JP2014528346A - テーパー付きアーチワイヤースロットを備える歯科矯正装置 - Google Patents

Abstract

アーチワイヤースロットの少なくとも１つの側壁の少なくとも１つの領域に、これと対向する側壁に対してテーパーを付けた歯科矯正装置及び関連方法を提供する。この形体により、アーチワイヤースロットを、このアーチワイヤーが非対称性トルク状態に置かれた際にアーチワイヤー内に生じるわずかなねじれに合わせることができる。有利なことに、この形体によって、アーチワイヤーと装置との間の接触応力を、従来の装置に比較してより大きな表面積にわたって分散させることができることにより、トルク強度の劇的で驚くべき増大がもたらされるとともに、他の付随的利益が得られる。【選択図】 図１

Description

歯科矯正治療用の装置及び関連方法を提供する。より具体的には、歯科矯正治療に用いられてアーチワイヤーを受容し保持する固定式装置及び関連方法を提供する。

歯科矯正学は歯科学の一専門分野であり、歯群を口腔内の不正咬合位置から適正位置に移動することに関係する。歯科矯正治療は通常、施術者によって行われ、この施術者が、診断、治療計画策定、歯科矯正装置の定置を行うとともに所望の成果が達成されるまで治療を管理する。歯科矯正治療によって、顔面側の美感、咬合機能、及び歯科衛生維持の容易性の向上をはじめとする多くの利益が得られる。

歯科矯正治療の一般的なタイプの１つは、固定式装置療法と呼ばれ、患者の歯群表面への結合装置を用いる。このような固定式装置としては、例えばブラケット及び臼歯チューブが挙げられる。ブラケットは、スロットを備えたごく小さな用具で、歯群の前面又は後面のいずれかに結合され得る。臼歯チューブは、完全に囲まれた通路を有し、一般的には臼歯群に取り付けられる。治療を開始するには、弾力的な「Ｕ」字形アーチワイヤーをブラケットのスロット内に、アーチワイヤーの端部が臼歯チューブ内に拘束されるようにして配置する。アーチワイヤーは、はじめに固定式装置に係合された時には歪んでいるが、元の形状に向かって戻る時に、歯群を所望位置の方へ徐々に移動させる軽い連続的な力を及ぼす。日常用語では、ブラケット、チューブ、及びアーチワイヤーは合わせて「ブレース」として知られる。

治療の開始時には、歯群が曲がっている時のブラケット内への係合を容易にするために、小さな断面積を有するアーチワイヤーが一般的に用いられる。しかしながら、歯群が適正位置の方へ移動するにつれ、これを次第に大きな断面積を有するアーチワイヤーに置き換えることができる。歯科矯正ワイヤーの中には、アーチワイヤースロットの断面形状を補完する矩形の断面形状を有することによって、このアーチワイヤーが関連歯群にトルク（又はねじり力）を加えられるようにしたものもある。治療の終了に向けて施術者は、アーチワイヤースロットの形状にほぼ整合する断面形状を有するフルサイズのアーチワイヤーを用いる選択をし得る。このように「スロットを埋める」ことによって施術者は、高度の制御性を手にし、正確な矯正力を歯群に加えることが可能となる。

治療の過程でアーチワイヤーは、施術者が望むタイプの動きに応じて多様なタイプの負荷（又は力）を歯群に伝達する。例えば、アーチワイヤーは、歯を平行移動させる力を加え（一次）、顔面側歯表面の平面に対してその角度を変えるような力を加え（二次）、又はアーチワイヤーの長手方向軸線の周りにトルクを加える（三次）ことができる。これらの力の強度もまた、弛緩状態でのアーチワイヤーの形状に対する不正咬合の性質に応じて大きく異なり得る。効率的であるのみならず実用的で、しかも患者にとって快適な装置を設計することには、技術的なジレンマが伴い得る。一方で装置は、刺激を低減し結合信頼性を最大にするとともに審美性を向上させるために、できるだけ小さく平らである必要がある。他方、装置が小さ過ぎると治療中にアーチワイヤーによって加えられる力のために壊れやすくなることから、あまり小さくてはならない。

装置の破損は、半透明セラミック材料のような非金属ブラケットに関しては特に懸念され得る。このような材料は、金属に比較して例えば卓越した硬さ、耐汚染性、及び優れた美感のような多くの利益をもたらし得る一方でまた、このような材料は本質的に脆く、突然に思いもかけない破損を生じやすい恐れがある。セラミックブラケットの損傷モードの一例はトルクで生じ、ブラケットスロット内に受容されたアーチワイヤーによってねじり力が加えられた際に結合ウィングの一方又は両方が破損するというものである。この問題はアークワイヤースロットの壁を厚くすることによって解決し得るが、そうすると一般にブラケットの寸法が大きくなり、それによってブラケットがより目立つようになるとともに患者の快適さが低下することから、これは理想的な解決法ではない。

脆性材料からなるブラケットは、トルクが非対称的に加わる時、つまり、ブラケットに対してワイヤーの一端部が他端部より大きくねじれる場合には特に破損しやすいこともまた、見出された。これが起こるとワイヤーは、ワイヤーの角がもはや真っすぐではなくわずかにらせん状となるねじれ構造をとる。この結果、相当程度の接触応力がアーチワイヤースロットに沿った局所、典型的には一方の端部近くに生じる。この応力の局在によって、装置が破損しやすくなることが見出された。このような知見に基づき、アーチワイヤースロットの対向する側壁の一方又は両方に、非対称性のトルクが加えられた際にアーチワイヤーに生じるわずかなねじりに合うようにテーパーを付けることによって、トルク強度の相当の向上が実現できることが見出された。この改良は、接触応力をずっと大きな表面積にわたって分散させることに役立ち、それによってトルク強度の劇的で驚くべき上昇がもたらされる。

このようなブラケットトルク強度の向上は、ブラケット本体の設計を大きく修正したり、ブラケット材料を変更したりすることなしに、達成可能である。更なる利点として、非常に小さい程度のテーパーのみでも、ブラケットのトルク強度強化に非常に効果的であることから、アーチワイヤーがブラケットに対して及ぼす制御に対する影響は最小で済む。アーチワイヤースロットの幾何学形状をねじれたアーチワイヤーに合うように構成することによってまた、一定の付随的利益も達成され得る。例えば、このような損傷モードの緩和によって、セラミックブラケットをこれまで可能であったよりも小さくすることが可能になる。更に、アーチワイヤーとブラケットとの点接触を避けることにより、相対的に柔らかいアーチワイヤーが相対的に硬いセラミックブラケットに当たって傷ついたり摩耗したりすることを減らすことで、滑りに対する抵抗を低減することができる。

一態様において、歯科矯正装置が提供される。この歯科矯正装置は、基部と、基部から外向きに延在する本体と、本体をほぼ近心側−遠心側方向に横切って延在する細長いアーチワイヤースロットであって、底壁及び実質的に平面の１対の側壁によって少なくとも部分的に境界付けられる、細長いアーチワイヤースロットと、を備え、アーチワイヤースロットの長手方向に沿って変化する横方向スロット寸法を提供するために少なくとも１つの側壁の少なくとも１つの領域にテーパーが付けられ、１対の側壁が、約０．５〜約１０度の範囲の相対角度偏差を有する。

別の態様では、基部と、基部から外向きに延在し、かつ１対の近心側結合ウィング及び１対の遠心側結合ウィングを有する本体と、本体を横切って近心側及び遠心側結合ウィングの各対間に延在する細長いアーチワイヤースロットであって、近心側結合ウィングに隣接する１対の対向する近心側側壁と遠心側結合ウィングに隣接する１対の対向する遠心側側壁とによって少なくとも部分的に境界付けられ、対応する各近心側及び遠心側側壁対の一方又は両方が実質的に平面及び非平行である、細長いアーチワイヤースロットと、を備える、歯科矯正装置が提供される。

また別の態様では、基部と、基部から外向きに延在する本体と、本体をほぼ近心側−遠心側方向に横切って延在する細長いアーチワイヤースロットであって、底壁及び１対の対向側壁によって少なくとも部分的に境界付けられる、細長いアーチワイヤースロットと、を備え、アーチワイヤースロットの長手方向に沿って変化する横方向スロット寸法を提供するために少なくとも１つの側壁にテーパーが付けられ、これによって、横方向スロット寸法が、アーチワイヤースロットの全長の約３０〜約７５パーセントにわたって単調に増加又は減少する、歯科矯正装置が提供される。

更に別の態様では、セラミック歯科矯正装置におけるトルク強度を強化する方法であって、セラミック本体を準備する工程と、本体内に細長いアーチワイヤースロットを付与する工程と、を含み、アーチワイヤースロットが１対の対向側壁を有し、アーチワイヤースロットの長さ方向に沿って変化する横方向寸法を提供するために側壁の一方又は両方にテーパーが付けられ、これによって、アーチワイヤースロット内に受容されるフルサイズ矩形アーチワイヤーと装置との面間接触面積を、アーチワイヤーがその長手方向軸線の周りにねじれる際に、アーチワイヤースロットの長手方向に沿って実質的に分散させる、方法が提供される。

一実施形態によるスロット付き歯科矯正装置の顔面側、近心側、及び咬合側の各側面を、分かりやすくするためにスロットの形体を誇張して示す、斜視図である。 図１の装置の顔面側側面を示す図である。 図１〜２の装置の近心側側面を示す図である。 別の実施形態によるスロット付き歯科矯正装置の顔面側側面を、分かりやすくするためにスロットの形体を誇張して示す、図である。 また別の実施形態によるスロット付き歯科矯正装置の顔面側側面を、分かりやすくするためにスロットの形体を誇張して示す、図である。 更に別の実施形態によるスロット付き歯科矯正装置の顔面側側面を、分かりやすくするためにスロットの形体を誇張して示す、図である。 歯科矯正装置のトルク強度を決定するために用いる試験構成の正面図である。 試験中における図７の試験構成の拡大部分図である。 図７〜８の試験構成においてトルク負荷をかけた時の従来の歯科矯正装置のシミュレーション応力プロファイルである。 図７〜８の試験構成においてトルク負荷をかけた時の図１〜３の装置のシミュレーション応力プロファイルである。

定義
本明細書において使用する場合、
「近心側」は、正中線（すなわち、患者の湾曲した歯列弓の中央）に向かう方向を意味する。
「遠心側」は、正中線から遠ざかる方向を意味する。
「咬合側」とは、患者の歯の外側先端部に向かう方向を意味する。
「歯肉側」とは、患者の歯茎又は歯肉に向かう方向を意味する。
「顔面側」は、患者の唇又は頬に向かう方向を意味する。
「舌側」は、患者の舌に向かう方向を意味する。

ここで、添付図面を参照しながら、より具体的に例示的実施形態を説明する。これらの実施形態は、歯科矯正装置及び同装置を製造する関連方法、並びに同装置のトルク強度強化方法を目的とする。本明細書に提示する装置は顔面側装置（歯群の前面に取り付けることが意図される）であるが、本発明はまた、舌側装置（歯群の後面に取り付けることが意図される）においても実施可能である。すなわち、提供される装置及び方法が歯群の両方の面上で有用であり得ることが当業者には明らかであることから、「舌側」と特定される場合、この用語は「顔面側」と交換し得る。

一実施形態による歯科矯正ブラケットを図１〜３に示し、数字１００で表す。これらの図に示すように、ブラケット１００は、歯科矯正治療を受ける患者の歯面に取り付けるのに適した外面１０４を備える基部１０２を有する。必要に応じて、外面１０４は凹状輪郭を有し、溝、粒子、凹部、アンダーカット、化学結合強化材料、又はブラケット１００の歯面への結合を助長する他の任意の材料若しくは構造若しくはこれらの組み合わせを備える。

図１〜３に更に示すように、ブラケット１００は、基部１０２から外向きに、ほぼ顔面側方向に延在する本体１０６を更に含む。細長いアーチワイヤースロット１０８が、ほぼ近心側−遠心側方向に沿って本体１０６の顔面側表面を横切って延在する。アーチワイヤースロット１０８は、やはりほぼ近心側−遠心側方向に延在する長手方向軸線１０９（図２及び３に示す）を有し、対向する近心側側壁１１０、１１２、対向する遠心側側壁１１１、１１３、及び底壁１１４によって画定される。必要に応じて、図示のように、底壁１１４はほぼ平面であり、隣接する側壁１１０、１１１、１１２、１１３と直交する。アーチワイヤースロット１０８は、ほぼ顔面側方向に面する開口部を有するが、スロット１０８はまた、他の方向に面してもよい。例えば、舌側装置においては、アーチワイヤースロット１０８は、アーチワイヤーの挿入を容易にするために咬合側方向に向かう開口を有利に有し得る。

本実施形態では本体１０６は、相互に離間された近心側及び遠心側部材１１６、１１８を有するツインブラケット装置の一部である。部材１１６、１１８から、それぞれ近心側結合ウィング対１２０及び遠心側結合ウィング対１２２が外向きに延在している。図示のように、各結合ウィング対１２０、１２２は、ほぼ咬合側及び歯肉側方向に突出している。アーチワイヤースロット１０８は、全体として近心側及び遠心側結合ウィング１２０、１２２の各対間に延在し、更に、分離した近心側及び遠心側部分１２４、１２６を含む。

ツイン装置の一部として各部分１２４、１２６は独自の幾何学形状を有し、施術者が所望すれば、それぞれが独立にアーチワイヤーに結合され得る。図１及び２に示すように、近心側側壁１１０、１１２は、遠心側側壁１１１、１１３と同様にほぼ平面でかつ非平行である。代替例として、近心側側壁１１０、１１２又は遠心側側壁１１０、１１２のいずれかが平行であり得る。必要に応じて、弾性材、ヘッドギア、弾性鎖などの配置を容易にするために、図示のように、一体式近心側フック１２８が近心側結合ウィング１２２から突出する。

図２及び３は、アーチワイヤースロット１０８の更なる幾何学形状態様を示す。ここで、図１〜５において、記載された実施形態の独特の形体を説明しやすくするために、アーチワイヤースロット１０８の特定の特徴が意図的に誇張されていることを強調しておく。換言すれば、これらの形状は縮尺通りではなく、これらの実施形態に用いられる実際のアーチワイヤースロットの幾何学形状を表示するものと解釈されてはならない。

アーチワイヤースロット１０８の各側壁１１０、１１１、１１２、１１３が直線的テーパーを有することにより、アーチワイヤースロット１０８の横方向（ここでは咬合側−歯肉側）寸法は同スロットの長手方向に沿って（長手方向軸線１０９に沿って）変化する。図示のように、アーチワイヤースロット１０８は、ブラケット１００の対応する近心側及び遠心側側面上に位置する近心側及び遠心側終端部を有する。横方向寸法は、アーチワイヤー１０８の最も近い近心側又は遠心側終端部に近づくにつれて狭義単調増加する。

図１及び２に更に示すように、テーパー付き側壁１１０、１１１、１１２，１１３は、底壁１１４に垂直で長手方向軸線１０９と同一平面上の水平基準面１３０（図３にも示される）に関して、ほぼ咬合側−歯肉側対称性を示す。更に図示するように、テーパー付き側壁１１０、１１１、１１２、１１３は、長手方向軸線１０９に垂直で本体１０６の近心側及び遠心側部材１１６、１１８間を通る垂直基準面１３２に関して、ほぼ近心側−遠心側対称性を示す。しかしながらこれらの対称性は、ブラケットが全体として偏菱形であることから完全なものではない。

アーチワイヤースロット１０８の近心側部分１２４と、非対称性トルク状態にある矩形アーチワイヤーとの間の相互作用を考えてみよう。側壁１１０、１１２の一方又は両方にテーパーがあることにより、アーチワイヤースロット１０８内に受容されるフルサイズ矩形アーチワイヤーとブラケット１００との間の面間接触面積を、アーチワイヤーがその長手方向軸線の周りにねじれる際に、アーチワイヤースロット１０８の長手方向に沿って実質的に分散させることができる。好ましくは、テーパーの程度は、治療の過程、例えばはじめに矩形アーチワイヤーを不正咬合歯列上に配置する際、又は大幅なトルク調整をした後で既存のアーチワイヤーを交換する際などに実際的に生じ得る、ねじれたアーチワイヤー構成に基づく。アーチワイヤーに過度に高レベルのトルクを加えることによってのみ実現するようなアーチワイヤー構成は、側壁１１０、１１２の適切なテーパーを決定する際の検討対象から除外し得る。

治療の過程で遭遇しやすいアーチワイヤー構成については、有限要素法（ＦＥＡ）を用いることによって、ねじれたアーチワイヤーとブラケット１００の側壁１１０、１１１、１１２、１１３との間の接触応力の分布を予測することが可能である。以下に示すように、これらの研究によって、小さい程度のテーパーでも、アーチワイヤーとブラケット１００との間の応力の非局在化に有益であることが実証された。同じ研究によってまた、大き過ぎるテーパー角の実施もまた、アーチワイヤーとブラケット１００との間の接触応力の望ましくない局在化を招き得ることが実証された。

実施形態によっては、側壁１１０、１１２は、相互に少なくとも約０．５度、少なくとも約０．７５度、少なくとも約１．０度、少なくとも約１．２５度、又は少なくとも約１．５度の相対角度偏差を有する。実施形態によっては、側壁１１０、１１２は、相互に最大約１０度、最大約８度、最大約６度、最大約４度、又は最大約２度の相対角度偏差を有する。別の説明の仕方をすれば、水平基準面１３０に対する各側壁１１０、１１２の角度偏差は、好ましくは少なくとも約０．２５度、少なくとも約０．３７５度、少なくとも約０．５度、少なくとも約０．６２５度、又は少なくとも約０．７５度である。水平基準面１３０に対する各側壁１１０、１１２の角度偏差は、好ましくは最大約５度、最大約４度、最大約３度、最大約２度、最大約１度である。

以上の説明は、アーチワイヤースロット１０８の遠心側部分１２６上の対向する遠心側側壁１１１、１１３にも類推して、また独立に適用できることから、ここでは同説明を繰り返さない。

アーチワイヤー１０８は、以上に説明しまた図１〜３に示したような対称性の構成を有する必要はない。例えば、予測されるアーチワイヤートルクの方向性及び程度によっては、アーチワイヤースロット１０８が、水平基準面１３０に対して非対称的に配設された側壁１１０、１１１、１１２、１１３を有することが有利なこともあり得る。場合によっては、側壁１１０、１１１、１１２、１１３が垂直基準面１３２に対して非対称性であることが好ましいこともあり得る。代替的実施形態では、例えば側壁１１０、１１１、１１２、１１３の全部ではないいくつかが、水平基準面１３０に対してテーパーを有する。別の実施形態では、側壁１１０、１１１、１１２、１１３のすべてがそのようなテーパーを備えるが、相互に異なるテーパーの程度を有する。

これらの実施形態では、各側壁１１０、１１１、１１２、１１３は、その全長にわたってテーパーを有する。しかしながら必ずしもそうである必要はない。例えば、対向する側壁１１０、１１２は、その長さの１領域にのみテーパーを有し、その長さの残りの領域については平行であることも可能である。あるいは、テーパーの程度が、アーチワイヤースロット１０８の長さに沿ったさまざまな位置で鋭く、又は滑らかに変化することも可能である。これらの態様のいくつかを以下に更に例示する。

図４は、別の実施形態による歯科矯正用ブラケット２００を示す。ブラケット２００は、アーチワイヤースロット２０８の幾何学形状を除けばブラケット１００と同様の構成を有する。図に示したように、アーチワイヤースロット２０８の近心側側面は、対向側壁２１０、２１２を有するが、各側壁２１０、２１２は、その近心側−遠心側全長には至らない部分にのみテーパーが付けられている。ここで、側壁２１０は平行領域２１０ａ及びテーパー付き領域２１０ｂを含む。同様に、側壁２１２はそれぞれ平行領域及びテーパー付き領域２１２ａ及び２１２ｂを含む。

遠心側から近心側（左から右）に向かって、スロット２０８の横方向寸法は、平行領域２１０ａ、２１２ａに沿って実質的に一定であり、テーパー付き領域２１０ｂ、２１２ｂに沿って狭義単調増加する。注目すべきは、同方向において、スロット２０８の横方向寸法は、側壁２１０、２１２の全長にわたって単調に増加する（換言すれば、減少しない）。アーチワイヤースロット２０８の近心側と実質的に鏡像関係にある遠心側についても、同様の所見を得ることができる。

ブラケット２００に見られるような平行アーチワイヤースロット部分を用いることにより、アーチワイヤースロット２０８の端部付近の接触応力を分散する利点を維持しつつ、アーチワイヤーとブラケット２００との間に高度の制御性を有利に提供することが可能である。

平行アーチワイヤースロット部分はまた、更に別の実施形態による歯科矯正ブラケット３００を示す図５にも見られる。このブラケット３００は、ブラケット２００と同様にスロットの全体的幾何学形状を画定する対向側壁３１０、３１２を備えたアーチワイヤースロット３０８を含む、非ツイン装置である。しかしながら、ブラケット２００とは異なり、側壁３１０、３１２は、アーチワイヤースロット３０８の全長にわたって中断なしに延在する。更に示すように、側壁３１０、３１２は遠心側テーパー付き領域３１０ａ、３１２ｂ、中央平行領域３１０ｂ、３１２ｂ、及び近心側テーパー付き領域３１０ｃ、３１２ｃを備える。

遠心側から近心側（左から右）に向かって、スロット３０８の横方向寸法は、遠心側領域３１０ａ、３１２ａに沿って狭義単調減少し、中央領域３１０ｂ、３１２ｂに沿っては実質的に一定のままであり、近心側領域３１０ｃ、３１２ｃに沿って狭義単調増加する。同様の基準方向に沿って、スロット３０８の横方向寸法は、遠心側領域３１０ａ、３１２ａを除き、中央及び近心側領域３１０ｂ、３１２ｂ、３１０ｃ、３１２ｃの全長にわたって単調に増加する。最後に、この基準方向に沿って、スロット３０８の横方向寸法は、遠心側及び中央領域３１０ａ、３１２ａ、３１０ｂ、３１２ｂの全長にわたって単調に減少するが、近心側領域３１０ｃ、３１２ｃを除く。

いくつかの実施形態では、この横方向スロット寸法は、アーチワイヤースロット１０８、２０８、３０８の全長の少なくとも約５パーセント、少なくとも約８パーセント、少なくとも約１０パーセント、少なくとも約１２パーセント、又は少なくとも約１５パーセントにわたって、狭義単調増加又は減少する。いくつかの実施形態では、この横方向スロット寸法は、アーチワイヤースロット１０８、２０８、３０８の全長の最大約５０パーセント、最大約４５パーセント、最大約４０パーセント、最大約３５パーセント、又は最大約３０パーセントにわたって、狭義単調増加又は減少する。

いくつかの実施形態では、この横方向スロット寸法は、アーチワイヤースロット１０８、２０８、３０８の全長の少なくとも約３０パーセント、少なくとも約３５パーセント、少なくとも約４０パーセント、少なくとも約４３パーセント、又は少なくとも約４５パーセントにわたって、単調に増加又は減少する。いくつか実施形態では、この横方向スロット寸法は、アーチワイヤースロット１０８、２０８、３０８の全長の最大約７５パーセント、最大約７０パーセント、最大約６５パーセント、最大約６２パーセント、又は最大約６０パーセントにわたって、単調に増加又は減少する。

これらの実施形態におけるテーパー付き側壁により、アーチワイヤースロット１０８、２０８、３０８の近心側及び遠心側端部の横方向寸法は、その公称仕様（通常の歯科矯正用ブラケットについて１８ミル（０．４６ミリメートル）又は２２ミル（０．５６ミリメートル））を特定差だけ上回って増加する。いくつかの実施形態では、その特定の差は少なくとも約０．５ミル（０．０１３ミリメートル）、少なくとも約０．６ミル（０．０１５ミリメートル）、少なくとも約０．７ミル（０．０１８ミリメートル）、少なくとも約０．７５ミル（０．０１９ミリメートル）、又は少なくとも約０．８ミル（０．０２０ミリメートル）である。いくつかの実施形態では、その特定の差は最大約１．０ミル（０．０２５ミリメートル）、最大約１．２ミル（０．０３０ミリメートル）、最大約１．５ミル（０．０３８ミリメートル）、最大約２．０ミル（０．０５１ミリメートル）、又は最大約３．０ミル（０．０７６ミリメートル）である。好ましい実施形態では、公称０１８（１８ミル、すなわち０．４６ミリメートル）のスロット寸法を有するアーチワイヤースロットは、その近心側及び遠心側の端部において１９ミル（すなわち、０．４８ミリメートル）の横方向寸法を有し得る。

図６は、また別の実施形態によるブラケット４００を示すが、これは非直線状テーパーを例示する。図示のように、ブラケット４００は、平面ではなく湾曲した対向側壁４１０、４２０を備えたアーチワイヤーロット４０８を有する。アーチワイヤーがその長手方向軸線の周りにねじれた時の形状に応じて、１つ又は２つ以上の連続湾曲側壁を使用することにより、アーチワイヤーと装置との間の接触応力を、接触表面が相互に実質的に整合する場合には特に、均一に分散させる助けとなり得る。いくつかの実施形態では、２つの隣接した平面側壁部分間に介在する湾曲した側壁部分を有することが、両平面側壁部分が合わさる場所における応力局在を避けるために、有利であり得る。例えば、図５のブラケット３００において、歯肉側及び咬合側側壁部分３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１２ａ、３１２ｂ、３１２ｃは、丸みのある接合部を有するか、又は別に、湾曲した側壁部分によって相互接続されてもよい。

上述したようなテーパー付きアーチワイヤースロットを備えた装置から、多くの技術的利点が得られる。第１に、これらのアーチワイヤースロットの幾何学形状が、アーチワイヤーによってブラケット上に生じる応力を再配分する、すなわち、応力がスロットの終端部に集中する代りにアーチワイヤースロットの長手方向に沿ってより均一に分散するようにできる。このように応力を再配分することで、トルク強度が、テーパーのないスロットを有するブラケットのトルク強度に比較して実質的に増大し得る。いくつかの実施形態では、アーチワイヤースロットの側壁にテーパーを付けることによって、ブラケットのトルク強度が少なくとも２０パーセント、少なくとも３０パーセント、少なくとも４０パーセント、又は少なくとも５０パーセント増大し得る。この利益を実現するためには、ブラケットスロットの幾何学形状のほんのわずかな変更で足り得る。このため、大幅な設計変更が避けられる。

第２に、テーパー付き側壁により、変更なしのブラケットと同様のトルク強度を維持しながら、ブラケットを相当程度小さくすることができる可能性がある。このことは、セラミックブラケットについては特に有利である。セラミックブラケットは脆性破壊しやすく、したがって金属製のものよりも大きくなりがちなためである。ブラケット寸法が小さくなることから、他の多様な利益、例えばブラケットがより目立ちにくくなる、患者の快適さが向上する、そして結合信頼性が高まるなどの利益が得られる。

第３に、テーパー付き側壁は、アーチワイヤーとブラケットとの接触によって生じる傷又は摩耗の影響を軽減できる可能性がある。このこともまた、セラミックブラケットについては特に有益である。セラミックと金属との硬度差のためである。この硬度差のために、アーチワイヤースロットの端部において生じやすい観測可能なワイヤー損傷が増加し得る。アーチワイヤースロット壁をアーチワイヤー表面壁に合わせる助けとなる幾何学形状を付与することにより、得られる装置は、治療中にアーチワイヤーに生じる損傷が減少することによる利益を享受し得る。このような表面損傷は摩擦を増大させる結果となることから、このような損傷を避けることで、滑りに対する抵抗を低減し、治療効率を高めることができる。

提供する装置は、口腔内での使用に好適ないずれの材料から製造してもよい。例えば装置は、ステンレス鋼、金、チタンなどの金属、単若しくは多結晶性酸化アルミニウムなどのセラミック、又はガラス充填ポリカーボネートなどのポリマー複合材料から製造し得る。特に好適な材料としては、米国特許第６，６４８，６３８号（Ｃａｓｔｒｏ他）に記載された微粒子多結晶性酸化アルミニウムが挙げられる。別の選択として装置は、アーチワイヤースロットライナーによって少なくとも部分的に画定されるアーチワイヤースロットを備えることができ、このライナーをテーパー付きとすることも可能である。多様なタイプのアーチワイヤーライナーが、例えば米国特許第５，３５８，４０２号（Ｒｅｅｄ他）、並びに米国特許公開第２００７／０１３４６１０号（Ｗｙｌｌｉｅ他）、同第２００８／００８１３０９号（Ｗｙｌｌｉｅ他）、及び２００８／００７０１８２号（Ｗｙｌｌｉｅ他）に記載されている。

材料の選択の他に、当業者に既知のいずれの製造方法もまた、提供する装置の形成に使用し得る。例示的方法としては、ミリング、鋳造、ラピッドプロトタイピング、金属射出成形、及びインベストメント鋳造、並びにこれらの変形が挙げられる好ましくは、選択される製造方法は、本明細書に記載した有利な応力分散プロファイルを可能にするテーパー付き側壁を再現するのに十分な精密さを有する。

図７は、例示的ブラケット５２の接触応力をシミュレーションするために用いる簡易化した試験装置５０を示す。この応力は、図に示すようなブラケット５２に係合したアーチワイヤー５４に非対称トルクを加えることによって生じさせる。装置５０において、ブラケット５２を、アーチワイヤー５４がブラケット５２のスロット内に完全に収まって間隙内に固定されるように、配置する。アーチワイヤー５４は、ブラケットに近接した把持部５６とブラケットから離れた把持部５８とを有し、これらの把持部はアーチワイヤー５４の終端部に剛結合されている。非対称性トルク状態をシミュレーションするために、把持部５６を徐々に回転させて、ブラケット５２の外表面に沿った応力集中プロファイルを観察する。把持部５８は、空間的には固定位置に拘束されているが、自由に回転できる。ＡＮＳＹＳ工学シミュレーションソフトウェア（バージョン１２、Ｃａｎｏｎｓｂｕｒｇ，ＰＡのＡＮＳＹＳより）を用いて、ブラケット５２について有限要素法（ＦＥＡ）を実行した。

図８は、把持部５６によってトルクが加えられた時にアーチワイヤー５４の形状がどのようにねじれるかを、より詳細に示す。アーチワイヤー５４におけるねじりがブラケット５２のスロット内部においても観察され得ることに注目すべきである。ＦＥＡを用いて、ブラケット５２とアーチワイヤー５４との間における力の相互作用を調べることができる。

ＦＥＡの結果を図９及び１０に示すが、それぞれ、テーパーなしのアーチワイヤースロット及びテーパー付きアーチワイヤースロットを備えたブラケット６０、６２における応力集中プロファイルを示している。両シミュレーションにおいて、アーチワイヤー５４の１つの端部を、既定の最大応力が得られるまで、上述したようにねじった。同条件が満たされた時に、アーチワイヤースロット表面に沿った応力プロファイルを捉えた。ここでは、応力集中の大きさが視覚的対比によって、すなわち色が濃いほど高い応力値を示すものとして、示されている。両シミュレーションとも全く同一の試験設定下で行い、ブラケット６０、６２上の応力をそれぞれのアーチワイヤースロットの側壁に沿って観察した。しかしながら、図９のブラケット６０を図１０のブラケット６２に比較すると、テーパーなしのスロットではアーチワイヤースロットの遠心側の端部に局在する応力集中がもたらされたのに対し、テーパー付きスロットでは均一に分散した応力プロファイルがもたらされた。

トルク強度試験
この項では、提供される歯科矯正装置の利益を明らかにするために行ったトルク強度試験について説明する。各試験は、従来のセラミック歯科矯正用ブラケットのアーチワイヤースロット内に受容された、特別にテーパーを施したアーチワイヤーを用いて行った。ここでは、アーチワイヤースロットの側壁のテーパーリング効果を実証するために、アーチワイヤーの対向面のテーパーリングを代りに用いた。

ブラケット結合
すべてのトルク強度測定は、０１８（１８ミル、又は０．４６ミリメートル）アーチワイヤースロットを有する左下犬歯ＣＬＡＲＩＴＹブランドＡｄｖａｎｃｅｄセラミックブラケット（３Ｍ Ｕｎｉｔｅｋ、Ｍｏｎｒｏｖｉａ，ＣＡ）を用いて行った。しかしながら、その他のブラケットシステム、例えばＴＲＡＮＳＣＥＮＤブランドセラミックブラケット（３Ｍ Ｕｎｉｔｅｋ、Ｍｏｎｒｏｖｉａ，ＣＡ）もまた、これらのトルク強度測定に用い得ることは理解されるべきである。各ブラケットを、同犬歯ブラケット基部の輪郭に合った凸状の複合曲率を有するステンレス鋼刻み付きリングに結合した。便宜上、単一の刻み付きリングの円周に沿って、最大１０個のブラケット試料を結合することができる。

ブラケットを結合するために、ＴＲＡＮＳＢＯＮＤブランドＸＴ Ｌｉｇｈｔ Ｃｕｒｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｐｒｉｍｅｒ（ＲＥＦ ７１２−０３４、３Ｍ Ｕｎｉｔｅｋ、Ｍｏｎｒｏｖｉａ，ＣＡ）をリングに、またＴＲＡＮＳＢＯＮＤブランドＸＴ Ｌｉｇｈｔ Ｃｕｒｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｐａｓｔｅ（ＲＥＦ ７１２−０３６、３Ｍ Ｕｎｉｔｅｋ、Ｍｏｎｒｏｖｉａ，ＣＡ）をブラケット基部に、メーカーの指示に従って塗布した。次いで、ブラケットをリングの外縁に、アーチワイヤースロットがリングの中心軸と平行になるように合わせて放射状に取り付けた。最後に、ＯＲＴＨＯＬＵＸブランドＬＥＤ Ｃｕｒｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ（ＲＥＦ ７０４−３６０、３Ｍ Ｕｎｉｔｅｋ、Ｍｏｎｒｏｖｉａ，ＣＡ）を用い、メーカーの指示に従って接着剤を硬化させた。

矩形ワイヤー
直線状の０１８×０２５ ＨＩ−ＴブランドＩＩステンレス鋼矩形ワイヤー（ＲＥＦ ２５６−８２５、３Ｍ Ｕｎｉｔｅｋ、Ｍｏｎｒｏｖｉａ，ＣＡ）から、テーパー付き矩形ワイヤーを調製した。各ワイヤーを精密に加工し、矩形ワイヤーの中間セグメントに沿ってその「Ａ」寸法（０１８）にテーパーを施した。試料に応じてテーパーは、各ブラケットのアーチワイヤースロット長の全体（約０．０７０インチ又は１．８ミリメートルの長さ）、又はアーチワイヤースロット長の半分（約０．０３５インチ又は０．８９ミリメートル）のいずれかにわたって延在した。テーパー付きセグメントに沿って、ワイヤーの横方向寸法は、スロット長全体にわたって約１度、又はスロット長の半分にわたって約２度のテーパー角に対応して、約１６ミル（０．４８ミリメートル）〜約１８ミル（０．４６ミリメートル）の範囲であった。各テーパーは、ワイヤーの対向面上の、相互に位置合わせをした１対の三角形状の切り込み（各切り込みは線形的に０〜０．００１インチ（０．００２５ミリメートル）の範囲の深さを有する）として特徴付けられ得る。

この理想化されたトルク試験構成において、上述したような矩形ワイヤーの対向面上のｘ度テーパーをプログラミングすることによって、アーチワイヤースロットの対向側壁におけるｘ度テーパーの効果が、効果的にシミュレートされる。

トルク強度装置
トルク強度試験付属品が装備されたＭＴＳ ＱＴｅｓｔ／５試験機（ＭＴＳ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｅｄｅｎ Ｐｒａｉｒｉｅ，ＭＮ）を用いて試験を行った。この付属品は、約０．９５３インチ（２４．２ミリメートル）離れて対向するワイヤー把持部を有する。第１の把持部は自由に回転可能であるが、第２の把持部は試験機によって制御される。この付属品が、第２の把持部に取り付けられた直径１．９２インチ（４．８８センチメートル）の鎖歯車を部分的に取り囲む可撓性の鎖を用いて、引張力を回転力に変換する。ブラケットを含んだ刻み付きリングを、把持部間に位置する垂直方向に調整可能なチャックに取り付けた。

トルク測定値
ワイヤー端部を把持部内に取り付け、ワイヤーがブラケットのアーチワイヤースロット内にくるように、刻み付きリングを備えたチャックを位置付けることによって、試験のセットアップを行った。テーパーの終端部とブラケットスロットとの接触を避けるために、テーパー付きセグメントをスロットの長手方向中央に配置するように注意した。図７に概略的に示すように、回転する把持部をブラケットスロットの先端から約０．２０インチ（５．１ミリメートル）離して配置した。その後、試験を開始するために、試験機のクロスヘッドを上向きに、２．０インチ／分（５０．８ミリメートル／分）の固定速度で移動させることにより、第２の把持部を約１２度／分の回転速度で反時計回りに回転させた。同時に、荷重計によってトルクを連続的に測定し、クロスヘッドの線形伸長の関数として記録した。試験は、１）ブラケットの破損が検出される（トルク値の初期ピークとして示される）か、又は２）付属品が伸長範囲の上限、０．８０インチ（２０．３ミリメートル）に達するかした時に終了した。

以下の表１において、試料１〜３が、テーパーなしのワイヤー、スロット長の全体にわたって１度のテーパーを有するワイヤー、及びスロット長の第２の把持部に最も近い半分にわたって２度のテーパーを有するワイヤーを用いて得られたトルク試験結果を表す。表１には、試料寸法、公称ワイヤー寸法、テーパー角度、テーパー長、トルク強度、及びテーパーなしの試料１と比較してのトルク強度変化が含まれる。以下に報告するように、トルク試験強度値は、少なくとも７回行った測定の平均値を示す。

表１に示されるように、テーパー付きワイヤー構成では両方とも、テーパーなしのワイヤー構成よりも著しく高い平均トルク強度が測定された。

上記で触れた特許及び特許出願のすべてを本明細書に明確に援用するものである。上記に述べた実施形態は本発明を例示するものであり、他の構造もまた可能である。したがって、本発明は、上記に詳細に説明し、添付図面に示した実施形態に限定されるものと見なされるべきではなく、以下の特許請求の範囲の正当な範囲及びその均等物によってのみ限定されるものである。

Claims (32)

1. 歯科矯正装置であって、
   基部と、
   前記基部から外向きに延在する本体と、
   前記本体をほぼ近心側−遠心側方向に横切って延在する細長いアーチワイヤースロットであって、底壁及び実質的に平面の１対の側壁によって少なくとも部分的に境界付けられる、細長いアーチワイヤースロットと、を備え、前記アーチワイヤースロットの長手方向に沿って変化する横方向スロット寸法を提供するために少なくとも１つの側壁の少なくとも１つの領域にテーパーが付けられ、前記１対の側壁が、約０．５〜約１０度の範囲の相対角度偏差を有する、歯科矯正装置。
2. 前記１対の側壁が、約１〜約４度の範囲の相対角度偏差を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記１対の側壁が、約１．５〜約２度の範囲の相対角度偏差を有する、請求項２に記載の装置。
4. 歯科矯正装置であって、
   基部と、
   前記基部から外向きに延在し、かつ１対の近心側結合ウィング及び１対の遠心側結合ウィングを有する本体と、
   前記本体を横切って近心側及び遠心側結合ウィングの各対間に延在する細長いアーチワイヤースロットであって、前記近心側結合ウィングに隣接する１対の対向する近心側側壁と前記遠心側結合ウィングに隣接する１対の対向する遠心側側壁とによって少なくとも部分的に境界付けられ、対応する各近心側及び遠心側側壁対の一方又は両方が実質的に平面及び非平行である、細長いアーチワイヤースロットと、を備える、歯科矯正装置。
5. 前記アーチワイヤースロットの長手方向の少なくとも一部に沿って変化する横方向スロット寸法を提供するために少なくとも１つの側壁にテーパーが付けられる、請求項４に記載の装置。
6. 前記横方向スロット寸法が、前記アーチワイヤースロットの全長の約３０〜約７５パーセントにわたって単調に増加又は減少する、請求項５に記載の装置。
7. 歯科矯正装置であって、
   基部と、
   前記基部から外向きに延在する本体と、
   前記本体をほぼ近心側−遠心側方向に横切って延在する細長いアーチワイヤースロットであって、底壁及び１対の対向側壁によって少なくとも部分的に境界付けられる、細長いアーチワイヤースロットと、を備え、前記アーチワイヤースロットの長手方向に沿って変化する横方向スロット寸法を提供するために少なくとも１つの側壁にテーパーが付けられ、これによって、前記横方向スロット寸法が、前記アーチワイヤースロットの全長の約３０〜約７５パーセントにわたって単調に増加又は減少する、歯科矯正装置。
8. 前記テーパー付き側壁のすべてが実質的に平面である、請求項７に記載の装置。
9. 前記テーパー付き側壁のすべてが連続的に湾曲した、請求項７に記載の装置。
10. 前記横方向スロット寸法が、前記アーチワイヤースロットの全長の約４０〜約６５パーセントにわたって単調に増加又は減少する、請求項１、４、又は７のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記横方向スロット寸法が、前記アーチワイヤースロットの全長の約４５〜約６０パーセントにわたって単調に増加又は減少する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記横方向スロット寸法が、前記アーチワイヤースロットの全長の約５〜約５０パーセントにわたって狭義単調増加又は減少する、請求項１、４、又は７のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記横方向スロット寸法が、前記アーチワイヤースロットの全長の約１０〜約４０パーセントにわたって狭義単調増加又は減少する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記横方向スロット寸法が、前記アーチワイヤースロットの全長の約１５〜約３０パーセントにわたって狭義単調増加又は減少する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記アーチワイヤースロットの横方向寸法が特定の公称値を有し、前記アーチワイヤースロットの近心側及び遠心側の端部の横方向寸法が、その公称値を約０．１３ミリメートル〜約０．７６ミリメートルの範囲の選択された差だけ上回って増加する、請求項１、４、又は７のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記選択された差が、約０．１８ミリメートル〜約０．３８ミリメートルの範囲である、請求項１５に記載の装置。
17. 前記選択された差が、約０．２０ミリメートル〜約０．２５ミリメートルの範囲である、請求項１６に記載の装置。
18. 前記アーチワイヤースロットが長手方向軸線を有し、前記テーパー付き側壁が、前記長手方向軸線に垂直な垂直基準平面に関してほぼ近心側−遠心側の対称性を有する、請求項１、４、又は７のいずれか一項に記載の装置。
19. 前記アーチワイヤースロットが長手方向軸線を有し、前記テーパー付き側壁が、前記長手方向軸線に平行な水平基準平面に関してほぼ咬合側−歯肉側の対称性を有する、請求項１、４、又は７のいずれか一項に記載の装置。
20. 前記アーチワイヤースロットが、
    近心側の部分と、
    遠心側の部分と、
    近心側の部分と遠心側の部分との間に位置する中央部分と、を更に含み、該中央部分が、実質的に平行な側壁を有し、前記近心側及び遠心側の部分がテーパー付き側壁を有する、請求項１、４、又は７のいずれか一項に記載の装置。
21. 前記近心側及び遠心側の部分が、合わせて前記アーチワイヤースロットの全長の最大約７０パーセントにわたって延在する、請求項２０に記載の装置。
22. 前記近心側及び遠心側の部分が、合わせて前記アーチワイヤースロットの全長の最大約６０パーセントにわたって延在する、請求項２１に記載の装置。
23. 前記近心側及び遠心側の部分が、合わせて前記アーチワイヤースロットの全長の最大約５５パーセントにわたって延在する、請求項２２に記載の装置。
24. 前記アーチワイヤースロットが近心側及び遠心側の終端部を有し、前記横方向寸法が、前記スロットに沿って、該スロットの近心側及び遠心側の端部の一方又は両方に近づくにつれて概して増加する、請求項１、４、又は７のいずれか一項に記載の装置。
25. 前記装置がセラミック材料を含む、請求項１、４、又は７のいずれか一項に記載の装置。
26. セラミック歯科矯正装置のトルク強度を強化する方法であって、
    セラミック本体を準備する工程と、
    前記本体内に細長いアーチワイヤースロットを付与する工程と、を含み、該アーチワイヤースロットが１対の対向側壁を有し、前記アーチワイヤースロットの長手方向に沿って変化する横方向寸法を提供するために該側壁の一方又は両方にテーパーが付けられ、これによって、該アーチワイヤースロット内に受容されるフルサイズ矩形アーチワイヤーと前記装置との間の面間接触面積を、前記アーチワイヤーがその長手方向軸線の周りにねじれる際に、前記アーチワイヤースロットの長手方向に沿って実質的に分散させる、方法。
27. 前記テーパー付き側壁のすべてが実質的に平面である、請求項２６に記載の方法。
28. 前記アーチワイヤースロットが近心側及び遠心側の終端部を有し、前記横方向寸法が、前記スロットに沿って、該スロットの近心側又は遠心側の端部のいずれかに近づくにつれて概して増加する、請求項２６に記載の方法。
29. 前記アーチワイヤースロットが、
    テーパー付き近心側部分と、
    テーパー付き遠心側部分と、
    前記装置全体にわたって前記矩形アーチワイヤーの制御性を高めるために、近心側部分と遠心側部分との間に位置し、実質的に平行な側壁を有する中央部分と、を更に含む、請求項２６に記載の方法。
30. トルク強度試験を用いて決定される前記セラミック装置の前記トルク強度が、テーパーなしの側壁を備える参照装置に比較して少なくとも２０パーセント増大する、請求項２６に記載の方法。
31. トルク強度試験を用いて決定される前記セラミック装置の前記トルク強度が、テーパーなしの側壁を備える参照装置に比較して少なくとも３０パーセント増大する、請求項３０に記載の方法。
32. トルク強度試験を用いて決定される前記セラミック装置の前記トルク強度が、テーパーなしの側壁を備える参照装置に比較して少なくとも４０パーセント増大する、請求項３１に記載の方法。

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