Устройство для нагрева термопластичного материала при обтурации канала зуба
DEVICE FOR HEATING THERMOPLASTIC MATERIAL WHEN BLOCKING ROOT CANAL

Изобретение относится к области стоматологии и предназначено для использования в качестве устройства для лечения зубных каналов, а именно - для заполнения (обтюрации) канала зуба разогретой гуттаперчей.
Заключительным этапом эндодонтического лечения является обтюрация корневых каналов и их ответвлений малоусадочным и неразрушающимся материалом. Обтюрация системы корневых каналов - плотное заполнение за короткое время канала зуба, что предотвращает повторное инфицирование периодонта и, как следствие, минимизирует вероятность повторного эндодонтического лечения.
В настоящее время для этой цели используется много технических решений, в которых для реализации данной методики используют устройства для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба методом вертикального уплотнения гуттаперчи, получившие название «плаггер», одной из разновидностей которого является так называемый «термо-плаггер» или «разогревающий плаггер».
ПРИМЕЧАНИЕ: в заявленном описании заявленное устройство имеет название «устройство для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба», однако для удобства оно будет называться также более кратко «термо-плаггер».
Известно устройство для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба, включающее корпус с нагреваемой рабочей частью (1).
При помощи нагревателя обеспечивается нагрев рабочей части корпуса (или, иначе говоря, рабочего конца корпуса) устройства для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба, то есть термо-плаггера, нагретого до требуемой температуры и погруженного в заполненный гуттаперчей канал зуба, что позволяет обеспечить качественную обтюрации канала.
Для данного вида устройства необходимо устанавливать (задавать), при помощи нагревателя с регулируемым нагревом, заведомо завышенную (более, чем необходимо для размягчения пломбировочной гуттаперчи) температуру рабочей части корпуса (рабочего конца корпуса), обычно это 200-250 градусов С.
К недостаткам этого устройства относится отсутствие контроля текущей температуры нагреваемой рабочей части корпуса (то есть конца термо-плаггера), находящегося в корневом канале в среде пломбировочной гуттаперчи, и отсутствие возможности поддержания этой температуры на заданном уровне.
Необходимость нагрева рабочего конца корпуса до температуры размягчения 70-90°С вместо заведомо завышенной температуры 200-250°С, нагреваемой рабочей части корпуса устройства (термо-плаггера), погруженного в канал зуба, и ее стабилизацию, обусловлена рядом факторов:
Оптимальная температура размягчения гуттаперчи лежит в пределах 70-90°С и ее необходимо поддерживать в данном интервале. При пониженной температуре получить необходимую степень размягчения гуттаперчи невозможно. При этом температура выше указанного диапазона будет приводить к недопустимым изменениям характеристик гуттаперчи, и, как следствие, к росту усадки материала в канале, что неизбежно приведет к снижению качества пломбирования канала зуба.
Энергия разогретого термо-плаггера расходуется на:
А) размягчение гуттаперчи в канале;
В) «нежелательный нагрев» зуба (его коронковой части, корневой системы, тканей периодонта, эксудата, содержащегося в канале).
Размеры и масса зубов, морфология каналов, различны, что приводит к неконтролируемой потере энергии на «нежелательный нагрев».
Как показывает практика, при работе с существующими устройствами, для разогрева введенной в канал гуттаперчи до температуры ее размягчения, с учетом потерь энергии на нежелательный нагрев, необходимая температура разогрева рабочей части корпуса (кончика термо-плаггера) должна находиться в пределах 200-250°С.
Такой подход ведет к:
риску перегрева тканей периодонта (допускается нагрев тканей не более, чем до 42°С кратковременно);
вероятности ожога слизистой полости рта пациента;
сокращению рабочего (полезного) времени обтюрации канала (из-за возможности перегрева тканей периодонта при длительном времени обтюрации канала);
большей энерговооруженности источника нагрева прибора, что критично для беспроводного аккумуляторного типа устройств;
перегреву гуттаперчи и ухудшению ее клинических характеристик;
существенному снижению срока службы термо-плаггера за счет многократных изменений его температуры от 25°С (комнатная температура) до 250°С. Заметим, что рыночная стоимость термо-плаггера 60-80 евро, а практическое время наработки до отказа, приблизительно, 3 месяца;
необходимо отметить, что электрические характеристики термо-плаггеров имеют значительный разброс, что вызвано разбросом характеристик материалов, из которых они изготовлены, размером и стабильностью контакта корпуса термо-плаггера и токопроводящей проволоки, расположенной внутри трубки термо-плаггера, что, в свою очередь, увеличивает разброс фактической температуры рабочей части корпуса термо-плаггера (кончика термо-плаггера).
Таким образом, для уверенного размягчения гуттаперчи в канале зуба до состояния пригодного для ее термической конденсации 70-90°С, с учетом нежелательного нагрева тканей периодонта и системы зуба, приходится дополнительно с запасом нагревать рабочую часть корпуса устройства для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба (термо-плаггера) на 200-250°С.
Учитывая недостатки существующих устройств технической задачей заявленного изобретения является создание устройства для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба (термо-плаггера) с возможностью задания требуемой фактической температуры размягчения гуттаперчи и контроля температуры системы нагреваемых тел - рабочая часть корпуса (кончика) термо-плаггера, введенного в канал зуба, пломбировочной гуттаперчи введенной в канал и собственно зуба.
Решение данной задачи осложнено малым размером нагреваемой рабочей части (кончика) корпуса устройства для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба - диаметр менее 1 мм, длина не более 4 мм, что не предполагает возможности размещения в объеме нагреваемой рабочей части корпуса (в кончике) отдельного датчика температуры, предназначенного для измерения текущей температуры рабочей части корпуса (кончика) термо-плаггера для обеспечения возможности управления этой температурой.
При этом задача должна быть решена для стандартного конструктива устройства для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба (для стандартного конструктива термо-плаггера), имеющего только два контакта для подачи энергии (двух-проводная схема подключения инструмента).
Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является
снижение риска перегрева периодонта (допускается не более, чем на 42°С кратковременно);
увеличение времени эксплуатации термо-плаггера за счет предотвращения многократного перегрева его нагреваемой рабочей части;
уменьшения опасности работы с устройством за счет существенного уменьшения рабочей температуры его нагреваемой рабочей части;
предотвращение перегрева гуттаперчи выше температуры ее размягчения, что сохранит ее физико-химические свойства и клиническую пригодность.
снижение требований к энерговооруженности заявленного устройства в целом;
значительное увеличение времени работы заявленного устройства между зарядками аккумулятора, что важно для приборов беспроводного аккумуляторного типа;
независимость рабочей температуры рабочей части корпуса (кончика) термо-плаггера от материалов и конструктивных особенностей промышленных термо-плаггеров.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в устройстве для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба, включающем корпус с нагреваемой рабочей частью, согласно изобретению,
Нагреваемая рабочая часть выполнена в виде пары тел из металлов и/или сплавов с разной удельной электропроводностью и спая их концов с возможностью нагрева,
Причем одно из тел представляет собой жесткое тело, а другое - проводник, размещенный изолированно от жесткого тела,
При этом оба тела включены в двухпроводную электрическую цепь, которая одновременно выполняет функции нагрева спая и измерения величины термоЭДС, пропорциональной текущей температуре спая,
для чего оба тела подключены свободными концами к средству для измерения термоЭДС, величина которого зависит от температуры спая,
а электрическая цепь содержит соединенный со средством для измерения термоЭДС блок управления нагревом, выход которого соединен с ключом подачи электрической энергии к спаю,
при этом блок управления нагревом осуществляет нагрев спая методом подачи порций электрической энергии,
э
причем подача порций электрической энергии осуществляется в течение временного интервала подачи энергии Т при замкнутом ключе подачи электрической энергии,
и величина порций электрической энергии для нагрева спая, зависит от разницы величины измеренного значения термоЭДС, пропорциональной текущей температуре спая, и заданного значения термоЭДС, соответствующей заданной температуре спая тел, которую необходимо достичь и стабилизировать,
и
а в течение временного интервала измерения Т, при отключенном ключе подачи электрической энергии к спаю происходит измерение текущего значения термоЭДС в точке спая, пропорциональной текущей температуре точки спая,
причем данные временные интервалы попеременно повторяются с соблюдением необходимой частоты измерения термоЭДС и подачи порций электрической энергии для нагрева спая тел до заданной температуры с заданной скоростью ее нарастания, допустимой величиной заброса (перерегулирования) температуры и стабилизации ее заданного значения.
Данная совокупность общих существенных признаков представляет собой сущность заявляемого изобретения. Она необходима и достаточна во всех случаях его использования.
При пропускании электрического тока через электрическую цепь, состоящую из пары тел из металлов и/или сплавов с разной удельной электропроводностью и их спая (соединения) между собой, происходит разогрев спая.
В заявленном устройстве пара тел из металлов и/или сплавов с разной удельной электропроводностью, которые соединены между собой с одного конца, противоположными свободными концами, дополнительно подключены к средству для измерения термоЭДС, благодаря которому определяется температура спая тел в каждый данный момент времени, и в зависимости от его значения осуществляется управление нагревом при помощи блока управления нагревом спая тел, а место спая тел с наружной стороны оформлена как рабочая часть корпуса устройства для обработки и нагрева термопластичного материала в канале зуба.
В основе вышеописанной регулировки температуры нагрева спая тел лежит эффект Зеебека.
Данный эффект состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из пары разнородных проводников с различной удельной электропроводностью, возникает термоЭДС, причем величина индуцируемого термоЭДС пропорциональна разнице температур на концах проводников. Таким образом, при нагревании спая двух тел из разных металлов и/или сплавов, между их свободными концами возникает разность потенциалов или термоЭДС. Если замкнуть такую цепь на внешнее сопротивление, то по цепи потечет электрический ток, величина которого будет пропорциональна текущей температуре точки спая. Таким образом, в заявленном изобретении определяется температура спая тел в каждый текущий момент времени и в зависимости от значения термоЭДС осуществляется управление нагревом при помощи блока управления нагревом.
Заложенный принцип работы устройства, как отмечено выше, реализует:
снижение риска перегрева периодонта (допускается не более, чем на 42°С кратковременно):
увеличение времени эксплуатации термо-плаггера за счет предотвращения перегрева его рабочей части с 3 месяцев до одного года;
уменьшения опасности работы с устройством за счет существенного уменьшения его рабочей температуры;
предотвращение перегрева гуттаперчи выше температуры ее размягчения, что сохранит ее физико-химических свойства и клиническую пригодность.
снижение требований к энерговооруженности прибора в целом;
значительное увеличение времени работы прибора между зарядками аккумулятора прибора, что важно для приборов беспроводного, аккумуляторного типа;
независимость рабочей температуры кончика термо-плаггера от материалов, и конструктивных особенностей промышленных термо-плаггеров.
Заявитель разработал множество вариантов заявленного устройства.
Вместе с тем, заявитель считает необходимым выделить следующие развития и/или уточнения совокупности его существенных признаков, относящихся к некоторым частным случаям выполнения или использования.
Управление подачей порций электрической энергии может осуществляться различными техническими средствами, основанными на различных принципах работы. Однако заявитель считает наиболее целесообразным использование средства, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции (ШИМ-преобразователь). Такая схема экономична и позволяет сравнительно просто регулировать порции подаваемой электрической энергии для нагрева спая тел до заданной температуры с заданной скоростью ее нарастания или для поддержания заданной температуры. ШИМ-преобразователи широко известны, не являются предметом данного изобретения и поэтому подробно их конструкция не рассматривается в рамках данной заявки.
При этом средство, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции, расположено между источником постоянного тока и ключом подачи электрической энергии, вход управления которого соединен с выходом блока управления нагревом.
Конструкция средства, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции, может иметь многочисленные модификации.
Например, оно может содержать последовательно включенные в электрическую цепь между источником постоянного тока и ключом подачи электрической энергии дополнительный ключ с резистором, причем дополнительный ключ соединен с блоком управления нагревом, а между резистором и ключом подачи электрической энергии к спаю подсоединена обкладка конденсатора, другая обкладка которого соединена с заземляющим приспособлением, например, земляной шиной устройства. Данная схема характеризуется повышенной экономичностью расхода электрической энергии.
Заявленное устройство может обеспечить нагрев спая тел до различной температуры. Однако, с точки зрения решения задачи размягчения пломбировочной гуттаперчи и сохранения ее физико-химических характеристик, обеспечивающих необходимый клинический эффект, наиболее предпочтительно нагревать точку спая тел до температуры в интервале от 100°С +/-15% за промежуток времени 0,4-0,6 сек. Под записью 100°С +/-15% понимается, что нагрев спая тел производится в интервале от температуры 100°С - 15% (то есть от температуры 85°С) до температуры 100°С + 15% (то есть до температуры 115°С).
Через 15-20 секунд с момента выхода на температуру 100°С ключ подачи электрической энергии может быть автоматически отключен блоком управления нагревом, тем самым прекратив подачу энергии нагрева. Для всех клинических случаев данного времени (15-20 секунд) достаточно для качественного выполнения обтюрации корневого канала зуба.
Здесь заявитель считает необходимым еще раз обратить внимание на следующее.
При решении задач нагрева конца плаггера до заданной температуры за максимально короткое время (0,4-0,6) сек., что
минимизирует время готовности устройства к работе,
препятствует и не допускает перегрева тканей зуба и периодонта,
увеличивает срока службы термо-плаггера,
при реализации алгоритма управления нагревом, экспериментально был определен и реализован наиболее эффективный, с точки зрения, поставленных выше задач, алгоритм регулирования с быстрым выходом на заданную температуру, обеспечивающий:
Допустимую величину перерегулирования - кратковременное превышение заданного значения температуры не более, чем на 10%,
стабилизацию заданного значения температуры в пределах +/- 15%.
Для реализации данного алгоритма управления могут быть рекомендованы, например, следующие параметры управления, обеспечивающие заданные характеристики нагрева плаггера:
на этапе выхода на заданную температуру в течение 0,5 секунд, средство, работа которого основана на методе ШИМ (или ШИМ-регулятор), формирует пачки импульсов электрической энергии с частотой 140-160 импульсов в секунду;
на этапе стабилизации температуры средство, работа которого основана на методе ШИМ (или ШИМ-регулятор), формирует пачки электрических импульсов энергии с частотой 90-100 импульсов в секунду соответственно;
для защиты зуба от перегрева, через время 15-20 секунд с момента выхода на заданную температуру, устройство автоматически отключает нагрев плаггера. Из практики, данного времени с запасом хватает для качественной обтюрации корневого канала.
Заметим также, что в заявленном устройстве предусмотрена возможность программного изменения величин заданной температуры и времени принудительного отключения нагрева плаггера, что важно в практике при применении различных типов пломбировочной гуттаперчи с различными характеристиками.
Конструкции каждого тела может быть различны. Предпочтительна конструкция, согласно которой жесткое тело представляет собой полый корпус с заостренным концом, а проводник размещен изолированно внутри полого корпуса, в частности, жесткое тело представляет собой конусовидную трубку, а проводник при этом размещен изолированно от жесткого тела внутри конусовидной трубки.
Многообразен выбор материалов каждого из тел.
По мнению заявителя, полый корпус с заостренным концом может быть, например, изготовлен из нержавеющей стали, а проводник из манганина или из нихрома.
Для повышения эффективности нагрева спая, желательно, чтобы в спае площадь сечения одного тела была бы меньше площади сечения другого тела.
По мнению заявителя, целесообразно, чтобы спай был бы включен в электрическую цепь к средству для измерения термоЭДС и к ключу подачи электрической энергии через двух проводной штекер. Конструкции штекеров общеизвестны, подбираются в зависимости от условий эксплуатации, не являются предметом настоящего изобретения и поэтому подробно не рассматриваются в рамках данной заявки.
Для обеспечения независимости рабочей температуры от характеристик используемых термо-плаггеров и разброса их параметров (различие в теплопроводности, теплоёмкости и удельных сопротивлениях материалов термо-плаггеров), к блоку управления нагревом дополнительно подключено средство калибровки системы управления температурой, обеспечивающее независимость процесса управления от электрических характеристик точки спая.
Принцип работы средства калибровки системы управления температурой построен на следующем:
Измерение термоЭДС спая производится непосредственно после включения устройства, но до момента подачи первой порции электрической энергии для нагрева спая тел, то есть при комнатной температуре, причем полученная величина, зависящая только от характеристик материалов термо-плаггера, в дальнейшем используется блоком управления нагревом в качестве точки отсчета (величины калибровки) при измерении текущей температуры точки спая, используемой при расчете порции электрической энергии необходимой для управления температурой нагрева рабочей части корпуса (кончика термо-плаггера). Задача расчета порций энергии для управления нагревом и калибровки системы, решается программно в блоке управления нагревом.
В связи с малостью величины измеряемой термоЭДС необходимо, чтобы выход средства для измерения термоЭДС был бы соединен со входом усилителя электрического тока, выход которого соединен со входом блока управления нагревом.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображено устройство для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба (термо-плаггер), вид сбоку;
На фиг. 2 схематично изображен зуб с введенной в канал нагреваемой рабочей частью корпуса устройства для обработки и нагрева термопластичного материала в канале зуба, продольное сечение;
На фиг. 3 изображен вид А фиг. 1 (конец термо-плаггера представляющий собой пару тел с местом их спая (соединения), продольное сечение;
и
На фиг. 4 изображена электрическая схема заявленного устройства со средством, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции, изображенная в течение временного интервала измерения Т, при отключенном ключе подачи электрической энергии к спаю, когда происходит измерение текущего значения термоЭДС в точке спая, пропорционального текущей температуре точки спая;
э
На фиг. 5 изображена электрическая схема заявленного устройства со средством, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции, изображенная в течение временного интервала подачи энергии Т при замкнутом ключе подачи электрической энергии к спаю, когда осуществляется подача порций электрической энергии для нагрева спая;
и
На фиг. 6 изображена модификация электрической схемы заявленного устройства со средством, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции, изображенная в течение временного интервала измерения Т, при отключенном ключе подачи электрической энергии к спаю, когда происходит измерение текущего значения термоЭДС в точке спая, пропорционального текущей температуре точки спая (особенность модификации электрической схемы состоит в том, что она содержит последовательно включенные в электрическую цепь между источником постоянного тока и ключом подачи электрической энергии дополнительный ключ с резистором, причем дополнительный ключ соединен с блоком управления нагревом, а между резистором и ключом подачи электрической энергии подсоединена обкладка конденсатора, другая обкладка которого соединена с заземляющим приспособлением);
э
На фиг. 7 изображена модификация электрической схемы заявленного устройства со средством, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции, изображенная в течение временного интервала подачи энергии Т при замкнутом ключе подачи электрической энергии к спаю, когда осуществляется подача порций электрической энергии для нагрева спая (особенность модификации электрической схемы состоит в том, что она содержит последовательно включенные в электрическую цепь между источником постоянного тока и ключом подачи электрической энергии дополнительный ключ с резистором, причем дополнительный ключ соединен с блоком управления нагревом, а между резистором и ключом подачи электрической энергии подсоединена обкладка конденсатора, другая обкладка которого соединена с заземляющим приспособлением);
Устройство 1 для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба (или, иначе говоря, термо-плаггер), включает корпус 2 с нагреваемой рабочей частью 3 (или рабочий кончик) (фиг. 1). Корпус 2 посредством штекера 4 присоединяется к рукоятке устройства с расположенным внутри нее блоком управления нагревом (на фигуре не показана).
Нагреваемая рабочая часть 3 (или рабочий кончик) корпуса 2 вводится, при проведении стоматологической манипуляции, в канал 6 зуба 7, заполненного термопластичным материалом 8, например, гуттаперчей. Зуб окружен тканями периодонта 9 (фиг. 2).
Нагреваемая рабочая часть 3 корпуса 2 выполнена в виде пары тел из металлов и/или сплавов с разной удельной электропроводностью и спая их концов с возможностью нагрева, причем одно из тел представляет собой жесткое тело 10, а другое - проводник 11, размещенный изолированно от жесткого тела 10 (фиг. 3).
На фиг. 3 спай 12 конца 13 жесткого тела 10 с концом 14 проводника 11 обозначен черной утолщенной точкой.
ПРИМЕЧАНИЕ: под словом спай, здесь и везде в данной заявке, понимается соединение жесткого тела 10 с проводником 11, выполненное, например, при помощи лазерной сварки, механического обжима и т.д.
Нагреваемая рабочая часть 3, выполненная в виде пары тел, может иметь различную конструкцию. На фиг. 2 и фиг. 3 приведена одна из ее многочисленных модификаций. Особенность приведенной модификации состоит в том, что жесткое тело 10 выполнено в виде полого корпуса 15 с заостренным концом (конусовидной трубки), а другое тело (проводник 11) представляет собой провод 16, размещенный изолированно внутри полого корпуса 15.
Полый корпус 15 с заостренным концом может быть изготовлен из нержавеющей стали, а провод 16 - из манганина или нихрома. Возможны и многочисленные другие сочетания материалов, из которых изготовлены полый корпус и проводник.
Принцип работы заявленного устройства для нагрева термопластичного материала и обтюрации канала зуба (термо-плаггера) предполагает возможность использования любых вариантов исполнения нагреваемой рабочей части и ее деталей.
Как показано на фиг. 3 спай 12 заостренного конца полого корпуса 15 с концом провода 16 представляет собой нагревающий элемент, который обеспечивает нагрев рабочей части 3 корпуса 2 устройства 1 для обработки и нагрева термопластичного материала в канале зуба.
В спае 12 площадь сечения провода 16 (или, иначе говоря, площадь сечения проводника 11), меньше площади сечения полого корпуса 15 (или, иначе говоря, площади сечения жесткого тела 10), что очевидно, так как сечение провода 16 меньше площади контакта полого корпуса 15 в точке спая 12. В результате при протекании электрического тока через спай 12 возникает его значительный нагрев.
Например, при подаче на спай напряжения (U) в размере 2 вольт и величине электрического сопротивления  в спае 0,2 ом, ток (I) через спай 12 будет равен:
I = U/R= 2/0,2=10 ампер
Выделяемая в спае мощность (W) будет равна:
W = 2 вольта ×10 ампер=20 джоулей в секунду
Полый корпус 15 нагреваемой рабочей части 3 корпуса 2 (а в общем случае приведенной в заявке конструкции, жесткое тело 10), подключен свободным концом 17 через ключ 18 подачи электрической энергии к средству 19, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции, который, в свою очередь, соединен с источником постоянного тока 20 (фиг. 4 и фиг. 5).
Примечание: для краткости далее «средство 19, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции» будет называться сокращенно «средство 19, работа которого основана на методе ШИМ» или «ШИМ-преобразователь».
Кроме того, полый корпус 15 соединен через ключ 21 с входом 22 средства 23 для измерения величины термоЭДС и усиления электрического тока, другой вход 24 которого через ключ 25 соединен со свободным концом 26 провода 16. Одновременно свободный конец 26 провода 16 соединен через ключ 27 с заземляющим приспособлением 28, представляющим собой земляную шину устройства.
Средство 23 для измерения величины термоЭДС и усиления электрического тока своим выходом соединено с входом 29 блока управления нагревом 30, выход 31 которого соединен с ключом 18 подачи электрической энергии к спаю.
Одновременно блок управления нагревом 30 через выход 32 соединен со средством 19, работа которого основана на методе ШИМ.
Источник постоянного тока 20, средство 19, работа которого основана на методе ШИМ, ключ 18 подачи электрической энергии, полый корпус 15, спай 12, провод 16, ключ 27 и заземляющее приспособление 28, выполненное в виде земляной шины устройства, образуют часть электрической цепи, выполняющую функцию нагрева спая 12.
Ключ 21, полый корпус 15, спай 12, провод 16, ключ 25 и средство 23 для усиления малого значения термоЭДС, образуют часть электрической цепи, выполняющую функцию измерения величины термоЭДС. Усиленная средством 23 величина термоЭДС подается в блок управления нагревом 30 через вход 29.
Схема сконструирована так, что обе части электрической цепи работают попеременно, причем, когда работает одна часть электрической цепи, то другая часть электрической цепи отключена. Это обеспечивается блоком управления нагревом 30 путем соответствующего переключения ключа 18 подачи электрической энергии и ключей 21, 25, 27. При этом управление всеми ключами производится по сигналу с выхода блока управления нагревом 30 (на фиг. 4 и фиг. 5 управление ключа 18 показано пунктирной линией с выхода 31 блока управления нагревом 30, а управление ключами 21, 25, 27 не показано пунктирной линией, поскольку очевидно и чтобы не перегружать фигуры. По той же причине управление ключами 21, 25, 27 пунктирными линиями не показано на фиг. 6 и фиг.7).
Средство 19, работа которого основана на методе ШИМ, обеспечивает подачу порций электрической энергии. Его работа управляется сигналом с выхода 32 блока 30 управления нагревом. Конструкция средства 19, работа которого основана на методе ШИМ, может быть разнообразной, в зависимости от поставленных задач по экономичности, эффективности подачи электрической энергии и т.д., Эти конструкции общеизвестны, не являются предметом изобретения и поэтому подробно не раскрываются.
В отношении данного изобретения существенным является то, что блок управления нагревом 30 осуществляет нагрев спая 12 методом подачи порций электрической энергии, используя для этого средство 19, работа которого основана на методе ШИМ.
Рассмотрим работу заявленного устройства более подробно.
и
При выполнении электрической цепью функции измерения величины термоЭДС в течение временного интервала измерения Т ключ 18 подачи электрической энергии и ключ 27 заземляющего приспособления 28, выполненного в виде шины заземления, разомкнуты, а ключи 21 и 25 замкнуты (фиг. 4). Средство 23 для измерения термоЭДС с усилителем электрического тока оказывается подключенным посредством двухпроводного штекера к свободному концу 17 полого корпуса 15 и к свободному концу 26 провода 16. Поскольку полый корпус 15 и провод 16 изготовлены из материалов с различной удельной электропроводностью, то в соответствии с эффектом Зеебека средство 23 измеряет величину индуцируемого термоЭДС, которая пропорциональна температуре спая 12. Усиленная термоЭДС поступает в блок управления нагревом 30 для измерения и используется для вычисления порций электрической энергии нагрева с целью регулирования нагрева спая.
э
При выполнении электрической цепью функции нагрева спая 12 в течение временного интервала подачи энергии Т ключ 18 подачи электрической энергии и ключ 27 заземляющего приспособления 28, выполненного в виде шины заземления, замкнуты, а ключи 21 и 25 разомкнуты (фиг. 5). Рабочая часть корпуса 3, а именно, полый корпус 15, спай 12 и провод 16, оказываются подключенными в электрическую цепь, выполняющую функцию нагрева спая 12. Электрический ток идет от источника постоянного тока 20 через средство 19, работа которого основана на методе ШИМ, и ключ 18 подачи электрической энергии на полый корпус 15. Далее он проходит через спай 12 на провод 16 и через замкнутый переключатель 27 на заземляющее приспособление 28, представляющее собой шину заземления. При прохождении электрического тока через спай 12 происходит его нагрев. Тепловая энергия передается на рабочую часть 3 корпуса 2.
Рассмотрим важный вопрос попеременной работы заявленного устройства, согласно которой осуществляется попеременное измерение температуры спая путем измерения термоЭДС и подача порций электрической энергии к спаю 12 для его нагрева или стабилизации температуры, если ее заданная величина достигнута.
Как отмечалось ранее блок 30 управления нагревом осуществляет нагрев спая 12 методом подачи порций электрической энергии от средства 19, работа которого основана на методе ШИМ.
э
Подача порций электрической энергии осуществляется в течение временного интервала подачи энергии Т (индекс «Э» является первой буква слова «энергия») при замкнутом ключе 18 подачи электрической энергии, и величина подачи порций электрической энергии нагрева к спаю зависит от разницы величины измеренного значения термоЭДС, пропорционального текущей температуре спая, и заданного значения термоЭДС, соответствующей заданной температуре спая тел, которую необходимо достичь и стабилизировать, с учетом калибровочной поправки рассчитанной на основе измеренной величины термоЭДС, до момента подачи первой порции энергии на рабочую часть корпуса 3.
Чем больше эта разница, тем больше количество порций электрической энергии нагрева должно подаваться к спаю 12, причем при этом возможны многочисленные варианты режимов подачи электрической энергии.
Наоборот, чем меньше эта разница, тем меньше должна быть подаваемая порция электрической энергии нагрева к спаю 12. Наконец, если разница равна нулю, то подавать порцию электрической энергии не надо. Данный принцип заложен в алгоритм управления, реализуемый программно блоком 30 управления нагревом.
и
В течение временного интервала измерения Т (индекс «И» является первой буква слова «измерение»), при отключенном ключе 18 подачи электрической энергии к спаю 12, происходит измерение текущего значения термоЭДС, пропорциональной текущей температуре точки спая 12, по результатам анализа которой блоком управления нагревом 30 происходит выработка команд по управлению средством 19, работа которого основана на методе ШИМ, ключем 18 подачи электрической энергии на нагрев спая 12 и ключами 21, 25 и 27 переключения электрических цепей.
Данные временные интервалы попеременно повторяются с соблюдением необходимой частоты измерения термоЭДС и подачи порций электрической энергии для нагрева спая 12 до заданной температуры с заданной скоростью ее нарастания и стабилизации заданной температуры.
Как отмечено выше, возможны многочисленные варианты режимов подачи электрической энергии блоком 30 управления нагревом для чего в программе блока 30 управления нагревом стоит цифровой регулятор.
Оптимальная температуры нагрева рабочей части 3 корпуса 2 заявленного устройства. определяется:
- недопущением перегрев тканей периодонта, а также корневой и коронковой частей зуба,
- недопущением перегрева пломбировочной гуттаперчи, введенной в канал зуба,
- необходимостью сохранения рабочего ресурса плаггера, циклически нагреваемого до высокой температуры и охлвждаемого до комнатной температуры.
Практическая медицина дает значения температур, которые надо стабилизировать и удерживать на постоянном уровне. Эти температуры находятся в интервале 70°С - 90°С.
В заявленном изобретении нагрев спая 12 осуществляется с некоторым запасом - до температуры 100°-110°C с последующей стабилизацией заданного значения.
Задача, решаемая устройством в целом и, в частности, блоком управления нагревом 30, состоит в реализации процесса управлении температурой нагрева спая 12 (рабочего кончика 3), обеспечивающего:
- быстрый нагрев рабочего кончика до заданной температуры 100-110 градусов С, обеспечивающей необходимое, для качественной обтюрации, размягчения пломбировочной гуттаперчи в канале зуба;
- минимальную величину перерегулирования (кратковременного превышения заданной температуры) - не более 10°С, для недопущения изменения физико-химических характеристик пломбировочной гуттаперчи;
- стабилизацию заданной температуры с заданной точностью в условиях неопределенных по величине потерь энергии на «нежелательный» нагрев системы зуба и различных объемов, введенной в канал пломбировочной гуттаперчи, т.е. в условиях не детерминированной тепло-динамической системы.
Здесь возможны следующие варианты:
1 вариант нагрева состоит в том, что нагрев осуществляется до заведомо завышенной температуры 200-250°С, которая расходуется на «нежелательный» нагрев системы зуба за счет более высокой, по-сравнению с пломбировочной гуттаперчей, ее теплопроводностью, при этом гуттаперча нагревается до температуры 60-150 градусов С в зависимости от размеров пломбируемого зуба. Данный вариант реализован в прототипе. Недостатки данного варианта описаны выше, вариант не использован в заявленном изобретении.
2 вариант нагрева называется релейным вариантом нагрева и характеризуется тем, что включают и выключают ключ подачи электрического тока (при помощи реле подачи электрического тока) с постоянным измерением температуры. Температура плавно поднимается. По времени это менее оптимально, поскольку медленно происходит нагрев и может наступить даже перегрев спая. Данный вариант также не использован в заявленном изобретении.
3 вариант нагрева места соединения тел состоит в использовании устройства с управлением температурой нагрева, реализуемый в заявляемом устройстве с применением описанного двухпроводного принципа управления температурой.
По мнению заявителя, наиболее целесообразно, чтобы был реализован 3 вариант, при котором, предпочтительно, чтобы
блок управления нагревом имел бы
режим нагрева спая 12
и режим стабилизации температуры спая 12,
причем при режиме нагрева спая 12 подъем температуры осуществлялся бы до достижения заданной температуры последовательными циклами, каждый из которых состоит из:
времени измерения температуры спая 12 по значению термоЭДС при отключенном ключе 18 подачи электрической энергии и
времени подачи электрической энергии к спаю 12 при включенном ключе 18 подачи электрической энергии,
а при режиме стабилизации температуры спая 12 стабилизация температуры осуществлялась бы последовательными циклами, каждый из которых состоит из:
времени измерения температуры спая по значению термоЭДС при отключенном ключе 18 подачи электрической энергии и его сравнение с заданным значением термоЭДС, соответствующим температуре спая, на которой необходимо поддерживать температуру спая,
и времени подачи электрической энергии к спаю при включенном ключе 18 подачи электрической энергии,
причем если измеренное значение термоЭДС меньше значения термоЭДС, соответствующего заданной температуре спая 12, блок управления нагревом 30 замыкает ключ 12 подачи электрической энергии,
а если измеренное значение термоЭДС равно или больше значения термоЭДС, соответствующего заданной температуре спая 12, то ключ 18 подачи электрической энергии остается разомкнутым.
В результате таких режимов наиболее эффективно повышается и поддерживается температура внутри канала 6 зуба 7.
Как отмечено выше, средство 19, работа которого основана на методе ШИМ, обеспечивает подачу порций электрической энергии. Реализация схемы средства 19, работа которого основана на методе ШИМ, то есть его конструкция, может быть разнообразной, конкретная реализация не является общим отличительным признаком заявляемого устройства.
Далее заявитель приводит, по его мнению, один из вариантов такой конструкции (модификации) средства 19, работа которого основана на методе ШИМ, применение которой целесообразно с точки зрения экономичности и эффективности использования электрической энергии.
Эта модификация, работа которого основана на методе широтно-импульсной модуляции, содержит последовательно включенные в электрическую цепь между источником постоянного тока 20 и ключом 18 подачи электрической энергии дополнительный ключ 33 с резистором 34, причем дополнительный ключ 33 соединен с выходом 35 блока управления нагревом 30, а между резистором 34 и ключом 18 подачи электрической энергии подсоединена обкладка 36 конденсатора 37, другая обкладка 38 которого соединена с заземляющим приспособлением 39, выполненным, например, в виде земляной шины (фиг. 6 и фиг. 7).
Рассмотрим работу модификации заявленного устройства более подробно.
и
При выполнении электрической цепью функции измерения величины термоЭДС в течение временного интервала измерения Т ключ 18 подачи электрической энергии и ключ 27 заземляющего приспособления 28, представляющего собой, например, шину заземления (земляную шину), разомкнуты, а ключи 21, 25 и 33 замкнуты (фиг. 6). Управление ключами обеспечивается блоком управления нагревом 30.
В результате средство 23 для измерения термоЭДС с усилителем электрического тока оказывается подключенным к свободному концу 17 полого корпуса 15 и к свободному концу 26 провода 16. Поскольку полый корпус 15 и провод 16 изготовлены из материалов с различной удельной электропроводностью, то в соответствии с эффектом Зеебека индуцируется термоЭДС. После усиления средством 23 измеренное значение величины индуцируемого термоЭДС, пропорциональная температуре спая 12, поступает в блок управления нагревом 30 для вычисления текущей величины отклонения текущей температуры спая 12 от заданного ее значения и формирования управляющих воздействий, подробно охарактеризованных выше:
- временных интервалов управления ключами 18, 21, 25, 27 и 33;
- и собственно сигналов управления ключами 18, 21, 25, 27 и 33.
Одновременно с процессом измерения термоЭДС происходит другой процесс: поскольку дополнительный ключ 33 переведен блоком управления 30 в положение «замкнут» напряжение от источника постоянного тока 20 через замкнутый дополнительный ключ 33 и резистор 34 поступает на обкладку 36 конденсатора 37 и заряжает его.
э
При выполнении электрической цепью функции нагрева спая 12 в течение временного интервала подачи электрической энергии Т ключ 18 подачи электрической энергии и ключ 27 заземляющего приспособления 28, выполненного, например, в виде земляной шины, замкнуты, а ключи 21, 25, и 33 разомкнуты (фиг. 7). Рабочая часть корпуса 3, а именно, полый корпус 15, спай 12 и провод 16, оказываются подключенными в электрическую цепь, выполняющую функцию нагрева спая 12. Электрический ток идет от заряженной обкладки 36 конденсатора 37 через ключ 18 подачи электрической энергии на полый корпус 15. Далее он проходит через спай 12 на провод 16 и через замкнутый ключ 27 на заземляющее приспособление 28, представляющее собой, например, земляную шину. При прохождении порции электрической энергии от конденсатора 37, при его разрядке, через спай 12 происходит его нагрев, тепло от которого передается на остальную рабочую часть 3 корпуса 2.
Интервалы Ти и Тэ реализуются последовательно друг за другом (то есть парными циклами, что означает, сначала интервал Ти, потом интервал Тэ, затем интервал Ти, после этого интервал Тэ и так далее) до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура нагрева спая 12.
Как отмечалось выше, заявленное устройство может обеспечить нагрев спая 12 за 0,4-0,6 сек, и поддержание заданной температуры в диапазоне 100°С с точностью регулирования и величиной перерегулирования не более 10%.
Через 15-20 секунд с момента выхода на температуру 100°С ключ 18 подачи электрической энергии автоматически отключается блоком управления нагревом 30 для недопущения перегрева системы зуба, при этом данное время клинически достаточно для качественной обтюрации пломбировочной гуттаперчи
Спай 12 подключен к средству 23 для измерения термоЭДС с усилителем электрического тока и к ключу 18 подачи электрической энергии через двух проводной штекер. Конструкции двух проводных штекеров, общеизвестны, подбираются в результате обычного инженерного проектирования, не являются предметом настоящего изобретения и поэтому подробно не рассматриваются в том числе, чтобы не перегружать фигуры.
Дополнительной особенностью заявленного устройства является также то, что блок управления нагревом 30 дополнительно программно реализует функцию калибровки системы управления температурой, обеспечивая независимость процесса управления от электрических характеристик точки спая - технических характеристик используемых термо-плаггеров (на фигуре не показано), которая измеряет термоЭДС спая до момента подачи первой порции электрической энергии для нагрева спая тел, то есть при комнатной температуре, причем полученная величина в дальнейшем используется блоком управления нагревом 30 в качестве точки отсчета при формировании порций электрической энергии.
Остановимся на этом особо.
Для обеспечения независимости температуры нагреваемой рабочей части 3 термо-плаггера от разбросов параметров конкретного термо-плаггера, а именно от разброса характеристик материалов термо-плаггера, влияющих на электропроводность его двухпроводной цепи, величину индуцируемой спаем термоЭДС и, в конечном счете, на температуру нагрева спая 12, блок управления нагрева 30 устройства реализует функцию калибровки, которая заключается в следующем:
- автоматическое измерение величины термоЭДС при включении устройства с присоединённым к нему термо-плаггером, до момента начала его нагрева;
- данное значение принимается как «точка отсчета», относительно которой производятся дальнейшие измерения термоЭДС и расчет порций подаваемой электрической энергии для нагрева спая 12 термо-плаггера, погруженного в пломбировочную гуттаперчу, до заданной температуры, с заданной скоростью ее нарастания и ее стабилизацию в процессе обтюрации гуттаперчи в канале зуба.
Таким образом, с точки зрения классической теории управления, система контроля и стабилизации нагрева рабочей части (кончика) термо-плаггера, представленная в заявке, является идентифицируемой, измеряемой и соответственно управляемой.
Ошибка установки заданной величины температуры и точность ее стабилизации обеспечивает требования поставленной задачи, что подтверждено экспериментально.
Изобретение позволяет реализовать следующие существенные преимущества, отличающие заявляемое устройство от прототипа:
снижение риска перегрева периодонта (допускается не более, чем на 42°С кратковременно);
увеличение времени эксплуатации термо-плаггера за счет предотвращения многократного перегрева его нагреваемой рабочей части;
уменьшения опасности работы с устройством за счет существенного уменьшения рабочей температуры его нагреваемой рабочей части;
предотвращение перегрева гуттаперчи выше температуры ее размягчения, что сохранит ее физико-химические свойства и клиническую пригодность.
снижение требований к энерговооруженности заявленного устройства в целом;
значительное увеличение времени работы заявленного устройства между зарядками аккумулятора, что важно для приборов беспроводного аккумуляторного типа;
независимость рабочей температуры рабочей части корпуса (кончика) термо-плаггера от материалов и конструктивных особенностей промышленных термо-плаггеров.
Заявитель разработал множество вариантов заявленного устройства. Все они охватываются приведенной далее формулой изобретения.
Источники информации, принятые во внимание:
Горячев Н.А. Консервативная эндодонтия. Практическое руководство. Казань, «Медицина», 2020, с. 95-98 (прототип).