DE4447667C2

DE4447667C2 - Ultraschall-Handstück

Info

Publication number: DE4447667C2
Application number: DE4447667A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-27
Filing date: 1994-02-27
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2014-02-28
Also published as: WO1995022938A3; DE4406323C2; FI116362B; DE4406323A1; CA2184289A1; FI963315A0; ATE222477T1; EP0746262B1; FI963315L; WO1995022938A2; DE59510332D1; DE4447698B4; AU684341B2; ES2181767T3; JP3628696B2; JPH09509344A; AU1812195A; EP0746262A1; US6139320A; DE4447669B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Handstück zur abtragenden Behandlung von natürlichen Hartgeweben, wie Zahnschmelz, Zahnbein, Zahnzement, sowie Zahn- oder Knochenersatzmaterialien.

In der älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten DE 42 38 384 C1 ist ein Ultraschall-Bearbeitungsgerät für Werkstücke beschrieben, welches auch die Bearbeitung schwer zugänglicher Oberflächenbereiche des Werkstückes ermöglicht. Hierzu hat das Bearbeitungsgerät einen als Hohlkugel oder Ring ausgebildeten Resonanzkörper. Ein erster Umfangsbereich des Resonanzkörpers, in welchem ein Schwingungsknoten vorliegt, wird durch einen Schwin gungsgenerator angetrieben, während ein zweiter Umfangs bereich des Resonanzkörpers, der winkelmäßig zum ersten Umfangsbereich versetzt ist, mit einer Arbeitsspitze antriebsschlüssig verbunden ist.

Vergleichbare Ultraschall-Handstücke wurden aber bisher auf dem Gebiet der Zahnmedizin nicht eingesetzt.

Die subtraktive oder abtragende Bearbeitung natürlicher Hartgewebe wie z. B. Zahnschmelz, Zahnbein, Zahnzement und Knochen sowie von Zahn- bzw. Knochenersatzmateria lien ist Grundlage nahezu jedes zahnärztlichen bzw. chirurgischen Eingriffes. Bis heute erfolgt die Bearbei tung der genannten Art Gewebe mit rotierenden Diamant- oder Hartmetallwerkzeugen bzw. unter Verwendung von scharfen, z. B. meißelförmigen Handinstrumenten. Derarti ge Bearbeitungsinstrumente führen zu ausgeprägten Vibrationen, unangenehmen Geräuschbildungen und induzieren zum Teil erhebliche Schmerzen. Es besteht die Gefahr der Überhitzung der bearbeiteten vitalen Gewebe mit der Folge einer möglichen irreversiblen Schädigung der organischen Bestandteile bzw. benachbarter Organe, wie z. B. der Zahnpulpa. Darüber hinaus ist ein selektiver Materialabtrag, z. B. kariös veränderter Zahnhartsubstan zen, unter Schonung angrenzenden gesunden Gewebes nicht möglich. Beim Schneideingriff des Instrumentes kommt es nicht selten zu Aussprengungen und Rissbildungen innerhalb der spröden anorganischen Gewebsbestandteile bzw. Gewebe, beispielsweise bis zum möglichen Abplatzen des Zahnschmelzmantes vom Zahnbein während der Schmelzbearbeitung mit rotierenden Diamantinstrumenten. Darüber hinaus behindert das für eine anwendungsspezifische Mindeststeifigkeit erforderliche minimale Querschnitt- Längen-Verhältnis der Instrumente deren Handhabung in schwer zugänglichen Bereichen, wie z. B. in dünnen, langgestreckten Kavitäten, endodontischen Hohlräumen und Oberflä chenabschnitten entlang und zwischen den Zahnwurzeln. Nicht zuletzt besteht eine hohe Verletzungsgefahr benachbarter Weichteile durch rotierende, schneidende Instrumente oder durch ein versehentliches Abgleiten, z. B. von Handinstrumenten.

Die erzeugte Kavitätengeometrie ist das Ergebnis der geometrischen Form des z. B. rotie renden Werkzeuges sowie einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück; die Präparation konfektionierter geometrischer Formen ist nicht möglich.

Die indikationsspezifische Kavitätenpräparation erfolgt nach vorgegebenen Grundregeln (Expertenwissen), die jedoch aufgrund der individuell erzeugten Kavitätenformen nicht als "Informationen" zur Herstellung von z. B. Zahn- bzw. Knochenersatzteilen genutzt werden können. Die Anfertigung von Rekonstruktionen erfordert daher eine präzise Abformung sämtlicher bearbeiteten Oberflächen; kleinere Abblildungsfehler können nicht durch Verlaufsintegration der benachbarten, präzise abgeformten Oberflächenabschnitte, unter Berücksichtigung des Expertenwissens, korrigiert werden.

Die Präparation vitaler Hartgewebe mittels Laserenergie führt zu thermischen sowie thermoschockinduzierten mechanischen Schäden der bearbeiteten Hartsubstanzen bzw. benachbarter Gewebe und ist im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungsverfahren aufwendig und unwirtschaftlich. Darüber hinaus ist die Präparation von definierten Kavitäten durch den unkontrollierbaren Tiefenabtrag sowie die nicht taktile, freie Hand habung der Instrumente erschwert. Ferner besteht die Gefahr der Schädigung der Weich gewebe durch direkte Bestrahlung bzw. Reflexionseffekte.

Die Präparation von Zahnhartgeweben mittels feiner Aluminiumoxidkorn-Strahlanlagen ist aufgrund des Abtragverfahrens, der kaum kontrollierbaren Handhabung und der zuvor notwendigen Applikation von Spanngummi auf ein schmales Anwendungsspektrum beschränkt und aufwendig. Darüber hinaus ist die Gefahr der Lungenschädigung des Patienten und des Behandlungspersonales durch unvermeidbare Staubbildungen hoch.

Die Präparation von Zahn- und Knochengeweben unter Anwendung von oszillierenden Werkzeugen wunde bereits vor Jahrzehnten beschrieben.

Die US 2,874,470 (High frequency dental tool, 1959) offenbart die Präparation von Zahnhartgeweben unter Anwendung magnetostriktiver, oszillierender Werkzeuge und abrasiver Füssigkeiten.

Die DE 11 00 424 beschreibt einen in der Schwingungsknotenebene geteilten Amplituden transformator einer Ultraschallbohrvorrichtung zur Zahnbehandlung und erleichtert somit den Einsatz verschiedener Bearbeitungsinstrumente.

Elektromechanische und magnetostriktive (Lamellen-)Transducer sind in der US 3,075,288 zum Zwecke der Zahnbehandlung mit oszillierenden Instrumenten unter Einsatz abrasiver Flüssigkeiten offenbart.

Die daraus hervorgegangenen, modernen Ultraschallbearbeitungsinstrumente bestehen z. B. aus einem piezoelektrischen Schwingungserreger mit an beiden Stirnflächen des Piezoquatzes koaxial befestigten, rotationssymetrischen Endmassen zur Schwingungsver stärkung durch Abstimmung des Gesamtsystemes in Resonanzfrequenz. Zur Amplituden verstärkung haben sich ferner einseitig koaxial angebrachte rotationsymetrische Endmas sen (Sonotroden) bewährt, die ebenfalls in Resonanzoszillation mit dem schwingungserre genden System abgestimmt sind und deren Querschnitt sich mit zunehmendem Abstand vom Piezoquarz bevorzugt verjüngt. Koaxial an die Stirnfläche der Sonotrode kann eine weitere, in Resonanzfrequenz abgestimmte Endmasse im Sinne eines Bearbeitungswerk zeuges angegliedert werden.

Das Gesamtsytem führt harmonische Longitudinalschwingungen längs seiner Längsachse aus, wobei die größten Amplituden an den dem Piezoquarz gegenüberliegenden Stirn flächen der Schwingungsverstärker vorliegen und das System wenigstens eine Knotenebe ne senkrecht zur Systemlängsachse (= Längsachse des Schwingungserregers) durch die Mitte des Piezoquarzes aufweist.

Der Betrieb der o. g. Zahnbearbeitungsinstrumente im Ultraschallfrequenzbereich (±25 kHz) resultiert aufgrund der physikalischen Beziehungen zwischen der Resonanzfrequenz und der Wellenlänge in ausreichenden Arbeitsamplituden des flüssigkeitsumspülten bevor zugt metallischen Werkzeuges und ermöglicht dadurch abtragswirksame Kavitationsef fekte, insbesondere zur Zahnstein-entfernung. Andererseits bestimmt die Wellenlänge des in Resonanz betriebenen Ultraschallbearbeitungsgerätes dessen Baulänge in der System längsachse und behindert daher die Anwendung in schwer zugänglichen Bereichen. Insbesondere ist eine Bearbeitung von Seitenzähnen durch die physiologisch limitierte Mundöffnung von etwa 40 bis 50 mm mit herkömmlichen Ultraschallbearbeitungswerk zeuges kaum realisierbar.

Zur scheinbaren Lösung dieser Problematik hat die Fa. Cavitron Ultrasonics im Jahre 1956 (US 492 924) Werkzeuge zur Ultraschallbearbeitung von Zahnhartsubstanzen beschrieben, die durch eine im Bezug zur Systemlängsachse exzentrische Massenverteilung gekenn zeichnet sind. Derartige Instrumente sind auch durch die DE 12 58 017, die US 2,990,616 und einen wissenschaftlichen Artikel von H. H. Postle im J Prosth Dent 8, 1958 S. 153-160 offenbart. Die Schwingungsanregung der massenexzentrischen Instrumente in System längsachse fuhrt zur Induktion von insbesondere ellipsoiden Raumschwingungen des Bearbeitungswerkzeuges, sodaß in jeder Raumrichtung ein Amplitudenanteil vorliegt. Dieser Amplitudenanteil ist allerdings entlang der meist senkrecht zur Systemlängsachse verlaufenden Präparationsrichtung zur Erzeugung von Zahnkavitäten nicht ausreichend. Die Raumschwingungen verhindern ferner die Ausbildung eines kontinuierlichen Flüssigkeits-filmes zwischen dem Werkzeug und der zu bearbeitenden Oberfläche als Vorausset zung zur Energieübertragung und Spanbildung, z. B. durch Kavitationseffekte.

Ferner kommt es durch die in den verschiedenen Raumrichtungen unkontrollierbaren, teil weise hohen Amplituden zur mechanischen Schädigung der z. T. spröden Zahnhartgewe be (H. Sprange und G. Haim, ZWR 22, 1969 S. 1028-1031). Darüber hinaus resultiert die Entfernung von Zahnbelägen mittels derartiger Ultraschallinstrumente, die im wesentli chen noch heute unverändert in Gebrauch sind, in einer signifikanten Aufrauhung der bearbeiteten Zahnoberflächen, was die Neubildung von Belägen begünstigt. Nicht zuletzt birgt die hohe Amplitude die Gefahr thermischer Schädigungen von Hart- und Weich geweben.

Der Einsatz von z. B. zahnärztlichen Ultraschallinstrumenten unter kontinuierlicher Was serkühlung ist daher auf die Entfernung von supragingivalem Zahnstein beschränkt, eine Anwendung zur Präparation von definierten Kavitäten, Reinigung von subgingivalen Zahnoberflächen insbesondere in Zahnfleischtaschen, bevorzugt spanbildenden Aufberei tung endodontischer Hohlräume sowie eine Bearbeitung von Zahn- bzw. Knochenersat zwerkstoffen ist bislang nicht möglich.

Ultraschallangetriebene rotierende Instrumente, die herkömmliche schneidende Bearbei tungswerkzeuge einsetzen (Diamantwerkzeuge mit gebundenem Korn oder schneidende Hartmetallwerkzeuge) sind in der US 4,281,987, der US 4,289,849 sowie durch ein Über sichtsreferat von L Balamuth, IEEE, 1963 S. 96-101 offenbart. Die Abtragsmechanismen unterscheiden sich nicht von herkömmlichen, rotierenden (luft- oder motorgetriebenen) In strumenten, wobei der Ultraschallantrieb vergleichsweise unwirtschaftlich ist.

Die AT 290 005 beschreibt eine Vorrichtung zur reproduzierbaren Abtragung von Zähnen mit Hilfe einer "stationären" Hülse, die scheinbar unter dem Einfluß eines "Ultraschall feldes" steht. Das "Ultraschallfeld" ist nicht näher beschrieben, obgleich die beigefügte Graphik die Handhabung der Hülse im Seitenzahnbereich darstellt. Mit den bis zum heutigen Tage bekannten Ultraschallbearbeitungsgeräten ist es aufgrund o. g. physikali scher Grundlagen, insbesondere im Seitenzahnbereich, nicht möglich eine solche Hülse mit parallel zur Zahnlängsachse, im Sinne einer Materialzerspanung, wirksamen, longitudina len Arbeitsamplituden zu versehen. Lateral- bzw. Raumschwingungen würden in dieser Anwendung zu einer Überlagerung des Schwingungsbildes mit der konfektionierten Werkzeugform und dadurch zu massiven Abbildungsfehlern beim Einsenken der Hülse führen. Eine Rekonstruktion durch in Analogie zur Hülsenform vorgefertigte Konfektions kronen ist bei Raumschwingungen des Bearbeitungswerkzeuges bzw der Hülse aufgrund der aus der Schwingungsgeometrie resultierenden Forminkongruenzen zwischen den be arbeiteten Flächen des Zahnstumpfes und den Innenflächen der Restauration nicht möglich. Andererseits ist der Einsatz von Konfektionswerkzeugen, wie der o. g. Hülse oder das in der US 2,874,470 offenbarte Werkzeug zur Präparation einer gesamten Inlaykavität aufgrund der individuellen Zahnformen und der variablen Zahngrößen wenig substanzschonend und bietet, keine Sicherheit z. B. bzgl. einer vollständigen Entfernung erkrankter Gewebeab schnitte. Nicht zuletzt besteht die Gefahr einer unbeabsichtigten Eröffnung benachbarter, z. B. endodontischer Hohlräume.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Vorrichtung zur Erzeugung von abtragswirksamen Arbeitsamplituden eines Ultraschallbearbeitungsinstrumentes auf wesentlich kürzen Baulängen als die der bisherigen Ultraschallbearbeitungsgeräte mit angegliedertem Bearbeitungswerkzeug zu realisieren und dadurch die wirtschaftliche Verwendung eines solchen Instrumentes in schwer zugänglichen Bereichen, z. B. zur intraoralen Hartgewebsbearbeitung, zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird, durch den Gegenstand des Patentanspruches 1 gelöst, also eine Vorrich tung zur Ultraschallbearbeitung von Werkstoffen mit wenigstens einem, zwischen einem Schwingungserreger und einem Bearbeitungswerkzeug angebrachten Resonanzkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkörper parallel zur Längsachse des Schwingungserregers zur Oszillation angeregt wird und gleichzeitig in Längsrichtung des Bearbei tungswerkzeuges oszilliert, wobei die Längsachse des Schwingungserregers mit der des Bearbeitungswerkzeuges einen von 0° verschiedenen Winkel bildet.

Derartige Resonanzkörper können in wesentlich geringeren Bauhöhen gefertigt werden, als das schwingungserzeugende System selbst, was einen erfindungsgemäßen Einsatz des Bearbeitungsinstrumentes ermöglicht.

Die geometrische Form des Resonanzkörpers ist anwendungsspezifisch ausgebildet und bestimmt zusammen mit dem(n) verwendeten Material(ien) seine Eigenfrequenz sowie die in Richtung des Bearbeitungswerkzeuges induzierte Schwingungsform.

Besonders geeignet zur Herstellung von festen Resonanzkörpern sind elastische, bevorzugt metallische Werkstoffe, insbesondere C-Stähle mit bevorzugt martensitischem oder baini tischem Gefüge, die besonders bevorzugt oberflächenvergütet und/oder konditioniert werden.

Die geometrische Form fester Resonanzkörpers sollte eine elastische Oszillation desselben in Resonanz mit dem schwingungserregenden System ermöglichen, wobei sich der Reso nanzkörper sowohl in Längsrichtung des schwingungserregenden Systemes bevorzugt ohne Phasenverschiebung verformt, als auch in Achsrichtungen von 60° bis 120° zur Längsachse des schwingungserregenden Systems mit einer Phasenverschiebung oszilliert. Diese Phasenverschiebung beträgt bei einem Winkel des Bearbeitungswerkzeuges von 90° zur Längsachse des schwingungserregenden Systems etwa 180° (reziproke Oszillation). Das Bearbeitungswerkzeug ist am Resonanzkörper in einem Winkel von 60° bis 120°, besonders bevorzugt von 90° zur Längsachse des schwingungserregenden Systems ange bracht und bzgl. seiner Form, Länge und Masse so ausgebildet, daß es in Resonanz mit dem Resonanzkörper bzw. dem schwingungserregenden System oszilliert.

Besonders geeignet zur intraoralen Anwendung sind kugelförmige, scheibenförmige oder ringförmige Resonanzkörper mit einem Durchmesser von weniger als 30 mm, insbesondere weniger als 20 mm. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades hat es sich ferner bewährt, hohlkugelförmige oder ringförmige Resonanzkörper zu verwenden.

Zur Verbindung des Resonanzkörpers mit dem schwingungserregenden System sowie des Bearbeitungswerkzeugs mit dem Resonanzkörper eigenen sich herkömmliche Fügetechni ken sowie teilbare Verbindungen. Insbesondere kann der Resonanzkörper mit dem schwin gungserregenden System sowie das Bearbeitungwerkzeug mit dem Resonanzkörper ver lötet, verschweißt, verklebt, verschraubt, verspannt, verkeilt, oder mit Hilfe eines Friktions konus verbunden sein, wobei sich insbesondere Kombinationen von Schraubverbindungen mit Friktionskoni bewährt haben. Selbstverständlich kann der Schwingungsverstärker des schwingungserregenden Systems und der Resonanzkörper und/oder das Bearbeitungs werkzeug und der Resonanzkörper auch aus einem Stück gefertigt werden.

Wie überraschend gefunden wurde, eignen sich als Resonanzkörper auch wenigstens ein geschlossenes Flüssigkeitssystem bzw. ein geschlossenes Hochdruckgassystem oder eine Kombination von beiden.

Das geschlossene Flüssigkeits- und/oder Gas-System ist bevorzugt so ausgebildet, daß das Flüssigkeits- oder Gasvolumen durch Erregung parallel zur Längsachse des schwin gungserregenden Systems in Oszillation, insbesondere Resonanzoszillation, mit diesem versetzt wird. Die dadurch erzeugte Oszillation des Flüssigkeits- bzw. Gasvolumens kann dann auf ein, insbesondere durch Längen-, Form- und Gewichtsabgleich in Resonanzfre quenz abgestimmtes Bearbeitungswerkzeug bevorzugt ohne Induktion von Phasenver schiebungen übertragen werden.

Besonders geeignet sind Flüssigkeits- und/oder Gasvolumina, die zwischen wenigstens je einer membranartig dicht verschlossenen oder z. B. mittels eines beweglichen Stempels abgedichteten Eintritts- und Austrittsöffnung eines geschlossenen Gehäuses eingebracht sind. Das Gehäuse ist anwendungsspezifisch ausgebildet, wobei die Gehäusewände durch die Oszillation der Flüssigkeitssäule nicht in Schwingung, insbesondere Resonanzschwin gung, versetzt werden.

Besonders bewährt haben sich unter Ultraschalleinwirkung vorliegende, insbesondere niedervisköse Flüssigkeiten, wie z. B. wässrige oder alkoholische Lösungen, Polymere, Quecksilber, niederschmelzende Nickellegierungen oder hochkomprimierte Gasvolumi na, insbesondere Edelgasvolumina von bevorzugt mehr als 10 bar Druck, ganz besonders bevorzugt mehr als 50 bar Druck.

Für intraorale Anwendungen haben sich geschlossene, nichtrostende Metallgehäuse mit Flüssigkeitsfüllmengen von etwa 0.1 ml bis 30 ml, insbesondere 0,5 ml bis 5 ml bewährt, die durch je eine elastische Membran, insbesondere Metallmembran, bevorzugt aus ober flächengehärtetem Federstahl, dicht abgeschlossen sind. Die beiden elastischen Membra nen kommunizieren über das Füllvolumen der Flüssigkeit und/oder des Gases.

Zur Verbindung der Membranen mit dem schwingungserregenden System bzw. dem Bearbeitungswerkzeug sind sämtliche vorstehend beschriebenen Verbindungs- bzw. Fügetechniken möglich, wobei die Membranen auf der dem Füllvolumen gegenüberliegen den Stirnfläche ggf. einen Flansch aufweisen. Es hat sich ferner bewährt die Membranen, bezogen auf die Längsachse des schwingungserregenden Systems bzw. des Bearbeitungs werkzeuges, zentrisch mit den jeweiligen Stirnflächen des schwingungserregenden Sy stems bzw. des Bearbeitungswerkzeuges zu verbinden. Selbstverständlich kann die Stirn fläche des schwingungserregenden Systemes und/oder des Bearbeitungswerkzeuges wenigstens teilweise auch als Membran genutzt werden.

Ganz besonders haben sich Membranen bewährt, die jeweils senkrecht zur Längsachse des schwingungserregenden Systemes bzw. zum Bearbeitungswerkzeug angeordnet sind. Zur Verbesserung des Schwingungsverhaltens des Resonanzkörpers haben sich ferner Membranen bewährt, deren Schichtstärke von der Peripherie (Anheftung am Resonanzkörper gehäuse) nach zentral kontinuierlich abnimmt. Zur Vereinfachung der Resonazabstim mung hat es sich besondersbewährt, für die Eintritts- und Austrittsmembran qualitativ identische Membranen zu verwenden.

Zur optimalen Oszillation der kommunizierenden Membranen bzw. der Flüssigkeitssäule sollte der Membrandurchmesser jeweils wenigstens geringfüg größer als der Querschnitt der jeweils angekoppelten Stirnflächen des schwingungserregenden Systems bzw. des Bearbeitungswerkzeuges sein, wobei das Durchmesserverhältnis der Eintritts- und Aus trittsmembran einen direkten Einfluß auf das Amplitudenverhältnis der Eintritts- und Aus trittsoszillation hat. Insbesondere haben sich zur Amplitudenverstärkung des Bearbei tungswerkzeuges ein Durchmesserverhältnis der Eintrittsmembran zur Austrittsmembran von etwa 2 : 1, insbesondere etwa 1.5 : 1 bewährt.

Derartige Resonanzkörper können auf verhältnismäßig kleinem Raum realisiert werden und sind leicht zu reinigen bzw. zu sterilisieren. Darüber hinaus ist das elastisch zu verformende Gesamtmetallvolumen ausschließlich auf die beiden Membranen beschränkt, was die Wärmeentwicklung reduziert und den Wirkungsgrad im Vergleich zu den festen Resonanzkörpern erhöht.

Selbstverständlich kann der Resonanzkörper auch aus verschiedenen kommunizierenden Flüssigkeits- oder Gasvolumen oder aus Kombinationen von festen Resonanzkörper(n) mit geschlossenen Flüssigkeits- oder Gasvolumina bestehen. Insbesondere können derartige Resonanzkörper aus hartschicht-, z. B. metallisch, insbesondere hartmetallbeschichteten, niederschmelzenden Legierungen, z. B. niederschmelzenden Nickellegierungen, bestehen, die bei Raumtemperatur zunächst fest sind und während der Ultraschalleinwirkung ihren Phasenzustand im Sinne einer Verflüssigung wenigstens teilweise ändern und somit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades eines "festen" Resonanzkörpers führen.

Als Bearbeitungswerkzeuge eignen sich insbesondere metallische Werkzeuge, wie z. B. zylinderförmige, röhrchenförmige, flammenförmige, kugelförmige, knospenförmige oder kegelförmige Instrumente, wie sie z. B. auch in der Zahnheilkunde gebräuchlich sind, jedoch bevorzugt ohne oberflächengebundenes Korn. Eine Kavitätenpräparation erfolgt unter wenigstens teilweiser Einsenkung des Werkzeuges und/oder durch Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und der zu bearbeitenden Oberfläche. Ferner können definierte Formzeuge verwendet werden, die wenigstens teilweise parallel zur Formzeuglängsachse in die zu bearbeitende Oberfläche eingesenkt werden.

Zur Energieankopplung an die zu bearbeitenden Oberflächen wird das oszillierende Werk zeug kontinuierlich mit einer Flüssigkeit z. B. Wasser oder wässriger Lösungen chemischer Wirksubstanzen umspült, sodaß sich zwischen dem Werkzeug und der bearbeiteten Ober fläche ein geschlossener Flüssigkeitsfilm ausbildet.

Die schnelle Auf- und Abwärtsbewegung des oszillierenden Bearbeitungswerkzeuges führt in der unmittelbaren Umgebung des Werkzeuges, insbesondere der Werkzeugstirn seite zu Kavitationseffekten sowie zur Implosion von Kavitationsblasen im flüssigkeitsge füllten Arbeitsspalt, die in einer spanabhebenden Oberflächenumformung nichtmetalli scher Materialien, im Sinne eines Erosionsprozesses resultieren. Andererseits ermöglicht die oszillierende mikrospanabhebende Bearbeitung der Zahnhartsubstanzen eine weitge hend schmerzfreie Behandlung unter Vermeidung einer Anästhesie.

Der Spanabtrag wird mit zunehmendem Arbeitsabstand geringer und kommt mit Abreißen des Flüssigkeitsfilmes zum Stillstand. Ein zu geringer Arbeitsabstand bei zu hohem An pressdruck des oszillierenden Bearbeitungswerkzeuges an die zu bearbeitenden Oberflä chen wirkt der Ausbildung von Kavitationseffekten entgegen und führt zum Prozeßstill stand.

Andererseits kann durch unterschiedliche manuelle Anpressdrücke des Bearbeitungswerk zeuges gegen die zu bearbeitende Oberfläche der Arbeitsabstand und damit die Energieankopplung variiert werden, was erstmalig die Möglichkeit eröffnet, unter Verzicht auf einen Werkzeugwechsel bzw. ohne Änderung am Bearbeitungsgerät, abtragend bearbeitete Oberflächen schonend zu finieren sowie zu polieren.

Darüber hinaus hat es sich bewährt der Flüssigkeit zur Steigerung der Abtragsleistung feine abrasive Hartkörner, wie z. B. Metalloxidpartikel, insbesondere Aluminiumoxidpartikel, Magnesiumoxidpartikel, Siliziumnitridpartikel, Borkarbidpartikel oder Glaspartikel, bzw. feine Diamantkörnchen beizumengen, wobei die Korngroße der Partikel, insbesondere für eine optimale Beschleunigung im Arbeitsspalt und eine daraus resultierende optimale Abtragsleistung etwa in der Größenordnung der doppelten Maximalamplitude des Bear beitungswerkzeuges liegen sollten. Es hat sich bewährt Abrasivsuspensionen einer Zusammensetzung von einem Volumenanteil Abrasivkörner auf 3 bis 50, bevorzugt 5 bis 20 und ganz besonders bevorzugt von 10 Volumenanteilen Flüssigkeit zu verwenden, wobei die Körner, z. B. durch kontinuierliches Rühren oder durch Gasdurchflutung der Suspension, z. B. in einem auswechselbaren Vorratsbehälter, in Schwebe gehalten werden.

Wie überraschend gefunden wurde, können die bei der Präparation von Zahnbein eröffne ten Dentinkanälchen durch zusätzliches Beimengen von Feinkornteilchen in die Suspen sion während des Abtragsprozesses, im Sinne eines Wundverbandes, versiegelt wenden. Insbesondere hat sich die Zugabe von blockförmigen Metalloxidfeinpartikeln, insbesonde re Aluminiumoxidfeinpartikeln mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 3 µm, insbesondere von etwa 1 µm bewährt Bewährte Mischungsverhältnisse liegen bei einem Volumenanteil Feinkornteilchen auf 2 bis 20, bevorzugt etwa 10 Volumenanteile Abrasiv partikel.

Die erfindungsgemäße Versiegelung der während der Präparation angeschnittenen Dentin kanälchen mit Feinkornteilchen fuhrt zu einer signifikanten Reduktion der Dentinpermea bilität und erübrigt einen aufwendigen Wundverband bzw. eine Unterfühlung.

Andererseits steht durch die zugfeste Verkeilung der insbesondere blockförmigen Fein kornteilchen in der bearbeiteten Dentingrenzfläche erstmals ein definiertes Substrat zur Verfügung das unter Umgehung einer problematischen Applikation von Dentinätzlösun gen und/oder Dentinhaftvermittlern mit geringfügiger Haftungsverbesserung, zur Haftver mittlung von plastischen Zahnfüllmaterialien, insbesondere Polymerkomposits oder Glasionomerzementen, verwendet werden kann.

Überraschenderweise können wenigstens teilweise silikathaltige und silanisierte sowie wenigstens teilweise polymerhaltige Granulate einen direkten chemischen Verbund mit polymerisierbaren Zahnfüllmassen eingehen, wobei eine mögliche Dislokation der Granu late in den Dentingrenzflächen möglichen Polymerisationsschwindungen der Zahnfüllma terialien entgegenwirken. Ferner können wenigstens teilweise silikathaltige Granulate z. B. mit polyacrylsäurehaltigen Füllungszementen gellieren.

Die Zuleitung der Abrasiv-Feinkornteilchen-Wasser-Suspension erfolgt z. B. über Düsen am Bearbeitungsinstrument, insbesondere über eine zirkulär um das Bearbeitungswerk zeug angeordnete Ringdüse oder durch etwa röhrenförmige Bearbeitungswerkzeuge. Andererseits kann bei äußerer Slurryzuleitung die Abtragseffiziens sowie die Übersicht, insbesondere bei tiefen Kavitäten, durch eine durch röhrenförmige Bearbeitungsinstru mente erfolgende Absaugung verbessert werden.

Alternativ bzw. in Ergänzung zu wässrigen Suspensionen können des weiteren etwa gelartige Kornaufschwemmungen der o. g. Abrasivpartikel und/oder Feinkornteilchen, bei spielsweise in Glyceringel, verwendet werden. Die Viskosität derartiger Gele kann z. B.. durch Zugabe von Aerosilen anwendungsspezifisch variiert werden und resultiert in einer möglichen selektiven Applikation, insbesondere auch entgegen der Schwerkraft sowie in einem möglichem Verzicht auf eine kontinuierliche wässrige Schleifmittelzuführung bzw. Absaugung. Durch Ultraschalleinwirkung kommt es durch die Tixotropie des Geles zu einer selektiven Viskositätsverringerung in der unmittelbaren Umgebung des oszillierenden Werkzeuges und dadurch zu effizienten Kavitationseffekten bzw. einer ausreichenden Schleifmittelbeschleunigung im Arbeitsspalt.

Besonders gut hat sich der Einsatz derartiger Gele in schwer zugänglichen Bereichen, wie z. B. in Zahnfleischtaschen, Zahnzwischenräumen oder in endodontischen Hohlräumen sowie zur Ausarbeitung von Zahnrestaurationen, vorzugsweise als Alternative zu einer kontinuierlichen Schleifmittelzuführung bewährt.

Selbstverständlich können den Flüssigkeiten bzw. Gelen auch chemische Wirksubstanzen zugesetzt werden, wie z. B. Calziumchelatbildner (EDTA-Lösung) zur chemischen Unter stützung des Hartgewebeabtrages oder Natriumhypochloridlösung zur Auflösung von Weichgeweberesten, z. B. im Zuge der Aufbereitung endodontischer Hohlräume oder organische Säurelösungen zur gleichzeitigen Entfernung bearbeitungsinduzierter Schmier schichten und/oder zur mikromorphologischen Umstrukturierung der bearbeiteten Ober flächen.

So hat es sich z. B. zum selektiven Abtrag von kariösen Zahnhartsubstanzen bewährt auf die Zugabe von groben Abrasivpartikeln zu verzichten und statt dessen Flüssigkeiten bzw. Gele unter Zugabe von etwa Natriumhypochloridlösung zu verwenden.

Selbstverständlich können auch hochvisköse Flüssigkeiten, z. B. Polymerkomposits unter Ultraschalleinwirkung tixotrop verflüssigt und z. B. als Befestigungskomposits zwischen Zahnkavitäten und mit Ultraschall beaufschlagten Zahnrestaurationen zu einem dünnen Film ausgepresst werden.

Die in der Zahnheilkunde durch spanabhebende Entfernung kariöser Zahnhartsubstanzen resultierenden Hartgewebsdefekte werden zur Verbesserung etwa der Stabilität oder der Randständigkeit der einzugliedernden Restaurationen unter Beachtung exakter Präpara tionsrichtlinien (Expertenwissen), im Sinne von Kavitäten bzw. Zahnstümpfen präpariert.

Intraorale Kavitäten, z. B. zur Aufnahme von Einlagefüllungen oder Teillaunen, können jeweils in ein oder mehrere, im Sinne des Expertenwissens definierbare, okklusale Kavi tätensegmente und/oder ein oder mehrere approximale bzw. bukkulae bzw. orale Kavitä tensegmente mit jeweils divergierenden gegenüberliegenden Wänden unterteilt werden. Erfindungsgemäß wird dieses Expertenwissen in ein Set standardisierter Bearbeitungs formzeuge in verschiedenen Größenabstufungen umgesetzt, wobei jedes Bearbeitungsin strument als Negativform des zu präparierenden Kavitätensegmentes ausgebildet ist. Insbesondere hat sich die Herstellung wenigstens eines Formzeuges zur Bearbeitung okklusaler Kavitätensegmente und/oder wenigstens eines Formzeuges zur Bearbeitung approximaler, bukkaler oder oraler Kavitätensegmente jeweils in wenigstens einer Größe, vorzugsweise in verschiedenen Größenabstufungen bewährt. Die Kavitätenpräparation schließt sich der individuellen Entfernung z. B. kariöser Zahnhartsubstanz an und erfolgt durch längsachsenparalleles Einsenken ein oder mehrerer erfindungsgemäßer, oszillieren der Formzeuge in die bevorzugt vorbearbeiteten Oberflächen. Zusammengesetzte Kavitä tenformen resultieren aus dem benachbarten Einsenken verschiedenener Segmentwerk zeuge, insbesondere nach Vorauswahl in geeigneten Formzeuggrößen.

Die erfindungsgemäße Restauration derartiger Kavitäten erfolgt durch Eingliederung wenigstens eines standardisierten, mit dem(n) verwendeten Bearbeitungsinstrumen(en) formgleichen Paßkörpern, der(die) aus einem bezüglich der Formen und Größenabstufun gen mit den korrespondiereneden Formzeuggeometrien übereinstimmenden Set an Form körpern ausgewählt wird(werden). Insbesondere hat sich die Anwendung adhäsiver Restaurationsverfahren unter Verwendung von Polymerkomposits sowie eine materialspe zifische Oberflächenkonditionierung der Kavitätenoberflächen und der den Kavitätenober flächen bzw. benachbarter Füllkörpersegmente zugewandten Füllkörperoberflächen be währt.

Die Kavitätenpräparation und definitive Restauration erfolgt somit in der selben Behand lungssitzung unter Umgehung komplizierter Abformtechniken sowie einer aufwendigen Laborfertigung individueller Paßkörper.

Darüber hinaus können erfindungsgemäße Formwerkzeuge auch zur Präparation von Oberflächensegmenten insbesondere von Zahnstumpfoberflächen, z. B. im Rahmen der Präparation von Verblendschalen oder von Kronenstümpfen, verwendet werden. Wieder um findet das Expertenwissen bezüglich der Gestaltung der etwa parallel zur Zahnläng sachse verlaufenden Stumpfoberflächen Eingang in ein Set etwa schaufelförmiger Präpa rationsinstrumente in unterschiedlichen Größenabstufungen bzw. unterschiedlichem Krümmungsradien. Insbesonders kann das Expertenwissen zur Präparation von Randüber gängen, bevorzugt von Kronenrändern, z. B. in Form von Stufen- oder Hohlkehlübergängen jeweils mit oder ohne Randanschrägung in ein Bearbeitungsformzeug, das wenigstens teilweise als Negativ der zu bearbeitenden Oberflächenformen ausgebildet ist, überführt werden. Die Präparation von Randübergängen erfolgt vorzugsweise durch zirkuläres Führen derartiger Instrumente parallel zur Formzeuglängsachse um den gesamten umzu gestaltenden bzw. zu finierenden Randübergang. Ganz besonders bewährt hat sich diese Methode, da eventuelle Abformungenauigkeiten durch Verlaufsintegration benachbarter, präzise abgeformter Modellstumpfoberflächenabschnitte unter Berücksichtigung des Expertenwissens, bevorzugt durch Nachbearbeitung der Modellstümpfe mit identischen Bearbeitungsformzeugen, verlaufsintegriert werden können.

Die Verwendung eines Sets von in Analogie zu Zahnwurzeloberflächen bzw. oberflächen segmenten ausgebildten, etwa schaufelförmigen Formzeugen erlaubt ferner die Entfernung von Zahnbelägen und adsorbierten Hartstoffen, etwa Zahnstein, von supra- und subgingi valen Wurzeloberflächen, wobei die Zusammensetzung der verwendeten Suspension sowie die Schwingunsform der Werkzeuge eine weitgehend selektive Entfernung des Zahnsteines und ggf. von Konkrementen ermöglicht, ohne daß größere Volumina gesun den Zahnhartgewebes abgetragen oder z. B. im Sinne einer Oberflächenaufrauhung verän dert werden.

Darüber hinaus können durch Verwendung von wenigstens teilweise ovalen Bearbeitungs instrumenten erstmals endodontische Hohläume instrumentell entsprechend ihrer, in Analogie zum Wurzelquerschnitt, zumeist ovalen Form aufbereitet werden.

Überraschenderweise wurde ferner entdeckt, daß etwa drahtförmige, zylinderförmige oder schneidenartig ausgebildete Bearbeitungsinstrumente aus etwa Chrom-Nickel-haltigen Metallegierungen unter Ultraschalleinwirkung ohne Wasserkühlung durch innere Reibungseffekte selektiv erhitzt und zur schneidenden Bearbeitung von Weichgeweben bzw. zur Koagulation von eröffneten Blutgefäßen eingesetzt werden können. Besonders bewährt haben sich Bearbeitungsinstrumente, die die Ausbildung von Reibungswärme unter Ultraschalleinwirkung z. B. durch Zusammensetzung aus wenigstens 2 verschiedenen Materialien bzw. durch Induktion von Relativbewegungen des Bearbeitungsinstrumentes zum Resonanzkörper begünstigen. Mit solchen Instrumenten können Weichteilgewebs schnitte in Analogie zu CO₂-Lasern bzw. zu elektrischen Hochfrequenzinstrumenten aus geführt werden, ohne daß es aufgrund von unerwünschten optischen Reflexionsphänome nen oder elektrischen Funkenbildungen zu Verletzungen kommt.

Wärmeerzeugende Werkzeuge können insbesondere auch in der Endodontie nach erfolg ter Wurzelkanalaufbereitung vorzugsweise unter Verwendung formgleicher Bearbeitungs werkzeuge als Füllkörper verwendet werden. Die Wärmeinduktion ermöglicht dabei die Verarbeitung von z. B. theroplastischen Wurzelfüllmaterialien, die durch das oszillierende, wärmeinduzierende Werkzeug wenigstens teilweise verflüssigt und unter Vorschub des Werkzeuges in den Wurzelkanal zu einem geringen Volumen ausgepresst werden und nach Abkühlung durch Abschalten der Ultraschalloszillation, bevorzugt unter Adsorption auf die Zahnhartgewebs- und Bearbeitungsinstrumentoberflächen, adsorbieren. Die durch die konische Form Werkzeuges gerichtete Abkühlung von der Spitze zur Werkzeugbasis ermöglicht ein spaltfreies Versiegeln der Hohlräume zwischen dem Werkzeug und der Wurzelkanalwand, wobei das Werkzeug nach Ablösen vom Resonanzkörper vorzugsweise als geometrisch definierter Formkörper im Wurzelkanal, im Sinne eines Füllkörpers, belassen und bevorzugt auf die individuelle Länge der Zahnwurzel gekürzt wird.

Selbstverständlich ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Verfahrenstechniken nicht auf die Anwendung in der Zahn heilkunde beschränkt sondern in alten äquivalenten medizinischen und nichtmedizini schen, insbesondere industriellen Aufgabenstellungen anwendbar.

In den Zeichnungen zeigt Fig. I einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungswe sentlichen Teile eines mögliches Ausführungsbeispieles eines Ultraschallbearbeitungsge rätes mit angegliedertem Resonanzkörper und Bearbeitungswerkzeug

Fig. II zeigt einen Ausschnitt aus Fig. I bzgl. des dargestellten Ausführungsbeispieles des Resonanzkörpers.

Die Bezugszeichen sind wie folgt definiert: 1 Handstückgehäuse
2 koaxialle, rotationssymetrische Endmassen
3 etwa piezoelektrischer Schwingungserreger
4 Schwingungsverstärker (Sonotrode)
5 Resonanzkörpergehäuse
6 Flüssigkeits- bzw. Gasvolumen
7 Eintrittsmembran
8 Austrittsmembran
9 Bearbeitungswerkzeug
10 Eintrittsoszillation
11 Austrittsoszillation

Claims

1. Ultraschall-Handstück zur abtragenden Behandlung von natürlichen Hartgeweben, wie Zahnschmelz, Zahn bein, Zahnzement, sowie Zahn- oder Knochenersatzmateria lien, mit einem länglichen Handstückgehäuse (1), mit einem im Handstückgehäuse (1) gelagerten Schwingungserzeuger (3), der parallel zur Handstückgehäuseachse gerichtete Ultraschallschwingungen bereitstellt, und mit einer an den Schwingungserzeuger angekoppelten, oszillierenden Arbeitsspitze (9), welche einen zur Handstückgehäuseachse geneigten Endabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zu ihrer Längsachse oszillierende Ar beitsspitze (9) und der Schwingungserzeuger (3) über einen hohlkugel- oder ringförmigen Resonanzkörper (5-8) mit dem Schwingungserzeuger (3) verbunden ist, dessen getriebenes Ende (7) parallel zur Achse des Schwingungserzeugers (3) in Oszillation versetzt wird und dessen treibendes Ende (8) in einer Richtung schwingt, die mit der Achse des Schwingungserzeugers (3) einen von 0° verschiedenen Winkel bildet.

2. Handstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bewegung des getriebenen Abschnittes (7) des Resonanzkörpers (5-8), welche parallel zur Längs achse des Schwingungserregers (3) erfolgt, sowie der Bewegung des mit der Arbeitsspitze (9) gekoppelten Ab schnittes (8) des Resonanzkörpers (5-8), welche parallel zur Achse der Arbeitsspitze erfolgt, eine von 0° ver schiedene Phasenverschiebung besteht.

3. Handstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Längsachse des Schwingungserregers (3) mit der Längsachse der Arbeitsspitze (9) einen Winkel von etwa 60° bis 120° bildet.

4. Handstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Längsachse des Schwin gungserregers und der Längsachse der Arbeitsspitze etwa 90° beträgt.

5. Handstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspitze als Negativ form für eine durch Einsenken der Arbeitsspitze in Hart material zu erzeugende Ausnehmung ausgebildet ist.