本發(fā)明涉及牙刷，并且更具體地涉及利用聲波和超聲波聲學機制以增加牙刷的有效性并提供增強的口腔衛(wèi)生的牙刷。

背景技術：

一些早期的電動牙刷技術試圖通過各種聲頻和超聲頻率裝置來提高刷毛振動的速度。這些裝置的例子是美國專利Parisi的3,335,443、Balamuth的3,809,977和Kuris的4,192,035。這些建議沒有利用超聲壓力波來沖擊牙齒和牙齦上的牙菌斑和牙周細菌；他們只是振動更快的機械牙刷設計。尚不知道這些專利中是否有任何一種用于市售牙刷。

使用超聲壓力波來幫助除去牙菌斑并破壞牙周細菌的第一種市售超聲波牙刷基于Bock的美國專利5,138,733，其在刷頭的尖端中包含壓電換能器，以產(chǎn)生通過刷毛傳遞到牙齒和牙齦的超聲壓力波。雖然這是牙刷設計中的巨大飛躍，但是它不是最佳的，因為由于各種結構上的超聲衰減機制，由壓電換能器產(chǎn)生的超聲能量的顯著部分被損失。材料界面的效率不是100％。超聲波必須穿過的每個材料界面將一些超聲能量反射回到換能器，例如將換能器固定在外殼中的粘合劑到換能器界面和粘合劑到外殼界面、外殼到刷頭界面，以及刷頭到刷毛界面。此外，長縱橫比的薄鬃毛減弱了由壓電換能器產(chǎn)生的一些超聲能量。在美國專利No.5,138,733和同樣由Bock的美國專利5,369,831二者中，由于大量的表面界面和厚的殼體材料朝向刷頭的背面衰減超聲能量，超聲波朝向刷頭的背面的傳輸也大大減少。然而，美國專利No.5,138,733和美國專利No.5,369,831仍然代表了超聲波牙刷在它們時代的最佳解決方案。

Brewer等人的題為“Ultrasonic toothbrushes using an acoustic waveguide”的美國專利No.7,269,873B2描述了本領域的下一個技術改進。Brewer的專利基本上是對Bock的5,138,733的修改，其中Brewer提供了通過添加波導改進超聲波壓力波從換能器通過牙膏和口腔中的流體到牙齒和齒齦的傳輸效率，所述波導比Bock的5,138,733中的刷毛在朝向牙齒和牙齦的超聲波的傳輸上是更有效的。然而，雖然Brewer建議的波導比Bock的公開和實踐中的刷毛更有效，其仍然由于波導到換能器界面和波導本身而衰減通過換能器產(chǎn)生的超聲能量。在將從聲波導向牙齒和牙齦輸出的超聲能量最大化的嘗試中，Brewer在超聲換能器背面上使用超聲反射元件(參見圖1項目28)或替代的氣隙(參見圖4)。在本領域中已知氣隙反射和停止超聲壓力波的傳播。超聲反射元件和氣隙均隔離了來自刷頭后部以及唇部和面頰的超聲波發(fā)射。

Bock的美國專利No.7,849,548B2代表超聲波牙刷的下一個技術改進。在他的公開中，通過將換能器從刷頭取出并使其與牙膏和牙刷與牙齒和齒齦之間的流體直接接觸，Bock消除了壓電換能器向牙齒和齒齦發(fā)射的超聲能量的所有結構衰減，大大提高了設計的效率和效果。在換能器與刷毛和牙齒和牙齦的側面上的口腔流體之間沒有表面界面或任何其它材料來衰減超聲能量。然而，類似于Brewer，Bock還提出了在超聲換能器的背面上的超聲反射閉孔泡沫(參見圖1項目40)，其隔離來自牙刷背部和嘴唇和面頰的超聲發(fā)射。

Brewer等人的美國專利No.7,269,873B2和Bock的美國專利No.7,849,548B2公開了迄今為止的超聲換能器領域的標準構造技術，其中，目標總是通過在換能器的非工作“背”側上應用超聲反射材料和超聲反射氣隙來最大化來自換能器的單個“工作”側的超聲發(fā)射。來自單個工作側的超聲發(fā)射最大化顯著減少并且最經(jīng)常地完全消除了來自換能器的非工作背側的超聲發(fā)射。

Emecki的美國專利申請US20130115571A1公開了一種裝置，其中牙刷刷毛直接附接到換能器的一側，以用作波導并將機械振蕩能量傳遞到牙齒。雖然Emecki沒有描述刷頭的結構細節(jié)，但從該公開的圖2可以清楚地看到，機械振蕩由換能器背面上的氣隙或反射材料限制或完全消除。Emecki的整個教導和努力集中在最大化機械振蕩到刷毛內(nèi)的發(fā)射。

雖然迄今為止的進展是重要的，但是事實仍然是，超聲波牙刷技術一直集中并且迄今為止僅成功地從牙齒和牙齦表面有效地去除牙菌斑和牙周細菌。

一些人患有各種口腔疾病，例如通常被稱為潰瘍瘡的復發(fā)性口瘡性口炎(RAS)、主要在與牙齒相對的面頰中具有疼痛侵蝕性或潰瘍性區(qū)域的慢性炎性疾病的扁平癬(LP)、由抗癌化療引起的粘膜炎(疼痛性潰瘍性病變)，其出現(xiàn)在口腔和唇粘膜、面頰和唇部的內(nèi)表面上。

粘膜炎的潰瘍性病變由機會性細菌微生物而移殖，這產(chǎn)生繼發(fā)性感染，使得已經(jīng)難以對付的化療療法變得更難以忍受。在科學界有證據(jù)支持RAS和LP是對存在的口腔菌群的異常免疫應答。因此，口腔菌群負荷減少的有益效果是可預期的。用免疫抑制劑例如全身或局部皮質(zhì)類固醇的治療將降低大多數(shù)患有該疾病的患者的RAS和LP活性。不幸的是，這種減少是短暫的，當治療中斷時病變很快復發(fā)。由于皮質(zhì)類固醇的顯著的全身副作用，例如青光眼、液體潴留、血壓升高、情緒波動、骨質(zhì)疏松等，用免疫抑制皮質(zhì)類固醇的治療不能長時間耐受；免疫抑制皮質(zhì)類固醇治療只是短期臨時解決方案。因此，長時間良好耐受的有效治療藥征將是非常有價值的。

超聲波牙刷是沒有任何副作用的良好耐受的藥征。從基于美國專利No.5,138,733的第一代超聲波牙刷的背面發(fā)射的有限量的超聲波已經(jīng)通過臨床研究證明在復發(fā)性口瘡口炎中具有適度的有益效果(RAS病變持續(xù)時間減少46％，以及發(fā)生的病變數(shù)量的減少)。第一代超聲波牙刷的這種適度有益的效果受到超聲壓力波的結構衰減的限制，所述超聲壓力波通過刷頭的背側逸出，接觸唇部和頰部的內(nèi)表面。

因此，即使最新的現(xiàn)有技術的超聲波牙刷也不能最佳地有效攻擊和破壞與牙齒和牙齦相對的唇部和頰部內(nèi)側上存在或移植的各種口腔細菌，這些口腔細菌是造成RAS和LP的原因。

本領域仍然缺乏方便地和同時地從牙齒和牙齦移除牙菌斑和牙周病菌，還提供RAS和LP的緩解并且改善患有RAS和LP的人的健康狀況的機會。

總之，RAS和LP都是與口腔菌群有關的異常免疫應答，仍然等待通過沒有免疫抑制劑和它們的全身副作用的良好耐受藥征的有效緩解。

作為良好耐受藥征的超聲波牙刷是良好的候選者，但是仍然沒有實現(xiàn)對多用途的空間高效的裝置的追求。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述需要，本發(fā)明的目的是提供方法和裝置，其除了從牙齒和牙齦去除牙菌斑和牙周細菌以外還有效地治療各種口腔健康和衛(wèi)生問題，例如根源于對存在于唇部和面頰上的口腔菌群的異常免疫反應的RAS和LP，并且通過破壞在粘膜炎病變中定植的機會性細菌微生物來緩解粘膜炎，與每日牙齒刷牙方案方便并且同時地進行。

本發(fā)明通過新方法以及采用高效無衰減新型壓電換能器安裝系統(tǒng)的新的空間改進超聲波牙刷的開發(fā)和公開來實現(xiàn)這些目的，在該安裝系統(tǒng)中，換能器暴露在刷頭的兩側。壓電換能器被暴露并且在與牙膏和口腔流體直接接觸的刷毛之間朝向牙齒和牙齦突出，從而處理牙周細菌并從牙齒和牙齦移除牙菌斑，同樣重要的是，它也在刷頭的表面暴露，與口腔流體以及與唇部和面頰的內(nèi)表面直接接觸，提供高效的無衰減超聲壓力波，以治療口腔菌群和與牙齒和牙齦相對的口腔組織。這些無衰減的超聲壓力波的強度在刷頭側上，特別是在刷頭的背側上大于第一代超聲波牙刷的兩倍。與通過免疫抑制皮質(zhì)類固醇對RAS和LP的臨時治療相反，超聲藥征是多年來日常應用的沒有限制的良好耐受的長期藥征，其提供了對患者中的RAS、LP和粘膜炎的長期緩解。

該新方法包括通過使在病變中定植的口腔菌群經(jīng)受在20kHz至20MHz頻率之間，更典型地在750kHz至2MHz頻率內(nèi)的超聲壓力波來治療口腔的RAS、LP和粘膜炎病變，所述超聲壓力波的無衰減強度在0.02-0.5W/cm²，更典型地在0.035-0.150W/cm²內(nèi)，同時結合或獨立于每日牙刷方案。

因此，新的空間改進的超聲波牙刷發(fā)明包括手柄部分和刷頭部分。刷頭部分支撐刷毛簇和壓電超聲換能器，該壓電超聲換能器在一側上在刷毛簇之間從頭部朝向牙齒和牙齦突出，并且在刷毛簇的相對側上通過頭部朝向面頰和唇部的內(nèi)表面突出。手柄部分包含電池組、產(chǎn)生刷頭部分的聲波觸覺振動的電子電動機、產(chǎn)生超聲頻率電流以激勵超聲換能器并提供對牙刷中其它功能的控制的電子控制模塊，所述控制諸如電動機速度控制、以及電池充電控制。牙刷系統(tǒng)還可以包括電池充電架，以通常通過導電電流裝置提供用于對手柄中的電池充電的初級電流。

超聲換能器直接暴露于牙刷和牙刷頭兩側的口腔中的牙膏和牙齒流體，在一側的刷毛之間與在另一側的刷毛相對是本發(fā)明的主要創(chuàng)造性步驟之一。將傳感器直接暴露于牙科流體完全消除了超聲能量在被傳遞到牙科流體、牙齒和牙齦以及牙齒周圍表面之前的任何結構衰減。

在實驗室研究中已經(jīng)顯示，無需刷毛的物理接觸，即使由第一代超聲波牙刷從5mm距離通過模擬牙齦液的腦心浸液肉湯發(fā)射的高度衰減的超聲壓力波(a)破裂了變形鏈球菌細菌鏈，(b)減少了釉質(zhì)表面上的生物膜的厚度，和(c)損傷了變形鏈球菌的細胞壁。結果顯示了，超聲也對變形鏈球菌細胞壁和細胞內(nèi)組分有一定的影響，表明超聲抑制變形鏈球菌粘附在釉質(zhì)表面。這是通過第一代超聲波牙刷的刷毛可能增強牙菌斑去除的機制。

本發(fā)明向組織傳遞更有效和顯著更高強度的無衰減超聲壓力波，在口腔流體中產(chǎn)生輕微的空化(cavitation)。結合由聲頻刷毛振動產(chǎn)生的動態(tài)流體運動，本發(fā)明顯著地提高了牙刷從牙齒和牙齦表面上基本去除所有牙菌斑的能力，并且消除了刷毛范圍以外7至10mm之間并進入牙周袋的細菌群落。

本發(fā)明的來自刷頭背側的無衰減超聲波壓力波治療、損傷、中斷和破壞位于面頰和嘴唇的內(nèi)表面上的細菌菌落，減輕RAS和LP以及粘膜炎的影響至本領域以前不可能的程度。

無需用戶的任何額外努力，本發(fā)明將每日牙刷方案延伸到以前不可用的完整口腔衛(wèi)生方案中。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明的縱向截面和示意圖，其包括具有刷毛簇和暴露的超聲換能器的刷頭部分，以及包含驅(qū)動電機，電子控制器和電池的手柄部分。

圖2示出了刷頭的橫截面和無衰減的壓電超聲換能器的暴露。

圖3A和3B示出了多元件換能器配置，以延伸未衰減換能器與粘膜的接觸區(qū)域。

圖4示出了可移除刷頭組件的側剖視圖。

圖5和圖6示出了可移除刷頭組件的另一實施例的兩個橫截面圖。

圖7和圖8示出了超聲施用器頭組件的兩個實施例的兩個橫截面圖。

具體實施方式

在標題中和在下面的討論中，術語“空間改進”是指牙刷在空間中相對于傳統(tǒng)牙刷的多方向有效性，所述傳統(tǒng)牙刷僅在朝向刷毛的一側上有效。

術語“超聲”和“超聲波”和“超聲壓力波”是指具有20kHz及以上的操作頻率的連續(xù)波超聲或重復突發(fā)型超聲模態(tài)中的聲能。對于在牙刷中使用的“聲音”和“聲音振動”的引用是指顯著低于20kHz超聲閾值(通常在100至500Hz的范圍內(nèi))的物理振動或振蕩運動。與牙刷相關的術語“空化”是指氣泡的產(chǎn)生和/或分散，以及聲音或超聲能量和振動與口腔流體環(huán)境內(nèi)的氣泡之間的相互作用。與超聲相關的術語“結構衰減”是指通常用于容納超聲換能器并且用于在超聲波牙刷和其它超聲應用中將超聲從換能器傳達到解剖結構的各種表面界面和材料的衰減效應。

超聲對細菌和細菌菌落的破壞性影響和使細菌菌落無效的方法是眾所周知的，并且在科學界有記載。本文引用的早期版本的超聲波牙刷的臨床和實驗室研究僅是牙刷對細菌菌落和牙菌斑發(fā)射的超聲波的有效性的一小組實例。眾所周知，超聲的有效性與應用的強度有關，因此在組織加熱閾值的限制內(nèi)限制能量損失并使來自超聲換能器的可用強度最大化是重要的。

優(yōu)選配置中空間改進的范圍延伸超聲波牙刷30的發(fā)明在圖1和圖2中示出。牙刷30包括由剛性或半剛性塑料材料構成的手柄部分32、頸部34和刷頭部分36。手柄部分32包含電池組38、電子控制模塊40和電子電動機42，其具有安裝在電動機42的軸上的偏心配重44。刷頭部分36包含超聲換能器46和一個或更多個刷毛簇48。

電池組38通常是向電子控制模塊40提供大約4.8VDC的NiCd或NiMH化學系統(tǒng)的多單元可再充電電池。電子控制模塊40具有多種功能。它控制電動機42以產(chǎn)生通常在100Hz至500Hz之間根據(jù)用戶偏好的各種速度聲波軌道振動52，或者當應用要求牙刷僅發(fā)射超聲壓力波50而無需聲波頻率刷毛振動時，不產(chǎn)生振動。電子控制模塊40通常將通過電壓倍增器電路將電池電壓升高到9.6VDC至16.0VDC的范圍，結合產(chǎn)生頻率在20kHz至20MHz之間的，更典型地頻率在750kHz至2MHz之間的超聲頻率電流，用于激勵超聲換能器46。

刷頭部分36容納刷毛簇48和超聲換能器46。超聲換能器46定位在刷頭36內(nèi)并且在兩個方向上從刷頭36突出，以提供超聲壓力波50的空間輻射，而沒有空間輻射超聲能量的任何結構衰減。

換能器46從刷頭36在一側在刷毛簇48之間朝向牙齒和牙齦突出，并且通過刷頭36在刷毛簇48的相對側朝向面頰和唇部的內(nèi)表面突出。

換能器46通常由硬的壓電材料的一個或多個元件構成，例如PZT-4或PZT-8鋯鈦酸鉛組合物陶瓷。PZT-4材料是牙刷應用的特別好的候選，因為它能夠產(chǎn)生大的機械驅(qū)動幅度，同時保持低的機械和介電損耗。然而，本領域中還可以使用各種其他換能器材料，例如單晶硅、電容微機械加工材料、靜電聚合物以及將來可用于構造超聲換能器的更多換能器材料。當由電子控制模塊40通過互連布線56提供給超聲換能器46的超聲頻率電流激勵時，換能器46與超聲頻率電流協(xié)調(diào)地膨脹和收縮，從而產(chǎn)生超聲壓力波50，并且將超聲壓力波50在空間上傳輸?shù)街車h(huán)境、接觸材料、牙膏、口腔液和口腔組織內(nèi)。為了確保無衰減超聲壓力波50與唇部和面頰的最佳可能的緊密接觸和傳輸，與刷毛48相對的刷頭表面54構造有彎曲構造，并且超聲換能器在峰表面。同時，盡管圖2描述了由單個元件構成的最簡單的換能器配置，但是其它先進的多元件配置是可能的。

圖3A描繪了兩元件直“T”形超聲換能器58，而圖3B描繪了彎曲的“T”形超聲換能器60，所示出的多種配置能夠增加與唇部和面頰的粘膜的接觸面積以進一步加寬超聲波牙刷的空間特征，并且不會錯過RAS和LP和粘膜炎的有時小的但是疼痛的病變。

圖4描繪了本發(fā)明的可移除刷頭組件配置?？梢瞥㈩^組件70包括基本上剛性的細長結構構件72，其具有設計用于牢固附接到牙刷手柄的配合部分73的基部74、容納一個或多個刷毛簇48和超聲換能器46的刷頭部分76。超聲頻率功率由位于牙刷手柄中的超聲頻率電流發(fā)生器通過連接器組82和連接線84提供。

超聲換能器46在兩個方向上從刷頭部分76突出，以提供超聲壓力波50的空間輻射，而沒有超聲能量的任何結構衰減。換能器46在一側的刷毛簇48之間從刷頭76突出，并且在刷毛簇48的相對側上突出通過刷頭76。

圖5和圖6描繪了可移除刷頭組件90的另一實施例。在該實施例中，刷頭組件90包括基本上剛性的細長管狀桿92，其滑過并固定在牙刷手柄的配合軸95上，刷頭部分76容納一個或多個刷毛簇48的和超聲換能器46。用于給換能器46供能的超聲頻率電源由位于牙刷手柄中的超聲頻率電流發(fā)生器提供，該超聲頻率電流發(fā)生器通過位于配合軸95末端的槽98中的彈簧加載滑動連接器組96和連接布線84連接。

超聲換能器46在兩個方向上從刷頭部分76突出，以提供超聲壓力波50的空間輻射，而沒有超聲能量的任何結構衰減。換能器46在一側的刷毛簇48之間從刷頭76突出，并且在刷毛簇48的相對側上突出通過刷頭76。

圖7描繪了本發(fā)明構造的的可移除超聲施用器頭部組件37的橫截面，其具有單元件超聲換能器47。除了可移除超聲施用器頭部組件37不包含任何刷毛之外，可移除超聲施用器頭部組件37具有與圖4和圖5分別示出的可移除刷頭組件70和90相同的構造。除了刷毛參考之外，包含在圖4和圖5對可移除刷頭組件70和90的描述中的所有結構說明適用于可移除超聲波施用器頭組件37。

可移除超聲施用器頭部組件37的目的是為超聲波牙刷提供可選的附件以施加無衰減超聲波，用于在任何時間，獨立于每日牙刷方案，治療RAS，LP或粘膜炎病變。超聲換能器47暴露在施用器頭部組件37的彎曲表面54的峰處，并且超聲壓力波50通過口腔流體從無衰減換能器傳導到細菌菌群，而不需要牙膏。

圖8描繪了可移除超聲施用器頭部組件37的橫截面，該可移除超聲施用器頭部組件37具有彎曲的雙元件超聲換能器61，其被采用以增加換能器61與口腔中的病變之間的接觸表面。圖7的所有其他構造說明也適用于圖8。

本文和在所附信息公開聲明中引用的所有專利和出版物通過引用整體并入本文。

雖然前面的描述包含許多特定性，但是這些不應被解釋為對本發(fā)明的范圍的限制，而是作為其優(yōu)選和附加實施例的示例。本領域技術人員將能夠容易地改變實施例中描述的各種部件的尺寸、形狀和構造材料，并將本發(fā)明應用于所有類型的聲波和超聲能量應用。因此，本發(fā)明的范圍不應由所示的實施例確定，而是由所附權利要求及其法律等同物確定。

相關申請的交叉引用

本申請要2014年5月16日提交的美國臨時申請No.61/994,817的優(yōu)先權日和其他權益，其通過引用全部并入于此。