di angolazioni (es.: 10°-20°-30°â€¦) il che obbliga a discostarsi dalla condizione ideale di parallelismo, dovendo accettare delle soluzioni di compromesso.

Lo stesso problema si presenta nell’uso di altri strumenti dentali nei quali si debba svolgere una azione secondo un predeterminato orientamento derivante dalle problematiche connesse con l’orientamento secondo il quale si deve effettuare l’intervento sul paziente Di conseguenza, à ̈ lo scopo principale della presente invenzione quello di mettere a punto un dispositivo che applicato ad uno strumento dentale permetta di minimizzare questo inconveniente.

Questo scopo à ̈ raggiunto con uno strumento dentale con sensore giroscopico di posizione secondo le rivendicazioni allegate.

In breve, l’idea alla base della presente invenzione, à ̈ quella di utilizzare un sensore giroscopico di posizione associato al manipolo dello strumento dentale che sia in grado di fornire all’operatore informazioni relative alla posizione spaziale dell’utensile indipendentemente da quello che sia l’orientamento dello strumento durante il suo uso.

In questo modo, l’operatore riesce ad effettuare le operazioni alla portata dello strumento a prescindere dalla sua soggettiva abilità o esperienza.

L’operatore, infatti, riesce in ogni momento a monitorare la direzione di lavoro dell'utensile e di operare secondo la direzione selezionata in precedenza in funzione delle specifiche esigenze.

Le caratteristiche strutturali e funzionali dell’invenzione, ed i suoi vantaggi rispetto all’arte nota, risulteranno chiaramente comprensibili dalla descrizione seguente, riferita ai disegni allegati, che mostrano una possibile forma di realizzazione pratica dell’invenzione stessa.

Nei disegni:

- la figura 1 illustra uno schema di un manipolo di fresatura provvisto di sensore secondo la presente invenzione, parzialmente esplosi tra loro, in un gruppo operativo completo;

- la figura 2 illustra un dettaglio di parte dello strumento dentale provvisto di sensore di figura 1;

- la figura 3 illustra una variante di quanto già mostrato in figura 1;

- la figura 4 mostra un assieme di impianto dentale, sovrastruttura e protesi per i quali viene utilizzato lo strumento della presente invenzione;

- la figure 5, 6 e 7 mostrano particolari del supporto e dell’adattatore facenti parte dello strumento dell’invenzione mostrato nelle figure precedenti;

- la figura 8 mostra uno schema a blocchi dell’hardware dell’invenzione ove si illustrano i collegamenti tra le parti in gioco e le dipendenze tra di esse;

- la figura 9 mostra lo schema a blocchi dell’algoritmo di calcolo degli angoli;

- le figure 10 e 11 mostrano grafici indicanti la misura in gradi dell’angolo compreso fra la direzione della fresa nell’istante in cui si effettua lo “zero†e la direzione della fresa “corrente†.

Con riferimento alle figure 1 e 2 in esse à ̈ mostrata una forma esecutiva di uno strumento dentale con dispositivo di applicazione di un sensore secondo la presente invenzione, complessivamente indicato con 10, disposto all’interno di un gruppo operativo completo.

Lo strumento dentale 10 comprende un manipolo dentale 11 provvisto di un utensile di foratura 12 che in questo esempio à ̈ una punta a fresa, ma può anche essere un altro utensile.

Lo strumento 10 comprende poi un sensore di posizione 13 che viene associato al manipolo 11 tramite un apposito supporto 14 secondo l’invenzione.

Il sensore à ̈ costituito da un sensore giroscopico di posizione 13 e serve per determinare e regolare la disposizione spaziale dell’utensile di foratura 12 rispetto a tessuto osseo sul quale eseguire il foro o l’operazione richiesta. Il sensore utilizzato à ̈ un sensore completamente digitale.

A tale fine quale ulteriore ausilio si prevedono un elaboratore 16 del segnale trasmesso dal sensore di posizione 13 e mezzi di rappresentazione 15 della disposizione spaziale dell’utensile di foratura 12.

Con il termine “disposizione spaziale†si intende indicare in questa descrizione l'orientamento spaziale dell'utensile rispetto ad una terna di assi cartesiani. L’elaboratore 16 del segnale trasmesso dal sensore di posizione 13 svolge la funzione di elaborare i segnali generati dal sensore di posizione 13, ad esempio gli angoli di inclinazione, per renderli rappresentabili graficamente o confrontabili con soglie di valori noti. Il sensore 13 e l'elaboratore 16 sono connessi mediante una linea di comunicazione, che può essere a cavo 20 o wireless (segnali radio o simili), o altro.

Addizionalmente l'elaboratore 16 effettua anche tali confronti e genera segnali di allarme e/o interviene su un micromotore 17 che viene associato al manipolo 11 a completare lo strumento dentale 10, collegato tramite un rispettivo cavo 21.

L'elaboratore 16 può essere un componente a sé stante oppure può essere integrato in una unità che svolge diverse funzioni, anche non solo attinenti al controllo dello strumento 10. Ad esempio l'elaboratore 16 può essere integrato in un elaboratore elettronico, come un personal computer o simili.

I mezzi di rappresentazione 15, nel presente esempio, comprendono sia mezzi di visualizzazione 15A che mezzi di segnalazione acustica 15B.

I mezzi di visualizzazione 15A a loro volta comprendono uno schermo, come ad esempio quello di un elaboratore elettronico o simili; analogamente i mezzi di segnalazione acustica 15B comprendono un altoparlante, sia a sé stante che parte di un elaboratore elettronico.

L'associazione tra il sensore di posizione 13 ed il manipolo 11 avviene come detto tramite un apposito supporto 14 che reca secondo l’invenzione un adattatore angolare 18, ad esempio sotto forma di un cuneo.

L’adattatore 18 viene posizionato sul supporto 14 ad esempio in maniera amovibile o ricavato di pezzo.

Le figure 5, 6 e 7 mostrano particolari del supporto e dell’adattatore facenti parte dello strumento dell’invenzione mostrato nelle figure precedenti.

In particolare la figura 5 mostra una vista prospettica del supporto 14 che risulta costituito nell’esempio mostrato da una estensione sagomata a piastra allungata 19 che si estende da una corona circolare forata 22, costituente una testa sagomata di aggancio, per il fissaggio rispetto ad una estremità del manipolo dentale 11. In questa estremità viene poi anche collegato il micromotore 17.

La piastra o estensione sagomata a piastra allungata 19 a sua volta reca superiormente rivolta verso l’esterno una sede incavata 23 che riceve l’adattatore 18 sul quale viene poi collocato il sensore giroscopico 13, anch’esso anche con apposita sagomatura ad incastro complementare a quella prevista sull’adattatore. L’adattatore 18 presenta in questo esempio non limitativo poi due fori 24 atti a ricevere viti di fissaggio 25 che prima di impegnarsi sono passanti entro fori ulteriori 26 ricavati nella sede incavata 23 della piastra allungata 19.

Questa disposizione amovibile dell’adattatore 18 permette di avere la possibilità di variare la tipologia dell’adattatore 18 in funzione dell’angolo α necessario al corretto posizionamento.

La selezione dell’adattatore 18 à ̈ realizzata in modo da allineare l’asse x del sensore giroscopico 13 con l’asse X della fresa 12 montata sul contrangolo o manipolo 11.

In questo modo si rende la misura dell’angolo indipendente dalle rotazioni attorno all’asse X della fresa 12.

Il posizionamento dell’adattatore 18 rispetto al supporto 14 può avvenire in diversi altri modi: possono essere previsti ad esempio opportuni agganci su uno o entrambi, oppure, più semplicemente, si prevede di associarli mediante l'utilizzo di un semplice accoppiamento ad incastro in una apposita sede, come mostrato in precedenza, ecc. In ogni caso, si devono prevedere mezzi di impegno, reciproco liberamente scioglibili che consentono di sostituire l’adattatore 18 con un angolo α selezionato. Questo angolo α viene selezionato in funzione della tipologia del manipolo che ogni ditta costruttrice prevede con angolazione diversa della testa di collocazione dell’utensile.

Si noti che, vantaggiosamente, la posizione relativa del sensore di posizione 13 rispetto al manipolo 11 non influisce sulla rilevazione della disposizione spaziale dell’utensile di foratura 12 durante la lavorazione, per i motivi che verranno discussi tra poco e relativi, in breve, alla presenza di una fase preliminare di disposizione reciproca con angolo prefissato.

Tale fase preliminare di disposizione con angolo prefissato sarà effettuata ogni qualvolta il sensore 13 venga nuovamente associato al manipolo 11, ovvero sul supporto 14 e sul relativo adattatore prescelto 18.

In questo modo la posizione del sensore 13 verrà opportunamente associata all'asse di rotazione dell'utensile, anche nelle ipotesi di sostituzione della tipologia di manipolo o contrangolo o di modifica della posizione del sensore su di esso.

Successivamente alla fase iniziale di disposizione con angolo prefissato tarata, l'operatore potrà utilizzare lo strumento dentale 10 scegliendo di volta in volta un sistema di assi cartesiani di riferimento (che per comodità verrà identificata nel seguito con la dicitura "valore zero") a seconda delle proprie esigenze di lavoro, trasmettendo tali valori all'elaboratore 16. Ritornando brevemente ai mezzi di visualizzazione 15A essi mostrano la disposizione spaziale dell’utensile usato 12 rispetto ad una terna cartesiana di riferimento, coincidente con quella impostata e denominata "valore zero".

Tale visualizzazione mostra, in particolare, gli angoli di inclinazione dell'utensile usato, ad esempio quello di foratura 12, rispetto ai tre assi di tale terna cartesiana di riferimento, in modo che l'operatore tenendo in mano il manipolo 11 possa seguire sui mezzi di visualizzazione 15A, in modo molto preciso, la progressiva inclinazione che assume l'utensile 12 a seguito dello spostamento del manipolo 11.

La terna cartesiana di riferimento (rispetto alla quale sono misurati e mostrati gli angoli di inclinazione) viene stabilita, vantaggiosamente volta per volta, con la fase di impostazione del "valore zero", che permette all'operatore di avere un sistema di riferimento congruente con la realtà in cui si trova a lavorare (es. disposizione spaziale dell'impianto, del paziente, etc etc).

In pratica l'operatore impugna il manipolo 11 ed appoggia la punta dell'utensile 12 sulla parte che deve essere lavorata; egli poi, tenendo il manipolo 11 fermo per qualche istante, esegue la fase di impostazione del "valore zero" dello strumento 10: in questa fase l'elaboratore 16 rileva e memorizza la disposizione spaziale (ad esempio le inclinazioni rispetto agli assi o la disposizione della terna cartesiana dello strumento o ancora le componenti della forza di gravità sui tre assi della terna cartesiana dello strumento) rilevate dal sensore 13 e le memorizza per poi utilizzarle come il “valore zero†, ovvero il riferimento rispetto al quale verranno misurate le ulteriori disposizioni spaziali rilevate dal sensore 13.

In questo modo, ad esempio, l'operatore può lavorare agevolmente su di un paziente che presenta la mandibola aperta disposta inclinata a, poniamo, 15° rispetto all'asse orizzontale.

Volendo infatti effettuare un foro inclinato di 17° nell'osso di tale mandibola, l'operatore non dovrà preoccuparsi di tenere in considerazione l'angolo in cui si presenta la mandibola del paziente, ma gli basterà appoggiare la punta dell'utensile 12 nel punto in cui vuole iniziare il foro, eseguire la fase di impostazione del “valore zero†dello strumento 10 sull’elaboratore 16 tenendo il manipolo 11 nella posizione desiderata, muovere poi il manipolo fino a raggiungere l'inclinazione desiderata (appunto, 17° in questo esempio) misurata rispetto al “valore zero†impostato (che consiste quindi in un vero e proprio sistema di assi cartesiani di riferimento), seguendo sui mezzi di visualizzazione 15A la progressiva inclinazione assunta dalla punta dell'utensile 12.

Quando la punta dell'utensile 12 sarà spazialmente disposta in modo corretto, l'operatore aziona il motore 17 che muove l'utensile 12 e comincia l'operazione di foratura o fresatura o altro.

Un perfezionamento prevede che durante (tutta o parte) la fase di lavorazione dell'utensile 12 del manipolo 11, la sua posizione venga monitorata in modo sostanzialmente continuo. Ciò si ottiene prevedendo che il sensore di posizione 13 trasmetta in continuo segnali all'elaboratore 16 il quale li converte ed adatta ad essere visualizzati con continuità sui mezzi di visualizzazione 15A, in modo che l'operatore possa tenere sotto controllo, anche durante la lavorazione, la disposizione spaziale dell'utensile 12, onde verificare che esso sia disposto correttamente.

Anche tale visualizzazione durante la lavorazione avviene con riferimento alla terna di assi cartesiani determinata durante la fase di impostazione del “valore zero†di cui sopra.

Un ulteriore perfezionamento prevede che siano preimpostate e/o impostabili delle soglie di tolleranza, superate le quali si attiva un allarme, sonoro e/o visivo: supponendo che l'operatore debba effettuare un foro inclinato di 17° rispetto ad uno (o più) assi della terna cartesiana di riferimento, l'operatore può impostare una soglia di tolleranza ad esempio di ± 2°, in modo tale per cui quando si esce da tale intervallo di tolleranza (da 15° a 19° nell'esempio appena fornito) viene emesso un segnale sonoro (emesso dai mezzi acustici 15B) e/o visivo (mediante i mezzi di visualizzazione 15A).

Una variante vantaggiosa prevede che il segnale sonoro venga emesso con continuità, anche all'interno dei valori di tolleranza: in questo caso il segnale à ̈ vantaggiosamente di intensità e/o frequenza variabile (ad esempio, crescente) in modo proporzionale alla distanza dal centro dell'intervallo di tolleranza (quindi dai 17° in questo esempio) in modo che l'operatore possa seguire con gli occhi l'operazione di lavorazione senza perdere il controllo dell'inclinazione, che può seguire, indirettamente, mediante il segnale sonoro così generato. Ancora un'altra soluzione prevede che, superato il primo intervallo di tolleranza di una certa quantità, vi sia una azione di intervento sul motore 17 che aziona l'utensile 12, per spegnerlo automaticamente.

Una variante dello strumento 10 Ã ̈ mostrata in figura 3. In questa variante con gli stessi numeri sono indicate le stesse parti, sulle quali quindi non si torna oltre per ragioni di concisione.

In questa variante il manipolo 11 Ã ̈ azionato dal motore M secondo gli insegnamenti forniti nel brevetto EP 1842484 della stessa titolare.

Gli insegnamenti di tale brevetto, con particolare riferimento alla descrizione del sistema motore alle pag.2-4 e disegni 1-4 Ã ̈ da considerarsi come incorporata nella presente descrizione e parte integrante della presente invenzione. Quanto indicato con 16 nella figura, vale a dire un elaboratore, potrebbe essere incorporato nel motore M in quanto motore intelligente.

La figura 8 mostra uno schema a blocchi dell’hardware dell’invenzione ove si illustrano i collegamenti tra le parti in gioco e le dipendenze tra di esse.

La figura 9 mostra lo schema a blocchi dell’algoritmo di calcolo degli angoli. Il sensore 13 à ̈ come detto un sensore giroscopico elettronico a tre assi. E’ dotato di interfaccia seriale veloce ed à ̈ in grado di fornire le velocità angolari di rotazione del sensore stesso attorno ai suoi tre assi x, y, z (indicate nei tre blocchi 50, 51, 52, denominati "velocità di rotazione").

La Control Board o quadro di comando 16 acquisisce tramite seriale veloce 53 i dati relativi alle velocità giroscopiche forniti dal sensore 13.

La Control Board 16 effettua il calcolo degli angoli e prepara i dati per il sistema M. (il calcolo degli angoli avviene attraverso il calcolo integrale nel tempo degli andamenti delle velocità angolari).

Gli angoli Pithc (angolo di beccheggio), Roll (angolo di rollio), Jaw (angolo di imbardata) vengono poi ricombinati matematicamente per la rilevazione dell'angolo 3D, ovvero la misura in gradi dell’angolo compreso fra la direzione della fresa nell’istante in cui si effettua lo “zero†e la direzione della fresa “corrente†, nel piano a cui appartengono le due rette indicanti la direzione iniziale e corrente (vedasi figure 10 e 11).

Sono poi possibili, numerose varianti, tutte da intendersi come parte della presente invenzione.

Ad esempio, in luogo della punta a fresa potrebbe essere equivalentemente prevista una punta a trapano o un simile utensile di foratura utilizzabile per effettuare altre tipologie di fori in ambito dentistico.

Inoltre, in luogo di un manipolo 11 potrebbe essere previsto un analogo strumento dentale, come un trapano, od altro utensile ad uso dentistico.

Ancora, in luogo di un intervallo di valori potrebbero esserne previsti due, tre o più con uno o più allarmi selettivamente azionabili in funzione del superamento di tali valori di soglia.

Per quanto attiene a questi ultimi, poi, potrebbe essere opportuno avere solo valori preimpostati, oppure solo impostabili dall'operatore, oppure una combinazione dei due, ad esempio per poter regolare lo strumento 10 in modo più veloce nel caso si debbano effettuare operazioni di routine e in modo preciso nel caso in cui le operazioni da effettuarsi siano differenti da quelle usualmente poste in atto.

Sono così conseguiti gli scopi menzionati al preambolo della descrizione.

L’ambito dell’invenzione à ̈ definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Strumento dentale (10) con dispositivo di applicazione di un sensore giroscopico di posizione, ove lo strumento dentale à ̈ del tipo a manipolo dentale (11) provvisto di una testa portautensile e di relativo utensile (12) ai quali associato un micromotore (17), caratterizzato dal fatto che a detto manipolo dentale (11) à ̈ vincolato un supporto (14) sul quale à ̈ disposto un sensore giroscopico di posizione (13), tra detto sensore giroscopico (13) e detto supporto (14) essendo interposto un adattatore angolare (18) di tipo amovibile che determina una disposizione spaziale di un asse (x) di detto sensore giroscopico (13) parallelo ad un asse operativo (X) di detto utensile (12).
2. 2. Strumento dentale secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto supporto (14) comprende una testa sagomata (22) di aggancio a detto manipolo (11) ed una estensione sagomata a piastra (19) di vincolo di detti sensore (13) e adattatore (18).
3. 3. Strumento dentale secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto supporto (14) comprende anche una testa sagomata di aggancio che prevede una estremità ad anello (22) inseribile su una estremità complementare di detto manipolo (11) prima dell’aggancio a detto micromotore (17).
4. 4. Strumento dentale secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto supporto (14) prevede una sede (23) di alloggiamento e stabile posizionamento di detto adattatore angolare di tipo amovibile (18).
5. 5. Strumento dentale secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto sede (23) e detto adattatore (18) prevedono mezzi di impegno reciproco liberamente scioglibili (25, 24, 26).
6. 6. Strumento dentale secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto adattatore (18) à ̈ sagomato in forma di cuneo.
7. 7. Strumento dentale secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto adattatore (18) à ̈ costituito da una estensione di detto supporto.
8. 8. Strumento dentale secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi (15) di rappresentazione della disposizione spaziale di detto utensile.
9. 9. Strumento dentale secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rappresentazione della disposizione spaziale di detto utensile comprendono mezzi di visualizzazione (15A) e/o mezzi di segnalazione acustica (15B).
10. 10. Strumento dentale secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un elaboratore (16) di un segnale trasmesso dal detto sensore giroscopico di posizione (13).