УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗУБОВ, ИМЕЮЩЕЕ ПЕРЕМЕННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ, ВРЕМЕННЫЕ И/ИЛИ ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ULTRASONIC TEETH CLEANING DEVICE HAVING VARIABLE SPATIAL, TEMPORAL AND/OR FREQUENCY CHARACTERISTICS

Настоящее изобретение относится в целом к зубным устройствам, таким как зубные щетки, как электрическим, так и ручным, и также к назубной капе для очистки зубов, и, более конкретно, относится к таким устройствам, которые предусматривают использование ультразвука и микропузырьков для обеспечения или усиления очищающего действия.
Вызываемая ультразвуком кавитация воздушных микропузырьков для удаления биопленки с поверхностей зубов, а также с поддесневых участков в целом известна. Пример такой ультразвуковой технологии представлен в патенте США № 5,138,733, выданном Bock. Другие примеры включают в себя патент США № 3,809,977, выданный Balamuth, и патент США № 7,269,873, выданный Brewer, и др. Кроме того, существуют имеющиеся в продаже зубные устройства, в которых для очистки зубов используется подача ультразвука/микропузырьков. Однако такие устройства обычно имеют один или более существенных недостатков.
Во-первых, хотя очищающее действие, создающееся за счет кавитации микропузырьков, в целом может быть сильным вблизи некоторых пузырьков, не все пузырьки имеют сильное действие, и даже те, которые активны, стремятся остаться в одном положении дольше, чем необходимо для очистки области вокруг этого положения. Таким образом, считается, что суммарное очищающее действие будет слабее, чем могло быть в другом случае при обычном количестве пузырьков и при том же ультразвуковом возбуждении.
Кроме того, очищение является неодинаковым на микроскопическом уровне. Некоторые области на поверхностях зубов демонстрируют отличную очистку, в то время как другие демонстрируют почти полное отсутствие очистки. Возможно, это связано с различиями в интенсивности ультразвука, вызываемыми эффектами интерференции из-за отражения ультразвука от различных зубных поверхностей.
Кроме этого надлежащую концентрацию пузырьков трудно поддерживать в углублениях зубов, где кавитация может действительно иметь наиболее полезное действие, поскольку механическая очистка неэффективна. Такая недостаточная концентрация пузырьков существует, возможно, из-за разрушения пузырьков тем же ультразвуком, который обычно обеспечивает очистку.
Соответственно, требуется ультразвуковая/микропузырьковая система, которая или дополняет существующие ручные или электрические зубные щетки или капы, или используется самостоятельно для создания достаточного очищающего действия на зубы вдоль десневого края и в межзубных промежутках.
Соответственно, такое устройство содержит систему для создания лучей ультразвуковых сигналов с частотой, лежащей в диапазоне от 100 КГц до 1 МГц, направленных и действующих на микропузырьки для очищения, причем система для создания ультразвуковых сигналов включает в себя, по меньшей мере, одно из следующего: (a) матрицу излучательных элементов для создания ультразвуковых сигналов; (b) блок амплитудной модуляции для модулирования амплитуды ультразвуковых сигналов; и (c) систему частотной модуляции для изменения частоты ультразвуковых сигналов в заданном диапазоне.
Фиг.1 - общий вид зубной щетки, включающей в себя настоящее ультразвуковое/микропузырьковое изобретение.
Фиг.2 - общий вид капы, включающей в себя настоящее ультразвуковое/микропузырьковое изобретение.
Фиг.3 - схема переменных пространственных характеристик для ультразвуковой/микропузырьковой системы.
Фиг.4 - схема переменных временных характеристик (амплитудная модуляция) для ультразвуковой/микропузырьковой системы.
Фиг.5 - две схемы переменных частотных характеристик (частотная модуляция) для ультразвуковой/микропузырьковой системы.
Как было указано выше, зубные устройства, в частности зубные щетки, включающие в себя ультразвуковую/микропузырьковую систему для облегчения очистки зубов, известны, как рассмотрено в указанных выше патентах и в других патентах и патентных публикациях. Обычно в таких известных системах ультразвуковой сигнал ограничен одной частотой с соответствующим уровнем сигнала. Система, описанная в настоящем документе, однако, предусматривает возможность включения в нее одного или более из следующих элементов: (1) матрицы излучательных элементов для обеспечения более чем одного положения источника и/или направления для ультразвукового луча; (2) амплитудной модуляции ультразвуковых сигналов, чтобы позволить новым пузырькам вновь занять область, подвергаемую очистке; и (3) частотной модуляции ультразвуковых сигналов для создания постоянного изменения частоты в заданном диапазоне. Кроме того, еще один элемент - это использование фазовой модуляции, а именно изменение фазы ультразвуковых сигналов для управления и фокусировки ультразвуковых сигналов.
Каждый из вышеуказанных элементов более подробно описан далее в настоящем документе. Рабочая система с таким устройством может включать в себя один, или два, или все вышеупомянутые элементы.
Следует понимать, что настоящая система может использоваться в традиционной зубной щетке, с щетинками или без щетинок, а также в капе, опять же, с щетинками или без таковых. Устройства могут быть ручными или электрическими.
Если имеются щетинки, обеспечивающие традиционное чистящее действие в составе общего воздействия зубной щетки, ультразвуковые/микропузырьковые элементы улучшают работу всего зубного устройства. Зубное устройство, однако, может альтернативно использоваться только с ультразвуковыми/микропузырьковыми элементами, описанными в настоящем документе.
Коротко говоря, зубная щетка, изображенная на фиг.1, представленная в целом ссылочной позицией 10, включает в себя корпусную часть 12 и вытянутую консольную/головную часть 14. Головная часть 14 на фиг.1 включает в себя область 16 щетинок, но, как было указано выше, область щетинок не является обязательной. Если зубная щетка является электрической зубной щеткой, корпусная часть будет включать в себя систему электрического привода, представленную в целом ссылочной позицией 18, которая включает в себя двигатель/приводное устройство, источник питания и блок управления для обеспечения движений чистящей головки. Фиг.1 также включает в себя систему для создания микропузырьков 20, размером обычно около l мкм - 150 мкм, хотя размер может выходить за пределы этого диапазона, причем пузырьки также могут быть созданы с помощью внешнего устройства, и ультразвуковой блок 22 и излучательные элементы в виде матрицы 24, которая создает ультразвуковое поле, действующее на микропузырьки, расположенные вблизи зубных поверхностей, подвергаемых очистке.
На фиг.2 представлена капа в целом как ссылочная позиция 26, которая может иметь или может не иметь набор щетинок 28 для очистки верхних и нижних зубов путем механической чистки. Щетинки 28 прикреплены на обращенных к зубам поверхностях капы 26. Капа может быть ручной, когда пользователь просто двигает зубами, или она может быть электрической и работать с помощью электрической системы, представленной в целом как ссылочная позиция 30, которая включает в себя двигатель для перемещения капы и щетинок заданным образом. В системе по настоящему изобретению капа также включает в себя традиционную систему для создания микропузырьков, или микропузырьки могут создаваться извне и направляться в область вблизи подвергаемых очистке зубов, и ультразвуковую систему, также традиционную, для создания ультразвуковых сигналов для активации микропузырьков для очистки, представленную на изображении, соответственно, ссылочными позициями 32 и 34.
На фиг.3 представлена система, которая является необязательной частью зубного устройства, представленного или на фиг.1, или на фиг.2. Фиг.3 относится к схеме переменных пространственных характеристик для лучей ультразвуковых сигналов. Вместо единственного излучателя/преобразователя система включает в себя матрицу элементов, представленных в целом как группа, обозначенная ссылочной позицией 40. Матрица может включать в себя всего лишь три отдельных элемента, предпочтительно 6-8 элементов, также может использоваться больше элементов, например 16. Ультразвуковая матрица 40 создает множество ультразвуковых лучей 42, направленных к взвеси микропузырьков, представленной ссылочной позицией 44, вблизи подвергаемых чистке зубов 46. Посредством электрического управления (48) отдельные ультразвуковые лучи могут направляться случайным образом или циклически к различным частям зубных поверхностей под различными углами, в течение выбранного периода времени, в отличие от случая, когда они постоянны по направлению и во времени. Отдельные элементы могут управляться по отдельности с возможностью регулировать каждый луч или вся матрица может регулироваться как единый блок, или ее участки могут регулироваться/управляться независимо друг от друга. Регулирование выполняется посредством фазовой модуляции ультразвуковых сигналов с помощью блока 48 управления.
Отдельные элементы могут также приводиться в действие, то есть получать питание отдельно, для того, чтобы они не включались или выключались одновременно. Путем использования возможности регулирования ультразвуковые сигналы могут быть направлены к пузырькам под различными углами/направлениями. Это может выполняться в течение заданного времени определенным образом, который сочетается со временем жизни пузырька, чтобы, когда пузырьки в одной отдельной области иссякают и лучи направлены для обработки новой области, вновь образованные пузырьки могут вновь заполнять первоначальную область. Различия в положении и направлении ультразвуковых лучей также приводит к уменьшению различий в эффектах интерференции, позволяя местам хорошей очистки "заполнить" все зубные поверхности, а не пропускать какие-либо участки.
Следовательно, значительное улучшение согласованности и качества очистки достигается за счет множества элементов, индивидуального и/или группового регулирования их состояния вкл/выкл и их направления. Кроме того, что касается способности регулировать луч, в частности, зубную щетку не требуется перемещать для создания эффективного, управляемого перемещения луча.
На фиг.4 представлены переменные временные характеристики всей системы, а именно амплитудная модуляция ультразвуковых лучей. Это зависящее от времени изменение амплитуды возбуждения ультразвукового излучателя, обеспеченное в блоке 51 управления. С учетом конечного времени жизни микропузырька необходимо время от времени уменьшать амплитуду возбуждения в конкретной очищаемой области для обеспечения заполнения этой области новыми пузырьками. Однако в течение этого времени ультразвуковой сигнал не выключается полностью модулирующим сигналом, а предпочтительно сохраняет амплитуду, достаточную для обтекания зубов жидкостью, что облегчает распространение пузырьков во взвеси к новым местам, которые еще не были очищены.
Когда ультразвуковой луч(и) сфокусирован на данном месте для очистки, пузырьки, имеющие правильный размер для очистки ультразвуком, со временем исчерпываются. Посредством амплитудной модуляции мощность луча периодически снижается, чтобы позволить пузырькам снова заполнить область. Частота амплитудной модуляции значительно ниже, чем сама частота ультразвука. Например, для ультразвуковой частоты 1 МГц используется модулирующая частота 10 КГц. Важно, чтобы когда мощность находится на низком уровне благодаря амплитудной модуляции, она была бы еще достаточно высока для того, чтобы еще существовал эффект потока, который перемещал бы распределение пузырьков к новым областям и к истощенным областям.
Для более низкой ультразвуковой частоты, например, 100 КГц, модулирующий сигнал может составлять 100 Гц, хотя может также использоваться 10 Гц.
Амплитудная модуляция будет снижать мощность (силу ультразвукового сигнала) на, по меньшей мере, 50%, но, как было указано выше, не до нуля, для сохранения эффекта потока. В системе, изображенной на фиг.4, представлен излучатель или матрица излучателей, в целом обозначаемые ссылочной позицией 50, с амплитудной модуляцией сигнала 52 результирующего ультразвукового луча. Когда сигнал имеет максимальный уровень, возникает кавитация, представленная в области 54, тогда как, когда сигнал ультразвукового луча находится в нижней точке, как представлено в области 56, кавитации нет, но поток все еще сохраняется. Затем амплитудно-модулированные лучи будут взаимодействовать со взвесью 58 пузырьков, создающей очищение зубов 59. Обычно модуляция существует в виде прямоугольной волны с ненулевой базовой линией и выбранным коэффициентом заполнения, который может быть различным. Однако модулирующий сигнал может также иметь другие конфигурации, включающие в себя треугольную волну, синусоидальную волну или волну другой произвольной формы, необязательно периодической формы.
На фиг.5 представлен третий необязательный аспект системы, относящийся к переменным частотным характеристикам, который представляет собой частотную модуляцию ультразвуковых лучей, обеспеченных в блоке 61 управления. Излучатель или матрица 60 излучателей создают ультразвуковой луч или лучи, в которых частота меняется во времени, что показано позициями 62 и 64. В позиции 62 последовательные импульсы имеют различные частоты, а в позиции 64 частота изменяется внутри каждого импульса. Излучатель или матрица 60 излучателей являются широкополосным излучателем, способным генерировать частоты в широком диапазоне, например 200-400 КГц. Такие излучатели в целом хорошо известны, в частности, в области диагностических медицинских ультразвуковых устройствах. Возможные варианты включают в себя двойные четвертьволновые, пьезоэлектрические объемные излучатели, пьезоэлектрические микрообработанные ультразвуковые излучатели (pMUT), электромагнитные акустические излучатели (eMAT) и емкостные микрообработанные ультразвуковые излучатели (cMUT). Преимущество частотно модулируемых лучей состоит в том, что микропузырьки обычно имеют широкий диапазон размеров, и каждый размер имеет конкретную резонансную частоту, при которой он колеблется и в конечном счете лопается для обеспечения очистки зубов. Колебание пузырьков происходит в ответ на определенную частоту. С помощью одной ультразвуковой частоты будет колебаться и создавать очищающий эффект только относительно небольшое количество пузырьков. Когда с помощью частотной модуляции создается диапазон частот, могут возбуждаться пузырьки широкого диапазона размеров, таким образом, используя многие или даже большую часть имеющихся пузырьков. При работе возбуждается больший их процент, обеспечивая более эффективное, сильное очищающее действие.
Более того, переменная частота ультразвукового сигнала, создаваемая за счет частотной модуляции, будет вызывать пики и провалы в интерференционной картине ультразвукового поля по поверхности зубов, создавая такую же зону полезного действия, как описано выше, для переменных пространственных характеристик (амплитудной модуляции). Частота возбуждения может меняться в пределах диапазона рабочих частот излучателя за счет линейной, пилообразной, синусоидальной или другой функции для FM импульса, прилагаемой через схемы, которые возбуждают излучательные элементы. Как было указано выше, один частотный диапазон может составлять 200-400 КГц, таким образом, приводя к созданию соотношения предельных размеров пузырьков 2: 1. При диапазоне 150-450 КГц может создаваться даже большее соотношение (3: 1).
Как было рассмотрено выше, любой из трех вышеупомянутых элементов может использоваться в любом зубном очищающем устройстве, либо в зубной щетке или капе, и приводить к значительному улучшению очистки. Могут использоваться как два, так и три элемента. В одном конкретном устройстве может использоваться одномерная(копланарная матрица) cMUT- излучателя, работающая в частотном диапазоне 200-400 КГц. Матрица излучателей может включать в себя восемь или более, предпочтительно 16 или более элементов, обращенных к зубам у основания щетинок зубной щетки. Вблизи или среди щетинок расположены средства для генерирования воздушных микропузырьков или каналы для перемещения жидкости, предварительно обогащенной пузырьками из другого места. Как было рассмотрено выше, для каждого элемента в матрице или для участков матрицы может обеспечиваться независимое электрическое возбуждение, так, чтобы частота, амплитуда и фаза лучей регулировались независимо для каждого элемента. Таким образом, система управления обеспечивает эффекты, описанные выше. Обогащенная пузырьками жидкость обеспечивает среду распространения и доставляет очищающие пузырьки к зубным поверхностям. С помощью вышеописанных систем большая часть пузырьков является эффективной при очистке зубных поверхностей. Кроме того, пузырьки в целом достигают всех частей зубных поверхностей для эффективного очищения, а также межзубных поверхностей между зубом и поддесневым краем.
Соответственно, раскрыта система, улучшающая действие ультразвука с помощью микропузырьков для очистки зубных поверхностей. Системы включают в себя переменные пространственные, временные и частотные характеристики для достижения улучшенного очищающего действия и могут быть частью зубной щетки или капы, обладающих способностью к механической чистке, или могут использоваться самостоятельно.
Хотя предпочтительный вариант осуществления изобретения был раскрыт с целью иллюстрации, следует понимать, что в вариант осуществления могут быть включены различные изменения, модификации и замены без отступления от объема изобретения, определяемого приведенной ниже формулой.