DE19614670A1 - Simulator for thermal and mechanical loadings on teeth - Google Patents
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Abstract
Description
Mit verschiedenen Methoden wird versucht Einflüsse der natürlichen Mundsituationen auf zahnmedizinische Materialien und Versorgungen zu simulieren. Bereits von Ivo Krejci et al (Schweiz Monatsschr Zahnmed. Vol. 100 8/1990 Seite 953 bis 960) und Ralp DeLong/William Douglas (IEEE Transactions on Biomedical Engineering Vol 38. No. 4 April 1991 Seiten 339 bis 345) wurden ähnliche Maschinen beschrieben.Different methods are used to try to influence natural mouth situations Simulate dental materials and restorations. Ivo Krejci et al (Switzerland Monthly Bulletin Zahnmed. Vol. 100 8/1990 pages 953 to 960) and Ralp DeLong / William Douglas (IEEE Transactions on Biomedical Engineering Vol 38. No. 4 April 1991 Pages 339 to 345) similar machines have been described.
Dabei ist es wichtig die natürlichen Gegebenheiten der Mundsituationen, so z. B. einen größeren Ausschnitt eines Zahnbogens, die Relationen der Zähne zueinander, die natürliche Beweglichkeit der Zähne und die Bewegung der Zähne zueinander in die Simulation mit einzubeziehen. Zudem soll durch verschiedene Variationsmöglichkeiten des Gerätes und des Prozesses eine Annäherung der Simulation an natürliche Gegebenheiten erreicht werden. Extreme Bedingungen ermöglichen zudem eine zeitliche Verkürzung der Simulationsdauer im Vergleich zur realen Belastungszeit. Die Maschine ist dazu geeignet Prognosen über das Verhalten versch. Materialien und Konstruktionen im Vergleich zur Tragedauer im Mund zu ermöglichen.It is important the natural conditions of the oral situation, such. B. one larger section of a dental arch, the relationship of the teeth to each other, the natural Mobility of the teeth and the movement of the teeth to each other in the simulation with to involve. In addition, the device and various options for variation the process approximates the simulation to natural conditions will. Extreme conditions also allow the time to be shortened Simulation duration compared to the real load time. The machine is suitable for this Predictions about the behavior of different materials and constructions compared to To allow wearing time in the mouth.
Die einzelnen Parameter und die verwendeten Lösungsansätze sind durch die im Patent beschriebenen Verfahren im folgenden aufgeführt.The individual parameters and the approaches used are those in the patent described below.
Kriterien: Betrag, Dauer, Belastungsart frei einstellbar, Belastungsgeschwindigkeit.
Zur Darstellung einer Kaubewegung wird durch eine angebrachte Krafteinheit (hier
Pneumatikzylinder (1) senkrecht stehend, möglich: elektrisch, hydraulisch etc.) eine
definierte Kraft aufgebracht. Die Steuerung dieser Kraft wird in diesem Fall über ein
Druckventil gewährleistet. Die Kraft ist je nach Pneumatikzylinderart limitiert, kann aber
jeweils frei eingestellt werden (hier: im Bereich von 0 bis 200 N variabel). Mit Hilfe eines
Pneumatikventils kann zusätzlich die Geschwindigkeit eingestellt werden, mit der der
Prüfstempel auf den Probekörper auftrifft. Zur schnellen Rückstellung der Zylinder kann ein
geeignetes System (2) (z. B. mechanisch (Feder), pneumatisch) verwendet werden. Durch
eine entsprechende Steuerung kann die Belastungsdauer, sowie die Häufigkeit der
Belastung pro Zeiteinheit variabel eingestellt werden.
Criteria: amount, duration, type of load freely adjustable, load speed.
To represent a chewing movement, a defined force is applied by an attached force unit (here pneumatic cylinder ( 1 ) standing vertically, possible: electrical, hydraulic, etc.). The control of this force is ensured in this case via a pressure valve. The force is limited depending on the type of pneumatic cylinder, but can be freely adjusted (here: variable in the range from 0 to 200 N). With the help of a pneumatic valve, the speed at which the test stamp hits the test specimen can also be set. A suitable system ( 2 ) (e.g. mechanical (spring), pneumatic) can be used to quickly reset the cylinders. The duration of the exposure and the frequency of the exposure per unit of time can be variably set by means of an appropriate control.
Kriterien: freie Neigung, Simulation einer horizontalen Kraftkomponente, Abrieb, freier
Kraftbetrag und freier Wegbetrag der Auslenkung, Höcker-Fossa Beziehung.
Der Abgleitvorgang wird durch flexible Lagerung des unteren Probenhalters (11) ermöglicht.
Dies erfolgt im speziellen Fall durch gleitende Lagerung auf einer schiefen Ebene mit einem
Gleit- bzw. Kugellagersystem (12) (hier 30 Grad), kann aber auch über entsprechende
andere Systeme z. B. Gummilagerung und unterschiedlichen Winkeln erfolgen. Werden die
im oberen (7) und unteren Probenhalter (11) fixierten Proben um einen bestimmten Betrag
zueinander versetzt, so entsteht durch das Auftreffen der beiden Proben aufeinander einer
horizontal wirkende Kraftkomponente. Dies hat zur Folge, daß der untere Probenhalter (11)
über das Kugellagersystem der schiefen Ebene seitlich ausgelenkt wird. Somit erfolgt eine
Simulation einer seitlichen Abgleitbewegung der Zähne im Verhältnis zueinander wie sie
beim Zermahlen und Zerreiben der Nahrung auftritt. Diese Auslenkung wird über ein seitlich
angebrachtes System (12a) (z. B. Feder) begrenzt und deren Betrag und Kraft kann frei
eingestellt werden. Eine Überwachung des Auslenkweges wird durch Meßuhren (z. B.
mechanisch, elektrisch) gewährleistet.Criteria: free inclination, simulation of a horizontal force component, abrasion, free amount of force and free amount of displacement, cusp-fossa relationship.
The sliding process is made possible by the flexible mounting of the lower sample holder ( 11 ). This is done in a special case by sliding storage on an inclined plane with a sliding or ball bearing system ( 12 ) (here 30 degrees), but can also be done via corresponding other systems such. B. rubber bearings and different angles. If the samples fixed in the upper ( 7 ) and lower sample holder ( 11 ) are offset from one another by a certain amount, the impact of the two samples on one another creates a horizontally acting force component. The result of this is that the lower sample holder ( 11 ) is laterally deflected via the ball bearing system on the inclined plane. This simulates a lateral sliding movement of the teeth in relation to one another, as occurs when grinding and grinding the food. This deflection is limited by a side-mounted system ( 12 a) (e.g. spring) and its amount and force can be freely adjusted. Monitoring of the deflection path is ensured by dial indicators (e.g. mechanical, electrical).
Kriterien: Speichel, Temperaturwechsellast.
Die Probenkammern (9) sind wie alle Flüssigkeitsleitungen durchsichtig gestaltet um eine
optische Überwachung des Fließmediums zu gestatten (Andere Materialien sind möglich).
Die Flüssigkeit (z. B. dest. Wasser, NaCl-Lösung, Kunstspeichel) fließt durch eine oben
angebrachte Bohrung (9a) in die Probenkammer. Die Entleerung der Kammer wird über eine
entsprechende Bohrung am unteren Ende der Probenkammer gewährleistet (9b). In einem
definierten Abstand über der Einflußbohrung ist ein Überlauf (9c) eingebracht, der ein zu
starkes Befüllen der Kammern bzw. ein Überlaufen verhindert. Somit kann auch die
maximale Steighöhe des Mediums in der Probenkammer definiert werden (hier etwa 3 cm).
Alle Anschlüsse des Mediensystems werden über Schnellverbindungen gewährleistet, somit
kann das System schnell vollständig demontiert werden, bzw. die Prüfkörper ausgewechselt
werden. Die Anschlüsse können auch durch starre Verbindungen (z. B. Schrauben,
Schweißnaht) erfolgen.Criteria: saliva, temperature change load.
The sample chambers ( 9 ), like all liquid lines, are designed to be transparent in order to permit visual monitoring of the flow medium (other materials are possible). The liquid (e.g. distilled water, NaCl solution, artificial saliva) flows into the sample chamber through a hole ( 9 a) at the top. The chamber is emptied via a corresponding hole at the lower end of the sample chamber ( 9 b). An overflow ( 9 c) is introduced at a defined distance above the inflow hole, which prevents the chambers from being filled too strongly or from overflowing. In this way, the maximum rise height of the medium in the sample chamber can be defined (here about 3 cm). All connections of the media system are guaranteed by quick connections, so that the system can be completely disassembled or the test specimens can be replaced. The connections can also be made using rigid connections (e.g. screws, weld seam).
Die Befüllung der Anlage wird durch mindestens zwei Pumpen gewährleistet. Diese Pumpen können sowohl ein und ausgeschaltet werden, aber auch im Dauerlauf betrieben werden. Durch die spezielle Schaltung (hier pneumatisch) befüllt sich die Probenkammer (9) über ein Pumpensystem mit variabel einstellbarer Fördermenge innerhalb einer frei wählbaren Zeit, wobei auch die Füllhöhe (Steighöhe) frei wählbar gestaltet ist. Auch die Durchflutung (Zufluß und Abfluß gleichzeitig geöffnet, Prüfmedium zirkuliert gleichmäßig durch die Probenkammern) kann variabel zeitlich eingestellt werden. Das bedeutet daß die Dauer des Spülvorgangs aber auch die Menge des Spülmediums gesteuert werden kann. Ebenso kann die Abflußdauer frei eingestellt werden. Das Entleeren der Probenkammern kann z. B. durch Abpumpen oder einfach durch die Einwirkung der Schwerkraft erfolgen. Der Ausfluß des Systems kann zudem über Feinventile exakt auf das System angepaßt werden. Über ein entsprechend gestaltetes System von Leitungen und Ventilen wird das unterschiedliche temperierte Medium in die entsprechenden Temperierbäder zurückgeleitet. Die Flüssigkeitstemperatur kann je nach verwendeten Kühl- bzw. Wärmeaggregaten und den entsprechenden Medien frei eingestellt werden (hier im Bereich zwischen ca. 5°C und 55°C). Somit ist die Möglichkeit einer Simulation extremer Temperaturwechsel im Mund (Vergleichend Kaffeetrinken, Eisessen) gewährleistet. Eine Erweiterung auf andere Temperaturen ist denkbar und leicht möglich.The system is filled by at least two pumps. These pumps can be switched on and off, but can also be operated continuously. The special circuit (here pneumatic) fills the sample chamber ( 9 ) via a pump system with a variably adjustable delivery rate within a freely selectable time, whereby the fill level (rise height) is also freely selectable. The flow (inflow and outflow open at the same time, test medium circulates evenly through the sample chambers) can be set variably in time. This means that the duration of the flushing process but also the amount of the flushing medium can be controlled. The discharge time can also be freely set. The emptying of the sample chambers can e.g. B. by pumping or simply by the action of gravity. The outflow of the system can also be precisely adapted to the system via fine valves. The different temperature-controlled medium is returned to the corresponding temperature baths via an appropriately designed system of lines and valves. The liquid temperature can be set freely depending on the cooling or heating units used and the corresponding media (here in the range between approx. 5 ° C and 55 ° C). This guarantees the possibility of simulating extreme temperature changes in the mouth (comparative coffee, ice cream). An expansion to other temperatures is conceivable and easily possible.
Das System Probenhalter (7, 11) Probenkammer (9) ist modular aufgebaut. Der untere Probenhalter (11) und die Probenkammer (9) sind durch Einstiche und Gummiringe (16) abgedichtet. Durch dieses System kann der untere Probenhalter durch einfaches ausdrücken von der Probenkammer getrennt und durch ein einen Probenhalter anderer Größe ausgetauscht werden. Hierdurch können schnell und ohne Aufwand versch. Probenhalter in den Kausimulator eingebaut werden. Ein zusätzliches Abdichten des Mediums zur Umgebung ist nicht nötig.The system sample holder ( 7 , 11 ) sample chamber ( 9 ) has a modular structure. The lower sample holder ( 11 ) and the sample chamber ( 9 ) are sealed by punctures and rubber rings ( 16 ). With this system, the lower sample holder can be separated from the sample chamber by simply squeezing it out and replaced with a sample holder of a different size. As a result, various sample holders can be installed in the chewing simulator quickly and without effort. Additional sealing of the medium to the environment is not necessary.
Das Gehäuse des gesamten Gerätes ist durch variable Gestaltung an unterschiedlich hohe Proben anpaßbar (Variation der Höhe durch Bohrungen in (4)).The housing of the entire device is of different heights due to its variable design Samples adaptable (variation of the height through holes in (4)).
Kriterien: Multifunktionell, für versch. Anzahl und Größe der Proben und Zähne (auch Proben
entsprechender nationaler und internationaler Normen z. B. DIN, ISO), unterschiedliche
Gegenzähne und Stempel, natürl. Zähne, versch. Materiallen der Gegenzähne, versch. Form
der Gegenzähne und Stempel.
Die Probenhalter (7, 11) sind so konzipiert, daß die Aufnahme mehrerer Zähne sowohl am
oberen als auch am unteren Probenhalter möglich ist. Als "Gegenzahn" können je nach
Anforderung sowohl geometrisch definierte Stempel (auch künstliche Zähne) aus
verschiedenen Materialien (Stahl, Teflon, etc.), ein natürlicher Antagonist oder ein Ausschnitt
aus einer kompletten Zahnreihe verwendet werden [Möglichkeit zur Aufnahme
unterschiedlicher Prüfkörper sowie auch komplexer zahnärztlicher Konstruktionen (z. B.
Inlays, Kronen, Brücken, Prothesen zur dynamischen Materialprüfung) - Möglichkeit des
Einbringens von extrahierten natürlichen Zähnen als Pfeiler und/oder Antagonisten an jeder
Stelle des Zahnbogens-Prüfkörper verwendbar, die anschließend nach entsprechenden
nationalen oder internationalen Prüfvorschriften weiteruntersucht werden]. Die Prüfkörper
können sowohl im unteren als auch im oberen Teil der Anlage eingebaut und belastet
werden.Criteria: Multifunctional, for different numbers and sizes of samples and teeth (also samples of corresponding national and international standards e.g. DIN, ISO), different counter teeth and stamps, natural. Teeth, various materials of the opposite teeth, various shapes of the opposite teeth and stamp.
The sample holders ( 7 , 11 ) are designed in such a way that several teeth can be held on both the upper and the lower sample holder. Depending on the requirements, geometrically defined stamps (including artificial teeth) made of different materials (steel, Teflon, etc.), a natural antagonist or a section of a complete row of teeth can be used as a "counter tooth" [possibility of holding different test specimens as well as more complex ones Dental constructions (e.g. inlays, crowns, bridges, prostheses for dynamic material testing) - Possibility of inserting extracted natural teeth as pillars and / or antagonists at any point on the dental arch test specimen, which can then be further examined according to the relevant national or international test regulations will]. The test specimens can be installed and loaded in both the lower and the upper part of the system.
Alle Probenhalter (7, 11) sind mit einem System (2 Nuten in 2 Stiften (6)) ausgerüstet das gewährleistet, die Probenhalter sowohl im Artikulator als auch im Simulationsgerät exakt und reproduzierbar zu plazieren. Die Verbindung der Probenhalter mit den beiden Geräten ist flexibel und wurde im speziellen Fall durch Schraubverbindungen erzeugt, kann aber auch durch andere Systeme gewährleistet werden (Schnellverbindungen, Klipps, etc).All sample holders ( 7 , 11 ) are equipped with a system (2 grooves in 2 pins ( 6 )) which ensures that the sample holders are placed precisely and reproducibly both in the articulator and in the simulation device. The connection of the sample holder to the two devices is flexible and was created in a special case by screw connections, but can also be guaranteed by other systems (quick connections, clips, etc.).
Die Anordnung des Probenhalter/Probenkammersystems kann sowohl bei der oberen als auch bei der unteren Probenkammer in verschiedenen Winkeln (hier 45° Schritte) gedreht werden. Dadurch kann die Richtung der Abscherkräfte in diesem Bereich variert werden, Zähne können wahlweise z. B. in exakt vestibulärer, oraler oder buccaler Richtung oder definierten Winkeln dazu belastet werden.The arrangement of the sample holder / sample chamber system can be in both the upper and also rotated at different angles (here 45 ° steps) for the lower sample chamber will. This allows the direction of the shear forces to be varied in this area, Teeth can optionally z. B. in exactly the vestibular, oral or buccal direction or defined angles.
Alle Probenhalter sind schräg abfallend gefertigt, um ein komplettes Entleeren der Probenkammer im Normalzustand des Gerätes zu sichern.All sample holders are made with an incline to completely empty the sample holder Secure the sample chamber in the normal state of the device.
Kriterien: Übertragung der Mundsituation, Reproduzierbarkeit der Relation der
Stempel/Probekörper zueinander, paradontale Beweglichkeit der Probekörper/Stempel.
Alle verwendeten Zähne können im zahnärztlichen Artikulator in die Probenhalter mit
Vorgabe der exakten Zahn- und Mundsituation eingesetzt werden. Durch einen geeigneten
höhenverstellbaren Tisch kann der Abstand Zahn/Gegenzahn frei eingestellt werden. Durch
einen eingearbeiteten Verdrehschutz (17) ist die Relation der Proben untereinander fixiert.
Wie unter 4. erwähnt können die Probenhalter in den Kausimulator umgesetzt werden,
wobei die Reproduzierbarkeit und Exaktheit des Anschlusses durch das 2 Stift 2 Loch (6)
System gewährleistet ist. Die Zähne, aber auch Proben, Kunstzähne etc. werden in der
Probenhalterung durch abbindende Materialien (z. B. Kunststoff, Gips) fixiert.
Durch ein spezielles Einbettverfahren kann die Zahnbeweglichkeit der natürlichen
Mundsituation simuliert werden. Mittels eines Tauchwachsverfahrens kann eine definierte,
aber im Ausmaß variable Schicht aus elastischem Material (z. B. Polyethergummi, Silikon)
zur Simulation einer phsiologischen paradontalen Beweglichkeit zwischen den Probekörper
bzw. Zahn und Probenhalter eingebracht werden. Durch diese Gummischicht kann eine
variable Auslenkung in klinisch relevanten Bereichen von ca. 1/10 mm axsial und radial bei
entsprechenden Kaukräften erfolgen. (Dr. Arbeit Scharnagl)
Criteria: transfer of the oral situation, reproducibility of the relation of the stamp / test specimen to each other, paradontal mobility of the test specimen / stamp.
All of the teeth used can be inserted into the sample holder in the dental articulator, specifying the exact tooth and mouth situation. The tooth / counter tooth distance can be freely adjusted using a suitable height-adjustable table. The relation of the samples to each other is fixed by an integrated anti-twist protection ( 17 ). As mentioned under 4., the sample holder can be converted into the chewing simulator, whereby the reproducibility and accuracy of the connection is guaranteed by the 2 pin 2 hole ( 6 ) system. The teeth, but also samples, artificial teeth, etc. are fixed in the sample holder using bonding materials (e.g. plastic, plaster). The tooth mobility of the natural mouth situation can be simulated using a special embedding process. Using a dip wax process, a defined, but variable in size layer of elastic material (e.g. polyether rubber, silicone) can be introduced to simulate a physiological paradontal mobility between the specimen or tooth and specimen holder. This rubber layer allows a variable deflection in clinically relevant areas of approx. 1/10 mm axially and radially with appropriate chewing forces. (Dr. Scharnagl's work)
Kriterien: variabler interokklusaler Abstand, versch. Formen des Kontaktes zwischen Probe
und Stempel.
Die beschriebene, flexible Höhenverstellung der Probenhalter im Artikulator wird durch den
unterschiedlichen Ausfahrweg der Pneumatikzylinder im Kaugerät entsprechend
ausgeglichen. Durch ein, an der Oberseite des Gerätes montiertes System (hier Feder oder
Druckluft) wird ein Abheben der oberen Probenhalter gewährleistet (= Mundöffnung).
Hierdurch kann ein Abheben des Stempels von der Probe definiert werden, aber auch eine
Simulation erfolgen, ohne daß der Probenstempel vom Prüfling abhebt, bzw. ein definierter
Abhebeweg eingestellt werden. Zusätzlich kann dadurch die Aufschlag kraft bzw. die
Schließgeschwindigkeit des oberen Probenhalters auf den Unteren nochmals frei eingestellt
werden.Criteria: variable interocclusal distance, various forms of contact between sample and stamp.
The described, flexible height adjustment of the sample holder in the articulator is compensated accordingly by the different extension of the pneumatic cylinder in the chewing device. A system mounted on the top of the device (here spring or compressed air) ensures that the upper sample holder is lifted off (= mouth opening). In this way, a lifting of the stamp from the specimen can be defined, but also a simulation can be carried out without the specimen stamp lifting off the test object or a defined lifting movement being set. In addition, the impact force or the closing speed of the upper sample holder on the lower one can be freely adjusted.
Kriterien: Aufzeichnung, Steuerung und Regelung, Probenanzahl.
Die komplette Anlage besteht aus mindestens einer Simulationseinheit (0), sinnvoll
erscheint allerdings eine Anzahl der Simulationseinheiten zwischen 6 und 10.
Alle Funktionen (Kaukraft/Temperatur) in den Probkammern können durch PC-Steuerung
aufgezeichnet und überwacht werden. Hierzu müssen an jede Prüfkammer Thermometer und
Kraftaufnehmer angeschlossen werden, die die Werte in entsprechenden Bereichen
aufzeichnen. Ein Rückkopplung der Werte auf die Temperiereinheiten sowie die Krafteinheit
kann z. B. über PC-Steuerung erreicht werden.Criteria: recording, control and regulation, number of samples.
The complete system consists of at least one simulation unit (0), but it makes sense to have a number of simulation units between 6 and 10. All functions (masticatory force / temperature) in the test chambers can be recorded and monitored by PC control. For this purpose, thermometers and force transducers must be connected to each test chamber, which record the values in the corresponding areas. A feedback of the values to the temperature control units as well as the power unit can e.g. B. can be achieved via PC control.
Es folgen die technischen Zeichnungen der Prototypenanlage mit den entsprechenden Schaltplänen der Pneumatik.The technical drawings of the prototype system with the corresponding follow Pneumatic circuit diagrams.
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