CC BY
20
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив Серия Г. Медицина, фармация и дентална медицина т.ХХ1. ISSN 1311-9427 (Print), ISSN 2534-9392 (On-line). 2017. Scientific works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series G. Medicine, Pharmacy and Dental medicine, VoLXXI. ISSN 1311-9427 (Print), ISSN 2534-9392 (On-line). 2017.
ПРОМЕНИ НА ТЕМПЕРАТУРАТА И КОЕФИЦЕНТА НА ПОГЛЪЩАНЕ НА ЕНЕРГИЯТА ПО ВРЕМЕ НА ЛАЗЕРНО ОБЛЪЧВАНЕ НА ТИТАНОВИ ИМ1ШАНТИ. СРААНИВЕЛЕН
АНАЛИЗ
Иван Начков*, Пламен Загорчев**, Мария Денчева***, Стелла Христова****, Георги Томов*, Никола Стаменов* * Катедра „Пародонтология и ЗОЛ", ФДМ-Пловдив, МУ - Пловдив ** Катедра „Медицинека физиииФ биоЕ„зика", ФФ, МУ-Пловдив ***Катедра „Образна и „раинт дна гновтиаа^ФДМ, МУ-Кафии ** ** Център за интегрираиа деииална ме„идина-ставана, ТДМ,
му-Софиа
CHANGES IN THE TEMPERATUM! AND THE COEFICIENT OF ABSORBTION DURING LASER IRRADIATION OF TITANIUM
IMPLANTS. COMPARATIVE ANALYSIS Ivan Nachkov*,Plamen Zagorchev**, MariaDenchsva^gSaella Hrieiopa****, Georgi Tomov*, NikolaSaamenov*
* Denarementof Peemdo ntology andorsl dieeEses, I^^^^l^ty o0 dental
medicine, Medicaimniversity-Plnveiev
* * DEpaetmenO oVMvdivalnhytlc and Facseiy of ph armacy,
Modisa1 Uaiaemty-Ptov^v *** De^aünen1 of vmadina a ndoral dia gnostic Faseky of deatal me^icine,
Medfca1 Uninersiïy-Sofia *VO* С aetee onetegndte a dental meseaineftvv1nee( Faculty of t^^eUel nivdkine, MU-Sofia
Abstract. INTRODUCTION: The term perimplant disease describes the biological complications in the implant dental medicine. It includes periimplant mucositis and periimplantitis. AIM: In real time to measure the temperature changes and the absorbtion level of laser energy during irradiation using two types of lasers. RESULTS AND DISCUSSION: During the interaction between the laser beam and the substance the main processes are reflection, omission, absorbtion and and distraction. We focus mainly on the reflection ability of the titanium implant. It turned to be very important from the observed thermal effects It gives explanation about the low absorbtion of the infrared (warm) laser beams in the volume of the implant and in the adjacent tissue. The extreme increase of the temperature in the implant body will inevitably lead to increase in the temperature of the implant interface which is a natural process of heating. The warming of the bone tissue
above the biologic limit of 47 ^ for a minute leads to necrotic changes which causes rejection of the wind screwed/helical/spiral implant. The use of different types of lasers in the treatment protocol of implants should be in accordance with the thermal phenomena during the irradiation. Conclusion: Er:YAG lasers have better physio therapeutic features. The physio biologic parameters with wave length 2940nm provide optimal physiological conditions to the tissues around the implant. Also you can work on defocused and non contact mode. The increase in temperature of CO2 laser with wavelength 10600nm is under the biologic border but the temperature has the tendency to increase if there is longer exposure. Besides the laser can cause limited necrosis in the area of the treated tissues. The design of the tip does not allow subgingival adaptation when working subgingivally.
Въведение: Терминът периимплантатно заболяване е сборен и описва биологичните усложнения в имплантологичната дентална медицина. Той включва периимплантатния мукозит и периимплантит. Пародонталните заболявания като пародонтит и пери-имплантит са свързани с грам-отрицателни анаероби. Пери-имплантитът се определя като възпалителна реакция, свързана със загуба на кост в тъканите около функционално остеоинтегриран имплантат (Albrektsson et al., 1994) и се счита за основен рисков фактор за по-късния провал на зъбните имплантати. Въпреки че все още не е установено клиничното определение за пери-имплантит (Froum et al., 2012), той е свързан с различни степени на загуба на кост, дълбочина при сондиране по-голяма от 4 mm, и кървене и / или гноен ексудат при сондиране (Roos-Jansaker et al., 2006).Въпреки че патогенната микрофлора е основната причина за пери-имплантит, ятрогенни фактори като лошо позиционираните имплантати, излишъците от фиксиращите цименти и свръхконтурираните възстановявания могат да ускорят заболяването. Пери-имплантитът е остро възпаление, което прогресира по-дълбоко и по-бързо около зъбни имплантати, отколкото в съседните естествените зъби (Lindhe et al., 1992), и показва по-широко разпространение при пациенти с хронични пародонтити (De Waal et al., 2013). Допълнителни рискови фактори възникват от злоупотреба с никотин, неконтролиран диабет, липса на достатъчно гингивална тъкан и незадоволителна хигиена на устната кухина (Shumaker et al., 2009). Значението на заболяването може да бъде оценена от факта, че общата честота на пери-имплантит варира от 0 до 6,47% за период на наблюдение от 5 години (Rodrigo et al., 2012) и от 5,8 до 16,9% за период на наблюдение >10 години (Simonis et al., 2010). Широко прието е, че микробната колонизация върху имплантати и зъби следва същия модел (Leonhardt et al., 1999). Съобщава се, че по време на костна деструкция при пери-имплантит, се установява комплекс от микрофлора, наподобяваща тази при напреднал пародонтит (Esposito et al., 2012). Редица автори (Mombelli et al., 1995) заключават, че същите предполагаеми пародонтални патогени, идентифицирани в остатъчни пародонтални джобове, също така колонизират имплантати след 3 и 6 месеца от имплантацията, а предаването на бактерии от зъб към имплантатни повърхности се потвърждава в изследвания за динамиката на колонизацията (Heitz-Mayfield et al., 1995).
Микроорганизмите,свързани с хроничните и агресивните форми на пародонтит,включват Aggregatibacter actinomycetemcomitans,Porphyromonas
gingivalis,Tannerella forsythia,Treponema denticola и др. (Report, 1996). Тези микробни видове се наблюдават и при пери-имплантит (Van de velde et al., 2009).
В последните години са предложени няколко схеми за поддържане и терапевтични стратегии (в т.ч. механични, химични).По отношение на въздействието на пародонтопатогените,анти-инфекциозният режим е важен елемент от всяко лечение на пародонталните и пери-имплантитни заболявания.Широко използвани са антисептици на базата на хлорхексидин диклюконат (Cosyn et al., 2007), а при по-тежките случаи се
препоръчват антибиотици (van Winkelhoff et al., 2009). Развитието на резистентност и различните странични ефекти на медикаментите определят търсенето на алтернативи.
Лазерите поради бактерицидното си действие и отлична тъканна аблация (Deppe et al., 2001) се сочат като едно от най-обещаващите средства за лечението на отхвърлянето на имплантатите (Sculean et al., 2005). Скорошни in vitro проучвания показват, че от енергийна гледна точка за този лечебен процес са подходящи само три типа лазери от инфрачервения диапазон: СО2 (въглерод диоксиден), диоден и Er:YAG (erbium:yttrium-aluminium garnet) поради специфичного им взаимодействие с титановия имплантат (Schwarz et al., 2003).Всички те се характеризират с различни дължини на вълните. Изследванията на редица автори не дават точна информация коя дължина е най-ефективна.Това е важен фактор,на който следва да се обърне внимание,заради потенциалния риск от прегряване при използване на различни лазери като важно условие да не се надхвърля биологичната граница от 47°С.Трябва също да се има впредвид,че всяка дължина на вълната на лазера и неговите специфични настройки на мощността(енергия на импулса,средна мощност,период на облъчване,режим на приложение и специфичните взаимодействия между лазера и тъканите при различните дължини на вълните) са важни параметри,които определят отделна модалност на лечение.
Цел: В реално време да се измерят температурните промени и степента на поглъщане на лазерната енергия по време на ирадиация с два вида лазери.
Материал и методи: За настоящото изследване беше използвана следната апаратура:
1.Er:YAG лазер (Lite Touch, Syneron, Israel) със следната спецификация:Дължина на вълната 2940 nm; Енергия на импулса - до 700 mJ; Честота на импулса - до 50 Hz; Продължителност на импулса: за твърди зъбни тъкани < 640 ^s; за меки тъкани < 800 ^.Мощност 0,5 - 8,4 W
2. CO2 лазер Daeshin Enteprise с дължина на вълната 10 600 nm
3.Интерфейсна двуканална система за обработване на лабораторни данни. Системата е разработена в катедрата по Медицинска физика и биофизика на ФФ при МУ Пловдив. Тя работи с 13 bit аналогово-цифров преобразувател програмиран за паралелна комуникация с персонален компютър и осигурява проследяването на температури с точност ±0,0250C. Интервалът на дискретизация е 500ms. Към паралелния порт на компютъра за този интервал се подават данни получени в следствие събирането и усредняването на 800 измервания. Контролирането на индикираните на компютърния дисплей температури се извършват преди всяко измерване и се гарантира откалибриран термометър Hart 1522 Handheld Standards Thermometers на фирмата Hart Scientific Utah, САЩ, куплиран с полупроводников термосензор Steinhart-Hart thermistor polynomial YSI 400, сертифициран и с точност ±0,005°C за диапазона от 0°C до 50°C. Възможно е в реално време графично проследяване на температурните промени в имплантата и околните тъкани както и архивиране, последващо обработване на данните и определяне на важни термодинамични параметри.
4.Инфрачервена термокамера FlirT620(Швеция) с температурна резолюция от 0,06°С.Висока температурна чувствителност(МЕ.ТД.)-<0.04°С@30°С.Температурен диапазон:-40°Г до 1202°F(-40°C до 650°С) с точност ±2% или 2°С.Инфрачервена резолюция 640х480 пиксела(307,200 пиксела).
Биологичен модел
Като опитен модел се използваха четири имплантата(AlphaBioTec®,Israel), поставени на биологичен материал (свински челюсти), в които се оформиха канали към титановата повърхност в различни позиции. Експерименталният биологичен модел се темперира в специално конструиран за изследването термостат в температурен диапазон 32±0,5°С. Един от имплантатите беше слайснат и монтиран на поставка и с помощта на термодатчиците се измери коефициента на поглъщане и отразяване на лазерната енергия при различните дължини на вълната.
Имплантатите бяха подложени на лазерно лъчение с Er:YAG(6,8W,400 mJ,17 Hz) и CO2 (241W,300^s,20ms ) лазери за 60 сек. С помощта на фиксирани термодвойки, беше измерена
промяната на температурата в и около имплантатите. При втория експеримент при същите параметри на лазерното лъчение, в реално време бяха регистрирани температурните промени по повърхността на имплантатите с помощта на инфрачервена термокамера FlirT620 с температурна резолюция от 0,06°С.
Резултати: По време на ирадиацията със Er:YAG(6,8W,400 mJ,17 Hz), с помощта на интегрираната система с термо-двойки, се отчете промяна в температурата в първата минута в различните точки, както следва: отчита се понижение с 2 ± 0,5 °С в мукозата; леко повишение с около 0,5 °С в средната част на тялото на имплантата; леко понижение от порадъка на 2 ± 0,5 °С в апекса и апикалната 1/6 на тялото на имплантата.
oc Er:YAG 6.8W. 400mJ.
40 35 30 25 20 15 10 5 0
Norm in 1min mucosa a half 1_6 apex
Фиг.1 Температурни амплитуди в първата минута по време на ирадиация с ER:YAG лазер в различни участъци в и около титановия имплантат
Резултатите при CO2 (241W,300^s,20ms ) показаха следните стойности: съответно повишение с 8 °С за мукозата; с 2 °С±0,5 за средата и апекса на имплантатното тяло и с около 2 °С повишение в апикалната 1/6 на тялото на имплантата в първата минута.
oc
60
50 40 30 20 10 0
Norm in 1min mucosa a half 1_6 apex
Фиг.2 Температурни промени в и около титановия имплантат по време на ирадиация с СО2 лазер през първата и втората минута.
Използвайки същата интегрирана система с термо-двойки, беше регистрирана степента на поглъщане и на отражение на лазерната енергия в реално време и се определиха следните стойности:
CO2 241 W
I
plate native
Фиг.3 Степен на поглъщане на енергията от титанова пластина (plate) и от титанов имплантат (native)
С помощта на термо-камера, се визуализираха температурните промени, които потвърдиха резултатите, измерени с термо-двойки.
Image Time 10:21:34
I sol Temperature 2S.7 °C
I sol Width 02 °C
Al l Area Average Temperature 2S.4 °C
Date 422016
Image Title IR_4182.jpg
Al l Area Max. Temperature 29.0 °C
Фиг.4 Разпределение на температурата в реално време, заснето с термо камера
Обсъждане: При взаимодействие на лазерното лъчение с веществото, основните процеси са отражение, пропускане, поглъщае и разсейване. Съгласно Закона за съхранение в материална или биологична среда, енергията е числено равна на разликата от имитирана лазерна енергия и нейните компоненти (отразена, преминала и разсеяна), породени в резултат на взаимодействие на лъчистия електромагнитен поток с веществото. Погълната енергия води до честотно-зависими процеси на флуоресценция, фототермични и термични ефекти. Поради извънредно слабо представеното пропускане и дълбочинно поглъщане, се фокусира предимно върху отражателната способност на титаиевия имплантат. Тя се оказва изключително важна за наблюдаваните термични ефекти и дава обяснение на пръв поглед слабата абсорбция на инфрачервеното (топлинно) лазерно лъчение, както в обема на
имплантата.
B npHHa/yiexamaTa
Laser Tissue Interactions" ! Reflection
2 Transmission
3 Scattering
4 Absorption Photothermal Effects Fluorescence
Heat
му
тъкан.
Фиг.5 Фототермични ефекти
Екстремното повишаване на температурата в имплантатното тяло неминуемо ще доведе до повишаване температурата в имплантатния интерфейс, което е естествен процес на топлоотдаването. Загряването на костната тъкан над биологчния лимит от 47 °С за една минута, води до некротични изменения, които причиняват последващо отхвърляне на винтовия имплантат. Включването на различни видове лазери в лечебния протокол на пери-имплантит трябва да се съобрази с температурните феномени по време на ирадиация. Изводи: От двата вида лазери с най-добри физико-терапевтични показатели е ER:YAG лазерът. Физико-биологичните параметри при дължина на вълната 2940 nm осигуряват оптимални физиологични условия на тъканите около имплантата. Положителните ефекти се допълват от възможността да се интервенира на дефокусиран и безконтактен режим. Повишаването на температурата при СО2 лазера с дължина на вълната 10600 nm е под биологичната граница, но температурата има тенденция да се покачва при по-продължителна експозиция. Освен това, лазерът предизвиква ограничена некроза в зоната на интервенираните тъкани. Дизайнът на типа не позволява адаптиране субгингивално при консервативните техники.
Библиография:
1. Albrektsson T, Isidor F. Concensus report of session IV. In: Lang N, Karring T, editors. Proc. 1st Eur. work. periodontol. London: Quintessence Publishing; 1994. p. 365-9.
2. Cosyn J, Sabzevar MM. Subgingival chlorhexidine varnishadministration as an adjunct to same-day full-mouth root planing.II. Microbiological observations. Journal of Periodontology2007;78:438—45.
3. De Waal YCM, van Winkelhoff AJ, Meijer HJA, Raghoebar GM, Winkel EG. Differences in peri-implant conditions between fully and partially edentulous subjects: a systematic review. J Clin Periodontol 2013;40:266-86
4. Deppe H, Horch HH, Henke J, Donath K (2001). Peri-implant care of ailing implants with the carbon dioxide laser. Int. J. Oral Maxillofac Implants. 16(5): 659 - 667.
5. Esposito M, Grusovin M, Worthington H. Interventions for replacing missing teeth: treatment of peri-implantitis. Cochrane Database Syst Rev 2012;1 [Art. No. CD004970].
6. Froum SJ, Rosen PS. A proposed classification for peri-implantitis. Int J Periodontics Restorative Dent 2012;32:533-40.
7. Heitz-Mayfield LJA, Lang NP. Comparative biology of chronic and aggressive periodontitis vs. peri-implantitis. Periodontology 2000 2010;53:167-81.
8. Leonhardt A, Renvert S, Dahlen G. Microbial findings at failing implants. Clin Oral Implant Res 1999;10:339-45.
9. Lindhe J, Berglundh T, Ericsson I, Liljenberg B, Marinello C. Experimental breakdown of peri-implant and periodontal tissues. A study in the beagle dog. Clin Oral Implant Res 1992;3:9-16.
10. Mombelli A, Nyman S, Brägger U, Wennström J, Lang N. Clinical and microbiological changes associated with an altered subgingival environment induced by periodontal pocket reduction. J Clin Periodontol 1995;22:780-7.
11. Report C. Periodontal diseases: pathogenesis and microbial factors. Annals of Periodontology 1996;1:926-32.
12. Rodrigo D, Martin C, Sanz M. Biological complications and peri-implant clinical and radiographic changes at immediately placed dental implants. A prospective 5-year cohort study. Clin Oral Implant Res 2012;23:1224-31.
13. Roos-Jansaker AM, Lindahl C, Renvert H, Renvert S. Nine- to fourteen-year follow-up of implant treatment. Part I. Implant loss and associations to various factors. J Clin Periodontol 2006;33:283-9.
14. Schwarz F, Rothamel D, Sculean A, Georg T, Scherbaum W, Becker J. Effects of an Er : YAG laser and the Vector® ultrasonic system on the biocompatibility of titanium implants in cultures of human osteoblast-like cells. Clin Oral Imlants Res 2003, 14: 784 -792.
15. Sculean A, Schwarz F, Becker J (2005). Anti-infective therapy with an Er:YAG laser: influence on peri-implant healing. Expert Rev Med Devises 2: 267 - 276.
16. Shumaker ND, Metcalf BT, Toscano NT, Holtzclaw DJ. Periodontal and periimplant maintenance: a critical factor in long-term treatment success. Compend Contin Educ Dent 2009;30:388-90. 392, 394 passim; quiz 407, 418.
17. Simonis P, Dufour T, Tenenbaum H. Long-term implant survival and success: a 10-16-year follow-up of non-submerged dental implants. Clin Oral Implant Res 2010;21:772-7.
18. Van de Velde T, Thevissen E, Persson GR, Johansson C, De Bruyn H. Two-year outcome with Nobel Direct implants: a retrospective radiographic and microbiologic study in 10 patients. Clinical Implant Dentistry and Related Research 2009;11:183—93.
19. Van Winkelhoff AJ, Winkel EG. Antibiotics in periodontics: right or wrong? Journal of Periodontology 2009;80:1555-8.
