WO2017098004A1 - Method for measuring the forces exerted on the teeth by orthodontic devices - Google Patents

Method for measuring the forces exerted on the teeth by orthodontic devices Download PDF

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Mareike Warkentin
Franka STAHL
Antje KRUSE
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    • A61C9/0046—Data acquisition means or methods
    • A61C9/0053—Optical means or methods, e.g. scanning the teeth by a laser or light beam

Definitions

  • the invention is based on orthodontic devices, with the help of malpositions or the like of teeth to be corrected.
  • braces 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. There are two types of braces or more generally
  • orthodontic appliances namely, fixed and removable appliances.
  • 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.
  • strain gauges or piezoelectric foils require a electrical contacting by means of wires, which in the present field is not practicable in everyday clinical practice.
  • the photoelastic material has the property under a mechanical stress, for example, a voltage,
  • the invention is based on the object to provide a way to determine the forces and voltage waveforms in orthodontic appliances.
  • the invention proposes a method with the features mentioned in claim 1. Further developments of the invention are the subject of dependent claims.
  • optical intraoral scanners to generate a model to be observed on the screen of a computer. It can not be just a model of the tooth or teeth using the optical scanner but also a model of acting on the tooth
  • the invention claims the property of many amorphous polymers to become birefringent under mechanical stresses. This will be the
  • Creep effects that can occur in the plastics are automatically taken into account.
  • 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 on which the
  • the orthodontic device can be adjusted even before its first use so that the desired results are achieved.
  • FIG. 2 isoclines on a dental composite under a bending load introduced at two points.
  • FIG. 1 shows in a greatly simplified manner an intraoral optical scanner 1 represented, which is connected via an indicated cable 2 with a likewise only indicated computer 3. By moving such an optical scanner over the teeth or a row of teeth 5 of a patient can use a
  • Evaluation software to create a mathematical model of the shape of the row of teeth. Similarly, if an orthodontic appliance, not shown for the sake of simplicity, is mounted, a mathematical model of the shape of the row of teeth 5 with the orthodontic appliance attached to it can be made.
  • the orthodontic appliance consists at least partially of a photoelastic material which becomes birefringent under tension.
  • the scanner has a light source and at least one sensor for receiving the light reflected from the object being examined.
  • a polarizing filter 4 is arranged, so that the sensor is the reflected and filtered by the polarizing filter
  • Such optical intraoral scanners used by the invention are commercially available devices that are freely available on the market.
  • Photoelectric material contained in the orthodontic device generated interference patterns. These interference patterns are determined by the
  • FIG. 2 shows, in a greatly simplified manner, a test piece made of dental composite, such as under a bending load introduced at two points
  • Voltage curves look like.
  • the lines are so-called isoclines.
  • the isoclines converge at the points of force introduction.

Abstract

In a method for measuring the forces and stresses that an orthodontic devices exerts on teeth that are to be corrected, it is proposed that the orthodontic device be produced at least in part from a photoelastic material. Photoelastic material has the property of becoming birefringent under mechanical stress. A mathematical model or CAD model is generated with the aid of an intraoral optical scanner, in front of the sensor of which a polarization filter is arranged. The forces and stresses can be calculated on the mathematical model.

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DER AUF DIE ZÄHNE DURCH  METHOD OF MEASURING THE TOOTH THROUGH
KIEFERORTHOPÄDISCHE VORRICHTUNGEN AUSGEÜBTEN KRÄFTE  ORTHODONTIC DEVICES EXCELLENT FORCES
Die Erfindung geht aus von kieferorthopädische Vorrichtungen, mit deren Hilfe Fehlstellungen oder dergleichen von Zähnen korrigiert werden sollen. Diese The invention is based on orthodontic devices, with the help of malpositions or the like of teeth to be corrected. These
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. Man unterscheidet zwei Arten von Zahnspangen bzw. allgemeiner Devices, such as braces, 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. There are two types of braces or more generally
kieferorthopädische Vorrichtungen, nämlich festsitzende und herausnehmbare Vorrichtungen. 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 The methods normally used to measure forces, such as
Beispiel Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrisches Folien, erfordern eine elektrische Kontaktierung mithilfe von Drähten, was bei dem hier vorliegenden Gebiet im klinischen Alltag nicht praktikabel ist. For example, strain gauges or piezoelectric foils require a electrical contacting by means of wires, which in the present field is not practicable in everyday clinical practice.
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 To address the problem of decreasing the impact of orthodontic appliances, a possibility has already been proposed. This consists of producing the orthodontic appliance from a photoelastic material or coating the apparatus with a photoelastic material (US Pat
6,386,864 B1 ). Das photoelastische Material hat die Eigenschaft, unter einer mechanischen Beanspruchung, also beispielsweise einer Spannung, 6,386,864 B1). The photoelastic material has the property under a mechanical stress, for example, a voltage,
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 become birefringent. If the orthodontic appliance is illuminated with polarized light when it is being used in the patient's mouth, interference patterns arise on the parts of the apparatus that are under load and 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 use 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 The use of optical intraoral scanners to generate a model to be observed on the screen of a computer is known. It can not be just a model of the tooth or teeth using the optical scanner but also a model of acting on the tooth
kieferorthopädischen Vorrichtung. orthodontic device.
Die Erfindung macht sich die Eigenschaft vieler amorpher Polymere zu eigen, unter mechanischen Spannungen doppeltbrechend zu werden. Dadurch wird die The invention claims the property of many amorphous polymers to become birefringent under mechanical stresses. This will be the
Polarisationsebene von einfallendem Licht gedreht. Bei Verwendung von Polarization plane rotated by incident light. When using
monochromatischem Licht wird unter Last eine Anordnung aus hellen und dunklen Streifen (Isochromaten und Isoklinen) sichtbar. Diese Anordnung ermöglicht Under monochromatic light, an arrangement of light and dark stripes (isochromates and isoclines) becomes visible. This arrangement allows
Rückschlüsse auf den örtlichen Verlauf und die Größe von Zug-, Druck- und Conclusions on the local course and the size of Zug-, Druck- and
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. 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 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 on which the
Spannung überträgt. Voltage transfers.
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 which is 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 for comparison by means of the optical scanner, a mathematical or CAD model without the Polarization filter is generated. 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 In a further embodiment of the invention can be provided first of the teeth to be treated using the optical scanner without the orthodontic device to generate a mathematical model to produce a true-to-scale physical model of the mathematical model and the
kieferorthopädische Vorrichtung an diesem physikalischen Modell in vitro orthodontic device on this physical model 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. to install. 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: Figur 1 schematisch das Abtasten einer Zahnreihe mithilfe eines Scanners; 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. 1 shows schematically the scanning of a row of teeth with the aid of a scanner;
Figur 2 Isoklinen an einem Dentalkomposit unter einer an zwei Stellen eingeleiteten Biegebelastung. In Figur 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 FIG. 2 isoclines on a dental composite under a bending load introduced at two points. FIG. 1 shows in a greatly simplified manner an intraoral optical scanner 1 represented, which is connected via an indicated cable 2 with a likewise only indicated computer 3. By moving such an optical scanner over the teeth or a row of teeth 5 of a patient can use a
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. Evaluation software to create a mathematical model of the shape of the row of teeth. Similarly, if an orthodontic appliance, not shown for the sake of simplicity, is mounted, a mathematical model of the shape of the row of teeth 5 with the orthodontic appliance attached to it can be made.
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 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, a polarizing filter 4 is arranged, so that the sensor is the reflected and filtered by the polarizing filter
Strahlung aufnehmen kann. Solche von der Erfindung verwendete optische intraorale Scanner sind handelsübliche Geräte, die frei auf dem Markt verfügbar sind.  Radiation can absorb. 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 In the computer, an evaluation is made by the voltage in the
photoelektrischen Material, das in der kieferorthopädischen Vorrichtung enthalten ist, erzeugten Interferenzmuster. Diese Interferenzmuster werden durch das Photoelectric material contained in the orthodontic device generated interference patterns. These interference patterns are determined by the
Polarisationsfilter 4 sichtbar. Polarization filter 4 visible.
Figur 2 zeigt stark vereinfacht an einem Probeteil, das aus Dentalkomposit besteht, wie unter einer Biegebelastung, die an zwei Punkten eingeleitet wird, die FIG. 2 shows, in a greatly simplified manner, a test piece made of dental composite, such as under a bending load introduced at two points
Spannungsverläufe aussehen. Die Linien sind sogenannte Isoklinen. Es ist insbesondere zu sehen, dass an den Punkten der Krafteinleitung die Isoklinen zusammenlaufen. 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.

Claims

Verfahren zur Messung der auf die Zähne einer Person durch  Method of measuring the teeth of a person by
kieferorthopädische Vorrichtungen ausgeübten Kräfte, mit folgenden orthodontic appliances exerted forces, with the following
Verfahrensschritten: Steps:
es wird eine kieferorthopädische Vorrichtung verwendet, die mindestens teilweise aus einem photoelastischen Material besteht, an orthodontic appliance is used which consists at least partly of a photoelastic material,
die kieferorthopädische Vorrichtung wird in situ mit einem optischen Scanner abgetastet, the orthodontic device is scanned in situ with an optical scanner,
in den Strahlengang zwischen der Vorrichtung und dem Sensor des optischen Scanners wird ein Polarisationsfilter eingesetzt, in the beam path between the device and the sensor of the optical scanner, a polarizing filter is used,
mithilfe des Scanners wird ein mathematisches Modell der Form erzeugt und ausgewertet. The scanner is used to create and evaluate a mathematical model of the shape.
Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem zum Vergleich zusätzlich ein Method according to claim 1, wherein additionally for comparison
mathematisches Modell der Form ohne Zuhilfenahme des Polarisationsfilters erzeugt wird. mathematical model of the shape is generated without the aid of the polarization filter.
Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem mehrere Abtastungen mit The method of claim 1, wherein multiple scans with
unterschiedlicher Orientierung des Polarisationsfilters durchgeführt werden. different orientation of the polarizing filter can be performed.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zunächst ein mathematisches Modell des Zahns bzw. der Zähne ohne die Method according to one of the preceding claims, wherein initially a mathematical model of the tooth or the teeth without the
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 created orthodontic device using the optical scanner, generated by the mathematical model, a scale-scale physical model, the orthodontic device attached to the physical model and the physical model through the
kieferorthopädische Vorrichtung ausgeübten Kräfte gemessen werden. measured orthodontic device forces.
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