歯科用超音波スケーラーによる歯周ポケット内のキャビテーションの数値的な検討

Cavitation in a periodontal pocket by an ultrasonic dental scaler: A numerical investigation.

抄録

歯周ポケットとは、歯肉の下にある歯に囲まれた空間や穴のことです。歯周ポケットは、感染症の原因となる細菌で満たされ、組織や骨、歯の喪失を引き起こす可能性があります。歯周病治療において、超音波スケーラーの先端が振動することで発生するキャビテーションは、歯周ポケットの清掃に重要な役割を果たします。そこで，有限要素法に基づくABAQUSを用いて，穴状に単純化した歯周ポケット内でスケーラーを振動させる場合の数値解析を実施した．シミュレーションでは，スケーラー先端の振動と変形，スケーラー周囲の水流，キャビテーション形成の間の3次元，非線形，過渡的な相互作用を考慮した．数値モデルの検証は、非拘束液体中で振動するスケーラーの実験データと比較することにより行われ、スケーラーの自由端における変位とスケーラー先端付近のキャビテーションパターンは、優れた一致を見せた。穴の中で振動するスケーラーについて、穴の容積、テーパー比（円形開口部と穴底部の半径比）、スケーラー先端の穴への浸漬深さのパラメトリックスタディを実施した。また、発生するキャビテーションの量は、穴の総体積に対する穴の中に占めるキャビテーションの体積の割合であるキャビテーション密度（またはボイド率）で評価します。数値計算の結果、穴内のキャビテーション密度は、穴の体積が小さくなり、テーパ比が大きくなるにつれて増加することがわかった。このことから、スケーラの設計に工夫を加え、洗浄時の穴の閉塞効果を高めることで、洗浄効果を高めることができると推察されます。スケーラーを穴の上に置いても、穴の中でキャビテーションが発生し、浸漬深さが深くなるにつれて増加する。

Periodontal pockets are spaces or holes surrounded by teeth under the gum line. These pockets can become filled with infection-causing bacteria resulting in tissue, bone, and tooth loss. Cavitation produced by the oscillating tip of dental ultrasonic scalers plays a significant role in routine periodontal therapy to clean these areas. Numerical studies were conducted for a scaler vibrating in a periodontal pocket which was simplified to a hole, using ABAQUS based on the finite element method. The simulations consider the three-dimensional, nonlinear, and transient interaction between the vibration and deformation of the scaler tip, the water flow around the scaler and the cavitation formation. The numerical model was validated by comparing results with experimental data for a scaler vibrating in an unbounded liquid, the displacement at the free end of the scaler and the cavitation pattern near the scaler tip displaying excellent agreement. A parametric study for a scaler vibrating in a hole has been carried out in terms of the volume of the hole, the taper ratio (the radius ratio between the circular opening and bottom of the hole), and the immersion depth of the scaler tip in the hole. The amount of cavitation generated is evaluated by the cavitation density (or the void fraction) which is the ratio of the volume of the cavitation occupied in the hole to the total volume of the hole. Numerical results indicate that the cavitation density in the hole increases with the decreasing hole volume and the increasing taper ratio. It is inferred that cleaning effects could be increased if some modifications to the scaler design could be made to increase the blocking effect of the hole during the cleaning process. Cavitation is observed in the hole even if the scaler is placed above the hole and increases with the immersion depth.