Histoire de l'aménagement opératoire du cabinet dentaire

1950-1960. Les dix glorieuses des techniques de taille des tissus dentaires :
de l’Air abrasion aux super grandes vitesses

Depuis la découverte de l’énergie électrique, son application à l’usage dentaire s’est manifestée sous plusieurs formes :

le moteur alimenté par batterie est attenant à la pièce à main ; c’est le principe présenté en 1871 par le visionnaire de génie que fut George Green.

 

le moteur alimenté par batterie est intégré au tour à pédale de Morrison tel que l’a conçu Telschow en 1888,

 

 

le moteur à suspension murale alimenté par batterie est relié à la pièce à main par un flexible ; c’est le moteur à double induction présenté par S.S.White en 1884,

 

le moteur alimenté par le réseau est intégré à l’équipement comme sur l’Unit Forsyth commercialisé par S.S.White en 1914 où le flexible est remplacé par le système de transmission par bras articulés et poulies de Constant Doriot.

L’implantation des réseaux d’électricité qui commence à se généraliser vers les années 1900 se traduit par une meilleure fiabilité des moteurs électriques.

Le Master Unit 
et le Motor chair
de SS White

 

La période de 1939 à 1945 se manifeste par le perfectionnement des équipements déjà existants sans présenter de véritable nouveauté. En 1945, S.S.White commercialise le "Master Unit" déjà catalogué en 1939 ; il est doté du traditionnel moteur électrique boule et des deux bras articulés avec le système classique de transmission par corde et poulies suivi de la pièce à main.

Un cabinet Ritter à
Weinheim Bad

Montage des Units Ritter
à Karlsruhe Durlach

Il en est de même pour la société Ritter qui présente un équipement qui se différencie essentiellement par l’automatisme d’éjection du bloc d’instruments de la colonne de l’Unit.

Une réaction s’affirme cependant lors de la décennie des années 1950 qui connaît une remise en cause des techniques traditionnelles de fraisage et l’introduction de méthodes alternatives pour la taille des tissus dentaires.

Emile Huet
(1874-1944)

Ce dentiste belge est le premier à reconnaître le bénéfice de l’augmentation de la vitesse des instruments rotatifs pour améliorer l’efficacité du fraisage et le confort du patient. (1)

Le moteur
de Huet

L'embrayage et la
pédale de contact

En 1911 il développe un moteur électrique "en doublant les pôles de l’inducteur". Il obtient ainsi une vitesse de rotation de 10 000 tours minutes au lieu des 3000 tours des moteurs alors en usage.

Il réalise aussi un embrayage électromagnétique qui amène un arrêt instantané de la fraise en la désolidarisant du moteur, une pédale de contact verticale et un rhéostat mural de réglage des vitesses.

Cependant, les pièces à main n’étant pas conçues pour de telles vitesses, subissent un échauffement pouvant aller jusqu’au blocage mécanique des coussinets.

Les nouveaux contre-angles à grandes vitesses

Ce n’est qu’à partir de 1950 que les mérites des travaux d’Emile Huet seront reconnus avec le perfectionnement des nouveaux contre-angles à entraînement classique par engrenages (2)

En Europe, Kavo innove avec le modèle "Supra" où la queue de la fraise et l’engrenage de la tête sont supportés par deux roulements à billes miniatures qui assurent une vitesse maximum de 40 000 tours-minute.

Le Contre-angle 70
de Microméga

Le Kavo Supra

Micro-Méga présente à son tour le contre-angle N°70 avec paliers lisses en carbure de tungstène et fraises à serrage par friction. L’arbre de transmission, doté d’un engrenage surdimensionné, permet d’atteindre 80 000 tours minutes.

La firme américaine Midwest introduit le modèle "Hy-drive" à roulement à billes en utilisant les fraise conventionnelles de 2,34 mm mais avec un système de lubrification par pression ; ce qui permet d’atteindre la vitesse maximum de 125.000 tours-minutes.

Micro-Méga obtiendra les mêmes performances avec le contre-angle N°120 en améliorant les spécifications du modèle N°70.

Le système "Imperator" de Drendel et Zweiling

 Ensemble des pièces
détachées de l'Imperator

Coupe de l'Imperator 3

En 1951 la firme de Drendel et Zweiling présente l’ "Imperator" conçu surtout pour réduire les vibrations des instruments rotatifs. Avec ce nouveau concept ; la queue de la fraise est solidaire d’un support en bronze et de l’engrenage de l’arbre de transmission du contre-angle.

Ce procédé permet d’obtenir une rotation concentrique, c’est-à-dire sans balourd des instruments rotatifs. Les vibrations sont ainsi réduites et la vitesse du contre-angle peut atteindre 20 000 tours minute. Ce procédé est associé à l’utilisation très performante des instruments diamantés de Drendel et Zweiling où les particules diamantées sont incrustées par un procédé galvanique sur des pointes en alliage métallique très dur.

La découverte de la fabrication des fraises en carbure de tungstène en 1917 est due à Rudolf Funke. Mais leur commercialisation ne débutera que vers 1947.Le profile des fraises est alors modifié en réduisant le nombre des lames de huit à six. Cependant ces vitesses ne permettent pas encore de bénéficier des qualités optimum de ce nouveau métal

L’événement du début des années 1950 : la technique "airbrasive"

 Un cabinet en 1955

Sur la photo du cabinet de l’auteur réalisée lors de sa création en 1955, on remarque à gauche la présence d’un appareil imposant et inhabituel. Il s’agit de l’ "Airdent" destiné à pratiquer la technique «airbrasive".

Ce nouveau concept, inventé par le Dr Robert B.Black de Corpus Christi, Texas, est présenté pour la première fois dans le Dental Cosmos en 1945 et commercialisé par S.S.White à partir de 1951. (3)

L'Airdent Unit
de S.S.White

La technique "airbrasive" est un procédé non mécanique de réduction des tissus dentaires basé sur l’énergie cinétique de particules abrasives d’alumine de 28 microns en moyenne propulsées avec une très grande vélocité sur la dent sous l’effet de la pression de gaz carbonique.

Son action abrasive est plus efficace sur l’émail que sur la dentine mais elle est sans action sur la dentine cariée et les tissus mous.

Propriétés physiques
de l'Airdent Unit

La projection du jet d’alumine sur la dent se traduit par l’absence totale de vibration et d’échauffement alors que la pression exercée dans la cavité n’est que de 14 grammes.

Position de la buse pour effectuer une coupe en droite ligne

Angulation de la buse pour ouvrir la cavité

Ces deux schémas illustrent l’action du jet d’alumine sur la dent suivant la distance et l’orientation de la buse.

 William Mann

Sur cette photo de la Bibliothèque Nationale de France du 11 octobre 1949, le Dr William Mann d’Ann Harbor prépare une cavité avec l’ "Airdent".

On remarque que la digue est posée pour éviter la dispersion de la poudre dans la bouche et protéger les dents voisines et que Charlotte Ginsburg, son assistante, tient l’extrémité du gros tuyau reliée à la puissante aspiration qui récupère la poudre d’alumine et les débris dentaires.

Présentation du
matériel SS White

L’acquisition d’un "Airdent" était associée à un stage de formation obligatoire.

L’absence de sensation tactile nécessitait un entraînement préalable pour acquérir un contrôle essentiellement visuel des différentes étapes de la préparation.

Notre expérience personnelle pendant 5 ans de la technique "airbrasive" nous permet d’affirmer qu’il était possible de tailler des cavités de Black pour amalgame sans instrument rotatif. Pour leur finition, des instruments à main étaient néanmoins nécessaires. Par contre, pour les cavités d’inlays et les préparations coronaires, on avait recours aux instruments rotatifs pour terminer les préparations.

Par ailleurs la faible pression des 14 grammes du jet d’alumine était néanmoins suffisante pour déterminer des réactions douloureuses ; ce qui nécessitait le plus souvent de faire des anesthésies loco-régionales.

L’encombrement et le prix élevé de l’appareil ainsi que la généralisation de l’usage de la turbine révolutionnaire de Borden vers 1960 jetèrent le glas du développement de l’ "Airdent" dont la commercialisation fut alors définitivement interrompue.

Le "Cavitron" et l’usage des ultrasons comme seconde technique alternative à l’usage des tailles de cavités.

Cavitron
Dental survey
novembre 1956

Primitivement le "Cavitron" est un appareil à ultrasons destiné à la préparation des cavités. (4) Breveté par la "Cavitron Equipment Corporation", Nielsen, Richard, et Wolcott présentent l’appareil à la profession en 1955.

Ce générateur ultrasonique est doté de plusieurs formes d’inserts interchangeables activés au sein d’une boue d’alumine avec une fréquence de 25 000 vibrations par seconde et une amplitude de 10 microns.

Après plusieurs années d’expérimentations ce procédé est abandonné comme moyen de préparation des cavités.

Les raisons de cet échec se rapportent à la lenteur et au manque de contrôle de l’action abrasive des inserts, aux éventuels dommages de la pulpe consécutifs à l’échauffement important des pointes abrasives et à la nécessité d’avoir recours aux instruments rotatifs.

Secondairement l’appareil sera adapté à la prophylaxie dentaire pour l’éviction de tartre et des calculs sériques. Cette application des ultrasons conserve encore aujourd’hui la faveur des praticiens.

La turbine hydraulique "Turbo-jet"

Turbo Jet

En 1953 Robert Nelsen et le National Bureau of Standart de Washington DC introduisent la première turbine hydraulique qui peut opérer à 60 000 tours-minute.

La turbine, composée de 6 pales et de 2 roulements à billes, est située dans la tête du contre-angle. Elle est alimentée par une pompe à eau qui débite 6 litres à la minute.

Le contre-angle est fixé à un tuyau souple à double circuits comprenant une arrivée d’eau conduisant à la turbine et un retour de l’eau à la pompe.

Le fonctionnement de la turbine est silencieux et présente un couple important. (5)

Turbo Jet
Dental survey
mai 1960

Le modèle commercialisé en 1955 par "Bowen.and Co" sous le nom de "Turbo-Jet" est doté d’une pièce à main et d’un contre-angle qui peuvent atteindre les 100 000 tours minute.

Il comprend un nouveau sélecteur de vitesse qui assure un meilleur contrôle tactile et un bras qui permet une rotation de 380°.

Une source d’électricité est la seule connexion nécessaire au fonctionnement de l’appareil. Le meuble, qui renferme le moteur, la pompe à eau et le réservoir d’eau, peut ainsi passer d’une pièce à l’autre.

Après avoir remporté un certain succès le "Turbo-jet" décline à cause de l’encombrement de l’appareil et de la concurrence des turbines à air.

Les contre-angles à entraînement par courroie

1. Le  Page-Chayes

Pages-Chayes
Dental survey
octobre 1956

C’est en 1955 que Richard Page introduit un contre angle à transmission par courroie commercialisé par "Chayes Dental Instrument C°." (6) Sur ce modèle les engrenages sont remplacés par une courroie unique qui circule sur des poulies à roulements à billes dans le corps du contre-angle et sur une poulie attenante à deux roulements à billes miniatures située au sein même de la tête du contre-angle.

Les 100 000 tours obtenus par ce mécanisme mettent ce modèle au sommet des systèmes à grandes vitesses mais avec un fonctionnement très bruyant.

 Pages Chayes
modèle Twin 909

Les modèles Pages-Chayes 909 et Twin 909 sont introduits en 1960. Ce dernier modèle, qui constitue un équipement relativement complet avec deux moteurs, une pièce à main, un contre-angle, permet d’obtenir des vitesses échelonnées de 1500 à 180 000 tours.

La puissance rotative est transmise par une courroie aux poulies du corps du contre-angle et des bras articulés.

Le "Page-Chayes" bénéficie des nouveaux roulements à billes miniatures de grande précision qui seront aussi adoptés plus tard sur l’ "Airotor" de Borden.

Cette innovation nécessite la fabrication d’un nouveau type de fraise plus courte de diamètre de 1,6 mm avec système d’attache par friction et gaine de polyéthylène.

Le graissage des roulements effectué en usine réduit l’entretien à un strict minimum.

2. Le "super speed" de Kerr

C’est un modèle apparenté au "Pages-Chayes". Capable aussi d’atteindre 150 000 tours, il se différencie principalement par le système d’attache à ressort de la fraise.

3. Le "R.T. 150 de Drendel et Zweiling

Le RT 150 de D.Z.

Le modèle RT 150 de D.Z. se singularise par un système d’entraînement à deux courroies en nylon qui multiplie par 5 la vitesse obtenue au slip-joint en obtenant une vitesse pouvant atteindre 140 000 tours.

Les systèmes d’entraînement par engrenages et par courroies subissent à leur tour un déclin progressif concurrencé par la meilleure maniabilité des turbines à air.

Développement des contre-angles à turbine à air

Le Schéma de
Léonard de Vinci

Le premier concept de turbine alimenté par de l’air apparaît sur un croquis de Léonard de Vinci. Il représente un tourne broche dont la force motrice est fournie par une turbine alimentée par de l’air chaud qui s’élève d’un feu de bois. (7)

Le tour pneumatique
de Green.

En 1868 George F. Green dépose le brevet d’un tour pneumatique comprenant deux schémas représentant une vue externe et une coupe du mécanisme. (8)

D’après le libellé du brevet, l’air comprimé est fourni par un soufflet manoeuvré au pied.

Le mécanisme comprend deux rotors connectés à un système de transmission par engrenages sur lequel la fraise est fixée.

Ainsi le dentiste peu théoriquement, pour la première fois, utiliser ses deux mains pour travailler en bouche.

Le succès de ce tour est de courte durée car Green présente deux ans plus tard un micro-tour électrique révolutionnaire alimentée par une batterie.

La turbine à air de Straub

Malgré le succès du tour à pédale de Morrison présenté en 1871, Straub dépose en 1874 le brevet d’une turbine destinée à une alimentation par eau ou par air qui se différencie du système de Green par un mécanisme composé d’un rotor de turbine composé de 13 lames. (9)

Bien que la profession ne prête pas beaucoup d’attention au concept de Staub on peut considérer cette turbine à air comme la première à usage dentaire.

La turbine d’Iseman

En 1941 John W. Iseman dépose un brevet d’une pièce à main actionnée par une turbine à air prétendue tourner à 25 000 tours-minute.

Elle est composée d’un rotor inhabituel en forme de cylindre doté d’une série de trous circulaires par où l’air pénètre en agissant sur les pales de la turbine

Le "Dentalair" de Norlen

En 1948 Ivar Norlen présente en Suède une turbine à air, le "Dentalair" Elle sera brevetée aux Etats-Unis en 1952 et fabriquée par Atlas Copco, un spécialiste des compresseurs à air comprimé. (10)

Le"Dentalair" est présenté au Congrès de Paris de 1956.

Dentalair
Dental Survey
août 1959

Comme sur le Turbo-Jet, les contre-angles du porte-instruments sont reliés à un tube en plastique souple qui remplace le système peu maniable des bras supportant cordes et poulies.

Une spécificité du "Dentalair"concerne la position de la turbine située à l’extrémité du tuyau souple d’alimentation d’air en connexion avec un slip-joint qui permet l’interchangeabilité des pièces à main.

Norlen Dental air

Coupe du rotor

Une capacité importante d’air comprimé de 80 litres par minute est nécessaire pour activer la turbine. La vitesse de rotation de 120 000 tours minute obtenue chute à 50 000 tours au niveau de la fraise.

La turbine est supportée avec deux roulements à billes dont la force motrice est transmise à la pièce à main et à la fraise par une série d’engrenages

Cette belle réalisation sera rapidement éclipsée par les turbines à air de J.V.Borden.où le rotor est situé dans la tête du contre-angle.

La turbine à air de John Walsh

John Walsh et H.F.Simmons, ingénieur du département de physique d’Otago, avaient constaté dès 1945 que le seuil maximum de sensibilité en rapport avec les vibrations du fraisage correspondait à une vitesse de rotation de 42000 tours.

En 1949, John Walsh poursuit des recherches en Nouvelle Zélande avec la collaboration du "Dominion Physical Laboratory" de Wellington, sur un contre angle activé par une turbine miniature à air comprimé avec deux roulements à billes située dans la tête même du contre-angle et dont la fraise peut atteindre la vitesse de 60 000 tours minutes. (11)

Ce prototype breveté en 1950, présente cependant de nombreux problèmes : l’échauffement de la pièce aboutit rapidement au blocage des roulements à billes. Un sifflement strident et le rejet d’une grande quantité d’air dans la bouche du malade constituent les deux autres difficultés posées par ce prototype.

Afin de poursuivre les travaux de recherche nécessaires à l’aboutissement de résultats positifs, Walsh essaye d’intéresser l’Amalgamated dental Co et Ritter à ses travaux. Le manque d’intérêt manifesté par ces fabricants l’amène à mettre fin en mars 1952 au projet de commercialisation de sa turbine

L’ "Airotor"de Borden

Lorsque John Walsh cessa ses travaux de recherche sur sa turbine, il ignorait que des études avaient abouti dès 1951 à la réalisation d’un roulement à billes miniature qui aurait pu résoudre ses problèmes. (12)

Une importante étape dans le concept de la turbine à air est franchie lorsque John Victor Borden et l "’American Dental Supply Co"présentent en septembre 1957 au Congrès de Rome de la F.D.I. la turbine "Airotor" dont la plage de vitesse se situe entre 5.000 et 350 000 tours-minute.

Cette étonnante performance est rendue possible grâce à la présence d’un rotor dont les roulements à billes miniatures de grande précision contenus dans la tête du contre-angle avaient déjà été utilisés dans le "Page-Chayes"

Ces roulements sont lubrifiés en permanence par une vaporisation d’huile entraînée par le courant d’air comprimé. dont l’échauffement de la pièce est compensé par un spray continu au sein même de la tête du contre-angle et qui assure par surcroît le refroidissement de la fraise et de la dent.

La réduction de taille de la tête de ce contre-angle en rapport avec ces nouveaux roulements miniatures nécessite, comme dans le "Page-Chayes", l’adoption d’un nouveau standard de fraise de taille plus réduite et dont le diamètre passe de 2,35 mm à 1,6 mm ; La fixation de cette fraise est de même réalisée par friction dans une gaine de polyéthylène.

Coupes des turbines
de Walsh, Nelsen et Borden

Les problèmes posés par ces premières turbines se rapportent à :

  • la faiblesse de leur couple; dont la moindre pression sur la dent réduit considérablement la vitesse de rotation.

  • la fragilité des roulements

  • le mode de lubrification des roulements avec lequel l’huile est inhalée par le praticien,
  • le problème majeur de la stérilisation du corps du contre-angle

Air rotor de SS White

Les trois fabricants, Dentsply international, S.S.White et Ritter vont d’abord diffuser l’ "Airotor" : par adjonction de la boite de contrôle sur le bras de la tablette de l’Unit.. De nouveaux modèles apparentés sont ensuite commercialisés par Densco, Midwest, Star et Weber.

En 1960 un nouveau modèle de l’"Airotor" est commercialisé. Les améliorations portent sur:

  • la réduction de la taille de la tête du contre-angle,

  • la diminution du bruit de la turbine,

  • l’amélioration du système de refroidissement avec un spray à deux jets,

  • l’adoption du graissage périodique.

Par contre le problème de la stérilisation ne sera résolu qu’au cours de ces dernières années.

Au début des années 1960 les premières turbines à coussin d’air font leur première apparition.

Gross (13) affirme que les roulements à gaz ont déjà été utilisés sur les gyroscopes des fusées allemandes V2 en 1940.

Conclusion

Il est tout à fait exceptionnel qu’une période aussi courte ait donné lieu à de tels progrès technologiques appliqués à la taille des tissus dentaires.

En l’espace de 40 ans la vitesse de rotation des contre-angles est passée de 4000 à 350 000 tours minutes. Ces supers grandes vitesses ont non seulement réduit le temps d’exécution des préparations, mais elles ont aussi supprimé les dangers constitués par le dérapage des fraises et le fréquent blocage des disques utilisés à faible vitesse de rotation.

Le nombre des fraises et des pointes diamantées utilisées a considérablement diminué car les instruments de petites tailles, dorénavant essentiellement employés ont une application plus universelle.

Quant aux indications des instruments à main elles sont encore plus restreintes.

Tous ces éléments conduisent, par voie de conséquence, à la réduction de la tension nerveuse et de la fatigue. du praticien. La suppression des vibrations de basses fréquences et de grandes amplitudes propre aux super grandes vitesses et l’utilisation de l’Air abrasion contribuent à réduire l’appréhension des patients.

Plusieurs auteurs ont démontré que le créateur de la turbine à air dans la tête de contre-angle est bien John Walsh. Son expérience malheureuse nous révèle pourtant qu’un nouveau concept est voué à l’échec si le support technologique et les moyens financiers qu’ils impliquent ne sont pas disponibles.

L’air-abrasion, victime autrefois du succès de la turbine Borden, a trouvé un nouveau souffle avec l’ère de la micro-dentisterie, à tel point que près de 20% des dentistes américains l’utilisent aujourd’hui. Néanmoins l’Air abrasion reste encore une technique alternative des instruments rotatifs.

Bibliographie
1 HUET E Amélioration à la technique opératoire dentaire par l’usage des moteurs électriques à grande vitesse. L’Odontologie, 13 août 1913, (16) : pp. 147-159. BRABANT H Emile Huet et la Fondation Documentation dentaire, Rev Med Brux 1966 ; (44), pp. 39-41.
2 G.A. MORAND et R.R. STEPHENS  The development and application of modern methods in cavity preparations, v High speed transmission systems Br.Dent.J.1960; (109), pp. 155-159. STEPHENS RR The dental handpiece- a history of its development, Australian Dental Journal 1986; 31 (3), pp .165-180
3 BLACK RB. Airbrasive: some fundamentals.J. Amer. Dent Assoc. 1950 41 (6), pp. 701-710
4 OMAN CR, APPLEBAUM E Ultrasonic cavity preparation. Progress report J. Amer. Dent. Assoc 1955; 50 (4), pp. 414-417
5 NELSEN RJ, PELANDER CE , KUMPULA JW. Hydraulic turbine contre-angle handpiece. J Amer. Dent. Assoc 1953 ; 47 (3), pp. 324-329.
6 MORRANT GA. STEPHENS RR. The development and application of modern methods in cavity preparation. V-High speed transmission systems. Part 2, Brit. Dent; J. 1960; 109 (5), pp. 155-159. SRURDEVANT BARTON et BRAUER, Art and Science of operative dentistry, New-York Mc Graw-Hill book Co, 1968
7 DYSON JE, DARVELL BW. The development of the dental high-speed air turbine handpiece. Part 1. Australian Dental Journal 1993; 38 (1), pp. 49-58.
8 idem
9 idem
10 NORLEN I. "Dentalair unit" Actua Odont Scand 1957 ; 15 (3) pp. 199-210.
11 CHERRY C, GIBBONS M,RONAYNE J, The origins of the air turbine handpiece. Brit Dent J 1974; 136 (11), pp. 469-472.
12 MYERS M PROFILE: Dr John V. Borden, inventor of the air drill. University of Illinois Chicago (UIC), Winter 1995. DYSON J. E; DARVELL B.W The development of the high-speed air turbine handpiece. Part 2 Australian Dental Journal 1993; 38 (2), pp. 131-143.
13   GROSS W, gas lubrication. Int. Sci. Tech. 1963, (13), pp.32-39

 

 

 

 
     

 

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