Autonome integrierte Kraft- und Drehmomentsensorik für festsitzende kieferorthopädische Apparaturen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Lapatki; Professor Dr.-Ing. Yiannos Manoli; Professor Dr. Oliver Paul
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 32438314

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass zahlreiche wissenschaftliche Ergebnisse des Projekts erst durch die interdisziplinäre Kooperation der drei beteiligten AGs erarbeitet werden konnten. Dazu gehören unter anderem folgende Punkte: Ein wesentlich besseres Verständnis davon, wie rekordkleine Kraft/Drehmomentsensormodule zu konstruieren sind. Die entwickelten Sensormodule ermöglichen die Extraktion stabiler, sauber voneinander getrennter Messwerte für die sechs interessierenden mechanischen Größen. - Wesentliche Fortschritte im Entwurf und Betrieb von CMOS-Chip-Systemen, die für diese mechanische Messaufgabe maßgeschneidert sind. Gleichzeitig wurden die Systeme mit Komponenten für den telemetrischen Betrieb ausgestattet. Dieses Ziel konnte nur durch innovative Entwurfskonzepte erreicht werden. - Die Entwicklung eines neuen Betriebskonzepts für piezoresistive Sensoren auf der Basis von Feldeffekttransistoren. Das neue Prinzip ermöglicht eine Erhöhung der Empfindlichkeit um einen Faktor 10. - Die Entdeckung eines neuen, breit anwendbaren Kalibrierprinzips (sogenannte halbblinde Kalibrierung). Dieses ermöglichte die Elimination von Quersensitivitäten aus Multisensorsystemen trotz einer wesentlich vereinfachten Kalibrierprozedur. - Die Entwicklung eines Verstärkers mit digitaler Unterstützung. Durch die digitale Regelung der analogen Verstärkung kann der dynamische Messbereich erweitert werden, wodurch die Charakteristika des Gesamtsystems besser sind, als es die verwendeten Einzelkomponenten erwarten lassen würden. - Die Etablierung grundlegender Daten zur Verbundfestigkeit verschiedener (biokompatibler) Materialkombinationen, welche zukünftigen Projekten als Basis dienen können. - Mit dem in diesem Projekt entwickelten multifunktionalen Messaufbau konnten klinisch direkt verwertbare Daten über die von herausnehmbaren und festsitzenden kieferorthopädischen Apparaturen auf die Einzelzähne applizierten Kraft-/Drehmomentsysteme erhoben werden. - Es wurde ein komplett mit Smart Teeth ausgestattetes Gebiss (sog. Smart Dentition) aufgebaut, mit welchem die derzeit angewandten kieferorthopädischen Behandlungskonzepte auf Einzelzahnniveau evaluiert werden können. Hieraus sind zahlreiche weitere Studien zu erwarten. - Mit der Smart Dentition, kombiniert mit der ebenfalls in diesem Projekt entwickelten benutzerfreundlichen Visualisierungssoftware, steht der kieferorthopädischen Weiterbildung ein innovatives Tool zur Verfügung, mit welchem die angehenden Kieferorthopäden das praktische Handling der Apparaturen mit objektiven Kraft-/Drehmoment-Feedback erlernen können. Das Projekt sorgte sowohl für einige negative als auch positive Überraschungen: Das Ziel des telemetrischen Betriebs von intelligenten Brackets mit klinisch kompatiblen Abmessungen erwies sich als für die Projektlaufzeit zu ambitiös. Die Übertragungsdistanz zwischen Erreger- und Empfängerspule blieb trotz intensiver Anstrengungen auf einige Hundert µm beschränkt, was für die Anwendung am Patienten aufgrund der Dicke kieferorthopädischer Brackets von 2-3 mm nicht genügt. In neuesten, noch unveröffentlichten Untersuchungen konnte jedoch der kontaktfreie telemetrische Betrieb eines vollständig aufgebauten Smart Brackets über eine Distanz (zwischen Slotbereich und Erregerspule) von ca. 1 mm demonstriert werden. Als äußerst positiv sehen wir das Konzept der intelligenten Dentitionen auf der Basis von intelligenten Zähnen. Es gelang uns, solche Zähne mit mechanischer Messfunktion dank der im Rahmen des Projekts entwickelten Sensorchips aufzubauen und über drei Generationen hinweg zu optimieren. - Völlig überraschend war die Entdeckung der halbblinden Kalibrierungsmethode, welche auf den ersten Blick dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheint. Ihre Wirkungsweise konnte jedoch mathematisch und experimentell stichhaltig nachgewiesen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Smart bracket for multidimensional force and moment measurement. J Dent Res 86, 73-78, 2007
  Lapatki B.G., Bartholomeyczik J., Ruther P., Jonas I.E., Paul O.
  
• "CMOS-integrated Sensor Chip for In-plane and Out-of-plane Shear Stress," Procedia Engineering, vol. 5, pp. 1364-1367, 2010
  P. Gieschke and O. Paul
  
• An analysis of the measurement principle of smart brackets for 3D force and moment monitoring in orthodontics. J Biomech 44, 1892-1900, 2011
  Rues S., Panchaphongsaphak B., Gieschke P., Paul O., Lapatki B.G.
  
• “A Telemetric Stress-Mapping CMOS Chip with 24 FET-Based Stress Sensors for Smart Orthodontic Brackets,” 2011 in Proc. International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), Seiten: 108 – 110
  M. Kuhl, G. Gieschke, D. Rossbach, S. Hilzensauer, P. Ruther, O. Paul, Y. Manoli
  
• „A Differential Difference Amplifier with Automatic Gain Selection as Readout Interface for CMOS Stress Sensors in Orthodontic Brackets,” 2011 Proc. Transducers, Seiten: 819 – 822
  M. Kuhl, P. Gieschke, O. Paul, Y. Manoli
  
• Dentition model with a 3D force-moment sensor in each tooth orthodontic applications. 19th Congress of the European Society of Biomechanics (ESB), Patras, Greece, 25.-28. August 2013
  Schmidt F., Panchaphongsaphak T., Kuhl M., Sander C., Manoli Y., Paul O., Lapatki B.G.
  
• Modellgebiss mit 3D-Kraft-/Drehmomentsensorik an allen Zähnen für die kieferorthopädische Forschung und Weiterbildung. 86. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Kieferorthopädie (DGKFO), Saarbrücken, 18.-22. September 2013
  Schmidt F., Panchaphongsaphak T., Kuhl M., Sander C., Manoli Y., Paul O., Lapatki B.G.
  
• „A Wireless Stress Mapping System for Orthodontic Brackets Using CMOS Integrated Sensors,” IEEE J. Solid-State Circ., vol. 48 no. 9, pp. 2191-2202, 2013
  M. Kuhl, P. Gieschke, D. Rossbach, S. Hilzensauer, T. Panchaphongsaphak, P. Ruther, B. Lapatki, O. Paul, Y. Manoli
  
• “An Instrumented Tooth,” in Proc. 2015 28th IEEE Intl. Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Estoril, Portugal, Jan. 18-22, 2015, pp. 736–739
  F. Becker, C. Sander, F. Schmidt, B. Lapatki, and O. Paul
  
• „Novel Instrumented Tooth with Tenfold Increase in Force Resolution,” 2015 Proc. International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers), Seiten: 1105 – 1108
  F Becker, M Kuhl, Y Manoli, O Paul
  
• „Novel Method to Operate Piezo-FET-based Stress Sensor Offers Tenfold Increase in Sensitivity,” in Proc. IEEE Sensors Conf. 2015, Busan, Korea, Nov. 1-5, 2015, pp. 1188-1191
  F. Becker, M. Kuhl, Y. Manoli, O. Paul
  
• Forces and moments delivered by novel, thinner PET-G aligners during labiopalatal bodily movement of a maxillary central incisor: An in-vitro study. Angle Orthod. 86:883-890, 2016
  Elkholy F., Schmidt F., Jäger R., Lapatki B.G
  
• „StressSens: Drahtlose und energieautonome CMOS-integrierte Stressmessung,“ VDE-Kongress 2016. VDE Verl., 2016
  T. Hehn, M. Kuhl, D. Rossbach, B. Folkmer, D. Mintenbeck, Y. Manoli
  
• Forces and moments applied during derotation of a maxillary central incisor with thinner aligners: An in-vitro study. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 151:407-415, 2017
  Elkholy F., Schmidt F., Jäger R., Lapatki B.G.
  
• “Efficient Cross–Sensitivity Compensation in Multisensory Systems by Half-blind Calibration,” Sens. Actuators A – Physical, vol. 257, pp. 154-164, 2017
  F. Becker and O. Paul
  
• “Miniaturized Six-Degree-of-Freedom Force/Moment Transducers for Instrumented Teeth”, IEEE Sensors J., vol. 17 no. 12, pp. 3644-3655, 2017
  F. Becker, R. Jäger, F. Schmidt, B. Lapatki, O. Paul