JP2004506472A - Method and apparatus for drilling teeth using pressurized water injection - Google Patents

Method and apparatus for drilling teeth using pressurized water injection Download PDF

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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61CDENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
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    • A61C3/02Tooth drilling or cutting instruments; Instruments acting like a sandblast machine
    • A61C3/025Instruments acting like a sandblast machine, e.g. for cleaning, polishing or cutting teeth
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61CDENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C1/00Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design

Abstract

高圧水噴射を用いて歯に穿孔し腐食した工具物質を除去する装置および方法を開示する。本発明によるシステムは、歯(32)の腐食部分に水流(28)を定めるために用いるアプリケータ(16)に作動可能に接続した加圧水源(12)を含むことができる。本発明は、単一または多数の水流オリフィスを利用した水流、純水または粒子混入流、および一定高圧または脈動圧力を利用して、エナメルを含む口腔物質の除去を達成する。An apparatus and method for removing corroded tool material by piercing teeth using high pressure water jets is disclosed. The system according to the present invention may include a pressurized water source (12) operatively connected to an applicator (16) used to define a water flow (28) on the corroded portion of the tooth (32). The present invention utilizes a water flow utilizing a single or multiple water flow orifices, pure water or particle entrained flow, and constant high pressure or pulsating pressure to achieve the removal of oral material, including enamel.

Description

【0001】
(発明の背景)
1.発明の分野
本発明は、歯を穿孔して腐食したエナメルまたはその他の歯質(tooth matter)を除去し、歯科修復充填物を受容するのに適当な大きさおよび形状の表面を設ける分野に関する。更に具体的には、本発明は、1つ以上の高圧水流を用い、水中に懸濁された研磨材を用いるか、または用いずに歯を穿孔する方法および装置に関する。
【0002】
2.技術的背景
米国歯科協会調査局によれば、1990年だけでも米国内において推定151,810,000回もの歯科充填処置が行われた。現在、陥凹充填処置において歯質を除去するための最も普及している周知の方法は、高速穿孔過程によるものである。穿孔は、多くの場合かなりの不快感および不安を伴う。殆どの人は、歯科医に行き陥凹を埋めてもらうことを非常に不快で苦痛な体験だと思っている。典型的な穿孔過程に伴う音、臭い、および苦痛から、歯科医を訪れることに嫌悪感を抱く人もいる。
【0003】
高速歯科用ドリルとは、端部にビットを配し、電気または空気動力源で駆動される機械式ドリルである。ドリル・ビットは、その回転ヘッドが歯に接触すると、歯の小片を除去するように設計されている。この除去方法は、金属またはセラミックの部分を除去するときの工業用ドリルと全く同様に機能する。歯科用ドリルは、一般に、手持ち式であり、虫歯を除去するために歯の殆どの領域において容易に位置決めができる。穿孔過程は、多くの場合、穿孔される歯を冷却するための水と、この水および歯くずを除去するための吸引装置(vacuum)を必要とする。穿孔過程には、低コストであり、歯科分野において広く認められているという利点がある。しかしながら、歯科用途における穿孔には多くの不都合がある。回転ビットの切除動作は、エナメルを損傷し、歯の構造を弱化させる虞れがある。この過程は、患者にとって侵襲的であり、ドリル・ビットの大きさのために、必要よりもかなり多くの健康な物質も除去しなければならないことも多い。
【0004】
多くの場合、患者はエナメルの腐食によって既にストレスを受けている可能性がある歯神経近傍における研削や振動による不快感を体験している。この過程の間、患者には、ドリル・モータの一定で高いピッチの唸り音が聞こえ、多くの人にはこれに痛みと不快感が伴い、紛れもない恐怖と感じる人もいる。穿孔処置の苦痛および不快感を相殺するために、大量の鎮痛剤が必要となる場合もあるが、薬剤の効き目が現れるまで待機する必要があり、その結果、過程が更に長引く可能性がある。また、薬剤の使用により、処置のコストも増大する。これらの問題の結果、歯を穿孔する過程では、患者には数分または数時間にもおよぶ不快感および不安が伴う。
【0005】
歯科用穿孔の欠点を克服するために、腐食した歯質を除去する代替方法が研究されている。係る方法の1つが空気研磨である。空気研磨装置は、加圧空気を用いて歯の上に小研磨粒子を推進させ給送することにより、表面を研磨して取り除く。空気研磨装置は、浅い表面陥凹に対しては非常に有効に用いられ、高速ドリルよりも健康な歯をより多く保存できる場合が多い。また、研磨粒子の歯に対する衝撃が非常に小さいので、振動は気にならず、痛め止めの注射は通常不要である。このため、時間が節約でき、患者の安心感が増す。しかしながら、空気研磨法は、歯の外部エナメル層の下に穿孔し、軟質組織にまでおよぶ場合、さほど時間効率的ではない。これは、部分的に、象牙質と呼ばれるエナメル面直下にある軟質組織が部分的に研磨粒子の衝撃を吸収するためである。粒子は、歯のこの部分から跳ね返り易く、研磨材流(abrasive stream) の掘削効果が弱まってしまう。
【0006】
近年導入された穿孔に代わる別の方法に、レーザ穿孔および切除技術がある。レーザは、歯科業界において歯質を除去する最も正確な方法である。これらは、制御性がよく、現在利用可能な方法全ての中でも最小の切除幅で、歯の表面および下地組織を貫通することができる。レーザの使用により、切除する歯に隣接する領域に、熱影響ゾーン(heat−affected zone)を生ずるが、数々の研究により、この影響は歯の健康に永続的な損傷を起こす程大きくないことが示されている。レーザは歯科用途では大きな効果を挙げているが、これらを使用する歯科医は非常に少ない。その主な理由は、これらのコストが代替法よりも著しく高いからである。また、殆どの歯科医は、現在の方法に対して大きな改善があることが分からなくては、技術に投資する気にはならない。
【0007】
新たな腐食除去方法を開発するに当たり、腐食した歯質を除去可能としつつ、健康な歯質をできるだけ多く保存するのに一層適した装置および方法が求められている。健康な歯質をその場に多く残すことは、歯全体の力を維持し、後に歯がかける可能性を最少に抑えるのに有効である。高速ドリルの場合、最少切除寸法は、切除工具の幅によって制限される。腐食した部分に十分到達するためには、比較的大量の健康な歯質を除去しなければならない。空気研磨およびレーザ法は、切除量を減らすことができ、したがって以前に可能であったよりもはるかに多くの健康な歯を保存することができる。しかし、更に一層正確に切除できるようになっても、過程の速度、除去可能な物質の種類、および必要な機器のコストが制約となる。これらの方法は一度に歯の比較的小さな領域を除去できるに過ぎないので、除去する物質の領域が大きくなる程、必要な時間も長くなる。
【0008】
以上のことから、歯の穿孔装置および方法の改良が求められている。係る方法は、患者の不快感を極力抑えて、エナメルやその他の腐食物質を迅速に除去するのに効果的でなければならない。従って、係る装置は、動作が静かで、患者の口に同時に挿入しなければならない器具を最低限に抑えることが当然好ましい。更に、係る装置は、稼動に費用がかからず、現在の歯科医院のシステムと容易に一体化できる機器と共に機能してしかるべきである。係る機器は、自己冷却式で精度が高く、健康な歯構造を保存できなければならない。更に、係る方法は、患者の苦痛を最小限にし、歯科医に行くことを考えるだけで既に大きな不安となるような患者に、心理的なストレスを与えないようにしなければならない。
【0009】
(発明の概要)
本方法および装置は、小さなオリフィスを通した高圧液体、即ち、水噴射を利用して、歯科修復処置のために腐食した歯を切除し除去する。水噴射は、周囲の物質を損なうことなく、他の方法よりも遥かに容易に多くの物質を切除することができる。本装置は、高速導管を通じてアプリケータに水のような加圧液体流を供給するように構成された圧力源を備える。アプリケータは、第1液体流を口腔面に向けるように位置付けた第1オリフィスを有し、オリフィスから射出される液体流の速度は、歯のエナメルのような歯質内に穿孔することができる。
【0010】
また、水噴射歯科用工具は、加圧液体中に懸濁させた研磨材を有することもできる。研磨材は、液体と混合し、ほぼ均質化したスラリを作成するのが通例である。スラリ内の研磨材は、直径が1乃至30ミクロンのサイズとするとよく、3%乃至20%の範囲の研磨材体積濃度を有する。本装置および方法では、いずれの数の研磨材でも用いることができる。酸化アルミニウム、軽石、重曹、およびイルミナイト(illminite) は、現在歯科分野で用いられている研磨材であり、水噴射システムで用いると、十分な量の歯質および口腔物質を除去することもできる。スラリは、高圧の下でアプリケータから射出される。通例では、スラリの圧力は、1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)の範囲であり、好ましくは、3.45MPa乃至17.2MPa(500psi乃至2,500psi)の範囲とするとよい。スラリおよびオリフィスのサイズのように、別の要因に応じて、別の実施形態では250psi未満のスラリ圧力が有用となる場合もある。
【0011】
アプリケータ内のオリフィスは、異なる穿孔要件毎に種々の形状を有することもできる。一実施形態ではオリフィスは円形であり、別の実施形態ではオリフィスは楕円形である。しかしながら、広範囲の歯科用途のために、別の形状のオリフィスを水噴射に実施することもできる。オリフィスのサイズは、0.003インチ(0.076mm)乃至0.008インチ(0.203mm)の範囲とするとよい。加えて、アプリケータは、水流を歯に向けるために1つよりも多いオリフィスを有してもよく、更に液体圧力に周期的変化を導入することができてもよい。
【0012】
また、本方法は、本手順を具体化することによって、別の装置によって実施してもよい。その過程は、液体を加圧することを含む。圧力は、スラリの組成に応じて、あらゆる数の範囲とすることもできる。次いで、加圧液体をアプリケータ内に送り込む。アプリケータは、歯に穿孔するのに十分な直径を有する任意の数のオリフィスを備えることができる。次に、アプリケータは、歯に穿孔するのに十分な速度で、高圧液体またはスラリ流をオリフィスから射出する。
【0013】
本装置および方法の動作、特徴、および利点は、以下の説明および添付した特許請求の範囲から一層明らかとなるか、あるいは以下に明記する本発明の実施によって習得することができる。
【0014】
(詳細な説明)
本発明の現時点における好適な実施形態は、図面を参照することにより最も良く理解されよう。図面全体において、同様の部分には同様の番号を付することとする。本発明の構成部品は、ここに全体的に説明し図に示すが、多種多様の異なる構成に配し構築できることは容易に理解されよう。したがって、以下に続く本発明の装置、システム、および方法の実施形態の更に詳細な説明は、図1乃至図8に示すように、特許を請求する本発明の範囲を限定することを意図しているのではなく、単に本発明の現時点における好適な実施形態を表すに過ぎない。
【0015】
図1を参照すると、水噴射歯科用工具10は、加圧液体源12および液体流アプリケータ16を有するものとして示されている。加圧液体源12およびアプリケータ16は作動可能に接続されており、アプリケータ16が圧力源12から高圧液体を受容するようになっている。加圧液体源は、高圧液体ポンプ、または加圧気体タンク、加重ピストン、または圧縮可撓性ブラダーのようなその他の圧力発生装置としてもよい。加圧液体源12およびアプリケータ16は、高圧に耐えることができる任意の液体移送装置によって接続され得る。本システム10では、高圧ホース、ブロックの穿孔部(drilled section) 、またはその他のいずれかの同様の高圧導管20を用いることができる。一旦高圧液体がアプリケータ16に到達すると、水噴射10からオリフィス24を通って射出される。オリフィス24の直径は、高圧導管20の直径よりも小さい。
【0016】
係るノズル・システムの一定体積流量によって、高圧液体がオリフィスを通過すると、高速液体に変換される。液体28の細流は、アプリケータ16によって、図1に示す歯32のような、所望の口腔物質に向けられる。高速液体流28は歯の表面に衝撃を与え、それにより水は減速する。液体流28の減速により、歯32において、歯32に向かう方向および液体流28の同じ方向に反作用力が生ずる。力は、質量と加速度の積に等しいので、液体の減速度と歯32に衝突した液体の質量との積から、歯質を除去するのに十分な力が歯32の上で生ずる。図1は、可能な虫歯除去処置を示す。しかしながら、この水噴射歯科用工具10は、欠けた部分を滑らかにする際におけるように、健康な歯質を除去したり、歯根処置におけるように、軟質口腔物質を除去することも可能である。水噴射歯科用工具10は、従来のドリルと同じ多くの用途に用いることができる。
【0017】
図1に示す歯科用工具には、種々の実施形態が存在する。例えば、図2が示す水噴射では、液体を研磨材と組み合わせて研磨スラリを作成する。スラリとは、液体、多くの場合においては水と、数種類の精細分割粒子状物質のいずれかとの混合である。スラリは、液体と同様に水噴射システムを通じて移動するが、これに加えて、研磨を行い歯質または他の同様の物質の除去を容易にする。口腔環境では、液体と混合するために選択する粒子は、適用対象の衛生規格(health standard) を考慮の上選択しなければならない。酸化アルミニウムのような研磨材は、歯科用途では既に用いられており、米国食品医薬品局(United State Food and Drug Administration) によってこの材料は歯科用途に承認されているので、好ましい。軽石、重曹、およびイルミナイト(illminite) のような他の研磨材も、口腔環境では安全であり、歯質の除去に用いることができる。安全であることに加えて、研磨材は、粒子サイズ、体積濃度、硬さ、および不溶性というような、その他の重要な物理的特性を有していなければならない。
【0018】
スラリ研磨材の粒子サイズは、液体流によって除去する物質量を決定し制御する際の要因となる。虫歯物質を除去するための一実施形態では、研磨粒子サイズは、1乃至30ミクロンの範囲であることが好ましい。通例では、粒子サイズを分類するには、研磨材が通過する濾網またはフィルタのサイズを基準とする。粒子サイズに対する本章および別の章における言及は、研磨材をいずれか1つの粒子サイズに限定するように解釈されてはならない。例えば、ある量の20ミクロン酸化アルミニウムは、20ミクロンよりも大きな粒子または小さな粒子もある程度の割合で含んでいる場合もある。これは、選別過程においてよく見られることである。むしろ、ある量の20ミクロン酸化アルミニウムは、完全ではないが、ほぼ20ミクロンの粒子で構成されるであろう。更に、液体および研磨粒子の他に、スラリには別の物質が存在する場合もある。例えば、スラリの用途および種類を多種多様に広げるために、様々な種類の鎮痛剤や洗浄材をスラリ内に含む場合もある。また、スラリ内に研磨粒子を懸濁させるのを促進する種々の物質を用いる場合もある。
【0019】
好適な実施形態では、スラリ内の液体は、4%乃至17%体積濃度の研磨材を有する。この好ましい範囲によって、スラリは、切除に適した量の研磨材を保持しつつ、全体として液体のままであることが可能である。研磨材対液体の比率を適正にすることにより、水噴射の機能を最適化することができる。ポンプ、圧力増幅器、またはその他の圧力源における液体の加圧を可能にするためには、スラリはほぼ液体のままでなければならない。しかしながら、安全性および動力発生の理由からシステムを低圧力範囲で動作させることも望ましい。
【0020】
一実施形態では、4%乃至17%の体積濃度が好ましいが、他の範囲もこの開示内容の範囲に該当する。例えば、本装置は、研磨材を用いなくても、口腔物質を除去することができる。これは、かなり腐食が進んだ歯や、歯茎の処置を伴う状況で用いられ得る。この水噴射システムでは、研磨材の濃度を更に高めて用いることもできるが、スラリがスラッジになるのを防止するように注意しなければならない。加えて、研磨材の濃度を高めると、作業領域周囲に汚い残留物を生ずる可能性もある。体積濃度を17%にすると、効率的な切除が可能な優れた混合物が得られるが、作業領域周囲に研磨粒子からの噴霧残留物が残る。体積濃度が11%の混合物では、これよりも濃度が高い研磨材よりもかなり汚染が少なくなるが、17%研磨材による場合ほど効率的な切除は行われない。したがって、加圧液体における研磨材の体積濃度を選択する際には、個々の環境および用途を考慮しなければならない。
【0021】
現在においては、スラリに好ましい液体は、その安全性および入手可能性から、水である。しかしながら、その他の液体も、圧力を生ずることができ、研磨材を懸濁させることができるのであれば、用いることができる。水は優れた溶剤であり、水噴射において使用可能な研磨材の種類が限られてしまう。例えば、重曹は水噴射の用途に用いることができるが、水に溶解してしまうため、その研磨材としての特徴が生かされない。加えて、システム全体を通じて係る研磨材を均質に保持することが難しい場合もある。スラリを均質に保つと、スラリの高圧流に歯を晒す時間の較正および計時に役立つ。水以外の液体では、研磨材の可溶性が低ければ、水噴射に用いることができる。
【0022】
図2に戻り、この実施形態は、水噴射歯科用工具40においてスラリを混合するために可能な2つの機器および場所を有するシステムを示す。このシステムは、液体源48から液体を受容するポンプまたはその他の圧力源44を有する。研磨材ミキサ50,52は、ポンプのいずれの側に位置してもよい。このシステムはミキサ50,52の双方を必要とする訳ではないが、通例では一方または他方を有する。ポンプ44の上流側にあるミキサ50は、研磨材供給装置56から、システムを通過する液体の体積に基づいて、ある量の研磨材を受容する。上流側ミキサ50は、液体および研磨材の双方を受容し、これらを混ぜ合わせて適当な濃度のスラリを形成する。次に、スラリはポンプに進入し、高圧に加圧される。一旦、スラリが加圧されると、該スラリは高圧導管60を通って流出する。スラリはアプリケータ64に入り、切除する物質に向けられる。しかしながら、この実施形態にはいくつかの不都合がある。ポンプにおいて加圧されるスラリのために、ポンプの構成部品が磨耗し、ポンプの漏洩や故障を招く虞れがある。
【0023】
この損傷を回避するために、下流側ミキサ52によって研磨材を加圧液体に加えるとよい。この研磨材混合過程では、研磨材は、一回の一括形態で、または間欠的に加圧液体内にスラリとして、高い差圧の水流に注入されなければならない。一回の一括注入手順では、通常、限られた穿孔時間および深さに適した量の一回分がシステム内に供給される。しかし、歯科修復作業では、通院毎に行う歯科穿孔処置は僅かに過ぎないのが通例であるので、下流側ミキサ構成は歯科処置に非常に適している。あるいは、低圧の実施形態では、追加の変更や作業を全く伴うことなく、圧力源の下流において研磨材を適当に追加することもできる。更に別の実施形態では、システムは研磨材と液体を全く混合しなくてもよく、研磨材を含まない液体だけを用いて切除機能を果たすこともできる。
【0024】
個々の用途に対して設計を選択する際には、各研磨材注入方法の利点および欠点を考慮しなければならない。ここでは、ポンプまたはその他の圧力源の下流にミキサ52を配置することが、ポンプまたは圧力源を長持ちさせるためには好ましい。1回分の研磨材を研磨材供給装置に装填すれば、多数回の口腔処置に固定量の研磨材を供給することができる。しかしながら、システムに対する磨耗を極力抑えてスラリを加圧できるポンプがあれば、好ましい。
【0025】
スラリがどこで混合されるかには係わらず、混合物はスラリとしてアプリケータ64に入り、オリフィス68から退出する。図3は、図2のアプリケータ64の断面図を示す。アプリケータの本体76内には、水噴射システムにおけるような高圧に耐えることができる管、即ちチャネル72が存在する。チャネル72は、その中をスラリが通過するように示されており、スラリは液体84内で粒子80で表されている。スラリ混合物は、チャネル72を通過し、チャネル72の端部に結合されているノズル88に入る。ノズル88は、オリフィス96を支持するコレット92を有する。スラリは、混合物の内圧によって、小さなオリフィス96を通過させられる。スラリの圧力対速度の力学的関係は、ベルヌーイの式によって最良に関係付けることができる。ベルヌーイの式は、一定流量を有する流体系における2点に対する液体の圧力、速度、密度、および高さ(elevation) を関係付ける。水噴射では、システムに入る液体の体積は、オリフィス96から退出する水の体積に等しい。何故なら、他に液体の入出力源がないからである。この理由のため、ベルヌーイの式は水噴射の計算に適している。以下の式では、システムの加圧点において最初の測定を行い、液体がオリフィスから退出した直後に2回目の測定を行う。以下にこの式を示す。
【0026】
【数1】

Figure 2004506472
上記式中、
=システム内部の液体の圧力
=オリフィスから退出する液体の圧力
=システム内部の液体の速度
=オリフィスから退出する液体の速度
ρ=液体の密度
g=重力
=システム内部の液体の高さ
=オリフィスから退出する液体の高さ
【0027】
この式によって、種々の設計パラメータに応じて水噴射システムの特徴を形成することができる。歯科水噴射用途において重要な要因は、液体流の退出速度、アプリケータと歯との間の距離、液体の内圧、水流の大きさ、および液体の密度である。例えば、退出速度が既知であるとすると、上述の式を用いれば、既知の退出速度を得るために必要な内圧について解くことができる。これは、歯科医がスラリ流の切除速度と切除深さの関係を理解している場合に有用であろう。しかしながら、圧力計算を簡略化するために、いくつかの仮定を設けることが可能であり、そうするべきである。第1に、液体がシステムを通過する際の最少摩擦損失の仮定がある。摩擦損失は生ずるが、この損失を無視しても、精度が幾分落ちるだけで、計算が大幅に簡略化する。第2に、液体がノズルから退出するときの圧力を大気圧(約14.7psi)と仮定する。液体退出位置における圧力は実際には多少変動する場合もあるが、大したことはない。第3に、第1点および第2点間における高さの変化は、2つの圧力の差圧と比較した場合、極小さいものであると仮定する。最後に、水の第1速度は、第2点における退出速度と比較した場合、0であると仮定することができる。これらの仮定に従い、水の内圧について式を解く。
【0028】
【数2】
Figure 2004506472
この式は、毎秒100インチ乃至毎秒1000インチの速度を得るためには、システム内の圧力はそれぞれ約200psi乃至18,000psiでなければならないことを示す。したがって、較正の目的のために、退出速度を関連する圧力に対して評価 (scale)することができる。図2および図3に示す実施形態では、好ましい動作圧力は1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)の間である。最適な圧力範囲は、好ましい研磨材の種類、体積濃度、オリフィスのサイズ、液体の種類、およびその他の要因によって左右される得る。異なる値や材料を用いる場合には、別の圧力範囲が好ましい場合もある。例えば、研磨材のサイズが大きく濃度が高い場合、特定の用途に対して本システムは全体的に低い圧力で作動することもできる。係る実施形態は、本発明の水噴射歯科用工具の範囲に該当するものとする。
【0029】
本発明のシステムでは1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)の圧力範囲が好ましいが、現在好ましいスラリの特性では、水噴射が最も実用的に動作するのは3.45MPa乃至17.2MPa(500psi乃至2,500psi)の範囲である。現在好ましいスラリは、体積濃度が11%の20ミクロン酸化アルミニウム/水スラリである。この圧力範囲にすれば、低価格の機器および安全性の高い操作で歯の穿孔が制御可能である。直感的にわかるように、液体の圧力が高い程、水流が歯を穿孔する速度は高い。したがって、穿孔処置の最適制御を可能とするには、低圧を維持するとよい。用いる圧力が低い程、必要な機器も安価ですむ。高圧ポンプ、バルブ、およびホースのコストのために、水噴射歯科用工具の価格実現可能性が制限される場合もある。低圧動作であれば、機械を手頃な価格に抑えることができる。更に、低圧範囲は高圧範囲よりも安全である。何故なら、液体に蓄積されるエネルギが少ないからである。単一の処置中に高圧および低圧の双方を用いる別の実施形態も可能である。本システムは、流体の圧力を変動させ、これによってオリフィスから退出する液体の速度を変動させるように構成することもできる。変動装置は、流体に圧力スパイクを生成可能なポンプ、または種々の間隔で流体流を切断するバルブであり得る。
【0030】
図に戻ると、図4は、射出後研磨材ミキサを有する水噴射システムの別の実施形態を示している。図2のシステムと同様、水噴射システムは、液体を加圧する増強ポンプ108に液体を供給する低圧液体源104を有する。典型的な増強ポンプ108は、端部と端部とが整合された2つのシリンダで構成することができ、一方のシリンダが大きく、他方のシリンダは小さい。ポンプ108では、圧力は力を面積で除算した値に等しいという単純な原理を用いている。面積が減少すれば、その結果、力は増大する。したがって、大きなピストンが液体を小さいシリンダ内に送り込むと、2つのシリンダ面積間の差に比例して圧力は上昇する。圧力が増大する一方で、その系は液体の流量を犠牲にする。しかしながら、水噴射は低流量である必要があるので、増強ポンプは水噴射歯科用工具には非常に適している。増強ポンプ108内のピストンは、油圧112または空気ポンプで駆動して、液体を加圧するとよい。一旦液体を加圧すると、高圧導管116を通過してアプリケータ120に向かう。アプリケータ120は、研磨材源124から研磨材を受容する。アプリケータにおいて、研磨材は液体と混合され、得られたスラリが歯またはその他の口腔物質に向けて射出される。
【0031】
本水噴射歯科用工具において、アプリケータ120は、歯科用ドリル型機器と同様、手持ち操作が可能である。これによって、歯科医が熟知した方法で工具を柔軟に使用することが可能となる。あるいは、患者の口の上の場所に配した位置決め装置にアプリケータを取り付け、自在アーム(flexible arm)またはその他の位置決め装置によって、異なる操作位置に水噴射流を設定することもできる。別の実施形態では、液体流が歯に衝突する場所を較正し、歯科医がアプリケータ120を位置決めし易くすることもできる。アプリケータ120にスタイラスを設け、水流衝突位置を示すようにしてもよい。あるいは、アプリケータは、穿孔位置を示す光またはレーザを有してもよい。本アプリケータ120では、本開示の目的および機能を同じくする別の実施形態も存在可能である。
【0032】
図5は、射出後研磨材ミキサを有するアプリケータの断面図を示す。同様のアプリケータと同じように、液体140はアプリケータ120のチャネル144を通過する。チャネル144は、アプリケータの本体148内に固定されており、図5では、ホース状導管として示されている。液体140は、ノズル152に進入する際には、研磨材が全く懸濁されていない。図5のノズルは、図3のノズル64と全体的に同一である。液体はノズル152に入り、オリフィス・ディスク160のオリフィス156から高圧で押し出される。射出の時点では、水流164には研磨材が含まれていない。図5の実施形態では、研磨材168は、オリフィス156を離れた後、再合焦ノズル(refocusing nozzle) 172において高圧水流164に混合される。研磨材168は、退出する液体流によって発生する減圧によって、研磨材供給管176を通って再合焦ノズル172に引き込まれる。一旦研磨材が再合焦ノズル172に入ると、液体流164と混合されてスラリが形成される。再合焦ノズルのテーパ部によって、液体流164は再度細流に再合焦され、作業領域178に射出される。
【0033】
図3および図5に示すように、水噴射除去工具は、オリフィス・ディスク96,160を支持するコレット92,158を有する。スラリは、オリフィス・ディスク96,160からそれぞれ射出される。図6は、コレット182内に保持され、円形オリフィス184を有するオリフィス・ディスク180の図である。円形オリフィス184は、歯の一点にスラリ流を合焦させることができる。コレットにネジ部を設けると、ノズルに着脱可能に取り付けることができるので、コレットおよびノズル構造体全体を交換することなく、オリフィス・ディスクを容易に交換することが可能となる。図7は、楕円形オリフィス194を有するオリフィス・ディスク190の別の実施形態を示す。楕円形オリフィス194は、虫歯またはその他の口腔物質の矩形領域を除去することができる。このような形状のオリフィスは、歯の中に広く浅い孔を形成することができる。しかしながら、広範囲の歯科用途のための水噴射においては、別の形状のオリフィスを装備することができる。加えて、オリフィス・ディスク内のオリフィスは、更にテーパ状出口を有することもでき、こうすれば、水流がオリフィスから退出する際に、水流の直径を広げることができる。種々のテーパ角を用いて多数の水流および噴霧特性を得ることができる。
【0034】
これらのオリフィス・ディスク180, 190は、一般にサファイアまたはダイアモンドのように、研磨材によって容易に磨耗しない材料で形成される。オリフィスのサイズおよび形状も、水噴射歯科用工具の重要な設計要素である。出口オリフィスのサイズが、退出するスラリの量および歯における切除の直径を決定する。好適な実施形態のサイズは、0.003インチ(0.076mm)乃至0.008インチ(0.203mm)の範囲である。しかしながら、種々の用途毎に別のサイズにすることは、当業者に周知であろう。一定流過程の間にオリフィスのサイズを変化させると、次の式にしたがって絞り効果が得られる。
【0035】
=V
上記式中、
=システム内部の液体速度
=オリフィスから退出する液体速度
=管の断面積
=オリフィスの断面積
【0036】
この式は、液体がオリフィスから退出する際にはその速度が上昇することを示すが、絞りの効果は、一般に、システム内の大きな圧力と比較すると、取るに足りない程度である。しかしながら、圧力が低い場合、絞り効果は水噴射システムに対して著しい効果を有する場合がある。
【0037】
図8は、第1オリフィス204および第2オリフィス208を有するオリフィス・ディスク200を示す。オリフィス204,208に多少角度を付けると、2つの水流212,216が歯の上の同一位置で合流し、歯質を除去する速度を高めたり、あるいは孔の形状を変化させることができる。用途に応じて、2つよりも多いオリフィスを有する別の実施形態も可能である。
【0038】
本水噴射歯科用工具には複数の用途や変形があり、これらは本開示の一部として実施することができる。水噴射を用いて歯質を除去するために開示した方法は、以下のステップの多くを実行することができるが、別のパラメータ範囲を含んでもよい。第1に、液体を加圧する。典型的な圧力は1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)であるが、3.45MPa乃至17.2MPa(500psi乃至2,500psi)が好ましい。次に、加圧液体をアプリケータに送り、歯に孔を開けるのに十分な速度でオリフィスから射出させる。オリフィスの範囲は、0.003インチ(0.076mm)乃至0.008mm(0.203mm)とするとよい。また、本方法は、液体内に研磨材を混合し、この研磨材をスラリに懸濁させるステップも含むことができる。現時点における好ましい研磨材の1つは、体積濃度が4%乃至20%の研磨用酸化アルミニウムを含むスラリである。研磨材のサイズは、4乃至7ミクロンの範囲とするとよい。
【0039】
本発明は、ここに広義に記載し以下に特許請求する、その構造、方法、またはその他の本質的な特性から逸脱することなく、他の具体的形態でも実施可能である。本装置およびシステムは、骨や指の爪のエッチングのような、当業者には公知の別の用途でも使用可能である。先に記載した実施形態は、あらゆる観点において、限定ではなく、例示としてのみ解釈するものとする。したがって、本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付した特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の意味および均等の範囲に該当するあらゆる変更は、本発明の範囲に包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】水噴射歯科用工具の概略ブロック図。
【図2】研磨材ミキサを備えた、水噴射歯科用工具の別の可能な実施形態の概略ブロック図。
【図3】スラリ・アプリケータの断面図。
【図4】研磨材供給源および増強ポンプを備えた、水噴射歯科用工具の別の可能な実施形態の概略ブロック図。
【図5】射出後研磨材ミキサを有するアプリケータの断面図。
【図6】円形オリフィスを備えた液体スラリ・オリフィス・ディスクの端面図。
【図7】楕円オリフィスを備えた液体スラリ・オリフィス・ディスクの端面図。
【図8】第1および第2オリフィスを備えたアプリケータの可能な実施形態の断面図。[0001]
(Background of the Invention)
1. Field of the invention
The present invention relates to the field of drilling teeth to remove corroded enamel or other tooth matter and to provide a surface of appropriate size and shape to receive a dental restoration filler. More specifically, the present invention relates to a method and apparatus for drilling teeth using one or more high pressure water streams, with or without abrasive suspended in water.
[0002]
2. Technical background
According to the American Dental Association Survey Office, an estimated 151,810,000 dental fillings were performed in the United States in 1990 alone. Currently, the most prevalent and well-known method for removing dentin in a recess filling procedure is by a high speed drilling process. Perforations are often accompanied by considerable discomfort and anxiety. Most people find going to a dentist to fill a depression is a very unpleasant and painful experience. Some people dislike visiting a dentist because of the sound, smell, and pain associated with a typical drilling process.
[0003]
High speed dental drills are mechanical drills with a bit at the end and driven by an electric or pneumatic power source. The drill bit is designed to remove a small piece of tooth when its rotating head contacts the tooth. This removal method works exactly like an industrial drill when removing metal or ceramic parts. Dental drills are generally hand-held and can be easily positioned in most areas of the tooth to remove caries. The drilling process often requires water to cool the tooth to be drilled and a vacuum to remove this water and debris. The perforation process has the advantage of being low cost and widely accepted in the dental field. However, perforation in dental applications has many disadvantages. The cutting action of the rotating bit can damage the enamel and weaken the tooth structure. This process is invasive to the patient and, due to the size of the drill bit, often requires much more healthy material to be removed than necessary.
[0004]
In many cases, patients experience discomfort due to grinding or vibration near the dental nerve, which may have been stressed by enamel corrosion. During this process, the patient will hear a constant, high pitch groan of the drill motor, which is accompanied by pain and discomfort, and some will feel unmistakable fear. Large amounts of analgesics may be needed to offset the pain and discomfort of the perforation procedure, but need to wait for the drugs to take effect, which can further lengthen the process. The use of drugs also increases the cost of the procedure. As a result of these problems, the process of perforating the teeth is accompanied by discomfort and anxiety in the patient for minutes or even hours.
[0005]
To overcome the disadvantages of dental perforation, alternative methods of removing corroded tooth material are being investigated. One such method is air polishing. The air polishing device polishes and removes the surface by propelling and delivering small abrasive particles onto the teeth using pressurized air. Air polishing devices are very effective for shallow surface depressions and can often preserve more healthy teeth than high-speed drills. Also, the impact of the abrasive particles on the teeth is so small that vibrations are not a concern and injections of pain killers are usually unnecessary. This saves time and increases patient comfort. However, the air polishing method is not very time efficient when piercing below the outer enamel layer of the tooth and extending into soft tissue. This is because, in part, the soft tissue immediately below the enamel surface, called dentin, partially absorbs the impact of the abrasive particles. The particles tend to bounce off of this part of the tooth, reducing the effectiveness of the abrasive stream drilling.
[0006]
Another alternative to drilling recently introduced is laser drilling and ablation techniques. Lasers are the most accurate method of removing tooth material in the dental industry. They are well controlled and can penetrate the tooth surface and underlying tissue with the smallest resection width of all currently available methods. Although the use of a laser creates a heat-affected zone in the area adjacent to the tooth to be ablated, studies have shown that this effect is not large enough to cause permanent damage to dental health. It is shown. Although lasers have been very effective in dental applications, very few dentists use them. The main reason is that these costs are significantly higher than alternatives. Also, most dentists are not willing to invest in technology without realizing that there are significant improvements over current methods.
[0007]
In developing a new corrosion removal method, there is a need for an apparatus and method that is capable of removing corroded tooth material while preserving as much healthy tooth material as possible. Leaving more healthy tooth material in place is helpful in maintaining the strength of the entire tooth and minimizing the possibility of subsequent toothing. For high speed drills, the minimum cut size is limited by the width of the cutting tool. In order to reach the corroded area sufficiently, a relatively large amount of healthy tooth must be removed. Air polishing and laser methods can reduce the amount of ablation and thus preserve much more healthy teeth than was previously possible. However, even more accurate ablation limits the speed of the process, the type of material that can be removed, and the cost of the equipment required. Since these methods can only remove relatively small areas of the tooth at a time, the larger the area of material to be removed, the longer the required time.
[0008]
In view of the above, there is a need for improved tooth drilling devices and methods. Such a method should be effective in removing enamel and other corrosive substances quickly with minimal patient discomfort. Accordingly, it is naturally preferred that such devices be quiet and minimize the number of instruments that must be simultaneously inserted into the patient's mouth. Further, such devices should be inexpensive to operate and work with equipment that can be easily integrated with current dental clinic systems. Such devices must be self-cooling, highly accurate and capable of preserving healthy tooth structure. In addition, such a method should minimize the patient's distress and avoid psychological stress on patients who would already be in great anxiety just by considering going to a dentist.
[0009]
(Summary of the Invention)
The method and apparatus utilize high pressure liquid, i.e., water jets, through small orifices to cut and remove corroded teeth for a dental restoration procedure. Water jets can ablate much more material than other methods without damaging the surrounding material. The apparatus includes a pressure source configured to supply a flow of pressurized liquid, such as water, to the applicator through a high speed conduit. The applicator has a first orifice positioned to direct the first liquid flow to the oral surface, and the velocity of the liquid flow emitted from the orifice can pierce into the dentin, such as a tooth enamel. .
[0010]
The water-jet dental tool can also have an abrasive suspended in a pressurized liquid. The abrasive is typically mixed with a liquid to create a substantially homogenized slurry. The abrasive in the slurry may be between 1 and 30 microns in diameter and has an abrasive volume concentration in the range of 3% to 20%. In the present apparatus and method, any number of abrasives can be used. Aluminum oxide, pumice, baking soda, and illminite are abrasives currently used in the dental field and can also remove sufficient amounts of tooth and oral matter when used in water jet systems. . The slurry is ejected from the applicator under high pressure. Typically, the pressure of the slurry is in the range of 1.72 MPa to 117 MPa (250 psi to 17,000 psi), and preferably in the range of 3.45 MPa to 17.2 MPa (500 psi to 2,500 psi). Depending on other factors, such as the size of the slurry and orifice, in other embodiments, a slurry pressure of less than 250 psi may be useful.
[0011]
The orifices in the applicator can also have different shapes for different drilling requirements. In one embodiment, the orifice is circular, and in another embodiment, the orifice is elliptical. However, for a wide range of dental applications, other shapes of orifices can be implemented in the water jet. The size of the orifice may range from 0.003 inches (0.076 mm) to 0.008 inches (0.203 mm). In addition, the applicator may have more than one orifice to direct water flow to the teeth and may be able to introduce periodic changes in liquid pressure.
[0012]
Also, the method may be performed by another device by embodying the procedure. The process involves pressurizing the liquid. The pressure can be in any number range, depending on the composition of the slurry. Next, the pressurized liquid is fed into the applicator. The applicator can include any number of orifices having a diameter sufficient to pierce the teeth. The applicator then ejects a high pressure liquid or slurry stream from the orifice at a rate sufficient to pierce the teeth.
[0013]
The operation, features and advantages of the present apparatus and method will become more apparent from the following description and appended claims, or may be learned by the practice of the invention as set forth hereinafter.
[0014]
(Detailed description)
The presently preferred embodiment of the present invention will be best understood by reference to the drawings. Throughout the drawings, similar parts are denoted by the same reference numerals. Although the components of the present invention are generally described and illustrated herein, it will be readily understood that they can be arranged and constructed in a wide variety of different configurations. Accordingly, the following more detailed description of the embodiments of the apparatus, system, and method of the present invention is intended to limit the scope of the claimed invention, as illustrated in FIGS. Rather, they represent merely the presently preferred embodiments of the invention.
[0015]
Referring to FIG. 1, a water jet dental tool 10 is shown having a source of pressurized liquid 12 and a liquid flow applicator 16. The pressurized liquid source 12 and the applicator 16 are operably connected such that the applicator 16 receives high pressure liquid from the pressure source 12. The source of pressurized liquid may be a high pressure liquid pump or other pressure generating device such as a pressurized gas tank, a weighted piston, or a compressed flexible bladder. The pressurized liquid source 12 and the applicator 16 may be connected by any liquid transfer device that can withstand high pressure. The system 10 may use a high pressure hose, a drilled section of a block, or any other similar high pressure conduit 20. Once the high pressure liquid reaches the applicator 16, it is ejected from the water jet 10 through the orifice 24. The diameter of the orifice 24 is smaller than the diameter of the high-pressure conduit 20.
[0016]
Due to the constant volumetric flow rate of such a nozzle system, high pressure liquid is converted to high velocity liquid as it passes through the orifice. A trickle of liquid 28 is directed by applicator 16 to a desired oral substance, such as teeth 32 shown in FIG. The high velocity liquid stream 28 impacts the tooth surface, thereby slowing down the water. The deceleration of the liquid flow 28 causes a reaction force at the teeth 32 in the direction toward the teeth 32 and in the same direction of the liquid flow 28. Since the force is equal to the product of the mass and the acceleration, the product of the deceleration of the liquid and the mass of the liquid impinging on the teeth 32 produces a force on the teeth 32 sufficient to remove the dentin. FIG. 1 illustrates a possible caries removal procedure. However, the water-injected dental tool 10 can also remove healthy tooth material, such as when smoothing a missing part, or soft oral material, such as during root treatment. The water injection dental tool 10 can be used for many of the same applications as conventional drills.
[0017]
There are various embodiments of the dental tool shown in FIG. For example, in the water injection shown in FIG. 2, a polishing slurry is created by combining a liquid with an abrasive. A slurry is a mixture of a liquid, often water, with any of several types of finely divided particulate matter. The slurry travels through the water injection system, similar to a liquid, but in addition to polishing, to facilitate removal of dentin or other similar materials. In the oral environment, the particles selected for mixing with the liquid must be selected taking into account the health standards to which they apply. Abrasives such as aluminum oxide are preferred because they are already used in dental applications and the material has been approved for dental applications by the United States Food and Drug Administration. Other abrasives, such as pumice, baking soda, and illminite, are also safe in the oral environment and can be used to remove dentin. In addition to being safe, the abrasive must have other important physical properties, such as particle size, volume concentration, hardness, and insolubility.
[0018]
The particle size of the slurry abrasive is a factor in determining and controlling the amount of material removed by the liquid flow. In one embodiment for removing caries material, the abrasive particle size preferably ranges from 1 to 30 microns. Typically, the classification of particle size is based on the size of the filter net or filter through which the abrasive passes. References in this and other sections to particle size should not be construed as limiting the abrasive to any one particle size. For example, an amount of 20 micron aluminum oxide may also include some percentage of particles larger or smaller than 20 microns. This is common in the screening process. Rather, an amount of 20 micron aluminum oxide will be comprised of particles that are not perfect, but approximately 20 microns. In addition, other substances may be present in the slurry in addition to the liquid and abrasive particles. For example, various types of painkillers and cleaning materials may be included in the slurry to widen the variety of uses and types of the slurry. In addition, various materials that facilitate suspending the abrasive particles in the slurry may be used.
[0019]
In a preferred embodiment, the liquid in the slurry has a 4% to 17% volume concentration of abrasive. This preferred range allows the slurry to remain entirely liquid while retaining a suitable amount of abrasive for ablation. By optimizing the ratio of abrasive to liquid, the function of water injection can be optimized. The slurry must remain substantially liquid to allow for pressurization of the liquid in a pump, pressure amplifier, or other pressure source. However, it is also desirable to operate the system in the low pressure range for safety and power generation reasons.
[0020]
In one embodiment, a volume concentration of 4% to 17% is preferred, but other ranges are within the scope of this disclosure. For example, the present device can remove oral matter without using abrasives. This can be used in highly corroded teeth and in situations involving treatment of the gums. In this water injection system, it is possible to use a higher concentration of the abrasive, but care must be taken to prevent the slurry from becoming sludge. In addition, increasing the concentration of the abrasive can create dirty residues around the work area. A volume concentration of 17% provides a good mixture that can be efficiently excised, but leaves spray residues from the abrasive particles around the work area. At 11% by volume of the mixture, the contamination is much less than with a more concentrated abrasive, but not as efficiently ablated as with a 17% abrasive. Therefore, individual environments and applications must be considered when selecting the volume concentration of the abrasive in the pressurized liquid.
[0021]
At present, the preferred liquid for the slurry is water because of its safety and availability. However, other liquids can be used as long as they can create pressure and suspend the abrasive. Water is an excellent solvent, which limits the types of abrasives that can be used in water jets. For example, baking soda can be used for water injection, but it dissolves in water, so its characteristics as an abrasive cannot be used. In addition, it may be difficult to keep such abrasives homogeneous throughout the system. Keeping the slurry homogeneous helps to calibrate and time the exposure of the teeth to the high pressure stream of slurry. Liquids other than water can be used for water injection if the solubility of the abrasive is low.
[0022]
Returning to FIG. 2, this embodiment shows a system having two possible devices and locations for mixing a slurry in a water-injected dental tool 40. The system has a pump or other pressure source 44 that receives liquid from a liquid source 48. The abrasive mixers 50, 52 may be located on either side of the pump. The system does not require both mixers 50, 52, but typically has one or the other. A mixer 50 upstream of the pump 44 receives a quantity of abrasive from the abrasive supply 56 based on the volume of liquid passing through the system. The upstream mixer 50 receives both the liquid and the abrasive and mixes them to form a slurry of the appropriate concentration. Next, the slurry enters the pump and is pressurized to high pressure. Once the slurry is pressurized, it exits through high pressure conduit 60. The slurry enters the applicator 64 and is directed to the material to be ablated. However, this embodiment has several disadvantages. Slurries that are pressurized in the pump can wear the components of the pump, causing the pump to leak or fail.
[0023]
To avoid this damage, the abrasive may be added to the pressurized liquid by the downstream mixer 52. In this abrasive mixing process, the abrasive must be injected into the high differential pressure water stream in one batch or intermittently as a slurry in the pressurized liquid. In a single batch injection procedure, a single dose suitable for limited drilling time and depth is typically delivered into the system. However, in dental restorative operations, only a small number of dental perforations are usually performed at each visit, so the downstream mixer configuration is very suitable for dental procedures. Alternatively, in low pressure embodiments, the abrasive may be suitably added downstream of the pressure source without any additional changes or work. In yet another embodiment, the system may not mix the abrasive and liquid at all, and may perform the ablation function using only abrasive-free liquid.
[0024]
In selecting a design for a particular application, the advantages and disadvantages of each abrasive injection method must be considered. Here, it is preferable to place the mixer 52 downstream of the pump or other pressure source to prolong the life of the pump or pressure source. By loading the abrasive material for one time into the abrasive material supply device, a fixed amount of abrasive material can be supplied to a number of oral treatments. However, it is desirable to have a pump that can pressurize the slurry with minimal wear on the system.
[0025]
Regardless of where the slurry is mixed, the mixture enters the applicator 64 as a slurry and exits the orifice 68. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the applicator 64 of FIG. Within the body 76 of the applicator is a tube or channel 72 that can withstand high pressures as in a water injection system. Channel 72 is shown as having a slurry passing therethrough, which is represented by particles 80 within liquid 84. The slurry mixture passes through channel 72 and enters a nozzle 88 that is connected to the end of channel 72. The nozzle 88 has a collet 92 that supports an orifice 96. The slurry is forced through a small orifice 96 by the internal pressure of the mixture. The mechanical relationship between slurry pressure and velocity can be best related by Bernoulli's equation. Bernoulli's equation relates the pressure, velocity, density, and elevation of a liquid to two points in a fluid system having a constant flow rate. With water injection, the volume of liquid entering the system is equal to the volume of water exiting orifice 96. This is because there is no other liquid input / output source. For this reason, Bernoulli's equation is suitable for calculating water injection. In the following equation, a first measurement is taken at the pressurization point of the system and a second measurement is taken immediately after the liquid exits the orifice. The equation is shown below.
[0026]
(Equation 1)
Figure 2004506472
In the above formula,
P1= Pressure of the liquid inside the system
P2= Pressure of liquid exiting the orifice
V1= Liquid velocity inside the system
V2= Velocity of liquid exiting the orifice
ρ = density of liquid
g = gravity
z1= Liquid level inside the system
z2= Height of liquid exiting the orifice
[0027]
This equation can shape the characteristics of the water injection system depending on various design parameters. Important factors in dental water jet applications are the exit velocity of the liquid stream, the distance between the applicator and the tooth, the internal pressure of the liquid, the size of the water stream, and the density of the liquid. For example, assuming that the exit speed is known, the internal pressure required to obtain a known exit speed can be solved using the above equation. This may be useful if the dentist understands the relationship between slurry flow ablation rate and ablation depth. However, to simplify the pressure calculation, some assumptions can and should be made. First, there is an assumption of a minimum friction loss as the liquid passes through the system. Friction losses do occur, but ignoring this loss, with some loss of accuracy, greatly simplifies the calculations. Second, assume that the pressure at which the liquid exits the nozzle is atmospheric pressure (about 14.7 psi). The pressure at the liquid exit position may actually fluctuate somewhat, but this is not a big deal. Third, assume that the change in height between the first and second points is minimal when compared to the pressure difference between the two pressures. Finally, it can be assumed that the first velocity of the water is zero when compared to the exit velocity at the second point. Following these assumptions, solve the equation for the internal pressure of water.
[0028]
(Equation 2)
Figure 2004506472
This equation shows that to achieve a speed of 100 inches per second to 1000 inches per second, the pressure in the system must be about 200 psi to 18,000 psi, respectively. Thus, for calibration purposes, the exit speed can be scaled against the associated pressure. In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the preferred operating pressure is between 1.72 MPa and 117 MPa (250 psi and 17,000 psi). The optimal pressure range may depend on the preferred abrasive type, volume concentration, orifice size, liquid type, and other factors. If different values or materials are used, different pressure ranges may be preferred. For example, if the size of the abrasive is large and the concentration is high, the system may also operate at a lower overall pressure for a particular application. Such an embodiment shall fall within the scope of the water injection dental tool of the present invention.
[0029]
While a pressure range of 1.72 MPa to 117 MPa (250 psi to 17,000 psi) is preferred in the system of the present invention, the currently preferred slurry characteristics make water jets most practically operational at 3.45 MPa to 17.2 MPa ( 500 psi to 2,500 psi). The currently preferred slurry is a 20 micron aluminum oxide / water slurry with a volume concentration of 11%. With this pressure range, the perforation of the teeth can be controlled with low-cost equipment and safe operation. Intuitively, the higher the pressure of the liquid, the higher the rate at which the water stream perforates the teeth. Therefore, a low pressure may be maintained to allow optimal control of the drilling procedure. The lower the pressure used, the cheaper the equipment needed. The cost of high pressure pumps, valves and hoses may also limit the price feasibility of water jet dental tools. With low pressure operation, the machine can be kept affordable. Furthermore, the low pressure range is safer than the high pressure range. This is because less energy is stored in the liquid. Other embodiments that use both high and low pressure during a single procedure are possible. The system can also be configured to vary the pressure of the fluid, thereby varying the velocity of the liquid exiting the orifice. The variator may be a pump capable of producing a pressure spike in the fluid, or a valve that cuts off the fluid flow at various intervals.
[0030]
Returning to the figure, FIG. 4 illustrates another embodiment of a water injection system having a post-injection abrasive mixer. Like the system of FIG. 2, the water injection system has a low pressure liquid source 104 that supplies liquid to a boost pump 108 that pressurizes the liquid. A typical boost pump 108 may be comprised of two end-to-end aligned cylinders, one large and the other small. Pump 108 uses the simple principle that pressure equals force divided by area. As the area decreases, the force increases as a result. Thus, when a large piston pumps liquid into a small cylinder, the pressure rises in proportion to the difference between the two cylinder areas. While the pressure increases, the system sacrifices liquid flow. However, since water jets need to be at low flow rates, boost pumps are very well suited for water jet dental tools. The piston in the intensifier pump 108 may be driven by a hydraulic 112 or air pump to pressurize the liquid. Once the liquid is pressurized, it passes through the high pressure conduit 116 to the applicator 120. Applicator 120 receives abrasive from abrasive source 124. In the applicator, the abrasive is mixed with a liquid and the resulting slurry is injected towards teeth or other oral material.
[0031]
In the present water injection dental tool, the applicator 120 can be hand-held, similarly to a dental drill-type device. This allows the dentist to use the tool flexibly in a manner familiar to him. Alternatively, the applicator can be mounted on a positioning device located above the patient's mouth, and the water jet can be set to different operating positions by a flexible arm or other positioning device. In another embodiment, the location where the liquid stream impacts the teeth may be calibrated to help the dentist position applicator 120. A stylus may be provided on the applicator 120 to indicate the location of the water stream collision. Alternatively, the applicator may have a light or laser indicating the location of the perforation. There may be other embodiments of the present applicator 120 that have the same purpose and function of the present disclosure.
[0032]
FIG. 5 shows a cross-sectional view of an applicator having a post-injection abrasive mixer. As with similar applicators, liquid 140 passes through channel 144 of applicator 120. The channel 144 is fixed within the body 148 of the applicator and is shown in FIG. 5 as a hose-like conduit. When the liquid 140 enters the nozzle 152, no abrasive is suspended. The nozzle of FIG. 5 is generally the same as the nozzle 64 of FIG. Liquid enters the nozzle 152 and is forced out of the orifice 156 of the orifice disk 160 at high pressure. At the time of the injection, the water stream 164 contains no abrasive. In the embodiment of FIG. 5, abrasive 168 is mixed with high-pressure water stream 164 at refocusing nozzle 172 after leaving orifice 156. The abrasive 168 is drawn into the refocusing nozzle 172 through the abrasive supply tube 176 by the reduced pressure generated by the exiting liquid flow. Once the abrasive enters the refocusing nozzle 172, it is mixed with the liquid stream 164 to form a slurry. With the taper of the refocusing nozzle, the liquid stream 164 is refocused again into a trickle stream and ejected to the working area 178.
[0033]
As shown in FIGS. 3 and 5, the water jet removal tool has collets 92,158 that support orifice disks 96,160. Slurry is ejected from orifice disks 96 and 160, respectively. FIG. 6 is an illustration of an orifice disk 180 held within a collet 182 and having a circular orifice 184. Circular orifice 184 can focus the slurry flow at a point on the tooth. If the collet is provided with a threaded portion, it can be detachably attached to the nozzle, so that the orifice disk can be easily replaced without replacing the collet and the entire nozzle structure. FIG. 7 illustrates another embodiment of an orifice disk 190 having an elliptical orifice 194. Oval orifice 194 can remove a rectangular area of caries or other oral material. Such an orifice can form a wide and shallow hole in the tooth. However, in water jets for a wide range of dental applications, other shaped orifices can be equipped. In addition, the orifice in the orifice disk may further have a tapered outlet, which may increase the diameter of the water flow as it exits the orifice. Numerous water flow and spray characteristics can be obtained using various taper angles.
[0034]
These orifice disks 180, 190 are formed of a material that is not easily worn by abrasives, such as sapphire or diamond. The size and shape of the orifice are also important design factors of the water jet dental tool. The size of the exit orifice determines the amount of slurry exiting and the diameter of the cut at the tooth. The size of the preferred embodiment ranges from 0.003 inches (0.076 mm) to 0.008 inches (0.203 mm). However, different sizes for different applications will be known to those skilled in the art. Changing the size of the orifice during the constant flow process results in a throttling effect according to the following equation:
[0035]
V1A1= V2A2
In the above formula,
V1= Liquid velocity inside the system
V2= Liquid velocity exiting the orifice
A1= Tube cross-sectional area
A2= Cross section of orifice
[0036]
This equation shows that the velocity increases as the liquid exits the orifice, but the effect of the throttle is generally insignificant when compared to the high pressures in the system. However, at low pressures, the throttling effect can have a significant effect on the water injection system.
[0037]
FIG. 8 shows an orifice disk 200 having a first orifice 204 and a second orifice 208. A slight angle of the orifices 204, 208 allows the two streams 212, 216 to merge at the same location on the tooth, increasing the speed at which the dentine is removed or changing the shape of the holes. Other embodiments with more than two orifices are possible, depending on the application.
[0038]
The present water-injection dental tool has multiple uses and variations, which can be implemented as part of the present disclosure. The disclosed method for removing tooth material using water jets can perform many of the following steps, but may include other parameter ranges. First, the liquid is pressurized. Typical pressures are from 1.72 to 117 MPa (250 psi to 17,000 psi), with 3.45 MPa to 17.2 MPa (500 psi to 2,500 psi) being preferred. The pressurized liquid is then sent to the applicator and ejected from the orifice at a rate sufficient to pierce the teeth. The range of the orifice may be between 0.003 inches (0.076 mm) and 0.008 mm (0.203 mm). The method can also include the step of mixing the abrasive in the liquid and suspending the abrasive in the slurry. One currently preferred abrasive is a slurry containing 4-20% by volume aluminum oxide for polishing. The size of the abrasive may range from 4 to 7 microns.
[0039]
The present invention may be embodied in other specific forms without departing from its structure, methods, or other essential characteristics, which are broadly described herein and claimed below. The devices and systems can be used in other applications known to those skilled in the art, such as etching bones and fingernails. The embodiments described above are to be interpreted in all respects only as illustrative and not restrictive. The scope of the invention is, therefore, indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. Any modification falling within the meaning and equivalent scope of the claims is intended to be included in the scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a water injection dental tool.
FIG. 2 is a schematic block diagram of another possible embodiment of a water jet dental tool with an abrasive mixer.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the slurry applicator.
FIG. 4 is a schematic block diagram of another possible embodiment of a water jet dental tool with an abrasive source and a boost pump.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an applicator having a post-injection abrasive mixer.
FIG. 6 is an end view of a liquid slurry orifice disk with a circular orifice.
FIG. 7 is an end view of a liquid slurry orifice disk with an elliptical orifice.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a possible embodiment of an applicator with first and second orifices.

Claims (43)

歯質の穿孔装置であって、
加圧液体流を供給するように構成された加圧液体源と、
前記液体源に作動可能に接続され、前記加圧液体を受容するアプリケータと、を備え、前記アプリケータが、前記加圧液体の第1流を前記歯質に向けて送出するように選択的に配置された第1オリフィスを有し、前記液体流が歯質に対して穿孔可能である、穿孔装置。
A tooth-perforating device,
A source of pressurized liquid configured to provide a stream of pressurized liquid;
An applicator operably connected to the liquid source and receiving the pressurized liquid, the applicator selectively delivering a first stream of the pressurized liquid toward the dentin. A first orifice disposed in the perforation device, wherein the liquid stream is capable of perforating dentin.
請求項1記載の装置であって、更に、前記加圧液体中に懸濁された研磨材を備える、装置。The apparatus according to claim 1, further comprising an abrasive suspended in the pressurized liquid. 請求項2記載の装置において、前記研磨材は、酸化アルミニウム、軽石、重曹、およびイルミナイトのうちから選択される、装置。3. The device of claim 2, wherein the abrasive is selected from aluminum oxide, pumice, baking soda, and illuminite. 請求項2記載の装置において、前記研磨材が1乃至30ミクロンの平均粒子サイズを有する、装置。3. The apparatus of claim 2, wherein the abrasive has an average particle size of 1 to 30 microns. 請求項2記載の装置において、前記研磨材が酸化アルミニウムである、装置。The apparatus of claim 2, wherein the abrasive is aluminum oxide. 請求項2記載の装置において、前記加圧液体における研磨材の体積濃度が、約3%乃至20%の範囲である、装置。3. The apparatus of claim 2, wherein the volume concentration of the abrasive in the pressurized liquid ranges from about 3% to 20%. 請求項2記載の装置において、前記研磨材は前記加圧液体全体にわたってほぼ均質に混合される、装置。3. The apparatus of claim 2, wherein the abrasive is mixed substantially homogeneously throughout the pressurized liquid. 請求項1記載の装置において、前記液体は1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)の範囲の圧力に加圧される、装置。The apparatus of claim 1, wherein the liquid is pressurized to a pressure in a range from 1.72 MPa to 117 MPa (250 psi to 17,000 psi). 請求項1記載の装置において、前記液体は3.45MPa乃至17.2MPa(500psi乃至2,500psi)の範囲の圧力に加圧される、装置。The apparatus of claim 1, wherein the liquid is pressurized to a pressure in the range of 3.45 MPa to 17.2 MPa (500 psi to 2,500 psi). 請求項1記載の装置において、前記液体は1.72MPa乃至17.2MPa(250psi乃至500psi)の範囲の圧力に加圧される、装置。The apparatus of claim 1, wherein the liquid is pressurized to a pressure in a range from 1.72 MPa to 17.2 MPa (250 psi to 500 psi). 請求項1記載の装置において、前記第1オリフィスの直径が約0.003インチ(0.076mm)乃至0.008インチ(0.203mm)である、装置。The device of claim 1, wherein the diameter of the first orifice is between about 0.003 inches (0.076 mm) and 0.008 inches (0.203 mm). 請求項1記載の装置において、前記第1オリフィスの直径が約0.004インチ(0.076mm)乃至0.006インチ(0.152mm)である、装置。The device of claim 1, wherein the diameter of the first orifice is between about 0.004 inches (0.076 mm) and 0.006 inches (0.152 mm). 請求項1記載の装置において、前記第1オリフィスが円形である、装置。The device of claim 1, wherein the first orifice is circular. 請求項1記載の装置において、前記第1オリフィスが楕円形およびその他の非円形オリフィスのいずれかである、装置。The device of claim 1, wherein the first orifice is one of an elliptical and other non-circular orifices. 請求項1記載の装置であって、更に、第2オリフィスを備える、装置。The device of claim 1, further comprising a second orifice. 請求項1記載の装置において、前記加圧液体源は前記液体圧力に周期的変化を誘発するように適合されている、装置。The device of claim 1, wherein the source of pressurized liquid is adapted to induce a periodic change in the liquid pressure. 歯質の穿孔装置であって、
1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)の範囲の圧力に液体を加圧可能なポンプと、
前記ポンプに作動可能に接続され、前記加圧液体を受容するアプリケータであって、直径が0.003インチ(0.076mm)乃至0.008インチ(0.203m)のオリフィス・サイズを有する、アプリケータと、
を備える穿孔装置。
A tooth-perforating device,
A pump capable of pressurizing the liquid to a pressure in the range of 1.72 MPa to 117 MPa (250 psi to 17,000 psi);
An applicator operably connected to the pump for receiving the pressurized liquid, the orifice having an orifice size of 0.003 inches (0.076 mm) to 0.008 inches (0.203 m) in diameter; An applicator,
A punching device comprising:
請求項17記載の装置であって、更に、前記液体が前記オリフィスから退出した後に、研磨材を前記液体と混合する研磨材源を備える、装置。The apparatus of claim 17, further comprising an abrasive source that mixes abrasive with the liquid after the liquid exits the orifice. 請求項18記載の装置であって、更に、前記アプリケータに結合され、前記液体および研磨材の混合物を再合焦する再合焦ノズルを備える、装置。19. The apparatus of claim 18, further comprising a refocusing nozzle coupled to the applicator for refocusing the mixture of liquid and abrasive. 歯質の穿孔装置であって、
酸化アルミニウムおよび水のスラリを加圧するように構成された圧力源と、
前記圧力源に作動可能に結合され、所定の許容量の歯質を除去するのに適した力で前記スラリを射出可能なスラリ・アプリケータと、
を備える穿孔装置。
A tooth-perforating device,
A pressure source configured to pressurize the slurry of aluminum oxide and water;
A slurry applicator operably coupled to the pressure source and capable of injecting the slurry with a force suitable for removing a predetermined amount of dentine;
A punching device comprising:
歯の穿孔方法であって、
液体を加圧するステップと、
オリフィスを有するアプリケータに前記加圧液体を送るステップと、
第1オリフィスからの加圧液体流を絞って、歯の表面に射出するステップであって、前記液体の速度が前記歯に穿孔するのに十分である、ステップと、
から成る方法。
A method of piercing a tooth,
Pressurizing the liquid;
Delivering the pressurized liquid to an applicator having an orifice;
Squeezing and injecting a pressurized liquid flow from a first orifice onto a tooth surface, wherein the velocity of the liquid is sufficient to pierce the tooth;
Consisting of:
請求項21記載の方法であって、更に、前記加圧液体中に懸濁される研磨材を懸濁させるステップを含む、方法。22. The method of claim 21, further comprising suspending an abrasive suspended in the pressurized liquid. 請求項22記載の方法において、前記研磨材は、酸化アルミニウム、軽石、重曹、およびイルミナイトのうちから選択される、方法。23. The method of claim 22, wherein the abrasive is selected from aluminum oxide, pumice, baking soda, and illuminite. 請求項22記載の方法において、前記研磨材が1乃至30ミクロンの平均粒子サイズを有する、方法。23. The method of claim 22, wherein the abrasive has an average particle size of 1 to 30 microns. 請求項22記載の方法において、前記研磨材の体積濃度が、約3%乃至20%の範囲である、方法。23. The method of claim 22, wherein the volume concentration of the abrasive ranges from about 3% to 20%. 請求項22記載の方法において、前記研磨材は前記加圧液体全体にわたってほぼ均質に混合される、方法。23. The method of claim 22, wherein the abrasive is mixed substantially uniformly throughout the pressurized liquid. 請求項21記載の方法において、前記加圧液体が水である、方法。22. The method of claim 21, wherein the pressurized liquid is water. 請求項21記載の方法において、前記液体は1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)の範囲の圧力に加圧される、方法。22. The method of claim 21, wherein the liquid is pressurized to a pressure in a range from 1.72 MPa to 117 MPa (250 psi to 17,000 psi). 請求項21記載の方法において、前記液体は3.45MPa乃至17.2MPa(500psi乃至2,500psi)の範囲の圧力に加圧される、方法。22. The method of claim 21, wherein the liquid is pressurized to a pressure in a range from 500 psi to 2500 psi. 請求項21記載の方法において、前記液体は1.72MPa乃至17.2MPa(250psi乃至500psi)の範囲の圧力に加圧される、方法。22. The method of claim 21, wherein the liquid is pressurized to a pressure in a range from 250 psi to 500 psi. 請求項21記載の方法において、前記第1オリフィスの直径が約0.003インチ(0.076mm)乃至0.008インチ(0.203mm)である、方法。22. The method of claim 21, wherein the diameter of the first orifice is between about 0.003 inches (0.076 mm) and 0.008 inches (0.203 mm). 請求項21記載の方法において、前記第1オリフィスの直径が約0.004インチ(0.076mm)乃至0.006インチ(0.152mm)である、方法。22. The method of claim 21, wherein the diameter of the first orifice is between about 0.004 inches (0.076 mm) and 0.006 inches (0.152 mm). 請求項21記載の方法において、前記第1オリフィスが円形である、方法。22. The method according to claim 21, wherein said first orifice is circular. 請求項21記載の方法において、前記第1オリフィスが楕円形である、方法。22. The method of claim 21, wherein the first orifice is elliptical. 請求項21記載の方法であって、更に、第2オリフィスを備える、方法。22. The method according to claim 21, further comprising a second orifice. 歯の腐食部分を除去する方法であって、
研磨スラリを加圧するステップと、
歯の腐食部分に対して加圧スラリの細流を射出するステップと、
前記歯の腐食部分を穿孔除去するステップと、
から成る方法。
A method for removing corroded parts of teeth,
Pressurizing the polishing slurry;
Injecting a stream of pressurized slurry into the corroded part of the tooth;
Perforating and removing the corroded portion of the tooth;
Consisting of:
歯質の穿孔方法であって、
スラリを約1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)の圧力に加圧するステップであって、前記スラリが酸化アルミニウム粒子を4%乃至20%の体積濃度で含み、前記酸化アルミニウム粒子の直径が1乃至30ミクロンの平均粒子サイズを有する、ステップと、
直径が0.004インチ(0.102mm)乃至0.006インチ(0.152mm)の円形オリフィスを介して前記加圧スラリを歯質に対して噴出させるステップと、
から成る方法。
A method of perforating a tooth material,
Pressurizing the slurry to a pressure of about 1.72 to 117 MPa (250 to 17,000 psi), wherein the slurry contains aluminum oxide particles in a volume concentration of 4% to 20%, and the diameter of the aluminum oxide particles is Having an average particle size of 1 to 30 microns;
Squirting the pressure slurry through a circular orifice having a diameter of 0.004 inches (0.102 mm) to 0.006 inches (0.152 mm) to the tooth material;
Consisting of:
歯質除去システムであって、
加圧液体源と、
液体内に高圧を発生可能なポンプであって、前記液体源に作動可能に結合されている、ポンプと、
高圧導管と、
歯のエナメルに制御可能に穿孔するのに有効な力で、前記加圧液体流を歯に向けて射出する、手持ち型アプリケータと、
を備えるシステム。
A tooth removal system,
A pressurized liquid source;
A pump capable of generating a high pressure in a liquid, the pump being operatively coupled to the liquid source;
A high pressure conduit,
A hand-held applicator for injecting the pressurized liquid stream toward the tooth with a force effective to controllably pierce the tooth enamel;
A system comprising:
請求項38記載のシステムであって、更に、前記ポンプよりも前に当該システムに接続されている研磨材供給装置を備える、システム。39. The system of claim 38, further comprising an abrasive supply connected to the system prior to the pump. 請求項38記載のシステムであって、更に、前記ポンプよりも後に当該システムに接続されている研磨材供給装置を備える、システム。39. The system of claim 38, further comprising an abrasive supply connected to the system after the pump. 歯質除去システムであって、
液体源と、
油圧ポンプと、
前記液体源に受容可能に結合され、前記油圧ポンプからの動作入力を受ける増強ポンプであって、液体内に高い圧力を発生する、増強ポンプと、
高圧導管と、
制御可能に歯のエナメルに穿孔するのに有効な力で、前記加圧液体流を歯に向けて射出する、手持ち型アプリケータと、
を備えるシステム。
A tooth removal system,
A liquid source;
A hydraulic pump,
An intensifier pump operably coupled to the liquid source and receiving operational input from the hydraulic pump, the intensifier pump generating a high pressure in the liquid;
A high pressure conduit,
A hand-held applicator for injecting the pressurized liquid stream toward the tooth with a force effective to controllably pierce the tooth enamel;
A system comprising:
請求項41記載の装置であって、更に、前記アプリケータに送出可能に結合された研磨材源を備え、研磨材は前記射出液体流と混合される、装置。42. The apparatus of claim 41, further comprising an abrasive source releasably coupled to the applicator, wherein abrasive is mixed with the ejected liquid stream. 歯質の穿孔装置であって、
酸化アルミニウムおよび水のスラリを、1.72MPa乃至117MPa(250psi乃至17,000psi)の範囲の圧力に加圧するポンプと、前記スラリは、酸化アルミニウムを4%乃至20%の体積濃度で有し、該酸化アルミニウムはほぼ1ミクロン乃至30ミクロンの粒子サイズを有することと、
円形オリフィスまたは非円形オリフィスを介して、前記スラリの高圧流を射出することとを備える、穿孔装置。
A tooth-perforating device,
A pump for pressurizing the slurry of aluminum oxide and water to a pressure in the range of 250 to 17,000 psi (1.72 MPa to 117,000 psi), the slurry having a volume concentration of aluminum oxide of 4% to 20%; The aluminum oxide has a particle size of approximately 1 to 30 microns;
Injecting the high pressure flow of the slurry through a circular orifice or a non-circular orifice.
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