一种牙科除垢系统

林剑华

超声牙周治疗仪是一款预防和治疗相结合的医疗器械，通过高频机械振动、空穴效应以及微声流力，驱动金属工作尖高效清除牙菌斑、牙结石，达到清洁、治疗、美白牙齿的目的，是口腔医院和牙科诊所必备的临床治疗设备。

关键词:超声牙周治疗仪

[中图分类号]R783[文献标识码]A[文章编号]1439-3768-（2019）-4-ZYM

目前超声牙周治疗仪的技术主要有2种，一种是基于磁致伸缩技术。它的优点是超声振动频率较高，舒适度也比较高，但磁致伸缩技术的工作效率相对较低，并且耗材成本比较高，不利于推广使用。另一种是压电陶瓷技术，压电陶瓷技术可以更高的效率，同时可以获得较低成本的耗材，比较利于市场推广，所以本文采用的是压电陶瓷技术来设计超声牙周治疗仪。

1功能要求

1.1工作尖振幅小于60微米

1.2工作尖材料硬度比牙釉质软

1.3实现频率自动跟踪

2技术特点

压电陶瓷技术是通过交变电流作用于晶体结构产生超声波振动，它的主要材料是陶瓷和石英盘，价格便宜，制作方便，不易老化，此前市场上的洁牙工作尖的材料普遍是不锈钢材质，其硬度为50～52HRC，与牙釉质硬度相当且高于牙骨质硬度，在洁治过程中可能会对牙釉质和牙骨质产生磨损，导致牙齿敏感。本文的设计的牙周治疗仪是基于30HRC的钛合金材料制作工作尖，并通过超声发生器和超声换能器的结合，得到一个完整的超声牙周治疗仪系统。

五工作尖设计

工作尖是口腔临床医生使用牙周治疗仪时的直接应用部分，其设计直接影响到牙周治疗仪的整体性能。本系统在设计初期做了大量的临床调查，根据医生临床的要求设计工作尖。同时，因为人类口腔的结构比较复杂，不同牙位间的差异性也很大，所以工作尖的设计需要多种形态。采用TC4钛合金制备的工作头，连接到压电陶瓷式的手柄上工作，由于工作头硬度低，振幅小，弹性好，临床效果大幅度提升，不会给治疗的患者带来疼痛不适的感觉，大大提高患者治疗时的舒适度。将TC4钛合金制备的工作头连接到压电陶瓷式的手柄上，适用性强，能获得很小的超声振幅。本系统设计的工作尖有多种形态和尺寸，能很好地满足临床的需求，但是复杂的形状带来谐振频率不稳定，功率要求不一致等问题，也对整改驱动系统带来很大的挑战。

3压电换能器设计

本系统换能器使用4片陶瓷片，前端为钛合金变幅杆，后端为不锈钢材质的主杆，主杆和变幅杆通过螺纹连接，把压电陶瓷片夹在中间。经过临床测试验证，这种结构新能稳定，而且可以很好地防止压电陶瓷片破裂。为了适应临床上高温高压的消毒要求，避免水蒸汽影响到换能器的功率，还应该在压电陶瓷片外面包裹一层塑料.

4电路设计

本系统中电路所要解决的技术问题是提供一种输出功率调节电路及超声波洁牙机输出功率调节方法，使得洁牙机在工作过程中可以根据需求调节其输出功率，使用便捷，用户可以根据不同的部位调节洁牙机的功率，达到最佳清洁效果。

经过反复测试研究发现，如果能改进超声换能器的机械结构设计和振荡频率搜索电路，有效提高超声换能器机电转化效率和超声机械振动传递效果，那么工作尖将持续产生振幅＜60μm、频率为28±3kHz圆弧形高频振荡，即工作尖在多个平面进行横向及纵向运动的模式，可将运动产生的能量分散到工作尖的各个面（正面、背面以及两个侧面），减弱直接作用于工作尖某个面的力量，工作尖的每个面都可以作用于牙面，并且不会对牙面产生较大的作用力，有效分散工作尖对牙齿的机械撞击力，达到无痛洁治的效果。因此，对超声换能器进行如下创新设计：传统的超声换能器主要由前端的变幅杆、中部的压电陶瓷、后端的主杆组成，我们在此基础上增加了一个超长的连接杆，连接变幅杆、主杆和外壳，连接杆前端与变幅杆后端的连接槽密封连接，连接杆的后端贯穿主杆，并伸出31mm，连接杆的直径为为3mm。连接杆与主杆之间通过螺纹密封连接；压电陶瓷套在连接杆上，并由一个特制的注塑结构包裹，压电陶瓷的前、后两端分别与变幅杆和主杆抵触连接，压电陶瓷与主杆之间装配有用于绝缘的铁氟龙刚性管。上述结构很好的保证了超声换能器在工作过程中的同轴度，机电转化效率明显提高。同时，振荡频率搜索电路通过自行编程的单片机自动跟踪锁定换能器谐振点，形成电能和机械能的高效转化系统。经检测，机电转化效率提升40%，很好的将超声机械振动效果传递到工作尖头部前端，持续产生振荡频率为28±3kHz、振荡幅度为20~60μm、半偏移力＜2N的圆弧形高频振荡，更有利于进行刮、磨、钻、根管荡洗等操作。另外，我们为提高产品输出功率的动态调节速度，实现智能动力输出，我们进行了恒流源电路开发，其设计如图2所示：

当压电陶瓷换能器在正常工作状态下，触碰到牙齿时，功率会因为外力的原因减小，此时电流减小，超声变压器T1的初级电流减小，则采样电阻R1的A点电压V=I•R1将会减小，此时LM2576的4脚反馈电压减小，则会通过将2脚的输出PWM占空比增大来加大输出电压，从而增大输出电流，让超声换能器的输出功率增加。同理，当换能器离开牙齿时，外界阻力消失，功率增加，电流增加，则采样电阻R1的A点电压V=I•R1将会增大，此时LM2576会通过减小2脚的PWM输出占空比来减小电压，从而起到减小换能器功率的作用，达到输出功率动态调节效果，实现智能动力输出，洁治效果明显提高。

结束语

本产品经口腔治疗中心等单位使用，医生反映产品洁治效率明显提高，患者反应洁治过程中及洁治后无酸痛感、洁治过程舒适，牙医反应劳动强度明显减轻，符合未来口腔医疗器械的发展趋势。

参考文献

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