«M2 лазерная технология» и ее применение для создания микроканалов в зубе

Г.Б. Альтшулер, Palomar Medical Technologies Inc., США , А.В. Беликов, А.В. Скрипник, К.В.Шатилова, Санкт-Петербургский Государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Россия Ф.И.Фельдштейн Dental Photonics Inc., США

Продемонстрирована возможность формирования  одномодовым излучением Er:YAG лазера в дентине зуба  человека микроканалов с высоким аспектным соотношением. Измерены объёмы, диаметры, глубины и аспектное соотношение микроканалов. Показано, что аспектное соотношение кратеров, сформированных одномодовым излучением Er:YAG лазера, превышает аспектное соотношение кратеров, сформированных  многомодовым излучением Er:YAG лазера.

ВВЕДЕНИЕ

Существующие на данный  момент стоматологические  лазерные   системы  создавались как   альтернатива   традиционным  турбинам. Высокооборотные  турбины  используют твердосплавные или алмазные боры  различной формы с диаметром 600-1000 мкм2 В работах1,3–7, посвящённых  исследованию взаимодействия  с  твёрдыми  тканями зуба  излучения Er:YAG, Er:YSGG и CO2  лазеров, рассматриваются многомодовые лазеры  с   размером  пучка   в   зоне   обработки 300–1000 мкм. 

Полости, созданные при помощи такого  излучения, характеризуются низким аспектным соотношением и предназначены для постановки  традиционных  пломб.   Использование многомодового лазерного излучения не позволяет  реализовать  преимущества уникальной способности лазерного излучения формировать световые пучки  чрезвычайно малых размеров, сравнимых с  длиной   волны   лазерного  излучения.  Очевидно, что  чем  меньше размер  пучка, тем  более локально и безопасно можно  обрабатывать материал. С  помощью световых пучков малых размеров можно  формировать полости с высокой  точностью, при  этом  поперечный размер  этих полостей (диаметр) может  быть  значительно меньше поперечного размера  полостей, сформированных механическим инструментами.

С помощью микропучков можно  формировать полости с уникальным профилем. Достоинством миропучком является их способность формировать   на  обрабатываемой  поверхности рельеф заданного профиля с  микроскопическими размерами, сопоставимыми с  размером этих  микропучков, и протяженные микроканалы. Еще одной  особенностью лазерного излучения, не до конца  востребованной в современной лазерной стоматологии, является способность лазеров формировать  одиночные короткие  пучки  и  их воспроизводимые последовательности – микроимпульсы.

Управляя  длительностью  пучков,   их скважностью в микроимпульсе, частотой следования  микроимпульсов можно существенно оптимизировать процесс лазерного удаления твердых тканей зуба. Оптимизация возможна за счет  подачи лазерной энергии, именно тогда, когда она может  с минимальными потерями достигнуть обрабатываемого материала,  а  не ослабляться водой системы орошения или  продуктами лазерного  разрушения, не  успевшими покинуть лазерную полость до прихода лазерной энергии. Одновременное использование  микроимпульсов и микропучков мы называем «M2 лазерной технологией». Для  создания малых световых  пучков  необходимо использовать одномодовые лазеры.8

Возможность формирования в твёрдых тканях зуба  протяжённых полостей, обладающих высоким аспектным соотношением, способно привести к появлению новых  технологий в стоматологии, в числе которых  можно  представить внутреннее отбеливание, введение лекарств, создание  полостей программируемой формы и т.д. В настоящей работе впервые проведено сравнительное исследование геометрических параметров  полостей, аспектного соотношения и скорости удаления дентина одномодовым и многомодовым излучениями Er:YAG лазера.

МАТЕРИАЛ И  МЕТОД

В качестве объекта исследования был использован дентин зубов человека, принадлежащих возрастной категории людей 25-40  лет,  удалённых   по   пародонтозным  и  ортодонтическим показаниям. Для поддержания естественных свойств зубы  хранились в 0.1%  водном растворе тимола при  температуре   ~+4°С  не  более двух недель в защищённом от света месте.
В качестве источников лазерного излучения использовались одномодовый (далее TEM00) и многомодовый (далее TEMpl) Er:YAG лазеры с длиной  волны  излучения 2.94  мкм,  работающие в режиме свободной генерации.

Воздействие проводилось при следующих условиях: длительность импульса  τ = 105 (±10%) мкс;  с  частотой следования  импульсов  ν~1  Гц; неконтактно, через линзу  (f~ 38.0  мм);  без  водяного  орошения. Плотность энергии излучения в зоне   обработки WE   составила  20  Дж/см2.   Для расчёта  плотности энергии использовался  диаметр  кратеров, сформированных на поверхности дентина, для TEM00  диаметр составил  300 мкм и для  TEMpl    800  мкм.  Энергия в импульсе Ep  при этом  составила  ~15 мДж для TEM00  и  ~105  мДж для TEMpl. Так при одноимпульсном воздействии (Np=1) энергетическая экспозиция  ΣE составила ~15 и ~105 мДж, соответственно для TEM00 и для TEMpl. Воздействие TEM00  излучением проводи- лось  также  при Np=7, при этом   ΣE=105  мДж.

На поверхности дентина при помощи алмазного диска была  подготовлена плоская площадка на  которой с  помощью лазера  было сформировано по 10 полостей для трёх режимов воздействия: "1" –   TEM00,  Np=7,   ΣE=105  мДж; "2"   –  TEM00,  Np=1,   ΣE=15   мДж;  "3"  –   TEMpl, Np=1,  ΣE=105  мДж.

Таким  образом, полости формировались одномодовым и многомодовым излучением при одинаковом количестве импульсов или одинаковой энергетической экспозиции. После   формирования  при   помощи алмазного диска проводился распил полостей вдоль их оси. Полости после распила фотографировались.  По фотографиям распилов измерялись общая глубина  полости h и внешний диаметр D, рассчитывался  объём удалённого дентина V, аспектное соотношение кратера  A.  Для   расчёта  объёма удалённого дентина форма  полостей аппроксимировалась одним  или двумя  усечёнными конусами.

Аспектное соотношение характеризует форму полости и представляет собой  величину, равную  отношению общей глубины  h к внешнему диаметру полости D. Скорость удаления дентина рассчитывалась как отношение глубины полости, сформированной  лазерным  излучением в дентине, к произведению длительности лазерного импульса на число  лазерных импульсов

РЕЗУЛЬТАТЫ И  ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты представлены на  рис.  1-3.  На рис.  1. показан внешний вид  кратеров, сформированных в дентине при различных режимах воздействия Er:YAG лазера. Видно, что при меньшем диаметре глубина кратера, созданного одномодовым  TEM00    излучением,  значительно превышает глубину  кратера, созданного традиционным  многомодовым TEMpl излучением.

На рис. 2 представлены значения диаметра  D, глубины  h и объёма V кратеров,сформированных в дентине при различных режимах воздействия Er:YAG лазера.

Видно,  что для  режима "1": D=250±5 мкм; h=587±15 мкм;  V=(80±10)•10-4  мм3;  для  режима "2":  D=230±2  мкм;   h=152±6  мкм;   V=(23±3)•10-4 мм3; для режима "3": D=795±6;  h=28±2; V=(168±18)•10-4  мм3.

На рис.  3 представлены значения аспектного соотношения полостей A и скорости
удаления  дентина    при  различных режимах воздействия  Er:YAG лазера. Для режима "1": A=2.43±0.120,  v=80±2 см/с; для режима "2": A=0.66±0.017,  v=145±5  см/с; для режима "3": A=0.03±0.002, v=27±2  см/с.

Очевидно, что  при  одинаковой энергетической экспозиции аспектное соотношение для полостей, сформированных  в  дентине одномодовым излучением Er:YAG лазера, значительно превышает аспектное соотношение для  полостей,  сформированных в дентине многомодовым излучением Er:YAG лазера.

Полученные результаты мы объясняем различным распределением  плотности энергии в поперечном сечении TEM00  и TEMpl излучения. Энергия, превышающая пороговую, в случае TEM00   излучения сконцентрирована в  меньший R∂, чем  в случае TEMpl, что и определяет меньший      диаметр     формируемых     кратеров9,10
Превышение плотности энергии над пороговой в случае TEM00  излучения выше аналогичного параметра для  TEMpl излучения, что в свою  очередь   определяет  большую глубину   формируемых кратеров и скорость удаления дентина.

ВЫВОДЫ

Проведено сравнительное исследование геометрических параметров, аспектного соотношения полостей в дентине и скорости удаления дентина излучением  одномодового и  многомодового Er:YAG лазеров.

В эксперименте показано, что с увеличением количества импульсов для TEM00  Er:YAG лазерного излучения: скорость удаления дентина уменьшается, а аспектное соотношение кратеров увеличивается. При одинаковой энергетической экспозиции TEM00  и TEMpl излучения ( ΣE=105  мДж): скорость удаления  дентина излучением TEM00  превышает скорость   удаления  дентина излучением TEMpl   в  3 раза;  аспектное соотношение кратеров, сформированных излучением  TEM00,  превышает аспектное соотношение кратеров,  сформированных излучением TEMpl, более чем  в 80 раз.

Формирование кратеров с высоким аспектным соотношением возможно благодаря особенностям пространственного распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка  одномодового лазерного излучения.

По материалам журнала "Инновационная стоматология 2010/1" 

Академия Инновационной Стоматологии "АИСт" - http://academia-aist.ru/