Odontoiatria e pneumatica

La pneumatica non è solo automazione, esistono svariate applicazioni dell’aria compressa che, in teoria, dovrebbero esulare dalle competenze tradizionali, ma che nella  realtà ne rappresentano un esempio calzante. Un esempio in tal senso è dato dal settore  odontoiatrico: turbine ad alta velocità, aria medica, trattamento e generazione dell’aria compressa.

Poltrona odontoiatrica standard.

L’impiego più classico dell’aria compressa, conosciuto da tutti, in uno studio dentistico,  è  la pulizia effettuata con getti d’aria, in alcuni casi mista ad acqua, per ripulire l’area di lavoro, così come si utilizza una pistola ad aria compressa in un’officina meccanica. La soluzione banale di un’equazione non sempre da un risultato valido: nel caso valutato di seguito, vi sono altre soluzioni particolari alla nostra equazione, delle quali la più nota è la turbina. In campo odontoiatrico vengono usate frese diamantate per effettuare operazioni di scavo nel dente; si tratta di alberi del diametro di circa 1 mm la cui estremità reca microscopici taglienti realizzati in materiali a elevata durezza. Esse agiscono come una fresa convenzionale ruotando a velocità di gran lunga superiori; l’elevata velocità di rotazione fa sì che le vibrazioni trasmesse alla mandibola del paziente siano minime riducendo il disagio dell’operazione.

Alta velocità di rotazione

Fig. 1a – Turbina per uso odontoiatrico: all’estremità in alto a sinistra è visibile la testa angolata di 90° contenente il rotore.
Fig. 1b – Testa di turbina separata dall’impugnatura per manutenzione.

Una turbina per applicazione odontoiatrica (fig. 1) ruota a una velocità tra i 350.000 e i 400.000 giri al minuto, velocità che sotto carico, durante le operazioni di fresatura, scende a 250.000. A queste velocità il problema del sostentamento del rotore (fig. 2) diventa particolarmente importante: la stabilità del sistema rotante dipende infatti dalla rigidezza dei supporti e dallo smorzamento che essi riescono a dare evitando l’instaurarsi di fenomeni di vibrazione.

Fig. 2 – Particolare di rotore di turbina odontoiatrica.

Le turbine ad aria compressa utilizzano due sistemi di sostentamento, basati su cuscinetti tradizionali o pneumatici. Il primo sistema è stato di fatto il primo a essere applicato in ordine temporale ma è stato accantonato per un periodo per poi essere riportato in auge; si tratta dei convenzionali cuscinetti a sfere che erano montati sui primi modelli di trapano odontoiatrico. Con l’avvento delle turbine il sistema di supporto del rotore è rimasto legato ai cuscinetti a sfere fino all’avvento della tecnologia pneumostatica. La crescita delle velocità di rotazione poneva problemi di durata dei cuscinetti a sfere tradizionali per risolvere i quali si è iniziato a utilizzare i cuscinetti ad aria compressa dando vita a una seconda tipologia di turbine. L’uso del cuscino d’aria, chiamato anche sostentamento pneumatico, permette di ottenere elevate velocità di rotazione grazie alla coppia resistente minima caratteristica di questi sistemi; dopo una fase iniziale di accelerazione la turbina si stabilizza sui cuscinetti e gira senza contatto con alcuna parte del supporto. Questo sistema ha permesso in alcune applicazioni di raggiungere e superare i 500.000 giri al minuto.

I cuscinetti a sfere sono ritornati a equipaggiare le turbine con l’avvento dei materiali ceramici, sfere molto leggere con durezza elevata permettono di costruire cuscinetti miniaturizzati in grado di affrontare le velocità estreme tipiche di queste applicazioni. Allo stato attuale della tecnologia vi sono quindi due sistemi alternativi che sono compatibili ma che richiedono una regolazione della pressione di alimentazione; si assiste comunque a un declino delle turbine a sostentamento pneumatico in favore dei cuscinetti volventi ceramici.

Per tutte le turbine, indipendentemente dal tipo di sostentamento del rotore, è possibile regolare la velocità tramite una laminazione in mandata del fluido, in pratica uno spillo va a strozzare il condotto di alimentazione dell’aria. Questo sistema di regolazione sposta leggermente il punto di lavoro della turbina riducendo di una modesta quantità il consumo d’aria portandola a lavorare in una zona a rendimento minore.

Le turbine odontoiatriche a cuscinetti a sfere sono alimentate a una pressione di 2,5 bar che sale a 4,5 per quelle dotate di sostentamento pneumatico: la portata assorbita è simile ma la differente richiesta di pressione impone una taratura non sempre agevole in fase di cambio strumento. Il consumo d’aria si attesta sui 60 litri al minuto per una potenza di circa 20 W. La pneumatica tradizionale è affiancata dall’elettronica con una presenza sempre maggiore, nel campo dell’attuazione di potenza il progresso nella tecnologia degli azionamenti brushless ha portato questi piccoli motori estremamente potenti al successo nel campo della sostituzione dei componenti pneumatici. Le caratteristiche decisamente elevate di velocità e accelerazione tipiche dei motori brushless unitamente al loro peso contenuto e alla facilità con cui a oggi è possibile controllarne il moto hanno portato questi motori a essere competitivi con l’attuazione pneumatica. Questa competizione si gioca anche nel campo odontoiatrico dove sono disponibili frese azionate a motore elettrico capaci di raggiungere i 200.000 giri al minuto. In linea teorica è possibile effettuare tutte le lavorazioni con un sistema a motore elettrico ma nella pratica la tecnologia pneumatica risulta vincente dal punto di vista della manovrabilità e della leggerezza.

Altri usi dell’aria compressa

La turbina non è il solo esempio di utilizzo della potenza pneumatica in campo odontoiatrico: sono infatti utilizzati dei dispositivi analoghi a pistole per sabbiatura chiamati sbiancatori e non mancano i sistemi ablatori del tartaro alimentati ad aria anche se datati. Lo sbiancatore è un dispositivo in grado di proiettare una polvere abrasiva sulla superficie del dente in modo da effettuare una pulizia localizzata molto efficace. Dal punto di vista funzionale è identico a una comune pistola per sabbiatura con un ugello in grado di aspirare una quantità controllata di polvere e di mescolarla all’aria compressa; la differenza fondamentale sta nelle dimensioni più contenute che lo rendono un oggetto poco più grande di una penna a sfera con un piccolo serbatoio laterale.

Fig. 3a – Ablatore del tartaro – modulo motore.
Fig. 3b – Ablatore del tartaro – utensile installato sul modulo motore.

Sebbene sia obsoleto sopravvive il sistema ablatore del tartaro ad aria compressa. Si tratta di un oggetto analogo a un martello pneumatico (fig. 3), anch’esso di dimensioni contenute, che aziona un ago in grado di rimuovere per vibrazione il tartaro dai denti. Con una frequenza di oscillazione non superiore ai 6,5 kHz è stato soppiantato dal più veloce ablatore piezoelettrico in grado di raggiungere frequenze ultrasoniche che risultano meno fastidiose per il paziente. Il sistema pneumatico, in virtù del suo minor costo a parità di potenza erogata, viene utilizzato nella chirurgia a ultrasuoni per il taglio dell’osso svolgendo una funzione quasi identica all’ablatore del tartaro.

Aria pulita e asciutta

Le attrezzature finora descritte richiedono un’alimentazione di vario tipo, oltre all’inevitabile aria compressa per l’alimentazione di potenza è necessario far arrivare all’end effector una piccola quantità di acqua e aria di servizio nonché illuminare la zona di lavoro. Acqua e aria di servizio vengono mescolate da una serie di ugelli che provoca la nebilizzazione di quest’ultima e la proietta nella zona di lavoro della fresa.

E’ necessario un apporto costante di acqua in modo da contenere la temperatura raggiunta dalla superficie del dente entro i 40 °C per evitare danni ai tessuti. Nel caso in cui si utilizzino utensili elettrici è necessario anche portare la corrente necessaria al motore.

Fig. 4 – Attacco standard del tipo MidWest comprendente le connessioni elettriche e pneumatiche.

Tutte queste forniture di energia sono veicolate attraverso un cavo che termina in un particolare connettore denominato MidWest (figg. 4 e 5) che è diventato uno standard per il mercato degli utensili odontoiatrici.

Fig.5a – Particolare dell’attacco rapido di una turbina.
Fig. 5b – Interfaccia tra attacco standard MidWest e attacco rapido del tipo coassiale.

In questo connettore sono veicolate tutte le forniture ed è compreso un condotto di scarico per l’aria di alimentazione della turbina che viene convogliata lontano dal paziente e scaricata in atmosfera tramite un filtro silenziatore. L’aria compressa che alimenta questi sistemi deve possedere particolari caratteristiche di purezza e di umidità; le caratteristiche prestazionali delle turbine (che richiedono tolleranze di lavorazione molto strette) e la varietà di utilizzi, unitamente all’impiego medicale a contatto con la persona richiedono aria estremamente pulita, secca ed esente da contaminazioni di qualsiasi tipo, dai batteri agli idrocarburi alle polveri.

Fig. 6 – Compressore di alimentazione dell’impianto pneumatico corredato di deumidificatore e filtro.

In ambiente odontoiatrico si utilizzano compressori (fig. 6) a secco dotati di prefiltro in ingresso e stadio deumidificatore-essiccatore in uscita che invia l’aria ai successivi stadi di purificazione con filtri batteriostatici in grado di trattenere anche i contaminanti di origine biologica. I compressori sono del tipo oil-less o addirittura oil-free in grado di impedire qualsiasi forma di contatto tra olio e aria, questo per evitare che l’aria stessa possa veicolare tracce di idrocarburi. Alcuni componenti, in primis le turbine, devono comunque essere lubrificati e questo avviene giornalmente utilizzando un apposito iniettore (dotato di un attacco standard del tipo descritto in precedenza) che deposita nei condotti di alimentazione della turbina la quantità di lubrificante necessaria all’uso giornaliero. L’aria viene infine distribuita alle postazioni tramite un circuito ad anello che svolge anche la funzione di serbatoio.

Fig.7 – Aspiratore per il circuito a vuoto.

Complementare alla generazione dell’aria compressa è il sistema di aspirazione centralizzato (fig.7): infatti, per funzionare correttamente, ogni postazione di lavoro deve essere “alimentata” anche con un impianto a vuoto in grado di assorbire 300 litri al minuto per garantire la pulizia della zona di lavoro per aspirazione. Il sistema a vuoto presenta alcuni problemi perché si trova a lavorare con fluidi potenzialmente pericolosi per rischio infettivo, gli impianti a vuoto devono prevenire e arrestare l’eventuale riflusso di materiale aspirato in caso di malfunzionamento e garantire uno scarico in sicurezza dello stesso. Si prevedono inoltre procedure di lavaggio e disinfezione molto precise da effettuarsi prima dell’arresto dell’aspiratore. Gli aspiratori sono generalmente elettrici ance se non mancano casi dove vengono usati eiettori alimentati dall’aria compressa.

Gas medici

I sistemi per la distribuzione di aria compressa e vuoto in campo ospedaliero rientrano nelle normative che regolano gli impianti dedicati ai gas medicali. La legislazione relativa all’uso dell’aria complessa in campo odontoiatrico è tuttavia poco chiara.

Si devono distinguere due casi: gli studi privati e la sanità pubblica. Nel secondo caso i dispositivi sono automaticamente soggetti alle normative europee in quanto facenti parte di una struttura ospedaliera. Il caso particolare riguardante gli studi dentistici privati è quanto mai controverso e allo stato attuale sembra esistere un vuoto normativo. La normativa di riferimento per l’aria compressa a uso ospedaliero risulta essere la EN737-3 che recepisce la direttiva CEE 93/42. Tali normative fanno riferimento a strutture ospedaliere e bisogna valutare se lo studio odontoiatrico sia o meno soggetto alla stessa. A titolo di esempio si riportano in figura 8 i tre tipi di connessioni per gas utilizzate più frequentemente, si nota la perfetta incompatibilità degli attacchi per prevenire connessioni errate.

Fig. 8 a – Serie di attacchi a standard ospedaliero per i gas di uso comune: aria compressa (a).
Fig. 8 b – Serie di attacchi a standard ospedaliero per i gas di uso comune: ossigeno (b).
Fig. 8 c – Serie di attacchi a standard ospedaliero per i gas di uso comune: vuoto (c).

La buona prassi pone rimedio a questo quesito puramente giuridico, infatti, la maggior parte dei fornitori di materiale pneumatico a uso odontoiatrico cura di fornire sistemi rispondenti alle normative più stringenti per quanto riguarda rumorosità, umidità dell’aria e contenuto di particelle e olio richieste dalla farmacopea europea.

[box title=”EN 737-3: Impianti di distribuzione dei gas medicali – Impianti per gas medicali compressi e per vuoto” color=”#063c93″]La direttiva 93/42/CEE riguardante i dispositivi medici è stata pubblicata sulla Gazzetta ufficiale delle Comunità Europee il 12 luglio 1993 ed è stata recepita in Italia con il decreto legislativo n. 46 del 24 febbraio 1997. L’entrata ufficiale in vigore è avvenuta poco più di un anno dopo ovvero il 14 giugno 1998. Il comitato europeo di normazione CEN, su incarico della Commissione europea e dell’Associazione europea per il libero commercio, ha emanato quindi la norma EN 737-3 che supporta le richieste essenziali della direttiva 93/42/CEE. Questa norma considera i requisiti fondamentali per l’installazione, il funzionamento, le prestazioni, la documentazione, le prove e l’accettazione degli impianti di distribuzione dei gas medicali compressi e del vuoto, generalmente installati negli ospedali e nei centri di cura, per garantire la sicurezza dei pazienti. La UNI EN 737-3 si applica agli impianti che distribuiscono nelle reti dell’ospedale i seguenti gas: • ossigeno • protossido di azoto (anestetico) • aria per respirazione • aria strumentale • anidride carbonica • miscela ossigeno/protossido di azoto • azoto strumentale • vuoto Tra gli obiettivi della norma vi è quello di assicurare che non vi sia la possibilità di errore che porti all’impiego di un gas differente da quanto previsto. La norma richiede che sia utilizzata componentistica specifica per ogni tipo di gas e che le prese di distribuzione siano chiaramente identificate e incompatibili l’una con l’altra. La norma disciplina anche la costruzione e l’esercizio delle centrali di alimentazione, introduce requisiti per i sistemi di controllo e di sicurezza.[/box]

Ringraziamenti

L’autore intende ringraziare il dott. Alessandro Peiretti e tutto lo staff della All Dental di Torino per la preziosa opera di erudizione sulla tecnologia odontoiatrica che ha reso possibile la scrittura di un articolo inusuale su un utilizzo della pneumatica poco eclatante ma sempre attuale. Si ringrazia anche lo Studio Macrì di Torino per la pazienza accordata e l’aiuto indispensabile per entrare in contatto con questo mondo nuovo.

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