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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor für die medizinische Zahndiagnostik.
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Bisher bekannte Ultraschallsensoren oder Sensorsysteme für die medizinische Zahndiagnostik sind entweder nur von der Kaufläche aus (gemäß
DE 10 2006 025 775 A1 ) oder kombiniert von der Kaufläche aus und von den äußeren und inneren Seiten der Zähne (gemäß
DE 10 2010 040 832 B4 ) oder nur von den äußeren und inneren Seiten der Zähne (gemäß
DE 20 2007 008 008 U1 ) anwendbar. Ultraschalluntersuchungen des Zahnzwischenraumes (dentaler Approximalraum) werden daher bei den bisher angewandten oder beschriebenen Sensorgeometrien durch lange Schalllaufwege in der Genauigkeit der Materialcharakterisierung und in ihrem räumlichen Auflösungsvermögen signifikant beeinträchtigt.
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In der
US 2012/0244489 A1 ist ein Ultraschallsensor für die medizinische Zahndiagnostik beschrieben, der Piezoelemente aufweist, die auf einem flexiblen Substrat angeordnet sind oder aus einem flexiblen Substrat bestehen.
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Auch in der
US 6 589 054 B2 und der
US 5 874 677 A sind Ultraschallsensoren für die medizinische Zahndiagnostik beschrieben, die besondere Ausgestaltungen für die Zahndiagnostik im Approximalraum aufweisen bzw. Piezoelemente umfassen.
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Schließlich zeigt auch die
EP 0 353 209 A1 einen Ultraschallsensor für die medizinische Zahndiagnostik.
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Ein grundlegendes Problem bei der Ultraschallprüfung von Zähnen in vivo besteht im großen Abstand, den der Approximalraum zu allen von der Seite oder von der Kaufläche aus anzuwendenden Sensoren hat. Dies führt durch die unvermeidlich starke Signaldämpfung zu reduziertem räumlichen Auflösungsvermögen, erhöht die Fehler bei der Messung akustischer Impedanz, Schallgeschwindigkeit und Dämpfung und beeinträchtigt so deren diagnostische Verwertbarkeit. Gleichzeitig besteht aufgrund der im Approximalraum gehäuft auftretenden Karies und der durch Sicht- und Zugangsbeschränkungen auch mit modernen Röntgenverfahren (DVT) problematischen diagnostischen Beurteilung hohes Interesse an der ultraschall-basierten Bestimmung der Eigenschaften des approximalen dentalen Materials mit hoher räumlicher Auflösung. Vorrichtungen mit einer speziell auf diese Schwierigkeit ausgerichteten konstruktiven Auslegung sind bislang nicht auf dem Markt und auch anderweitig nicht bekannt.
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Allgemein zeichnen sich ultraschall-basierte Bildgebungsverfahren gegenüber der weit verbreiteten Röntgendiagnostik durch den Verzicht auf ionisierende Strahlung und vermittels einer Analyse der Signallaufzeit durch eine dreidimensionale Beschreibung der Materialverteilung aus. Dazu werden von einem aktiven Element oder einer Gruppe von aktiven Elementen bevorzugt durch Nutzung des piezoelektrischen Effektes akustische oder elastodynamische Wellen erzeugt, die im Untersuchungsvolumen in materialabhängiger Weise gestreut werden. Diese Wellen werden von den ausstrahlenden oder zusätzlichen piezoelektrisch aktiven Elementen empfangen und zurück in elektrische Signale umgewandelt. Aus Stärke und zeitlicher Abhängigkeit der Empfangssignale, die durch geeignete elektronische Messungen registriert werden, lässt sich bei ebenfalls bekannten Sendesignalen sowie bekannter räumlicher Anordnung und bekannter piezoelektrischer Charakteristik der Sende- und Empfangselemente die Materialverteilung im Untersuchungsvolumen rekonstruieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ultraschall-basierte Oberflächen- und Tiefendiagnostik von Materialstrukturen im dentalen Approximalraum praxisgerecht und handhabungssicher zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei der Sensor eine metallische Grundplatte, eine dieser zugeordnete, fest auf der Grundplatte gelagerte Platine mit einer geeignet unterteilten, piezoelektrisch aktiven Fläche und eine parallel zur Platine axial verschiebbare, metallische Schutzblende aufweist, insbesondere ist der Sensor sehr dünn aufgebaut, so dass dieser in den dentalen Approximalraum zwischen zwei Zähne einführbar ist. Dabei weist der Sensor eine Dicke von maximal 0,8 mm oder weniger auf. Die maximal mögliche Dicke ergibt sich aus der Distanz zweier benachbarter Zähne, die ggf. unterstützt durch in der zahnärztlichen Praxis erprobte Hilfsmittel wie Keile oder elastische Ringe erreicht werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Die Erfindung ist eine Sensoranordnung, die es durch den sehr dünnen und gleichzeitig hochfesten Aufbau ermöglicht, den Sensor in Zahnzwischenräume des Gebisses ohne nennenswerte Beeinträchtigung des Patienten einzuführen und sicher zu betreiben. Um dabei die piezoelektrischen Elemente vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, erhält der Sensor
- a) eine verschiebbare Schutzblende, welche die piezoelektrisch aktive Fläche erst nach dem Einführen freigibt;
- b) eine spezielle Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente, die gleichzeitig für eine Sicherheitsdistanz zum untersuchten Zahn sorgt, und
- c) eine pumpengetriebene Zuführung eines für die medizinische Anwendung zugelassenen Hydrogels, das die akustische Kopplung zwischen Sensor und Prüfkörper herstellt sowie gleichzeitig die Blendenbewegung schmiert und dessen Förderdruck gegen die Auflagekraft der Blende wirkt.
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Dabei ist nicht auszuschließen, dass insbesondere während des Einführens und Entfernens erhebliche Kräfte auf den Sensor ausgeübt werden. Die Anwendungsbedingungen erfordern daher einen hochfesten Aufbau, bestehend aus einer metallischen Grundplatte und einem verstärkten Rahmen, gefertigt aus einer Medizingeräte-zugelassenen Legierung (bevorzugt Reintitan oder TiAl6V4). Der Rahmen ist an seiner Außenkante abgerundet oder keilförmig ausgeformt, um das Einführen und die Bewegung im Zahnzwischenraum zu erleichtern.
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Weiterhin wird das zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallsignalen benötigte piezoelektrisch aktive Feld, wegen der geringen Dicke bevorzugt bestehend aus einer mit geeignet strukturierten Kontaktflächen versehenen PVDF-Folie von 10–50 μm Stärke, während des Einbringens und Entfernens des Sensors durch eine bewegliche metallische Schutzblende und durch auf dem Feld verteilte Distanzhalter geschützt. Diese Distanzhalter werden gleichzeitig zur erforderlichen Durchführung der elektrischen Kontaktierungen an der Oberseite des piezoelektrischen Feldes genutzt. Dabei wird ein spezielles und neuartiges Schema zur Anordnung der piezoelektrisch aktiven Bereiche und der Distanzhalter zur gleichmäßigen Abdeckung der Fläche angewandt.
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In den Spalt zwischen der Schutzblende und dem piezoelektrisch aktiven Feld wird von einer externen, mit dem Sensor durch einen Schlauch verbundenen Pumpe ein auch zur akustischen Kopplung dienendes, für die medizinische Anwendung geeignetes Hydrogel zugeführt. Dadurch wird die axiale Bewegung der Schutzblende durch Schmierung und reduzierte Auflagekraft erleichtert. Bei Öffnung der Schutzblende fließt das Hydrogel in den Approximalraum zwischen den Zähnen und gewährleistet die erforderliche akustische Ankopplung.
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Die Vorteile der Erfindung liegen in der besonderen konstruktiven Auslegung, also der extrem geringen Dicke und den weiteren beschriebenen Maßnahmen zur Gewährleistung einer praxisgerechten und handhabungssicheren Anwendung.
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Die Erfindung ermöglicht eine erhebliche Erweiterung der dentalen Diagnostik durch Aussagen zum Zustand des Zahn- oder Zahnersatzmaterials im Bereich des Approximalraums, abgeleitet aus mit hoher Ortsauflösung und in einem breiten Frequenzspektrum durchgeführten Messungen von Schallimpedanz, Schalllaufzeit und Schalldämpfung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels eines Ultraschallsensors für die medizinische Zahndiagnostik im dentalen Approximalraum mit verschiebbarer Schutzblende näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: einen Teilquerschnitt durch den Ultraschallsensor,
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2: im Teilschnitt die Ansicht einer der beiden Ecken der Vorderkante der metallischen Trägerfläche mit Zuleitungsplatine und aufgesetztem piezoelektrisch aktiven Feld, einem der zahlreichen Distanzhalter und einer metallischen Schutzblende,
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3: eine Seitenansicht des Ultraschallsensors im Approximalraum zweier Zähne mit teilweise geöffneter Schutzblende und mit einem Griffteil,
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4: drei Seitenansichten des Ultraschallsensors mit dem Griffteil und der Schutzblende in den Positionen a) „vollständig geschlossen”, b) „teilweise geöffnet” und c) „vollständig geöffnet” und
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5 ein vorteilhaftes Anwendungsprinzip der piezoelektrisch aktiven Elemente.
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Die 1 zeigt einen Teilquerschnitt durch den Ultraschallsensor bzw. Sensor 1 mit der metallischen Trägerfläche bzw. Grundplatte 2 und einer durch eine Klebeschicht 18 fixierten Zuleitungsplatine 3 und mit aufgesetztem piezoelektrisch aktiven Feld 5, einem der zahlreichen Distanzhalter 9 und der metallischen Schutzblende 6. Die Gesamtdicke D des Ultraschallsensors 1 beträgt 0,8 mm oder weniger.
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Die 2 zeigt die Ansicht einer der beiden Ecken der Vorderkante der metallischen Trägerfläche bzw. Grundplatte 2 mit Zuleitungsplatine 3 und mit aufgesetztem piezoelektrisch aktiven Feld 5, einem der zahlreichen Distanzhalter 9 und der metallischen Schutzblende 6.
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Die 3 zeigt den Ultraschallsensor bzw. Sensor 1 im dentalen Approximalraum 11 zweier Zähne 12 und das Griffteil 15 zur Handhabung des Sensors 11. Die hier teilweise geöffnete Schutzblende 6 gibt das piezoelektrisch aktive Feld 5 teilweise frei. Mehrere Distanzhalter 9 stützen die Schutzblende 6 im geschlossenen Zustand und sorgen im geöffneten Zustand für eine Mindestdistanz.
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Die drei Abbildungen der 4 zeigen den Ultraschallsensor bzw. Sensor 1 mit einem Griffteil 15 bei drei unterschiedlichen Positionen der Schutzblende 6.
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Die 5 zeigt ein Beispiel für ein vorteilhaftes Anordnungsprinzip für ein Feld von 13 mm Breite und 18 mm Länge mit 174 quadratischen piezoelektrisch aktiven Elementen 10 von der Kantenlänge 0,9 mm und 46 runden Distanzhaltern 9 mit eingebetteten elektrischen Zuleitungen 16
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Der Ultraschallsensor oder Sensor 1 für die medizinische Zahndiagnostik weist eine metallische Grundplatte 2, eine dieser zugeordneten, fest auf der Grundplatte 2 gelagerten Platine 3 mit einer auf der Vorderseite 4 angeordneten piezoelektrisch aktiven Fläche 5 und eine parallel zur Platine 3 axial verschiebbare, metallische Schutzblende 6 auf. Der Sensor 1 weist einen sehr dünnen Aufbau derart auf, dass der Sensor 1 in den dentalen Approximalraum 11 zwischen zwei Zähne 2 eines Patienten einführbar ist. Dabei weist der Ultraschallsensor oder Sensor 1 eine Dicke D von maximal 0,8 mm oder weniger auf. Die verschiebbare Schutzblende 6 gibt die piezoelektrischen Elemente 10 der piezoelektrisch aktiven Fläche 5 erst nach dem Einführen der Sonde 1 in den dentalen Approximalraum 11 zwischen zwei Zähne 12 des Patienten frei.
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Die Trägerstruktur des Ultraschallsensors bzw. Sensors 1 wird aus der metallischen Grundplatte 2 und einem verstärkenden Rahmen 7 gebildet. Die Grundplatte 2 und der Rahmen 7 sind aus einer für Medizingeräte zugelassenen Legierung, bevorzugt Reintitan oder TiAl6V4, gefertigt.
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Der Rahmen 7 ist an seiner Außenkante 8 abgerundet oder keilförmig ausgeformt, um das Einführen und die Bewegung des Sensors 1 im Zahnzwischenraum bzw. dentalen Approximalraum 11 des Patienten zu erleichtern
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Die zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallsignalen benötigte piezoelektrisch aktive Fläche 5 ist während des Einbringens und Entfernens des Sensors 1 durch die bewegliche metallische Schutzblende 6 und durch auf dem piezoelektrischen Feld 5 verteilt angeordnete runde Distanzhalter 9 geschützt angeordnet. Die Distanzhalter 9 werden gleichzeitig zur erforderlichen Durchführung der elektrischen Kontaktträger 13 an die Oberseite des piezoelektrisch aktiven Feldes 5 genutzt.
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Zwischen die Schutzblende 6 und die piezoelektrisch aktive Fläche 5 wird ein auch zur akustischen Koppelung dienendes, für die medizintechnische Anwendung geeignetes Hydrogel 14 durch eine externe Pumpe zugeführt, die über einen Schlauch mit dem Griffteil 15 verbunden ist. Dadurch wird die Bewegung der Schutzblende 6 durch Schmierung und reduzierte Auflagekraft erleichtet. Das Hydrogel 14 wird bei Öffnung der Schutzblende 6 in den Approximalraum 11 geleitet und gewährleistet die erforderliche akustische Ankopplung.
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Der Ultraschallsensor oder Sensor 1 ist mit allen seinen Bauelementen in einem Griffteil 15 gehalten, durch welches die elektrischen Zuleitungen 16 zum elektrischen Kontaktträger 13 an der Oberseite 17 der piezoelektrisch aktiven Fläche 5 zugeführt werden und in welchem sich der mechanische Antrieb für die Schutzblende 6 sowie die Anschlüsse für die externe Zuführung des Koppelgels 14 befinden..
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In der 3 ist gezeigt, dass jeweils der komplette Sensor 1 bzw. Sensorkopf bereits zwischen zwei Zähne 12 im dentalen Approximalraum 11 eingeführt ist. Dieses Einführen bewerkstelligt der Anwender, i. d. R ein Zahn- oder Veterinärarzt, manuell. Aktiv bewegt wird lediglich die Schutzblende 6, die während des Einführens geschlossen (erste Abbildung von 4), d. h. bis in die Ecken des Rahmens 7, gefahren ist. Sobald der Sensor 1 fertig zur Messung zwischen den Zähnen 12 befindlich ist, wird die Schutzblende 6 durch Bedienereingriff am Griffteil 15 elektrisch, mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben und damit geöffnet und gibt die piezoelektrisch aktive Fläche 5 des Sensors 1 frei (4). Die Schutzblende 6 befindet sich dann in dem dickeren Griffteil 15 rechts in den 3 und 4 außerhalb des Zahnbereiches.
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Wesentlich für den Ultraschallsensor oder Sensor 1 ist die Druckversorgung des Systems mit dem physiologisch verträglichen akustisch wirksamen Hydrogel 14. Dieses wird dem Sensor 1 bzw. Sensorkopf durch eine, in den Figuren nicht gezeigte Pumpe mit Anschlussschlauch zugeführt. Der Druck des Hydrogels 14 bewirkt eine Verringerung der Lagerkräfte der Schutzblende 6 und erleichtert so deren Öffnung. Das Hydrogel 14 tritt während des Öffnens der Schutzblende 6 aus und füllt den Zwischenraum zwischen der piezoelektrisch aktiven Fläche 5 und dem zu untersuchenden Zahn 12 aus.
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Um die piezoelektrisch aktive Fläche 5 mit den piezoelektrischen Elementen 10 auch im geöffneten Zustand der Schutzblende 6 vor mechanischen Kräften durch den Zahn 12 zu schützen, sind die abgerundeten Distanzhalter 9 über die piezoelektrisch aktive Fläche verteilt angeordnet, wie es in 5 dargestellt ist. Die Distanzhalter 9 dienen gleichzeitig auch als Durchführung für die elektrischen Zuleitungen 16 an die Oberseite 17 der piezoelektrisch aktiven Elemente 10.
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Die Messung im Appriximalraum zwischen zwei Zähnen 12 erfolgt zunächst nur für einen Zahn 12. Dann muss der Sensor 1 um 180° herumgedreht werden, um den anderen Zahn 12 zu messen.
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Die für den Betrieb des Ultraschallsensors oder Sensors 1 erforderlichen Ultraschallerzeuger und die zugehörigen Messwertaufnehmer sowie die Pumpe und die Schlauchverbindung zur Zuführung des Hydrogels sind in den Figuren nicht dargestellt.
