Certec, Lunds Tekniska Högskola Projekt i Funktionshinder Universal Design VT 2001 - tandrengöring med ultraljud Josefina Brismar Ulrika Carlberg Michael Götberg Hans Lekeberg Linda Meiby Pierre Palm
1 Sammanfattning...3 2 Introduktion...4 2.1 Tack till följande personer...4 3 Beställning...5 3.1 Problemställning/Mål...5 3.2 Funktion...5 3.3 Begränsning...5 4 Målgrupp...5 5 Designmetodik...6 6 Metod...7 6.1 Designbrief...7 6.2 Funktionsanalys...8 6.2.1 Tandteknisk funktionsanalys...8 6.2.2 Funktionsanalys med fokus på generell användbarhet...8 6.2.3 Funktionsanalys med fokus på lösningar på eventuella kognitiva problem....8 6.2.4 Funktionsanalys med fokus på lösningar på eventuella problem som kommer med ett rörelsehinder....8 6.2.5 Funktionsanalys med fokus på produktens utstrålning....8 6.2.6 Funktionsanalys, övriga funktioner...9 6.3 Sammanfattning av möte med tandläkare...9 6.3.1 Munhygien...9 6.3.2 Problemställning...9 6.3.3 Reflektioner kring lösningar...10 6.3.4 Reflektioner kring tänkbara metoder att göra användartester...11 7 Teknisk lösning...11 7.1 Vad är ultraljud?...11 7.2 Bakgrund...11 7.3 Varför rengör ultraljud?...12 7.4 Ingående komponenter i ultraljudsrengöring...12 7.4.1 För att kunna generera ultraljud behövs en rad komponenter...13 7.5 Biologiska aspekter...14 7.6 Upplevelsen av ultraljudsrengöring...15 7.7 Slutsats...15 7.8 Analys och design av prototyp...15 8 Laboration/Försök på tänder...15 8.1 Bakgrund...15 8.2 Testmetod...16 8.3 Utförande...16 8.3.1 Gris-test...16 8.3.2 Ko-test...19 8.4 Diskussion...20 9 Skisser och modeller...21 10 Motivering av gjorda val i designprocessen...24 11 Användartest...24 12 Diskussion och slutsatser...25 13 Bilaga 1: Mindmap...26-2 -
1 Sammanfattning Uppgiften var att söka en lösning på människors svårigheter med tandhygien. Det fanns flera möjliga lösningar att tillgå, t.ex. ultraljud rengör med noggrannhet och effektivitet. Vi blev intresserade av detta och valde ultraljud som ett alternativ att vidareutveckla. Efter samtal med experter och experiment med riktiga tänder kunde det fastslås att idén med ultraljudsrengöring varken var orimlig eller omöjlig att förverkliga. Problemet med teknik som används på nya sätt är att det finns få etablerade experter på det nya området som uppstår. Arbetet har resulterat i ett produktförslag vars grundläggande koncept bygger på ultraljud som sänds från en bettskena mot tänderna som på så sätt rengörs. Vågorna rör sig i en flourberikad gel som ligger mellan bettskenan och tänderna. Ultraljudsvågorna har egenskapen att kunna tränga in mellan tänderna för att verkligen rengöra grundligt. Fler experiment måste genomföras för att säkerställa metodens utförande och produktionsdetaljer. Uppslaget har mottagits med uppskattning av tandläkare. Om produkten och tekniken kan utvecklas till en färdig produkt så kan bli en framgång med både landsting och privatpersoner som kunder. - 3 -
2 Introduktion Individer med kognitiva svårigheter möter många problem i vardagen som kan vara svåra att förstå för dem som inte lever på samma villkor. Ett sådant problem är tandhygien. Det kan vara svårt för en person med kognitiva begränsningar att veta hur länge och ofta tänderna ska borstas samt att man verkligen ska borsta tänderna. Att hela munnen ska borstas och inte bara de delar som är lätta att komma åt är inte alltid självklart. Vikten av noggrann tandrengörning förstås inte av personer med vissa funktionshinder och därmed inte heller konsekvenserna av brister däri. Resultatet blir att munhygienen blir eftersatt vilket inte enbart orsakar problem för individen utan även kostar samhället stora summor skattemedel. Problemet med bristande munhygien är inte begränsat till människor med kognitiva svårigheter utan berör dem som har motoriska svårigheter. En produkt som så gott som garanterar rena tänder bör ha en stor marknad bland majoriteten av befolkningen. Ett hjälpmedel som tillåter ett ökat oberoende och minimerar problemen med munhygien skulle öka livskvaliteten hos ett stort antal individer. 2.1 Tack till följande personer Professor Hans W Persson vid Institutionen för elektrisk mätteknik, LTH, Lund Björn Breidegard, TeknL, universitetsadjunkt, Certec, LTH-ansvarig för projektet Leif Alenmyr, tandläkare, Lund Bengt Götrick, tandläkare, Malmö Morten Bergström, Industridesigner, Zenith design, Malmö Bengt Göttrik har varit sjukhustandläkare och nu har administrativa uppgifter och är forskningsintresserad. Leif Alenmyr är tandläkare på Norra Fäladen och är intresserad av att alla människor blir bättre på att själva sköta sina tänder. Projektet presenterades för oss av Björn Breidegard, TeknL, universitetsadjunkt, Certec, LTH, som sedan har varit aktiv handledare och projektansvarig under hela arbetets gång. Eftersom området innebar en stor ovisshet för vår del började vi med att ha träffa två tandläkare, Leif Alenmyr och Bengt Götrick. Båda var de specialutbildade inom området för personer som har behov av ytterligare hjälp. De var mycket hjälpsamma och svarade på alla våra frågor. Vi utgick från de här kunskaperna som vi hade förvärvat oss för att söka vidare efter den ultimata lösningen. Det spår som vi fastnade för krävde expert hjälp om ultraljud. Därför tog vi kontakt med Hans W Persson som är Professor vid Institutionen för elektrisk mätteknik, LTH. Han stöttade oss och vi fick hjälp med att utföra laborationer på deras institution. Samt att han redogjorde för vad ultraljud är och diskuterade med oss kring våra eventuella lösningar. Vi återkom till honom vid flera tillfällen och vi vill verkligen tacka för lånet av ultraljudutrustningen. När vi började närma oss något intressant och en eventuell lösning till det givna problemet sökte vi upp Leif Alenmyr igen för att visa upp och verifiera våra idéer och även för att få hjälp med modellbygget. Förutom den stora tacksamhet vi känner inför de här personerna har vi även fått hjälp av Morten Bergstöm, Industridesigner, Zenith Design, som vid två tillfällen har varit med och handlett och delat med sig av sina åsikter och yrkesskicklighet. Utan dessa hjälpsamma personer hade det praktiskt taget varit omöjligt att genomföra projektet. - 4 -
3 Beställning Detta är en kortfattad sammanfattning av hur vi upplever att vår beställning ser ut. Eftersom vi känner att vi behöver mer bakgrundsinformation för att kunna arbeta fram en tillfredsställande lösning på uppgiften är funktionen inte helt specificerad. 3.1 Problemställning/Mål Att utveckla ett hjälpmedel som tillåter människor med funktionshinder att så självständigt som möjligt skapa/bibehålla god munhygien. 3.2 Funktion Att skapa/bibehålla god munhygien. 3.3 Begränsning Den främsta målgruppen i detta skede är människor med kognitiva funktionshinder eller rörelsehinder, som klarar av det mesta i sin vardagliga skötsel självständigt eller med hjälp av sin assistent. En del av lösningarna skulle kunna hjälpa målgruppen genom t.ex. automatisk tandtvätt, spray, tablett o.s.v. Krav: Måste kunna rengöra tänderna lika väl som dagens tandborstar kan. Vilken främst innefattar avlägsning av bakterier och matrester från mellanrummen mellan tänderna och vid tandköttskanterna. Får inte vara dyrare än att alla med behov kan skaffa sig den. 4 Målgrupp Målgruppen för denna produkt är egentligen alla människor som behöver en god munhygien. Vi förutsätter att användaren har tänder. Denna grupp av användare är nästan hela befolkningen undantaget de minsta barnen och den äldre delen av befolkningen. Denna grupp är otroligt varierad men det är också en styrka att kunna täcka in så många som möjligt eftersom produktionsvolymerna då blir stora och priset följaktligen lågt. Men för att den tekniska lösningen inte skall bli för specialiserad måste begränsningar införas. Det första steget är att strukturera användarna för att se vilket spektrum av behov som finns. Den normala användaren skall självklart vara en målgrupp men frågan är vilken grad och typ av funktionshinder som skall tillåtas. Vi betraktar funktionshinder från kognitiva- och motoriska perspektiv som en grov skiss där användaren ofta har kombinationer av funktionshinder från dessa båda perspektiv grupper. För de kognitiva funktionshindren blir det mest en fråga om problem med handhavandet av produkten d.v.s. om apparaten används på fel sätt, för ofta och tillräckligt ofta. Vårt mål är att - 5 -
apparaten skall vara så enkel som möjligt och kontrollera rengöringsprocessen så fullgod hygien erhålles. Dock får vi initialt begränsa hur svåra kognitiva handikapp som tillåts. Apparaten kräver att gel appliceras i skenan för att den skall gå att använda och eftersom detta är viktigt får den inte användas av personer som kan glömma detta, utan övervakning. I framtiden kan kanske en gelpump installeras som säkerhetsställer geldistribution. Angående överanvändning så kan det lätt installeras en timer som helt enkelt gör att den bara kan användas vid olika tidpunkter eller med ett visst intervall. Funktionen finns dock inte med denna version så förutsätter vi att användaren inte överanvänder den. Med den mer avancerade timermodellen så kan de dock lätt täckas in i framtiden. Att säkerhetsställa tillräcklig användning är ett svårt problem och här får nog kognitiva artefakter konstrueras individuellt för varje användare med kognitiva motivations- eller minneshinder. Vi begränsar oss till användare som kommer ihåg att använda apparaten. Flera hjälpmedel för att motivera användandet föreslogs men de blev helt enkelt för individuella för att kunna ingå i produkten. Kognitiva funktionshinder relaterade till sinnena d.v.s. icke seende och icke hörande skall inte påverka användningen. För de motoriska handikappen så kan problemen delas in i grepp och tillgänglighet. Vi förutsätter att användaren kan hålla i apparaten själv och applicera kontaktgel själv. Apparaten är konstruerad för att underlätta för personer med dåligt grepp. En ställning som håller apparaten kan lätt konstrueras i framtiden. Kanske en som går att fästa i handfat så att den går att ta med. Vidare får nog geldispensären anpassas till användare som kan ha svårt att ta av korkar och har svårt att klämma. Men detta är inget olösligt problem och tillgängliga hjälpmedel för tuber kan användas. Slutsatsen blir att är konstruerad för de flesta användare även de med funktionshinder. Initialt har vi dock fått begränsa oss men har hela tiden haft de med mer allvarliga funktionshinder i åtanke och vi har funderat mycket på lösningar till dem men fann att vi fick koncentrera oss på den grundläggande funktionen först. 5 Designmetodik Designprocessen började med ett flöde av idéer, mer eller mindre genomförbara. Utifrån uppslagen som framkom under brainstormingfasen definierades problemet: det finns en svårighet med användning av vanliga tandborstar då det inte garanterar komplett rengöring, saknar tidsangivelser samt kräver motoriska färdigheter hos användaren. En funktionsanalys och en brief formulerades. Informationssökning var nästa steg i processen. Faktainsamling på internet och samtal med tandläkare och experter inom ultraljudsområdet konsulterades. Efter att fakta samlats in och problemet formulerats började den experimentella fasen. Ultraljudsexperiment på griständer samt kotänder med hjälp av experter på ultraljud fick pröva hypotesens verklighetsförankring. Resultatet av laborationerna föreslog att ultraljud mycket väl kan användas för att rengöra tänder genom att ta bort plack och tandsten. Ytterligare konsultation med tandläkare efter experimenten fastställde val av lösning i projektet. - 6 -
Skissarbetet som pågått kontinuerligt under projektets gång konkretiserades och ett förslag framträdde där tekniken och nödvändiga komponenter ingick. Efter skissens huvudidé slutfördes prototypbygget. 6 Metod Några av förslagen presenterade i brainstorm-form (vidare bakgrundsmaterial och undersökningar krävs). T.ex. sköljmaskin, bettskena som rengör tänderna genom kemisk reaktion, sköljning med speciellt medel, lek/minnesramsa som hjälper personen att borsta med tandborste med tillfredställande resultat, elektrisk tandborstmaskin, DiaPlack ( röda tabletter som färgar tänderna röda där bakteriebeläggning finns); tandkräm/ tandborste som växlar färg, tandkräm med god smak, veckolack, spray o.s.v. (se mindmap, bilaga 1) En fundering vad gäller gruppen lindrigt kognitionshindrade: Den bästa lösningen borde vara att utveckla ett sätt för dem att självständigt kunna klara av att borsta tänderna med vanlig tandborste och ändå uppnå önskvärt resultat, varför vi bl.a. jobbar med idéer som att uppfinna minneslek eller annat kognitivt hjälpmedel som komplement till den vanliga tandborsten, alternativt belöningssystem som lockar och vägleder till rätt användning. Efter val lösning på problemet gjordes en designbrief. 6.1 Designbrief Designbrief skrivs för att kunna tackla problemet ur mindre inskränkta synvinklar. Grundfunktion hjälpa användaren att upprätthålla god munhygien. Brukarens personlighet kan ju variera mycket i detta fall men alla har ju behov av att vara rena i munnen. Produktens personlighet skulle kunna liknas vid den schysstaste läraren på högstadiet som alla tyckte om och fick bra hjälp av, eller så kan den vara mer som en robot som bara finns till utan att ifrågasätta det och bara göra sitt jobb. Den kan också vara både och. Oavsett vilken så måste den vara snäll, försiktig, pålitlig, målmedveten, trevlig, proffsig, förtroendeingivande, tydlig, intressant och kanske till och med rolig. Produkten kommer att vid användandet upplevas som om den kittlar, smeker, gnuggar, blåser, sprutar, borstar, vibrerar? Den kanske surrar, piper, väser, susar och sjunger? Och smakar mint, fräscht, surt, jordgubbar eller ingenting? Kanske luktar den också? Och i så fall rent? Mint? Den tekniska kvaliteten hos produktens helhet bör befinna sig i balans mellan pålitlig hightech och extrem användarvänlighet. - 7 -
6.2 Funktionsanalys HF= Huvudfunktion N= Nödvändig Ö= Önskvärd 6.2.1 Tandteknisk funktionsanalys. Upprätthålla god munhygien (HF). Rengöra mellan tänderna (N). Polera tänderna (N). Stimulera salivproduktion (Ö). 6.2.2 Funktionsanalys med fokus på generell användbarhet. Erbjuda lättillgänglighet (N). Det ska vara lätt att använda produkten. Erbjuda säkerhet (N). Man ska inte kunna skada sig på produkten. Minimera spill (Ö). Hjälpa brukaren att undvika att spilla. Minimera tidsåtgång (Ö). Det ska gå snabbt att utföra rengöringen. Erbjuda behaglig temperatur (Ö). Produkten ska vara lagom varm eller kall. Erbjuda taktil behaglighet (Ö). Produkten ska vara skön att ta på. Smaka och lukta gott (Ö). Låta bra (Ö). Produkten måste ge rätt sorts ljud ifrån sig. Tåla klåfingrar (Ö). Det får inte finnas ömtåliga delar på produkten. 6.2.3 Funktionsanalys med fokus på lösningar på eventuella kognitiva problem. Se till att produkten används rätt (N). Det ska inte gå att göra fatala fel. Se till att produkten används tillräckligt länge och ofta (N). Minimera uppkomst av glidande bedömningar (N). Minimera antal moment (N). Erbjuda tydlighet (N). Produkten ska vara lättförståelig. Uppmuntra till användning (N). Motivera brukaren genom t.ex. belöning. 6.2.4 Funktionsanalys med fokus på lösningar på eventuella problem som kommer med ett rörelsehinder. Medge helautomatik (Ö). Produkten ska kunna användas utan fysisk insats. Anpassa till rörelsebegränsningar hos brukaren (Ö). Erbjuda alternativ till grepp (Ö). För dem med dålig eller ingen möjlighet att greppa t.ex. en spak. 6.2.5 Funktionsanalys med fokus på produktens utstrålning. Utstråla renhet (N). Produkten måste se hygieniskt ren ut. Utstråla enkelhet (N). Produkten måste se ut att vara enkel att använda. Utstråla tillförlitlighet (N). Utstråla mjukhet (N). Brukaren får inte bli rädd för att använda produkten. - 8 -
6.2.6 Funktionsanalys, övriga funktioner. Erbjuda självrengöring (Ö). Vara slitstark (Ö). Vara stryktålig (Ö). Vara billig för konsument (Ö). Uppfylla standardkrav (Ö). Produkten måste t.ex. vara S-märkt. Erbjuda tandkrämsportionering (Ö). Inklusive förvaring av tandkräm. Minimera underhåll (Ö). Erbjuda indikatorer (Ö). Produkten bör visa när man t.ex. ska fylla på tandkräm. 6.3 Sammanfattning av möte med tandläkare 6.3.1 Munhygien Man borstar tänderna för att få bort och motverka bakterier, som i sin tur leder till kariesangrepp och därmed hål i tänderna. Bakterierna lever på matrester och därför går det att svälta ut bakterierna genom att exempelvis inte äta för mycket socker. Munnens salivproduktion har även en stor betydelse, eftersom saliven spolar bort matrester och dess syror neutralisera ph-värdet. Saliven rinner hela tiden i ett ständigt flöde. Tandsten är förkalkade beläggningar som inte är farliga i sig. Däremot har bakterierna en benägenhet att fastna i beläggningarna och leda till tandlossning. Att stimulera tandköttet, genom massage, är inte något som är viktigt i sig, utan snarare ett pedagogiskt grepp från tandläkarna för att uppmana till att borsta de mest utsatta partierna mellan tand och tandkött. Ytterligare partier som är utsatta för misskötsel är mellanrummen mellan tänderna. De här områdena missköts ofta och främst kanske för att det är svårt att komma åt och därmed lätta att slarva med. Bakterier etablerar sig inte särskilt snabbt, utan det tar ungefär 24 timmar. Därför rekommenderas tandborstning två gånger per dag och under några minuter. Kring frågan om det går att borsta för mycket är snarare problemet att man använder för hårda tandborstar, vilket i värsta fall kan leda till gropar i tänderna. Tandläkarna rekommenderar mjuka tandborstar. Att äta rätt, att borsta tänderna, använda tandtråd och skölja med fluor är den ultimata lösningen för att sköta sin munhygien. I dag finns även kemiska lösningar med bakteriedödande substanser som hjälpmedel. Ett exempel på en tandborste som finns på marknaden är en med borstar åt båda håll, där stråna är i en vinkel för att rengöra de mest utsatta områdena. Den bevisat viktigaste ingrediensen i tandkräm är fluor. Fluor förstärker mineralisationsprocessen och man har ingen nytta av det som sväljs ner, utan det är själva processen och dess effekt i munnen som är det väsentliga. Att tugga tuggummi sätter igång salivproduktionen, men att bara använda tuggummi är inte tillräckligt i sig. Det finns en psykologisk effekt av att vara ren och frisk om tänderna. Att komma ihåg beträffande målet att uppnå en perfekt lösning: Det är bättre att uppnå en förbättring på 10% än ingen alls. 6.3.2 Problemställning Tandläkarna visade stor optimism inför vår uppgift, och anser det vara ett stort och viktigt problem. Det kan vara en mycket komplicerad och svår uppgift att få människor att borsta tänderna. Det finns förmodligen en stor marknad med många intressenter, som en följd av att - 9 -
dagens tandvårdskostnader är relativt höga. I allmänhet borstar man dock tänderna tillräckligt och de problem som är mest markanta är att komma åt mellan tänderna, långt bak och vid nedre delarna av tänderna i mellanrummet mellan tanden och tandköttet. Ett annat problem kan också vara att man inte vet om man har hållit på tillräckligt länge även att man borstar bara ena sidan av munnen. Ett positivt inslag på marknaden är att eltandborstarna har kommit till. De har gjort att fler överhuvudtaget borstar sina tänder eller tillräckligt ordentligt. I jämförelsen mellan vad som är värre: småäta eller att inte borsta tänderna, sågs småätningen som det största problemet. En annan jämförelse som gjordes var mellan att använda tandtråd eller tandstickor. Det som upplevdes som positivt med tandstickor är att det tar mindre tid än tandtråd och bara en hand behöver användas. Här följer en sammanfattning av de delproblem som vi har att ta i tu med. Karies (förhindra bakterierna) Avlägsna rester av mat Avlägsna rester av mat både på tänderna och mellan dem 6.3.3 Reflektioner kring lösningar Rikta in sig på att hitta en enklare och mer tilltalande metod än användning av tandborste Skedar, skenor som är individuellt specialanpassade efter tänderna. Tugga på något Rikta in sig på att göra något som löser problemet med att komma åt mellan tänderna och i mellanrummet mellan tand och tandkött Får inte vara för vasst och måste vara lätt och smidigt. Klarar man att automatiskt rengöra mellan tänderna, så har man troligtvist också löst det andra problem. Är det här en inriktning vi kan ta? Att utveckla en skräddarsydd bettskena, som stoppas in i munnen. Den skulle bestå av en slags förlängning, som sticker ut genom munnen. Där i skulle det vara möjligt att spruta i de medel som behövs. Leif såg detta som en positiv lösning, som han skulle kunna använda på sina patienter som inte vill få tänderna borstade. Det skulle då kunna gå att hålla ett avstånd till dem under utförandet och inte bli för närgången, då de ryggar tillbaka. Skenor är något som ansågs vara kostnadseffektivt och att göra själva avtrycken är inte heller direkt något dyrt. Vi skulle kunna få hjälp av dem att testa idéerna kring det här. Vi diskuterade även att spola rent tänderna med hjälp av högtryck. Något som de trodde kunde bli lite för tekniskt och komplicerat. Tandrengörning måste vara något enkelt, som det ändå är att använda en tandborste. Lösningen bör alltså närma sig den enklaste möjligaste metod för att rengöra tänderna. Genom att bara spola kan det även vara svårt att göra riktigt rent. Vi talade om en högtryckstvätt, som innehåller både vatten och tandkräm som ett alternativ. Det rekommenderades oss inte heller att använda starka medel. Att på något vis prova att använda sig av ultraljud? Ett slags ultraljudsbad? En skena som kapslar in tänderna i en bassäng av gelé och ultraljud. Från den här skenan skulle gelén kunna sugas ut igen. Varför inte utveckla en virtuell tandborste som gör hela - 10 -
jobbet av sig självt? Det är en lösning som faktiskt, enligt dem, skulle kunna funka rent kostnadsmässigt. Bakteriedödande lack, som skulle kunna gå att använda varje dag. Stoppa in en slags tuggummiliknande massa som bakterierna fastnar i. Att försöka utveckla en mer konformig borste som kommer ordentligt åt i mellanrummen. En annan variant är en slags stor kula, som förs runt med hjälp av en borste. Går det att använda elektricitet eller strålning? En fundering som kanske kan vara tänkvärd är att det under kriget var bättre tandhygien. Hur kommer det sig? Det finns stammar i Afrika som använder stickor av trä för att gnugga tänderna. Finns det någon inspiration att hämta därifrån? Sammanfattningsvis vill vi gärna se något alternativt, som både skulle kunna innefatta lösningar kring kognitiva och motoriska problem. Därefter bli möjligt att tillämpa för alla. 6.3.4 Reflektioner kring tänkbara metoder att göra användartester Tandläkarna var mycket positiva till att fortsätta engagera sig i vår uppgift. De hjälper gärna till med att svara på ytterligare frågor och material som vi kan tänkas behöva använda i våra kommande tester och modellbygge. En eventuell test metod skulle vara att: Använda oss av testpersoner som låter bli att borsta tänderna på två dagar, äter godis, spolar munnen med ett medel som blir rött, där bakterierna finns. Sedan rengörs tänderna med den alternativa metod som vi har tänkt oss. Är vårt resultat bättre än rengörning med vanlig tandborste? Simulera användningen på gamla tänder? Vi diskuterade även att använda oss av djurkäkar på något vis och då exempelvis: griständer. 7 Teknisk lösning 7.1 Vad är ultraljud? Ultraljud akustiska svängningar med så hög frekvens (högre än 20 khz) att de inte uppfattas av det mänskliga örat. Ultraljud genereras i en piezogivare, i vilken en kristall kommer i svängning när en elektrisk växelspänning får påverka den 1. Användningsområdet är väldigt stort med tillämpningar t.ex. inom medicinsk bilddiagnostik till rengöring och teknisk material kontroll. Vid ultraljud uppkommer än mängd intressanta fenomen och det forskas mycket över hela världen. 7.2 Bakgrund Vi hade en idé om att ultraljud kan användas för rengöring av tänder. För att utröna detta gjorde vi en serie experiment. Resultaten från experimenten var mycket lovande. 1 Nationalencyklopedin - 11 -
Frågan är alltså hur man går från ultraljudsbad till en rengöringsprocess i munnen. Detta ställer helt andra krav på tekniska lösningar. Vi har försökta att identifiera problemen och göra rimliga antagande om vad som är möjligt. Området som sådant är väldigt outforskat och inte ens inom Sveriges gränser finns det tillräcklig kompetens inom området för att skapa en helt färdig produkt. Så vårt mål är att utröna om det ens är möjligt och ge ett grovt förslag om hur en lösning skulle kunna se ut. 7.3 Varför rengör ultraljud? Den fråga har flera svar enligt expert och litteratur vi rådgjort med och det beror på exakt hur ultraljudet används. I vanlig tandrengöring med ultraljud är det t.ex. vatten som slås sönder till en aerosol som slår bort tandsten. I vårt fall är det snarare kavitetsbubblor som rengör. När amplituden blir tillräckligt stor börjar vätskan kavitera d.v.s. det bildas bubblor av vakuum. När dessa sedan imploderar frigörs energi som bildar en explosions liknande effekt som har mekanisk verkan på ytan av tanden och slår bort smuts. Troligtvis har ultraljudet också fler effekter än detta men detta måste undersökas med utrustning som ej stod till buds för oss. Under experimentet kunde bubblor i vattnet observeras. 7.4 Ingående komponenter i ultraljudsrengöring För att gå från den rengörande effekten i ett ultraljud bad till en fungerande modell som kan användas av människor krävs det en oerhörd tid och svar på en mängd frågor eftersom helt ny forskning måste bedrivas. Vi försöker i alla fall strukturera problemen för att se om det i alla fall finns en möjlighet att lösa det. Ultraljudsbadet består av ett piezoelement med en tillhörande förstärkare. Elementet är kopplat till ett bad där man kan lägga ting för rengöring med vatten som kontaktmedium. Elementet är kopplat till en metallplatta för att transporteras ut i badet. Figur 1 Ultraljudsbad - 12 -
Ultraljudsbadet vi använde hade ett element som svängde med 40 khz och var placerat i botten av badet. Den maximala effekten på ultraljudsbadet var 170 W. Den rengörande effekten kunde observeras på den lägsta effekten 34 W. Figur 2 Skiss över ultraljudsbad Om den rengörande effekten kunde uppnås vid andra frekvenser kunde inte avgöras men enligt material och expert så skulle lösningen ligga i samma magnitud. Detta är dock något som det måste forskas vidare på men det borde vara helt möjligt. Vid dessa frekvenser når också ljudet överallt på tänderna medan en högre frekvens är mer riktad. Eftersom vi inte kunde gå lägre än 34W så vet vi inte hur lågt ned vi kan gå men bibehållen rengöring. Den rengörande effekten beror också på mediet och avståndet till givare. 7.4.1 För att kunna generera ultraljud behövs en rad komponenter Piezoelementet Piezoelementet tillverkas vanligen av blyzinkkronattitanat (PZT) som är ett konstgjort material. Detta sintras och format till ett element och bränns i en ugn vid 1000 grader till en keram. Sedan slipas det och kontakttrådar läggs på. - 13 -
Elementet hettas upp samtidigt som en spänning läggs på. Då orienteras dipolerna i strömmens riktning. Elementet får sedan svalna och dipolerna fastnat i den riktningen. När sedan en spänning läggs över och dipolerna försöker reorientera sig uppkommer en mekanisk rörelse, en expansion eller kontraktion. Läggs en växelspänning över elementet börjar det svänga. Vid vissa frekvenser blir svängningarna kraftiga p.g.a. resonans. Denna resonans frekvens beror av elementets tjocklek och svängningsmassa. Tillverkning av piezoelement är en oerhört komplicerad vetenskap som endast ett fåtal företag i världen gör. Enligt expert så krävs det förmodligen en specialkonstruktion för detta ändamål och han sa efter att studerat ultraljud i 20 år att det förmodligen inte finns någon i Sverige som kan göra det. Förstärkare För att driva piezoelement behövs det ganska komplicerade förstärkare som är specialanpassade för detta ändamål. Piezoelementen är ganska svårdriven last. Metallplattan För att kunna generera en bra frekvens så ansluts ofta piezoelementet till en metallplatta som förändrar elementets massa och därigenom dess svängningsfrekvens. Hela elementet fungerar då som givare. Elementets utseende är mycket viktigt eftersom variationer i tjocklek och utformning kan generera amplitud skillnader. I litteraturen såg vi exempel på där plattor utformade så att de maximerade amplituden till en viss punkt så att man kan svetsa med den. Vidare får plattan inte vara för utsträckt. Exakt hur den får se ut är extremt komplicerat att veta och är förmodligen föremål för ett par års forskning. Kontaktmedium Ett kontaktmedium är mycket viktigt för att transportera vågor. Finns det luftbubblor så uppkommer totalreflektion och ingen rengöring sker. I ultraljudsbadet används vatten som kontaktmedium men i vår applikation måste det vara mer visköst. En noggrann undersökning av hur gel fungerar istället för vatten måste göras. Förmodligen kaviterar det inte alls på samma sätt som vatten. Olika komponenter i gelen kan också tänkas ha en positiv effekt t.ex. granulat som ökar den mekaniska verkan och fluor för att skydda tänderna. 7.5 Biologiska aspekter Den biologiska effekten av ultraljud är väldigt svår att utröna eftersom den beror på så många olika faktorer bl.a. hur mycket effekt som transporteras till vävnaden. Men det borde vara fullt möjligt då ultraljud förekommer i en mängd olika tillämningar. Penetrering in i vävnad skall försöka undvikas så att ultraljudet verkar lokalt på tänderna. Hur mycket som penetrerar och vilken effekt det har kan inte avgöras annat än med riktiga biologiska experiment som ligger utanför vår kompetens. Vidare kan uppvärmning av vävnad ske dock så uppkom inga mätbara sådana i ultraljudsbadet. Långtidseffekter av exponering måste också utforskas ordentligt. - 14 -
Påverkan av plomber och andra material som bryggor i munnen kunde inte testas och får bli fall för vidare undersökning i ett fortsatt skede. Vad som händer när man saknar vissa tänder är ett problem som kan möjligen lösas vid konstruktionen av bettskenan då hålrummen fylls ut med protesen så att ultraljudsstrålning inte tränger in i vävnaden. 7.6 Upplevelsen av ultraljudsrengöring Vi kunde förnimma vibrationer och ljud från ultraljudsbadet. Hur dessa upplevs i munnen kan vi dock inte veta något om. Förmodligen skapar de dock en del obehag men är kanske något man kan vänja sig vid. Tandborstning skapar också ett starkt obehag som de flesta barn dock överkommer. 7.7 Slutsats Det måste göras mycket mer avancerade experiment där man först ser exakt vilka frekvenser och effekter som krävs på en riktig installation. En modell av ett huvud med tänder måste byggas och en bettskena måste testas för att se fysikaliska och biologiska effekter som uppkommer. Därefter måste frågan om bilogisk acceptans utforskas. 7.8 Analys och design av prototyp Vi antog en prototyp där plattorna med pizoelement sitter monterade i en bettskena, se figur 23. Tänderna får inte röra vid plattorna. Plattorna måste ha direktkontakt med mediet. Piezoelementet måste sitta fästa vid plattan. Förstärkaren finns utanför. Sladdarna skall inte kunna bitas av. Gelen måste läggas i rikligt som tandkräm innan apparaten används. Vi gjorde skenan enkelsidig eftersom man måste kunna andas genom munnen under användning. Detta kanske kan lösas med en skena med hål i eller som är ledad. 8 Laboration/Försök på tänder 8.1 Bakgrund Vi ville kontrollera hur effektiva olika metoder för att ta bort bakteriebeläggningar var. Eftersom vi undersökte ultraljud hade vi ingen möjlighet att testa på levande organismer så vi beslöt att använda icke-levande organiskt material. D.v.s. käkar från gris och ko. Vi utvärderade resultaten genom att färga tänderna med DiaPlack som är en substans som färgar ytan röd vid förekomst av bakterier. Resultaten inspekterades visuellt och - 15 -
dokumenterades genom digital fotografering. De metoder vi jämförde var normal tandborstning, spolning och ultraljud. Figur 3 Ultraljudsbad Figur 4 Hans, professor på ELMÄT Vi testade alla dessa metoder i ultraljudslabbet på Institutionen för Elektrisk Mätteknik (ELMÄT) med vänlig hjälp och assistans av professor Hans Persson. 8.2 Testmetod Djurkäkar med tandkött användes istället för enskilda käkar för att kontrollera rengöring i tandköttsfickorna och mellan tänderna samt påverkan på vävnad. Djurkäkarna borstades med tandkräm först för få samma förutsättningar för de olika testen. Sedan penslades de med en sockerlösning och fick ligga för att bakterierna skulle bildas. Tänderna färgades sedan med DiaPlack där en tydlig förekomst av bakterier kunder konstateras. Detta upprepades med de olika metoderna. Första försöken gjordes med griständer som dock inte var så lika människotänder, men även om en effekt kunde anas så gjorde vi om testet med kotänder som är mer lika människotänder. För att ultraljudsbadet skall fungera behövs vatten som kontaktmedium. För att inte kontaminera badet med organiskt material så användes en bägare av glas i vilken testobjektet fanns som flöt omkring i ultraljudsbadet. Bägaren fungerade som en dämpare av effekten också men enligt Hans är det svårt att uppskatta hur mycket som penetrerar glaset. Vi testade med två effektvärden 20% (lägsta inställningen) och 50% för att se om skillnader kunde observeras. Speciellt var vi också intresserade av om en temperaturökning kunde observeras och om synliga skador uppkom. 8.3 Utförande 8.3.1 Gris-test Först preparerades och användes griständer eftersom dessa var lättast att införskaffa. Tänderna såg annorlunda ut än mänskliga tänder och var väldigt små och gropiga. Inga hörntänder förekom bland våra testtänder. Vi börjande med att borsta griständerna med tandkräm för att sedan lägga dem i en sockerlösning för att få en bakteriebeläggning på tänderna. - 16 -
Figur 5 Borstning av griständer Figur 6 Griständerna ligger i sockerlag Därefter målades dessa med DiaPlack för att urskilja bakteriebeläggningen. Figur 7 Pensling med DiaPlack Figur 8 Färdiga tänder för testning - 17 -
Figur 9 Närbild på tänder som är klara för testning Spoltest Tänderna spolades under ljummet vatten i två minuter. En viss renande effekt kunde kanske observeras men infärgningen blev kraftig när den gjordes efter avslutat spolning. Figur 10 Sköljning av tänder mha enbart vatten Tandborstning Tandborstning i 2 min med tandkräm gav utmärkt resultat med avsaknad av infärgning efter utfört test. - 18 -
Ultraljudsbad Tänderna testades på både 20% och 50% av maxeffekt under två minuter med liknande resultat från båda. Tänderna var svåra ett inspektera eftersom de var extremt gropiga men visst positivt resultat kunde observeras. Den röda infärgningen försvann efter behandling. Inga temperaturförändringar eller synliga skador på vävnad kunde observeras. Den gropiga tandytan gjorde det svårt att avgöra om det verkligen var helt borta vilket innebar av vi beslutade oss för att göra om testet med större tänder från ett annat djur. Kotänder införskaffades från SCAN i Kävlinge. 8.3.2 Ko-test Likadana förberedelser som för griständerna gjordes. D.v.s. borstning av tänderna med tandkräm och bakteriebeläggning skapades med sockerlösning och applikation av Snickers. Figur 11 Tandborstning av kotänder Tänderna färgades in med DiaPlack med tydlig förekomst av bakteriebeläggning. Figur 12 Kotänder med bakterieinfärgning. Kotänderna var större och slätare så reningseffekten var lättare att dokumentera. Kotänderna såg ut som människotänder fast större. Spoltest Tänderna spolades under ljummet vatten i två minuter. En viss renande effekt kunde kanske som i testet med griständer observeras men infärgningen blev kraftig när den gjordes efter avslutatad spolning. - 19 -
Tandborstning Tandborstning i två minuter med tandkräm gav samma utmärkta resultat som med griständer med avsaknad av infärgning efter utfört test. Ultraljudsbad Tänderna lades i bägaren som nedsänktes i ultraljudbadet. Figur 13 Kotänder i ultraljudsbad Figur 14 Närbild av tänder under ultraljudsexponering med tydliga kavitetsbubblor. Tänderna testades på både 20% och 50% av maxeffekt under 2 min med liknande resultat från båda. En klart rengörande effekt kunde konstateras och avsaknad av infärgning sågs. Vidare syntes de rent visuellt att tänderna var rena. Figur 15 Rena kotänder utan infärgning Inga temperaturförändringar eller skador på tandkött kunde konstateras. Resultatet verkar vara positivt. 8.4 Diskussion En potential för tandrengörning med ultraljud kunde klart konstateras. Noggrannare experiment måste dock göras där modeller av en bettskena används och mer avancerade mättekniker måste användas. Bl.a. för att undersöka penetreras in i vävnaden av ultraljud. Vidare måste olika frekvenser och amplituder undersökas för att hitta en optimal kombination. Granulat skulle förmodligen öka den mekaniska rengöringseffekten. - 20 -