CC BY
46
А.В. Беликов, А.В. Скрипник, Т.В. Струнина, К.В. Шатилова_
ЛАЗЕРНЫЕ И МЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 535:621.373.826:539
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ И ЭЛЕМЕНТЫ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ А.В. Беликов, А.В. Скрипник, Т.В. Струнина, К.В. Шатилова
Впервые представлены результаты обработки твердых тканей зуба человека импульсами YLF: Er лазера с диодной накачкой. Длительность импульсов YLF: Er лазера, генерирующего на длине волны 2,81 мкм, была около 1,4 мс. Впервые в экспериментах in vitro измерены эффективность удаления эмали и дентина зуба человека, диаметр, глубина и аспектное соотношение отверстий, формируемых в твердых тканях зуба человека под действием излучения этого лазера.
Ключевые слова: YLF: Er лазер, дентин, эмаль, зуб человека, лазерное текстурирование, микросверление, эффективность удаления, аспектное соотношение.
Введение
Лазерные источники на кристаллах YAG: Er, YSGG: Cr, Er и YLF: Er считаются наиболее перспективными для обработки твердых тканей зуба, поскольку длины волн их излучения лежат вблизи пиков поглощения эмали и дентина [1-5]. Излучение YAG: Er и YSGG: Cr, Er лазеров с успехом используется для формирования полостей в эмали и дентине зуба при терапии кариеса перед постановкой пломб [6]. В работе [7] было показано, что текстуры, созданные излучением одномодового YAG: Er лазера на поверхности твердых тканей зуба, способствуют повышению адгезии современных светополимери-зующихся материалов к твердым тканям зуба. Для создания текстур в [7] использовался YAG: Er лазер с энергией импульса 1 мДж, с длительностью импульса по полувысоте 100 мкс. Текстуры представляли собой регулярную последовательность из одиночных лазерных микрократеров (элементов текстур) диаметром 100 мкм и глубиной 45 мкм. В работе [8] описан оригинальный метод внутреннего отбеливания зуба человека [9] с применением излучения одномодового YSGG: Cr, Er лазера. Для доставки отбеливающего вещества (перекиси водорода) в дентин зуба используются микроканалы, сформированные под действием излучения одномодового YSGG: Cr, Er лазера. Микроканалы обладают высоким аспектным соотношением (отношением глубины микроканала к его диаметру). В работе [10] было показано, что при помощи излучения одномодового YAG: Er лазера возможно создание микроканалов с наиболее высоким аспектным соотношением.
Дальнейший прогресс использования лазерного излучения в стоматологии в значительной мере связан с поиском новых лазерных сред и методов их накачки. Применение диодной накачки для получения трехмикронного лазерного излучения позволяет существенным образом снизить массогабаритные характеристики лазерной стоматологической установки по отношению к современным аналогам, использующим ламповую накачку. Использование кристалла YLF: Er в качестве активной среды лазера с диодной накачкой позволяет получать эффективную генерацию на различных длинах волн, в том числе 2,66 мкм, 2,71 мкм и 2,81 мкм [11]. В работе [12] представлены результаты исследования обработки твердых тканей зуба излучением YLF: Er лазера с диодной накачкой и длиной волны генерации 2,66 мкм. Показано, что при сопоставимой длительности лазерных импульсов, эффективность удаления твердых тканей зуба излучением YLF: Er лазера с длиной волны генерации 2,66 мкм практически в 2 раза меньше эффективности их удаления излучением YAG: Er лазера с длиной волны генерации 2,94 мкм.
В настоящей работе проводится исследование возможности обработки твердых тканей зуба, а именно, создание текстур и микроканалов излучением YLF: Er лазера с диодной накачкой и длиной волны генерации 2,81 мкм. Исследованы геометрические параметры микрократеров, эффективность удаления эмали и дентина зуба человека, а также аспектное соотношение микроканалов, созданных излучением YLF: Er лазера с длиной волны генерации 2,81 мкм. Проведено сравнение результатов с результатами, полученными в работе [12].
Материалы и методы
В экспериментах in vitro использовались зубы человека, принадлежащие одной возрастной категории людей (25-40 лет), удаленные по ортодонтическим показаниям. До начала эксперимента образцы хранились в 0,1% водном растворе тимола не более двух недель при температуре +4°С в защищенном от света месте.
В работе использовался макет YLF: Er лазера с диодной накачкой (Dental Photonics Inc., США), работающего в режиме свободной генерации. На длине волны генерации 2,81 мкм длительность импульса генерации (по основанию) т составляла 1400 мкс, а энергия импульса достигала 50 мДж. На рис. 1
8
представлена осциллограмма импульса типичного для используемого в настоящем исследовании YLF: Er лазера. Относительная величина амплитуды А' рассчитывалась как отношение текущего / -го значения амплитуды к максимальному.
200
400
600
1400
1600
1800
800 1000 1200 Время , мкс
Рис. 1. Осциллограмма импульса излучения У1_Р: Ег лазера (X ~1400 мкс)
2000
При помощи алмазного диска на поверхности эмали и дентина формировалась плоская площадка. Лазерная обработка тканей зуба производилась в неконтактном режиме, без внешнего водяного охлаждения. Лазерное излучение фокусировалось на поверхности площадки собирающей линзой (/ '=38 мм). Микрократеры в эмали или дентине зуба формировались в результате воздействия одиночного лазерного импульса (N,=1) на поверхность сформированной ранее плоской площадки. Энергия одиночного лазерного импульса Ер для YLF: Ег (X =2,81 мкм) изменялась с помощью внерезонаторного ослабителя Френеля и в настоящем исследовании была приблизительно 1 мДж и 2 мДж. Микроканалы формировались под действием последовательности лазерных импульсов (Ыр =100), следующих друг за другом с частотой около 1 Гц. При этом энергия одиночного лазерного импульса Ер для YLF: Ег (X =2,81 мкм) была приблизительно 30 мДж.
После создания на поверхности эмали и дентина микрократеров и микроканалов образцы фотографировались. Затем образцы шлифовались для формирования продольных сечений, принадлежащих плоскости, проходящей через центральную ось микрократеров (микроканалов). Продольные сечения микрократеров (микроканалов) фотографировались. Диаметр Б0 и глубина к0 микрократеров и микроканалов измерялись по фотографиям их продольных сечений. Затем рассчитывался объем микрократера У0 и эффективность удаления биоткани <Э>. Эффективность удаления биоткани <Э> рассчитывалась как отношение объема микрократера У0 к энергии, затраченной на его формирование. Также рассчитывалось аспектное соотношение микроканалов А как отношение диаметра микроканала к его глубине.
Результаты и обсуждение
Поскольку в ходе воздействия излучения YLF: Ег лазера с энергией 1 мДж разрушения эмали не были выявлены, то дальнейшие исследования проводились для излучения YLF: Ег лазера с энергией 2 мДж. Для расчета объема микрократеров его форма аппроксимировалась элементарными фигурами вращения. В исследовании были зафиксированы две характерные формы микрократеров: полусфера и усеченный конус.
Для микрократеров, имеющих форму полусферы, объем вычислялся как
где Б0 - диаметр отверстия в твердой ткани зуба. Для микрократеров, имеющих форму усеченного конуса, объем вычислялся как
^ = 112 (А,2 + Б А + А2), где ^0 - глубина кратера; Б0 - больший диаметр отверстия в твердой ткани зуба; Б - меньший диаметр отверстия в твердой ткани зуба.
На рис. 2 представлены результаты измерения геометрических параметров микрократеров в эмали и дентине, сформированных под действием одиночного импульса YLF: Ег лазера с диодной накачкой, длиной волны 2,81 мкм и х «1400 мкс. На рис. 3 представлены результаты расчета объема микрократеров и эффективности удаления эмали и дентина одиночным импульсом YLF: Ег лазера с диодной накачкой, длиной волны 2,81 мкм и х « 1400 мкс. Таким образом, при формировании микрократеров излучением YLF: Ег лазера (Х=2,81 мкм, х «1400 мкс, Ер « 2 мДж) в эмали Б0=115+7 мкм, А0=32+4 мкм,
К0=(1б±6)х10-5 мм3, <Э>=82+20 мм3/кДж; в дентине Ц0=155±5 мкм, А0=2б±2 мкм, Ко=(19±4)х10-5 мм3, <Э>=100+21 мм3/кДж.
Внешний вид микроканала, сформированного в результате воздействия на твердые ткани зуба последовательности из ста импульсов УЬБ: Ег лазера с диодной накачкой, длиной волны 2,81 мкм и т и 1400 мкс, представлен на рис. 4. Толщина эмали в зоне обработки в данном случае составила 80 мкм. Наблюдается значительная карбонизация стенок практически по всей длине микроканала. Присутствие карбонизации может быть связано с тем, что длительность лазерного импульса т и 1400 мкс существенно превышает время термической релаксации дентина [13], и за время действия лазерного импульса тепло, стимулированное лазерным излучением, не полностью отводится с продуктами абляции, проникает в дентин и вызывает его карбонизацию.
40
35 -
30 ■ 25
^ 20 -
15 -
10 ■
5 -■■ 0
.120
■и
ЭМАЛЬ
а
ДЕНТИН
ЭМАЛЬ б
ДЕНТИН
Рис. 2. Глубина ^ (а) и диаметр Ц (б) микрократеров, созданных в эмали и дентине излучением YLF: Er (X =2,81 мкм; Ер ~2 мДж; т ~1400 мкс) лазера
0.0001 -
120 ■
л босо
ЭМАЛЬ
а
ДЕНТИН
ЭМАЛЬ б
ДЕНТИН
Рис. 3. Объем микрократеров Уд (а) и эффективность удаления эмали и дентина < Э > (б) излучением YLF: Er (X =2,81 мкм; Ер ~2 мДж; т ~1400 мкс) лазера
б
Рис. 4. Внешний вид (а) и продольное сечение (б) микроканала, сформированного в дентине излучением YLF: Er (X =2,81 мкм; т ~1400 мкс; Ер~30 мДж; Ыр =100) лазера
а
Максимальная длина микроканала, сформированного в результате воздействия на твердые ткани зуба последовательности из ста импульсов YLF: Er лазера с диодной накачкой, длиной волны 2,81 мкм и т к 1400 мкс, составила величину h0 =1170+100 мкм. Максимальный диаметр микроканала достигал D0=260+30 мкм. Максимальное значение аспектного соотношения, полученное в рамках настоящего эксперимента, составило величину A =4,5+0,5.
B работе [12] сообщается, что при формировании микрократеров излучением YAG: Er лазера (X=2,94 мкм, т к130 мкс, Ер к 1 мДж) в эмали D0=99+3 мкм, h0=45+8 мкм, V0=(24+8)x10-5 мм3, <Э>=240+80 мм3/кДж; в дентине D0=101+1 мкм, h0=46+4 мкм, V0=(27+7)x10-5 мм3, <Э>=266+61 мм3/кДж. Очевидно, что диаметр микрократеров D0, созданных излучением YLF: Er лазера, превышает D0 для YAG: Er лазера в 1,2 и 1,5 раза для эмали и дентина соответственно. Глубина микрократеров h0 для YLF: Er лазера в 1,4 и 1,8 раза меньше глубины микрократеров, созданных с помощью YAG: Er лазера. Значение эффективности удаления эмали излучением YLF: Er лазера в 2,9 раза меньше значения эффективности удаления эмали для YAG: Er лазера. Значение эффективности удаления дентина излучением YLF: Er лазера в 2,7 раза меньше значения эффективности удаления дентина для YAG: Er лазера. B работе [10] сообщается, что для YAG: Er лазера (X=2,94 мкм, т = 105 мкс по полувысоте, Ер =15 мДж) аспект-ное соотношение формируемых микроканалов достигает A =2,4+0,12. Таким образом, аспектное соотношение микроканалов, созданных в твердых тканях зуба человека излучением YLF: Er лазера (X=2,81 мкм, т к 1400 мкс, Ер к 30 мДж), почти в 2 раза больше аспектного соотношения микроканалов, созданных излучением YAG: Er лазера [10]. Полученные результаты могут быть обусловлены различием порогов разрушения [2, 14] и коэффициентов поглощения твердых тканей зуба на длинах волн 2,81 мкм и 2,94 мкм [3], а также разницей в длительностях импульсов лазеров [15, 16].
Заключение
Исследована возможность применения излучения YLF: Er лазера для обработки твердых тканей зуба. При формировании микрократеров излучением YLF: Er лазера (X = 2,81 мкм, т к 1400 мкс, Ер к 2 мДж) в эмали D0=115+7 мкм, h0 = 32+4 мкм, V0 =(16+6)х10-5мм3, <Э>=82+20 мм3/кДж; в дентине D0=155+5 мкм, h0 = 26+2 мкм, V0 = (19+4)х10-5 мм3, <Э>=100+21 мм3/кДж. Длина микроканала, сформированного в результате воздействия на твердые ткани зуба последовательности из ста импульсов YLF: Er лазера с диодной накачкой, длиной волны 2,81 мкм и т к 1400 мкс, составила h0 = 1170+100 мкм, диаметр микроканала достигал D0 = 260+30 мкм, аспектное соотношение A = 4,5+0,5.
Литература
1. Rechmann P., Hennig T. Influence of different laser wavelengths on the ablation characteristics of healthy dentin // Proc. of SPIE. Medical Applications of Lasers II. - 1994. - V. 2327. - P. 64-69.
2. Belikov A.V., Erofeev A.V., Shumilin V.V., Tkachuk A.M. Comparative study of the 3 |im 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.
3. Беликов A.B., Скрипник A.B., Шатилова K.B. Исследование динамики спектров поглощения эмали и дентина зуба человека при нагреве и абляции излучением субмиллисекундных импульсов эрбиевого лазера с длиной волны генерации 2,79 мкм // Оптика и спектроскопия. Биомедицинская оптика и спектроскопия. - 2010. - Т. 109. - № 2. - C. 1297-1302.
4. Беликов A.B., Жолобова Е.П., Скрипник A.B., Струнина ТЗ. Исследование эффективности разрушения эмали зуба человека одномодовым излучением YAG: Er лазера // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2009. - № 2(60). - С. 51-58.
5. Беликов A.B., Храмов BÄ. Перспективы развития инновационных направлений исследований в области лазерных систем и биомедицинских оптических технологий // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2010. - № 5(69). - C. 110-113.
6. Coluzzi D.J., Convissar R.A. Atlas of laser applications in dentistry. - Quintessence Publishing, Inc, 2007. -220 p.
7. Беликов A.B., Пушкарева A.E., Скрипник A.B., Струнина ТЗ., Шатилова K.B. Лазерное текстуриро-вание поверхностей материалов // Изв. вузов. Приборостроение. - 2010. - Т. 53. - № 4. - C. 52-56.
8. Aльтшулер Г.Б., Беликов A.B., Скрипник A.B., Бобров A.fr, Ткаченко Т.Б., Маслов B.B., Гайко-ва О.Н., Фельдштейн Ф.И. «М2 лазерная технология» и ее применение для отбеливания зубов. Результаты первых in vivo исследований // Инновационная стоматология. - 2010. - № 1. - C. 44-54.
9. Гринволл Л. Методики отбеливания в реставрационной стоматологии. Иллюстрированное руководство. Пер. с англ. - М.: Издательский дом «высшее образование и наука», 2003. - 304 с.
10. Aльтшулер Г.Б., Беликов A.B., Скрипник A.B., Шатилова K.B., Фельдштейн Ф.И. «М2 лазерная технология» и ее применение для создания микроканалов в зубе // Инновационная стоматология. - 2010. - № 1. - C. 20-23.
11G
11. 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.
12. 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. Проблемы оптической физики и биофотоники. - Саратов: Новый Ветер, 2010. -С. 20-26.
13. Fried D., Visuri S.R., Featherstone J.D.B., Walsh J.T., Seka W., Glena R.E., McCormack S.M., Wigdor H.A. Infrared radiometry of dental enamel during Er: YAG and Er: YSGG laser irradiation Wigdor // J. Bio-med. Optics. - 1996. - № 1. - P. 455-465.
14. 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.
15. Apel C., Franzen R., Meister J., Sarrafzadegan H., Thelen S., Gutknecht N. Influence of the Pulse Duration of an Er: YAG Laser System on the Ablation Threshold of Dental Enamel // Lasers Med Sci. - 2002. - V. 17. - P. 253-257.
16. Majaron B., Lukac M. Thermo-mechanical laser ablation of hard dental tissues: an overview of effects, regimes, and models // Proc. of SPIE. - 1999. - V. 3593. - P. 184-195.
Беликов Андрей Вячеславович
Скрипник Алексей Владимирович
Струнина Татьяна Валерьевна Шатилова Ксения Владимировна
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, доцент, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, доцент, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, инженер, [email protected] Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
