口腔医学中的超声加工技术*

随着国民经济的发展，人们对口腔健康与牙齿美观的要求越来越高，以口腔洁治、牙体修复和口腔种植为代表的各种口腔疾病治疗技术得到了快速发展。从切削磨削加工的角度来看，口腔医学中的加工对象主要包括活体牙、颌骨、植入金属、非植入金属及各类陶瓷材料等。而活体牙、颌骨及各种类型的齿科陶瓷等通常具有较大的脆性，植入金属和金属基托等正畸修复体均是钛合金且工件外形较为复杂，传统加工容易造成其加工表面出现较明显的碎裂、崩边和微观裂纹等问题，导致后期处理麻烦，且增加制造成本，同时影响修复体或植入体的临床使用寿命[1-2]。

超声加工技术利用高频振动方式，对工件的去除、分离或切割产生积极影响，不仅能降低切削磨削力，保证工件的加工质量和加工效率，同时对提高患者的舒适度及预防术后并发症等都有较为积极的作用。超声加工非常适合用于硬脆性材料的加工中，由于加工时能量集中，因此对周围区域影响较小，可以提升加工的质量。

在生物体材料的加工过程中，软组织和硬组织对超声频率的敏感度不同，因此超声加工技术又可以利用其独特的生物选择性，对硬脆性生物组织材料进行加工而不损害周围的软组织[3]。而对钛合金及牙科陶瓷等人造材料来说，超声加工技术在其铣削、磨削过程中展现的高性能主要来源于其加工力及加工热明显降低，使得其加工精度及加工表面质量均大幅提高。

口腔医学领域的超声设备是通过在超声动力系统末端添加不同工具，从而进行不同的处理，如牙结石的清除、根管内腔的清理、坏牙的拔除以及颌骨切割等。各操作与对应设备及工具的情况如表1所列。口腔医学中应用的超声加工技术主要分为超声铣削加工、超声磨削加工、超声表面光整加工和超声切割加工。图1分别展示了4种加工形式在口腔领域的应用。不同超声加工的选择取决于材料本身的特点以及所需的治疗效果。了解超声加工技术在临床治疗及修复体制造上的应用现状和发展方向，对促进口腔疾病治疗技术发展有重要意义。

表1 常用口腔医学领域的超声技术应用Table 1 Normal application of ultrasonic technology in stomatology超声加工原理典型口腔手术超声加工设备名称工具头超声辅助磨削/铣削加工技术牙体修复及种植术五轴超声加工中心陶瓷磨削车针或铣刀超声辅助磨削加工技术修复体口内精修磨超声牙科手机金刚石车针超声表面光整加工技术口腔清洁术、根管治疗超声洁牙机工作头、根管锉超声切割技术牙科坏牙剔除术,截骨手术等超声骨刀机超声骨刀手术刀头

(a)铣削钛合金内冠 Milling process of titanium inner crown(b)磨削口腔陶瓷修复体 Grinding process of ceramic dental restoration(c)洁牙Dental cleaning(d)骨切割Bone cutting图1 超声加工技术在口腔领域中的应用Fig. 1 Application of ultrasonic technology in stomatology

虽然口腔医学中涉及的超声加工系统包括超声洁牙机、超声骨刀、超声牙科手机及五轴超声加工中心等。各类超声加工系统均是由高频电流触发压电陶瓷的高频振动，并最终传递至工具头进行加工等操作。如图2所示，超声骨刀通过压电陶瓷的振动传递，使末端的骨刀凿实现超声切割的功能。

图2 超声加工系统结构(超声骨刀)Fig. 2 Structure of ultrasonic machining system (piezosurgery)

超声的发生装置包括3种：第1种为由堆叠材料或磁致伸缩材料构成的经典装置，该类装置在工作头产生椭圆形振荡，单边振幅为0.8～1.1 mm；第2种为压电陶瓷构成的装置，该类装置在工作头产生线性振动，单边振幅为0.2～0.6 mm，目前应用最多的为锆酸盐陶瓷的；而常规的第3种超声治疗仪为不对称锥形运动轨迹，单边振幅为0.5～1.5 mm。3种振动形式分别如图3所示[4]。在系统运行过程中，超声波发生器将工频交流电转变为有一定功率输出的超声电频震荡，通过超声换能器转变为超声机械振动，经变幅杆的传递使固定在变幅杆端部的末端工具产生超声波振动，以实现对工件进行高速高频往复撞击、抛磨等各种加工形式。

针对切割类的口腔医学中的超声类型、手术类型及手术时间的不同，超声会呈现出4种不同的作用机制，包括机械效应、热效应、生物效应及化学效应[4]。机械效应主要指对材料的去除作用；热效应是指超声加工过程中不可避免的产生热量，该热量可在一定程度上清洁治疗区域，并排除碎屑、残留血液及生物膜等，然而过高的温度也会损伤组织，因此在加工或者手术当中需配合冷却系统一起使用；生物效应主要指超声波可以增强细胞膜的通透性，促进细胞功能的运行以及发炎软组织的恢复，这种效应在医学界也被称为声透疗法；而化学效应指超声振动有利于促进组织间的生理循环过程，增加影响区域的血液供给，有助于减少炎症和促进血细胞和抗炎介质的到来，降低组织治疗后的排斥反应[3,5]。因此，针对不同的加工材料及手术类型，超声的主要作用机制有所差别。

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