Конструктивные особенности вращаемых (ротационных) эндодонтических инструментов

Конструктивные особенности любого инструмента в первую очередь определяются целью и способом его применения. Также на особенности конструкции оказывают влияние свойства материала и технологические методы изготовления инструмента.

С другой стороны все вышеперечисленные факторы обусловливают технику (методику) работы с инструментом и спектр задач, которые возможно решить с его помощью.

Количество различных эндодонтических инструментов и их систем огромно. Периодически появляются новые инструменты или модификации уже известных систем. В то же время многие из этих инструментов выходят из употребления. Практикующим врачам подчас нелегко ориентироваться в этом многообразии.

Тем не менее, знание основных параметров эндодонтических инструментов и понимание принципов их работы способны помочь врачу наиболее эффективно использовать преимущества тех или иных инструментов и резко снизить вероятность возникновения ошибок.

Прежде чем приступать к рассмотрению основных конструктивных особенностей эндодонтических инструментов, представляется необходимым уточнить некоторые базовые определения, понятия и термины.

Итак, любой эндодонтический инструмент представляет собой режущий инструмент, предназначенный для механической обработки корневого канала.

Для удобства все эндодонтические инструменты можно условно разделить на две большие группы по способу их применения:

• используемые в ручном режиме;
• используемые при помощи механического привода.

Основные конструктивные элементы первой и второй групп в целом совпадают, отличаются больше параметры этих элементов. В настоящее время вторая группа инструментов по ряду причин, является более популярной и развивается особенно бурно. В связи с этим в данной работе преимущественно будут рассмотрены инструменты, приводимые в движение с помощью механического привода, а точнее эндодонтические инструменты, изготовленные из никель-титанового сплава и работающие в режиме полного вращения. Точное полное название данной группы инструментов звучит как Машинные Ротационные (Вращаемые) Никель-Титановые Эндодонтические Инструменты (от лат.rotatio — кругообразное движение, вращение), однако далее в статье будут использованы сокращенные термины, например, ротационные (вращаемые) эндоинструменты.

В литературе ротационные инструменты, предназначенные для обработки корневых каналов зубов, часто называют эндодонтическими файлами. Термин файл (от англ. file -напильник) обозначает режущий инструмент, производящий удаление материала при возвратно-поступательном движении вдоль обрабатываемой поверхности. Характерным примером такой техники обработки являются движения, производимые при работе файлами Хедстрёма (H-files). При обработке корневого канала ротационными инструментами срезание дентина происходит в результате вращения инструмента. Следовательно, применять такой термин как файл к ротационным инструментам некорректно.

Корректным по отношению к вращаемым эндодонтическим инструментам является термин ример (от англ. reamer — развёртка), обозначающий режущий инструмент с вращательным движением резания, предназначенный для увеличения размеров уже существующего отверстия и повышения точности формы этого отверстия. То есть, такое понятие как «машинный никель-титановый ример» является терминологически верным.

Следует отметить, что в данной работе в обозначении некоторых составляющих эндодонтического инструмента использована терминология, несколько отличающаяся от общепринятой или приводимой в стандартах. С нашей точки зрения, предложенная терминология более точно и логично характеризует конструктивные особенности и функциональное назначение той или иной части эндодонтического инструмента.

Вращаемый эндодонтический инструмент состоит из двух основных частей, каждая из которых выполняет свою специфическую функцию (Рис.1):

• крепежной части;
• рабочей части.

Крепежная часть или хвостовик – это часть инструмента, предназначенная для его установки и крепления в технологическом оборудовании (в наконечнике), посредством которой осуществляется передача момента вращения с привода непосредственно на рабочую часть инструмента.

Как правило, все вращаемые эндодонтические инструменты имеют хвостовик № 20 по ISO или тип 1 по ГОСТу [1]. Хвостовик данного типа имеет на конце лыску и канавку (Рис.1). Посредством этих элементов хвостовика и специального приспособления – фиксатора, расположенного в головке наконечника инструмент жёстко связывается c ротором головки. По стандарту, диаметр такого хвостовика должен быть равен 2,35мм, а его длина не должна превышать 13,5мм [2]. Тем не менее, в разных системах вращаемых(ротационных) эндодонтических инструментов хвостовик может иметь различную длину – от 11 до 15мм.

Как правило, на хвостовик инструмента наносят идентификационные линии (разноцветные поперечные полосы и насечки), которые являются цветовой и/или рельефной кодировкой, указывающей на конусность инструмента и диаметр его верхушки (Рис.1,2). При этом цвет полосы на хвостовике инструмента может не соответствовать размеру верхушки, который кодируется данным цветом в системе ISO, а зачастую является условным и выбирается производителем для более легкого запоминания последовательности использования инструментов благодаря привычным для врача цветовым алгоритмам.

Рабочая часть эндодонтического инструмента непосредственно предназначена для препарирования канала, и состоит, в свою очередь, из нескольких конструктивных элементов, которые функционально разделяются на:

• верхушку;
• режущую часть;
• нережущую часть.

Суммарная длина режущей и нережущей частей определяет общую длину рабочей части инструмента. Именно эта длина обычно указывается на упаковке. Согласно стандарту ISO выпускается четыре варианта эндодонтических инструментов в зависимости от длины рабочей части: 21 мм, 25 мм, 28 мм и 31 мм [3]. Так как стандарт ISO регламентирует параметры только ручных инструментов, ротационные никель-титановые инструменты могут иметь и другую длину рабочей части, например 17 мм, 23 мм или 27 мм.

Нережущая часть — это элемент рабочей части инструмента гладкой цилиндрической формы, располагающийся между режущей частью и хвостовиком (Рис.1). Нережущая часть, как правило, имеет одну или несколько измерительных линий и/или силиконовый ограничитель. И то, и другое служит для контроля так называемой «рабочей длины», на которую инструмент погружается в канал в процессе препарирования.

Верхушка — это элемент рабочей части инструмента, выполняющий направляющую функцию (Рис.1). Верхушка может быть острой или округлой (пулеобразной) формы, в зависимости от чего является:

• активной;
• пассивной.

Активная верхушка инструмента имеет на своей поверхности режущие грани, предназначенные для препарирования дентина или удаления из канала обтурационного материала (Рис.3). Инструмент с активной верхушкой требует особой осторожности при работе с ним, так как существует значительный риск перфорации стенки канала при отклонении инструмента от оси канала вследствие его недостаточной гибкости или при наличии в канале препятствия в виде твердого пломбировочного материала, сломанного инструмента, ступеньки и т. д.

Пассивная верхушка инструмента не имеет на своей поверхности режущих граней и не обладает режущими свойствами (Рис.3). Пассивная верхушка снижает риск отклонения инструмента от оси канала и перфорации стенки корня.

У большинства вращаемых никель-титановых эндодонтических инструментов верхушка пассивная. Активную верхушку имеют некоторые инструменты, предназначенные для удаления из канала обтурационного материала. Как правило, такие инструменты используются при повторном эндодонтическом лечении.

Режущая часть — это элемент рабочей части инструмента с режущими лезвиями, посредством которых и осуществляется механическая обработка корневого канала (Рис.1).

Все важнейшие конструктивные параметры эндодонтических инструментов являются параметрами именно его режущей части и определяют характер взаимодействия инструмента с субстратом, поведение инструмента в канале, методику его применения.

Условно можно выделить первостепенные и второстепенные параметры режущей части. К первостепенным относится такой параметр как нарезка, к второстепенным -конусность, длина и т. д.

Нарезка — это специфическая поверхность определённой конфигурации, которая создаётся на рабочей части инструмента для придания ему режущих свойств. Нарезка, как правило, формируется путём вытачивания профиля инструмента из цилиндрической заготовки — проволоки необходимого диаметра (Рис.4). В процессе вытачивания профиля рядом расположенные участки нарезки формируют режущее лезвие (Рис. 5,6). Лезвием называется клинообразный элемент режущего инструмента, предназначенный для проникновения в субстрат и отделения стружки.

Большинство известных никель-титановых инструментов имеют спиралевидную нарезку. Нарезка эндодонтического инструмента характеризуется следующими параметрами (Рис.5):

• углом нарезки;
• шагом нарезки;
• глубиной нарезки;
• формой нарезки.

Углом нарезки ω называется угол между осью инструмента и касательной к линии режущей кромки – b (Рис.5).

Шаг нарезки – это расстояние между кромками или вершинами двух рядом лежащих режущих лезвий, измеренное вдоль оси инструмента (рис.5). Чем меньше шаг, тембольше площадь контакта поверхности инструмента со стенками канала, что является нежелательным, так как повышает торсионную нагрузку на инструмент и способствуетвкручиванию его в канал [5]. Подробно эффект вкручивания будет рассмотрен ниже. Шаг нарезки может быть постоянным или изменяться по длине инструмента.

Глубина нарезки – это половина максимального значения разности между наружным и внутренним диаметрами инструмента ((Dн-Dв)/2) (рис.6,7). Определения понятийнаружного и внутреннего диаметров, а также их физический смысл будут рассмотрены ниже.

Глубина и шаг нарезки определяют ее объем. Объем нарезки – это вторичный параметр, характеризующий суммарный объем углублений между соседними режущими лезвиями на один шаг нарезки (рис.7). Углубления служат для накопления субстрата, срезанного со стенок канала во время препарирования, например, дентинной стружки или пломбировочного материала. Чем больше объем нарезки, тем большее количество субстрата может быть срезано со стенок корневого канала за единицу времени и тем глубже инструмент способен продвинуться в канал.

В процессе препарирования корневого канала может возникнуть ситуация, когда объем нарезки на определенном участке инструмента целиком заполняется субстратом. В этом случае резко уменьшается возможность отделения новой стружки, и эффективность резания падает. Если вращательно-поступательное движение инструмента в канале продолжается, это приводит к значительному увеличению торсионной нагрузки, которая на него оказывается, и в конечном итоге приводит к поломке инструмента в канале.Своевременный контроль над заполнением объёма нарезки позволит сохранить эффективность резания инструмента. Это, в свою очередь, способствует уменьшению времени,которое требуется для обработки канала, и, следовательно, снижает вероятность циклической перегрузки инструмента при работе в искривленном канале.

Из вышесказанного следует, что если нарезка инструмента неглубокая, объём между лезвиями заполняются опилками чрезвычайно быстро, и режущая эффективность такого инструмента невысока. О глубине, объёме и конфигурации нарезки можно судить по поперечному сечению инструмента (Рис.7).

В свою очередь форма нарезки определяет такие важные конструктивные особенности инструмента, как:

• наружный Dн и внутренний D_в диаметры;
• форма режущего лезвия.

Наружный диаметр инструмента Dн – это отрезок прямой, проходящий через ось инструмента и соединяющий две произвольные точки окружности, проведённой черезрежущие кромки инструмента (Рис.6,7). Размер инструмента по системе ISO, например, 08, 10, 15, 20 и т.д. – это его наружный диаметр в самом начале режущей части или D₀ (Рис.14). Именно этот размер указывается на упаковке.

Внутренний диаметр инструмента D_в – это отрезок прямой, проходящий через ось инструмента и соединяющий две произвольные точки окружности, проведённой через наиболее глубокие точки нарезки (Рис.6,7). Фактически эта окружность, диаметром D_в, определяет размер центральной части инструмента – сердцевины, очень важного параметра инструмента от которого зависит его гибкость (Рис.6,8).

Соотношение внешнего или наружного (Dн) и внутреннего диаметра или диаметра сердцевины (Dв) – конструктивный параметр, существенно влияющий на устойчивость инструмента к циклическим и торсионным нагрузкам. В случае, когда D_в приближается к Dн, повышается прочность инструмента и устойчивость к торсионной нагрузке, но в то же время снижается его гибкость и устойчивость к циклическим нагрузкам. Кроме того, при увеличении соотношения Dв/Dн, уменьшается глубина нарезки, а значит снижается эффективность резания.

Соотношение Dв/Dн легко вычислить на поперечном сечении инструмента. Значение данного параметра наравне с некоторыми другими, важно учитывать при оценке возможности использования того или иного инструмента в зависимости от предполагаемых условий его работы в канале. Так, при работе в искривлённом канале, то есть когда вероятность циклической перегрузки инструмента высока, необходимо выбрать инструмент с меньшим значением Dв/Dн. При наличии условий, связанных с повышенной торсионной нагрузкой (узкие, облитерированные, но одновременно относительно прямые каналы), следует отдать предпочтение инструменту с большим значением Dв/Dн. Соотношение Dв/Dн может изменяться вдоль длины инструмента в зависимости от изменения формы нарезки.

В настоящее время производители эндодонтических инструментов не предоставляют подробной информации о своей продукции; в инструкции и на упаковке указывается только размер инструмента по ISO (то есть значение D₀) и его конусность. Хотя величина внутреннего диаметра (Dв), определяющего размер сердцевины или, лучше такой параметр, как Dв/Dн могли бы служить для врача важным дополнительным критерием при выборе инструмента для решения конкретной клинической задачи.

Форма режущего лезвия– это совокупность поверхностей и углов режущего лезвия (Рис.8). Основными элементами режущего лезвия являются [4]:

• передняя поверхность;
• задняя поверхность;
• режущая кромка.

Передняя поверхность А_γ – это поверхность лезвия инструмента, контактирующая в процессе резания со срезаемым слоем субстрата и стружкой.

Задняя поверхность Аα – это поверхность инструмента, обращенная к обработанной поверхности субстрата.

Режущая кромка K является линией пересечения передней и задней поверхностей режущего лезвия.

Характеристиками инструмента, определяющими его режущие свойства, являются углы режущего лезвия. Для определения углов режущего лезвия необходимо сначала определить плоскость, в которой будут производиться измерения этих углов, а значит необходимо задать систему координат. Для определения положения какой-либо точки в пространстве (в данном случае произвольной точки режущей кромки) система координат должна состоять из трех плоскостей, относительно которых и определяются углы режущего лезвия (Рис.10) и параметры движения инструмента [6]:

• основной плоскости;
• плоскости резания;
• главной секущей плоскости.

Основная плоскость Pv – координатная плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки перпендикулярно к направлению ее движения при резании(или касательной к направлению движения). Для ротационного эндодонтического инструмента движением резания будет вращательное движение, следовательно, основная плоскость строится перпендикулярно касательной к траектории вращения рассматриваемой точки инструмента – линии a (Рис.9).

Плоскость резания Pn – координатная плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки и перпендикулярная к основной плоскости (Рис.9). В этой плоскости находится вектор линейной скорости движения при резании – вектор V (Рис.10).

Главная секущая плоскость Pτ – координатная плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки и перпендикулярная к линии пересечения основной плоскости и плоскости резания (Рис.9). В данном случае, главная секущая плоскость будет совпадать с плоскостью поперечного сечения инструмента (Рис.10). Именно в этой плоскости определяют основные углы режущего лезвия:

• задний угол;
• угол заострения;
• угол резания;
• передний угол.

Для подробного рассмотрения углов режущего лезвия воспользуемся схемами, изображёнными на рисунках 11 и 12.

Задний угол или угол просвета α – это угол между задней поверхностью лезвия (или касательной к ней) и плоскостью резания (Рис.11,12). Величина заднего угла влияет насилу трения, возникающую в процессе резании, а также на степень погружения инструмента в субстрат. Чем меньше угол просвета, тем труднее происходит погружение лезвия в дентин, эффективность резания при этом снижается.

Угол заострения β – это угол между передней и задней поверхностями лезвия (или угол между касательными к ним) (Рис.11,12). Угол заострения определяет прочностные характеристики режущего лезвия: чем он больше, тем прочнее лезвие.

Угол резания δ – это угол между плоскостью резания и передней поверхностью лезвия (или касательной к ней) (Рис.11,12). Данный угол терминологически не следует путать с передним углом γ, что часто встречается в публикациях по данной тематике. Значение этого угла определяется суммой значений заднего угла и угла заострения (δ = α + β). Значение угла резания линейно связано со значениями силы и мощности резания. Оно устанавливается на этапе проектирования инструмента в зависимости от условий резания и материала,из которого изготавливается инструмент.

Передний угол γ – это угол между передней поверхностью лезвия (или касательной к ней) и основной плоскостью в рассматриваемой точке режущей кромки (Рис.11,12).Принято считать, что передний угол бывает либо отрицательным (негативным), либо положительным (позитивным), либо нейтральным, то есть равным 0. Знак переднего угла определяет характер взаимодействия инструмента с субстратом.

Для определения знака переднего угла лезвия необходимо вначале описать пространственное взаимодействие различных элементов в системе инструмент-субстрат в процессе резания. С физико-математической точки зрения такого рода взаимодействия принято описывать через векторы.

Любая поверхность в какой-либо определённой точке может быть описана нормалью к этой поверхности. Нормаль к поверхности в данной точке – это вектор, проходящий через эту точку и перпендикулярный к касательной плоскости в данной точке поверхности. Так, передняя поверхность лезвия может быть описана нормалью к передней поверхности лезвия в точке резания (вектор N на рис.13,14), а поверхность резания может быть описана внешней нормалью к плоскости резания в этой же точке (вектор n на рис.13,14). Таким образом, с помощью трех векторов – нормали к передней поверхности лезвия, нормали к плоскости резания и вектора скорости (вектор V на рис.13,14) – может быть полностью описан характер взаимодействия всех элементов системы в данной точке резания. Угол θ между нормалями N и n описывает характер взаимодействия между передней поверхностью лезвия и поверхностью резания. Разберемся в этом вопросе подробнее и определим, как он связан со знаком переднего угла.

Отрицательный передний угол (Рис.11,13). Чтобы определить характер взаимодействия, спроецируем вектор N на направление вектора n, получим проекцию, которую можно выразить как N٠cosθ. В данном случае угол θ между нормалями N и n оказывается больше 90º (при повороте по кратчайшему пути от вектора N к вектору n), при этом cosθ будет отрицательным, поскольку косинус угла большего 90º имеет знак минус. По формулам приведения получаем что:

N·cosθ = N·cos(90º+γ) = N·(-sin γ) = N·sin(-γ)

Таким образом, видно, что передний угол γ является отрицательным. Проекция вектора N при этом направлена в отрицательную сторону вертикальной оси, то есть вертикальная компонента нормали к передней поверхности лезвия — вектор Ny — направлен от субстрата (в системе координат y-x на Рис.13 направлен в отрицательную область ординаты y). Поскольку вертикальная компонента силы нормального давления субстрата на резец будет направлена так же как вектор Ny, инструмент в процессе резания будет как бы выталкиваться из материала. В случае отрицательного (негативного) переднего угла γ резание не агрессивно, инструмент скорее скребет поверхность, торсионная нагрузка невелика и во многом определяется силой, действующей на инструмент со стороны оператора вдоль направления канала.

На сегодняшний день все выпускаемые ротационные никель-титановые эндодонтические инструменты и их системы, несмотря на общий принцип строения, отличаются другот друга по ряду конструктивных параметров и свойств. В то же время, объективная и исчерпывающая информация, касающаяся этих различий, в доступной литературе отсутствует. Информация, предоставляемая фирмами-производителями, достаточно ограничена, носит рекламный характер и направлена на то, чтобы обратить внимание врача на какие-то отличия очередного инструмента от предыдущего. Причем зачастую полностью отсутствуют сведения о значении данных различий и их влиянии на свойства инструмента.

Такие словосочетания, как "переменная конусность", "положительный режущий угол" или "ассиметричный дизайн поперечного сечения", сами по себе не несут смыслового значения, если врач не обладает базовыми знаниями относительно конструктивных параметров эндодонтических инструментов. Несмотря на кажущуюся сложность этих знаний, без них понять, что представляет собой тот или иной инструмент и предположить характер его поведения в канале практически невозможно. Также невозможно и оценить, как те или иные параметры одного и того же инструмента взаимодействуют между собой, определяя его свойства. Информация такого рода абсолютно необходима для успешного применения в практике вращаемых эндодонтических инструментов.

Знание физического смысла основных конструктивных параметров и соотнесение его с особенностями дизайна того или иного инструмента дают врачу возможность подобрать наиболее подходящий инструмент со свойствами, необходимыми для каждой конкретной ситуации. Понимание этих различий необходимо для оценки возможностей коррекции недостатков конкретных инструментов путем совершенствования техники работы с ними либо ограничения показаний к их применению.

Данный подход позволит уменьшить число возможных ошибок возникающих в процессе препарирования корневого канала и сократить количество осложнений.

Кроме того, необходимы дальнейшие лабораторные и клинические исследования, касающиеся сравнительной оценки основных конструктивных параметров наиболее распространенных систем ротационных никель-титановых эндодонтических инструментов, направленные на повышение эффективности и безопасности работы с ними.