Methodenvorschlag

Vorstellung eines Tragezeitmessers zur Abklfirung wissenschaftlicher Fragestellungen in der Kieferorthopfidie G. Sahm Poliklinik ffir Kieferorthopfidie der Universitfit Wfirzburg (Direktor: Prof. Dr. E. Witt)

Zusammenfassung: Es wird ein Tragezeitmesser f/Jr kieferorthopfidische Gerfite vorgestellt. Das Mef3system enthfilt eine Quarzuhr als Z/ihler. Als Sensor dient ein Reedschalter, der durch ein Magnetsystem erregt wird, das an einem Molaren direkt oder mittels eines orthodontischen Bandes befestigt ist. Vor Manipulationen durch den Patienten bietet ein Reed-Umschalter Schutz. Die MeBgenauigkeit des Systems ist sehr hoch. We- gender grogen Schaltgeschwindigkeit k6nnen mit dem Ger~it auch weitere Probleme, wie etwa die Frage, wie lange ein Patient in die kieferorthop/idische Apparatur einbeigt, bearbeitet werden.

Summary: A timing device for removable orthodontic appliances is described. The measurement system in- cludes a quartz digital clock at the timer. A reed switch serves as a sensor and is activated by a magnetic device fastened directly or by an orthodontic band to a molar tooth. A changeover reedswitch prevents manipulation by the patient. As a timing device the system provides great accuracy. The highspeed capability of the device permits further scientific applications: Installation of two timing devices in a single Bionator permits selective timing (e. g. biting contact during wear of the appliance).

In Untersuchungen zur Compliance kieferorthopfi- discher Patienten, das heil3t zu deren Mitarbeit bei der Behandlung, wurde die Tragezeit der Behandlungsge- r~ite bisher fiberwiegend durch Befragen des Patienten beziehungsweise seiner Eltern oder aufgrund des Mini- schen Eindrucks bestimmt. Eine direkte Tragezeitmes- sung wurde in gr613erem Umfang bisher nur beim Headgear durchgef/jhrt [1, 6, 14, 15]. Die Tragezeit funktionskieferorthopfidischer Gerfite ist bisher nur bei einzelnen Patienten gemessen worden [2, 3, 10-13]. Diese Tatsache alleine zeigt schon, dag die Entwick- 10ng und Herstellung eines verlfil31ichen Tragezeitmes- sers beachtliche Probleme bereiten. Ziel dieser Arbeit war es, einen dieser Anforderung entsprechenden Tra-

Diese Studie wurde rnit Mitteln der Deutschen Forschungsgemein- schafl finanziert.

Endgtiltige Annahme des Manuskripts: 9.4. 1990.

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gezeitmesser zu entwickeln, wobei m6glichst auf indu- striell gefertigte Bauteile zurfickgegriffen werden sollte.

In der Literatur sind zwei prinzipiell verschiedene An- sfitze zur Tragezeitmessung kieferorthopfidischer Ge- rfite beschrieben: Bei dem einen wird die Tragezeit mit der Dicken- bzw. Gewichtsabnahme spezieller, an das kieferorthopfidische Gerfit befestigter Glasscheiben bestimmt, die im Speichelmilieu korrodieren [9, 13]. Beim anderen Ansatz erfolgt die Messung auf elektro- chemischer oder mikroelektronischer Basis.

Auf elektrochemischer Basis beruht das MeBprinzip des yon Sander [9] in die Kieferorthopfidie eingeffihr- ten Quecksilbercoulornbmetcrs.

Mikroelektronische Mel3systeme sind von Sander [10, 11] sowie Farcnik et al. [2, 3] angegeben worden.

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Neben den von den obigen Autoren vorgestellten Ge- r~iten haben Northcutt [8] und Frohn [4] Patente zu Tra- gezeitmessern.

Unbestrei tbar die genauesten Mel3ergebnisse diirften mit einem mikroelektronischen Mel3system zu erzielen sein, bei dem eine Quarzuhr Z~ihler ist. Quarzuhren sind mittlerweile Pfennigartikel, so dab ihre Verwen- dung auch aus Kostengrtinden sich geradezu anbietet.

Entwicklung des Ger~ites

Das gr613te Problem bei der Realisierung elektroni- scher Tragezeitmesser besteht darin, dab nut eine sehr begrenzte Energiemenge durch eine sinnvollerweise zu verwendende ,,Knopfzelle" zur VerfiJgung gestellt wird, das System jedoch mehrere Monate messen soil. Wenn als Sensoren Halblei terbauelemente Verwen- dung f~inden, w~ire die Batterie schon nach einigen Ta- gen ersch6pft. Aus diesem Grunde muB auf antiquiert erscheinende Sensoren, wie mechanische Schalter, Bi- metall-, Feuchtigkeits- oder Reedschalter, zurfickge- griffen werden. Von diesen bieten Bimetall- und Reed- schalter den Vorteil, dab sie ohne Kontakt zum Mund- milieu vollst~indig in das kieferorthop~idische Ger~it einpolymerisiert werden k6nnen. Dies ist im Hinblick auf eine gute Feuchtigkeitsisolation wichtig, die zum Betreiben des in der Quarzuhr befindlichen IC-Moduls unabdingbar ist.

Im Gegensatz zu Bimetallschaltern werden Reedschal- ter in ffir uns geeigneter Gr613e (Abb. 1) industriell ge- fertigt, so dab unser Tragezeitmesser einen Reedschal- ter als Sensor enth~ilt. Das Mel3system weist dann fop genden Aufbau auf: Die Quarzuhr, die Batterie und der Reedschalter befinden sich im kieferorthop~i- dischen Ger~it, wahrend das Magnetsystem an einem Zahn befestigt ist.

Bei friiheren Versuchen wurde noch das LC-Display der Uhr zum Auslesen der Daten mit in das kieferor- thop~idische Ger~it einpolymerisiert. Nach zirka vier- w6chiger Anwendung fielen jedoch die meisten LC- Displays aus, was auf eine Feuchtigkeitsschfidigung zu- riickzuffihren war, wie die Untersuchung seitens des Herstellers ergab. Die in der Folge vorgenommene Auslesung der Daten mittels eines Steckers erwies sich als sicher und unproblematisch.

Der Aufbau eines Reedschalters ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. In einem schutzgasgefiillten

Abb. 1. Die Glaskolbenl~inge des Reedschalters betragt zirlca 5,4 mm, der Durchmesser zirka 1,4 mm, die obere Grenze der An- sprecherregung ist sieben Ampere-Windungen.

Glaskolben

Glas - Metall Versiegelu ng ~ ~Kontaktzungen

I ~ Uberlappung Spalt

Abb. 2. Schematische Darstellung des Aufbaus eines Reedschalters.

Glaskolben befinden sich zwei weichmagnetische Blattfedern. Verl~iuft ein magnetischer Flul3 ausrei- chender Gr6Be durch die Kontaktzungen, ziehen diese sich an, und der Schalter wird geschlossen. Aufgrund der hermetischen Abgeschlossenheit des Kontaktbe- reiches sind die Schalter unempfindlich gegen Feuch- tigkeit und sonstige Verunreinigung. Dariiber hinaus wird durch die industrielle Herstellung ein Minimum an fertigungsbedingten Toleranzen gew~ihrleistet.

Das Magnetsystem zur Aktivierung des Reedschalters befindet sich an der LinguaJfl~iche eines unteren Mola- ren, entweder direkt geklebtoder an einem orthodonti- schen Band befestigt (Abb. 3).

Es besteht aus folgenden Komponenten (Abb, 4): zwei Neodymium-Eisen-Bor-Magnete der Abmessung 2 x 2 x 1 mm, die mit einer zirka 7 ~tm dicken, 24 karfitigen Goldschicht elektrochemisch tiberzogen wurden, be- finden sich auf einem weichmagnetischen Edelstahl- plfittchen, dessen Vorderseite mit dem Kulzer Silicoa- ter-Verfahren vorbehandelt worden ist. Dadurch wird ein inniger Verbund der VerguBkunststoffmasse mit dem Edelstahlplfittchen erzielt. Ein Edelstahlnetz um- gibt das Magnetsystem zur mechanischen Stabilisie- rung. Der Teil des Netzes, der sich an der Rtickseite des

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Abb. 5. Einschaltabstand (Rand der dunklen Felder) und Ausschaltabstand (flu- gere Begrenzungskurven) des verwendeten 8ensorsystems. Abhfingig vonder Lage des Reedschalters und des Ma- gnetsystems zueinander be- steht unterschiedliche Emp- findlichkeit, a = (6,5 +_ 0,5) mm, b = (7,0 _+ 0,5) ram, c = (7,0 + 0,5) mm, d = (8,0 + 0,5) mm.

Abb. 3. Das Magnetsystem ist direkt geklebt oder wird an einem or- thodontischen Band befestigt.

i n t e r o k k l u s a l e r A b s t a n d 3 , 5 m m

Abb. 4. Links: Lage der Magnete auf dem weichmagnetischen Edel- stahlpl~ittchen. Rechts: fertiges Magnetsystem.

Edelstahlpl~ittchens befindet, dient als Retent ion bei Anwendung der Klebetechnik. Mit den dargestellten Mal3nahmen ist ein guter Korrosionsschutz verbunden. Falls t rotzdem Korrosionserscheinungen an den Ma- gneten auftreten sollten, ist festzustellen, dab das Ma- gnetmaterial in der vorl iegenden Menge nicht toxisch ist [5].

Die Aktivierung eines Reedschalters durch einen Per- manentmagneten hfingt sehr v o n d e r Lage dieser bei- den Komponen ten zueinander ab [7]. Uns interessiert in diesem Zusammenhang nur der Einschalt- bzw. Aus- schaltabstand bei lfingsachsenparalleler Annfiherung, wie sie in den Abbildungen 5 und 6 angedeutet ist. Bei optimaler Lage yon Reedschalter und Magnetsystem in Schlugbigstellung werden insgesamt 17 m m interokklu- saler Abstand im 6er-Bereich erfagt (Abb. 6).

Durch die Kombinat ion von mehreren Reedschal tern kann der Ansprechbereich in der Vert ikalen oder Sa- gittalen erh6ht werden.

Der zum Vergul3 fertige Tragezei tmesser ist in Abbil- dung 7a dargestellt. Auf dieser Abbi ldung ist oben ein sogenannter Reedumschal ter zu erkennen, der mit

Max. S c h a l t b e r e i c h : 17ram

a= ( 6 , 0 +-0,5 ) mm

Abb. 6. Bei optimaler Lage von Magnetsystem und Reedschalter in Schlul3bil3stellung bleibt der Reedschalter noch bei 17 mm interok- klusalem Abstand im 6er-Bereich aktiviert.

dem eigentlichen, als Sensor dienenden Reedschal ter in Serie geschaltet ist. Dadurch lfif3t sich ein gewisser Schutz vor Manipulat ionen durch den Patienten erzie- len. Falls das in manipulatorischer Absicht angelegte Magnetfeld deutlich stfirker ist als das unseres Magnet- systems, wtirde keine Tragezeit gemessen werden.

Abbi ldung 7b zeigt einen Bionator mit e ingebautem Tragezeitmesser . Die Daten werden mittels eines Stek- kers ausgelesen. Dazu mug an der Oberkan te des Bio- nators die Steckleiste (siehe Abb. 7a) freigefrfist wer- den. Vor dem Wiedereinsetzen des Bionators wird die Steckleiste zuerst mit Silikonkautschuk, dann mit Me- thylmethacrylat abgedeckt , so dab der Tragezei tmesser voUkommen eingekapselt ist.

Eignungspriifung

Die Eignung unseres Systems zur Tragezei tmessung haben wir bei acht Probanden fiberprtift.

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Abb. 7a. Der Tragezeitmesser vor dem Vergug. Oben befindet sich die Buchsenleiste zum Auslesen der Daten. - Abb. 7b. Bionator mit fertig eingebautem Tragezeitmesser.

Abb. 8. Mit der Kombination zweier Megsysteme in einem Bionator liege sich der Anteil an der Gesamttragezeit bestimmen, wfihrend der Patient in das Gerfit einbeigt. Voraussetzung ist, dag der Bionator mit einem extraoralen Zug am Oberkiefer gehalten wird.

Abb. 7a

Abb. 7b

Abb. 8

Wie Tabelle 1 zeigt, waren die prozentualen Abwei- chungen der gernessenen Tragezeit von der von den Probanden protokollierten Tragezeit extrem niedrig.

Aufgrund seiner hohen Genauigkeit und der hohen Schaltgeschwindigkeit - die Schaltzeit des verwendeten Reedschalters betrfigt zirka 1/2000 Sekunde - er6ffnen sich f/Jr das vorgestellte MeBsystem Anwendungsm6g- lichkeiten, die fiber das bloge Messen der Tragezeit hinausgehen und als Langzeitversuch eine Novit/it dar- stellen dfirften. So liege sich dutch die Kombination zweier Mef3systeme in einem Bionator (Abb. 8) der Anteil an der Gesamttragezeit bestimmen, wfihrend der Patient in das Gerfit ,,eingebissen" hatte oder, um- gekehrt, ,,ausgestiegen" war. Dies kann zum Beispiel in Abhfingigkeit von verschiedenen Konstruktionsbissen untersucht werden.

Der vorgestellte Tragezeitmesser ist ein sehr prfizises Instrument, man wtirde sich jedoch eine einfachere Handhabung sowie eine weitere Miniaturisierung wfin- schen.

Derartige Verbesserungen hfingen allerdings ganz we- sentlich vom Fortschritt auf dem Gebiet der Sensor- technik ab. Zur Hoffnung berechtigt bier gerade die Mikromechanik, die ja erst am Anfang ihrer Entwick- lung steht.

Proband Gesamt- Anzahl der tragezeit Bionatoran-

wendungen (h) (1)

Durchschnittliche Bionatortragedau- er pro Anwendung (h/l)

W.G. 233 48 4,9

D.V. 241 55 4,4

C.O. 70,5 20 3,5

H.S. 132 29 4,6

H.A. 408 82 5,0

G.W. 321 40 8,0

G.D. 218 55 4,0

M.G. 409 51 8,0

Abweichung der pro- tokollierten von den gemessenen Werten (%)

0,021

0,069

0,095

0,42

0,33

0,036

(t,099

0,012

Tab. 1. Die prozentuale Abweichung der protokollierten von der gemessenen Trage- zeit ist/iugerst niedrig.

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Sahrn: Vorstellung eines Tragezeitmessers

Literatur

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2. Farcnik, F., D. Rudel, P. Matjan, M. Premik: Objective assessment of patient cooperation during orthodontic treatment. Pr/isentation anlfiBlich der 3. Mediterranean Conference on Biomedical Engineering, Portoroz, Ju- goslawien 1983.

3. Farcnik, F., D. Rudel, M. Premik, P. Matjan: Electronic chronometer in removable orthodontic appliances. Vor- trag anlfif31ich des 73. Annual World Dental Congress of the FDI, Belgrad 1985.

4. Frohn, H. J.: Deutsche Patentschrift DE 28 20 358 C 3. Ver6ffentlichungstag 2.7. 1981.

5. Haley, T. J.: Pharmacology and toxicology of the rare earth elements. J. Pharmaceut. Sci. 54 (1965), 663-670.

6. Heine, W.: Untersuchung z ur Frage der Mitarbeit der Patienten beim Tragen extraoraler Apparaturen unter besonderer Beriicksichtigung der Einsicht in die Behand- lungsnotwendigkeit. Med. Diss., Hamburg 1985.

7. Koch, J., K. Ruschmeyer: Permanentmagnete, Bd. II. 2. Aufl. Valvo 1983.

8. Northcutt, M. E.: US-Patent 3,885,310.15.6.1973. 9. Sahm, G.: Eignen sich Glfiser mit definierter Korrosion

zur Tragezeitbestimmung in der Kieferorthopfidie? (In Vorbereitung.)

10. Sander, G.: Die Bedeutung von PriifkOrpern zur Beur- teilung der Anwendungszeit kieferorthopfidischer Appa- rate. Med. Diss., Bonn 1974.

11. Sander, F. G.: KOnnen Tragezeitmesser die Patienten zur Mitarbeit motivieren? Fortschr. Kieferorthop. 48 (1987), 363-370.

12. Sander, G. , H. A. Schumacher: Problematik der Anwen- dungszeitmessung kieferorthop/idischer Apparate. Fortschr. Kieferorthop. 37 (1976), 428-434.

13. Savage, M.: A preliminary report into the development and use of soluble controlled-release glass timing discs implanted into orthodontic appliances. Brit. J. Ortho- dont. 9 (1982), 190-193.

14. Segelke, K.: Untersuchung zur Frage der Mitarbeit der Patienten beim Tragen extraoraler Apparaturen unter besonderer Berficksichtigung sozialer Aspekte. Med. Diss., Hamburg 1985.

15. Swetlik, W. P. : A behavioral evaluation of patient coope- ration in the use of extraoral elastic and coil spring trac- tion devices. Amer. J. Orthodont. 74 (1978), 687.

Verfasser: Dr. G. Sahm, Poliklinik fiir Kieferorthopiidie, Uni- versitiit Wiirzburg, Pleicherwall 2, D-8700 Wiirzburg.

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