Οι μηχανικές αρχές λειτουργίας των πρώτων οδοντιατρικών τρυπανιών κατά τον 19ο αιώνα.

 

Η εξέλιξη του οδοντιατρικού τρυπανιού κατά τον 19ο αιώνα αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα της μετάβασης από τις απλά εργαλεία χεριού, στις σύνθετες μηχανοκίνητες χεριού και ηλεκτροκίνητες συσκευές της βιομηχανικής εποχής. Η ιστορία των πρώτων οδοντιατρικών τρυπανιών συνδέεται άμεσα με τη γενικότερη εξέλιξη της μηχανικής μετάδοσης κίνησης, των εύκαμπτων αξόνων, των συστημάτων τροχαλιών και της εφαρμογής της ηλεκτρικής ενέργειας στην ιατρική τεχνολογία. Από τα πρωτόγονα εργαλεία περιστροφικής κίνησης μέχρι τα ποδοκίνητα και ηλεκτρικά οδοντιατρικά μοτέρ, η βασική επιδίωξη παρέμενε η ίδια: η αύξηση της ταχύτητας περιστροφής του κοπτικού εργαλείου, η σταθεροποίηση της ροπής, η εύκολη προσβασιμότητα σε όλα τα δόντια και η βελτίωση του ελέγχου από τον οδοντίατρο.

Οι πρώτες μορφές οδοντιατρικών τρυπανιών, βασίζονταν αποκλειστικά στη χειροκίνητη παραγωγή περιστροφικής κίνησης. Η αρχή λειτουργίας τους ήταν ανάλογη με εκείνη των αρχαίων τόξων-τρυπανιών (bow drills), όπου η εναλλασσόμενη γραμμική κίνηση μετατρεπόταν σε περιστροφική μέσω ενός νήματος τυλιγμένου γύρω από άξονα. Η ίδια θεμελιώδης μηχανική αρχή –η μετατροπή γραμμικής σε περιστροφική κίνηση– παραμένει κοινή σε όλες σχεδόν τις πρώιμες διατάξεις. Στις αρχές του 19ου αιώνα, οι οδοντίατροι χρησιμοποιούσαν μικρά τρυπάνια  (φρέζες-burs) που περιστρέφονταν με τα δάκτυλα, συνήθως μεταξύ αντίχειρα και δείκτη. Τα εργαλεία αυτά παρήγαν πολύ χαμηλές ταχύτητες περιστροφής, συχνά κάτω από 15 στροφές ανά λεπτό, και απαιτούσαν σημαντική μυϊκή προσπάθεια.

Η πρώτη αναφορά περιστροφικού τρυπανιού μέσω της χρήσης μηχανικού συστήματος περιγράφεται στην πραγματεία του Anselme-Louis-Bernard-Brecillet Jourdain (1734-1816),με τίτλο Nouveaux éléments d'odontalgie, η οποία εκδόθηκε στο Παρίσι το 1756.  

Από την πραγματεία του Anselme-Louis-Bernard-Brecillet Jourdain (1734-1816),με τίτλο Nouveaux éléments d'odontalgie, η οποία εκδόθηκε στο Παρίσι το 1756.  

Το 1803, ο Βερολινέζος οδοντίατρος  Heinrich Lautenschläger, δημοσίευσε μια εργασία στο περιοδικό Neues Jonrnal der practischen Heilkunde, η οποία αναφερότανε σε δύο οδοντιατρικά εργαλεία για την αφαίρεση ριζών οι οποίες ήταν βαθιά μέσα στο φατνίο. Το πρώτο εργαλείο είναι ένα τροποποιημένο οδοντιατρικό κλειδί για την εξαγωγή δοντιού, ενώ το δεύτερο ήταν ένα μηχανικό τρυπάνι χεριού. Στην περιγραφή του τρόπου χρήσης, ο συγγραφέας ανέφερε ότι με το τρυπάνι αρχικά γίνεται διεύρυνση του θαλάμου της ρίζας η οποία είναι βαθιά στο φατνίο και κατόπιν με την κοχλίωση ειδικής βίδας με κατάλληλη υποδοχή για συγκράτηση, γίνεται η εξαγωγή της ρίζας με το ειδικά διαμορφωμένο οδοντιατρικό κλειδί. Ο Johan Jakob Joseph Serre (1759-1830) φαίνεται να ήταν ο πρώτος που σχεδίασε μια σειρά από ειδικές βίδες, τοποθετημένες σε μια λαβή, για την εξαγωγή ριζών που δεν μπορούσαν να κρατηθούν από κανένα άλλο εργαλείο.   

Από τη δημοσίευση του Γερμανού οδοντιάτρου Heinrich Lautenschläger το 1803
.

Η βάση του τρυπανιού περιελάβανε τρεις οδοντωτούς τροχούς, από τους οποίους ο μεγαλύτερος ήταν συνδεδεμένος με κατάλληλο στρόφαλο για την περιστροφή του και την επακόλουθη περιστροφή των δύο άλλων τροχών και την περιστροφή της φρέζας. Πιθανόν το ίδιο μηχανικό τρυπάνι χρησιμοποιείτο και για την διαμόρφωση του ριζικού σωλήνα και την εφαρμογή δοντιών με άξονα, μια από τις πλέον διαδεδομένες προσθετικές τεχνικές εκείνη την εποχή. 

Το 1822 ο Γάλλος οδοντίατρος   J. C. F. Maury, στην πραγματεία του, Manuel du dentiste, η οποία δημοσιεύθηκε στο Παρίσι περιλαμβάνει το σχέδιο και την περιγραφή ενός τρυπανιού χεριού με μακρόστενη βάση η οποία είχε ένα τροχό σε κάθε της άκρο. Ο εξωτερικός τροχός κοντά στη λαβή ο οποίος ήταν επάλληλος του εσωτερικού, έπαιρνε κίνηση με ένα τόξο χεριού και μέσω νήματος η κίνηση μεταβιβάζονταν στον δεύτερο τροχό στο άλλο άκρο, στον οποίο ήταν προσαρμοσμένο ένα τρυπάνι (φρέζα).   

1822, από τον J. C. F. Maury, στην πραγματεία του, Manuel du dentiste.

Το 1838 στον Αμερικανό  John Lewis χορηγήθηκε Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας, με  το λεγόμενο “universal bevel gear drill”. Η βασική μηχανική αρχή εδώ ήταν η χρήση κωνικών οδοντωτών τροχών (bevel gears) για τη μεταβολή της γωνίας μετάδοσης της κίνησης. Με τη χρήση γραναζιών υπό γωνία, η περιστροφική κίνηση μπορούσε να αλλάζει κατεύθυνση χωρίς σημαντική απώλεια ροπής. Η εφαρμογή αυτή ήταν ιδιαίτερα σημαντική για την πρόσβαση στα οπίσθια δόντια, διότι επέτρεπε την τοποθέτηση της φρέζας κοπής υπό γωνία σε σχέση με τη λαβή, αν και η χρήση του απαιτούσε και τα δύο χέρια.   

 Το Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας το οποίο χορηγήθηκε το 1838 στον Αμερικανό  John Lewis.

Στο πλαίσιο βελτίωσης των τρυπανιών τα οποία περιστρέφονταν με τα δάκτυλα, μια από  πρώτες συστηματικές βελτιώσεις, ήταν αυτή του Amos Westcott. Ο Amos Westcott, το 1846, ανέπτυξε ένα τρυπάνι  με δακτύλιο συγκράτησης και περιστροφικό άξονα που κινείτο με τα δάκτυλα. Η μηχανική αρχή του Westcott βασιζόταν στην άμεση μετάδοση ροπής από το χέρι προς το τρυπάνι  μέσω άκαμπτου άξονα. Αν και η συσκευή παρέμενε χειροκίνητη, εισήγαγε καλύτερη σταθερότητα περιστροφής και ακριβέστερο έλεγχο ενώ βασικό του χαρακτηριστικό ήταν η  χρήση του με το ένα χέρι.  

Ο Amos Westcott το 1846, ανέπτυξε ένα τρυπάνι  με δακτύλιο συγκράτησης.

Ο εμπορικός κατάλογος του εμπορικού οίκου John D. Chevalier, ο οποίος κυκλοφόρησε στην Νέα Υόρκη το 1855 και είναι από του πρώτους οδοντιατρικού καταλόγους Παγκοσμίως, περιελάβανε ένα  μικρό χειροκίνητο τρυπάνι με σύστημα γραναζιών ώστε να επιτυγχάνεται συνεχής περιστροφή προς μία κατεύθυνση. Η συσκευή λειτουργούσε ουσιαστικά ως μηχανικός μετατροπέας χαμηλής γωνιακής ταχύτητας του χεριού σε υψηλότερη ταχύτητα της φρέζας.    

Το τρυπάνι του John D. Chevalier,από τον εμπορικό του κατάλογο του 1855.

Καθοριστική στην εξέλιξη οδοντιατρικών τρυπανιών, υπήρξε η εισαγωγή της μηχανικής αρχής του εύκαμπτου άξονα από τον Σκωτσέζο μηχανικό James Nasmyth (1808-1890). Το 1829. ο Nasmyth ανέπτυξε έναν ελικοειδώς περιελιγμένο συρμάτινο άξονα που μπορούσε να μεταφέρει περιστροφική κίνηση ακόμη και όταν η πορεία του ήταν καμπύλη. Η αρχή αυτή επέτρεψε την αποσύνδεση της πηγής ισχύος από το κοπτικό εργαλείο και αποτέλεσε τη βάση των μελλοντικών οδοντιατρικών χειρολαβών σε συνδυασμό με αυτόν τον εύκαμπτο άξονα. Η σημασία αυτής της καινοτομίας ήταν τεράστια, διότι για πρώτη φορά ο οδοντίατρος μπορούσε να μεταφέρει μηχανική ισχύ σε δυσπρόσιτα σημεία της στοματικής κοιλότητας χωρίς να απαιτείται ευθύγραμμη διάταξη μεταξύ κινητήριου μηχανισμού και τρυπανιού.

 Στην οδοντιατρική, ο πρώτος ο οποίος εφάρμοσε τηνεφεύρεση του Nasmith, ήταν ο Αμερικανός οδοντίατρος, Charles Merry, το 1858, ο οποίος προχώρησε ένα βήμα παραπέρα τα τρυπάνια χεριού, εισάγοντας εύκαμπτο σύνδεσμο μεταξύ λαβής και κοπτικού εργαλείου. Η βασική μηχανική αρχή της συσκευής του ήταν η μετάδοση περιστροφικής κίνησης μέσω εύκαμπτου συρμάτινου άξονα, επιτυγχάνοντας με αυτόν τον τρόπο  λειτουργικός διαχωρισμό μεταξύ του μέρους που παρήγαγε την κίνηση και του μέρους που ερχόταν σε επαφή με το δόντι. Η λύση αυτή αύξησε σημαντικά την εργονομία και προετοίμασε τη μετέπειτα ανάπτυξη των ποδοκίνητων τροχών.  

Το τρυπάνι του Charles Merry, το 1858. 

Μία άλλη κατηγορία από οδοντιατρικά τρυπάνια του μέσου του 19ου  αιώνα που βασίζονταν στην «αρχή του Αρχιμήδη» ήταν κυρίως τα λεγόμενα Archimedean drills ή spiral drills. Η λειτουργία τους στηριζόταν στην ίδια μηχανική ιδέα με τον «κοχλία του Αρχιμήδη»: μια ελικοειδής (σπειροειδής) ράβδος μετέτρεπε την παλινδρομική ευθύγραμμη κίνηση του χεριού σε περιστροφική κίνηση του τρυπανιού. Στην πράξη, ο χειριστής μετακινούσε πάνω–κάτω μια κινητή λαβή κατά μήκος ενός άξονα που έφερε ελικοειδή αυλάκωση. Καθώς η λαβή γλιστρούσε πάνω στη σπείρα, ο άξονας περιστρεφόταν αυτόματα. Πρόκειται ουσιαστικά για μηχανισμό μετατροπής γραμμικής σε περιστροφική κίνηση μέσω ελικοειδούς κοχλία

Δεν φαίνεται να υπήρξε κάποιο ιστορικά καθιερωμένο οδοντιατρικό τρυπάνι με επίσημο επώνυμο εμπορικό όνομα και απλά την «αρχή του Αρχιμήδη» την χρησιμοποίησαν σε διάφορες παραλλαγές ορισμένα οδοντιατρικά, χειρουργικά αλλά και ανάλογα εργαλεία κοσμηματοπωλών και ο  όρος ήταν περισσότερο μηχανολογικός και περιγραφικός παρά εμπορικό επώνυμο συγκεκριμένου εφευρέτη.  

Τρυπάνι το οποίο βασίζεται στην αρχή του Αρχιμήδη.Αριστερα από εμπορικό κατάλογο της εποχής και δεξιά μουσειακό έκθεμα.

Παράλληλα, εμφανίσθηκαν και συστήματα βασισμένα σε αποθήκευση μηχανικής ενέργειας. Το 1864 ο George Fellows Harrington παρουσίασε το περίφημο ρολόι  τρυπάνι με τη εμπορική ονομασία,  “Erado”. Η λειτουργία του βασιζόταν σε Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας ενός μηχανισμού με ελατήριο,  ανάλογο με εκείνο των μηχανικών ρολογιών. Ο χειριστής «κούρδιζε» τον μηχανισμό και η αποθηκευμένη ελαστική ενέργεια μετατρεπόταν σταδιακά σε περιστροφική κίνηση. Η αρχή αυτή επέτρεπε υψηλότερες ταχύτητες από τα καθαρά χειροκίνητα εργαλεία, αλλά είχε σημαντικά μειονεκτήματα: ασταθή ροπή, θόρυβο και περιορισμένη διάρκεια λειτουργίας πριν από νέο κούρδισμα.  

1864 το τρυπάνι του  George Fellows Harrington με μηχανισμό ρολογιού.

Όπως είδαμε σε προηγούμενη ανάρτηση, πραγματική επανάσταση σημειώθηκε με την εισαγωγή των ποδοκίνητων οδοντιατρικών μηχανών. Η ιδέα είχε προδρομικές μορφές ήδη από τον John Greenwood στα τέλη του 18ου αιώνα, ο οποίος προσαρμόζοντας τροχό παράγωγης νήματος,  δημιούργησε μια πρώτη ποδοκίνητη (foot-powered) κοπτική  συσκευή. Η συσκευή του Greenwood, χρησιμοποιήθηκε κυρίως για την κατασκευή και διαμόρφωση προσθετικών κατασκευών από ελεφαντόδοντο και άλλα υλικά εκείνης της περιόδου.

 Ωστόσο, ο James Beall Morrison ήταν εκείνος που το 1871 ανέπτυξε το πρώτο πρακτικά επιτυχημένο ποδοκίνητο οδοντιατρικό τροχό. Η μηχανική αρχή του Morrison βασιζόταν στη μετατροπή της παλινδρομικής κίνησης του ποδιού σε συνεχή περιστροφική κίνηση μέσω ενός ποδομοχλού (πετάλι), ενός μεγάλου σφονδύλου, ιμάντων και τροχαλιών. Ο ποδομοχλός κινούσε έναν βαρύ τροχό αδράνειας, ο οποίος αποθήκευε κινητική ενέργεια και εξομάλυνε τις διακυμάνσεις της περιστροφής. Μέσω ιμάντων και συστήματος τροχαλιών, η περιστροφή μεταδιδόταν σε εύκαμπτο του τύπου του Nasmith άξονα, ο οποίος κατέληγε στη χειρολαβή στην οποία ήταν προσαρμοσμένη κατάλληλη φρέζα. Η διάταξη αυτή παρήγαγε ταχύτητες που μπορούσαν να φτάσουν περίπου τις 2.000 στροφές ανά λεπτό, οι οποίες θεωρούντο, εξαιρετικά υψηλές για την εποχή.   

1871,το Δίπλωμα Ευρεσητεχνία ς του 1864 ο George Fellows Harrington για το ποδοκίνητο τρυπάνι.

Η σημασία του ποδοκίνητου μηχανισμού του Morrison, ήταν πολυδιάστατη. Πρώτον, απελευθέρωνε και τα δύο χέρια του οδοντιάτρου, επιτρέποντας ταυτόχρονα τη χρήση της χειρολαβής και τον καλύτερο έλεγχο του ενδοστοματικού καθρέπτη για προστασία των μαλακών μορίων του στόματος και της ενδοστοματικής ορατότητας.. Δεύτερον, παρείχε σταθερότερη περιστροφή και μεγαλύτερη ροπή σε σύγκριση με τα χειροκίνητα τρυπάνια.  Τρίτον, ο σφόνδυλος λειτουργούσε ως μηχανισμός αδρανειακής σταθεροποίησης, μειώνοντας τις απότομες επιβραδύνσεις κατά την κοπή της αδαμαντίνης.

Σχεδόν παράλληλα με τον Morrison, ο George F. Green (1832-1892), εισήγαγε το 1868 το πνευματικό οδοντιατρικό τρυπάνι. Η συσκευή λειτουργούσε με αέρα που παραγόταν από μια ποδοκίνητη φυσούνα (bellows). Εδώ εφαρμόστηκε για πρώτη φορά η αρχή της πνευματικής μετάδοσης ισχύος στην οδοντιατρική. Ο πεπιεσμένος αέρας διοχετευόταν μέσω εύκαμπτου σωλήνα σε έναν μηχανισμό που προκαλούσε την περιστροφή μέσω μιας κατάλληλης χειρολαβής στο τρύπανο (φρέζα).  Παρότι οι επιδόσεις ήταν πολύ περιορισμένες σε σχέση με τις μεταγενέστερες αεροτουρμπίνες οι οποίες εμφανίστηκαν μετά από έναν αιώνα, εντούτοις η ιδέα του Green εισήγαγε τη θεμελιώδη αρχή της  περιστροφής του οδοντιατρικού τροχού με τη χρήση αέρα.   

 Το 1868 ο George F. Green το εισήγαγε το πνευματικό οδοντιατρικό τρυπάνι. Μουσειακό έκθεμα της χειρολαβής του.

Σημαντικότερη ήταν η συμβολή του George F. Green, στην ηλεκτροκίνηση. Το 1875 έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το πρώτο ηλεκτρικό οδοντιατρικό τρυπάνι, το οποίο χρησιμοποιούσε ηλεκτρομαγνητικό κινητήρα. Η μηχανική και φυσική αρχή λειτουργίας του βασιζόταν στη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε περιστροφική μηχανική κίνηση μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Ένας μικρός ηλεκτρικός κινητήρας, ο οποίος έπαιρνε ηλεκτρικό ρεύμα από μια πρωτόγονη μπαταρία επειδή την περίοδο που κυκλοφόρησαν τα πρώτα ηλεκτρικά οδοντιατρικά τρυπάνια δεν υπήρχε ακόμη εξηλεκτρισμός. Ο ηλεκτρικός κινητήρας   δημιουργούσε συνεχή περιστροφή, η οποία μεταδιδόταν μέσω ενός εύκαμπτου άξονα στην  χειρολαβή και στην φράζα.

Η εισαγωγή του ηλεκτρικού κινητήρα επέφερε βαθιά αλλαγή στις μηχανικές δυνατότητες του οδοντιατρικού εξοπλισμού. Για πρώτη φορά η παραγόμενη ταχύτητα δεν εξαρτιόταν άμεσα από τη μυϊκή δύναμη του οδοντιάτρου. Επιπλέον, η ηλεκτρική κίνηση παρείχε σταθερότερη ροπή και συνεχή λειτουργία χωρίς την ανάγκη επαναφόρτισης ελατηρίων ή συνεχιζόμενης ποδοκίνησης. Τα πρώτα ηλεκτρικά συστήματα ήταν βαριά και ακριβά, ενώ η περιορισμένη ηλεκτροδότηση των οδοντιατρείων καθυστέρησε τη διάδοσή τους. Ωστόσο, μέχρι τις αρχές του 20ού αιώνα είχαν ήδη τεθεί οι θεμελιώδεις αρχές των σύγχρονων ηλεκτρικών κοπτικών εργαλείων.  

Το Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας το 1875 του George F. Green για το ηλεκτρικό του οδοντιατρικό τρυπάνι.
 

Από μηχανολογική άποψη, η εξέλιξη των οδοντιατρικών τρυπανιών κατά τον 19ο αιώνα μπορεί να ερμηνευθεί ως συνεχής προσπάθεια βελτιστοποίησης τεσσάρων βασικών παραμέτρων: της πηγής ισχύος, της μετάδοσης κίνησης, της σταθερότητας περιστροφής και της εργονομίας του χειρισμού. Οι πρώιμες χειροκίνητες διατάξεις βασίζονταν στην άμεση ανθρώπινη μυϊκή ενέργεια. Τα  συστήματα τα οποία βασίζονταν στις  αρχές ρολογιού, χρησιμοποίησαν αποθηκευμένη ελαστική ενέργεια. Τα ποδοκίνητα συστήματα αξιοποίησαν τη βιομηχανική λογική του σφονδύλου και των ιμάντων μετάδοσης. Τα πνευματικά συστήματα εισήγαγαν τη χρήση συμπιεσμένου αέρα, ενώ τα ηλεκτρικά τρυπάνια εγκαινίασαν την εποχή της ηλεκτρομηχανικής οδοντιατρικής.

Η εξέλιξη αυτή δεν ήταν απλώς τεχνολογική αλλά και θεραπευτική. Η αύξηση της ταχύτητας περιστροφής και η βελτίωση του ελέγχου κατέστησαν δυνατή την ανάπτυξη της επανορθωτικής οδοντιατρικής, επιτρέποντας ακριβέστερη αφαίρεση τερηδόνας και αποτελεσματικότερη τοποθέτηση εμφράξεων και προσθετικών εργασιών. Έτσι, τα οδοντιατρικά τρυπάνια του 19ου αιώνα δεν αποτέλεσαν μόνο μηχανικές καινοτομίες, αλλά θεμελίωσαν και τη μετάβαση της οδοντιατρικής από την εξαγωγική πρακτική στη σύγχρονη συντηρητική θεραπεία.

Βαισκή πηγή: https://numerabilis.u-paris.fr/expositions/mvad/002-14.php

 ΓΒ