CC BY
31
4
ЛАЗЕРНЫЕ И БИОМЕДИЦИНСКИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
УДК 535:621.373.826:539
АБЛЯЦИЯ ТВЕРДЫХ ТКАНЕЙ ЗУБА ЧЕЛОВЕКА ИЗЛУЧЕНИЕМ УЬЕ: Ег ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
А.В. Беликов, М.В. Иночкин, А.В. Скрипник, Л.В. Хлопонин, В.Ю. Храмов, К.В. Шатилова
Разработан макет УЪЕ: Ег микролазера с диодной накачкой. Исследованы особенности воздействия излучения разработанного макета микролазера с длиной волны генерации 2,84 мкм на твердые ткани зуба человека. Обнаружены эффекты побеления, карбонизации и абляции твердых тканей зуба человека в результате лазерного воздействия. Определены пороги этих эффектов. Установлено, что микротвердость дентина зуба человека может быть увеличена более чем на 20% в результате многократного воздействия лазерных импульсов с энергией ниже порога побеления. Ключевые слова: УЪЕ: Ег лазер, диодная накачка, эмаль, дентин, абляция, микротвердость.
Введение
Эрбиевые лазеры с ламповой накачкой успешно используются для обработки эмали и дентина [1]. Современный этап развития лазерных технологий в стоматологии связан с разработкой и исследованием применения эрбиевых микролазеров с диодной накачкой. В настоящем исследовании в качестве активной среды таких микролазеров предлагается использовать кристалл УЬБ: Ег, позволяющий получать генерацию в диапазоне длин волн 2,66-2,84 мкм [2].
В работах [3-6] были проведены исследования воздействия на эмаль и дентин зуба человека излучения УЬБ: Ег лазера с различными длинами волн. В [3, 4] описаны основные процессы, происходящие при взаимодействии лазерного излучения трехмикронного диапазона с твердыми тканями зуба человека. Определены пороги разрушения эмали и дентина излучением УЬБ: Ег лазера с длиной волны 2,81 мкм. В [5] был определен порог разрушения дентина излучением УЬБ: Ег лазера с длиной волны 2,66 мкм. В [5, 6] проводилась обработка твердых тканей зуба, а именно - создание текстур и микроканалов излучением УЬБ: Ег лазера с диодной накачкой и длинами волн генерации 2,66 и 2,81 мкм. Было показано, что эффективность удаления эмали и дентина излучением УЬБ: Ег лазера с X =2,66 мкм в 2 раза меньше, а с X =2,81 мкм - в 3 раза меньше эффективности удаления биотканей излучением УЛв: Ег лазера с ламповой накачкой (X =2,94 мкм). В [6] была продемонстрирована возможность создания микроканалов в дентине с аспектным соотношением более 4.
В настоящей работе описан макет УЬБ: Ег микролазера с диодной накачкой и длиной волны генерации 2,84 мкм. Исследованы эффекты, возникающие в результате воздействия излучения УЬБ: Ег лазера на эмаль и дентин зуба человека, определены пороги этих эффектов. Проведено исследование изменения микротвердости дентина вследствие многократного воздействия УЬБ: Ег излучения.
Материалы и методы
В эксперименте использовались зубы человека, принадлежащие одной возрастной категории людей (25-40 лет), удаленные по ортодонтическим показаниям. До начала эксперимента образцы хранились в 0,1%-ом водном растворе тимола не более двух недель при температуре +4°С в защищенном от света месте.
Воздействие на биоткань проводилось излучением одномодового УЬБ: Ег лазера с диодной накачкой, работающего в режиме свободной генерации, на длине волны генерации 2,84 мкм. Энергия Ер и
длительность тр одиночного лазерного импульса для УЬБ: Ег (X =2,84 мкм) изменялись посредством варьирования тока накачки /няк и длительности импульса накачки тнак . В работе использовались три величины импульса накачки: 300, 650 и 1000 мкс, при частоте следования импульсов 3 Гц. На рис. 1 представлены осциллограммы УЬБ: Ег лазерных импульсов, полученные при различном токе и длительности импульсов диодной накачки. При длительности импульса накачки тнак =300 мкс и токе накачки
4ак =2-20 А длительность импульса УЬБ: Ег излучения тр составляла 160-290 мкс, энергия импульса УЬБ: Ег излучения Ер - до 2 мДж; при хнак =650 мкс и /няк = 2-16 А тр составляла 430-650 мкс, Ер - до 3,4 мДж; при тнак =1000 мкс и /няк =2-12 А хр составляла 720-1010 мкс, Ер - до 4 мДж.
В работе измерялись пороги эффектов, возникающих в биоткани в результате лазерного воздействия с различной энергией и длительностью УЬБ: Ег лазерного импульса. Под порогом в данном случае
понималась минимальная энергия YLF: Er лазерного импульса, при которой возникал эффект. В исследовании непосредственно перед экспериментом на поверхности эмали и дентина формировалась плоская площадка при помощи алмазного диска. Лазерная обработка тканей зуба производилась в одноимпульс-ном (Np =1), неконтактном режиме, без внешнего водяного охлаждения. Лазерное излучение фокусировалось на поверхность биоткани в пятно диаметром порядка 200 мкм по уровню e2. После однократного воздействия импульса YLF: Er лазера биоткань смещалась, а следующее однократное воздействие проводилось уже в новую область поверхности образца. После каждого воздействия ток накачки изменялся на 1 А. Оценка состояния поверхности эмали и дентина зуба человека после лазерного воздействия осуществлялась с помощью оптического микроскопа AxioScope A1 (Carl Zeiss). Фотографирование проводилось при помощи камеры AxioCam lCml (Carl Zeiss).
Рис. 1. Осциллограммы импульсов YLF: Er лазера, типичных для различных токов и импульсов накачки, используемых в настоящем исследовании: хнак =300 мкс (а); хнак =650 мкс (б); тнак =1000 мкс (в)
а
б
в
В работе исследовалось влияние излучения УЬБ: Ег микролазера на микротвердость дентина корня зуба. В этой части работы авторы производили воздействие на дентин зуба человека в многоимпульсном режиме (Ыр =10, 55, 100, 150 и 200), неконтактно, без внешнего водяного охлаждения. Параметры лазерного излучения были следующими: плотность энергии лазерного излучения 6,0±0,1 Дж/см2, тр =270 мкс, частота следования импульсов - 3 Гц. Предварительно на поверхности дентина формировалась плоская площадка при помощи алмазного диска. На поверхности такой площадки проводилось измерение микротвердости по методу Виккерса интактного дентина при нагрузке 100 г. Для таких измерений использовался микротвердомер «ПТМ-3М» (ОАО «ЛОМО»). Затем на этой поверхности с помощью УЬБ: Ег микролазера создавалась текстура. Общий размер текстуры ~ 400*400 мкм (5*5 точек). Расстоя-
ние между центрами элементов в текстуре составляло ~ 80 мкм. Далее в месте воздействия проводилось измерение микротвердости обработанного дентина при нагрузке 100 г.
Результаты и обсуждения
В результате экспериментов было установлено, что воздействие излучения УЬБ: Ег лазера (X =2,84 мкм) на эмаль зуба человека приводит к появлению двух эффектов: побеление и абляция (рис. 2, а, б), а на дентин - трех эффектов: побеление, абляция и карбонизация (рис. 2, в-д). Эффект по-беления связывается с тем, что на биоткань воздействует лазерный импульс с энергией, недостаточной для разрушения и выноса материала (абляции эмали или дентина), но достаточной для изменения ее рассеивающих свойств, происходящих в результате испарения воды, возникновения микротрещин, переориентации кристаллов гидроксиапатита и т.д.
Зависимости порогов эффектов, возникающих в результате воздействия на эмаль или дентин зуба человека одиночного импульса УЬБ: Ег лазера от длительности лазерного импульса, представлены на рис. 3. Следует отметить, что сокращение длительности импульса излучения приводит к снижению порога.
Результаты измерения микротвердости (НУ) дентина после многоимпульсной обработки излучением УЬБ: Ег лазера представлены на рис. 4. Изменение микротвердости ДНУ рассчитывалось в соответствии с выражением
НУ -НУ
ДНУ =--Е, ,100,
НУинт.
где НУинт - микротвердость интактного дентина; НУвоз - микротвердость дентина после воздействия УЬБ: Ег лазера. Видно, что после воздействия на дентин в многоимпульсном режиме Ар=150 микротвердость дентина возрастает на 20-25%.
На рис. 5 показаны фотографии отпечатков от микротвердомера до и после лазерного воздействия на дентин. Среднее значение длины ребра отпечатка до лазерного воздействия при 150 импульсах составило 60±2 мкм, после лазерного воздействия - 54±2 мкм.
в г д
Рис. 2. Эффекты, возникающие в результате однократного воздействия излучения YLF: Er лазера на эмаль и дентин зуба человека: побеление эмали (Ер =1,82 мДж, гр =970 мкс) (а); абляция эмали
(Ер =4,01 мДж, г =1010 мкс) (б); побеление дентина (Ер =0,71 мДж, тр =275 мкс) (в); абляция дентина
(Ер =1,49 мДж, гр =290 мкс) (г); карбонизация дентина (Ер =3,33 мДж, гр =990 мкс) (д)
Т-1-1
200 400 600 800 1000 тр, мкс
тр, мкс
-4— порог побеления: - порог абляции: —- порог карбонизации. а б
Рис. 3. Зависимость порогов эффектов побеления, карбонизации и абляции от длительности импульса
YLF: Er лазера ( N =1): эмаль (а); дентин (б)
■ - интактныи дентин; ■ - дентнн после лазерного воздействия, а б
Рис. 4. Результаты измерения микротвердости дентина до и после многоимпульсного воздействия излучением У1_Р: Ег лазера: результаты абсолютных измерений микротвердости (а); изменение микротвердости после лазерного воздействия (б)
50 мкм
I-1
■ГШ ■■ 11
50 мкм
h
H
а б
Рис. 5. Фотографии отпечатков от микротвердомера на поверхности дентина зуба человека: интактный дентин (а); после воздействия излучения У1_Р: Ег лазера (б)
Заключение
Исследованы особенности воздействия излучения УЬБ: Ег микролазера (X =2,84 мкм) с диодной накачкой на эмаль и дентин зуба человека. Установлено, что однократное воздействие излучения данного лазера способно вызвать в эмали такие эффекты, как побеление и абляция, а в дентине - побеление, карбонизация и абляция. Были определены пороги наблюдаемых эффектов. Установлено, что сокращение длительности лазерного импульса приводит к снижению любого из порогов. Многократное Лр=150 воздействие излучения УЬБ: Ег лазера на интактный дентин зуба человека с плотностью энергии 6,0±0,1 Дж/см2, длительностью импульса порядка 270 мкс и частотой следования импульсов, равной 3 Гц, приводит к повышению микротвердости дентина более чем на 20%.
Литература
1. Coluzzi D.J., Convissar R.A. Atlas of laser applications in dentistry. - Quintessence Publishing Co, 2007. -220 p.
2. Иночкин М.В., Назаров В.В., Сачков Д.Ю., Хлопонин Л.В., Храмов В.Ю. Динамика спектра излучения Er: YLF-лазера в импульсно-периодическом режиме работы // Оптический журнал. - 2010. - Т. 77. - № 7. - C. 8-13.
3. Belikov A.V., Erofeev A.V., Shumilin V.V., Tkachuk A.M. Comparative study of the 3 цш laser action on different hard tooth tissue samples using free running pulsed Er-doped YAG, YSGG, YAP and YLF lasers // Proc. of SPIE. Dental Applications of Lasers. - 1993. - V. 2080. - P. 60-67.
4. Altshuler G.B., Belikov A.V., Erofeev A.V. Laser treatment of enamel and dentine by different Er-lasers // Proc. of SPIE. - 1994. - V. 2128. - P. 273-281.
5. Беликов А.В., Скрипник А.В., Шатилова К.В. Сравнительное исследование параметров элементов текстур, сформированных излучением YAG: Er и YLF: Er лазеров на поверхности твердых тканей зуба человека // Материалы 14-ой Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике (5-8 октября 2010 г.). Проблемы оптической физики и биофотоники. - Саратов: Новый Ветер, 2010. - С. 20-26.
6. Беликов А.В., Скрипник А.В., Струнина Т.В., Шатилова К.В. Исследование процессов воздействия оптического излучения на биологические ткани и элементы лазерных систем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 4 (74). - С. 107-111.
Беликов Андрей Вячеславович
Иночкин Михаил Владимирович
Скрипник Алексей Владимирович
Хлопонин Леонид Викторович
Храмов Валерий Юрьевич
Шатилова Ксения Владимировна -
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, доцент, meddv@grv.ifmo.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, m_inochkin@mail.ru Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, доцент, alesch_skrypnik@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, l_khloponin@yahoo.com Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, khramov@grv.ifmo.ru Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, kshatilova@mail.ru
