DE102015016096A1 - Method of measuring the forces exerted on the teeth by orthodontic appliances - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Messen der durch eine kieferorthopädische Vorrichtung auf zu korrigierende Zähne ausgeübten Kräfte und Spannungen schlägt vor, die kieferorthopädische Vorrichtung mindestens teilweise aus einem photoelastischen Material herzustellen. Photoelastisches Material hat die Eigenschaft, unter mechanischer Spannung doppeltbrechend zu werden. Mithilfe eines intraoralen optischen Scanners, vor dessen Sensor ein Polarisationsfilter angeordnet wird, wird ein mathematisches bzw. CAD Modell erzeugt. An dem mathematischen Modell lassen sich die Kräfte und Spannungen berechnen.A method of measuring the forces and stresses applied to an orthodontic appliance by an orthodontic appliance suggests that the orthodontic appliance be at least partially made from a photoelastic material. Photoelastic material has the property of becoming birefringent under mechanical stress. Using an intraoral optical scanner, in front of the sensor a polarizing filter is arranged, a mathematical or CAD model is generated. The forces and stresses can be calculated on the mathematical model.

Description

Die Erfindung geht aus von kieferorthopädische Vorrichtungen, mit deren Hilfe Fehlstellungen oder dergleichen von Zähnen korrigiert werden sollen. Diese Vorrichtungen, beispielsweise eine Zahnspange, üben Kräfte auf die Zähne, zu deren Korrektur sie dienen, aus. Im Lauf der Zeit folgen die Zähne der Beaufschlagung durch die kieferorthopädischen Vorrichtungen. Dadurch verringert sich die Spannung, mit der die Vorrichtungen an den Zähnen anlegen.The invention is based on orthodontic devices, with the help of malpositions or the like of teeth to be corrected. These devices, such as a brace, exert forces on the teeth that they serve to correct. Over time, the teeth follow the impact of the orthodontic appliances. This reduces the voltage with which the devices attach to the teeth.

Man unterscheidet zwei Arten von Zahnspangen bzw. allgemeiner kieferorthopädische Vorrichtungen, nämlich festsitzende und herausnehmbare Vorrichtungen.A distinction is made between two types of braces or more generally orthodontic appliances, namely fixed and removable appliances.

Zahnspangen bestehen üblicherweise aus einer Kunststoffbasis mit eingearbeiteten Metalldrähten, Federelementen und Klammerelementen. Die Kunststoffbasis wird überwiegend aus optisch isotropen opaken bis hin zu transparenten Polymeren hergestellt, beispielsweise Methylmethacrylaten oder Epoxiden. Bei den Kunststoffen, aus denen die Basis besteht, besteht zusätzlich zu dem Nachlassen der Spannung noch die Gefahr von Kriecheffekten, die ebenfalls zu einer Verringerung der auf die Zähne ausübenden Kraft führen können.Braces usually consist of a plastic base with incorporated metal wires, spring elements and clip elements. The plastic base is predominantly produced from optically isotropic opaque to transparent polymers, for example methyl methacrylates or epoxides. With the plastics that make up the base, in addition to the release of tension, there is still the risk of creep, which can also lead to a reduction in the force exerted on the teeth.

Um einen kieferorthopädischen Effekt zu erreichen, kann es auch erforderlich sein, die Vorrichtungen nach einer gewissen Einwirkungsdauer nachzuspannen oder auszutauschen. Das Ermitteln des Nachlassens der Spannung kann bislang nur empirisch gemacht werden. Es gibt zurzeit noch keine Möglichkeit, die Krafteinleitung von Zahnspange auf die Zähne wirklich zu messen oder in sonstiger Weise zu bestimmen.In order to achieve an orthodontic effect, it may also be necessary to retighten or replace the devices after a certain exposure time. The determination of the easing of the tension can hitherto only be made empirical. There is currently no way to really measure the force input of braces on the teeth or to determine in any other way.

Die normalerweise zur Messung von Kräften verwendeten Methoden, wie zum Beispiel Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrisches Folien, erfordern eine elektrische Kontaktierung mithilfe von Drähten, was bei dem hier vorliegenden Gebiet im klinischen Alltag nicht praktikabel ist.The methods normally used to measure forces, such as strain gauges or piezoelectric foils, require electrical contacting using wires, which is not practical in the clinical field of the present art.

Um das Problem des Nachlassens der Einwirkung kieferorthopädischer Apparaturen anzugehen, ist bereits eine Möglichkeit vorgeschlagen worden. Diese besteht darin, die kieferorthopädische Apparatur aus einem photoelastischen Material herzustellen oder die Apparatur mit einem photoelastischen Material zu beschichten ( US 6,386,864 B1 ). Das photoelastische Material hat die Eigenschaft, unter einer mechanischen Beanspruchung, also beispielsweise einer Spannung, doppeltbrechend zu werden. Wird nun die kieferorthopädische Apparatur bei ihrer Anwendung im Mund des Patienten mit polarisiertem Licht beleuchtet, so entstehen an den unter Belastung stehenden Teilen der Vorrichtung Interferenzmuster, die sich als Linien darstellen. Das Vorhandensein solcher Interferenzmuster lässt daher die Aussage zu, dass die kieferorthopädische Apparatur noch unter Belastung ist, also auf die Zähne noch einwirkt. Fehlen dagegen die Interferenzmuster, hat die kieferorthopädische Apparatur keine Wirkung mehr. Auf diese Weise lässt sich allerdings nur das Vorhandensein oder das Fehlen von Kräften feststellen.To address the problem of decreasing the impact of orthodontic appliances, a possibility has already been proposed. This is to make the orthodontic appliance of a photoelastic material or to coat the apparatus with a photoelastic material ( US 6,386,864 B1 ). The photoelastic material has the property of becoming birefringent under mechanical stress, such as stress. If the orthodontic appliance is then illuminated with polarized light when it is used in the patient's mouth, interference patterns arise on the parts of the apparatus that are under load, which appear as lines. The presence of such interference pattern therefore allows the statement that the orthodontic appliance is still under stress, so the teeth still acts. On the other hand, if the interference patterns are missing, the orthodontic appliance has no effect. In this way, however, only the presence or absence of forces can be determined.

Die Verwendung von fotoelastischem Material im kieferorthopädischen Bereich und die Ausnutzung der Doppelbrechung sind ebenfalls bekannt ( US 4,324,547 ).The use of photoelastic material in the orthodontic area and the utilization of birefringence are also known ( US 4,324,547 ).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zur Ermittlung der Kräfte und Spannungsverläufe in kieferorthopädischen Apparaturen zu schaffen.The invention is based on the object to provide a way to determine the forces and voltage waveforms in orthodontic appliances.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.To solve this problem, the invention proposes a method with the features mentioned in claim 1. Further developments of the invention are the subject of dependent claims.

Die Verwendung von optischen intraoralen Scannern zur Erzeugung eines auf den Bildschirm eines Computers zu beobachtenden Modells ist bekannt. Es kann also nicht nur ein Modell des Zahns bzw. der Zähne mithilfe des optischen Scanners erzeugt werden, sondern auch ein Modell der auf den Zahn einwirkenden kieferorthopädischen Vorrichtung.The use of optical intraoral scanners to generate a model to be observed on the screen of a computer is known. Thus, not only a model of the tooth (s) can be generated using the optical scanner, but also a model of the orthodontic appliance acting on the tooth.

Die Erfindung macht sich die Eigenschaft vieler amorpher Polymere zu eigen, unter mechanischen Spannungen doppeltbrechend zu werden. Dadurch wird die Polarisationsebene von einfallendem Licht gedreht. Bei Verwendung von monochromatischem Licht wird unter Last eine Anordnung aus hellen und dunklen Streifen (Isochromaten und Isoklinen) sichtbar. Diese Anordnung ermöglicht Rückschlüsse auf den örtlichen Verlauf und die Größe von Zug-, Druck- und Biegespannungen in einem Festkörper. In Kenntnis der optischen Konstante des verwendeten Basiskunststoffs können dann die mechanischen Spannungen quantitativ ermittelt und bezogen auf den Querschnitt die wirkenden Kräfte berechnet werden.The invention claims the property of many amorphous polymers to become birefringent under mechanical stresses. As a result, the polarization plane is rotated by incident light. When using monochromatic light, an arrangement of light and dark stripes (isochromates and isoclines) becomes visible under load. This arrangement allows conclusions about the local course and the size of tensile, compressive and bending stresses in a solid. With knowledge of the optical constant of the base plastic used, the mechanical stresses can then be determined quantitatively and the forces acting on the cross section can be calculated.

Kriecheffekte, die bei den Kunststoffen auftreten können, werden dabei automatisch berücksichtigt.Creep effects that can occur in the plastics are automatically taken into account.

Die kieferorthopädische Vorrichtung muss nicht insgesamt aus dem fotoelastischen Material bestehen. Es kann ausreichen, wenn an den interessanten Stellen eine Beschichtung mit dem fotoelastischen Material vorhanden ist, auf die sich die Spannung überträgt.The orthodontic appliance need not consist entirely of the photoelastic material. It may be sufficient if a coating with the photoelastic material is present at the points of interest, to which the voltage is transferred.

Die Auswertung der erwähnten Anordnung von Isochromaten und Isoklinen kann mit mathematischen Verfahren berechnet werden unter Verwendung des durch den optischen Scanner erzeugten mathematischen bzw. CAD-Modells. Hierzu ist eine Softwarelösung vorgesehen, die auf den Arbeiten von Klaus-Peter Ernst und anderen basiert (Determination of polymerization shrinkage stress by means of a photoelastic investigation, Dental Materials (2004) 20, 313–321 ). The evaluation of the mentioned arrangement of isochromates and isoclines can be calculated by mathematical methods using the mathematical or CAD model generated by the optical scanner. For this purpose, a software solution is provided, based on the work of Klaus-Peter Ernst and others (Determination of polymerization shrinkage stress by means of a photoelastic investigation, Dental Materials (2004) 20, 313-321 ).

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zum Vergleich mithilfe des optischen Scanners ein mathematisches bzw. CAD Modell ohne das Polarisationsfilter erzeugt wird. Durch den Vergleich der beiden mathematischen Modelle lässt sich leichter herausfinden, welche Beiträge durch die Doppelbrechung entstanden sind.In a further development of the invention, it can be provided that a mathematical or CAD model without the polarization filter is generated for comparison by means of the optical scanner. By comparing the two mathematical models, it is easier to find out which contributions were made by birefringence.

In nochmaliger Weiterbildung kann vorgesehen sein, mehrere Abtastungen mithilfe des optischen Scanners bei unterschiedlicher Orientierung des Polarisationsfilters durchzuführen.In a further development can be provided to perform multiple scans using the optical scanner with different orientation of the polarizing filter.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, zunächst von den zu behandelnden Zähnen mithilfe des optischen Scanners ohne die kieferorthopädische Vorrichtung ein mathematisches Modell zu erzeugen, aus dem mathematischen Modell ein maßstabsgetreu es physikalisches Modell herzustellen und die kieferorthopädische Vorrichtung an diesem physikalischen Modell in vitro anzubringen. Anschließend kann die Bestimmung von Kräften und Spannungen mit dem beschriebenen Verfahren an diesem Modell erfolgen. Auf diese Weise kann die kieferorthopädische Vorrichtung schon vor ihrem ersten Einsatz so eingestellt werden, dass die gewünschten Ergebnisse erreicht werden.In a further embodiment of the invention, it is possible to first generate a mathematical model of the teeth to be treated by means of the optical scanner without the orthodontic appliance, to produce a true-to-scale physical model from the mathematical model and to attach the orthodontic appliance to this physical model in vitro , Subsequently, the determination of forces and stresses can be done with the described method on this model. In this way, the orthodontic device can be adjusted even before its first use so that the desired results are achieved.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Zusammenfassung, deren beider Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Einzelmerkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen können dabei in beliebiger Weise kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Hierbei zeigen:Further features, details and advantages of the invention will become apparent from the claims and the abstract, the wording of which is incorporated by reference into the content of the description, the following description of preferred embodiments of the invention and with reference to the drawing. Individual features of the different embodiments can be combined in any way, without departing from the scope of the invention. Hereby show:

1 schematisch das Abtasten einer Zahnreihe mithilfe eines Scanners; 1 schematically scanning a row of teeth using a scanner;

2 Isoklinen an einem Dentalkomposit unter einer an zwei Stellen eingeleiteten Biegebelastung. 2 Isoclinics on a dental composite under a bending stress introduced at two points.

In 1 ist in stark vereinfachter Weise ein intraoraler optischer Scanner 1 dargestellt, der über ein angedeutetes Kabel 2 mit einem ebenfalls nur angedeuteten Computer 3 verbunden ist. Durch Bewegen eines solchen optischen Scanners über den Zähnen oder einer Zahnreihe 5 eines Patienten kann mithilfe einer Auswertsoftware ein mathematisches Modell der Form der Zahnreihe erstellt werden. In gleicher Weise kann, wenn eine aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellte kieferorthopädische Vorrichtung angebracht ist, ein mathematisches Modell der Form der Zahnreihe 5 mit der an ihr angebrachten kieferorthopädischen Vorrichtung erstellt werden.In 1 is a highly simplified intraoral optical scanner 1 represented by an indicated cable 2 with a likewise indicated computer 3 connected is. By moving such an optical scanner over the teeth or a row of teeth 5 A patient can use an analysis software to create a mathematical model of the shape of the row of teeth. Likewise, when an orthodontic appliance, not shown for simplicity, is attached, a mathematical model of the shape of the row of teeth may be provided 5 be created with attached to her orthodontic device.

Erfindungsgemäß besteht die kieferorthopädische Vorrichtung mindestens teilweise aus einem photoelastischen Material, das unter Spannung doppeltbrechend wird.According to the invention, the orthodontic appliance consists at least partially of a photoelastic material which becomes birefringent under tension.

Der Scanner weist eine Lichtquelle und mindestens einen Sensor zur Aufnahme des von dem untersuchten Gegenstand reflektierten Lichts auf. In dem Strahlengang vor dem Sensoren bzw. den mehreren Sensoren ist ein Polarisationsfilter 4 angeordnet, sodass der Sensor die reflektierte und durch das Polarisationsfilter gefilterte Strahlung aufnehmen kann. Solche von der Erfindung verwendete optische intraorale Scanner sind handelsübliche Geräte, die frei auf dem Markt verfügbar sind.The scanner has a light source and at least one sensor for receiving the light reflected from the object being examined. In the beam path in front of the sensor or the plurality of sensors is a polarizing filter 4 arranged so that the sensor can absorb the reflected and filtered by the polarizing filter radiation. Such optical intraoral scanners used by the invention are commercially available devices that are freely available on the market.

In dem Computer erfolgt eine Auswertung der durch die Spannung in dem photoelektrischen Material, das in der kieferorthopädischen Vorrichtung enthalten ist, erzeugten Interferenzmuster. Diese Interferenzmuster werden durch das Polarisationsfilter 4 sichtbar.In the computer, an evaluation is made of the interference patterns generated by the voltage in the photoelectric material contained in the orthodontic appliance. These interference patterns are caused by the polarization filter 4 visible, noticeable.

2 zeigt stark vereinfacht an einem Probeteil, das aus Dentalkomposit besteht, wie unter einer Biegebelastung, die an zwei Punkten eingeleitet wird, die Spannungsverläufe aussehen. Die Linien sind sogenannte Isoklinen. Es ist insbesondere zu sehen, dass an den Punkten der Krafteinleitung die Isoklinen zusammenlaufen. 2 shows greatly simplified on a sample part, which consists of dental composite, as under a bending load, which is initiated at two points, the voltage curves look like. The lines are so-called isoclines. In particular, it can be seen that the isoclines converge at the points of force introduction.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 4324547 [0007] US 4324547 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Klaus-Peter Ernst und anderen basiert (Determination of polymerization shrinkage stress by means of a photoelastic investigation, Dental Materials (2004) 20, 313–321 [0014] Klaus-Peter Ernst and others (Determination of polymerization shrinkage stress by means of a photoelastic investigation, Dental Materials (2004) 20, 313-321 [0014]

Claims (4)

Verfahren zur Messung der auf die Zähne einer Person durch kieferorthopädische Vorrichtungen ausgeübten Kräfte, mit folgenden Verfahrensschritten: – es wird eine kieferorthopädische Vorrichtung verwendet, die mindestens teilweise aus einem photoelastischen Material besteht, – die kieferorthopädische Vorrichtung wird in situ mit einem optischen Scanner abgetastet, – in den Strahlengang zwischen der Vorrichtung und dem Sensor des optischen Scanners wird ein Polarisationsfilter eingesetzt, – mithilfe des Scanners wird ein mathematisches Modell der Form erzeugt und ausgewertet.Method of measuring forces applied to a person's teeth by orthodontic appliances, comprising the following steps: An orthodontic appliance is used which consists at least partly of a photoelastic material, The orthodontic device is scanned in situ with an optical scanner, - In the beam path between the device and the sensor of the optical scanner, a polarizing filter is used, - The scanner is used to generate and evaluate a mathematical model of the shape. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Vergleich zusätzlich ein mathematisches Modell der Form ohne Zuhilfenahme des Polarisationsfilters erzeugt wird.Method according to Claim 1, in which, for comparison, a mathematical model of the shape is additionally generated without the aid of the polarization filter. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mehrere Abtastungen mit unterschiedlicher Orientierung des Polarisationsfilters durchgeführt werden.The method of claim 1, wherein a plurality of scans are performed with different orientation of the polarizing filter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zunächst ein mathematisches Modell des Zahns bzw. der Zähne ohne die kieferorthopädische Vorrichtung mithilfe des optischen Scanners erzeugt, von dem mathematischen Modell ein maßstabsgetreues physikalisches Modell erzeugt, die kieferorthopädische Vorrichtung an dem physikalischen Modell angebracht und die auf das physikalische Modell durch die kieferorthopädische Vorrichtung ausgeübten Kräfte gemessen werden.A method according to any one of the preceding claims, wherein first a mathematical model of the tooth (s) without the orthodontic appliance is generated using the optical scanner, creating a true scale physical model from the mathematical model, attaching the orthodontic appliance to the physical model, and applying the physical model is measured by the forces exerted by the orthodontic appliance.
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