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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Satzes harter, transparenter Schienen zur schrittweisen kieferorthopädischen Behandlung, und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Satzes harter, transparenter Schienen durch das Fräsen von modularen Blöcken, deren Härte ähnlich jener des Schmelzes der Zahnkrone ist.
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2. Beschreibung verwandter Technik
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Das älteste Verfahren zur kieferorthopädischen Behandlung umfasst das Verbinden einer Mehrzahl von Brackets mit jeder einer Mehrzahl von Zahnkronen durch Verkleben, das Führen eines Bogendrahts durch die Brackets und das Anziehen des Bogendrahts, um eine Spannung in den Zahnkronen zu erzeugen, wodurch die betreffenden Zähne dazu gezwungen werden, sich langsam in ihre jeweils vorgesehenen Positionen zu bewegen. Bezugnehmend auf 1 wird der freiliegende Abschnitt des Zahns 10 als die Zahnkrone 11 bezeichnet, und der nicht freiliegende Abschnitt wird als die Zahnwurzel 12 bezeichnet. Die Oberfläche der Zahnkrone 11 ist aus einer Schicht Zahnschmelz 13 gebildet, welcher eine sehr hohe Härte aufweist. Der Zahn 10 wird durch ein Knochengewebe gehalten, welches als Dentin 14 bekannt ist, an welchem das Zahnfleisch anliegt. Venolen 16, Arteriolen 17 und Zahnnerven 18 führen durch die Zahnkanäle 19 in die Pulpa 120. Der Zahnhalteapparat 122 ist zwischen dem Dentin 14 und dem Alveolarknochen 121 angeordnet, und weist eine große Anzahl von Bändern 123 auf. Die Bänder 123 sind ein wichtiges Gewebe, welches den Zahn 10 in der Zahnhöhle festhält.
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Das Prinzip, nach welchem der Zahn 10 bewegt und dadurch seine Position korrigiert werden kann, lässt sich kurz erklären wie folgt. Wenn der Zahn 10 unter Spannung steht, sind auch die Bänder 123 internen Kräften des Zahns 10 ausgesetzt. Folglich wächst der Alveolarknochen 121 dort, wo die Bänder 123 angezogen sind, und wird dort durch Osteoklasten resorbiert, wo die Bänder 123 erschlaffen. Sobald die Zugkräfte, welche auf die Bänder 123 einwirken, im Gleichgewicht sind, wird der Zahn 10, welcher unter Spannung bewegt worden ist, durch die Bänder 123 in der neuen Zahlhöhle fixiert. Während des Prozesses passt sich auch das angrenzende Gewebe langsam der Verschiebung des Zahns 10 an. Eine kieferorthopädische Behandlung mit Brackets und Bogendrähten ist eine Anwendung des vorstehenden Prinzips, und muss durch einen erfahrenen Kieferorthopäden vorgenommen werden, welcher mit der Zahnstruktur vertraut ist, da andernfalls bei der fortschreitenden Behandlung Probleme auftreten können.
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Für das Anbringen von Brackets und Bogendrähten, welches in der Regel auf die folgende Weise ausgeführt wird, benötigt der Kieferorthopäde eine Menge Zeit. Zunächst müssen die Zahnoberflächen, an welchen Brackets angebracht werden sollen, durch Ätzen mit einer schwachen Säure aufgeraut werden, bevor sie gereinigt werden, damit jede der Brackets sicher mit der vorgesehenen Zahnfläche verbunden werden kann. Nachdem die Brackets platziert worden sind, beginnt das Anbringen von Bogendrähten. Bogendrähte sind in verschiedenen Dicken und Krümmungen erhältlich, und sind daher schwierig anzubringen und führen häufig zu Schmerzen des Patienten. Darüber hinaus ist der Patient im Laufe des langen Korrekturprozesses (dessen Dauer in Jahren gemessen wird) anschließend an das Anbringen von Bogendrähten gezwungen, die Zahnklinik/Kieferorthopädiepraxis häufig erneut aufsuchen, damit der Kieferorthopäde die Bracktes und Bogendrähte entsprechend nachstellen kann. Ferner machen die Brackets und Bogendrähte die Mundhöhle des Patienten nicht nur visuell unansehnlich, sondern schaffen auch Spalten und Lücken, in welchen jedes Mal, wenn der Patient etwas isst, Speisereste hängenbleiben können. Da es schwierig ist, diese Speisereste zu entfernen, kann es leicht zu bakteriellem Wachstum kommen. Darüber hinaus neigen die Bogendrähte dazu, in die Lippen oder die Zunge des Patienten zu stechen. Daher sind Personen, welche eine kieferorthopädische Behandlung benötigen, angesichts der obengenannten und über längere Zeit zu ertragenden Unannehmlichkeiten im Alltag häufig nicht bereit, sich dem Bracket- und-Bogendraht-Verfahren auszusetzen, es sei denn, es gibt keine anderen Möglichkeiten.
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Seit kurzem gibt es jedoch eine neue Möglichkeit für eine kieferorthopädische Behandlung in Form von transparenten Schienen, und beginnend mit dem Jahr 1997, als das in den Vereinigten Staaten gegründete Unternehmen Align Technology, Inc. damit begann, seine transparenten Schienen unter dem Markennamen „Invisalign“ zu bewerben, ist eine schrittweise kieferorthopädische Behandlung mit transparenten Schienen immer beliebter geworden. Andere wohlbekannte Marken abgesehen vom US-amerikanischen „Invisalign“ sind zum Beispiel „angelalign“ und „Smartee“ aus China, „K Clear“ aus Deutschland und „ASO Aligner“ aus Japan, welche alle individuell angepasste Produkte bereitstellen. Diese transparenten Markenschienen werden alle mehr oder weniger auf dieselbe Art und Weise hergestellt, das heißt durch Formen einer Bahn aus weichem, transparenten Kunststoff gleichmäßiger Dicke mithilfe eines dreidimensional gedruckten (3D-gedruckten) Dentalmodells in einer erwärmten Umgebung, in welcher durch eine Saugpumpe ein Vakuum geschaffen wird. Dieses Verfahren, welches in der Regel als das Suck-Down- oder Ansaugverfahren bezeichnet wird, ist schon in der Vergangenheit weitverbreitet dazu verwendet worden, Kunststoffmaterial in verschiedensten Fachbereiten zu verarbeiten und zu formen.
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Kieferorthopädische Behandlung unterstützt von transparenten Schienen basiert auf der Theorie der schrittweisen Verschiebung von Zähnen, welche H. D. Kesling 1945 angeregt hatte. Obwohl Kesling seine Theorie experimental nachgewiesen hatte, war die Technologie für kieferorthopädische Vorrichtungen damals in einem Stadium, in welchem die Herstellung eines Paares von Schienen sowohl arbeitsintensiv als auch zeitaufwändig war, sodass somit eine Massenproduktion nicht in Frage kam. Nichtsdestotrotz ist die Theorie der schrittweisen Zahnverschiebung derart vielversprechend, dass fortwährend versucht worden ist, im Hinblick auf eine Kommerzialisierung Verbesserungen des Herstellungsprozesses von Schienen zu erzielen, allerdings mit relativ geringem Erfolg. Keslings Theorie wurde so lange nicht kommerzialisiert, bis die rasche Entwicklung von Computern und damit verknüpften Technologien Align Technology ermöglichten, die Theorie mittels Computersoftware in Produkte umzusetzen. Nach dem Auslaufen des Patents von Align Technology erschien eine Marke nach der anderen auf der Bildfläche. Abgesehen von der Entwicklung weicher, transparenter Kunststoffmaterialien unterschiedlicher Zähigkeit und Dicke, durch welche sich ihre jeweiligen Produkte unterscheiden, verwenden sämtliche Schienenhersteller das Ansaugverfahren, dessen Schritte sich von einem Hersteller zum nächsten geringfügig unterscheiden können, in der Regel jedoch die folgenden sechs Schritte umfassen:
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Schritt 1: Digitale Bilddateien der oberen Zahnreihe 20 und der unteren Zahnreihe 21 eines Patienten (siehe 2A) sowie einer korrekten Bissanordnung 22 der oberen und unteren Zahnreihen des Patienten (siehe 2B) werden durch ein Abtastverfahren der Mundhöhle als die ursprünglichen Zahnreihenbilddateien 30 des Patienten (siehe 3A) erlangt.
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Schritt 2: Die Zähne in den ursprünglichen Zahnreihenbilddateien 30 werden mittels einer Zahnanordnungssoftware an ihren jeweils idealen Positionen neu angeordnet, um endgültige Zahnreihenbilddateien 31 (siehe 3B) zu erstellen.
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Schritt 3: Die Verschiebungen, Drehwinkel und sonstigen Parameter, welche für die Zähne des Patienten in jeder Phase der Behandlung erforderlich sind, werden basierend auf dem Alter und dem Gesundheitszustand der Kieferknochen des Patienten durch die Zahnanordnungssoftware berechnet und definiert. Nach der Berechnung durch die Zahnanordnungssoftware werden eine Reihe von Zwischenbilddateien der Zahnreihen erlangt, welche den Übergang von den ursprünglichen Zahnreihenbilddateien 30 zu den endgültigen Zahnreihenbilddateien 31 darstellen.
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Schritt 4: Durch Verwendung eines Druckers für dreidimensionale Objekte (3D-Druckers) werden im Einklang mit den Zwischenbilddateien der Zahnreihen eine Reihe physischer Zwischendentalmodelle 41 aus einem lichthärtenden Harz gedruckt.
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Schritt 5: Eine Kunststoffbahn 40, welche durch ein Erwärmungs- und Vakuumformungsverfahren umgeformt werden kann, wird erwärmt und auf eines der physischen Dentalmodelle 41 gepresst, welches als ein Formwerkzeug (siehe 4A) dient, während eine starke Saugpumpe ein Vakuum erzeugt, um die Kunststoffbahn 40 zu formen. Nach dem Abkühlen wird die Kunststoffbahn 42, welche einen Eindruck des Dentalmodells 41 (siehe 4B) aufweist, vom Dentalmodell 41 abgenommen. Dann wird ein heißes Messer oder eine scharfe Schere dazu verwendet, die geformte Bahn 42 entlang des Zahnfleischrands abzutrennen, um eine weiche, transparente Schiene 43 für die obere oder untere Zahnreihe zu erlangen (siehe 4C).
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Schritt 6: Nacheinander werden die übrigen weichen, transparenten Schienen 43 basierend auf den anderen Zwischenbilddateien der Zahnreihe auf dieselbe Art und Weise wie in Schritt 5 gebildet, um den für die kieferorthopädische Behandlung erforderlichen Satz von Schienen zu vervollständigen.
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Die weichen, transparenten Schienen 43, welche aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sind, welches durch ein Erwärmungs- und Vakuumformungsverfahren umgeformt werden kann, sind weicher als Zahnschmelz, weisen eine glatte Oberfläche auf, und können daher keine ausreichend starke Haltekraft auf die Zähne des Trägers ausüben. Auch die Reibung zwischen einer weichen, transparenten Schiene 43 und dem entsprechenden Zahn ist unzureichend, sodass die korrigierende Wirkung der weichen, transparenten Schienen 43 auf die Molaren, welche doppelte Wurzeln aufweisen, nicht zufriedenstellend ist.
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Dadurch, dass die weichen, transparenten Schienen 43 eine unzureichende Haltekraft aufweisen, ist es wahrscheinlich, dass sie sich ablösen werden, nachdem sie nur für ein paar Tage getragen worden sind. Um dieses Problem zu lösen, hat Align Technology als Erster damit begonnen, eine Befestigungsvorrichtung genannt Attachment zu verwenden, mit der Behauptung, dass die korrigierende Wirkung von Schienen verbessert werden kann, indem diese Befestigungsvorrichtungen durch Verkleben mit den Zähnen verbunden werden. Das Ankleben der Befestigungsvorrichtungen an den Zähnen eines Patienten ist allerdings kein einfaches Unterfangen. Zunächst müssen vor dem Schritt des Anordnens der Zähne die Bilddateien 50 unterschiedlich geformter Befestigungsvorrichtungen in die ursprünglichen Zahnreihenbilddateien 30 (siehe 5A) einbezogen werden. Daher sind die Modelle der Befestigungsvorrichtungen bereits ein integraler Bestandteil der Dentalmodelle, wenn der 3D-Druck der physischen Dentalmodelle abgeschlossen worden ist. Daraus folgt, dass jede der im Anschluss gebildeten Schienen Vorsprünge an der Außenseite und Vertiefungen an der Innenseite aufweist, wobei die Vorsprünge und Vertiefungen die Formen der Befestigungsvorrichtungen aufweisen. Um die physischen Befestigungsvorrichtungen sicher an den Zähnen anzubringen, muss ein Kieferorthopäde die Zahnflächen mit einer schwachen Säure leicht ätzen, die geätzten Zahnflächen reinigen, die zuvor genannten Vertiefungen der Schritt-0-Schienen mit einem lichthärtenden Epoxid füllen, den Patienten bitten, die Schritt-0-Schienen einzusetzen, um den Lichthärtungsprozess des Epoxids durchzuführen, und dann die Schritt-0-Schienen wieder herausnehmen, wobei die physischen klinischen Befestigungsvorrichtungen 51 an den Zähnen verbleiben (siehe 5B). Erst danach können die Schritt-0-Schienen ordnungsgemäß an den Zähnen des Patienten angebracht werden, um mit der schrittweisen kieferorthopädischen Behandlung zu beginnen.
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Solche weichen Schienen müssen für mindestens 22 Stunden täglich getragen werden, und sollten ausschließlich herausgenommen werden, wenn der Träger etwas essen oder seine Zähne putzen möchten. Falls die Schienen so kraftvoll herausgenommen werden, dass sich eine der Befestigungsvorrichtungen löst, muss der Träger erneut den Kieferorthopäden aufsuchen, um die Befestigungsvorrichtung wieder an ihrer Position zu fixieren.
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Da die weichen Schienen darüber hinaus glatt und nicht hart genug sind, besteht eine unzureichende Reibung zwischen einer solchen Schiene und den entsprechenden Zähnen. Da die weiche Schiene ferner geformt wird, indem ein Kunststoffmaterial erhitzt und das erhitzte Kunststoffmaterial dann einem durch eine starke Saugpumpte erzeugten Vakuum ausgesetzt wird, neigt die Dicke der Schiene dazu, ungleichmäßig zu sein, und jeder Abschnitt der Schiene, welcher dem Spalt zwischen zwei benachbarten Zähnen entspricht, ist häufig gebogen, sodass sich die Kontaktfläche zwischen der Schiene und den Zähnen, und demgemäß auch die erzeugte korrigierende Spannung, verringert. Daher weisen weiche Schienen wenig korrigierende Wirkung auf die Molaren (Backenzähne), welche doppelte Wurzeln aufweisen, auf.
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Weiche, transparente Schienen funktionieren gut bei der kieferorthopädischen Behandlung der Schneidezähne, jedoch weniger gut bei der Behandlung anderer Zähne mit einfachen Wurzeln, wie zum Beispiel den Eckzähnen und den vorderen Backenzähnen. Aus diesem Grund ist es während einer kieferorthopädischen Behandlung häufig notwendig, einen neuen Satz von Schienen anzufertigen, welcher eine neuerliche Abtastung der Mundhöhle des Patienten, das Neuanordnen der Zähne des Patienten mittels Software und das Ausführen weiterer 3D-Drucke erfordert, was eine Verlängerung der Behandlungsdauer mit sich bringt und die Geduld des Patienten erschöpfen kann. Daher bieten einige Schienenhersteller als Ausgleich dafür an, einen zweiten Satz von Schienen kostenlos anzufertigen.
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Darüber hinaus sind 3D-gedruckte physische Dentalmodelle aus lichthärtendem Epoxid hergestellt und können nicht für eine Wiederverwendung wiederverwertet werden; was bedeutet, dass sie nach einmaliger Verwendung weggeworfen werden müssen. Außerdem entsteht umso mehr Abfall, umso mehr Zwischenschienen verwendet werden, was unvermeidlich ein Umweltproblem in Zusammenhang mit der Produktion weicher, transparenter Schienen nach sich zieht.
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Abgesehen von der Herstellung kieferorthopädischer Schienen aus einem Kunststoffmaterial, welches durch ein Erwärmungs- und Vakuumformungsverfahren umgeformt werden kann, verwendet die veröffentlichte
US-Patentanmeldung Nr. 2008/0254402A1 ein CNC-basiertes Fräsverfahren (computerisiertes, numerisch gesteuertes Fräsverfahren), um Schienen aus einem weichen Material herzustellen, welches jedoch im Grunde dieselben Nachteile aufweist, wie das Anfertigen von Schienen durch ein Erwärmungs- und Vakuumformungsverfahren. Die veröffentlichte US-Patentanmeldung Nr.
2006/0093982A1 offenbart das Erzeugen eines digitalen Zahnschienenmodells, welches für CNC-basierte Fertigung geeignet ist, basierend auf einem digitalen Zahnbogenmodell, indem das digitale Zahnschienenmodell in eine Mehrzahl herstellbarer digitaler Komponenten aufgeteilt wird, unter Verwendung CNC-basierter Fertigung von Schienenkomponenten im Einklang mit den digitalen Schienenkomponenten erzeugt werden, und die Schienenkomponenten zusammengesetzt werden, um eine kieferorthopädische Zahnschiene zu bilden. Dieses Verfahren ist jedoch überaus kompliziert, ganz abgesehen davon, dass die Verbindungen zwischen den zusammengesetzten Schienenkomponenten ihre vorgesehene Spannung verlieren und somit kieferorthopädisch unwirksam sind.
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Angesichts der vorstehenden Ausführungen ist es ein sehr wichtiges Thema in der kieferorthopädischen Industrie, die obengenannten Nachteile transparenter Schienen (weicher Schienen) wirksam zu vermeiden - zum Beispiel auf den mühsamen Vorgang des Anbringens von Attachments (deren Wirkung noch gar nicht nachgewiesen worden ist) verzichten zu können, die Haltekraft und Reibung transparenter Schienen (weicher Schienen) zu erhöhen, und Wegwerfschienenmodelle zu verringern, sodass transparente Schienen (weiche Schienen) die beabsichtigte kieferorthopädische Wirkung exakt erzielen können. Genau dieses Themas beziehungsweise Problems nimmt sich die vorliegende Erfindung an.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts der obigen Ausführungen und mit dem Zweck, eine wirksame Lösung der obengenannten Nachteile der bestehenden weichen Schienen bereitzustellen, führte der Erfinder der vorliegenden Erfindung umfassende Recherchen und wiederholte Versuche durch, mit deren Hilfe es schließlich gelang, ein Verfahren zur Herstellung eines Satzes harter, transparenter Schienen zur schrittweisen kieferorthopädischen Behandlung zu entwickeln.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Satzes harter, transparenter Schienen zur schrittweisen kieferorthopädischen Behandlung. Das Verfahren beginnt mit dem Erstellen digitaler Bilddateien der oberen Zahnreihe eines Patienten, der unteren Zahnreihe eines Patienten sowie einer korrekten Bissanordnung der oberen und unteren Zahnreihen durch einen Abtastprozess, wobei jede der erlangten digitalen Bilddateien als eine ursprüngliche Zahnreihenbilddatei dient. Anschließend wird jede der ursprünglichen Zahnreihenbilddateien mit einer Zahnanordnungssoftware eingelesen, um eine entsprechende endgültige Zahnreihenbilddatei zu erstellen, in welcher die Zähne neu angeordnet worden sind, und um mindestens die Verschiebungen und Drehwinkel zu berechnen und zu definieren, welche in jeder Phase der schrittweisen kieferorthopädischen Behandlung für die Zähne des Patienten erforderlich sind. Nach der Berechnung durch die Zahnanordnungssoftware wird eine Mehrzahl schrittweiser Zahnreihenbilddateien erlangt, welche einen Übergang von der ursprünglichen Zahnreihenbilddatei zur endgültigen Zahnreihenbilddatei darstellen. Dann wird eine spezielle Software dazu verwendet, die Dicken der Zahnflächen in jeder der schrittweisen Zahnreihenbilddateien und in jeder der endgültigen Zahnreihenbilddateien zu berechnen und zu definieren, wodurch die entsprechenden schalenartigen Schienenbilddateien entstehen. Zuletzt wird jede der schalenartigen Schienenbilddateien derart in einen digitalen Steuerbefehl zur Steuerung einer mehrachsigen Fräsmaschine umgewandelt, dass die mehrachsige Fräsmaschine eine Mehrzahl von Zwischenschienen erzeugt, indem sie harte, modulare Polymerblöcke fräst und dadurch einen Satz harter, transparenter Schienen erstellt. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht eine rasche Herstellung des Satzes harter, transparenter Schienen. Des Weiteren muss der Patient, für welchen der Satz harter, transparenter Schienen hergestellt wird, nur noch die Zwischenschienen der Reihe nach während der vorgeplanten Zeiträume tragen, um die vorgesehene kieferorthopädische Wirkung zu erzielen.
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Figurenliste
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Die Aufgaben, technischen Merkmale und Auswirkungen der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung einer veranschaulichenden Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen, in welchen:
- 1 ein Schema der Struktur eines Zahnes zeigt;
- 2A ein Schema einer ursprünglichen oberen Zahnreihe und einer ursprünglichen unteren Zahnreihe eines Patienten zeigt;
- 2B ein Schema einer korrekten Bissanordnung der ursprünglichen oberen und unteren Zahnreihen von 2A zeigt;
- 3A ein Schema einer ursprünglichen Zahnreihenbilddatei zeigt;
- 3B ein Schema einer endgültige Zahnreihenbilddatei zeigt;
- 4A ein Schema einer Kunststoffbahn zeigt, welche durch ein Vakuumformungsverfahren und ein physisches Dentalmodell umgeformt werden kann;
- 4B ein Schema der Kunststoffbahn von 4A zeigt, nachdem sie durch das Vakuumformungsverfahren umgeformt worden ist;
- 4C ein Schema einer weichen, transparenten Schiene zeigt;
- 5A ein Schema einer Bilddatei zeigt, in welcher an einigen der Zähne jeweils Befestigungsvorrichtungen angebracht worden sind;
- 5B ein Schema einiger Zähne zeigt, an welchen jeweils physische klinische Befestigungsvorrichtungen angebracht worden sind;
- 6A ein Schema eines harten, modularen Blocks zeigt;
- 6B ein Schema eines harten, modularen Blocks zeigt, dessen Fräsprozess abgeschlossen werden ist;
- 6C ein Schema eines Paares von Zwischenschienen zeigt;
- 7 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens der Erfindung ist;
- 8A ein Schema einer harten, transparenten Schiene mit einem durchgefrästen Abschnitt zeigt;
- 8B ein Schema einer harten, transparenten Schiene zeigt, welche mit einem physischen Ersatzzahnabschnitt versehen worden ist; und
- 8C ein Schema einer relativ kurzen Schiene der Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das hierin offenbarte Verfahren zur Herstellung eines Satzes harter, transparenter Schienen zur schrittweisen kieferorthopädischen Behandlung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform detailliert beschrieben, um ein besseres Verständnis der Aufgaben, des technischen Inhalts und der Vorteile der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Fachleute werden in der Lage sein, aus der Offenbarung dieser Patentbeschreibung die Vorteile und Auswirkungen der Erfindung zu erkennen. Die Erfindung kann auf viele verschiedene Arten umgesetzt oder angewendet werden, und die hierin bereitgestellten Details können basierend auf unterschiedlichen Gesichtspunkten oder einer anderen Anwendung modifiziert oder verändert werden, ohne vom Konzept der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren ist anzumerken, dass die beiliegenden Zeichnungen nur vereinfachte schematische Zeichnungen sind und keine maßstabsgetreuen Darstellungen, und dass nachfolgend zwar eine detaillierte Beschreibung des technischen Inhalts der Erfindung dargelegt wird, der Umfang des vom Anmelder beantragten Patentschutzes durch diese Offenbarung jedoch keinesfalls eingeschränkt werden soll.
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Basierend auf Jahren praktischer Erfahrung mit der Herstellung mehrachsiger CNC-Fräsmaschinen zum Fräsen von Dentalvorrichtungen, wie zum Beispiel Zahnprothesen und Dentalschutzvorrichtungen gegen Bruxismus (Zähneknirschen) - sowie auch nach Bedarf und gemäß den Anweisungen von Kieferorthopäden - hat sich der Erfinder der vorliegenden Erfindung dafür entschieden, harte, modulare Polymethylmethacrylatblöcke (im Folgenden als modulare PMMA-Blöcke bezeichnet) 60 (siehe 6A), welche in der Regel zum Fräsen von Zahnprothesen verwendet werden, als das Material zu verwenden, aus welchem die Zahnschienen gefräst werden. Nach zahlreichen Versuchen, Verbesserungen und Tests wurden schließlich erfolgreich harte, transparente Schienen (das heißt, die Zwischenschienen 62, auf welche in der folgenden Ausführungsform Bezug genommen wird) erzeugt, welche eine große Haltekraft und ausreichend Reibung aufweisen. Für das Verfahren der Erfindung ist es nicht erforderlich, zuvor durch 3D-Druck physische Dentalmodelle anzufertigen.
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In der Regel erfordert die Erzeugung harter sowie weicher, transparenter Schienen, dass Panoramaröntgenbilder (welche allgemein als „Pano“ bezeichnet werden) der gesamten Mundhöhle eines Patienten erstellt werden, um den Gesundheitszustand der Zähne des Patienten festzustellen. Ungesunde Zähne müssen vor einer kieferorthopädischen Behandlung behandelt werden, und Zähne mit einer künstlichen Wurzel, wie zum Beispiel ein Zahnimplantat, sollten nicht bewegt werden. Im Vergleich zu den Schritten zur Herstellung weicher Schienen erübrigt sich durch die Schritte der vorliegenden Erfindung zum Herstellen harter, transparenter Schienen der komplizierte Vorgang des Anklebens von Befestigungsvorrichtungen, und es ist ferner kein 3D-Drucken zur Anfertigung physischer Dentalmodelle sowie keine Verwendung einer Erwärmungs- und Vakuumformungsmaschine zum Formen der Schienen oder eine mehrachsige Fräsmaschine zum Zuschneiden der Schienen erforderlich. Bezugnehmend auf 7 wird das Verfahren der Erfindung ausgeführt wie folgt:
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Schritt 801: Die Zahnreihen eines Patienten werden mit einer 3D-Abtasttechnik (zum Beispiel mit einem intraoralen 3D-Laserscanner) abgetastet, um digitale Bilddateien der oberen Zahnreihe 20 und der unteren Zahnreihe 21 des Patienten (siehe 2A) sowie einer korrekten Bissanordnung 22 der oberen und unteren Zahnreihen des Patienten (siehe 2B) zu erlangen. Die erlangten digitalen Bilddateien dienen als die ursprünglichen Zahnreihenbilddateien 30 des Patienten (siehe 3A).
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Schritt 802: Eine Zahnanordnungssoftware wird dazu verwendet, die ursprünglichen Zahnreihenbilddateien 30 einzulesen und die Zähne in jeder der ursprünglichen Zahnreihenbilddateien 30 neu an ihren jeweils idealen Positionen anzuordnen, wodurch die entsprechende endgültige Zahnreihenbilddatei 31 (siehe 3B) erstellt wird.
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Schritt 803: Basierend auf dem Alter und dem Zustand der Kieferknochen des Patienten wird die Zahnanordnungssoftware dazu verwendet, die Verschiebungen, Drehwinkel und sonstigen Paramater, welche in jeder Phase der vorgesehenen kieferorthopädischen Behandlung für die Zähne des Patienten notwendig sind, zu berechnen und zu definieren, und nach der Berechnung durch die Zahnanordnungssoftware wird eine Mehrzahl schrittweiser Zahnreihenbilddateien erlangt worden, welche den Übergang von der ursprünglichen Zahnreihenbilddatei 30 zur entsprechenden endgültigen Zahnreihenbilddatei 31 darstellen.
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Schritt 804: Die Zahnflächendicke in jeder der schrittweisen Zahnreihenbilddateien entsprechend der oberen/unteren Zahnreihe des Patienten und in jeder der vorbestimmten Richtungen wird mit einer speziellen Software (zum Beispiel computergestützter Designsoftware, oder CAD-Software) festgelegt, um eine schalenartige Schienenbilddatei für jede der Zwischenschienen zu erstellen.
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Schritt 805: Die schalenartige Schienenbilddatei jeder der Zwischenschienen wird durch computergestützte Fertigungssoftware, oder CAM-Software, in einen digitalen Steuerbefehl (zum Beispiel einen numerischen Steuerungscode, oder NC-Code) umgewandelt, welcher von einer digitalen Fräsmaschine eingelesen werden kann. Sämtliche digitalen Steuerbefehle werden an die Steuerung der digitalen Fräsmaschine gesendet. Dann wird ein harter, modularer PMMA-Block 60 (siehe 6A) derart am Tisch der digitalen Fräsmaschine befestigt, dass die digitale Fräsmaschine aus dem modularen Block Schienen gemäß einem der digitalen Steuerbefehle oder ein Paar von Schienen gemäß zwei der digitalen Steuerbefehle fräsen kann, wie in 6B gezeigt. Sobald das Fräsen abgeschlossen ist, wird der gefräste modulare Block 61 (siehe 6B) von der digitalen Fräsmaschine abgenommen, bevor die Schienen aus dem modularen Block 61 geschnitten und fertiggestellt werden, um ein Paar von Zwischenschienen 62 (siehe 6C) zu erlangen.
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Schritt 806: Der Fräsvorgang von Schritt 805 wird dann wiederholt, um alle anderen Zwischenschienen 62 anzufertigen und somit einen vollständigen Satz harter, transparenter Schienen zu erlangen.
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Sämtliche in den vorstehenden Schritten erforderliche Software ist im Handel erhältlich. Intraorale 3D-Laserscanner geeignet zur Verwendung in Schritt 801 umfassen den Trios von 3Shape A/S, die Omnicam von Dentsply Sirona, den CS3600 von Carestream Dental LLC und so weiter. Zahnanordnungssoftware geeignet zur Verwendung in Schritt 802 und Schritt 803 umfasst Ortho Analyzer von 3Shape, Ortho Analysis von INTEWARE Co., Ltd., Ortho von exocad GmbH und so weiter. CAD-Software geeignet zur Verwendung in Schritt 804 umfasst Orthedo System von 3Shape, Dental CAD von exocad, EZCAD von INTEWARE, iOtho von angelalign und so weiter. CAM-Software geeignet zur Verwendung in Schritt 805 umfasst MillBox von CIMsystem, Power Mill von Autodesk Inc., EZCAM von INTEWARE, und so weiter.
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Die mehrachsige Fräsmaschine, welche in Schritt 805 verwendet wird, ist eine Fräsmaschine für vorläufige Zahnprothesen hergestellt von ARIX CNC Machines Co., Ltd., Taiwan, mit einer Bearbeitungspräzision von ± 20 µm. Die harten, modularen PMMA-Blöcke 60 werden im Wuxi-Werk (China) von YAMAHACHI DENTAL MFG., CO., Japan, hergestellt; weisen eine Shore-Härte im Bereich von 75 bis 85 auf, welche ähnlich der Härte des Schmelzes der Zahnkrone ist; und sind widerstandsfähig genug, um nicht in kleine Stücke zu zerbrechen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Merkmale und Auswirkungen auf. Zunächst ist PMMA, auch bekannt organisches Glas, ein langkettiges Polymer, welches nicht zerspringt, wenn eine Geschosskugel eindringt, weswegen es auch zur Herstellung schusssicherer Scheiben verwendet werden kann. Abgesehen von seinen vorteilhaften Merkmalen, wie hohe Transparenz, niedriger Preis und gute Bearbeitbarkeit, ist es auch ein Material medizinischer Qualität. PMMA ist elastisch starr, und verliert nicht mit der Zeit seine Härte, wodurch es möglich ist, dass eine harte, transparente Schiene (eine Zwischenschiene 62), welche aus PMMA gefräst worden ist, ihre Haltekraft bewahrt, wodurch die Probleme und Nachteile in Zusammenhang mit dem Verbinden der zuvor genannten Attachments mit den Zähnen eines Patienten durch Ankleben vermieden werden können.
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Zweitens ist es durch das Herstellen harter, transparenter Schienen durch Fräsen möglich, dass die Innenseite jeder der Schienen eine raue gefräste Oberfläche aufweist, welche die Reibung zwischen der harten, transparenten Schiene und den Zahnkronen, welche mit dieser in Kontakt stehen, verbessert. Dieses Merkmal zusammen mit der ausreichenden Härte des Material ermöglicht es, dass die harten, transparenten Schienen die Molaren derart problemlos bewegen, dass sämtliche Zähne korrigiert werden können. Somit können nicht nur die Vorderzähne, das heißt, die Schneidezähne, in eine visuell ansprechende Anordnung gebracht werden, sondern auch ein korrekter Biss der Molaren, welche zum Kauen verwendet werden, erzielt werden, wodurch es möglich wird, dass die Molaren Nahrungsmittel in ausreichend kleine Stücke zermahlen, wodurch sie dabei helfen, die Belastung des Verdauungssystems zu verringern, um die Verdauung und Nährstoffabsorption zu erleichtern, und folglich die Gesundheit zu verbessern.
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Ferner kann, wenn eine harte, transparente Schiene durch Fräsen gefertigt wird, die Dicke jedes Abschnitts der harten, transparenten Schiene (zum Beispiel der Abstand zwischen dem äußeren Flächenabschnitt der Schiene und dem entsprechenden Zahnabschnitt des Trägers) durch Computersoftware (der oben erwähnten speziellen Software) derart berechnet und definiert werden, dass die Fräsmaschine die harte, transparente Schiene entsprechend fräsen kann. Somit kann jeder der Abschnitte der harten, transparenten Schiene, welcher der Spalte zwischen zwei benachbarten Zähnen entspricht, in Form einer Finne gefräst werden, und jede der Finnen wird in die entsprechende Zahnlücke passen, wenn die harte, transparente Schiene getragen wird, um die Haltekraft der Schiene sicherzustellen und zu verhindern, dass sich die Schiene ablöst. Da darüber hinaus durch die harte, transparente Schiene jeder der Zähne besser umschlossen sein wird, als es gemäß dem bisherigen Stand der Technik möglich ist, wird die durch die harte, transparente Schiene auf jede der Zahnkronen ausgeübte Kraft auf einen größeren Bereich der Zahnkrone einwirken, als es gemäß dem bisherigen Stand der Technik möglich ist, und die entstehende Spannung wird gleichmäßig verteilt sein, sodass es möglich ist, jede der Zahnkronen und die entsprechende Zahnwurzel parallel zueinander zu bewegen, was bedeutet, dass jeder der Zähne bewegt werden wird, wie erwartet. Falls die Kraft ungleichmäßig auf eine Zahnkrone einwirkt, bewirkt die Biomechanik der Zähne, dass sich die Zahnkrone und die entsprechende Zahnwurzel in entgegengesetzte Richtungen bewegen können, und dass sich die Zahnwurzel infolgedessen aus dem Alveolarknochen herausbewegen kann, was gefährliche Auswirkungen hat.
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Mit den Finnen jeder der harten, transparenten Schienen (Zwischenschienen 62), welche jeweils den Zahnspalten des Trägers entsprechen, um die Haltekraft der harten, transparenten Schiene sicherzustellen, und dadurch, dass jede der harten, transparenten Schienen aus einem modularen PMMA-Block 60 gefräst wird, nimmt die Haltekraft jeder der harten, transparenten Schienen nicht ab, solange die harte, transparente Schiene getragen wird. Ferner ermöglicht es die durch die aufgeraute Innenfläche jeder der harten, transparenten Schienen (Zwischenschienen 62) verursachte Reibung, jeden entsprechenden Zahn, einschließlich der Molaren, im Wesentlichen auf die vorgesehene Art und Weise durch die harte, transparente Schiene zu verschieben. Daher muss der Träger dem Kieferorthopäden nur aus der Ferne über die Tragebedingungen der derzeit verwendeten harten, transparenten Schienen berichten, und falls nichts Ungewöhnliches vorgefallen ist, wird dem Träger erlaubt, die Schienen selbstständig gemäß der vorher festgelegten Reihenfolge und dem vereinbarten Zeitplan zu wechseln, ohne dass er während der kieferorthopädischen Behandlung die Zahnklinik/Kieferorthopädiepraxis erneut aufsuchen muss. Dies ist insbesondere praktisch für Patienten, welche in einem abgelegenen ländlichen Gebiet leben, oder welche Langstreckendienstreisen unternehmen oder privat häufig verreisen.
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Ferner haben Studien kürzlich gezeigt, dass die beste Zeit für eine kieferorthopädische Behandlung die Wechselgebissphase ist, das heißt, in einem Alter, in welchem die Milchzähne durch die bleibenden Zähne ersetzt werden. Wenn ein bestimmter bleibender Zahn außergewöhnlich rasch wächst, ist es möglich, den Abschnitt einer harten, transparenten Schiene (Zwischenschiene 62), welcher der Kaufläche jenes Zahns entspricht, durchzufräsen (das heißt, eine Öffnung 70 zu bilden, wie durch den gestrichelten Kreis in 8A angezeigt), damit der Zahn frei wachsen kann, ohne behindert zu werden. Diese durchgefräste Anordnung ist bei der Herstellung herkömmlicher weicher Schienen schwierig zu erzielen, und es kann auch in anderen Fällen notwendig sein, durch die Kaufläche einer Schiene zu fräsen. Falls ein Erwachsener einen Zahn an der Position eines fehlenden Zahns implantiert bekommen möchte, jedoch eine unregelmäßige Zahnanordnung aufweist, ist es außerdem wünschenswert, die kieferorthopädische Behandlung vor der Implantation vorzunehmen, sowie dass die harten, transparenten Schienen (Zwischenschienen 62), welche für den Erwachsenen gefertigt werden, einen gefrästen, physischen Ersatzzahnabschnitt 71 (siehe 8B) aufweisen, dessen Position dem fehlenden Zahn entspricht, sodass die benachbarten Zähne gestützt werden und nicht zum fehlenden Zahn hin kippen. In diesem Fall können die Schienen (Zwischenschienen 62) ihre kieferorthopädische Wirkung verlieren, falls sie nicht mit dem physischen Ersatzzahnabschnitt 71 versehen werden. Auch die Bereitstellung des physischen Ersatzzahnabschnitts 71 ist bei der Herstellung der herkömmlichen weichen Schienen schwierig zu erreichen.
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Falls ein Patient eine kieferorthopädische Behandlung nur für eine kleine Anzahl von Zähnen benötigt, und falls die benachbarten Zähne sicher genug sitzen, um als Ankerzähne zu dienen, kann dank der ausreichenden Haltekraft und Reibung der harten, transparenten Schienen der vorliegenden Erfindung durch Fräsen eine relativ kurze Schiene 72 (siehe 8C) angefertigt werden. Falls zum Beispiel nur die unteren Schneidezähne einer kieferorthopädischen Behandlung bedürfen, und falls die benachbarten Eckzähne und vorderen Backenzähne als Ankerzähne dienen können, ist es möglich, eine relativ kurze Schiene 72 anzufertigen, wie in 8C gezeigt, welche einen durchgefrästen Abschnitt entsprechend den Oberseiten der Schneidezähne und der Eckzähne aufweist. Eine relativ kurze Schiene 72 entspricht somit nicht der gesamten oberen oder unteren Zahnreihe eines Patienten, sondern nur einem Teil der oberen oder unteren Zahnreihe. Eine relativ kurze Schiene 72 ist auch angenehmer zu tragen als die Version in voller Länge.
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Zu guter Letzt ist es offensichtlich, dass das Anfertigen von Dentalschienen durch Fräsen keine 3D-gedruckten physischen Dentalmodelle erfordert, welche nur ein einziges Mal verwendet werden können; wodurch keine physischen Wegwerfdentalmodelle erzeugt werden, welche andernfalls in großer Anzahl anfallen würden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erfordert ferner keine Maschine zur Durchführung eines Erwärmungs- und Vakuumformungsverfahrens an einem Kunststoffmaterial. Darüber hinaus stellen die Späne und Schnitzel, welche durch das Fräsen von PMMA anfallen, kein Umweltproblem dar, da sie keinen Materialveränderungen in Zusammenhang mit einer chemischen Reaktion ausgesetzt worden sind und somit wiederverwertet und dann wiederverwendet werden können.
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Obwohl die hierin offenbarte Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, können Fachleute zahlreiche Modifikationen und Abänderungen daran vornehmen, ohne vom Umfang der Erfindung, welcher in den Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0254402 A1 [0019]
- US 2006/0093982 A1 [0019]
