| 【発明の名称】 |
歯肉診査用触覚センサー |
| 【発明者】 |
【氏名】藤井 誠一
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| 【要約】 |
【課題】歯肉炎や歯周炎について定量的、客観的な測定が可能であり、且つ生体に非侵襲的で２次感染の虞れが皆無な新規な歯肉診査用触覚センサーを提供する。
【解決手段】歯肉に押し当てられる接触子と、上記接触子の固有振動数の変化を検出するセンサー部とを備え、これらにより歯肉の硬さが測定される。この触覚センサーの基本的な動作原理は、有限長の棒の固有振動数が音響負荷の有無によって変化する現象を利用したもので、固有振動数の変化を例えば共振周波数の変化に変換し、これを測定することで測定材料、すなわち歯肉の硬さに関する情報が把握される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 歯肉に押し当てられる接触子と、上記接触子の固有振動数の変化を検出するセンサー部とを備え、歯肉の硬さが測定される歯肉診査用触覚センサー。
【請求項２】 上記センサー部は圧電振動子と振動検出素子とを有するとともに、当該振動検出素子からの出力信号を圧電振動子に帰還することにより発振回路が構成され、上記接触子の固有振動数の変化に伴う発振回路の共振周波数の変化により歯肉の硬さに関する情報が得られることを特徴とする請求項１記載の歯肉診査用触覚センサー。
【請求項３】 上記接触子の形状が針状またはプローブ状であり、先端が球面状とされていることを特徴とする請求項１記載の歯肉診査用触覚センサー。
【請求項４】 上記接触子及びセンサー部が歯科用ハンドピース型のケースに収納されていることを特徴とする請求項１記載の歯肉診査用触覚センサー。
【請求項５】 上記歯科用ハンドピース型のケースに、測定荷重を段階的に表示するＬＥＤが組み込まれていることを特徴とする請求項４記載の歯肉診査用触覚センサー。
【請求項６】 上記歯科用ハンドピース型のケースは、接触子が取り付けられたヘッド部が水平方向に回動自在とされていることを特徴とする請求項４記載の歯肉診査用触覚センサー。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、歯周組織やインプラント周囲組織の診査に用いられる新規な歯肉診査用触覚センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】歯周組織は、文字通り歯の周囲組織を指し、通常、歯肉、歯槽骨、歯根膜、セメント質の４つから成り立っている。そして、歯肉の炎症を歯肉炎、その炎症が他の３つの歯周組織にまで及んでいるものを歯周炎と呼んでいる。
【０００３】これとは別に、近年、歯を喪失した部分にインプラントと呼ばれる人工歯根を用いた治療が広く施されるようになってきている。このインプラント周囲組織は、歯周組織と比較して組織学的な性質が若干異なるため、歯肉組織とは区別して別名で呼ばれている。
【０００４】歯肉炎や歯周炎については、これまでも様々な診査方法が試みられており、病理学的、組織学的、細菌学的な裏付けのデータも数多くの研究において報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、現状において、歯肉炎や歯周炎の診査方法としては、プロービングと呼ばれる手法が主流であり、歯科医療の現場において広く実施されている。
【０００６】しかしながら、このプロービングと呼ばれる方法では、術者の主観的要素を１００％除外することができず、また、同一の術者による診査方法でさえ１００％の再現性がないことが明らかになっている。したがって、複数の異なる診査を行い、それらの結果を総合的に考慮して診断へと結びつけざるを得ず、診査、診断を非常に煩雑なものとしている。
【０００７】また、上記プロービングでは、操作そのものが若干ではあるが生体に侵襲的な検査方法であり、この操作による２次感染の危険性も含んでいる。
【０００８】一方、インプラント周囲組織の炎症状態の診査は、その周囲組織が歯周組織と性質を異にするため、上記プロービングのような従来の診査では、正確な診査ができないことが明らかになりつつある。
【０００９】したがって、上記従来の方法に代わる新しい診査方法が望まれるところであるが、世界的にも未だ模索中の状態にある。
【００１０】本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、歯肉炎や歯周炎について定量的、客観的な測定が可能であり、且つ生体に非侵襲的で２次感染の虞れが皆無な新規な歯肉診査用触覚センサーを提供することを目的とする。
【００１１】さらに本発明は、従来不可能であったインプラント周囲炎の診査にも応用可能な歯肉診査用触覚センサーを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するために、本発明の歯肉診査用触覚センサーは、歯肉に押し当てられる接触子と、上記接触子の固有振動数の変化を検出するセンサー部とを備え、これらにより歯肉の硬さが測定されることを特徴とするものである。
【００１３】本発明の触覚センサーの基本的な動作原理は、有限長の棒の固有振動数が音響負荷の有無によって変化する現象を利用したもので、この固有振動数の変化を例えば共振周波数の変化に変換し、これを測定することで測定材料、すなわち歯肉の硬さに関する特性が示される。
【００１４】上記測定は、定量的、客観的であり、且つ生体に非侵襲的である。また、インプラント周囲組織についても、客観的、定量的な評価が可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の触覚センサーの具体的な構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】本発明の触覚センサーの基本構成は、図１に示すようなものであり、先端が歯肉ｈに押し当てられる接触子１の基端側に、振動検出素子２及び圧電振動子３が取り付けられている。
【００１７】この基本構成において、上記振動検出素子２は、上記接触子１の音響負荷の有無による固有振動数の変化を電気信号に変換して出力する。
【００１８】一方、上記圧電振動子３は、ＰＺＴ等の圧電材料よりなり、上記振動検出素子２からの出力信号がアンプ４により増幅されて強制帰還され、発振回路が構成されている。
【００１９】したがって、図１に示す触覚センサーの等価回路は、図２に示すようなものとなる。
【００２０】接触子１のフリーな端部（先端）が被験物、すなわち歯肉ｈの表面と接触すると、ＰＺＴの振動モードが変わり、発振回路の共振周波数がシフトする。
【００２１】この周波数のシフトは、接触子１の先端に接触する被験物の音響負荷の大きさに依存する。
【００２２】したがって、上記発振回路の共振周波数のシフトを測定することで、被験物である歯肉の硬さに関する情報を得ることができる。
【００２３】以下、この触覚センサーの基本的動作原理について説明する。
【００２４】この触覚センサーは、有限長の振動棒の固有振動数が接触した物質の特性によって変化する現象を利用するものである。
【００２５】振動する長さｌの有限長棒が対象物質に接触すると、振動モードの変化によって、共振周波数及び共振時の振幅が変化する。
【００２６】棒が物質に接触していない無負荷状態での共振周波数をｆ0 とすると、物質に接触させて負荷を与えたときの共振周波数がｆx に変化した場合、この変化量（＝ｆx−ｆ0）（以下、Δｆ）は、接触する物質の物性に依存するので、接触前後の共振周波数と振幅の大きさの変化を求めれば、対象物質の物理的な特性、すなわち弾性特性に関する情報を得ることができる。
【００２７】図１の触覚センサーは、この基本原理を利用したもので、ＰＺＴを用いた振動素子（圧電振動子３）と検出素子（振動検出素子２）で構成され、振動素子の振動モードの変化を検出素子で捉え、この出力信号を増幅して振動素子に強制帰還させて発振回路系として構成している。
【００２８】センサー素子（接触子１）の先端を対象物質に接触させれば、素子の振動モードが変化して、回路系全体の周波数がシフトする。
【００２９】棒の中を伝わる平面波の波動方程式から、棒が物質に接触していない無負荷状態の共振周波数ｆ0 と物質に接触させて負荷を与えたときの共振周波数ｆx の変化量Δｆは、下記の数１のように表すことができる。
【００３０】
【数１】
【００３１】センサーを均一な物質に接触させたとき、硬い物質上でのΔｆは、センサー不の接触面の大きさを半球（半径ｒ）とすると、点接触となってスティフネス効果が増大するので、物質に接触したときのΔｆは数２のように表すことができる。
【００３２】
【数２】
【００３３】また一方、柔らかい物質に接触したときは、先端部の接触面積の増加とともに質量効果による影響が増大するので、物質に接触したときのΔｆは数３のように表すことができる。
【００３４】
【数３】
【００３５】したがって、接触前後のΔｆを求めれば、対象物質の物理的な性質と密接に関係した値となり、対象物質の弾性特性に関する情報を検出することが可能となる。
【００３６】以上の基本動作原理に基づいて試作した計測システムを図３に示す。
【００３７】この計測システムにおいて、センサー部１１には、長さ７ｍｍ、外径１．２ｍｍ、内径０．６ｍｍのＰＺＴ（富士セラミックス株式会社製）を使用し、長さ４０ｍｍ、直径１ｍｍのステンレス製の針を固定し、接触子１２とした。
【００３８】センサー部１１は、硬質ウレタンフォームで保護した後に、円筒型のアクリルケース（長さ５０ｍｍ、直径１０ｍｍ）に組み込んだ。
【００３９】また、接触子１２は、先端をケースから外部に２０ｍｍ出して、先端部を直径０．５ｍｍの球面状に加工した。
【００４０】そして、周囲を先端の外径が０．６５ｍｍのプラスチック製の管にてカバーし、その先端を１ｍｍだけ露出させた。
【００４１】移動量の測定には、変位センサー１３を用いた。この変位センサー１３は、コイルＬとコンデンサＣによって、ＬＣ発振回路を構成している。
【００４２】このＬＣ発振回路においては、コイルＬ内のフェライトが移動すると、コイルＬのインダクタンスが変化するので、その発振周波数の変化によりセンサー部１１の移動量を求めることができる。なお、この変位センサー１３は、１／１０００ｍｍの分解能を有するものである。
【００４３】また、この計測システムにおいて、荷重に関しては、荷重計１４（ＳＡＲＴＯＲＩＵＳ株式会社製、ＢＰ３１０Ｓ）を利用し、カウンターバランスをとってセンサーの基本特性を調べた。
【００４４】カウンターバランス１５は、レコードプレーヤのアーム部分の精密なバランス機構を利用した。これにより、対象物質との接触時に生じる誤差の減少が可能となっている。
【００４５】物質と接触することによって変化する周波数データは、周波数カウンター１６（株式会社アドバンテスト製、ユニバーサルカウンターＴＲ５８２２）で計測し、ＧＰ−ＩＢインターフェイスを介してパーソナルコンピュータ１７に取り込んだ。
【００４６】取り込まれたデータは、ディスプレイ上にリアルタイムに表示され、視覚的に捉えることが可能である。例えば、対象物質が硬い場合にはプラス側に、柔らかい場合にはマイナス側にグラフ表示するように構成することで、対象物質の物理的な性質を直感的に把握することが可能である。
【００４７】また、得られたデータは、パーソナルコンピュータ１７により演算処理やファイル管理が行われる。センサーの接触荷重データについても同様であり、ＲＳ−２３２インターフェースを通して周波数データと並行して処理を行うようにしている。
【００４８】これらとフィルターＦを組み込んだ増幅器Ａを接続して、システムを構成した。
【００４９】上記計測システムにおいて、センサーの基本特性について、以下のような測定を行った。
【００５０】先ず、センサーの周波数−出力電圧特性を測定した。これによりＰＺＴの自由振動時における共振周波数の値を決定した。
【００５１】測定モデルとしては、工業用シリコーン（信越シリコーン社製、ＫＥ−１１６）を専用シンナー、専用硬化液と共に使用した。これら溶質と溶媒の混合比を変化させ、重量パーセント濃度で５０％〜１００％の範囲で６種類の異なった濃度のものを用意した。
【００５２】そして、測定モデルに対する接触荷重、スティフネス及び周波数変化量のシリコーン濃度の違いによる影響について検討した。
【００５３】上記計測システムにおけるＰＺＴの周波数−出力電圧特性を測定した結果を図４に示す。
【００５４】グラフは、接触子先端を対象物に接触させず、ＰＺＴの自由振動時における共振周波数と出力電圧の関係の推移を示している。出力電圧が高く、安定している共振周波数を２４２．６ｋＨｚと決定し、以後の測定における基本共振モードとして用いた。
【００５５】次に、６種類の異なる濃度に調整したシリコーンの濃度別にセンサーで測定し、荷重とΔｆとの特性をデータより解析した結果を図５に示す。
【００５６】どの荷重値においても、シリコーン濃度が低くなっていくほど、Δｆはマイナス側にシフトする傾向を示した。また、荷重の増加と共にΔｆはマイナス側にシフトする傾向を示した。
【００５７】次に、シリコーン濃度とスティフネスの特性について、得られたデータより解析した結果を図６に示す。スティフネスの単位は、ｇ／ｍｍであり、１ｍｍの定歪みを与えるのに必要な荷重を示している。スティフネスは、材料が変形されうる難易さを示す指標であり、与えられた変形を生ずるのに必要な応力によって示される。例えば、シリコーン濃度１００％はスティフネス値で１５．７ｇ／ｍｍと示され、１ｍｍの定歪みを与えるのに１５．７ｇの荷重が必要であることを示す。
【００５８】シリコーン濃度が高くなるほど各濃度に応じたスティフネスは比例し、増加傾向を示している。また、これらは高い相関関係（ｒ＝０．９８４）を示している。
【００５９】さらに、センサーのシリコーンに対する応力歪み特性から得られるスティフネスとΔｆとの特性を解析した結果を図７に示す。
【００６０】Δｆはシリコーン濃度が高くなるにしたがって、またスティフネスの増大とともにプラス側に増大している。そして、これらも高い相関関係（ｒ＝０．９８９）を示している。
【００６１】以上の測定で得られた結果をもとに、システム全体をより小型化し、診療室のチェアサイドへ移動可能となるように改良を行った。
【００６２】図８に、作製した歯科用ハンドピース型触覚センサーの外観を示す。また、この歯科用ハンドピース型触覚センサーを用いた計測システムを図９に示す。
【００６３】ここでは、センサー部に先の計測システムと同様のＰＺＴを使用し、長さ２９ｍｍ、直径１．５ｍｍのＳＫ鋼を固定し、接触子２１とした。
【００６４】接触子２１は、ケース２２から外部に２０ｍｍ出し、徐々にテーパーを付け、先端を直径０．５ｍｍの球面状に加工した。
【００６５】これを歯科用ハンドピース型のケース２２内部に直径１２ｍｍ、厚さ４ｍｍのひずみゲージ式変換器（ロードセル）と共に組み込んだ。
【００６６】また、歯科用ハンドピース型のケース２２の取っ手の部分２２ａには、ロードセルと連動し、コンピュータのビープ音と共に接触子２１の対象物質に対する荷重の程度を測定者に３段階で知らせるＬＥＤ２３を組み込んだ。
【００６７】これに加えてカウンターボード２４、パーソナルコンピュータ２５、アンプユニット及びＩ／Ｏ拡張ユニットを接続して、計測システムを構成した。
【００６８】この計測システムでは、測定者がフットスイッチ２６にてシステムの作動制御を行うことができる。
【００６９】ヘッド部２２ｂには、センサー部２７やロードセル２８が組み込まれているが、センサー部２７は、先の計測システムと同様、ＰＺＴを使用したものである。これらセンサー部２７やロードセル２８には、それぞれアンプ２９，３０が接続され、Ｖ−ｆコンバーター３１やバンドパスフィルター３２を通してカウンターボード２４へと出力される。
【００７０】この歯科用ハンドピース型の計測システムは、歯科医師が違和感なく使えるものとして形状を選択したものであり、コントラアングルも多くのハンドピースと同様、１６５°とした。
【００７１】また、ケース２２のヘッド部２２ｂは、左右に約３０°ずつ水平に動かすことが可能なようにスライド機構を設けたが、これは実際の測定時に有効であった。
【００７２】上記ＬＥＤ２３は、接触荷重が４ｇ以上で緑、５ｇ以上で黄色、６ｇ以上で赤が発光すると同時にビープ音がなるように設定したが、測定の際に不快感の訴えを聞くことはなく、同時に、無駄なデータ量の減少と、解析処理の時間短縮が可能となった。
【００７３】このようにして作製した歯科用ハンドピース型触覚センサーを用い、先ず、予備試験として工業用シリコンを用いた測定モデルについて、硬さ測定を実施した。
【００７４】なお、ここでは、センサー部を自動降下システム（降下速度：１ｍｍ／０．５秒）にセットし、接触荷重及びシリコン濃度の違いによる硬さ特性への影響を検討した。
【００７５】測定結果を図１０に示す。この図１０においては、縦軸に周波数変化（Δｆ）、横軸に接触荷重（単位：ｇ）をとっている。
【００７６】この図１０を見ると明らかなように、シリコン濃度が低いほど、周波数変化（Δｆ）はマイナス側にシフトし、軟らかい状態であることを示している。また、濃度別のラインが全く交差していないことは、計測装置（触覚センサー）の硬さ特性の判別度の安定性を示している。
【００７７】この結果より、試作した触覚センサーを用いた歯肉炎の客観的評価法への可能性が示唆された。
【００７８】そこで、上記歯科用ハンドピース型触覚センサーを用い、臨床測定を行った。被験者は、口腔内診査において臨床的に正常な歯肉を有し、歯肉退縮、歯列不整が認められず、被験歯に補綴物や不良修復物の装着、う歯のない者とした。
【００７９】被験者は、歯肉の状態を可能な限り良好にすべく１週間のプロフェッショナル・トゥース・クリーニング（ＰＴＣ）の後、１回目の測定を開始した。実験的歯肉炎は、１０日間に亘ってプラークコントロールを中断することによって惹起させた。また、その後、ＰＴＣを再開し、１週間後に最後の測定を実施して終了した。各診査とも、期間中５回（０日目、３日目、７日目、１０日目、１７日目）実施した。
【００８０】先ず、７人の被験者に対する触覚センサーによる臨床測定（ＴＳ）の測定結果より、歯間乳頭のデータを抽出し、各診査期間毎のΔｆを求めた。結果を図１１に示す。
【００８１】プラークコントロールの中断期間では、数カ所で逆転が認められるものの、経時的にΔｆはマイナス側にシフトする傾向を示している。そして、プラークコントロール再開後には、Δｆはプラス側に戻っていく傾向を示した。
【００８２】ただし、１７日目のΔｆ（平均−１１１．４Ｈｚ）は、０日目のΔｆ（平均−１００．９Ｈｚ）と同じレベルにまでは戻らなかった。
【００８３】また、７人のΔｆは、平均２５．８Ｈｚ（２２〜３３Ｈｚ）のレンジ幅をもって、０日目のΔｆ（最大値−９４Ｈｚ）から１０日目のΔｆ（最小値−１５２Ｈｚ）まで、５８Ｈｚの範囲内で変化を示した。
【００８４】以上の結果に対して二次元配置分散分析の検定をしたところ、ＴＳのΔｆには患者の個体間に有意差（ｐ＜０．０１）があり、診査期間の間にも有意差（ｐ＜０．００１）があることが認められた。
【００８５】次に、７人の被験者に対するＴＳの測定値より、辺縁歯肉のデータを抽出し、各診査期間毎のΔｆを調べた。結果を図１２に示す。
【００８６】Δｆは、スタート値のレベルがプラス側にシフトしていたが、経時的には歯肉乳頭で観察された状態とほぼ同様のシフト傾向を示した。
【００８７】以上、７人の被験者におけるＴＳ測定値は、歯肉乳頭においても辺縁歯肉においても、経時的な歯肉炎の変化に対応して有意な変化を示した。
【００８８】特に、７人のデータが、歯間乳頭、辺縁歯肉とも一定の分散幅を持ちながらも、プラークコントロールの中断により歯肉の炎症状態が進むにつれてΔｆがマイナス側にシフトしていくことは、歯肉の軟らかさが増していることを示している。
【００８９】また、プラークコントロール再開後には、Δｆはプラス側にシフトし、歯肉の硬さの回復傾向を示していると考えられる。
【００９０】また、歯間乳頭の方が辺縁歯肉より約１０Ｈｚ広い範囲で変化しながら、個体間でより大きな有意差を示していることは、元々軟らかい歯間乳頭の方が辺縁歯肉よりもさらに軟らかくなり易い可能性を示している。
【００９１】したがって、歯肉炎の状態を示すパラメータとしては、歯間乳頭の方がわかりやすく、炎症の有無の検証に適しているものと考えられる。
【００９２】以上の検討により、次のような結果が得られた。
【００９３】先ず、試作した触覚センサーの基本特性に安定性が認められた。また、触覚センサーの測定値は、経時的な歯肉炎の変化に相応して、有意な変化を示した。また、隣接面歯肉と辺縁は肉において群間に有意差が認められた。さらに、プラーク及び歯肉炎に対するインデックスと、触覚センサーの測定値には、経時的に類似した傾向と相関関係が認められた。
【００９４】これらの結果から、本発明の触覚センサーは、実験的歯肉炎に対する有用性が認められ、歯肉の炎症を対象とした定量的評価が可能であることが実証された。
【００９５】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発明の触覚センサーによれば、歯肉炎や歯周炎について定量的、客観的な測定が可能であり、且つ生体に非侵襲的で２次感染の虞れも皆無である。
【００９６】さらに、従来不可能であったインプラント周囲炎の診査にも応用可能である。歯肉炎、歯周炎と比較して、インプラント周囲炎の場合、炎症の波及速度が速いため、術後の定期的な診査は欠かすことができない。また、メンテナンス期に行う検査において、仮に炎症状態が軽度なものであっても、正確に把握できれば早期に対応することが可能となる。したがって、本発明の触覚センサーによるインプラント周囲組織における炎症の早期発見の意義は非常に大きい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９８０８１７８０
【氏名又は名称】藤井 誠一
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| 【出願日】 |
平成１０年６月１９日（１９９８．６．１９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６７７３６
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 晃 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−５１７０（Ｐ２０００−５１７０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１月１１日（２０００．１．１１） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−１７３４５９ |
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